Lateral-Flow-Schnelltest: So funktioniert das Prinzip

Ein Lateral-Flow-Schnelltest funktioniert wie eine winzige Chromatografie auf Papier: Die Probe fließt durch Kapillarkräfte seitlich über einen Teststreifen, nimmt dabei farbige, mit Antikörpern beladene Nanopartikel mit und passiert eine Testlinie und eine Kontrolllinie. Ist das gesuchte Molekül in der Probe, bleiben die Partikel an der Testlinie hängen und färben sie sichtbar. Das Prinzip steckt in Schwangerschaftstests ebenso wie in Antigen-Schnelltests auf Infektionserreger, Drogentests und Lebensmitteltests.

Der Aufbau eines Teststreifens

Ein Lateral-Flow-Test besteht aus mehreren überlappenden Materialien, die auf eine Trägerkarte geklebt und meist in ein Kunststoffgehäuse eingesetzt sind. Jedes Bauteil hat eine eigene Aufgabe:

Die Nitrocellulosemembran ist das Herzstück. Ihre Porengröße bestimmt, wie schnell die Probe fließt, und damit, wie viel Zeit die Moleküle zum Binden haben. Auf die Membran werden in schmalen Linien Antikörper oder andere Bindemoleküle aufgebracht, die dort fest haften.

Die Signalgeber: farbige Nanopartikel

Damit eine Bindung mit bloßem Auge sichtbar wird, braucht der Test einen Signalgeber. In den meisten Tests sind das Gold-Nanopartikel mit 20 bis 40 Nanometern Durchmesser. Sie sind durch ihre Plasmonresonanz intensiv rot gefärbt, stabil und lassen sich gut mit Antikörpern koppeln. Warum das so ist, erklärt der Artikel Gold-Nanopartikel: Eigenschaften und Anwendungen in der Diagnostik.

Alternativ werden gefärbte Latexpartikel verwendet, die zum Beispiel blaue Linien erzeugen, oder Fluoreszenzpartikel und Lanthanoid-Chelate, die ein Lesegerät auswertet. Die Verbindung von Partikel und Antikörper, das Konjugat, ist einer der empfindlichsten Schritte der Testentwicklung. Die Grundlagen dazu beschreibt die Seite Biokonjugation.

Ablauf Schritt für Schritt

1. Probe auftragen: Speichel, Abstrichflüssigkeit, Urin, Blut oder ein Extrakt wird in das Probenfenster gegeben, meist zusammen mit einem Puffer.
2. Konjugat lösen: Die Flüssigkeit erreicht das Konjugatpad und löst die getrockneten Partikel. Ist der gesuchte Stoff vorhanden, bindet er an die Antikörper auf den Partikeln.
3. Wanderung über die Membran: Probe und Partikel fließen gemeinsam über die Nitrocellulose.
4. Testlinie: Hier sitzen fest gebundene Fängermoleküle. Je nach Testformat halten sie Partikel fest oder nicht.
5. Kontrolllinie: Weiter hinten fangen Antikörper die überschüssigen Partikel ab, unabhängig vom Zielmolekül.
6. Ablesen: Nach der vorgegebenen Zeit, oft zwischen 10 und 20 Minuten, wird das Linienmuster ausgewertet.

Sandwich-Format und kompetitives Format

Je nach Größe des gesuchten Moleküls arbeiten Teststreifen nach zwei grundlegend unterschiedlichen Prinzipien.

Sandwich-Format

Für größere Moleküle wie Proteine, Hormone oder Virusbestandteile, die mindestens zwei Bindestellen haben. Ein Antikörper sitzt auf dem Partikel, ein zweiter ist an der Testlinie fixiert. Das Zielmolekül verbindet beide wie die Füllung eines Sandwichs. Eine Linie bedeutet positiv. Je mehr Zielmolekül, desto kräftiger die Linie.

Kompetitives Format

Für kleine Moleküle wie Arzneistoffe, Drogen, Antibiotikarückstände oder Schimmelpilzgifte, an die nicht gleichzeitig zwei Antikörper binden können. An der Testlinie sitzt das Zielmolekül selbst, gekoppelt an ein Trägerprotein. Ist kein Zielmolekül in der Probe, binden die Partikel dort und erzeugen eine Linie. Ist es vorhanden, besetzt es die Antikörper auf den Partikeln, und sie können an der Testlinie nicht mehr binden. Fehlt die Linie, ist der Test positiv.

Daneben gibt es Tests, die Nukleinsäuren nach einer vorgeschalteten Vervielfältigung auf einem Teststreifen sichtbar machen, etwa in der CRISPR-Diagnostik. Das Streifenprinzip bleibt dabei gleich, nur die Erkennung erfolgt über markierte Erbgutstücke statt über Antigene.

Warum die Flussgeschwindigkeit so wichtig ist

Anders als im Labor gibt es auf dem Streifen keine Inkubationszeit, in der Antikörper und Zielmolekül in Ruhe binden können. Die Bindung muss in den Sekunden geschehen, in denen die Probe an der Testlinie vorbeifließt. Fließt die Probe zu schnell, werden zu wenige Partikel gefangen, fließt sie zu langsam, dauert der Test lange und der Hintergrund nimmt zu. Hersteller stimmen deshalb Membran, Puffer und Partikelmenge sorgfältig aufeinander ab.

Die Rolle der Kontrolllinie

An der Kontrolllinie sitzen Antikörper, die die Antikörper auf den Partikeln selbst erkennen, zum Beispiel Antikörper gegen Maus-Antikörper. Sie fangen alle Partikel ab, die die Testlinie passiert haben. Erscheint die Kontrolllinie, ist belegt, dass Flüssigkeit über den ganzen Streifen geflossen ist und das Konjugat funktioniert. Fehlt sie, ist der Test ungültig, auch wenn eine Testlinie sichtbar ist.

Typische Fehlerquellen

• Zu frühes oder zu spätes Ablesen: Vor Ablauf der Zeit ist die Reaktion unvollständig, danach können durch Verdunstung schwache Schatten entstehen.
• Falsche Probenmenge: Zu wenig Flüssigkeit erreicht die Linien nicht, zu viel überschwemmt den Streifen.
• High-Dose-Hook-Effekt: Bei sehr hohen Konzentrationen im Sandwich-Format sättigen freie Zielmoleküle sowohl die Partikel als auch die Testlinie getrennt voneinander. Die Linie wird dann paradoxerweise schwächer.
• Kreuzreaktionen: Antikörper erkennen ähnliche Moleküle mit und erzeugen falsch positive Linien.
• Lagerung: Hitze und Feuchtigkeit schädigen das getrocknete Konjugat. Deshalb sind Tests einzeln mit Trockenmittel verpackt.

Stärken und Grenzen im Vergleich

Lateral-Flow-Tests sind billig, schnell, ohne Gerät ablesbar und lange lagerfähig. Darin liegt ihre Stärke in der Point-of-Care-Diagnostik und bei Selbsttests. Ihre Schwächen liegen in der Empfindlichkeit und der Quantifizierung: Das Auge unterscheidet Linienstärken nur grob, und ohne Verstärkungsschritt werden sehr niedrige Konzentrationen nicht erfasst. Laborverfahren wie der ELISA erreichen durch eine Enzymreaktion deutlich niedrigere Nachweisgrenzen und liefern genaue Messwerte.

Die Entwicklung geht deshalb in drei Richtungen: empfindlichere Signalgeber wie Fluoreszenzpartikel, Lesegeräte und Smartphone-Kameras für eine objektive Auswertung sowie Multiplex-Streifen mit mehreren Testlinien für verschiedene Zielmoleküle auf einem Streifen.

Was Sensitivität und Spezifität bedeuten

Die Qualität eines Schnelltests wird meist mit zwei Kennzahlen beschrieben, die in Gebrauchsanweisungen und Studien auftauchen:

• Sensitivität: Anteil der tatsächlich positiven Proben, die der Test als positiv erkennt. Eine niedrige Sensitivität bedeutet viele falsch negative Ergebnisse.
• Spezifität: Anteil der tatsächlich negativen Proben, die der Test als negativ erkennt. Eine niedrige Spezifität bedeutet viele falsch positive Ergebnisse.

Beide Werte werden im Vergleich zu einem Referenzverfahren bestimmt, bei Infektionen häufig der PCR. Sie hängen auch davon ab, wann und bei wem getestet wird: Ein Antigentest erkennt eine Infektion mit hoher Erregermenge zuverlässiger als eine sehr frühe oder abklingende. Wie aussagekräftig ein einzelnes Ergebnis ist, hängt außerdem davon ab, wie häufig der gesuchte Zustand in der getesteten Gruppe vorkommt.

Regulierung

Schnelltests mit medizinischer Zweckbestimmung sind in der EU In-vitro-Diagnostika und fallen unter die Verordnung (EU) 2017/746. Tests zur Eigenanwendung durch Laien unterliegen dabei besonderen Anforderungen an Gebrauchstauglichkeit und Kennzeichnung. Tests für Lebensmittel, Umwelt oder Forschung fallen nicht unter diese Verordnung. Mehr zur Einordnung von Sensoren und Schnelltests finden Sie auf der Übersichtsseite Biosensoren und Schnelltests, die immunologischen Grundlagen der Antikörperbindung erklärt die Seite Nanotechnologie und Immunologie.