Covid-19-Screening: Was ist der PCR-Test?

Wenn Sie sich in einem Labor auf Coronaviren testen lassen, wird ein PCR-Test durchgeführt. Mit diesem Test soll das Coronavirus-Genom in der Probe amplifiziert werden, um sein Vorhandensein zu bestätigen oder zu widerlegen. Auf welchem Prinzip beruht dieser Test?

Der Screening-Test für Coronaviren basiert auf einer molekularbiologischen Methode namens PCR, kurz für “Polymerase Chain Reaction”. Es handelt sich dabei um eine Routinetechnik, die in praktisch allen Biologielabors angewandt wird und bei der eine DNA von Interesse nach mehreren Runden biochemischer Reaktionen spezifisch vermehrt wird.

Normalerweise liegen Gene in der DNA vor. Von dieser werden kurzlebige Kopien hergestellt, welche als Baupläne für verschiedene Proteine dienen. Das Genom einiger Viren, wie auch bei SARS-CoV-2, liegt aber nur als RNA-Molekül vor. Um eine Infektion mit dem Virus nachzuweisen, wird im ersten Schritt ein DNA-Molekül gebaut, das passend zur Virus-RNA ist. Man spricht von komplementärer DNA, kurz cDNA. Diese cDNA wird anschließend im PCR-Verfahren vermehrt, bis sie nachgewiesen werden kann.

Liegt keine Infektion mit dem Virus vor, existiert keine Virus-RNA in der Probe. Somit kann keine cDNA entstehen und vermehrt werden – das Testergebnis fällt somit korrekt negativ aus.

Der Prozess, bei dem cDNA entsteht, heißt Retrotranskription. Sie wird durch das Enzym Retrotranskriptase ermöglicht. Deshalb heißt die beim Covid-19-Screening genutzt Variante des PCR-Tests auch “quantitative RT-PCR”. Nachdem die cDNA entstanden ist und vermehrt wurde, sind die weiteren Schritte aber wie bei einer gewöhnlichen PCR.

Bis ausreichend DNA vorliegt, um gemessen werden zu können, müssen mehrere PCR-Durchläufe stattfinden, auch Zyklen genannt. In jedem Zyklus verdoppelt sich die Menge der DNA. Ein PCR-Zyklus besteht aus den folgenden Schritten:

Schritt des PCR-Tests: Denaturierung

Der erste Schritt ist die Denaturierung. Dazu wird die Probe in der Regel 10 bis 15 Minuten lang auf 95 °C erhitzt. Bei diesem Schritt trennen sich die beiden Stränge der cDNA. In den nächsten Schritten wird zu jedem halben DNA-Strang die fehlende Hälfte zusammengesetzt. Auf diese Weise wird die DNA verdoppelt.

Beim Start eines neuen Zyklus ist dieser Schritt kürzer und ermöglicht es, die Polymerase abzukoppeln. Polymerase ist das Enzym, welches die DNA vermehrt.

Schritt des PCR-Tests: Hybridisierung

Die Hybridisierung findet bei einer Temperatur zwischen 50 und 60° statt. In dieser Phase setzen sich die Primer genannten kurzen DNA-Sequenzen an spezifische Stellen der DNA-Stränge, die vermehrt werden sollen. Sie markieren so den Startpunkt, von dem aus die fehlende Hälfte des DNA-Strangs gebildet wird.

Primer arbeiten paarweise: ein Sense- und ein Antisense-Primer. Der Sense-Primer dient als Basis für die Verlängerung des Anti-Sense-Strangs und der Anti-Sense-Primer dient als Basis für die Verlängerung des Sense-Strangs. Die Temperatur dieses Schrittes wird entsprechend der Primer gewählt, die von ihrer Sequenz abhängt.

Schritt des PCR-Tests: Elongation

Die Verlängerung erfolgt klassischerweise durch die Taq-Polymerase, ein aus Unterwasserbakterien gewonnenes Enzym, das bei 72 °C aktiv ist. Die Taq-Polymerase bindet an den Primer und setzt mit den in der Flüssigkeit vorhandenen Aminosäuren den fehlenden DNA-Strang zusammen. Die Dauer dieses Schrittes hängt von der Größe des DNA-Strangs ab, der vermehrt werden soll.

Nach diesem Schritt beginnt der Zyklus wieder von vorne. Die Zyklen folgen aufeinander, bis die Menge der DNA groß genug ist, um nachgewiesen zu werden. Bei der quantitativen PCR wird die interessierende DNA mit einer fluoreszierenden Sonde markiert, die es ermöglicht, die Zunahme der Fluoreszenz und damit der DNA-Menge über die Zyklen hinweg zu verfolgen. Dies steht im Gegensatz zur Endpunkt-PCR. Bei der Endpunkt-PCR wird am Ende aller Zyklen das PCCR-Produkt durch eine Agarosegel-Elektrophorese analysiert.

Alle diese Schritte einer PCR sind vollständig automatisiert und werden in einem so genannten Thermocycler durchgeführt. Die verschiedenen für die PCR benötigten Reagenzien werden von den Anbietern von Laborprodukten verkauft. Es gibt viele verschiedene Bausätze mit unterschiedlichen Eigenschaften. Das Gesundheitsministerium hat eine Liste der zugelassenen Testkits für Coronavirus-Tests veröffentlicht.

Urhebender Autor: Julie Kern