Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGBWie wirksam sind Luftreinigungs- und Inaktivierungssysteme wirklich gegen Viren in der Raumluft? Das Fraunhofer IGB entwickelt Modellsysteme auf Basis von Bakteriophagen, also für Mensch und Tier harmlosen Viren, und standardisierte Aerosol-Testmethoden. Diese ermöglichen belastbare Bewertungen unter praxisnahen und kontrollierten Bedingungen – ohne den aufwendigen Einsatz hochpathogener Viren. Die kombinierte Bestimmung von Gesamtviruszahl und infektiösen Viren erlaubt Ausagen zur Effektivät der Virusinaktivierung.
Plaque-Assay zur Quantifizierung von aktiven Bakteriophagen.
© Fraunhofer IGB
Aerosolgetragene Surrogatviren – Luftkeimtestung für Technologien zur Luftreinigung und Virusinaktivierung
Eingeschränkte Möglichkeiten zur Testung luftgetragener pathogener Viren
Um die Wirksamkeit von Luftreinigungs- und Inaktivierungssystemen unter realitätsnahen Bedingungen nachzuweisen, werden valide Luftkeimtests benötigt. Gefragt sind belastbare Daten dazu, wie effektiv Viren in der Raumluft reduziert oder inaktiviert werden – etwa SARS-CoV‑2, Influenzaviren oder andere respiratorische Erreger.
Echte pathogene Viren erfordern jedoch hohe biologische Sicherheitsstufen und sind in der Handhabung sehr aufwendig. Gleichzeitig fehlen standardisierte, sichere und zugleich repräsentative Testmethoden, mit denen sich Viren kontrolliert aerosolieren und Systeme zur Luftreinigung und Virusinaktivierung unter praxisnahen Bedingungen prüfen lassen.
Unser Lösungsansatz: Prozess-Workflow von der Aerosolisierung bis zur Analyse
Aufbau der Aerosoltestkammer zur definierten Untersuchung von luftgetragenen bakteriellen und viralen Erregern bis Sicherheitsstufe 2. Zusätzliche Geräte können integriert werden, um zielgerichtet Untersuchungen wie beispielsweise die Desinfektionseffizienz von UV-C Strahlung bei luftgetragenen Erreger zu untersuchen.
Zur Probenahme der aerosolisierten Viren wurde ein Verfahren unter Verwendung von Swabs entwickelt.
Das Fraunhofer IGB hat einen flexiblen Workflow etabliert, der die gesamte Prozesskette von der Produktion über die Aerosolisierung bis zur differenzierten Analyse aerosolgetragener Surrogatviren abdeckt.
Als repräsentative Modellviren kommen nicht-pathogene Bakteriophagen zum Einsatz. Der behüllte RNA-Phage Phi6 dient als Surrogat für behüllte Viren wie SARS‑CoV‑2. Ergänzend wird der weit verbreitete unbehüllte RNA-Phage MS2 genutzt, der häufig für Studien zur UV-Inaktivierung, Filtration und allgemeinen Aerosolstabilität eingesetzt wird. Beide Surrogatviren sind ungefährlich für Mensch und Tier und liefern zugleich ein virologisch aussagekräftiges Modell.
Standardisierte Formulierung und Aerosolisierung
Die Surrogatviren werden in einem geeigneten Medium formuliert und unter kontrollierten Bedingungen aerosolisiert. So entstehen reproduzierbare Aerosolbedingungen, unter denen Prüfobjekte wie Luftreiniger, UV‑C-Quellen, Filtermaterialien oder Masken gezielt getestet werden können.
Probenahme und Analyse
Für die Probenahme nutzen wir etablierte Verfahren zur Erfassung aerosolisierter Viren. Zur präzisen Differenzierung zwischen infektiösen und inaktivierten Viren kombinieren wir zwei komplementäre Methoden:
- Ein Phagen-Plaque-Assay quantifiziert ausschließlich infektiöse Partikel, die sich als lytische Plaques auf einem Bakterienrasen darstellen.
- Eine phagenspezifische (RT-)qPCR erfasst die Gesamtvirusanzahl (infektiöse + inaktivierte Partikel) auf Genom-Ebene.
Der Vergleich beider Werte ermöglicht eine exakte Bestimmung der Inaktivierungsrate und damit eine belastbare Bewertung der Wirksamkeit von Technologien.
Der Workflow wurde u. a. in Projekten wie AVATOR (Virus-Grill – thermische Inaktivierung aerosolgetragener Viren) und der Healthy Air Initiative erfolgreich eingesetzt und ist flexibel auf Kundenanforderungen anpassbar, z. B. durch Integration spezifischer Prüfobjekte oder Anpassung der Versuchsbedingungen.
Vorteile der Phagen-Technologie für die Überprüfung von Virus-Luftreinigungssystemen
Zwei etablierte Surrogatphagen (Phi6 und MS2)
- Abdeckung eines breiten Spektrums an Modellviren – behüllte (Phi6) und unbehüllte (MS2) – mit hoher Relevanz gegenüber verschiedenen Zielviren
Präzise Bewertung der Virusinaktivierung
- Präzise Differenzierung »infektiös« vs. »gesamt« durch Kombination aus Plaque-Assay (nur infektiöse Partikel) und (RT )qPCR (Gesamtpartikelzahl) liefert exakte Inaktivierungsraten und klare Aussagen zur Wirksamkeit.
Reproduzierbare und flexible Testbedingungen
- Kontrollierte Aerosolisierung mit Integration von Kundengeräten (Luftreiniger, UV C-Systeme, Filter, Masken etc.)
- Auf Wunsch auch Erweiterung auf bakterielle bzw. fungale Bioaerosole möglich
Kundenorientiert und wissenschaftlich fundiert
- Tests im Auftrag, Methodenentwicklung und Beratung – von der Grundlagenuntersuchung über Machbarkeitsstudien bis hin zu Validierungen für Produktentwicklung und Zulassungsunterstützung
Interdisziplinäre Fraunhofer-Expertise
- Kombination von Virologie, Aerosoltechnik und analytischen Methoden aus einer Hand
Anwendungsfelder
Validierung von Luftreinigern, Filtermaterialien & Hygienekonzepten
- Validierung und Optimierung von Luftreinigern, Luftfiltern und Inaktivierungssystemen (z. B. UV C, thermische, plasmabasierte Verfahren) hinsichtlich ihrer Wirksamkeit gegenüber aerosolgetragenen Viren
- Testung von Filtermaterialien, Masken und persönlicher Schutzausrüstung unter aerosolbasierten Bedingungen
- Unterstützung bei der Entwicklung und Bewertung von Hygienekonzepten und Lüftungsstrategien für Innenräume (z. B. Büros, Schulen, Kliniken, ÖPNV)
- Grundlagenuntersuchungen zur Stabilität und Inaktivierung von Viren in Aerosolen
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Leistungsangebot
Untersuchung von Inaktivierungsverfahren für luftgetragene Viren
Mit diesen Werkzeugen steht uns ein umfassender und flexibler Workflow für alle Fragestellungen rund um aerosolgetragene Viren zur Verfügung, mit dem wir die Wirksamkeit neuer Verfahren, etwa die Virusinaktivierung durch UV-C-Strahlung, oder Geräte, beispielsweise Luftreiniger, im Kundenauftrag untersuchen können.
Zusätzlich erweitern wir unsere Testmöglichkeiten bereits für Aerosole, die Bakterien bzw. Pilzsporen enthalten, und bereiten uns damit auf die Herausforderungen der Zukunft vor.
Gerne beraten wir Sie, um Lösungen für Ihre spezifischen Fragestellungen zu erarbeiten. Wir freuen uns auf Ihren Anruf oder Ihre E-Mail.
Zusammenarbeit
Zusammenarbeit – Vorgehen Schritt für Schritt
Eine Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IGB im Bereich Luftkeimtestung mit Surrogatviren ist modular aufgebaut und orientiert sich an Ihrer konkreten Fragestellung und Technologie.
Typische Ausgangsfragen
- Wir möchten die Wirksamkeit unseres Luftreinigers / UV‑C‑Moduls / Filters gegenüber aerosolgetragenen Viren unter realitätsnahen Bedingungen quantifizieren – wie kann das getestet werden?
- Welches Surrogatvirus (Phi6, MS2) ist für unsere Zielviren und unseren Anwendungsfall geeignet?
- Welche Kennzahlen (z. B. Inaktivierungsrate, Reduktion infektiöser Partikel) lassen sich mit Ihrem Workflow belastbar bestimmen?
- Können Sie ein an unsere Anwendung angepasstes Prüfprotokoll entwickeln, das wir für Entwicklung, Vergleich von Varianten oder für Dossiers verwenden können?
Ablauf in der Praxis (Beispiel):
1.Klärung der Zielsetzung
- Beschreibung Ihrer Technologie (z. B. Luftreiniger, UV‑C‑System, Filter, Maske) und des geplanten Einsatzszenarios
- Gemeinsame Definition der Zielgrößen: Welche Effekte sollen nachgewiesen werden (z. B. Inaktivierung, Abscheidung, Kombination)? Welche Kennzahlen werden benötigt?
- Auswahl geeigneter Surrogatviren (Phi6, MS2) und grober Versuchsrahmen (z. B. Luftvolumenströme, Expositionszeiten, Referenzbedingungen)
2. Versuchsdesign und Machbarkeitsbewertung
- Ausarbeitung eines Versuchsplans: Aerosolerzeugung, Probenahme (z. B. Gelatine-Membranfilter), Referenz- und Expositionsbedingungen
- Festlegung der analytischen Auswertung (Plaque-Assay für infektiöse Partikel, phagenspezifische (RT‑)qPCR für Gesamtviruszahl)
- Abschätzung von Aufwand, Zeitbedarf und Aussagekraft der geplanten Tests für Ihre Zielsetzung
3. Durchführung der Versuche und Auswertung
- Aufbau und Durchführung der Versuchsreihen nach dem abgestimmten Design
- Gewinnung der Aerosolproben und Aufbereitung der Proben für Plaque-Assay und (RT‑)qPCR
- Berechnung der relevanten Kenngrößen, z. B. Veränderung des Verhältnisses »infektiös / gesamt« zwischen Referenz- und Expositionsbedingungen als Maß für die Inaktivierung
4. Bericht, Interpretation und nächste Schritte
- Bereitstellung eines strukturierten Ergebnisberichts mit Beschreibung des Setups, Methodik, Messergebnissen und Auswertung
- Einordnung der Ergebnisse im Hinblick auf Ihre Fragestellung (z. B. Vergleich unterschiedlicher Geräte- oder Betriebsparameter, Ableitung von Optimierungspotenzial)
- Auf Wunsch: Weiterentwicklung des Prüfprotokolls, zusätzliche Testreihen (z. B. weitere Betriebsmodi, andere Surrogatviren, bakterielle/fungale Bioaerosole) oder Unterstützung bei der Aufbereitung der Daten für die interne/ externe Kommunikation
Ausstattung
Ausstattung
- BSL‑2-Laboratorien für Arbeiten mit Bakterien und Bakteriophagen
- Plattformen für Genomsequenzierung und bioinformatische Auswertung
- Labore für Stabilitätsprüfungen und Tests in anwendungsnahen Matrizes
- Einrichtungen für Prozessentwicklung und Scale-up in Zusammenarbeit mit weiteren IGB-Bereichen
Aerosolisierungskammer als geschlossene Testumgebung
Eine eigens entwickelte Aerosolisierungskammer erlaubt die geschlossene Produktion und Analyse von Surrogat- sowie infektiösen aerosolübertragenen Viren. Zur Aerosolisierung formulieren wir die Viren in einem geeigneten Medium und füllen sie in einen an die Kammer angeschlossenen Aerosolgenerator. Zur Probenahme der aerosolisierten Viren wurde ein Verfahren unter Verwendung von Swabs entwickelt. Dies ermöglicht es, Viren einzufangen und sie mittels der etablierten Nachweismethoden hinsichtlich ihrer Aktivität und Gesamtzahl zu charakterisieren.
Aufbau der Aerosoltestkammer zur definierten Untersuchung von luftgetragenen bakteriellen und viralen Erregern bis Sicherheitsstufe 2. Zusätzliche Geräte können integriert werden, um zielgerichtet Untersuchungen wie beispielsweise die Desinfektionseffizienz von UV-C Strahlung bei luftgetragenen Erreger zu untersuchen.
Zur Probenahme der aerosolisierten Viren wurde ein Verfahren unter Verwendung von Swabs entwickelt.
Produktion der Surrogatviren
Produktion der Surrogatphagen Phi6 und MS2
- Kontrollierte Aerosolisierung von Surrogatviren unter definierten Bedingungen
- Differenzierte Analyse:
- Phagen-Plaque-Assay (Bestimmung infektiöser Partikel)
- Phagenspezifische (RT‑)qPCR (Bestimmung der Gesamtvirusanzahl)
- Wissenschaftliche Beratung, Methodenentwicklung und Protokolloptimierung
- Planung und Durchführung kundenspezifischer Testreihen und Machbarkeitsstudien
Nachweis infektiöser Viren
Virusaktivitätstest zum Nachweis infektiöser Viren
Virus-basierte Technologien am Fraunhofer IGB.
Um das Vorhandensein und/oder die Infektiosität von Surrogatviren zu erfassen, wurden Nachweismethoden für aktive, infektiöse Virenpartikel sowie für die gesamte virale Genomzahl etabliert. Die Bestimmung der Virusaktivität erfolgt mit einem Phagen-Plaque-Assay. Dabei bilden aktive Surrogatviren auf einem Bakterienrasen lytische Höfe (sogenannte Plaques), die mit der Anzahl infektiöser Viruspartikel korrelieren. Darüber hinaus haben wir eine Phi6-spezifische RT-qPCR etabliert, die alle Viruspartikel, ob aktiv oder inaktiv, auf Basis der viralen Genome erfasst und sowohl als Referenz für den Grad der Inaktivierung als auch der Virusabreicherung dient.
FAQ
Hier finden Sie Antworten auf häufig gestellte Fragen.
Warum weist eine (RT )qPCR alleine keine Infektiosität nach?
Eine (RT‑)qPCR detektiert das Erbmaterial der Viren (RNA/DNA), nicht aber deren Funktionsfähigkeit.
- Auch beschädigte oder bereits inaktivierte Viren können noch (teilweise) intakte Genome enthalten, die in der PCR amplifiziert werden.
- Die Methode »fragt nicht ab«, ob das Viruspartikel noch vollständig ist und eine Zelle tatsächlich infizieren kann.
Deshalb kombinieren wir beide diese Methode mit dem Phagen-Plaque-Assay: Nur so lässt sich sicher unterscheiden, welcher Teil der nachweisbaren Viruspartikel noch infektiös ist und welcher nicht.
Wie wird die Inaktivierung von Viren gemessen?
Die Inaktivierung wird bestimmt, indem der Anteil infektiöser Partikel an der Gesamtvirusmenge ermittelt wird.
Vereinfacht läuft das so ab:
- Es wird ein definiertes Aerosol mit Surrogatviren (z. B. Phi6 oder MS2) erzeugt und durch den Prüfaufbau mit Ihrem System (z. B. Luftreiniger, UV‑C‑Modul, Filter) geleitet.
- Am Ende des Systems wird die Prüf-Luft mit einem Gelatine-Membranfilter gesammelt.
- Der Filter wird anschließend in Puffer gelöst; diese eine Flüssigprobe wird in zwei Aliquots aufgeteilt:
- Aliquot A: Bestimmung der infektiösen Partikelzahl mittels Plaque-Assay.
- Aliquot B: Bestimmung der Gesamtviruszahl (infektiöse + inaktivierte Partikel) mittels phagenspezifischer (RT‑)qPCR.
- Aus beiden Werten wird der Anteil infektiöser Partikel in der Probe berechnet (infektiöse Partikel / Gesamtviruszahl).
- Die Inaktivierungsrate ergibt sich dann aus dem Vergleich dieses Anteils zwischen einer Referenzbedingung (z. B. ohne UV‑C, ohne aktives System) und der Expositionsbedingung (z. B. mit eingeschaltetem System), z. B. als prozentuale oder log₁₀‑Reduktion. Da immer das Verhältnis innerhalb derselben Probe verwendet wird, ist die Auswertung unabhängig vom absoluten Sammelwirkungsgrad der Probenahme.
Warum eignen sich Bakteriophagen als Surrogatviren?
Bakteriophagen (Phagen) sind Viren, die Bakterien infizieren – nicht Mensch oder Tier. Sie eignen sich aus mehreren Gründen sehr gut als Surrogate:
Sicher: Sie sind nicht pathogen für Menschen und können in BSL‑2-Laboren sicher gehandhabt werden.
Strukturell vergleichbar:
- Phi6 ist ein behüllter RNA-Phage und eignet sich daher als Modell für behüllte Viren wie SARS‑CoV‑2.
- MS2 ist ein unbehüllter RNA-Phage und dient als Modell für unbehüllte Viren.
- Gut kultivierbar: Phagen lassen sich in großen Mengen herstellen, und ihre Infektiosität kann mit einfachen und robusten Plaque-Assays bestimmt werden.
- Etablierter Standard: Phagen wie MS2 werden seit vielen Jahren in der Forschung zur UV‑Inaktivierung, Filtration und Aerosolstabilität eingesetzt und sind wissenschaftlich gut beschrieben.
Damit sind Phagen ein praxisnahes, sicheres und kosteneffizientes Modell, um die Wirksamkeit von Luftreinigungs- und Inaktivierungssystemen zu testen – ohne mit echten Krankheitserregern arbeiten zu müssen.
Wie funktioniert das Sampling mit Gelatine-Membranfiltern?
Gelatine-Membranfilter sind ein etabliertes Verfahren zur Probenahme von Bioaerosolen:
- Ansaugung der Luft: Die Prüf- oder Raumluft wird mit einer Pumpe durch einen Gelatine-Membranfilter gezogen.
- Beim Durchströmen bleiben aerosolgetragene Partikel (u. a. Viren, Bakterien) auf bzw. im Filter hängen.
- Schonende Probenahme: Gelatine ist wasserlöslich und relativ sanft für empfindliche Mikroorganismen. Dadurch bleiben die Viren während der Probenahme möglichst intakt und infektiös.
- Auflösung des Filters: Nach der Probenahme wird der Filter in einem geeigneten Puffer bei kontrollierter Temperatur (typischerweise 37 °C) gelöst.
- Die im Filter abgeschiedenen Viren gehen dabei in Lösung über.
Weiterführende Analyse: Die so gewonnene Flüssigprobe nutzen wir anschließend für Plaque-Assays (Bestimmung infektiöser Partikel) und (RT‑)qPCR (Bestimmung der Gesamtvirusanzahl). So lassen sich aus einem definierten Luftvolumen sowohl die infektiöse Viruslast als auch die Gesamtviruslast zuverlässig bestimmen.