Schnelle molekulare Sepsis-Diagnostik

Biochip für schnelle Pathogenidentifizierung und Resistenzcharakterisierung

  • Abb. 1: Detektion von Methicillin- resistentem Staphylococcus aureus (MRSA). Die Methicillinresistenz wird über einen spezifischen Genlocus nachgewiesen. Abb. 1: Detektion von Methicillin- resistentem Staphylococcus aureus (MRSA). Die Methicillinresistenz wird über einen spezifischen Genlocus nachgewiesen.
  • Abb. 1: Detektion von Methicillin- resistentem Staphylococcus aureus (MRSA). Die Methicillinresistenz wird über einen spezifischen Genlocus nachgewiesen.
  • Abb. 2: Ausschnitt des Biochips zur Pathogen-identifizierung und Resistenzcharakterisierung. Zu sehen sind spezifische Signale für die Detektion von Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus sowie Signale der internen Prozesskontrollen.

Sepsis, auch als Blutvergiftung bekannt, ist eine lebensbedrohliche, durch im Blutkreislauf zirkulierende Mikroorganismen hervorgerufene Systemerkrank­ung. Statistische Erhebungen der letzten Jahre weisen auf einen Anstieg der Fallzahlen hin, die trotz des medizinischen Fortschritts mit einer hohen Sterblichkeit einhergehen. Das vermehrte Auftreten multiresistenter Erreger birgt immer häufiger das Risiko eines Versagens der anfänglich ohne Erreger­kenntnis eingeleiteten Antibiotikatherapie. Um dieser Problematik entgegen­zuwirken, wird eine adäquate Diagnostik benötigt, welche die entsprechenden Pathogene und Resistenzen möglichst zeitnah und umfassend bestimmt. Interessante und vielversprechende Lösungsansätze für die klinische Sepsis­dia­gnostik werden aktuell mittels molekularer Methoden bearbeitet. Mit der Entwicklung eines Biochips zur molekularen Identifizierung und Charakter­isierung von Sepsiserregern am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart, GATC Biotech und dem Robert-Bosch-Krankenhaus in Stuttgart wird ein wichtiger Beitrag zur schnellen und effektiven Sepsistherapie geleistet.

Sepsis erfordert eine schnelle und adäquate Therapie

Die Fallzahlen für das Auftreten einer Sepsis sind in den vergangenen Jahren kontinuierlich angestiegen. Laut der Deutschen Sepsis Gesellschaft e. V. sterben in Deutschland jährlich 60.000 Menschen an den Folgen der Sepsis. Die hierbei auftretenden Krankheitserreger weisen, mitunter aufgrund des in der Vergangenheit erfolgten hohen und unselektiven Antibiotikaeinsatzes und des daraus resultierenden Selektionsdrucks, häufig Mehrfachresistenzen gegenüber unterschiedlichen Antibiotikaklassen (Multiresistenz) auf, welche die Behandlung der Sepsis erschweren und die Wahrscheinlichkeit eines Therapieversagens erhöhen. Um dieser Entwicklung entgegenzuwirken ist es essentiell, den Krankheitserreger früh­zeitig zu identifizieren und hinsichtlich seiner Resistenzeigenschaften zu charakterisieren. Der zeitliche Verlauf spielt hierbei eine entscheidende Rolle. Klinische Studien zeigen einen signifikanten Zusammenhang zwischen dem Beginn einer wirksamen antibiotischen Behandlung und der Überlebensrate der Patienten, welcher darauf hindeutet, dass zeitliche Verzögerungen in der Therapieanpassung die Überlebenschancen der betroffenen Patienten erheblich beeinflussen.

Molekulare Verfahren zur schnellen Sepsis-Diagnostik

Die derzeit vorherrschende mikrobiologische Standarddiagnostik basiert auf kulturellen Verfahren und weist einen vergleichsweise hohen Zeitbedarf von bis zu mehreren Tagen auf, was eine schnelle und gerichtete Therapieintervention erschwert.

An diesem Punkt setzen neuartige Verfahren der molekularen Diagnostik an. Mit der Entwicklung eines Biochips zur Pathogen- und Resistenzidentifizierung am Fraunhofer IGB zusammen mit der Universität Stuttgart, GATC Biotech und dem Robert-Bosch-Krankenhaus Stuttgart ist es möglich, die kritische Zeit bis zum Vorliegen des diagnostischen Ergebnisses auf bis zu 6 Stunden maßgeblich zu reduzieren. Dies ermöglicht die schnellere und adäquatere Anpassung des Therapieregimes.

Biochips zur Pathogenidentifizierung und Resistenzcharakterisierung

Der entwickelte Biochip ermöglicht die Detektion von insgesamt 42 Krankheitserregern (Bakterien und Pilze), wodurch über 95  % aller in Zusammenhang mit der Sepsis auftretenden Erreger erfasst werden. Darüber hinaus erlaubt der Biochip die Charakterisierung dieser Erreger hinsichtlich ihrer Resistenz­eigenschaften durch genomische Resistenzmarker. Hierbei werden vorherrschende Resistenzmuster erfasst und dem vorliegenden Krankheitserreger zugeordnet. Das Verfahren macht sich bei der Erregeridentifizierung, ebenso wie bei der Resistenzcharakterisierung, die genomisch kodierten Unterschiede der verschiedenen Krankheitserreger zunutze, um diese molekularbiologisch vonein­ander zu unterscheiden (Abb. 1). Das System liefert die Information „...es handelt sich um ein Bakterium..." (Bacteria univ.) sowie die entsprechende Information zur Identifizierung von Staphylococcus Spezies. Gezeigt ist die eindeutige Differenzierung zwischen Staphylococcus aureus (S. aureus) und Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) sowie Staphylococcus haemolyticus (S. hameolyticus).

Durch die Entwicklung spezieller DNA-Fängermoleküle (Sonden) wird die spezifische Erkennung dieser genomischen, zuvor fluoreszenzmarkierten Sequenzabschnitte im Rahmen einer definierten DNA-DNA-Hybridisierungsreaktion ermöglicht. Die Sonden sind auf dem Biochip räumlich definiert angeordnet und erlauben auf diese Weise die adressierte Anbindung der DNA des vorliegenden Krankheitserregers. Durch die Ver­wendung einer speziellen Bildanalyse-Software lassen sich die ermittelten Fluoreszenzsignale (Abb. 2) räumlich auflösen und so den entsprechenden Krankheitserregern zuordnen.

Die hier vorgestellte schnelle und spezifische molekulare Erreger- und Resistenz­­­charakterisierung kann den weiteren Therapieverlauf maßgeblich beeinflussen, da sie dem Kliniker wichtige therapierelevante Informationen zeitnah an die Hand gibt und das Einleiten einer adäquaten Therapie schneller ermöglicht.

Eine zielgerichtete Therapie ist damit, verglichen zur bisherigen Standarddiagnostik, in deutlich kürzerer Zeit möglich und trägt sowohl dazu bei, die Überlebens­chancen der Patienten zu verbessern, als auch den Selektionsdruck gegenüber Antibiotikaresistenzen zu verringern und dadurch einer weiteren Verschärfung der Resistenzsituation entgegenzuwirken.

Zusammenfassung

Molekulare Verfahren ermöglichen neuartige Ansätze in der Sepsis-Diagnostik. Das Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik entwickelt zusammen mit Kooperationspartnern einen Biochip zur molekularen Pathogenidentifizierung und Resistenzcharakterisierung für die schnelle Sepsis-Diagnostik.

Autoren

Dipl.-Biol. Stefan Hartmann, Dr. Karin Lemuth, Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik, Universität Stuttgart
Dr. Nicole Hauser, PD Dr. Steffen Rupp, Fraunhofer Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik (IGB), Stuttgart
Dr. Yadhu Kumar, Dr. Bettina Rohde, Dr. Christopher Bauser, Dipl.-Bioinf. Ulrike Schöck, GATC Biotech, Konstanz
Prof. Dr. Cornelius Knabbe, Universitätsklinik der Ruhr-Universität Bochum
Dr. Jan Weile, Robert-Bosch-Krankenhaus, Stuttgart

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Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB
Nobelstr. 12
70569 Stuttgart
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Telefon: +49 711 9704 001
Telefax: +49 711 9704 200

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