Klinische Studie

Schnellere Diagnose von Sepsiserregern



Zugleich liefert das Verfahren nicht nur qualitative, sondern auch quantitative Ergebnisse. »Anhand der Anzahl der Genomfragmente erkennen wir mit unserer Technologie, welche Erreger sich im Patienten stark vermehrt haben und welche bereits auf die Therapie ansprechen«, erläutert Sohn. Dies ermöglicht dem Arzt, sofort weitere gezielte Therapiemaßnahmen in die Wege zu leiten, anstatt wertvolle Zeit mit einer falschen Medikation verstreichen zu lassen.

Bioinformatische Algorithmen identifizieren relevante Erreger

Mehr als 99 Prozent der im Blutplasma frei zirkulierenden DNA ist menschlichen Ursprungs – die Identifizierung der Sepsiserreger gleicht somit der sprichwörtlichen Suche nach der Nadel im Heuhaufen. Die Forscher setzen daher spezielle Softwareprogramme ein, um die sequenzierten Fragmente mit einer Genomdatenbank, in die sie öffentlich verfügbare DNA-Sequenzen von Bakterien, Pilzen und Viren eingespeist haben, abzugleichen.

Doch nicht jeder identifizierte Mikroorganismus ist zwangsläufig auch Verursacher der Sepsis. Eine der größten Herausforderungen bei der Auswertung der Daten ist es daher abzuschätzen, ob der durch die Sequenzierung erhaltene Befund von dem statistisch zu erwartenden Befund abweicht. Um diese entscheidende Frage beantworten zu können, entwickelte Philip Stevens, der Bioinformatiker im Team, in seiner Doktorarbeit am Center for Integrative Bioinformatics Vienna und am Institut für Grenzflächenverfahrenstechnik und Plasmatechnologie der Universität Stuttgart einen speziellen Algorithmus.

Das zum Patent angemeldete Herzstück des Diagnoseverfahrens vergleicht die Sequenzierungsergebnisse mit sequenzierten Fragmenten aus dem Blut gesunder Probanden. »Der Algorithmus liefert uns so einen Punktwert, mit dem wir die Signifikanz der Daten beurteilen und das mikrobielle Grundrauschen, also harmlose Bakterien unserer Haut- oder Darmflora, als diagnoserelevante Erreger ausschließen können«, erläutert Stevens. Die klinische Studie zeigte, dass die berechneten Diagnosen mit denen der Blutkultur sehr gut korrelierten.

Die Resistenz von Bakterien gegenüber gebräuchlichen Antibiotika wie Methicillin, Vancomycin oder Tetracyclin wird über entsprechende Resistenzgene vermittelt. »Die Hochdurchsatzsequenzierung erlaubt es daher, in der gleichen Analyse nicht nur die biologische Art des Erregers, sondern auch seine Resistenzgene zu identifizieren und bei der Auswahl der Therapie zu berücksichtigen«, ergänzt Sohn.

Weiterentwicklung

Um die Zeit bis zur Diagnose weiter zu verkürzen, untersuchen die Wissenschaftler, wie das Verfahren auf neuere Sequenzierplattformen übertragen werden kann. Mit der Nanoporen-Sequenzierung beispielsweise, die sich momentan in der Erprobungsphase befindet, kann DNA in noch kürzerer Zeit als bisher sequenziert werden. Damit würde künftig die spezifische Diagnose von Infektionen innerhalb eines Zeitraums von sechs bis acht Stunden möglich. Für das Jahr 2017 planen die Fraunhofer-Wissenschaftler zudem eine multizentrische Validierungsstudie mit renommierten klinischen Partnern.

 


Die Arbeiten wurden in der Zeitschrift Genome Medicine publiziert:
Grumaz et al. (2016) Next-generation sequencing diagnostics of bacteremia in septic patients, Genome Medicine (2016)8:73; DOI 10.1186/s13073-016-0326-8
Quelle: idw/Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB, 03.11.2016