Erregernachweis bei Atemwegsinfektionen: Metagenomik schlägt Bakterienkultur

  • Nature Biotechnology

  • von Michael Simm
  • Studien – kurz & knapp
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Kernbotschaft

Statt tagelang auf die Ergebnisse der Bakterienkultur zu warten, könnte eine Sputumprobe mittels metagenomischer Sequenzierung binnen 6 Stunden zuverlässige Resultate liefern.

Hintergrund

Um bakterielle Infektionen der unteren Atemwege (LRI) exakt zu diagnostizieren, müssen aus Sputumproben Kulturen angelegt werden. Diese Methode ist jedoch für eine zielgerichtete antimikrobielle Therapie zu langsam. Neue Techniken, wie die gleichzeitige Analyse der Erbsubstanz sämtlicher Mikroben in einer Probe (metagenomische Sequenzierung) könnten deutlich schneller sein, wenn es gelänge, den großen Überschuss an humaner Erbsubstanz zu entfernen.

Design

Entwicklung einer metagenomischen Methode zur Diagnose bakterieller Infektionen der unteren Atemwege. Dabei wurden menschliche Zellen mittels Saponinen zerstört und die bakterielle DNA angereichert. Anschließend wurden in Echtzeit per Nanopore-Sequenzierung DNA-Fragmente ausgelesen, die man mit einer Referenzbibiothek mikrobieller Sequenzen abgeglichen und identifiziert hat.

Ergebnisse

  • Ein Pilot-Test an 40 Patienten mit Verdacht auf LRI ergab im Vergleich zu dem Ergebnis der Kulturen binnen 8 Stunden eine Sensitivität von 91,4 % und eine Spezifität von 100 %.
  • Zusätzlich wurden mit der neuen Technik in 5 der 40 Proben Pathogene entdeckt, welche die Kulturtechnik nicht angezeigt hatte: 2 Mal Moraxella catarrhalis, Escherichia coli, H. influenzae und Klebsiella pneumoniae. Umgekehrt fand die klassische Kultivierung in 3 Proben S. pneumoniae, H. influenzae und S. aureus, die der Nanopore-Sequenzierung entgingen.
  • Durch weitere Optimierungen wurde die Abreicherung menschlicher Zellen vom anfänglich median 352-fachen auf das 600-fache verbessert; die Aufbereitungszeit der Zellen auf 4 Stunden verkürzt, und die eigentliche Sequenzierung der bakteriellen Erbsubstanz auf 2 Stunden.
  • Die optimierte Methode ergab an 41 Proben jeweils binnen 6 Stunden eine Sensitivität von 96,6 % und eine – durch PCR-Analysen bestätigte - Spezifität von 100 %. So fand man in den per Routine-Mikrobiologie positiv getesteten Proben neben den dort erfassten Organismen in 8 Proben zusätzliche Pathogene. 7 weitere Proben, die mit dem klassischen Nachweisverfahren negativ waren, hatten laut Nanopore-Bestimmung jeweils 1 -2 potenziell pathogene Bakterien.

Klinische Bedeutung

Mit einer Gesamtbearbeitungszeit von 6 Stunden für diese Art der metagenomischen Sequenzierungen, angesichts fallender Preise und der offenbar überlegenen Spezifität und Sensitivität gegenüber dem klassischen Erregernachweis scheint der neue Ansatz zukunftsträchtig – eventuell auch für den Nachweis von Restistenzgenen. Inwiefern damit die Diagnose auch in der klinischen Praxis verbessert kann, muss aber mit weiteren Studien belegt werden

Finanzierung: National Institute for Health Research (NIHR), UK Antimicrobial Resistance Cross Council Initiative u.v.a.