Mit der automatisierten DNA-Isolation lassen sich bis zu 44 klinische Proben gleichzeitig aufbereiten.
Mit der automatisierten DNA-Isolation lassen sich bis zu 44 klinische Proben gleichzeitig aufbereiten.

Damit Sepsis-Patienten so rasch wie möglich das richtige Antibiotikum
bekommen, haben Fraunhofer-Forschende ein diagnostisches Verfahren
entwickelt, das die Hochdurchsatzsequenzierung von Blutproben nutzt und
wesentlich schneller Ergebnisse liefert als herkömmliche kulturbasierte
Techniken. Dies konnte nun dank neuester Einzelmolekül-Sequenziertechniken
nochmals so verbessert werden, dass Erreger bereits nach wenigen Stunden
identifiziert werden können. Die grundsätzliche Methodik wird derzeit mit
mehreren hundert Patienten multizentrisch getestet. Wie sie funktioniert,
wird bei den Fraunhofer Solution Days vom 26. – 28. Oktober 2020
vorgestellt.

Eine Sepsis – umgangssprachlich auch »Blutvergiftung« genannt – ist eine
lebensbedrohliche Erkrankung, die durch die unkontrollierte Vermehrung von
Krankheitserregern – Bakterien, Viren oder Parasiten – im Blut verursacht
wird und alleine in Deutschland für etwa 60 000 Todesfälle im Jahr
verantwortlich ist, Tendenz steigend. Dabei kann umso erfolgreicher
therapiert werden, je schneller die Diagnose gestellt und die Art des
Erregers identifiziert werden kann: Möglichst rasch mit dem richtigen
Antibiotikum behandeln zu können, erhöht die Überlebensrate signifikant.

Gängige Praxis ist es bis heute in vielen Kliniken, solche Sepsis-Erreger
mikrobiologisch nachzuweisen. Dabei werden sie aus Blutproben der
Patienten im Labor vermehrt und anschließend analysiert. Von Nachteil ist
hierbei allerdings nicht nur, dass das Ergebnis erst nach zwei bis fünf
Tagen vorliegt, sondern dass auch die Nachweisrate dieser Technik gering
ist: In der Regel liefert sie nur in 10 bis 30 Prozent der Fälle ein
positives Ergebnis, das dem behandelnden Arzt bei der Therapieentscheidung
helfen kann. Außerdem lassen sich manche Pathogene gar nicht oder nur
unter besonderen Bedingungen kultivieren, sodass das Ergebnis negativ
ausfällt, obwohl eigentlich eine Infektion vorliegt – mit fatalen Folgen
für die Patienten.

Hochleistungs-Plattform für schnellen und zuverlässigen Erregernachweis

Forschende am Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und
Bioverfahrenstechnik IGB haben schon vor einiger Zeit ein alternatives
diagnostisches Verfahren etabliert, das Erreger aller Art wesentlich
schneller und zuverlässiger nachweist. Es nutzt die
Hochdurchsatzsequenzierung, Next-Generation Sequencing (NGS), des
mikrobiellen Erbguts – von so genannter zirkulierender freier DNA (cfDNA)
– aus der Blutprobe der Patienten und hat eine fünf- bis sechsfach
verbesserte Nachweisrate gegenüber den kulturbasierten Techniken.

Dabei können in einem dreistufigen Prozess aus Probenvorbereitung,
Sequenzierung und bioinformatischer Auswertung mit eigens entwickelten
diagnostischen Algorithmen relevante Bakterien, Viren oder Pilze ohne
langwieriges Kultivierungsverfahren innerhalb von 24 bis 30 Stunden nach
der Blutabnahme eindeutig identifiziert werden. Als ein Verfahren mit
Plattformcharakter eignet sich die Methode zudem nicht nur zur Sepsis-
Diagnose, sondern potenziell auch für andere Erkrankungen wie
beispielsweise Endokarditis- oder Liquorinfektionen. Zudem kann in einer
einzigen Untersuchung nicht nur die biologische Art des Erregers, sondern
auch dessen Resistenzen gegenüber Antibiotika untersucht und damit
zusätzlich bei der Auswahl der optimalen Therapie zu berücksichtigt
werden.

Alle wichtigen Kliniken Deutschlands an Studie beteiligt

Derzeit läuft die klinische Validierung der Plattform für die Sepsis-
Diagnostik in einer multizentrischen Studie: »Nun testen wir unser
Verfahren großflächig in der Klinik«, berichtet Dr. Kai Sohn, Leiter des
Innovationsfelds In-vitro-Diagnostik am Fraunhofer IGB vom Stand der
Forschungsarbeiten. »Dabei werden 500 Patienten in 20 Kliniken untersucht;
praktisch alle wichtigen, in Deutschland ansässigen, Anästhesiezentren
sind daran beteiligt. Bemerkenswert ist dabei, dass die Studie einen so
großen Zuspruch findet, dass wir alle Patienten schon jetzt – lange vor
der geplanten Zeit – rekrutieren und so einen großen Vorsprung gewinnen
konnten.« Das Projekt wird unter anderem von der Dietmar Hopp Stiftung mit
einer halben Million Euro unterstützt.

Noch schnellere und kostengünstigere Diagnose

Aber auch das Herzstück der Plattform – die Technik an sich – konnte
nochmals so weiterentwickelt werden, dass die Ergebnisse noch schneller
und kostengünstiger geliefert werden können: Mithilfe einer der jüngsten
Sequenziertechnologien der 3. Generation kann das mikrobielle Erbgut in
Echtzeitanalyse schon während der Sequenzierung geprüft werden, sodass
sich die Erreger-Identifizierung nun auf nur sechs bis acht Stunden
reduzieren lässt – je nachdem, wie stark der Patient infiziert ist.
Möglich wird dies durch den MinION-Sequenzierer, ein kompaktes, tragbares
Gerät, das einzelne DNA-Moleküle in Nanoporen analysieren kann. »Hiermit
bekommen wir Ergebnisse im Minutentakt«, erklärt Sohn. »Jetzt steht
hierfür der Proof of Concept an, um herauszufinden, in welcher Zeit wir
die Untersuchung minimal durchführen könnten. Es könnte aber durchaus
sein, dass wir Erreger in Zukunft sogar auch schon in weniger als sechs
Stunden nach der Blutabnahme aufspüren könnten.«

Die eindeutige Identifizierung der Pathogene wird durch mathematische
Berechnungen auf Basis der Sequenzinformationen aus der Patientenprobe
ermöglicht: Hierfür haben die Fraunhofer-Forscher einen Relevanzscore –
den Sepsis Indicating Quantifier (SIQ)-Score – entwickelt, der die Daten
der Infizierten mit gesunden Kontrollgruppen bioinformatisch abgleicht und
dann bewertet. »Dazu haben wir im Vorfeld Erwartungswerte für hunderte
verschiedenster Erreger erzeugt«, berichtet Sohn. »Auf dieser Basis können
wir nun Ergebnisse in einer ähnlichen Form liefern, wie sie jeder vom
Blutbild beim Hausarzt kennt. Unsere Algorithmen ermöglichen damit die
rasche und eindeutige Therapieentscheidung. Und dies hat durchaus auch das
Potenzial, in Zukunft einmal als Point-of-Care-Test direkt auf der
Intensivstation durchgeführt zu werden.«

Das Fraunhofer IGB präsentiert seine Plattform zur Infektionsdiagostik 3.0
am Thementag Gesundheit auf den Fraunhofer Solution Days am 28. Oktober
2020.

Die Arbeiten wurden in folgenden Zeitschriften publiziert:

Grumaz, et al. (2020) Rapid next generation sequencing-based diagnostics
of bacteremia in septic patients. Journal of Molecular Diagnostics (2020)
22 (3): 405 DOI: 10.1016/j.jmoldx.2019.12.006

Grumaz et al. (2019): Enhanced performance of Next-Generation Sequencing
Diagnostics compared with standard of care microbiological diagnostics in
patients suffering from septic shock. Crit Care Med (2019)
47(5):e394-e402. DOI: 10.1097/CCM.0000000000003658.

Brenner et al. (2018): Next-generation sequencing diagnostics of
bacteremia in sepsis (Next GeneSiS-Trial). Medicine (2018) 97(6): e9868.
DOI: 10.1097/MD.0000000000009868.