Miniaturisierter Wachstumschip zur Erkennung bakterieller Resistenzen.
Minia­tu­ri­sier­ter Wachs­tums­chip zur Erken­nung bak­te­ri­el­ler Resis­ten­zen.© Fraun­ho­fer FIT

Infek­tio­nen mit mul­ti­re­sis­ten­ten Erre­gern gehö­ren laut Welt­ge­sund­heits­or­ga­ni­sa­ti­on (WHO) zu einer der größ­ten Bedro­hun­gen der Gesund­heit. Vor allem in Kran­ken­häu­sern sind die­se Kei­me auf dem Vor­marsch. Eine der schwers­ten Infek­tio­nen ist die Blut­ver­gif­tung. In Deutsch­land ster­ben jähr­lich mehr als 56.000 Men­schen an einer . Wer dar­an erkrankt, muss so schnell wie mög­lich behan­delt wer­den, dann zählt jede Stun­de. Doch das ver­ab­reich­te Breit­band­an­ti­bio­ti­kum wirkt oft­mals nicht, da die Bak­te­ri­en resis­tent gegen das ver­ab­reich­te Medi­ka­ment sind. Der­zeit kann die Zeit­span­ne zwi­schen Ver­dachts­dia­gno­se und ziel­ge­rich­te­ter The­ra­pie bis zu fünf Tage dau­ern. Das Pro­blem dabei: Die Dia­gnos­tik von resis­ten­ten Bak­te­ri­en beruht auf zeit­auf­wän­di­gen Kul­tur­ver­fah­ren, bei denen nach der Blut­ent­nah­me Bak­te­ri­en ver­mehrt wer­den müs­sen, bevor die Ana­ly­se star­ten kann.

Zielgerichtete Therapie nach neun Stunden einleiten

Ein neu­es modu­la­res Sys­tem soll die­se Dau­er erheb­lich ver­kür­zen. Ers­te erfolg­rei­che Tests bele­gen, dass Ärz­te künf­tig bereits nach neun Stun­den eine ziel­ge­rich­te­te The­ra­pie ein­lei­ten kön­nen, da sich sowohl das die aus­lö­sen­de Bak­te­ri­um sowie jenes Anti­bio­ti­kum iden­ti­fi­zie­ren las­sen, das dage­gen wirkt. Im Pro­jekt Patho­Sept ent­wi­ckeln For­sche­rin­nen und For­scher des Fraun­ho­fer-Insti­tuts für Ange­wand­te Infor­ma­ti­ons­tech­nik FIT gemein­sam mit Part­nern einen Chip, auf dem sich das Wachs­tums­ver­hal­ten von Bak­te­ri­en unter dem Ein­fluss von Anti­bio­ti­ka ana­ly­sie­ren lässt. Die Beson­der­heit: Die Pro­jekt­part­ner kom­bi­nie­ren ver­schie­de­ne Ver­fah­ren, um die Dau­er der Ana­ly­se zu mini­mie­ren und gleich­zei­tig die Kos­ten­ef­fi­zi­enz zu meis­tern. »Auf­grund der phä­no­ty­pi­schen und geno­ty­pi­schen Varia­bi­li­tät ist heut­zu­ta­ge kein ein­zel­nes dia­gnos­ti­sches Ver­fah­ren in der Lage, durch­weg ver­läss­li­che Ergeb­nis­se zu lie­fern«, sagt Fouad Bit­ti, Wis­sen­schaft­ler am Fraun­ho­fer FIT.

Das Sys­tem, mit dem sich mul­ti­re­sis­ten­te Kei­me detek­tie­ren las­sen, besteht aus vier Modu­len: Neben einem Anzucht­mo­dul zur kon­trol­lier­ten Ver­meh­rung von Erre­gern umfasst es Pro­to­kol­le zum Sepa­rie­ren der Erre­ger sowie hoch­sen­si­ti­ve Assays, mit denen die Erre­ger per qPCR iden­ti­fi­ziert wer­den – einer Ver­viel­fäl­ti­gungs­me­tho­de für Nukle­in­säu­ren, die auf dem Prin­zip der her­kömm­li­chen Poly­me­ra­se-Ket­ten­re­ak­ti­on (PCR) basiert. Herz­stück des Sys­tems ist ein Wachs­tums­mo­ni­tor zur schnel­len Quan­ti­fi­zie­rung der Resis­ten­zen, eine Ent­wick­lung des Fraun­ho­fer FIT. Auch das Anzucht­mo­dul wur­de von den For­schen­den am FIT ent­wi­ckelt.

Software-unterstützte Resistenzdiagnostik

Im Pro­jekt Patho­Sept wer­den die Erre­ger im Anzucht­mo­dul auf eine kri­ti­sche Men­ge ver­mehrt und anschlie­ßend in 96 Töpf­chen mit Anti­bio­ti­kum und Nähr­me­di­um gege­ben. Der Wachs­tums­mo­ni­tor samt nöti­ger Ana­ly­se-Soft­ware beob­ach­tet und doku­men­tiert in Echt­zeit, wie sich die Erre­ger ent­wi­ckeln. Algo­rith­men wer­ten die auf­ge­nom­me­nen Bil­der der Bak­te­ri­en aus und extra­po­lie­ren die Wachs­tums­kur­ve. So lässt sich bereits nach eini­gen Stun­den ermit­teln, ob das jeweils ein­ge­setz­te Medi­ka­ment wirkt oder ob die Bak­te­ri­en dage­gen resis­tent sind und sich aus­brei­ten. Der Wachs­tums­mo­ni­tor berech­net mit sei­ner fle­xi­bel inte­grier­ba­ren Soft­ware, wie sich die Erre­ger län­ger­fris­tig ent­wi­ckeln wer­den. Dabei ana­ly­siert das Pro­gramm sowohl die Grö­ße des Bak­te­ri­en­tep­pichs – wor­aus man eins zu eins auf die Anzahl der Bak­te­ri­en schlie­ßen kann – als auch das Ver­hält­nis von leben­den zu abge­tö­te­ten Kei­men. Die For­scher erhal­ten somit den Hin­weis, wel­ches Anti­bio­ti­kum die Erre­ger am schnells­ten abtö­tet, wel­che Kon­zen­tra­tio­nen erfor­der­lich sind und wel­ches Bak­te­ri­um Resis­ten­zen aus­ge­bil­det hat. »Damit ist eine geziel­te The­ra­pie mög­lich – ein gro­ßer Vor­teil, wenn man bedenkt, dass Ärz­te der­zeit einen Cock­tail an Anti­bio­ti­ka ver­ab­rei­chen, in der Hoff­nung, dass eines davon wirkt«, so Bit­ti.

Das Sys­tem in Form eines Bench­top-Geräts eig­net sich für den Ein­satz in allen medi­zi­ni­schen Labo­ren. Auf­grund sei­ner Stan­dard­pro­to­kol­le und ‑schnitt­stel­len lässt es sich pro­blem­los in bestehen­de Sys­te­me inte­grie­ren. Der Wachs­tums­mo­ni­tor befin­det sich zur kli­ni­schen Tes­tung in den Uni­kli­ni­ken Aachen und Bonn. Nach der Eva­lua­ti­on wird ein ers­ter Demons­tra­tor kon­stru­iert. Auch das Anzucht­mo­dul wird der­zeit kli­nisch getes­tet. »Mit unse­rem modu­la­ren dia­gnos­ti­schen Kom­plett­sys­tem wer­den wir künf­tig die Ster­be­ra­te von Pati­en­ten mit einer deut­lich ver­rin­gern kön­nen«, sagt Bit­ti.