ArchivDeutsches Ärzteblatt40/2007Genchiptechnologie in der Erregerdiagnostik: Erste klinische Anwendungen bereits vorhanden

MEDIZIN: Kongressberichte und -notizen

Genchiptechnologie in der Erregerdiagnostik: Erste klinische Anwendungen bereits vorhanden

Dtsch Arztebl 2007; 104(40): A-2738 / B-2420 / C-2347

Cullen, Paul; Neumaier, Michael

Als E-Mail versenden...
Auf facebook teilen...
Twittern...
Drucken...
LNSLNS Die Erkenntnis, dass Massenerkrankungen durch die Übertragung winziger Lebewesen verbreitet werden, ist etwas mehr als 100 Jahre alt. Seit dieser Zeit haben sich die Grundlagen der bakteriologischen Diagnostik überraschenderweise kaum geändert. Erst in den letzten Jahren verspricht der Einsatz molekularbiologischer Methoden, Verbesserungen bei der Diagnose, longitudinalen Überwachung und Therapie von Infektionskrankheiten. Vor diesem Hintergrund spricht man bereits von einem Paradigmenwechsel und von einigen Beobachtern wird sogar der Untergang der klassischen Bakteriologie heraufbeschworen.
Die Autoren berichten über die 6. Jahrestagung der Arbeitsgruppe Chipdiagnostik und 2. gemeinsame Jahrestagung der Arbeitsgruppen Chipdiagnostik und Bioinformatik der Deutschen Vereinten Gesellschaft für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin e.V. am Starnberger See am 10. und 11. Mai 2007. Ziel der Jahrestagung war es, die Genchip-basierte Bakteriologie im Hinblick auf die praktische Anwendbarkeit im Routinelabor zu überprüfen.
Chip-Diagnostik bereits Realität
Die Möglichkeiten der DNA-Chip-basierten Analytik wurden von PD Dr. Till Bachmann (School of Biomedical Sciences, Edinburgh) anhand eines bereits fortgeschrittenen Projekts zur Diagnose von Staphylokokken mittels DNA-Mikroarrays vorgestellt. Grundsätzlich ist das Verfahren zur Keimidentifizierung aus Primärmaterial geeignet. Problematisch ist jedoch der Nachweis der Vitalität der identifizierten Keime sowie eine ausführliche Resistenzbestimmung. Derzeit überlegt man, ein modulares Nachweissystem zu verwenden, bei dem im ersten Schritt die Keimidentifizierung und abgeleitet davon im zweiten Schritt eine gezielte Fahndung nach Resistenzgenen vorgenommen wird. Das Problem der Resistenzbestimmung mittels DNA-Mikroarrays wurde von PD Dr. Guido Werner (Robert Koch-Institut, Wernigerode) vertieft. Er hob hervor, dass es hierfür bisher keine praktische Anwendung in der klinischen Diagnostik gibt.
Prof. Thomas Miethke (Technische Universität, München) betonte die Bedeutung der Polymerase-Kettenreaktions-basierten Diagnostik beim Nachweis von pathogenen Escherichia-coli-Stämmen, bei der Aufklärung atypischer Pneumonien, bei dem Nachweis von Oxacillin-resistenten Staphylococcus aureus sowie bei dem Nachwes von Bordetella pertussis.
Miethke wies aber darauf hin, dass die Entwicklung solcher Verfahren sehr aufwendig ist. Die Sensitivität der Methode ist mit der Sensitivität der klassischen kulturbasierten Verfahren etwa vergleichbar, allerdings ist eine Diagnose in 3 anstatt in 48 h verfügbar. Insbesondere PCR-Techniken sind bei dem Nachweis nicht oder nur schwer züchtbarer Erreger vorteilhaft.
Noch nicht routinetauglich
In diesem Zusammenhang berichtete Miethke, dass etwa 40 % aller akuten Pneumonien durch solche atypischen Erreger, und weitere 10 bis 30 % durch Viren verursacht werden. DNA-Chips, so Miethke, haben den Nachteil, dass nur bekannte Gene mittels eines Mikroarrays nachgewiesen werden können. Dabei sind derzeit längst nicht alle Resistenzgene bekannt. Außerdem ist die Sensitivität von Genchips nicht immer ausreichend. Konventionelle Blutkulturen etwa haben eine Sensitivität von ungefähr einem „colony-forming unit“ (CFU)/mL (1 Keim/mL). Diese Sensitivität ist mit DNA-Chips nur schwer erreichbar. Allerdings haben Blutkulturen in der Routine aufgrund von anderen Faktoren, wie zum Beispiel periodische Ausschwemmung der Keime in die Blutbahn, präanalytische Faktoren einschließlich Abnahmetechnik und Bedingungen, eine derzeitige Sensitivität von insgesamt nur etwa 30 %. Ein Keimnachweis gelingt daher nur in etwa einem Drittel der Fälle, wenn eine Bakteriämie tatsächlich vorliegt.
Ein vielversprechender kommerzieller Ansatz in diese Richtung bietet die Möglichkeit, 22 Keime im Blut direkt und gleichzeitig festzustellen, wie Dr. Manfred Wehrmann (Roche Diagnostics, Basel) unterstrich. Als Nachteile dieses Systems nannte er jedoch das Fehlen einer Resistenzbestimmung, die lange manuelle Bearbeitungszeit von circa 6 h, der geringe Automatisierungsgrad sowie die derzeit noch hohen Kosten. Somit relativieren sich die Vorteile des Systems, nämlich die Zeitersparnis bis zur Diagnosestellung sowie die möglicherweise höhere Sensitivität, verglichen mit der Blutkultur.
Rolle der Bioinformatik
Die Bioinformatik beschäftigt sich mit den Auswertungen der großen Datenmengen, die bei hochparallelen molekularbiologischen Verfahren wie der DNA-Chipdiagnostik anfallen. So werden mathematische Modelle, Simulationen und Algorithmen zu diesem Zweck etabliert und getestet. Vom Swiss Institute for Bioinformatics (SIB) beziehungsweise der Proteome Informatics Group, die im europäischen Raum eine führende Rolle spielen (Dr. Pierre-Alain Binz und Prof. Denis Hochstrasser, Genf), wurden neue webbasierte Auswertungssysteme demonstriert. Standardisierungen bei den biomathematischen Vorgehensweisen bringen Verbesserungen in der Klassifikationsgenauigkeit, zeigen aber auch Grenzen, die häufig im ursprünglichen experimentellen Design begründet liegen. Dies kann bedingen, dass für Fragen, die erst mit der Verfügbarkeit der neuen parallelisierten Technologien adressierbar wurden, viele Experimente unter neuen Gesichtspunkten – sozusagen zurück zum klassischen nasschemischen Labor – durchgeführt werden können und müssen. Schließlich zeigte Dr. Peter Findeisen (Universität Heidelberg) am Beispiel der massenspektrometrie-basierten Klassifizierung von bakteriellen Krankheitserregern, wie in einem klinischen Umfeld die Patternerkennung mikrobieller Proteine für eine sehr schnelle und spezifische Diagnostik von Problemkeimen erreicht werden kann.
Bedeutung von Resistenzgenen
und Wirtsfaktoren
Eine exakte Charakterisierung der Pathogene ist in vielen Fällen erforderlich, damit man mutationsabhängige Therapieresistenzen rechtzeitig erkennen kann.
Prof. Gundula Jäger (Max von Pettenkofer Institut, München) erläuterte an den Beispielen HIV-Infektionen und persistierende HBV-Infektionen die Notwendigkeit einer Genotypisierung mithilfe der Nukleinsäurenanalytik vor der Einleitung kostenintensiver und nebenwirkungsbehafteter therapeutischer Maßnahmen. Sie mahnte die Verwendung aktueller Algorithmen bei der Bewertung der erhaltenen Ergebnisse an.
Dass die Pathogenität eines Erregers nicht nur von dessen genetischer Ausstattung sondern auch von Wirtsfaktoren abhängt, zeigte Dr. Hanns-Georg Klein (IMGM, Martinsried) durch die Präsentation umfangreicher statistischer Daten. Ebenso wies Prof. Stephan Bauer (Universität Marburg) anhand einer detaillierten Beschreibung der Funktionsweise von Toll-like-Rezeptoren, die sich in Zellen des Immunsystems befinden, auf diesen Zusammenhang hin. Die Toll-like-Rezeptoren haben die Funktion, pathogen-assoziierte molekulare Muster („pathogen-associated molecular patterns“, PAMPS) zu erkennen und somit eine Immunantwort auszulösen.
Fazit
Der Einsatz von molekularbiologischen Methoden verspricht große Fortschritte insbesondere in der Keimidentifizierung. Hierdurch wird nicht nur die Therapie, sondern auch die Überwachung von Infektionskrankheiten verbessert. Einige hochparallele Ansätze, besonders die DNA-Chip-Technologie, haben theoretisch das Potenzial, große Bereiche der konventionellen Diagnostik auf zeitsparende Weise zu ersetzen. Auf lange Sicht besteht die Perspektive einer Vollautomatisierung und der Entwicklung von Vor-Ort-Anwendungen („point-of-care diagnostics“).
Die Entwicklung von Systemen dieser Art, die in der Lage sind, aus Primärmaterial auf breiter Basis
eine vollständige Keimidentifizierung und Resistenzbestimmung durchzuführen, liegt jedoch noch in der Zukunft – obwohl einige Pioniersysteme bereits am Markt sind beziehungsweise erprobt werden. Die Gründe hierfür liegen einerseits in den hohen technischen Anforderungen, andererseits in der derzeit noch unzureichenden Kenntnis der teilweise sehr komplexen genetischen Grundlagen der Resistenzentwicklung, in einer noch unzureichenden Sensitivität sowie in der prinzipiellen Unfähigkeit solcher Systeme festzustellen, ob vorhandenes genetisches Material aus noch vitalen oder aus bereits abgetöteten Bakterien stammt. Die Vorteile und die Nachteile der hauptsächlichen zurzeit verfügbaren molekularbiologischen Methoden in der Bakteriologie sind in der Tabelle dargestellt.

Mitglieder der Arbeitsgruppe Chipdiagnostik: Prof. Paul Cullen, Medizinisches Versorgungszentrum für Laboratoriumsmedizin, Mikrobiologie und Infektionsepidemiologie, Umweltmedizin und Hygiene Dr. Löer, Dr. Treder und Partner, Münster; Prof. Harald Funke, Universitätsklinikum Jena; Dr. Hanns-Georg Klein, Zentrum für Humangenetik und Laboratoriumsmedizin Dr. Klein und Dr. Rost, Martinsried; Prof. Thomas Langmann, Institut für Humangenetik der Universität Regensburg; Prof. Michael Neumaier, Institut für Klinische Chemie, Medizinische Fakultät Mannheim der Universität Heidelberg.

Folgende Unternehmen haben die Tagung durch finanzielle Beiträge für eine begleitende Industrie-Ausstellung unterstüzt: Applied Biosystems/Applera Deutschland GmbH, Eppendorf Biochip Systems GmbH, Roche Diagnostics GmbH, Scienion AG

Interessenkonflikt
Die Autoren erklären, dass kein Interessenkonflikt im Sinne der Richtlinien des International Committee of Medical Journal Editors besteht.

Manuskriptdaten
eingereicht 25. 6. 2007, revidierte Fassung angenommen 17. 8. 2007

Anschrift für die Verfasser
Prof. Dr. med. Paul Cullen
Medizinisches Versorgungszentrum für Laboratoriumsmedizin,
Mikrobiologie und Infektionsepidemiologie,
Umweltmedizin und Hygiene Dr. Löer, Dr. Treder und Partner
Hafenweg 11
48155 Münster
E-Mail: p.cullen@labor-muenster.de

Leserkommentare

E-Mail
Passwort

Registrieren

Um Artikel, Nachrichten oder Blogs kommentieren zu können, müssen Sie registriert sein. Sind sie bereits für den Newsletter oder den Stellenmarkt registriert, können Sie sich hier direkt anmelden.

Fachgebiet

Zum Artikel

Anzeige

Alle Leserbriefe zum Thema