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Metagenomik identifiziert Erreger von Atemwegserkrankungen im Sputum innerhalb von sechs Stunden

Mittwoch, 26. Juni 2019

/Racle Fotodesign, adobe.stock.com
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Norwich/England – Die Metagenomik, die innerhalb kurzer Zeit die gesamte DNA im Sputum analysiert, könnte die Diagnostik von Atemwegserkrankungen verbessern. Ein in Nature Biotechnology (2019; doi: 10.1038/s41587-019-0156-5) vorgestelltes Verfahren lieferte nach 6 Stunden ein zuverlässiges Ergebnis.

Mehr als die Hälfte aller Antibiotika in der ambulanten Versorgung werden zur Behandlung von Atemwegserkrankungen eingesetzt. Die Behandlung erfolgt üblicherweise empirisch mit einem Breitband-Antibiotikum, da die Ergebnisse der mikrobiologischen Tests erst nach 2 bis 3 Tagen vorliegen würden. Oft wird ganz auf die mikrobiologische Diagnostik verzichtet, da die wenigsten Ärzte bei ernsthaften Infektionen aufgrund des Erregernachweises das Antibiotikum wechseln würden, solange es eine gute Wirkung zeigt. Ein Antibiogramm wird oft erst angefordert, wenn resistente Keime Probleme bereiten.

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Der „blinde“ Einsatz von Antibiotika bei Atemwegsinfektionen gilt als wichtige Ursache für die Ausbreitung von Resistenzen und die Zunahme von Darminfektionen mit Clostridioides (früher Clostridium) difficile. Die Möglichkeit des gezielten Gennachweises mit der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist in der Praxis nur selten eine Lösung, da nur einzelne Erreger/Resistenzen nachgewiesen werden. Sie ist deshalb nur bei einem konkreten Verdacht von Nutzen.

Die Metagenomik könnte das Problem lösen, da sich mit ihr ohne vorherige Kultivierung alle in einer Probe enthaltenen Erreger bestimmen lassen inklusive der Mutationen, die für Resistenzen verantwortlich sind. Die Schwierigkeiten bei der Diagnose von Atemwegserkrankungen bestehen jedoch darin, dass im Sputum auch menschliche Zellen und deren DNA enthalten sind.

Metagenomikanalyse weist auch Resistenzgene nach

Das Team um Justin O’Grady vom Quadram Institute, einer wissenschaftlichen Stiftung in Norwich/England, hat das Problem durch eine Vorbehandlung der Sputumproben mit Saponinen gelöst. Die Glykoside zerstören menschliche Zellen, lassen jedoch Bakterien intakt.

Dadurch wurde es möglich, die menschliche DNA aus den Proben zu entfernen, was etwa 4 Stunden in Anspruch nahm. Die anschließende metagenomische Sequenzierung dauerte 2 Stunden. Das Ergebnis lag demnach nach 6 Stunden vor. Für die klinische Medizin würde dies bedeuten, dass nach einer Probenentnahme am Vormittag die Therapie noch am gleichen Tag angepasst werden könnte, zumal die Sequenzierung mit einem tragbaren Gerät durchgeführt werden kann. Ein zeitaufwendiger Transport in ein entferntes Labor entfiele.

Die Forscher haben die Metagenomik zunächst an Sputumproben von 40 Patienten mit unteren Atemwegsinfektionen (Pneumonien) erprobt. Drei Erreger, die später in Kulturen gezüchtet werden konnten, wurden übersehen (Sensitivität 91,4 %). Nach einer Optimierung des Verfahrens wurde in einer zweiten Testserie mit 41 Patienten eine Sensitivität von 96,6 % erreicht. Es wurden häufig Erreger gefunden, die sich in der Kultur nicht anzüchten ließen (Spezifität 41,7 %). Eine anschließende PCR zeigte jedoch, dass die Erreger in den Sputumproben enthalten waren. Die Spezifität stieg damit auf 100 %. Allerdings kann die PCR nicht belegen, dass die Erreger noch intakt und für den Patienten bedrohlich waren.

Die Metagenomik kann auch Resistenzgene nachweisen. Zwei MRSA-Infektionen und eine Co-Trimoxazol-Resistenz wurden erkannt. Es wurden allerdings auch mehrmals Resistenz-Gene nachgewiesen, die dann im Antibiogramm nicht bestätigt werden konnten. Die Gründe hierfür sind nicht bekannt. Für die Metagenomik gelten im Prinzip die gleichen Einschränkungen wie für die PCR. Der Nachweis von Genen bedeutet nicht, dass sie von lebenden Bakterien stammen und dass diese lebenden Bakterien sie auch tatsächlich einsetzen, um Antibiotika abzuwehren. Die bakteriellen Kulturen der Mikrobiologie sind näher am Geschehen im lebenden Organismus des Patienten.

Es bleibt deshalb abzuwarten, welchen Nutzen die Metagenomik im klinischen Alltag erzielen kann. In Großbritannien wurde hierzu eine klinische Studie gestartet. Im INHALE-Projekt wird geprüft, ob die Metagenomik die Diagnose einer im Krankenhaus erworbenen oder Ventilator-assoziierten Pneumonie verbessern kann. © rme/aerzteblatt.de

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