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Erkennung von Krankheitserregern im Eiltempo

Etwa 40.000 bis 50.000 Menschen werden in der Bundesrepublik jährlich mit MRSA-Bakterien infiziert. An den Folgen einer Ansteckung sterben bis zu 1.500 Personen. Das Medizintechnik-Unternehmen ESE GmbH entwickelt derzeit ein portables molekularbiologisches Testgerät, das die MRSA-Träger erstmals in wenigen Minuten erkennen lässt, noch ehe sich eine Infektion ausbreiten kann. Verantwortlich dafür soll unter anderem ein hochsensibler Detektor sein.

Die ESE GmbH firmiert seit Juli 2010 unter dem Namen QIAGEN Lake Constance GmbH.

Insgesamt acht Personen wird das neue Analyssystem auf MRSA-Infektionen gleichzeitig testen können. © Michael Statnik

Von schmerzhaften Hautinfektionen, über Lungenentzündungen und Endokarditis bis hin zu Blutvergiftungen - die Bekämpfung dieser lebensbedrohlichen Symptome in Folge einer Ansteckung mit dem Bakterium „Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus“ (kurz: MRSA) steht in unzähligen Krankenhäusern weltweit an der Tagesordnung. Prozentual betrachtet sind in manchen Kliniken, je nach Hygiene, bis über 50 Prozent erworbener Infektionen auf das antibiotika-resistente Bakterium zurückzuführen. Das aggressive Bakterium kommt auf der Haut sowie in den oberen Atemwegen vor und ist bei 25 bis 30 Prozent aller Menschen in der Nase zu finden. Bekommt ein Keim durch günstige Bedingungen oder ein schwaches Immunsystem die Gelegenheit, sich auszubreiten, stellt er eine tödliche Gefahr dar. Gegen Antibiotika resistente Stämme des Keims sind verstärkt an den Orten vorhanden und rasant vemehrend, an denen ständig Antibiotika häufig verwendet werden, wie z.B. Altenheime oder Krankenhäuser. Nur wenige Keime können überleben, weil sie zufällig gegen das angewendete Antibiotikum resistent sind.

Dr. Konrad Faulstich, Leiter der Abteilung Business Development bei der ESE GmbH © ESE

Bisher fehlte ein schnelles Testverfahren, das MRSA-Träger in kürzester Zeit aufspürt, um eine Ausbreitung der Infektion in Krankenhäusern zu unterbinden, denn nur eine prompte bakteriologische Diagnose ermöglicht vorbeugende Maßnahmen, die ein Übergreifen der pathogenen Bakterien auf andere Patienten verhindern können. Mithilfe eines neuen handlichen Analyse-Gerätes, das von der ESE GmbH in Zusammenarbeit mit der Firma Twist DX entwickelt wird, werden zeitintensivere und zum Teil zu spät durchgeführte Analysen in Großlaboren aller Voraussicht nach schon bald der Vergangenheit angehören. Statt wie bisher üblich innerhalb von mehreren Stunden können durch den innovativen ersten molekularbiologischen MRSA-Schnelltest insgesamt acht Personen auf MRSA-Infektion untersucht werden. „Das ganze geschieht ohne aufwendige Probenvorbereitung“, berichtet Geschäftsführer Klaus Haberstroh.

Die Bedienung des mobilen Tube-Scanners soll nahezu kinderleicht sein. Dabei wird zunächst eine Probe aus der Nasenschleimhaut entnommen und in eine Puffermixtur getaucht, wovon anschließend 50 Mikroliter in ein PCR Tube des MRSA- Schnelltesters pipettiert werden. „Bei Bedarf können sogar acht PCR-Tubes gleichzeitig gemessen werden“, erklärt Dr. Konrad Faulstich, Leiter der Abteilung Business Development bei ESE.

Zuverlässiges Ergebnis durch zwei innovative Komponenten

Spätestens Anfang 2011 soll das MRSA-Gerät der ESE GmbH auf dem Markt sein © Michael Statnik

Die bahnbrechende Neuerung, auf dem das portable, batteriebetriebene MRSA-System basiert, setzt sich aus zwei Neuentwicklungen von ESE und der Firma Twist Dx zusammen, die sich optimal ergänzen. Dabei handelt es sich einerseits um eine Methode, mit Hilfe derer eine isotherme Nukleinsäure-Amplifikation (engl. Recombinase Polymerase Amplification (RPA)) bei unter 40 Grad innerhalb kürzester Zeit ermöglicht wird und wobei diese dann getrocknet in einer PCR-Tube geliefert wird. Die RPA Methodik nutzt - ähnlich dem natürlichen Vorgang der DNA-Reproduktion im Körper - bestimmte Enzyme, sogenannte Rekombinasen, die den DNA Doppelstrang öffnen und dann komplementäre Moleküle, sogenannte ‚Primer’ passend zu einem bestimmten Abschnitt einfügen. Danach können weitere Enzyme (Polymerasen) die Primer verlängern und eine Kopie eines DNA Abschnittes erzeugen. Mehrfache Wiederholung des Vorganges führt zu vielen DNA Kopien.

Auf der anderen Seite wurde ein miniaturisierter Zwei-Kanal-Fluoreszenzdetektor (FluoSens Reader) entwickelt, der die MRSA-DNA-Sequenzen mit einer Sensitivität aufspürt, die laut Klaus Haberstroh „vergleichbar oder in den meisten Fällen höher“ sei als bei teureren PCR-Maschinen. Gerade mal 90 Gramm wiegt der Prototyp des konfokalen elektronischen Sensors, der auf optischer Erfassung basiert und drei unterschiedliche Fluoreszenz-Welllenlängen detektieren kann. „Die implementierten Sensoren haben bei unseren ersten Tests eine Sensitivität im niedrigen picomolaren bis hohem femtomolaren Bereich für direkte Messungen fluoreszenter Farbstoffe gezeigt“, berichtet Dr. Konrad Faulstich. Die DNA wurde hierbei Amplifikationsreagenzien in einem 200 Mikroliter-Tube ausgesetzt und bestrahlt. „Innerhalb der Echtzeit-Messung wurden einige Hundert Moleküle in weniger als 10 Minuten detektiert“, so Klaus Haberstroh. Mit dem FluoSens Reader soll die Erfassung von einer Handvoll von Targetmolekülen unter 20 Minuten möglich sein.

Der Zeitvorsprung beim PCR-Verfahren und somit beim MRSA-Test kommt dadurch zustande, dass das für die Messung notwendige Aufbrechen der DNA-Sequenz bei einer gleichbleibend niedrigen Temperatur durchgeführt werden soll. „Mit dieser Technik erhitzen wir statt auf 95 Grad Celsius lediglich auf 37 Grad, was folglich einen wesentlichen Geschwindigkeitszuwachs mit sich bringt. Außerdem ist die Reaktionsgeschwindigkeit der RPA Methodik eine andere als bei der PCR", berichtet Dr. Konrad Faulstich. Bisherige Entwicklungen auf dem Weltmarkt benötigen mehrere Stunden für einen MRSA-Test. Das neue ESE-Gerät soll auch die problemlose Speicherung der Daten und Ergebnisse erlauben. „Der Anschluss an einen Computer, Drucker oder an ein Barcode-Lesegerät wird verfügbar sein und viele Möglichkeiten der Daten-Betrachtung sowie Dateninterpretation eröffnen“, so Dr. Konrad Faulstich. Nicht mehr als 500 Gramm soll der kompakte MRSA-Finder insgesamt an Gewicht übersteigen.

Anwendungsmöglichkeiten auch im Agrar- und Nahrungsmittel-Bereich

Die von ESE entwickelte neue Technologie ist dabei vielseitig einsetzbar. „Zur Zeit befindet sich bereits ein Prototyp in der Entwicklungs-Endphase für eine Anwendung im Agrar-Bereich“, so Klaus Haberstroh. Eingesetzt werden kann diese Innovation beispielsweise zur Identifizierung von genmodifizierten Organismen wie etwa Sojabohnen oder aber auch im Rahmen einer Wasser-Umwelt-Analyse. „Man kann zum Beispiel untersuchen, welche Cholera-Bakterien sich im Wasser befinden“, bemerkt Dr. Konrad Faulstich. Darüberhinaus soll das System auch eine Tierartenbestimmung bei Fleisch-Proben ermöglichen. Ebenfalls soll es dazu genutzt werden, mittels des Abgleichs von DNA-Sequenzen Verwandtschaftsbeziehungen bei Tieren aufzuklären.

Klinisch relevant, wirtschaftlich attraktiv

Klaus Haberstroh, Geschäftsführer der ESE GmbH aus Stockach © ESE

Für die Abnehmer, zu denen in erster Linie Krankenhäuser gehören sollen, soll der MRSA-Tester preislich so gestaltet werden, dass er die höheren Kosten im Vergleich zu einem günstigeren, jedoch viel aufwendigeren Test im Großlabor absolut rechtfertigt und für den Anwender einen großen Nutzen garantiert. „Der Preis für das System wird unter 5.000 Euro liegen und kann aufgrund des schnellen Ergebnisses große Folgekosten verhindern“, betont Klaus Haberstroh. Ihm zur Folge erlaube diese prompte und einfache Analyse-Form insbesondere „Patienten direkt bei der Einlieferung, in der Notaufnahme oder beim Verlegen in die Intensivstation“ zu testen. Weitere Vorteile ergeben sich durch den relativ einfachen Transport und die Aufbewahrungsmöglichkeit der Proben, die vor Kontaminationen zuverlässig schützen.

Die Nachfrage nach dem kompakten MRSA-Tester könnte in den nächsten Jahren groß sein, denn mittlerweile fordern Krankenhauskeime wie MRSA Statistiken zur Folge jährlich sogar mehr Todesopfer als AIDS. Vor allem Intensivstationen, Abteilungen für Brandverletzungen und Neugeborenenstationen sind Gefahrenzonen für eine Ansteckung. Eine Markteinführung plant das Stockacher Unternehmen für spätestens Anfang 2011.

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