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Rascher und eindeutiger Infektionsnachweis im Mini-Labor

Der möglichst schnelle Nachweis einer Infektion mit Bakterien oder Pilzen kann bei schweren Erkrankungen unter Umständen lebensrettend sein. Bisher werden hierfür allerdings noch häufig klassische, kulturbasierte Erregernachweise eingesetzt, die in vielen Fällen viel zu lange dauern und dann oft auch noch gar keine eindeutige Diagnose ermöglichen. Am Stuttgarter Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB werden seit einiger Zeit in Kooperation mit Industriepartnern innovative diagnostische Werkzeuge für die Infektionsbiologie entwickelt: Mikrosysteme, die komplette Testabläufe in einem „Lab-on-a-Chip“ (LOC) vereinen, sollen die zeitgleiche Untersuchung mehrerer tausend Parameter innerhalb kürzester Zeit ohne großen Aufwand ermöglichen und so möglichst bald in der Routinediagnostik eingesetzt werden.

PD Dr. Susanne Bailer forscht mit ihrer Arbeitsgruppe am Stuttgarter Fraunhofer IGB an Lab-on-a-Chip-Lösungen zum möglichst schnellen und vollautomatischen Nachweis von Infektionen mit Bakterien und Pilzen. © Fraunhofer IGB

Mit einer Infektion – egal, ob durch Bakterien oder Pilze verursacht – kann der menschliche Körper je nach Zustand und Erregertyp mehr oder weniger gut fertig werden: Bei immunsupprimierten, älteren oder Intensiv-Patienten beispielsweise kann eine solche Erkrankung schnell lebensbedrohend werden. Deshalb spielt der möglichst rasche Nachweis des Erregers und idealerweise auch seines Resistenzspektrums eine entscheidende Rolle für den Behandlungserfolg. Der klassische Erregernachweis wird aber auch heute noch oft durch Anzucht des Keims und anschließende Untersuchung der Kultur durchgeführt, was in manchen Fällen bis zu mehrere Wochen – also viel zu lange – dauern kann. Häufig gelingt die Anzucht sogar überhaupt nicht, auch wenn der Patient klinisch eindeutige Symptome zeigt. In solchen Fällen muss eine Verdachtstherapie eingeleitet werden, die nur mit Glück anschlägt.

Aus diesem Grund versucht man, Erreger und Resistenzen, falls immer möglich, mit molekularbiologischen Methoden zu identifizieren. Mit Hilfe von Techniken wie der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) oder der Sequenzierung erhält der behandelnde Arzt aber zwar die relevanten Informationen innerhalb kurzer Zeit; aufgrund des Aufwands kann im Routinealltag jedoch nur auf wenige einer Vielzahl möglicher Erreger und Resistenzen gleichzeitig getestet werden. Die Diagnosestellung gleicht so wiederum manchmal einem Glücksspiel: Wird der krankmachende Keim im ersten Versuch identifiziert, kann die Therapie spezifisch angepasst werden; falls nicht, muss entweder zeitaufwendig weiter getestet oder Medikamente müssen auf Verdacht verordnet werden.

LOC: Objektträgergroßes Mini-Labor weist Infektionen nach

Auch der Hefepilz Candida albicans kann mit dem FYI(Fungi Yeast Identification)-Lab-on-a-chip-System sicher und schnell identifiziert werden. © Fraunhofer IGB

In der Abteilung Molekulare Biotechnologie des Fraunhofer-Instituts für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB in Stuttgart wird daher schon seit einiger Zeit an Techniken geforscht, mit deren Hilfe Erreger möglichst schnell und eindeutig, aber gleichzeitig auch einfach und kostengünstig im Routinealltag nachgewiesen werden können. Ziel der Forscher ist ein sogenanntes Lab-on-a-Chip (LOC), „ein ganzes Labor in einem kleinen Gerätchen“, wie PD Dr. Susanne Bailer, die die Arbeitsgruppe leitet, es nennt. Dabei wird idealerweise die Patientenprobe – beispielsweise Blut – direkt ins Gerät pipettiert. Die zu untersuchenden Bestandteile – also Erreger – werden vollautomatisch aufgeschlossen, von den Bestandteilen des Wirts getrennt, und anschließend werden die Genome isoliert oder auch nur teilisoliert. Diese DNA dient dann als Matrize für eine PCR mit fluoreszenzmarkierten Primern, mit denen eine für den Erreger typische Markerregion vervielfältigt wird. Erregerspezifische Sonden aus nur wenigen Nukleinsäuren dienen anschließend dazu, diese pathogene Markerregion und damit das Vorhandensein oder Fehlen eines bestimmten Erregers auf einem Microarray nachzuweisen.

Dabei werden die Sonden in kleinen Spots auf Glasoberflächen – den Microarrays – immobilisiert. Über die komplementäre Basenpaarung des entsprechenden PCR-Produkts mit der Sonde kann dann der Nachweis erfolgen. Hierzu wird der Array in einem speziellen Fluoreszenzreader analysiert. Über das Fluoreszenzmuster erfolgt die Auswertung: Ein detektiertes Signal bedeutet, dass zwischen PCR-Produkt und Sonde eine korrekte Basenpaarung stattgefunden hat und das Pathogen somit nachgewiesen werden konnte. „Das kann man mit mehreren Genomen und mehreren tausend Parametern parallel machen“, erklärt Bailer. Und sie fügt hinzu: „Idealerweise ist dabei alles so miteinander verknüpft, dass das Gerät dann zum Schluss nur noch die eindeutige Diagnose ausspuckt.“

Reaktionen an mikrofluidischen Oberflächen

Der Hefepilz Candida albicans ist normalerweise harmlos, kann aber für immungeschwächte Patienten zum gefährlichen Erreger werden. © Fraunhofer IGB

Eine solche Untersuchung innerhalb kürzester Zeit, die zudem noch bezahlbar und im Routinealltag anwendbar ist, kann nur durch eine Miniaturisierung von Geräten, Proben und eingesetzten Chemikalien erreicht werden. Die Systeme, die das IGB gemeinsam mit Partnern aus der Industrie, Wissenschaft und Medizin entwickelt, basieren daher auf Prinzipien der Mikrofluidik: Die Reaktionen des Testablaufs werden alle an mikrofluidischen Oberflächen in objektträgergroßen Mini-Labors durchgeführt. „Beispielsweise gibt man die Probe in ganz fein dimensionierte Kämmerchen und Kanäle, wo sie dann aufgebrochen wird“, erläutert die Infektionsbiologin einen ihrer Tests. „Die Enzyme für die PCR werden vorgelagert, weil wir es mit einem geschlossenen System zu tun haben. Für die Vervielfältigung der Markerregion können die Reaktionsansätze dann zum Beispiel zwischen Kämmerchen mit jeweils verschiedenen Temperaturen hin- und hergepumpt werden. Die Steuerung erfolgt mikroelektronisch – das ist alles hochtechnisch.“

Bei der Entwicklung der Mini-Labors ist das IGB für die PCR-Systeme und die DNA-Sonden verantwortlich. Beispielsweise wurden im BMBF-geförderten Projekt „FYI – Fungi Yeast Identification“ bereits Systeme zur Unterscheidung von verschiedenen Hefe- und Schimmelpilzspezies oder Acinetobacter-Subtypen entwickelt. Hiermit können Erreger mehrerer Spezies gleichzeitig identifiziert werden. Für eine solche rasche und eindeutige Erkennung wurden parallele Amplifikationsreaktionen etabliert, die dank Multiplexierungen kombinatorisch ablaufen können. „Unser Part bei den LOC ist die biologische Seite“, sagt Bailer. „Wir sind für das Sondendesign, die Spezifität und die Sensitivität oder für die PCR- und Sonden-Kombinatorik verantwortlich. Im FYI-Projekt haben wir beispielsweise ein Array entwickelt, mit dem man über 50 verschiedene Spezies und ihre Resistenzen innerhalb kürzester Zeit voneinander unterscheiden kann.“

Entwicklung maßgeschneiderter Systeme für die Industrie

Dabei ist man bei der Entwicklung der Systeme am IGB äußerst flexibel. „Je nachdem, was gerade für die Industrie interessant ist, erarbeiten wir das passende System“, so die Wissenschaftlerin. „Zum Beispiel haben wir auch ein System zur Diagnose von Sepsis entwickelt. Bei der Sepsis handelt es sich um eine dramatische Erkrankung, bei der man schnell und möglichst unabhängig von einem Zentrallabor agieren muss – ein Fall fürs Lab-on-a-Chip-System.“ Auch im Bereich der Krebsdiagnostik gab es schon Entwicklungen, wie Bailer berichtet. Aber man habe dies vorerst nicht so intensiv weiterverfolgt, weil die Diagnosestellung nicht so schnell erfolgen muss wie bei Infektionskrankheiten und man eigentlich dann auch gerne einen Experten zur Hand hätte, der das Ergebnis näher erläutert. „Generell gibt es schon seit einiger Zeit LOC-Ansätze“, sagt die Biologin. „Mein Eindruck ist aber, dass dieser Forschungszweig jetzt gerade stärker gepusht wird, sodass Anwendungen schon kurzfristig wesentlich konkreter werden könnten.“

Seiten-Adresse: https://www.gesundheitsindustrie-bw.de/fachbeitrag/aktuell/rascher-und-eindeutiger-infektionsnachweis-im-mini-labor