NGS-basierte Diagnostik von Krankheitserregern bei Sepsis

Eine Sepsis wird von Infektionen des Blutstroms verursacht und ist verantwortlich für ca. 60 000 Todesfälle jedes Jahr alleine in Deutschland. Zur schnellen und sicheren Diagnose der krankheitsauslösenden Erreger entwickelt und evaluiert das Innovationsfeld zusammen mit führenden Kliniken in Deutschland ein diagnostisches Verfahren basierend auf der Hochdurchsatzsequenzierung (NGS) von zirkulierenden Nukleinsäuren im Plasma.

Nachteile der bisherigen Erregerdiagnostik

Klassische Methoden zur Erreger-Identifizierung beruhen in der Regel auf dem mikrobiologischen Nachweis des Erregers mittels sogenannter Blutkulturen mit anschließender Identifizierung der entsprechenden Spezies mithilfe mikroskopischer, biochemischer oder massenspektroskopischer Methoden. Nachteil des mikrobiologischen Ansatzes ist die geringe Nachweisrate und die lange Zeitdauer bis zur eindeutigen Diagnose. Zudem lassen sich einige Pathogene gar nicht oder nur unter besonderen Bedingungen kultivieren. So fällt das Ergebnis häufig negativ aus, obwohl der Erkrankung tatsächlich eine Infektion zugrunde liegt.

NGS-basierte Erregerdiagnostik

Das Innovationsfeld entwickelt im Auftrag und in Kooperation mit Kunden und Partnern aus der Industrie und Klinik innovative molekulare Verfahren zur Erregerdiagnostik. Diese neuen Verfahren basieren auf molekularen Analysen der Erbinformation von Krankheitserregern. Der dreistufige Prozess umfasst die optimale Vorbereitung der Probe, die Hochdurchsatz-Sequenzierung (Next-Generation Sequencing, NGS) und die bioinformatische Auswertung mittels proprietärer diagnostischer Algorithmen.

Vorteile: Schnelle und zuverlässige Diagnose

Die neue Technologie umgeht damit langwierige Kultivierungsverfahren und macht die Detektion offen für alle Erreger: Viren, Parasiten und Bakterien, die auf verwendeten Kulturmedien nicht wachsen. So wird die Diagnose nicht nur schneller, sondern auch deutlich zuverlässiger. Darüber hinaus können die NGS-Daten nicht nur zur Erregerdiagnostik, sondern auch zur Identifizierung neuer Biomarker verwendet werden.

Einsatzbereiche der Erregerdiagnostik

Die Arbeitsgruppe verfügt über umfassende Erfahrungen in den Indikationen Sepsis, Endokarditis, Fruchtwasserinfektionen, aber auch dem Biomarker-Screening, der Genomcharakterisierungen von Krankheitserregern oder Mikrobiomstudien (beispielsweise an der Haut).

Schon jetzt birgt diese Art der Infektionsdiagnostik durch ihren umfassenden, offenen Plattformcharakter das Potenzial für einen universellen Einsatz in der Klinik. Mit Sequenziergeräten der dritten Generation rückt darüber hinaus die Point-of-Care-Sofortdiagnostik in greifbare Nähe, wie wir in erfolgreichen Pilotstudien zeigen konnten.

© Fraunhofer IGB
Dreistufiger Prozess zur molekularen Infektions­diagnostik mittels NGS.

Sepsis-Erregerdiagnostik der nächsten Generation

Sepsis-Diagnostik
© Fraunhofer IGB
Automatisierte Aufarbeitung klinischer Proben für die Next-Generation-Sequencing-Diagnostik.

Bei der Therapie von Sepsis ist eine schnelle Behandlung mit dem richtigen Antibiotikum entscheidend für das Überleben des Patienten. Dies ist jedoch nicht immer zielgerichtet möglich, da mit dem derzeitigen Standard, der Blutkultur, nur in etwa 30 Prozent der Fälle ein Nachweis des Erregers gelingt.

 

Sepsis-Studie mit Universitätsklinikum Heidelberg

In einer aktuellen klinischen Studie in Zusammenarbeit mit dem Universitätsklinikum Heidelberg konnten wir mit der neuen molekulardiagnostisch- bioinformatischen Technologie für 50 Patienten mit septischem Schock im Vergleich zur Blutkultur deutlich mehr positive Ergebnisse zur Erregeridentifikation erzielen (71 Prozent gegenüber 11 Prozent) [1]. Eine Jury aus unabhängigen Intensivmedizinern betrachtete 96 Prozent der positiven NGS-Ergebnisse als plausibel.

Auf der Grundlage dieser Resultate wäre laut Jury die Therapie von 53 Prozent der Patienten nachträglich angepasst worden, da diese basierend auf der empirischen Antibiose oft über- oder untertherapiert waren. In der Gruppe dieser nicht adäquat behandelten Patienten war die Sterblichkeit der Patienten um 13 Prozent erhöht [1].

Diese konkreten Auswirkungen auf den Behandlungserfolg der Patienten zeigen eindrücklich das enorme Potenzial, das eine zuverlässigere, sensitivere Erregerdiagnostik mit sich bringt. Die retrospektiven Beobachtungen sollen nun in einer Studie mit etwa 15 Kliniken in Deutschland multizentrisch validiert werden, die voraussichtlich im Januar 2019 beginnt.

Infektionsdiagnostik 3.0

DNA-Hochdurchsatzsequenzierer
DNA-Hochdurchsatzsequenzierer der 3. Generation.

Die sichere und zeitnahe Diagnose von Krankheitserregern bei schwerstkranken Patienten stellt die Intensivmedizin immer noch vor große Probleme. Durch die Etablierung eines diagnostischen Verfahrens, basierend auf der Hochdurchsatzsequenzierung (NGS) mikrobieller DNA aus der Zirkulation von Patientenblut, konnten wir bereits ein Verfahren zur sicheren Diagnose von Krankheitserregern etablieren, welches eine fünf- bis sechsfach verbesserte Nachweisrate gegenüber kulturbasierten Verfahren aufweist [1, 3].

 

Einzelmolekül-DNA-Sequenziertechnologien der dritten Generation für Point-of-Care-Sofortdiagnostik

Mithilfe von neuesten Einzelmolekül-DNA-Sequenziertechnologien der dritten Generation konnte dieses Verfahren jetzt dahingehend weiterentwickelt werden, dass eine Echtzeitanalyse der mikrobiellen DNA schon während der Sequenzierung stattfinden und sich die Erreger-Identifizierung damit auf sechs bis acht Stunden reduzieren lässt [4]. Somit kann die Zuverlässigkeit der sequenzierbasierten Diagnostik mit dem Geschwindigkeitsvorteil einer Echtzeitanalyse kombiniert werden, um Patienten in Zukunft so rasch wie möglich die optimale antibiotische Therapie zukommen lassen zu können.

Literatur

[1] Grumaz, S.; Grumaz, C.; Vainshtein, Y.; Stevens, P.; Glanz, K.; Decker, S.O.; Hofer, S.; Weigand, M.A.; Brenner, T.; Sohn, K. (2019) Enhanced performance of next-generation sequencing diagnostics compared to standard of care microbiological diagnostics in patients suffering from septic shock, Critical Care Medicine, doi: 10.1097/CCM.0000000000003658

[2] Decker, S.O.; Sigl, A.; Grumaz, C.; Stevens, P.; Vainshtein, Y.; Zimmermann, S.; Weigand, M.A.; Hofer, S.; Sohn, K; Brenner, T. (2017) Immune-response patterns and next generation sequencing diagnostics for the detection of mycoses in patients with septic shock – results of a combined clinical and experimental investigation, International Journal of Molecular Sciences 18, 1796, doi: 10.3390/ijms18081796

[3] Grumaz, S.; Stevens, P.; Grumaz, C.; Decker, S.O.; Weigand, M.A.; Hofer, S.; Brenner, T.; von Haeseler, A.; Sohn, K. (2016) Next-generation sequencing diagnostics of bacteremia in septic patients, Genome Medicine 8:73, doi: 10.1186/s13073-016-0326-8

[4] Grumaz, C; Hoffmann, A.; Vainshtein, Y.; Kopp, M.; Grumaz, S.; Stevens, P.; Decker, S. O.; Weigand, M. A.; Hofer, S.; Brenner, T.; Sohn, K. (2020) Rapid next generation sequencing-based diagnostics of bacteremia in septic patients. Journal of Molecular Diagnostics 22 (3): 405 DOI: 10.1016/j.jmoldx.2019.12.006