Infektionsdiagnostik mit Next-Generation Sequencing

Die Diagnostik von Infektionskrankheiten beruht überwiegend auf bereits seit über 100 Jahren angewandten mikrobiologischen Techniken: der Kultivierung von Krankheitserregern verbunden mit deren Charakterisierung und Identifizierung. Von Nachteil hierbei ist, dass das Wachstum von Krankheitserregern ein zeitaufwändiger Prozess ist und sich einige Pathogene gar nicht oder nur unter besonderen Bedingungen kultivieren lassen. Zudem fällt das Ergebnis häufig negativ aus, obwohl der Erkrankung tatsächlich eine Infektion zugrunde liegt.

NGS-basierte Erregerdiagnostik

Die Gruppe Funktionelle Genomanalysen entwickelt deshalb 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

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

Ausblick

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.

Zuverlässigere 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.

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