Neue Diagnosetechnik: Genom des EHEC-Erregers erstmals direkt aus Patientenmaterial rekonstruiert
Medizinische Mikrobiologen des Universitätsklinikums Hamburg-Eppendorf (UKE) haben zusammen mit britischen Wissenschaftlern sowie Mitarbeitern des Biotechnologieunternehmens Illumina die komplette Genomsequenz des Erregers der EHEC-Epidemie von 2011 direkt aus Stuhlproben infizierter Patienten rekonstruiert. Diese als diagnostische Metagenomik bezeichnete Technik könnte einen Paradigmenwechsel in der Infektionsdiagnostik bedeuten, schlussfolgern die Wissenschaftler um Prof. Dr. Martin Aepfelbacher. Sie ermöglicht die Identifizierung und umfangreiche Charakterisierung von Infektionserregern ohne die üblicherweise erforderliche Anzüchtung im Labor.
Der EHEC-Ausbruch im Frühsommer 2011, verursacht durch das STEC O104:H4 genannte Bakterium der Gattung Escherichia coli, hat gezeigt, welchen enormen Schaden eine Infektionsepidemie auch in einer modernen, hochindustrialisierten Gesellschaft anrichten kann. Damals wurden mehr als 3000 Menschen infiziert, über 50 davon starben und vermutlich hunderte leiden noch heute an den Nachwirkungen. „Während einer solchen Epidemie hängen der Umgang mit den einzelnen Krankheitsfällen sowie die weitere Ausbreitung des Erregers entscheidend davon ab, wie schnell der Ausbruchstamm identifiziert und charakterisiert werden kann“, erklärt Prof. Aepfelbacher, Direktor des Instituts für Medizinische Mikrobiologie, Virologie und Hygiene.
Bisher mussten bakterielle Krankheitserreger vor der eingehenden Analyse zunächst im Labor kultiviert und in Reinform dargestellt werden. „Bei einigen Erregerarten ist bereits diese Anzucht langwierig oder gar unmöglich; in anderen Fällen wird die Identifikation von Ausbruchsstämmen durch das Fehlen von Standardtests zur Feintypisierung erschwert“, erläutert der Mikrobiologe Dr. Martin Christner.
In der aktuellen Studie wurden sogenannte metagenomische Verfahren erstmals zur Untersuchung eines Ausbruchs mit einem bakteriellen Erreger verwendet. Dabei kamen modernste Sequenziertechniken und eigens entwickelte bioinformatische Methoden zum Einsatz. Für die retrospektive Analyse wurden 45 Stuhlproben von Patienten des EHEC-Ausbruchs aufgearbeitet und sequenziert. Die erhaltenen DNA-Sequenzen wurden auf Gemeinsamkeiten hin untersucht und mit Sequenzen aus Stuhlproben gesunder Probanden verglichen. Prof. Aepfelbacher: „Auf diese Weise konnten spezifische DNA-Abschnitte, die auf den Ausbruchsstamm hinweisen, in den komplexen Stuhlmetagenomen identifiziert werden. In den meisten Proben wurden dabei vielfache Kopien des gesamten genetischen Materials von STEC O104:H4 gefunden.“ Mit Hilfe der DNA-Analysen konnten zudem in einigen Patientenproben, bei denen kein STEC O104:H4 gefunden wurde, andere Durchfallerreger wie Clostridium difficile, Campylobacter jejuni oder Salmonella enterica nachgewiesen werden.
„Diese Forschungserfolge belegen das beachtliche Potential der Metagenomik als ergebnisoffenes, kulturunabhängiges Verfahren zur Identifizierung und Charakterisierung bakterieller Infektionserreger“, erklärt Prof. Aepfelbacher. Sein Kollege Dr. Martin Christner ist überzeugt, dass „die derzeit zu beobachtende rasante Weiterentwicklung von Sequenziertechnologien mit großer Wahrscheinlichkeit nicht nur die Geschwindigkeit und Sensitivität der beschriebenen Verfahren erhöhen, sondern auch die Kosten soweit reduzieren wird, dass ein Einsatz im klinischen Routinebetrieb möglich wird.“
Originalveröffentlichung
¹Loman et al., A Culture-Independent Sequence-Based Metagenomics Approach to the investigation of an Outbreak of Shiga-Toxigenic Escherichia coli O104:H4, JAMA. 2013; 309(14):1502-1510;
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