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14.08.2019

Welche Vorteile hat die Metagenomik?

Die Metagenomik kann Erreger von Atemwegserkrankungen im Sputum innerhalb von sechs Stunden identifizieren, indem sie die gesamte Erbsubstanz (DNA) im Sputum analysiert. Darunter können allerdings auch Gene sein, die nicht von lebenden Bakterien stammen und daher für die Diagnostik irrelevant sind.

© Andrea Danti_Fotolia.com

Die Metagenomik analysiert innerhalb kurzer Zeit die gesamte Erbsubstanz (DNA) im Sputum und  könnte insofern die Diagnostik von Atemwegserkrankungen verbessern. Ein in Nature Biotechnology (Online-Veröffentlichung am 24.6.2019) vorgestelltes Verfahren lieferte bereits nach 6 Stunden ein zuverlässiges Ergebnis. Der Begriff Metagenomik stammt aus einer Kombination der Begriffe Metaanalyse (einem Prozess aus der Statistik, bei dem unterschiedliche Ergebnisse aus verschiedenen Untersuchungen quantitativ vergleichbar gemacht werden sollen) und Genomik, der Analyse der kompletten Erbinformation (Genom) eines Organismus.

Mehr als die Hälfte aller Antibiotika in der ambulanten Versorgung werden zur Behandlung von Atemwegserkrankungen eingesetzt. Die Behandlung erfolgt üblicherweise empirisch mit einem Breitband-Antibiotikum, da die Ergebnisse der mikrobiologischen Tests erst nach 2 bis 3 Tagen vorliegen würden. Oft wird ganz auf die mikrobiologische Diagnostik verzichtet, da die wenigsten Ärzte bei ernsthaften Infektionen aufgrund des Erregernachweises das Antibiotikum wechseln würden, solange es eine gute Wirkung zeigt. Ein Antibiogramm wird oft erst angefordert, wenn resistente Keime Probleme bereiten.

Der „blinde“ Einsatz von Antibiotika bei Atemwegsinfektionen gilt als wichtige Ursache für die Ausbreitung von ResistenzenResistenzen
Bakterien können eine Resistenz gegen bestimmte Arzneistoffe entwickeln - das heißt, sie werden unempfindlich gegenüber diesen Medikamente. Die Medikamente, vor allem Antibiotika, sind nicht mehr gegen diese Bakterien wirksam.
Resistente Erreger entwickeln sich - insbesondere bei großen Erregermengen - entweder durch spontane Genveränderungen (Mutationen) oder durch selektive Vermehrung (Selektion) von natürlich vorkommenden resistenten Bakterien-Subpopulationen, z.B. aufgrund einer unzureichenden oder zu früh abgebrochenen Therapie.
und die Zunahme von Darminfektionen mit Clostridioides (früher Clostridium) difficile. Die Möglichkeit des gezielten Gennachweises mit der Polymerase-Kettenreaktion (PCRPCR
Der Begriff stammt aus dem Englischen (poly chain reaction) und kennzeichnet ein Laborverfahren, mit dem sich ausgewählte Sequenzen der Erbsubstanz nachweisen lassen, um zum Beispiel den Verdacht auf ein bestimmtes Virus zu bestätigen. Die Gensequenzne werden dazu in einer chemischen Reaktion (der so genannten PCR) vervielfältigt. 
 
) ist in der Praxis nur selten eine Lösung, da nur einzelne Erreger/Resistenzen nachgewiesen werden. Sie ist deshalb nur bei einem konkreten Verdacht von Nutzen.

Die Metagenomik könnte das Problem lösen, da sich mit ihr ohne vorherige Kultivierung alle in einer Probe enthaltenen Erreger bestimmen lassen inklusive der Genveränderungen (Mutationen), die für Resistenzen verantwortlich sind. Die Schwierigkeiten bei der Diagnose von Atemwegserkrankungen bestehen jedoch darin, dass im Sputum auch menschliche Zellen und deren DNA enthalten sind.

Das Team um Justin O’Grady vom Quadram Institute, einer wissenschaftlichen Stiftung in Norwich/England, hat dieses Problem durch eine chemische Vorbehandlung der Sputumproben mit Saponinen gelöst. Die Glykoside zerstören menschliche Zellen, lassen jedoch Bakterien intakt. Dadurch wurde es möglich, die menschliche DNA aus den Proben zu entfernen, was etwa 4 Stunden in Anspruch nahm. Die anschließende metagenomische Sequenzierung dauerte 2 Stunden. Das Ergebnis lag demnach nach insgesamt 6 Stunden vor. Für die klinische Medizin würde dies bedeuten, dass nach einer Probenentnahme am Vormittag die Therapie noch am gleichen Tag angepasst werden könnte, zumal die Sequenzierung mit einem tragbaren Gerät durchgeführt werden kann. Ein zeitaufwendiger Transport in ein entferntes Labor entfiele.

Die Forscher haben die Metagenomik zunächst an Sputumproben von 40 Patienten mit unteren Atemwegsinfektionen (Pneumonien) erprobt. Drei Erreger, die später in Kulturen gezüchtet werden konnten, wurden übersehen (Sensitivität 91,4 %). Nach einer Optimierung des Verfahrens wurde in einer zweiten Testserie mit 41 Patienten dann aber eine Sensitivität von 96,6 % erreicht. Es wurden häufig Erreger gefunden, die sich in der Kultur nicht anzüchten ließen (Spezifität 41,7 %). Eine anschließende PCR zeigte jedoch, dass die Erreger in den Sputumproben enthalten waren. Die Spezifität stieg damit auf 100 %. Allerdings kann die PCR nicht belegen, dass die Erreger noch intakt und für den Patienten bedrohlich waren.

Die Metagenomik kann auch Resistenzgene nachweisen. Zwei MRSA-Infektionen und eine Co-Trimoxazol-Resistenz wurden erkannt. Es wurden allerdings auch mehrmals Resistenz-Gene nachgewiesen, die dann im Antibiogramm nicht bestätigt werden konnten. Die Gründe hierfür sind nicht bekannt. Für die Metagenomik gelten im Prinzip die gleichen Einschränkungen wie für die PCR. Der Nachweis von Genen bedeutet nicht, dass sie von lebenden Bakterien stammen und dass diese lebenden Bakterien sie auch tatsächlich einsetzen, um Antibiotika abzuwehren. Die bakteriellen Kulturen der Mikrobiologie sind insofern näher am Geschehen im lebenden Organismus des Patienten.

Es bleibt deshalb abzuwarten, welchen Nutzen die Metagenomik im klinischen Alltag erzielen kann. In Großbritannien wurde hierzu eine klinische Studie gestartet. Im INHALE-Projekt wird geprüft, ob die Metagenomik die Diagnose einer im Krankenhaus erworbenen oder Beatmungstubus-assoziierten Lungenentzündung verbessern kann.

Quelle: Pressemitteilung des Quadram Institute & Ärzteblatt vom 26.6.19