Die Kombination macht's

Molekulare Diagnostik und Künstliche Intelligenz helfen bei der Erkennung von Antibiotikaresistenzen bei Sepsis-Keimen.

Von Michaela Endemann

Besteht bei einem Patienten der Verdacht auf eine Sepsis, wird eine Kombination an Breitbandantibiotika verabreicht, um eine Reihe potenzieller Krankheitserreger zu bekämpfen. So sehen es aktuelle Leitlinien vor. Goldstandard zur Entscheidung, welches Antibiotikum danach spezifisch verabreicht wird, ist nach wie vor die Blutkultur, die der amerikanische Herzspezialist Emanuel Libman erstmals 1906 beschrieb und womit er die erste Richtlinie zur Blutkulturdiagnostik schuf. Die Organismen, die Libman damals fand, waren Streptokokken, Pneumokokken, Micrococcus albus sowie verschiedene weitere Bakterienarten wie u. a. Coli-Bakterien oder Gonokokken. Die Herausforderung dabei: „Eine Blutkultur braucht viel Zeit, die im Falle einer Sepsis die Überlebenswahrscheinlichkeit des Patienten im Falle einer inadäquaten Antibiotikatherapie in der empirischen Erstlinienbehandlung reduziert“, so Matthias Pilecky vom Zentrum für Biomedizinische Technologie an der Donau-Universität Krems. Es sind bisher über 600 Erregerarten mit der Sepsis in Verbindung gebracht worden. Viele dieser Erreger sind jedoch nicht kultivierbar. „Derzeit verfügbare molekular-diagnostische Verfahren liefern zwar innerhalb weniger Stunden schnellere Ergebnisse, auch für nicht kultivierbare Erreger, jedoch ist damit noch keine Aussage über deren Antibiotikaresistenzen getroffen“, sagt Matthias Pilecky, Koordinator des an der Donau-Universität Krems laufenden Projekts Verbesserung der Pathogendetektion im Blut, das von der FFG im Rahmen des Bridge-Programms gefördert wird.

Gängiges Verfahren zur Feststellung von Krankheitserregern ist die Polymerase Chain Reaction, kurz PCR. Ihr Nachteil: die geringe „Trefferquote“, in der Fachsprache Sensitivität, infolge geringer Keimanzahl. Dazu Projektpartner Ludwig Knabl von der Medizinischen Universität Innsbruck: „Im Rahmen einer Sepsis werden im Schnitt nur 0,1 bis 10 Keime pro Milliliter Blut gefunden.“ Wird 1 ml Blut abgenommen, so ist die Keimlast für einen Nachweis oftmals zu gering. Die meisten kommerziell verfügbaren Tests benötigen mindestens 30 Keime pro Milliliter“. Außerdem: Die PCR kann durch Blutbestandteile wie Plasma oder Leukozyten in der Probe zu einem ungültigen Resultat führen, und das bei etwa 10 Prozent aller Proben. „Wir erhoffen uns weiters in einer retrospektiven Studie mit mehr als 1.300 Proben, in der wir auch Medikation und zusätzliche Erkrankungen erfassen, Einblicke auf die PCR-beeinflussenden Faktoren bekommen zu können“, sagt Knabl. Eine wissenschaftliche Veröffentlichung zu diesem Thema wird noch dieses Jahr erwartet.

Next-Generation DNA Sequencing

Neben der PCR-basierten Methode entwickelte sich die Next-Generation-Sequenzierung (NGS) als vielversprechende Methode zur Identifizierung von Krankheitserregern sowie von Genen für antimikrobielle Resistenz. „Die PCR liefert zwar effiziente Ergebnisse innerhalb weniger Stunden, kann aber nicht das gesamte Erreger- und Resistenzspektrum abdecken und führt zu diagnostischen Lücken“, so Pilecky. Mit Hilfe der NGS könnte das Sequenzieren, also das Feststellen der Abfolge der DNA, effizienter vonstattengehen. „Der Probendurchsatz erhöht sich, sodass für die Sequenzierung eines kompletten menschlichen Genoms früher beispielsweise zehn Jahre aufgewendet wurden, es heute in nur wenigen Tagen möglich ist.“ Bekannt ist diese Methode übrigens durch die Sequenzierung des Genoms des „Ötzi“. Aus einer geringen Menge Knochenmaterial konnten Schlüsse auf seine geographische Herkunft, Aussehen und Krankheiten gezogen werden.

Wo die KI ins Spiel kommt

Die große Herausforderung in der Sepsis-Diagnose ist die Vielzahl möglicher Krankheitserreger. Um mit dieser großen Menge in der gebotenen Eile bei einem Sepsis-Fall umgehen zu können, setzen die Forscher auf Künstliche Intelligenz, kurz KI. Hier kommt das junge Unternehmen ARES, Partner im Projekt, ins Spiel. Andreas Posch, ARES: „Wir bringen unsere Kompetenz in Sachen molekularer Diagnostik der Antibiotikaresistenz ein und unterstützen in Sachen Auswertungen der riesigen Datenmengen.“ Das Unternehmen, eine hundertprozentige Tochtergesellschaft der deutschen Curetis GmbH, startete Ende Oktober 2019 einen KI-gestützten molekularen Antibiotikaresistenztest. „Die dahinterliegende Datenbank ARESdb umfasst genetische Informationen, also DNA-Sequenzen von mehr als 50.000 bakteriellen Keimen sowie Daten zum Ansprechverhalten für mehr als 100 Antibiotika und wird laufend erweitert“, sagt Posch.

Basis dieser Datenbank ist die genetische Resistenzdatenbank GEAR, die ursprünglich von Siemens in Zusammenarbeit mit zwei akademischen Partnern, dem Institut für Klinische Molekularbiologie (IKMB) der Universität Kiel und der Gruppe für Klinische Bioinformatik (CCB) der Universität des Saarlandes, entwickelt wurde. Die Stämme wurden in den letzten Jahrzehnten an über 200 Standorten weltweit aus Patientenproben isoliert. „Es handelt sich um einen umfassenden, kuratierten Satz von Genotyp-Phänotyp-Korrelationen für Antibiotikaresistenzen, wobei genetische Information mit Daten zur Medikamentenempfindlichkeit kombiniert werden.“ Die patentgeschützte Referenzdatenbank soll es den Forschern erlauben, nun auch die Resistenzprofile bei Sepsis zu erkennen. „Die Interpretation der riesigen Datensätze ist eine Herausforderung und da bedienen wir uns intelligenter, KI-gestützter Algorithmen“, erklärt Posch. „Wir erwarten uns mit Hilfe dieser Datenbank eine rasche Feststellung, welches Resistenzprofil ein bestimmter Keim hat“, sagt Pilecky. Er will die bestehenden diagnostischen Instrumente so verknüpfen, dass eine Vorhersage des Resistenzprofils innerhalb weniger Stunden möglich ist.

Wendige Bakterien

Dieser Mix an Methoden und Kompetenzen macht es nun auch erstmals möglich, nicht nur die Resistenzen in menschlichen Blutproben zu identifizieren, sondern auch effizienter nach deren Ursachen zu forschen. „Die Resistenz liegt in der DNA von Bakterien. Die haben die Fähigkeit, ihren genetischen Code unter selektivem Druck von Antibiotika zu verändern und die Resistenzgene sogar untereinander auszutauschen sowie von einer Generation zur nächsten weiterzugeben“, erklärt Posch. Vieles ist dabei noch nicht ganz geklärt. So sind etwa Details zum horizontalen Gentransfer, der auch Sprünge zwischen Stämmen und Arten zulässt, noch nicht verstanden, wie auch die Resistenzentwicklung eines Keims über den Behandlungsverlauf, beides wichtige Faktoren im klinischen Umfeld. Dazu Posch: „Dieses Projekt wird vielleicht auch zu einem besseren Verständnis der Dynamik der genetischen Veränderungen in Richtung Resistenzentwicklung und ihre Auswirkungen auf die Sepsisbehandlung führen.“

Nicht immer ist es nötig oder aufgrund der geringen Menge auch möglich, die gesamte DNA zu sequenzieren. „Wir versuchen daher auch Ansätze zu finden, wie man gezielt suchen kann“, ergänzt Pilecky. Dabei bedienen sich die Forscher dabei des sogenannten „target enrichment“, bei dem man nach bestimmten Genen, wie eben den Resistenzgenen in Bakterien, suchen kann. „Die Suche wird auf bestimmte Gene beschränkt, die aufgrund der klinischen Symptomatik für die Therapieplanung interessant sind“, so Pilecky und weiter: „Es geht nicht nur darum, innerhalb von sechs Stunden nach einer Diagnose einer Sepsis festzustellen, welches Bakterium oder welcher Pilz die Erkrankung ausgelöst hat. Letztendlich wird es im klinischen Setting zukünftig wichtig sein, dem Arzt ein rasches und vor allem valides Ergebnis zu liefern, damit er eine Therapieentscheidung treffen kann.“ Im besten Fall sei das ein Antibiotikaresistenzprofil der identifizierten Keime direkt aus der Blutprobe. Viele Zusammenhänge müssen dazu erst verstanden werden. Das ist noch ein langer Weg.

MATTHIAS PILECKY
Matthias Pilecky, MSc ist wissenschaftlicher Mitarbeiter am Zentrum für Biomedizinische Technologie der Donau-Universität Krems. Er studierte Biochemie an der Universität Wien und forscht derzeit im Rahmen des PhD-Studiums Regenerative Medizin der Donau-Universität Krems.

LUDWIG KNABL
Dr. Ludwig Knabl ist Facharzt für Klinische Mikrobiologie und Hygiene am Institut für Hygiene und medizinische Mikrobiologie, Department für Biomedizinische Forschung an der Medizinischen Universität Innsbruck.

ANDREAS POSCH
Dr. Andreas Posch ist Managing Director & CEO von ARES Genetics. Er studierte Biotechnologie mit Schwerpunkt Bioinformatik an der Universität für Bodenkultur und promovierte an der Technischen Universität Wien. Vor Gründung von ARES Genetics 2017 verantwortete er den Bereich Bioinformatics & Systems Medicine bei Siemens Healthcare.