Thema:

Sepsisdiagnostik

Fast Diagnosis – Point-of-Care-Diagnose der Sepsis

Die Sepsis tritt mit einer Inzidenz von jährlich mehr als 150 Neuerkrankungen pro 100.000 Einwohner häufiger auf als etwa Brust- oder Prostatakrebs. Charakteristisch für die Sepsis sind eine sehr hohe Mortalität und – wegen der benötigten Intensivmedizin – hohe Behandlungskosten. Schätzungen zufolge, belaufen sich die direkten und indirekten Kosten, die durch Sepsis in Deutschland anfallen, auf bis zu 7,8 Mrd. Euro jährlich1. Entscheidend für die Senkung der Mortalität der Sepsis und auch der Kosten sind die schnelle und richtige Diagnose sowie die schnelle Einleitung einer zum Sepsiserreger passenden Therapie. Das durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt FastDiagnosis bündelt Kompetenzen aus Klinik, Wissenschaft und Wirtschaft und verfolgt das Ziel, zukünftig ein schnelles und umfassendes Diagnostikkonzept für das Indikationsfeld Sepsis bereitzustellen.

Entzündungsreaktionen beginnen mit unspezifischen Symptomen, die auf eine Vielzahl von Erkrankungen zutreffen können. Ein Konzept unspezifische klinische Kriterien wie Körpertemperatur, Herzfrequenz, Atemfrequenz und Leukozytenzahl zur Diagnose zu nutzen, sind die SIRS-Kriterien (Systemic Inflammatory Response Syndrome). Sind die Bedingungen für SIRS bei einem Patienten erfüllt, spricht man dann von einer Sepsis, wenn zusätzlich eine systemische Infektion mit Krankheitserregern vermutet oder bestätigt wird.

Der Goldstandard zum Nachweis und zur Identifikation von Krankheitserregern ist seit Jahrzehnten die mikrobiologische Blutkultur. Dieses Verfahren erfordert viel Zeit (>48h) und liefert einen hohen Anteil falsch-negativer Befunde. Ferner lässt das vorgestellte diagnostische Konzept aus SIRS-Kriterien und Keimnachweis über die Blutkultur wichtige Zeichen der Wirtsantwort bei der Diagnose unberücksichtigt.
Eine vielbeachtete klinische Studie hat gezeigt, dass das Überleben der Patienten bei Sepsis direkt von dem Zeitpunkt der Therapieeinleitung abhängig ist. Pro Stunde Verzögerung bei der Einleitung der Antibiotikatherapie sinkt die Überlebenswahrscheinlichkeit um 7%2. Die späte Diagnose und Therapie bei Sepsis wird demgemäß als Ursache für die hohe Mortalität und – bei überlebenden Patienten – für eine verlängerte Krankenhausverweilzeit angesehen3. Der medizinische Bedarf („unmet medical need“) liegt also in einer unmittelbaren Diagnose der Sepsis, um durch eine schnelle, kausale Therapie die Überlebenswahrscheinlichkeit der Patienten zu erhöhen. Das FastDiagnosis-Konsortium hat es sich deshalb zum Ziel gesetzt, zukünftig ein vor Ort einsetzbares Werkzeug zur schnellstmöglichen Sepsisdiagnostik bereitzustellen. Die Diagnostik soll dabei in drei aufeinander aufbauenden Schritten verlaufen (Abb. 1):

  • Zunächst wird innerhalb weniger Minuten anhand einer Multiplex-Bestimmung von Entzündungsmarkern im Patientenblut ein Sepsis-Score errechnet. Dieser Sepsis-Score gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit der der Patient an Sepsis erkrankt ist.
  • Im zweiten Schritt werden innerhalb von 30 Minuten die krankheitsauslösenden Keime aus einer Patientenprobe isoliert und mittels Mikro-Raman-Spektroskopie identifiziert.
  • Im dritten Schritt erfolgt innerhalb von 120 Minuten über eine isothermale Nukleinsäure-Amplifikation die Bestätigungsdiagnostik zur Keimidentität und der Nachweis von eventuell vorliegenden Antibiotika-Resistenzen, die bei der Therapiewahl berücksichtigt werden müssen.

Auf Basis der Ergebnisse der ersten beiden Prozessschritte soll bereits die kausale Antibiotikatherapie eingeleitet werden. Der dritte Schritt ist notwendig, um beim Vorliegen von Therapieresistenzen oder einem nicht eindeutigen Erregernachweis über Raman-Spektroskopie eine Therapieanpassung vornehmen zu können.
Das geplante diagnostische System soll eine hohe Anwenderfreundlichkeit aufweisen und ohne spezielle analytische Kenntnisse angewendet werden können. Diagnostische Systeme, die ohne langwierige Schulungen oder spezielles Ausbildungswissen der Endnutzer einsetzbar sind, haben das Potential einer schnelleren und präziseren Diagnostik in Bereichen, die auf einen sofortigen und dezentralen Informationsgewinn (Point-of-Care-Diagnostik) angewiesen sind.
Die F&E-Arbeit wird von Projektpartnern aus den Bereichen Molekularbiologie, Mikrobiologie, Laboratoriumsmedizin, Spektroskopie, Intensivmedizin, Probenvorbereitung und Assayentwicklung geleistet:

Die R-Biopharm AG (Darmstadt) ist ein Spezialist für immunologische Nachweissysteme und bringt zusätzlich ihr Know-How über lateral flow-Tests ein. Verwirklicht sind diese etwa bei den unkompliziert anwendbaren Schwangerschaftstests. Durch die Einführung von neuen, sensitiven Detektionsverfahren und von Lesegeräten, die eine quantitative Auswertung der Teststreifen ermöglichen, konnten neue Anwendungen für diese seit langem bekannte Technologie erschlossen werden. Im Projektverlauf etabliert R-Biopharm Teststreifen zum multiplexen, quantitativen Nachweis von Biomarkern zur Erfassung der Wirtsantwort. Ferner soll die lateral flow-Technologie auch zur Probenaufarbeitung rund um die Raman-Spektroskopie genutzt werden.

Die rap.ID GmbH (Berlin) bringt als Spezialist für die spektroskopische Partikelidentifikation die Gerätetechnik zum Aufbau eines kombinierten Fluoreszenz-Imaging/ Mikro-Raman-Gerätes in das Projekt ein. Das Gerät wird im Fluoreszenzmodus in der Lage sein, Bakterien und andere Mikroorganismen auf einer Probenoberfläche zu detektieren und mit Hilfe des Mikro-Raman-Moduls die detektierten Objekte zu identifizieren. Die Identifizierung wird durch die Implementierung einer speziellen Datenbank ermöglicht, in der spezifische Spektroskopiemuster mit den entsprechenden Mikroorganismen verknüpft werden. Aufgebaut wird die Datenbank im Projektverlauf am Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena. Für den Einsatz des Systems ist eine spezielle Probenaufarbeitung erforderlich, die Bakterien aus Körperflüssigkeit auf Oberflächen fixiert. Es werden Algorithmen für die Raman-spektroskopische Identifizierung bakterieller Erreger erforscht, und ein Funktionsmuster wird auf den robusten Betrieb im Klinikalltag hin ausgerichtet.

Die QIAGEN GmbH (Hilden) wird ein einfaches Schnelltestverfahren zur eindeutigen Bestimmung von Antibiotika-Resistenzen der identifizierten Erreger bereitstellen. Dies soll eine klare Therapieempfehlung innerhalb des kritischen Zeitfensters ermöglichen und auch von Personal ohne molekularbiologische Labor-erfahrung fehlerfrei durchgeführt werden können. Im selben Arbeitsschritt erfolgt eine Verifikation der zuvor über Raman-Spektroskopie identifizierten Erreger.
Dies soll durch die Kombination eines isothermalen Amplifikationsverfahrens der Erreger-DNA mit einer spezifischen Detektion auf Basis des lateral flow-Prinzips erreicht werden. Das im FastDiagnosis-Projekt eingesetzte isothermale Amplifikationsverfahren ermöglicht – verglichen mit bereits etablierten PCR-Nachweisen – nicht nur eine einfachere Instrumentierung, sondern auch kürzere Reaktions-zeiten. Es wird damit den Ansprüchen des klinischen Anwenders weitaus besser gerecht als die bisherigen Verfahren. Durch die geplante Detektion der erhaltenen Amplifikate mittels des lateral flow-Prinzips können sowohl die Immunassays als auch Resistenzbestimmungen auf einer einheitlichen Plattform durchgeführt werden.

Die klinischen Partner aus Jena und Dresden werden ihre umfangreichen Erfahrungen in der Erforschung diagnostischer Testverfahren zum Erregernachweis und zur Erfassung der Wirtsantwort sowie deren Erprobung in „clinical utility“-Studien in das Projekt einbringen. Ferner werden Biomaterialien aus existierenden, umfangreichen Biobanken zur Verfügung gestellt sowie weitere Proben prospektiv gesammelt. Es sollen Kombinationen von Biomarkern ermittelt werden, die die Sensitivität und Spezifität des Sepsisnachweises verglichen mit etablierten Einzelparametern steigern. Die Medizinische Mikrobiologie wird im Projektverlauf die Erforschung und Evaluierung der Teststreifen zur Isolierung von pathogenen Mikroorganismen begleiten und Referenzmaterialien für die Entwicklung der Raman-Spektroskopie-Datenbank zur Verfügung stellen.
Die Verbundpartner möchten mit den geplanten Entwicklungen dem Umstand entgegentreten, dass die Diagnostik der Sepsis trotz der hohen Mortalität der Erkrankung im klinischen Alltag unterrepräsentiert ist. Die Deutsche Sepsis-Gesellschaft und die Betroffenen-Initiative Sepsis weisen auf diesen Mangel hin, und in der Jenaer Deklaration (2005) wird explizit die Verbesserung der frühen Diagnose der Sepsis gefordert, da im intrahospitalen sowie im prähospitalen Verlauf der Erkrankung häufig mehrere Stunden und sogar Tage bis zur Diagnose vergehen. Die Initiative fordert, neue Methoden im klinischen Alltag zu etablieren, die eine Diagnostik der Sepsis in Blutproben erlauben, und die Forschung zur Verbesserung der Sepsisdiagnostik zu intensivieren.
FastDiagnosis nimmt diese Forderung auf und steht für das Bestreben, Klinikern einen einfachen, verlässlichen Test auf Basis aussagefähiger biochemischer Marker und spektroskopisch sowie molekularbiologischer Methoden für den Nachweis der Sepsis anzubieten4.

Das Verbundprojekt FastDiagnosis wird im Rahmen des Forschungsschwerpunktes Biophotonik vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert (FKZ 13N11349 - 13N11352, Projektträger VDI-Technologiezentrum Düsseldorf).

Literatur

[1]     Moerer O, Burchardi H., Anaesthesist. 2006 Jun;55 Suppl
1:36-42. Review.
[2]     Kumar A, Roberts D, Wood KE, Light B, Parrillo JE, Sharma S, Suppes R, Feinstein D, Zanotti S, Taiberg L, Gurka D, Kumar A, Cheang M., Crit Care Med. 2006 Jun;34(6):1589-96.
[3]     Engel C, Brunkhorst FM, Löffler M, Reinhart K. , Ärzteblatt Thüringen. 2007; 18: 414-417
[4]     Moerer O, Quintel M., Der Internist. 2009, 50(7): 788-97

Autoren

Peter Schubert1, Thorsten Singer2, Markus Lankers3, Mario Menschikowski4, Wolfgang Pfister5, Michael Kiehntopf6, Michael Bauer6, Jürgen Popp7; 1R-Biopharm AG, Darmstadt (Projektkoordinator); 2QIAGEN GmbH, Hilden; 3rap.ID GmbH, Berlin;4Universitätsklinikum Dresden, Institut für Klinische Chemie und Laboratoriumsmedizin; 5Universitätsklinikum Jena, Institut für Medizinische Mikrobiologie; 6Integriertes Forschungs- und Behandlungs-zentrum “Sepsis und Sepsisfolgen” / Center for Sepsis Control and Care (CSCC) Universitäts-klinikum
 Jena; 7Universität Jena, Institut für Physikalische Chemie

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Heft 4/2011

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