För att säkerställa att sepsispatienter får lämplig antibiotika så snabbt som möjligt, Fraunhofer IGB-forskare har utvecklat ett diagnostiskt förfarande som använder högkapacitetssekvensering av blodprover och ger resultat mycket snabbare än konventionella odlingsbaserade tekniker. Tack vare de senaste teknikerna för sekvensering av en enda molekyl, denna process har nu förbättrats ytterligare så att patogener kan identifieras efter bara några timmar. Den grundläggande metodiken testas för närvarande i en multicenterstudie med flera hundra patienter.

Sepsis - även känd som "blodförgiftning" - är en livshotande sjukdom som orsakas av okontrollerad spridning av patogener - bakterier, virus eller parasiter – i blodet. Bara i Tyskland sepsis är ansvarig för cirka 60, 000 dödsfall per år, och denna trend stiger. Terapi är desto mer framgångsrik ju snabbare diagnosen kan ställas och typen av patogen identifieras:snabb intervention med adekvat antibiotika ökar överlevnaden avsevärt.

Det är fortfarande vanligt på många sjukhus att upptäcka sepsispatogener med hjälp av mikrobiologiska metoder. Patogenerna odlas från patienternas blodprov i laboratoriet och identifieras därefter. Begränsningarna för detta tillvägagångssätt är en lång behandlingstid på två till fem dagar samt en låg upptäcktshastighet. I allmänhet, det ger bara ett positivt resultat i 10 till 30 procent av fallen, som utgör grunden för den behandlande läkaren att fatta beslut om terapi. Dessutom, vissa patogener kan inte odlas alls eller endast under speciella förhållanden, så att resultatet blir negativt trots att det faktiskt finns en infektion — med ödesdigra konsekvenser för patienterna.

Högpresterande plattform för snabb och pålitlig patogendetektion

Forskare vid Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB etablerade en alternativ diagnostisk procedur för en tid sedan som kan upptäcka patogener av alla slag mycket snabbare och mer tillförlitligt. Den använder nästa generations sekvensering (NGS) av mikrobiellt cirkulerande cellfritt DNA (cfDNA) från patienternas blodprover och har en detektionshastighet som är fem till sex gånger bättre än den för odlingsbaserade tekniker.

I en trestegsprocess bestående av provberedning, sekvensering och bioinformatisk utvärdering med specialutvecklade diagnostiska algoritmer, relevanta bakterier, virus eller svampar kan tydligt identifieras inom 24 till 30 timmar efter blodprovtagning utan någon långvarig odlingsprocedure. Som ett plattformsbaserat tillvägagångssätt, metoden är inte bara lämplig för diagnos av sepsis, men potentiellt även för andra sjukdomar som endokardit eller CSF, dvs spinalvätskeinfektioner. Dessutom, inte bara patogenens biologiska natur, men också dess resistens mot antibiotika kan bestämmas, som kan övervägas för en optimal terapi.

Den kliniska valideringen av den diagnostiska plattformen för sepsis pågår för närvarande i en multicenterstudie:"Nu testar vi vår procedur i stor skala på kliniken, " rapporterar Dr Kai Sohn, chef för innovationsområdet "In vitro Diagnostics" på Fraunhofer IGB, om läget för forskningsarbetet. "Detta involverar 500 patienter på 20 kliniker; praktiskt taget alla större tyskbaserade universitetskliniker är inblandade. Anmärkningsvärt nog, den här studien ligger långt över schemat – och därmed får vi ett stort försprång." Projektet stöds av Dietmar Hopp Foundation.

Snabbare och mer kostnadseffektiv diagnos

Sekvenseringsteknologier kommer att utvecklas ytterligare så att resultaten kan levereras ännu snabbare och mer kostnadseffektivt:med hjälp av en av de senaste 3:e generationens sekvenseringsteknologier, det mikrobiella DNA:t kan undersökas i realtid under sekvensering, minska patogenidentifieringen till bara sex till åtta timmar, beroende på hur allvarligt patienten är smittad. Detta har möjliggjorts genom nanopore-sekvensering av individuella DNA-molekyler. "Med nanopore-sekvensering får vi resultat varje minut, " förklarar Sohn. "Vi väntar nu på proof of concept för att ta reda på kortast möjliga handläggningstid. Men det verkar möjligt att vi kan rutinmässigt upptäcka patogener inom mindre än sex timmar efter blodprov i framtiden."

Den entydiga identifieringen av patogenerna är möjlig genom matematiska beräkningar baserade på sekvensinformationen från patientprovet:för detta ändamål, Fraunhofer-forskarna har utvecklat en relevanspoäng – Sepsis Indicating Quantifier (SIQ) Score – som bioinformatiskt jämför data från de infekterade personerna med friska kontrollgrupper och sedan utvärderar dem. "För det här syftet, vi genererade förväntningsvärden för hundratals olika patogener i förväg, " rapporterar Sohn. "På denna grund, vi kan nu ge resultat i liknande form som alla känner till från sin husläkares blodvärde. Våra algoritmer stödjer därför snabba och adekvata terapibeslut. Och detta kan också ha potential att utföras som ett point-of-care-test direkt på intensivvårdsavdelningen i framtiden."