Schnelltest für Blutvergiftung Magnetische Nanopartikel erkennen Keime im Blut

Eine Blutvergiftung ist eine tödliche Gefahr. Um die verantwortlichen Keime schnell zu erkennen und die passenden Antibiotika auszuwählen, haben Forscher der Empa nun einen neuen Schnelltest entwickelt. Dieser weist die Erreger mittels magnetischen Nanopartikeln nach und soll zukünftig eine rasche zielgerichtete Behandlung ermöglichen.

In medizinischen Forschungsfragen spielt Zeit meist eine entscheidende Rolle für die Überlebenschance der Patienten. So auch bei der Forschung von Qun Ren. Die Empa-Wissenschaftlerin und ihr Team entwickeln derzeit ein Diagnose-Verfahren, mit dem eine lebensgefährliche Blutvergiftung mit Staphylokokken-Bakterien im Eiltempo erkennbar wird. Denn eine derartige Staphylokokken-Sepsis verläuft in bis zu 40 Prozent der Fälle tödlich.

Antibiotikaresistente Bakterien

Neues Antibiotikum gegen resistente Keime entdeckt

Eine solche Infektion mit den kugelförmigen Bakterien kann etwa als lokale Hauterkrankung oder Lungenentzündung begonnen haben. Sind die Staphylokokken im Verlauf einer Sepsis aber einmal in die Blutbahn ausgeschwärmt, drohen schwere Komplikationen. Es gilt nun, die Erreger schnellstmöglich zu identifizieren und passende Antibiotika für die Behandlung zu wählen. Dies ist ausschlaggebend für die Überlebenschancen der Betroffenen, insbesondere, da Staphylococcus-aureus-Stämme oft unempfindlich gegen verschiedene Antibiotika sind. „Wenn für ein Diagnoseverfahren die Bakterien in einer Blutprobe erst vermehrt und angereichert werden müssen, geht wertvolle Zeit verloren“, erklärt Ren, Gruppenleiterin am Biointerfaces-Labor der Empa in St. Gallen. Sie und Teamkollege Fei Pan suchten daher gemeinsam mit Forschern der ETH Zürich nach einem Weg, den langwierigen Zwischenschritt zu umgehen.

Ergebnis nach Stunden statt Tagen

Nun hat das Team ein Verfahren mit magnetischen Nanopartikeln entwickelt, die sich an Staphylokokken binden können. Über ein Magnetfeld lassen sich die Bakterien so spezifisch nachweisen. In einem nächsten Schritt wird die Empfindlichkeit auf Antibiotika mit einem Chemilumineszenz-Verfahren analysiert. Sind resistente Bakterien im Reagenzglas, strahlt die Probe Licht ab. Lassen sich die Keime hingegen mit Antibiotika abtöten, bleibt es dunkel im Reaktionsgefäß. „Alles in allem dauert der Sepsis-Test rund drei Stunden – im Vergleich zu mehreren Tagen bei einer klassischen Anzucht von Bakterienkulturen“, sagt Pan.

Ein schneller Sepsis-Sensor als Ziel

Ein weiterer unangenehmer Vertreter aus dem Bakterienreich ist Pseudomonas aeruginosa. Das Stäbchenbakterium kann diverse Krankheiten hervorrufen, darunter Infektionen des Harntrakts beispielsweise über einen Harnkatheter bei einem Krankenhausaufenthalt. Derartige Infektionen können sich in der Folge zu einer gefährlichen Sepsis entwickeln. Und auch diese Erreger sind häufig resistent gegen diverse Antibiotika.

Hier kommt ein weiterer Vorteil der Magnet-Nanopartikel zum Einsatz: Das Verfahren kann ähnlich einem Baukasten auf andere Bakterienarten maßgeschneidert werden. Auf diese Weise haben die Empa-Forscher einen schnellen „Sepsis-Sensor“ mit magnetischen Nanopartikeln entwickelt. In Proben mit künstlichem Urin identifizierte das Verfahren die Bakterienart und ermittelte mögliche Resistenzen gegen Antibiotika über eine Chemilumineszenz-Reaktion.

Bislang haben die Wissenschaftler den „Magnet-Nanopartikel-Baukasten“ für Sepsis und Harnwegsinfektionen mit Laborproben evaluiert. „In einem nächsten Schritt möchten wir die Sepsis-Tests gemeinsam mit klinischen Partnern validieren, indem wir Proben von Patientinnen und Patienten auswerten“, sagt Empa-Forscherin Ren.

Antibiotikaresistenz

Die sinkende Wirksamkeit von Antibiotika fordert jährlich über eine Millionen Tote weltweit. Auch ein Teil der Staphylokokken ist nicht mehr mit gängigen Antibiotika zu bekämpfen, da sie Resistenzen ausgebildet haben. Besonders besorgniserregend ist der Anteil der multiresistenten Erreger.

Bereits jetzt wird die weltweite Antibiotika-Resistenz von Krankheitserregern als „Stille Pandemie“ bezeichnet. Je nach Land sind beispielsweise in Europa über 30 Prozent (Portugal, Italien) und rund 1 Prozent (Skandinavien) der Staphylokokken gegen eine Vielzahl von Antibiotika resistent. In der Schweiz sind es derzeit 4,7 Prozent, wie aus Zahlen des Bundesamts für Lebensmittelsicherheit und Veterinärwesen (BLV) aus dem Jahr 2021 hervorgeht.

Auch das Bakterium Pseudomonas aeruginosa ist gegen viele Antibiotika unempfindlich und kann zu schweren Lungenentzündungen, Harnwegsinfekten und einer Sepsis führen. Bei der Diagnose einer Infektion kann daher die Geschwindigkeit und Präzision, mit der ein Keim identifiziert wird, entscheidend für das Überleben der Infizierten sein.

Originalpublikation: Fei Pan, Stefanie Altenried, Subas Scheibler, Alexandre H.C. Anthis, Qun Ren: Specific capture of Pseudomonas aeruginosa for rapid detection of antimicrobial resistance in urinary tract infections,, Biosensors and Bioelectronics, Volume 222, 2023, ISSN 0956-5663; DOI: 10.1016/j.bios.2022.114962

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