Snellere diagnostiek dankzij nanoporie-sequencing

Om ervoor te zorgen dat sepsispatiënten zo snel mogelijk de juiste antibiotica krijgen, hebben Fraunhofer IGB-onderzoekers een diagnostische procedure ontwikkeld die gebruikmaakt van high-throughput sequencing van bloedmonsters en die veel sneller resultaten oplevert dan conventionele op kweek gebaseerde technieken. Dankzij de nieuwste sequentietechnieken van één molecuul is dit proces nu verder verbeterd, zodat pathogenen al na enkele uren kunnen worden geïdentificeerd. De basismethodiek wordt momenteel getest in een multicenter onderzoek met enkele honderden patiënten.

Sepsis – ook bekend als “bloedvergiftiging” – is een levensbedreigende ziekte die wordt veroorzaakt door de ongecontroleerde verspreiding van pathogenen – bacteriën, virussen of parasieten – in het bloed. Alleen al in Duitsland is sepsis verantwoordelijk voor ongeveer 60.000 sterfgevallen per jaar, en deze trend neemt toe. De therapie is des te succesvoller naarmate de diagnose sneller kan worden gesteld en het type ziekteverwekker kan worden geïdentificeerd: snel ingrijpen met adequate antibiotica verhoogt de overlevingskans aanzienlijk.

In veel ziekenhuizen is het nog steeds gebruikelijk om sepsispathogenen op te sporen met microbiologische methoden. De ziekteverwekkers worden gekweekt uit bloedmonsters van patiënten in het laboratorium en daarna geïdentificeerd. De beperkingen van deze aanpak zijn een lange doorlooptijd van twee tot vijf dagen en een laag detectiepercentage. Over het algemeen levert het slechts in 10 tot 30 procent van de gevallen een positief resultaat op, wat de basis vormt voor de behandelend arts bij het nemen van een therapiebeslissing. Bovendien kunnen sommige ziekteverwekkers helemaal niet of alleen onder speciale omstandigheden worden gekweekt, zodat het resultaat negatief is, ook al is er daadwerkelijk een infectie, met fatale gevolgen voor de patiënten.

Krachtig platform voor snelle en betrouwbare detectie van pathogenen

Onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Interfacial Engineering and Biotechnology IGB hebben enige tijd geleden een alternatieve diagnostische procedure ontwikkeld die allerlei soorten pathogenen veel sneller en betrouwbaarder kan detecteren. Het maakt gebruik van next-generation sequencing (NGS) van microbieel circulerend celvrij DNA (cfDNA) uit bloedmonsters van patiënten en heeft een detectiesnelheid die vijf tot zes keer beter is dan die van op kweek gebaseerde technieken.

In een driestapsproces bestaande uit monstervoorbereiding, sequentiebepaling en bioinformatische evaluatie met speciaal ontwikkelde diagnostische algoritmen, kunnen relevante bacteriën, virussen of schimmels binnen 24 tot 30 uur na bloedafname duidelijk worden geïdentificeerd zonder enige langdurige kweekprocedure. Als platformgebaseerde benadering is de methode niet alleen geschikt voor de diagnose van sepsis, maar mogelijk ook voor andere ziekten zoals endocarditis of liquor, oftewel spinale vloeistofinfecties. Bovendien kan niet alleen de biologische aard van de ziekteverwekker worden bepaald, maar ook zijn resistentie tegen antibiotica, wat in aanmerking kan komen voor een optimale therapie.

De klinische validatie van het diagnostische platform voor sepsis wordt momenteel uitgevoerd in een multi-center onderzoek: “Nu testen we onze procedure op grote schaal in de kliniek”, meldt Dr. Kai Sohn, hoofd van het innovatiegebied “In-vitro Diagnostics “bij Fraunhofer IGB, over de status van het onderzoekswerk. “Het gaat om 500 patiënten in 20 klinieken; praktisch alle grote in Duitsland gevestigde universiteitsklinieken zijn erbij betrokken. Opmerkelijk is dat deze studie veel verder gaat dan gepland – en dus krijgen we een grote voorsprong.” Het project wordt ondersteund door de Dietmar Hopp Foundation.

Snellere en kosteneffectievere diagnose

Sequentietechnologieën zullen zich verder ontwikkelen, zodat de resultaten nog sneller en kosteneffectiever kunnen worden geleverd: met behulp van een van de nieuwste 3e generatie sequentietechnologieën kan het microbiële DNA in realtime worden onderzocht tijdens sequencing, waardoor de identificatie van pathogenen wordt teruggebracht tot slechts zes acht uur, afhankelijk van hoe ernstig de patiënt is geïnfecteerd. Dit is mogelijk gemaakt door de sequentiebepaling van individuele DNA-moleculen op nanoschaal. “Met nanopore-sequencing krijgen we elke minuut resultaten”, legt Sohn uit. “We wachten nu op de proof of concept om de kortst mogelijke doorlooptijd te vinden. Maar het lijkt haalbaar dat we in de toekomst routinematig pathogenen kunnen detecteren in minder dan zes uur na bloedafname.”

De ondubbelzinnige identificatie van de pathogenen wordt mogelijk gemaakt door wiskundige berekeningen op basis van de sequentie-informatie van het patiëntenmonster: voor dit doel hebben de Fraunhofer-onderzoekers een relevantiescore ontwikkeld – de Sepsis Indicating Quantifier (SIQ) Score – die de gegevens van de besmette personen met gezonde controlegroepen en beoordeelt ze vervolgens. “Hiervoor hebben we vooraf voor honderden verschillende pathogenen verwachtingswaarden gegenereerd”, meldt Sohn. “Op basis hiervan kunnen we nu resultaten leveren in een vergelijkbare vorm die iedereen kent uit het bloedbeeld van de huisarts. Onze algoritmen ondersteunen dus snelle en adequate therapiebeslissingen. En dit zou ook het potentieel kunnen hebben om te worden uitgevoerd als een point-of- zorgtest in de toekomst rechtstreeks op de intensive care. ”