Diagnostik von Blutstrominfektionen Plattform liefert im Labormodell Erreger- und Resistenzprofil in 6,75 bis 17 Stunden

Anbieter zum Thema

Stanford University

Penn State University

Metecon GmbH

Codialist GmbH

Ein experimenteller Diagnostikansatz soll Bakterien direkt aus Vollblut identifizieren und bei ausgewählten Antibiotika zeigen, welche Wirkstoffe gegen sie wirken. In mit klinischen Isolaten versetzten Blutproben lag das vollständige Ergebnis nach 6,75 bis 17 Stunden vor. Wann es zu einer klinischen Anwendung kommt, bleibt abzuwarten. Aktuell erweist sich die Resistenzbestimmung noch als unzuverlässig, außerdem fehlt eine prospektive klinische Validierung.

Forschende der Pennsylvania State University und der Stanford University haben ein Verfahren entwickelt, das die mikrobiologische Untersuchung bei Verdacht auf eine Blutstrominfektion beschleunigen soll. Die Plattform besteht aus drei Modulen: einer verkürzten Anreicherung der Bakterien aus Vollblut, einer molekularen Erregeridentifikation und einem phänotypischen Empfindlichkeitstest auf Einzelzellebene. Die Ergebnisse sind im Fachjournal „Science Advances“ erschienen [1,2].

Blutstrominfektionen können eine Sepsis auslösen, sind aber nicht mit ihr gleichzusetzen. Das Verfahren diagnostiziert daher nicht die Sepsis als klinisches Syndrom. Es soll beantworten, welche Bakterien sich im Blut befinden und welche Antibiotika gegen sie wirken.

Dextran trennt die Blutzellen ab

Konventionelle Verfahren müssen die Bakterien zunächst in einer Blutkultur vermehren. Erst nach einem positiven Kultursignal folgen Identifizierung und Empfindlichkeitsprüfung. Bis ein definitiver Befund vorliegt, vergehen mehrere Tage; die Behandlung beginnt meist empirisch. 

Das Anreicherungsmodul STREAM schafft die Kultivierung nicht ab, verändert aber ihren Ablauf. Zehn Milliliter Vollblut werden mit einer Dextran-haltigen Nährbouillon vermischt und sanft bewegt. Das Polymer lässt die roten Blutkörperchen verklumpen und absinken, während die Bakterien in einer plasmaähnlichen Oberschicht weiterwachsen. Aus ihr entnimmt das System in Abständen Teilproben, während die Restkultur weiterläuft.

Bei den untersuchten Erregern erreichte die Plattform nach Angaben der Autoren eine Nachweisgrenze von 0,1 bis 1 koloniebildenden Einheiten je Milliliter. Als Vergleich nennen sie für mehrere kulturfreie Isolationsansätze eine typische Nachweisgrenze um 5 Einheiten je Milliliter.

Vier Proben nicht bis zur Art aufgelöst

Zur Identifikation nutzt das Team eine molekular barcodierte sequenzielle Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung. Sonden binden an die 16S-rRNA einzelner Zellen und erzeugen in mehreren Runden ein erregerspezifisches Signalmuster. Geprüft wurde das Modul an 104 archivierten positiven Blutkulturproben des Penn State Milton S. Hershey Medical Center. Die Zuordnung stimmte in 96,15 % der Fälle mit dem Laborbefund überein; die Analyse dauerte 1,2 bis 2,5 Stunden. Bei vier Proben blieb die taxonomische Auflösung unvollständig: Zwei wurden nur der Familie der Enterobacteriaceae zugeordnet, eine große Gruppe gramnegative Bakterien, eine lediglich als grampositiv und eine weitere nur als Bakterium erkannt. Einer falschen Spezies wurde nach Angaben der Autoren keine Probe zugeordnet. 

Resistente Erreger teilweise falsch eingestuft

Für die Resistenzprüfung werden einzelne Zellen in einer dünnen Agaroseschicht immobilisiert und Antibiotika ausgesetzt. Ausgewertet werden Wachstum, Zellmorphologie und Membranintegrität. Anders als genotypische Verfahren erfasst der Ansatz damit die beobachtete Reaktion des Erregers.

Die getesteten Antibiotika und Konzentrationen orientierten sich an den CLSI-Vorgaben. Das Ablesekriterium war dagegen studienspezifisch: Als minimale Hemmkonzentration galt die niedrigste Konzentration, bei der das Wachstum unter 60 % der unbehandelten Kontrolle fiel.

Untersucht wurden 219 Wirkstoff-Dosis-Kombinationen an Erregern, die aus positiven Blutkulturen von Patienten mit Blutstrominfektionen isoliert worden waren. Die essenzielle Übereinstimmung – eine Abweichung um höchstens eine zweifache Verdünnungsstufe von der Referenz – betrug 97,96 %. Die Einordnung als empfindlich, intermediär oder resistent stimmte in 93,9 Prozent der Fälle überein.

Problematisch bleibt die Rate der „very major errors“ von 4,1 %, berechnet bezogen auf die nach Referenzmethode resistenten Isolate. Dabei galt ein resistenter Erreger fälschlich als empfindlich. Eine auf einem solchen Befund beruhende Therapie könnte unwirksam bleiben. Hinzu kamen 2,04 % kleinere Abweichungen. Fehler der umgekehrten Richtung – empfindliche Erreger wurden als resistent eingestuft – traten nicht auf.

Vollständiger Durchlauf nur an gespikten Proben

Die Gesamtdauer ermittelte das Team nicht an frischem Patientenmaterial, sondern an Vollblut, dem klinische Isolate zugesetzt worden waren. Für Klebsiella pneumoniae bei einer Ausgangskonzentration von einer koloniebildenden Einheit je Milliliter lag der komplette Befund nach 6,75 Stunden vor. Staphylococcus aureus, das sich mit STREAM schwerer anreichern ließ, benötigte bei 0,1 Einheiten je Milliliter 17 Stunden. Als durchschnittliche Ergebniszeit nennt die Publikation etwa neun Stunden.

Die komplette Prozesskette wurde noch nicht prospektiv an Patientenproben parallel zur Routinediagnostik geprüft. Die 104 klinischen Blutkulturproben dienten nur zur Validierung des Identifikationsmoduls; die Empfindlichkeitsprüfung erfolgte an klinischen Isolaten aus positiven Blutkulturen.

Offen ist zudem, wie zuverlässig die Plattform bei bereits antibiotisch behandelten Patienten arbeitet. Bei Mischinfektionen können STREAM und andere Kultursysteme schnellwachsende Arten begünstigen, die langsamere Erreger überdecken. Vor einem Routineeinsatz müssen deshalb die Fehlerrate weiter untersucht, der vielstufige Ablauf automatisiert und die Ergebnisse in multizentrischen klinischen Studien bestätigt werden.

Referenzen

[1] Chin SM, Epiphaniou E, Kovtunov E et al. Rapid and robust diagnosis of bloodstream infections by single-cell analysis. Sci Adv. 2026;12(35):eaeh3580. doi:10.1126/sciadv.aeh3580.
[2] Pennsylvania State University. New approach cuts sepsis diagnosis from days to hours, researchers report. 26.08.2026.

Anmerkung

Die Publikation [1] beschreibt einen Forschungsprototyp, kein einsatzbereites In-vitro-Diagnostikum. Siew Mei Chin und Pak Kin Wong sind als Erfinder einer anhängigen Patentanmeldung genannt, die der Pennsylvania State University gehört.