Schnelle und sensitive Identifizierung multiresistenter Keime
Forschende der Universität Basel haben ein empfindliches Testsystem entwickelt, mit dem schnell und zuverlässig Resistenzen von Bakterien nachgewiesen werden können. Das System basiert auf winzigen, funktionalisierten Federbalken, die sich bei Bindung von Probenmaterial verbiegen. Bei den Untersuchungen reichte die Probenmenge von nur 1-10 Bakterien aus, um einen Nachweis von Resistenzen zu liefern.
Bakterien, die sich mit verschiedenen Antibiotika nicht mehr bekämpfen lassen, stellen eine grosse Bedrohung für unsere Gesundheit dar. Medizinerinnen und Mediziner benötigen schnell die Information über bestehende Resistenzen bei einer bakteriellen Infektion, um rasch und richtig reagieren zu können.
Cantilever-Systeme als Alternative
Klassische Methoden für den Nachweis von Resistenzen basieren auf der Kultivierung der Bakterien und der Testung ihrer Empfindlichkeit gegenüber einem Spektrum von Antibiotika. Bis zum Ergebnis verstreichen 48 bis 72 Stunden und manche Bakterienstämme lassen sich zudem nur schlecht kultivieren. Sehr viel schneller funktionieren molekularbiologische Tests, die Resistenz-Gene oder bestimmte kurze Abschnitte im Erbgut mittels PCR (Polymerase-Ketten-Reaktion) vervielfältigen. Auch diese Methode liefert jedoch nicht für jedes Bakterium befriedigende Ergebnisse.
Eine Alternative bieten Methoden, die winzige Federbalken (Cantilever) einsetzen. Diese Federbalken verbiegen sich nachweisbar, wenn beispielsweise auf ihrer Oberfläche RNA-Moleküle binden. RNA-Moleküle sind «Arbeitsabschriften» der Gene und dienen unter anderem als Anleitung zum Bau von Proteinen. Über die RNA-Moleküle lassen sich auch Resistenzgene im Erbgut der Bakterien nachweisen.
Ohne Markierung und Vervielfältigung
Ein Team von Wissenschaftlern des Departements Physik, des Departements Biomedizin und des Swiss Nanoscience Institutes der Universität Basel stellt nun im Fachjournal «Global Challenges» ein Cantilever-Testsystem vor, mit dem sie RNA von einzelnen Bakterien nachweisen konnten, die auf Resistenzen gegenüber Antibiotika schliessen lassen. Die Proben für die Analyse müssen bei dem neuen Cantilever-System weder vervielfältig noch markiert werden.
Zunächst fixierten die Forschenden dazu Abschnitte dreier Gene, die mit der Resistenz gegenüber Vancomycin assoziiert sind, auf den Cantilevern. Anschliessend liessen sie einen RNA-Extrakt aus Bakterien über die so vorbereiteten Federbalken fliessen. Waren RNA-Moleküle der Resistenzgene vorhanden, kam es zur Bindung der übereinstimmenden RNA-Stücke auf den vorbereiteten Cantilevern. Diese Bindung führt zu einer Auslenkung der Federbalken im Nanometerbereich, die sich mithilfe eines Lasers detektieren lässt.
Eindeutiges Signal auch bei Punktmutationen
Es ließen sich mit dieser Methode nicht nur Resistenzgene nachweisen, sondern auch einzelne Punktmutationen, die mit Resistenzgenen assoziiert sind. Für diese Untersuchung verwendeten die Forschenden Punktmutationen, die mit Genen gekoppelt sind, die für Resistenzen gegen Ampicillin und andere Betalaktam-Antibiotika verantwortlich sind.
Originalpublikation
François Huber, Hans Peter Lang, Daniela Lang, Daniel Wüthrich, Vladimira Hinić, Christoph Gerber, Adrian Egli, Ernst Meyer
Rapid and ultrasensitive detection of mutations and genes relevant to antimicrobial resistance in bacteria
Global Challenges (2020), doi: 10.1002/gch2.202000066