SIEMENS

Es war ein Meilenstein in der Medizin, als Alexander Fleming 1928 das Penicillin entdeckte. Mit diesem Antibiotikum hatte die Menschheit erstmals eine wirksame Waffe gegen bakterielle Krankheitserreger gefunden. Aber der Erfolg hielt nicht lange an: Schon 1961 tauchte der erste Erreger auf, der gegen sämtliche Wirkstoffe aus der Penicillin-Gruppe resistent war: der Methicillin-resistente Staphylococcus aureus (S.aureus), kurz MRSA.

Seither hat sich MRSA vor allem in Krankenhäusern rasant verbreitet. Nach Angaben des amerikanischen Centers for Disease Control and Prevention stiegen die durch MRSA verursachten Infektionen im Verhältnis zur Zahl aller Infektionen in Intensivstationen der USA von 2 % im Jahr 1974 auf 64 % in 2004. Von geschätzt 292 000 Krankenhausinfektionen mit S. aureus pro Jahr entfielen etwa 126.000 auf MRSA. 19.000 davon endeten tödlich.

Weil sich Bakterien wie S. aureus exponentiell vermehren, müssen wirksame Antibiotika sehr schnell zur Verfügung stehen. Wenn bei einem Patienten der Verdacht auf eine Infektion besteht, etwa bei einer Verschlechterung seines Allgemeinzustandes, nimmt das Pflegepersonal eine Probe. Mikrobiologie-Labore könnten dann ein Empfindlichkeitsprofil gegenüber Antibiotika erstellen, indem sie eine Reihe biochemischer Identifizierungsverfahren zusammen mit dem so genannten Agardiffusionstest durchführen. Diese Methoden sind jedoch manuell sehr aufwändig, weshalb heute gerne neue Verfahren für die Identifizierung und Antibiotika-Empfindlichkeit verwendet werden – darunter auch vollautomatische.

Siemens MicroScan Systems kombiniert solche Methoden auf einer Mikrotiter-Testplatte: etwa ein Verfahren, das die Resistenz gegenüber Antibiotika schon während der Bakterienanzucht misst. Die Mikrotiterplatten enthalten dazu viele Näpfchen mit Nährlösungen sowie Biochemikalien und Antibiotika in verschiedenen Konzentrationen. Nachdem die Platten einmal mit einer zuvor isolierten Bakterienkultur in einer bestimmten Konzentration befüllt wurden, kommen sie in das MicroScan Walkaway-Gerät. Dort wird das Bakterienisolat mit den Identifizierungssubstanzen und weiteren Stoffen inkubiert. Eine Software interpretiert die gemessene Bakterienkonzentration, und ein weiteres Programm analysiert den Versuchsansatz auf untypische oder unbekannte Reaktionen.

Damit kann der Arzt feststellen, ob der Patient die richtige Therapie erhält. Andernfalls muss er sofort auf der Grundlage des Tests ein wirksames Antibiotikum verordnen. "Wir bieten eine ganze Bandbreite von Mikrotiterplatten an, darunter auch solche für Schnelltests, die bereits nach viereinhalb Stunden Informationen über ein wirksames Antibiotikum liefern“, sagt Laura Jackson, Global Product Managerin bei MicroScan. "Um die Resistenz genauestens zu bestimmen, kann die Inkubation automatisch auf 16 Stunden erweitert werden. Dabei bietet das System die gleiche Genauigkeit wie manuelle Untersuchungen. Das ergaben direkte Vergleiche von klinischen Isolaten wie etwa S. aureus.“

Bis 1997 konnten Ärzte im Falle einer MRSA-Infektion auf Vancomycin zurückgreifen. Doch dann trat in Tokio der erste Stamm von S. aureus auf, der eine verminderte Resistenz gegenüber Vancomycin aufwies. Das MicroScan-System ist das erste von der FDA zugelassene vollautomatische System, das sogar diesen Vancomycin resistenten S. aureus (VRSA) identifiziert.

Die Bakterienresistenz knacken. Um in Zukunft abgewandelte Krankheitskeime schnell und zuverlässig erkennen und zuordnen zu können, fokussieren sich Wissenschaftler bei Siemens Corporate Research (SCR) im amerikanischen Princeton auf die Erforschung neuer Identifikations-Methoden, die auf das Erbgut und die Proteine des Erregers abzielen.

Zusammen mit ihrem Team hat Gayle Wittenberg von SCR mit den Kollegen von Power & Sensor Systems bei Corporate Technology in Erlangen ein solches Verfahren entwickelt. Anders als bei MicroScan Walkaway Plus, das direkt die wirksamen Antibiotikakonzentrationen an der Probe bestimmt, analysieren die Forscher mit einem Schnelltest das Erbgut, um dann mit Hilfe von im Computer gespeicherten Gendaten ein wirksames Antibiotikum zu finden. "Die Lösung ist extrem schnell, Ergebnisse liegen schon nach einer Stunde vor“, erklärt Wittenberg, "gleichzeitig erlaubt uns die Methode, in kürzester Zeit neue diagnostische Tests auf Basis der Gensequenzen der Pathogene zu entwickeln.“

Diese Schnelltests möchte Wittenberg mit der Lab-on-a-Chip-Technologie realisieren (Pictures of the Future, Herbst 2004, Biosensoren). Dabei wird die zu untersuchende Körperflüssigkeit, etwa Speichel oder Blut, direkt auf eine Analyseplatte gebracht, auf der sich ein winziges diagnostisches Labor befindet. Dort werden die Bakterienzellen automatisch aufgeschlossen. Dann erfolgt die Erbgutentschlüsselung mit der so genannten PCR-Methode, der Polymerase-Kettenreaktion. Sie dient der Vervielfältigung der DNA in vitro, also außerhalb eines lebendigen Organismus. Anschließend werden die einzelnen DNA-Bausteine mit einem speziellen Biochip detektiert. Dabei werden die einzelnen Bausteine mit speziellen Molekülen markiert und anhand einer Spannungsänderung gemessen.

Das System, für das es frühestens in einem Jahr einen Prototypen geben wird, soll so einfach zu handhaben sein, dass es nicht in einem diagnostischen Labor, sondern bei der Untersuchung vor Ort verwendet werden kann. Der Arzt oder das Pflegepersonal nimmt dem Patienten zum Beispiel einen Tropfen Blut ab, analysiert ihn mit dem System und liest das Ergebnis innerhalb weniger Minuten an einem angeschlossenen Computer ab. Neben Einrichtungen des Gesundheitswesens bietet sich das neue System auch für Einsätze in der Lebensmittelindustrie an, wo Produkte auf mikrobielle Verunreinigungen untersucht werden müssen. Aufgrund der enormen Schnelligkeit der Analyse und der mobilen Einsatzmöglichkeiten eines Labors auf dem Chip kommt das System auch für die regelmäßige Überprüfung möglicher Kontaminationen in sterilen Bereichen wie etwa einem OP sowie zur Früherkennung von Epidemien und auch zur Bioterrorabwehr in Frage.

Wittenberg plant bereits den nächsten Projekt-Schritt, bei dem die Identifizierung der Bakterien nicht nur über ihr Erbgut, sondern auch über deren Eiweiße (Proteine) erfolgen soll. Die dafür nötigen Marker-Moleküle muss sie aber erst noch entwickeln. Mit ihnen wäre eine Identifizierung schneller und einfacher möglich. "Dadurch, dass wir uns nicht nur auf die Gene, sondern auch auf deren Proteine fokussieren, können wir schneller Biomarker identifizieren, die mit den Mechanismen von Infektion und Antibiotikaresistenz verknüpft sind. Diese sollten dann weniger anfällig für die Mutation der Organismen sein“, erklärt die Forscherin, die sich auf Zufälle wie Flemings Entdeckung nicht verlassen möchte.