Jahresbericht 2018-2019

Die Zunahme von Antibiotikaresistenzen welt- weit erfordert schnelle Methoden, die das Resis- tenzprofil von Erregern schnell und zuverlässig erfassen, damit dem Patienten frühzeitig ein wirksames Antibiotikum verschrieben werden kann. Derzeit in der Routinediagnostik eingesetz- te mikrobiologische Methoden benötigen zur Charakterisierung der Erreger meist 24–48 Stun- den. Ziel unserer Forschung ist es, mithilfe der Raman-Spektroskopie eine schnelle Charakteri- sierung des bakteriellen Krankheitserregers di- rekt aus der Patientenprobe zu erreichen, um so die Zeit zur Diagnose auf nur wenige Stunden (ca. 4 h) zu verkürzen (Abb. 2). Hierzu werden (in Kooperation mit Prof. Dr. Jürgen Popp) spektro- skopische Algorithmen erforscht, mit denen die Antibiotikaempfindlichkeit von Pathogenen ge- genüber unterschiedlichen Antibiotika innerhalb weniger Stunden bestimmt werden kann. Charak- teristische Veränderungen im Spektrum weisen dabei auf effektive Wirkung des Antibiotikums FORSCHUNG — 73 Optisch-spektroskopische Methoden zur schnellen Bestimmung von Antibiotikaresistenzen Abb. 2: Vision für die Anwendung in der Klinik: Von der Patienten- probe bis zur Diagnose für die schnelle Verschreibung des richtigen Antibiotikums. Abb. 3. Visualisierung der Raman- spektroskopischen Testergebnisse zur Bestimmung der minimalen Hemmkon- zentration (MHK) von Ciprofloxacin für Laborstämme ( E. coli AG100 und E. coli 3-AG100) und 13 E. coli- Patienten- isolate nach nur 90 min Inkubationszeit und Vergleich mit den Testergebnissen aus den Goldstandard-Referenzver- fahren Mikrodilutionsassay (engl. broth microdilution, BMD), Vitek-2 und E-Test, die das Ergebnis erst nach 16–20 Stun- den liefern können (aus Kirchhoff et al. 2018, Analytical Chemistry). hin, aber helfen auch Resistenzen zu erkennen. Dabei kann die spektroskopische Charakterisie- rung der Antibiotikaempfindlichkeit nicht nur qualitativ durchgeführt werden, also zur Unter- scheidung von sensitiv vs. resistent, sondern auch quantitativ. Das heißt, es kann anhand der Raman-Spektren innerhalb weniger Stunden die minimale Hemmkonzentration (MHK) bestimmt werden (Abb. 3), also die Antibiotikakonzentrati- on einer Verdünnungsreihe, die das Bakterien- wachstum sichtbar hemmt. [4] A. Tannert, et al. (2019): Phenotypic antibiotic susceptibility testing of pathogenic bacteria using photonic read-out methods: Recent achievements and impact. Applied Microbiology and Biotechnology 103(2):549-566. [5] J. Kirchhoff, et al. (2018): Simple ciprofloxacin resistance test and determination of minimal inhibitory concentration (MIC) within two hours using Raman spectroscopy. Analytical Chemistry 90 (3), 1811–1818. [6] A. Tannert, A. Ramoji, U. Neugebauer, J. Popp (2018): Photonic monitoring of treatment during infection and sepsis: Development of new detection strategies and potential clinical applications. Analytical Bioanalytical Chemistry 410(3), 773-790. [7] Z. Pilát, et al. (2018): Microfluidic cultivation and laser tweezers Raman spectroscopy of E. coli under antibiotic stress., Sensors (Basel), 18(5), E1623.