Trends und Herausforderungen in der Infektionsdiagnostik: Resistenzerkennung und Mikrobiomanalyse

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Oskar Grosse
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1 Trends und Herausforderungen in der Infektionsdiagnostik: Resistenzerkennung und Mikrobiomanalyse Institut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene Prof. Dr. Dr. André Gessner

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4 Resistenzentwicklung MRSA EARSS 2012 De Kraker, PLoS Medicine 2011 Die Resistenzsituation in Europa ist bereits kritisch. In den nächsten Jahren ist eine weitere Zunahme von Resistenzen zu erwarten. 4

5 Multiresistente Bakterien ESKAPE-Bakterien: Enterococcus faecium Staphylococcus aureus Klebsiella pneumoniae Acinetobacter baumannii Pseudomonas aeruginosa Enterobacter species MRGN WHO: Antibiotikaresistenz = eines der 3 größten Gesundheitsprobleme weltweit!

6 Immer weniger neue Antibiotika Neuzulassungen durch die FDA x 20-Initiative (IDSA) gestartet aber im internationalen Studienregister derzeit nur 9 i. v. Substanzen in Phase 2 3 keine mit befriedigenden Spektrum!! 6

7 Ursachen von Resistenzzunahmen Gene schon immer da, sehr vielfältig und oft primär unbekannt: Phänotypie!! moderne Selektionsprozesse nicht sachgemäßer Antibiotika-Einsatz in Humanmedizin Ausbreitung durch Hygienemängel Tierzucht / Landwirtschaft MIKROBIOM-Verschiebungen

8 Wir sind nicht allein. Antony van Leeuwenhoek that the people living in our United Netherland are not as many as the living animals that I carry in my own mouth this very day. 1677, Royal British Society

10 Normalflora Mikrobiota - Mikrobiom 10 x mehr bakterielle als humane Zellen! 100 x mehr bakterielle als humane Gene!

11 Universitätsklinikum Regensburg Publikationsflut Mikrobiom N >

12 Universitätsklinikum Regensburg Das Mikrobiom: mehr als nur Bakterien Bakterien Viren Pilze Mikrobiom Einzeller/Archaeen

13 Human Microbiome Project (HMP) 140 Mio. 29 Mio. US$ 2007 initiiert durch das NIH, EU: MetaHit-Konsortium ca. 80 % der Bakterien bis jetzt nicht angezüchtet Hochdurchsatz-Sequenzierung der 16s-rRNA-Gene 300 Probanden, je Körperstellen, 2-3 Visisten > 1500 Bakterienspezies, derzeit 419 Genome komplett (GI) und 1366 Genome gesamt

14 Human Microbiome Project (HMP) Cho and Blaser, Nature Reviews Genetics April 2012 Interindividuelle Unterschiede: O.1 % humanes Genom, 50 % Microbiome Wirt + Mikrobiom = Superorganismus Ähnlichkeiten: Individuum > eineiige Zwillinge > Familie > reg. Kohorte Plastizität: Einfluß von Nahrung, Antibiotika, Infektionen (!)..

15 Frühe Besiedelung mit Mikroorganismen Urogenital-Trakt: Geburtskanal Migration von Haut und GI-Trakt Umgebung GI-Trakt: Nahrung Umgebung Oronasopharyngeal: Nahrung Migration von der Haut Umgebung Haut: Geburtskanal Umgebung Modifiziert nach Reid et al., Nature Reviews Microbiology 2011

16 Darmmikrobiom Unser vergessenes Organ Totale Masse ca. 1,5 kg Mikroben im Darm = > x Menschen auf der Erde 30 % des fäkalen Volumens Synthese von Vitaminen, Aminosäuren.. Die meisten Plasma-Metabolite sind bakteriell Schutz vor Krankheitserregern Das Darmmikrobiom hat bei vielen Erkrankungen größeren Einfluß als das Patientengenom

17 Institut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene Individuelle Mikrobiom-Stabilität David et al., Genome Biology, 2014

18 Mikrobiom und Übergewicht / Fettleibigkeit Risiko für: Herzkreislauferkrankungen, Diabetes, Krebserkrankungen, Erkrankungen des Bewegungsapparates

19 Institut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene Mikrobiom Analyse: Von der Korrelation zur Kausalität Keimfreie Mäuse Germ free mice

20 > 1500 Zitationen ob/ob Leptin -/- Microbiom Transplantation Bacterioidetes Firmicutes mehr Enzym-Gene für Abbau sonst unverdaulicher Kohlenhydrate Das Darmmikrobiom beeinflußt die Nahrungsverwertung, Fettleibigkeit

21 Antibiotika in der Tiermast Antibiotika im Tierfutter Wachstumsförderung Warum? Mikrobiom-Verschiebung: mögliche Mechanismen Abnahme von Pathogenen Weniger mikrobielle Antimetabolite Geringerer mikrobieller Nährstoffverbrauch Verbesserte Nahrungsresorption Antibiotika fördern die Gewichtszunahme in der Tiermast durch Mikrobiom-Verschiebungen! Modifiziert n. Brüssow, 2015

22 Mikrobiom und Kardiovaskuläre Erkrankungen April 2011 Das Darmmikrobiom beeinflußt kardiovalskuläre Erkrankungen

23 Starke Zunahme immunologisch bedingter Erkrankungen Multiple Sklerose Asthma Morbus Crohn Typ 1 Diabetes Bach J-F, N Engl J Med 2002; 347: Inzidenz d. Immunkrankheiten (%)

24 Mikrobiom & Immunsystem Koshravi et al., Nature 2012

25 Mögliche Rolle des Mikrobioms bei multipler Sklerose Nature, Online 26. Oktober 2011 Keimfreie Mäuse sind geschützt Das Darmmikrobiom beeinflußt Autoimmunerkrankungen des ZNS

26 true true Search Login Segementierte filamentöse Bakterien

27 Mikrobiom-Mukosales Immunsystem duodenal mucosa Brandtzaeg et al., Muc. Immunol Keimfreie Tiere: Reduktion von Keimzentren Plasmazellen, siga, regulatorischen T Zellen,..

28 Eat Dirt but the right one

29 Mikrobiom und Krebs Schwabe and Jobin, Nature Rev. Cancer, Nov Mikrobiom Zielstrukturen und Strategien für die Krebsprävention

30 Mikrobiom und Krebs Checkpoint inhibitors Schwabe and Jobin, Science, Nov Das Mikrobiom beeinflusst entscheidend den Erfolg moderner Krebstherapien

31 Institut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene Bidirektionale Kommunikation Mikrobiom -Nervensystem Psychosoziale Stressoren (Katecholamine) Angstverhalten Autismus (Corticoide, BDNF) S.M. Collins et al Neurotransmitter von Darmbakterien Das Darmmikrobiom beinflußt unsere Psyche und umgekehrt

32 Universitätsklinikum Regensburg Mikrobiomtransplantation als Therapie

34 Universitätsklinikum Regensburg Mikrobiomtranplantation als Therapieoption Multiple Sklerose Chron. Müdigkeitssyndrom Atherosklerose ITP Fettleber Typ2 Diabetes Fettleibigkeit C. difficile Infektion Reizdarmsyndrom M. Crohn, Colitis ulcerosa

35 Universitätsklinikum Regensburg Technischer Durchbruch: Mikrobiomanalyse mittels Next Generation Sequencing (NGS) Über 80 % der Bakterien des Mikrobioms sind im Labor bislang nicht anzüchtbar!

36 Mikrobiomanalyse mittels Next Generation Sequencing (NGS) Stuhlprobe Darminhalt DNA-Isolierung aus Coloninhalt mit Stuhl-Kit zur Vermeidung von PCR-Inhibition PCR-Amplifikation mit bakterienspezifischen Primern mit End-Tags für Genomsequencer Erfolgskontrolle mit Agarosegel oder Bioanalyzer Aufbereitung der Emulsions- PCR, Anreicherung von DNAhaltigen Beads Emulsions-PCR Qualitätskontrolle mit dem Bioanalyzer und Quantifizierung mit Pico-Green, Library- Präparation Aufreinigung der Amplicons mit Ampure magnetic Beads PicoTiterPlate beladen Sequenzierungslauf Datenanalyse

37 Zusammenfassung Bakterielle Resistenzen: Nukleinsäure-basierte in Kombination mit phänotypischen Tests Mikrobiom: Individuell veränderbar größer als wir Krankheitsassoziationen: Allgemein- bis Zahnmedizin Anwendungsreife therapeutische Optionen für Prophylaxe und Therapie Molekulare Diagnostik durch NGS (Qualitätssicherung!)

38 Vielen Dank! Nicole Bezold Sigrid Bülow Joachim Gläsner Andreas Hiergeist Christine Irtenkauf Holger Melzl Udo Reischl Rainer Spang Frank Stämmler Vielen Dank! Ernst Holler Daniela Sporrer Peter Oefner

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