Antibiotika-Resistenz und. mikrobiologische Diagnostik.

Antibiotika-Resistenz und mikrobiologische Diagnostik urs.karrer@ksw.ch

Agenda Was bedeutet Resistenz Wie messen wir Empfindlichkeit Was hat sich mit EUCAST verändert Wichtige Resistenzmechanismen Resistenzentstehung / -übertragung Phänotypische Resistenzprüfung DNA-basierte Methoden Was können wir heute schon tun

Patient S.M. 1961 Jetziges Leiden: Sommerferien 2009 Zypern 29.6. Husten, Fieber, Atemnot Maskenbeatmung Nachweis Influenza A H1N1 4.7. Intubation mechanische Beatmung Antimykotika, Breitspektrumantibiotika, 18.7. Repatriierung bei ARDS

Patient S.M. 1961

Patient S.M. 1961 Antimikrobielle Eintrittsmedikamente: Colistin iv. Meropenem iv. Linezolid iv. Caspofungin iv. 3 x 3 Mio IE 3 x 2g 2 x 600mg 1 x 50 mg (ca. Fr. 1500.- / d)

Bakteriologie Trachealsekret 1

Bakteriologie Trachealsekret 2

Patient S.M. 1961 Massnahmen und Verlauf: Hygienemassnahmen (Isolierung) ab Eintritt Stopp aller antimikrobiellen Substanzen 22.07. Verlegung in stabilem Zustand

Patientin W.E., 1942 01.08. Kollaps bei Mobilisation Verlegung Intensivstation bei Sepsis

Bakteriologie Trachealsekret 21.09.2009 => nosokomiale Übertragung

Bakteriologie Urin 21.09.2009

Patientin W.E.1942 Verlauf: Langzeitbeatmung Dauerausscheidung von Carbapenem-resistenter K. pneumoniae (KPC) über 1 Jahr Dauerisolierungsmassnahmen

Antibiotika und Resistenz Was heisst Resistenz? Was bedeutet Empfindlichkeit?

Empfindlichkeitsprüfung 1:2 1:4 1:8 1:16 1:32 1:64 1:128 Verdünnung Antibiotikum Inokkulum 10 5 Bakterien 24h Bebrütung

Empfindlichkeitsprüfung MHK 1:2 1:4 1:8 1:16 1:32 1:64 1:128 Verdünnung Antibiotikum Inokkulum 10 5 Bakterien 24h Bebrütung MHK = minimale Hemmkonzentration (99%)

Empfindlichkeitsprüfung MBK MHK 1:2 1:4 1:8 1:16 1:32 1:64 1:128 Verdünnung Antibiotikum Inokkulum 10 5 Bakterien 24h Bebrütung MHK = minimale Hemmkonzentration (99%) MBK = minimale Bakterizidiekonzentration (100%)

Resistenz- bzw. Empfindlichkeit Empfindlichkeit = Wachstumshemmung des Mikroorganismus (visuell 99%) bei einer Konzentration der Testsubstanz innerhalb der therapeutischen Breite

Definition Empfindlichkeit: Breakpoint Bestimmung traditionell: Erreger unabhängige Grössen: - pharmakologische Parameter der Wirkstoffkonzentrationen in vivo - Toxizität - (klinische Wirksamkeitsdaten)

Definition Empfindlichkeit: Breakpoint Bestimmung traditionell: Erreger abhängige Grössen - in vitro Wachstumshemmung => MHK - pharmakokinetisch / phamakodynamische Berechnungen (Monacomodell) - (klinische Wirksamkeitsdaten)

Definition Empfindlichkeit: Breakpoint Bestimmung traditionell: Erreger unabhängige Grössen + Erreger abhängige Grössen Festlegung eines Schwellenwertes ( Breakpoint ) durch nationale Kommittees (zb Clinical Laboratory Standards Institute CLSI) Breakpoint: - ca 1/8 bis 1/4 der maximalen Plasmakonzentration

Definition Empfindlichkeit: Breakpoint ab 2011 EUCAST: European Committee on Antibiotic Susceptibility Testing CH: Antibiotikakommittee der Schweizerischen Gesellschaft für Mikrobiologie

EUCAST Kahlmeter G. ECCMID 2010

Epidemiologischer cut-off: ECOFF Begrenzt die Wildtyp Population nach oben (keine Resistenz) ECOFF N Anzahl Isolate Wildtyp Nicht-Wild-typ(en) MHK

Epidemiologischer cut-off: ECOFF Benzylpenicillin bei Pneumokokken Brown D. ECCMID 2011

Epidemiologischer cut-off: ECOFF Penicillin bei Pneumokokken Kahlmeter G. ECCMID 2010

EUCAST-Definition Empfindlichkeit Susceptible = high likelihood of therapeutic success Intermediate = antimicrobial agent activity with uncertain therapeutic effect.... appropriately treated in body sites where the drugs are concentrated or high dosage of drug can be used; also indicates a buffer zone. preventing technical factors from causing major errors. Resistant = high likelihood of therapeutic failure

EUCAST Hat die intermediäre Kategorie also für viele Spezies/Antibiotika-Kombinationen abgeschafft. Begründungen: Pharmakokinetische/pharmakodynamische Daten Vermeiden einer Aufteilung des Wildtyps Eindeutige Therapieempfehlungen an die Kliniker

Resistenzmechanismen Generell gibt es nur 3 Grundmechanismen 1. Enzymatische Inaktivierung 2. Modifizierung der Zielstruktur 3. Influx / Efflux

Bakterielle Achillesfersen

Resistenzmechanismen bei Gram+ Spezies Genotyp Phänotyp Typ Mechanismus Staphylokokken meca MRSA (PBP2a) Modifizierte Zielstruktur Pneumokokken pbp Penicillin-Resistenz (Mosaiktyp) Modifizierte Zielstruktur Staphylokokken Pneumokokken Streptokokken erm MLS (Makrolid-Lincosamid- Streptogramin) induzierbar / konstitutiv Enzymatische Inaktivierung Staphylokokken aac, ant, aph Aminoglycosidresistenz Enzymatische Inaktivierung Staphylokokken Pneumokokken Streptokokken gyra Chinolonresistenz Modifizierte Zielstruktur Staphylokokken bla(x) Betalaktamase Penicillinresistenz Enterokokken pbp Penicillinresistenz (PBP5 bei E. faecium) Enterokokken vanabc Vancomycinresistenz (VRE) Enzymatische Inaktivierung Modifizierte Zielstruktur Modifizierte Zielstruktur

Resistenzmechanismen bei Gram- Spezies Genotyp Phänotyp Typ Mechanismus Enterobacteriaceae Nonfermenter tem, shv Einfachere Betalaktamasen Enzymatische Inaktivierung Enterobacteriaceae Nonfermenter tem, shv, ctx, oxa, per, u.a. Extended Spectrum Betalaktamasen (ESBL) Enzymatische Inaktivierung Enterobacteriaceae Nonfermenter vim, ger u.a. Metallo-Betalaktamasen (MBL) Enzymatische Inaktivierung Enterobacteriaceae Nonfermenter dha, cit, fox, ampc, u.a. AmpC-Typ Betalaktamasen Enzymatische Inaktivierung Enterobacteriaceae Nonfermenter Enterobacteriaceae Nonfermenter Enterobacteriaceae Nonfermenter oprd, omp(x), u.a. Membranimpermeabilität Influx / Efflux gyra, parc Chinolonresistenz Modifizierte Zielstruktur aac, ant, aph Aminoglycosidresistenz Enzymatische Inaktivierung

Natürlich oder Erworben Resistenzen kommen als natürliche (intrinsische) vor Oder können erworben werden (übertragbare Resistenzen)

Natürliche Resistenzen Können durch spezifische Gene bedingt sein: ampc bei Enterobacter, Citrobacter etc. vanc bei Enterococcus gallinarum Können durch die Struktur der Bakterien bedingt sein: z.b. Penicillinresistenz der Gram-negativen Colistinresistenz der Gram-positiven

Natürlich oder Erworben Natürliche Resistenzen sind vorhersehbar durch Identifizierung Natürliche Resistenzen sind diagnostisch wertvoll (Colistin, Vancomycin) => typische Resistenzmuster Die meisten medizinisch relevanten Resistenzen sind übertragbar Übertragbare Resistenzen müssen gesucht werden

Übertragbarkeit von Resistenzen Transformation Pneumokokken Konjugation ESBL Transduktion S. aureus http://biogetopics.files.wordpress.com/2008/11/horizontaltransfer.gif

Bakterien im Sammelfieber Bakterien sammeln Resistenz(gene) Resistenz ist ein unausweichlicher Evolutionsprozess durch Mutation und Selektion Je höher der Selektionsdruck (i.d.r. Antibiotika) desto mehr Resistenzmechanismen erwirbt ein Keim

Gentransfer: vertikal X Mutation (vermittelt Resistenz Gegen Antibiotikum) Antibiotikagabe = Selektionsdruck V E R T I K A L

Gentransfer: horizontal Plasmid (vermittelt Resistenz Gegen Antibiotikum) HORIZONTAL Antibiotikagabe = Selektionsdruck X

Selektionsdruck: Resistenz korreliert mit Antibiotikagebrauch

Beta-Laktam Ping-Pong einfache Beta- Laktamase = BL S. aureus BL Penicilline 1940-50er Breitspekrumpenicilline, 1. Gen. Cephalosporine Breitspektrum- Betalaktamasen = BSBL TEM-1/2 SHV-1 Penicilline 1. Gen. Cephalosporine 1960-70er 2. Gen Cephalosporine erste mutierte Breitspektrum- Betalaktamasen (BSBL) TEM-26 Penicilline 1. Gen. Cephalosporine 2. Gen. Cephalosporine 1970-80er 3. Gen. Cephalosporine Inhibitorkombinationen Extendend Spectrum Betalaktamasen (ESBL) mutiert aus BSBL Breitspektrum- Betalaktamasen (BSBL) Inhibitorresistent (IRT) TEM-3 SHV-5 TEM-1/2 IRT Penicilline 1. Gen. Cephalosporine 2. Gen. Cephalosporine 3./4. Gen Cephalosporine Penicilline 1. Gen. Cephalosporine 2. Gen. Cephalosporine Inhibitorkombinationen (z.b. Augmentin) 1980-90er 1990-2000er Carbapeneme 4. Gen. Cephalosporine Carbapenemasen NDM-1 KPC OXA-48 Penicilline 1.-4. Cephalosporine Inhibitorkombinationen (z.b. Augmentin) Carbapeneme 1990er-??? 2000er

Erkennung von Resistenzen Erregeridentifikation (natürliche Resistenzen) Phänotypische Resistenzprüfung: - Plättchendiffusionstest - Mikrodilutionsautomat (Vitek, Phönix) - E-test / MHK-Messung - Synergien / Antagonismus - selektive Medien / Platten Massenspektrometrie (MALDI-TOF) Genotypisch: - RT-PCR von Resistenzgenen - GeneXpert - Next-Generation Sequencing (NGS)

Erreger-Identifikation

Erregeridentifikation MALDI-TOF Massenspektrometrie (Matrix-assisted Laser Desorption/Ionisation Time of Flight) Methode zur Massen- Analyse von Makromolekülen Massensignale von ribosomalen und zytoplasmatischen Proteinen zur Speziesidentifikation (molekularer Fingerprint)

Minimale Hemmkonzentration (MHK) Mikrodilution E-test Mikrodilution / E-test: => Je kleiner die MHK, desto empfindlicher ist der Erreger

Plättchendiffusion: Kirby-Bauer Konzentrationsgradient Antibiotika- Plättchen Bakterien- Wachstum Hemmhof Plättchendiffusionstest: => Je grösser der Hemmhof, desto empfindlicher ist der Erreger

Erkennung von Resistenzen Synergie Antagonismus CAZ AMC Clavulansäure hemmt ESBL des Bakteriums => sichtbare Synergie zwischen Amoxy/Clav und Cefotaxim / Ceftazidim ESBL-Verdacht Clavulansäure induziert AmpC des Bakteriums => sichtbarer Antagonismus zwischen Amoxy/Clav und Ceftazidim AmpC-Verdacht

E-test vs Plättchendiffusion E-test Plättchendiffusion Berichterstattung quantitativ (MHK) qualitativ (S/I/R) Eichung / Referenz mit Breakpoint ohne Breakpoint Abschätzung Wirksamkeit ja bedingt Arbeitsaufwand sehr hoch niedriger Zeitaufwand 48 72h 48h Kosten hoch niedrig Einsatz Spezialfälle Routine

Beziehung MHK - Hemmhof MHK (mg/l) >128 128 64 32 16 8 4 2 1 0.5 0.25 0.125 0.064 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 >38 Hemmhof mm

Epidemiologischer cut-off: ECOFF Begrenzt die Wildtyp Population nach unten (keine Resistenz) N Anzahl Isolate Nicht-Wild-typ(en) Wildtyp Hemmhofdurchmesser

Verteilungskurve und Fehlerrate Penicillin bei S. aureus Nicht-Wildtyp Wildtyp Resistent Sensibel Sind Wildtyp und Nicht-Wildtyp klar getrennt, kann der ECOFF zum S/R Grenzwert werden, ohne dass Fehlklassifikationen resultieren

Verteilungskurve und Fehlerrate ECOFF = Form der Verteilungskurve und EUCAST R/S 17 /<17 Fehlerrate Messgenauigkeit E. coli

Verteilungskurve und Fehlerrate ECOFF = EUCAST R/S 17 /<17 Resistent? Messgenauigkeit Sensibel E. coli Überlappende Populationen verhindern eine klare Einteilung in Wildtyp und Nicht-Wildtyp durch einen ECOFF. Wird der ECOFF wie hier zum S/R Grenzwert spaltet er den Nicht-Wildtyp und es resultieren Fehlklassifikationen.

Plättchendiffusionstest: kalter Kaffee? Plättchendiffusionstest war jahrzehntelang der am meisten verbreitete Resistenztest Ablösung durch automatisierte Mikrodilution seit 10-15 Jahren - Vitek, Phönix - Messung von 3-5 Verdünnungsstufen - extrapolierte MHK (Gerätealgorythmen) Beide Verfahren haben jedoch Vor- und Nachteile:

Plättchendiffusion / Mikrodilution Plättchendiffusion Mikrodilutionsautomaten Vorteile Nachteile Vorteile Nachteile Geringe Materialkosten Viel «Handarbeit» Wenig «Handarbeit» Höhere Materialkosten Kontaminationen und resistente Subpopulationen sofort erkennbar Flexible Antibiotikazusammenstellung Antagonismen/Synergien leicht erkennbar Kontaminationen und resistente Subpopulationen kaum erkennbar Vorgegebene Antibiotikazusammenstellung Relativ langsam Schnell Antagonismen/Synergien schwer zu detektieren Hohe Auflösung / Unterscheidung von Populationen Schwierige Standardisierung (Viel «Handarbeit») Hohe Standardisierung (Hersteller) Niedrigere Auflösung / Unterscheidung von Populationen

DNA-basierte Erreger-/Resistenzdiagnostik PCR-Vollautomat Keimidentifikation Molekulare Resistenzmarker ctxm OXA-48 NDM KPC VIM IMP Probe: pos. Blutkultur Nanosphere Verigene System Zeitbedarf: ca 3h 12 24h

Detektion ab Direktmaterial

GeneXpert : erhältliche Tests GeneXpert für Resistenz GeneXpert Test Xpert MRSA/SA Xpert EV Xpert Flu Xpert CT/NG Xpert vana/vanb Xpert BA 4-Plex Xpert HemosIL FII&FV Xpert BCR-ABL Xpert GBS Xpert MTB/RIF Xpert C. difficile Nachweis von MRSA/S. a ureus Enteroviren (Meningitis) Influenza A, Influenza B, pandemic strain 2009 H1N1 C. tra ch o m a tis /N. g o n orrho ea e va n A/van B Resistenzgen bei Enterokokken B. a nth racis Factor II und Factor V Alleles BCR-ABL Oncogene (CML, ALL) Gruppe-B-Streptokokken M. tuberculo sis -Komplex/Rifampicin Resistenzmutationen C. d ifficile

phänotypisch - genotypisch phänotypisch genotypisch Zeitaufwand langsam (>48h) sehr schnell (<2h)* Informationsgehalt breit gezielt Interpretation direkt via Datenbank Einsatz Routine / Screening Bestätigung hoher Verdacht Arbeitsaufwand hoch niedriger Materialkosten niedriger hoch * falls ab Direktmaterial möglich

Next Generation Sequencing (NGS) Parallele Durchführung von Millionen Sequenzierungsreaktionen (10-1000 Mio Sequenzen / Analyse Zusammenstellung der sequenzierten DNA-Stücke und Abgleich mit Datenbanken Whole Genome Sequencing bakterieller Genome schnell und billig Sensitivität sollte genügen, um ab Direktmaterial zu arbeiten (ohne vorgängige )

NGS in der Mikrobiologie Identifikation von Mikroorganismen (whole Genome, 16s rrna Gen, andere) Genetische Resistenzprüfung inkl. Mechanismen Virulenzfaktoren Typisierung

Resistenzdruck: Was tun? schmal breit

Resistenzdruck: Was tun? Schnellere Identifikation Schnellere Empfindlichkeitsprüfung (Semi)quantitative Empfindlichkeitsprüfung Kluge Kommunikation mit Klinikern => Raschere Therapieoptimierung (Spektrum) => Genauere Therapieanpassung (Substanz, Dosis) => Rasche Anpassung der Hygienemassnahmen

Herzlichen Dank Jacques Gubler Michael Hombach Peter Keller Reinhard Zbinden Vladimira Hinic