Ein schneller Nachweis von Bakterien kann dazu beitragen, Antibiotikabehandlungen zielgerichteter einzusetzen. Eine Forschungsgruppe am Institut für Medizinische Mikrobiologie der Universität Zürich hat nun Moleküle entwickelt, die bestimmte Bakterien – darunter Escherichia coli (E. coli) – spezifisch erkennen und binden sollen. Dieses Projekt wurde durch den Schweizerischen Nationalfonds (SNF) im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms NFP 72 unterstützt.

Ziel: schnellere Identifikation bestimmter Bakterienarten

Antibiotikaresistenzen stellen ein bekanntes Problem dar, das unter anderem durch eine möglichst gezielte Anwendung von Antibiotika begrenzt werden soll. Dazu ist es entscheidend, frühzeitig zu identifizieren, welches Bakterium eine Infektion verursacht.

„Im Wettlauf zwischen der Entstehung von Antibiotikaresistenzen bei Bakterien und der Entwicklung neuer Antibiotika sind wir chancenlos. Denn Bakterien befinden sich seit Jahrmillionen im Krieg mit Viren und sind es gewohnt, sich anzupassen, um neuen Gefahren zu entgehen“, so Biochemiker Markus Seeger.

Die bisherigen Nachweisverfahren basieren auf der Anzucht von Bakterienkulturen aus Patientenproben, was – je nach Bakterienart – bis zu 12 Stunden oder mehr in Anspruch nehmen kann. Daran schließt sich eine Analyse an, die weitere Zeit erfordert.

Die Arbeitsgruppe um den Biochemiker Markus Seeger verfolgt einen alternativen Ansatz: Ziel ist es, bestimmte Bakterien wie Escherichia coli auch in geringen Mengen schneller zu erkennen. Dazu sollen sie eingefärbt und direkt im Blut gebunden werden. Auch wenn auf diese Weise keine vollständige Diagnose möglich ist, könnte das Vorhandensein bestimmter Bakterienarten früher als bisher bestätigt oder ausgeschlossen werden. Das könnte insbesondere bei Blutvergiftungen relevant sein, wo eine zügige erste Behandlungsentscheidung erforderlich ist.

E. coli im Fokus

Die Forschungsgruppe befasst sich derzeit mit dem gezielten Nachweis von E. coli. Dieses Bakterium ist häufig an Harnwegsinfektionen beteiligt und kann auch zu Blutvergiftungen führen. In der Schweiz hat die Häufigkeit von Resistenzen bei dem Darmbakterium in den letzten zwei Jahrzehnten zugenommen, bei bestimmten Antibiotikaklassen sogar deutlich. Die frühzeitige Identifikation dieses Bakteriums kann bereits eine erste Orientierung für die Wahl der Behandlung geben. Laut den Forschenden könnte der entwickelte Ansatz die Zeit bis zur Diagnose bei E. coli-Infektionen von etwa zwölf auf rund sechs Stunden verkürzen.

Herausforderungen bei der Entwicklung

Bei der Entwicklung eines gezielten Nachweises für Escherichia coli standen die Forschenden vor zwei zentralen Herausforderungen: Zum einen musste eine geeignete Zielstruktur auf der Oberfläche des Bakteriums identifiziert werden, die bei möglichst allen Stämmen vorhanden ist.

Zum anderen stellte die dichte Schicht aus Zuckerketten, die viele Bakterien umgibt, ein Hindernis dar. Diese besteht aus dichten, verzweigten Zuckerketten, die viele Moleküle daran hindern, zu den darunterliegenden Zellstrukturen vorzudringen. Um diese Barriere zu überwinden, setzte das Team sogenannte Nanobodies ein – besonders kleine und stabile Antikörperfragmente. Aufgrund ihrer geringen Größe können sie sich zwischen den Zuckerketten durchschieben. Ein weiterer Vorteil: Nanobodies sind unempfindlicher gegenüber Umgebungseinflüssen und behalten ihre Funktion auch bei Raumtemperatur. Dies vereinfacht Transport und Lagerung diagnostischer Reagenzien.

Die Forschenden analysierten genetische Datenbanken sowie klinische Isolate aus der Schweiz und identifizierten das Protein OmpA als geeignete Zielstruktur. Eine bestimmte Variante dieses Proteins tritt überwiegend bei E. coli auf. Die entwickelten Antikörperfragmente sollen diese Form von OmpA bei über 90 Prozent der getesteten Stämme gezielt und zuverlässig binden.

Kombination aus Farbstoff und Magnetpartikeln

Die entwickelte Nachweislösung ermöglicht es, E. coli-Bakterien mithilfe von farbstoffmarkierten Nanobodies sichtbar zu machen. Diese Farbstoffe beeinträchtigen die Funktion der Nanobodies kaum, da sie nur sehr klein sind. Für diagnostische Zwecke kann so schnell erkannt werden, ob bestimmte Bakterien vorhanden sind.

Für die Isolierung der Bakterien – etwa zur weiterführenden Analyse – kommen größere Magnetpartikel zum Einsatz. Diese sind jedoch zu voluminös, um direkt durch die Zuckerhülle der Bakterien zu gelangen. Um dieses Problem zu lösen, verband das Team die Nanobodies über eine molekulare Verknüpfung mit den Magnetpartikeln. So können die Bindungsmoleküle zunächst an die Bakterien binden und diese anschließend über die angekoppelten Magnetkügelchen isoliert werden.

„Nun haben wir ein passendes Angelset, mit dem wir E. coli erkennen und einfangen können. Ich hoffe, dass es uns gelingt, das Tool auch in die klinische Diagnostik zu integrieren. Bereits erfolgreich genutzt wird es für Umweltanalysen“, sagte Seeger.

Hintergrund: Nationales Forschungsprogramm NFP 72

Das Projekt wurde im Rahmen des Nationalen Forschungsprogramms «Antimikrobielle Resistenz» (NFP 72) des SNF durchgeführt. Dies wurde 2015 im Auftrag des Bundesrats ins Leben gerufen und zielte darauf ab, neue Ansätze zur Eindämmung von Antibiotikaresistenzen zu entwickeln. Insgesamt wurden 45 Projekte gefördert, darunter 33 an Schweizer Hochschulen und 12 internationale im Rahmen der JPIAMR (Joint Programming Initiative on Antimicrobial Resistance). Das Gesamtbudget betrug 20 Millionen Franken.

Die Ergebnisse der Studie wurden in der Fachzeitschrift Communications Biology publiziert. Eine Anwendung des Ansatzes erfolgt bereits in einem Umweltüberwachungssystem des Zürcher Start-ups Rqmicro.