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Bis zu 50 Proben werden bei einem Durchlauf getestet © APA (Wasserfaller)
Bis zu 50 Proben werden bei einem Durchlauf getestet © APA (Wasserfaller)

Kooperationsmeldung

"CSI Quargel": Mit Genomsequenzierung Listerien auf der Spur

10.12.2015

Listerien und andere Krankheitserreger in Lebensmitteln können zur ernsthaften Gefahr für die öffentliche Gesundheit werden. Um Ausbrüche rascher als bisher zu erkennen und im sprichwörtlichen Keim zu ersticken, hat die Agentur für Gesundheit und Ernährungssicherheit (AGES) für die Detektion von Listerien ein eigenes Typisierungs-Schema entwickelt, das auf der sogenannten Gesamt-Genomsequenzierung beruht.

Wie gefährlich lebensmittelbedingte Krankheitsausbrüche werden können, hat sich etwa gezeigt, als zwischen Juni 2009 und Februar 2010 in Österreich und Deutschland nach dem Konsum von mit Listerien (Listeria monocytogenes) verunreinigtem Rohmilchkäse (Quargel) acht Menschen gestorben sind. Der Fall hat letztlich zu einer Novelle des Lebensmittelgesetzes geführt, mit dem Ziel, bei Lebensmittelskandalen eine schnellere Information der Bevölkerung zu gewährleisten.

Faktor Zeit entscheidend

Der Faktor Zeit ist bei solchen Ausbrüchen alles entscheidend, um die Ursache zu bestimmen und einzudämmen. Im Idealfall werden so schnell wie möglich Bakterienstämme (Isolate) miteinander verglichen, die von erkrankten Personen und von Lebensmitteln stammen. Ein "Idealfall" tritt allein schon deshalb nicht sehr häufig ein, weil die Inkubationszeit bei einer Listerieninfektion bis zu sieben Wochen beträgt und daher das belastete Lebensmittel oft nicht mehr aufzuspüren ist.

Bei der bisher gängigen Methode, der Pulsfeld-Gelelektrophorese (PFGE), werden bestimmte Stellen des Genoms miteinander verglichen. "Dabei erhält man ein Bandenmuster, ähnlich einem Strichcode im Supermarkt. Das war bisher der Goldstandard für den Großteil der Bakterienarten", erklärte Werner Ruppitsch vom AGES-Institut für medizinische Mikrobiologie und Hygiene im Gespräch mit APA-Science.

Größter Nachteil dieser Methode ist außer der schwierigeren Vergleichbarkeit mit anderen Laboratorien allerdings der Zeitaufwand. Mit der Gesamt-Genom-Sequenzierung (engl. Next Generation Sequencing, NGS oder Whole Genome Sequencing, WGS) kann das gesamte Erbgut eines Organismus bestimmt werden - und das wesentlich schneller und präziser. "Mit der alten Methode können wir in einer Woche zwölf Isolate analysieren. Mit der Genomsequenzierung schaffen wir ungefähr 100 Isolate in der Woche", so Ruppitsch.

Erstmals Typisierung in Echtzeit

"Next Generation Sequencing wird alle Bereiche des Gesundheitswesens massiv beeinflussen", ist sich Alexander Indra, Leiter des Instituts für medizinische Mikrobiologie und Hygiene, sicher. "Wir haben es geschafft, mit dem gleichen Geldaufwand pro Probe eine höhere Effizienz zu erreichen - mit einer höheren Wahrscheinlichkeit, Ausbrüche zu entdecken. Wir hatten bisher in Österreich nicht die Möglichkeit, eine Real-Time-Typisierung von Listerien oder anderen Krankheiten zu machen, aber das ist uns jetzt möglich", so Indra.

Pro Jahr kommen rund 40 bis 50 Humanisolate (also Proben von an Listerien erkrankten Personen) zur Analyse an das AGES-Institut, die dann mit rund 1.200 bis 1.500 Lebensmittel-Isolaten verglichen werden. "Es ist trotzdem schwierig, das entsprechende Lebensmittel zu finden und dem Patienten zuzuordnen, aber mit der Genomsequenzierung steigt die Wahrscheinlichkeit, gute oder perfekt passende Übereinstimmungen zu finden", sagte Ruppitsch.

15 Milliarden Basen pro Durchlauf

Ein modernes NGS-Gerät, wie es bei der AGES seit 2014 in Verwendung steht, kann pro Durchlauf 15 Milliarden Basen bestimmen, aus denen sich die DNA zusammensetzt (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin). Das entspricht gegenüber der Technologie von vor rund zehn Jahren, wie sie auch noch beim Human-Genom-Projekt zum Einsatz gekommen ist, einer Steigerung um das 800-fache. Die enorme Auflösung und Präzision in der Analyse ermöglicht eine Unterscheidung zwischen Bakterienarten und innerhalb einer Bakterienart.

Basierend auf der Gesamt-Genomsequenzierung hat die AGES für die Detektion von Listerien ein eigenes Typisierungs-Schema entwickelt, eine wissenschaftliche Arbeit dazu wurde kürzlich im "Journal of Clinical Microbiology" publiziert. Im Zuge dieser Arbeit wurde eine eigene Datenbank entwickelt, erklärte Ruppitsch: "Die Datenbank, anhand derer die Listerien miteinander verglichen werden, basiert auf 1.708 Genen. Das ist das sogenannte Core-Genom, das heißt, diese Gene sollten alle Bakterienisolate haben. Die Arbeit dazu, wie dieses Core-Genom definiert worden ist, haben wir heuer publiziert."

Da sich die betreffenden Bakterien alle zwanzig Minuten teilen und auch ihr Genom ständig mutiert, bestehe die Kunst darin, zu definieren, wie viele Gene sich von den gut 1.700 Genen des Kern-Genoms unterscheiden dürfen. Durch die durchgehende Nummerierung und der einfacheren Identifizierung von Häufungen gewisser Bakterienstämme in sogenannten Clustertypen lassen sich Proben nun viel leichter und schneller mit anderen Datenbanken vergleichen. Künftig will man solche Schemata auch für andere Pathogene entwickeln.

Service: Hintergrund zur Gesamt-Genom-Sequenzierung: http://go.apa.at/9iERg8eJ. Link zur Studie: http://jcm.asm.org/content/early/2015/06/25/JCM.01193-15

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