Welche antimikrobiellen Resistenzgene sind in Bakterien vorhanden, zum Beispiel auf einer Krankenstation? Für Labore mit begrenzten finanziellen Ressourcen ist die Charakterisierung bakterieller DNA schwierig, da dies oft teure Geräte erfordert. Forscher von Chalmers haben nun eine Methode entwickelt, mit der spezifische bakterielle Gene, die Resistenzen codieren, mit Standardmikroskopen nachgewiesen werden können, die bereits zur Diagnose von Tuberkulose in Ländern mit niedrigem Einkommen eingesetzt werden.
Die Resistenz gegen antimikrobielle Mittel ist weltweit eine der größten Gesundheitsbedrohungen, da häufige Infektionen nicht mehr auf Antibiotika ansprechen. Dies kann zu schweren Erkrankungen und zum Tod führen, beispielsweise bei Neugeborenensepsis, also schweren bakteriellen Blutinfektionen bei Neugeborenen.
Die Gene, die Bakterien Resistenz verleihen, beispielsweise durch den Abbau von Antibiotika, befinden sich häufig auf Plasmiden, den zirkulären DNA-Molekülen, die nicht zur chromosomalen Bakterien-DNA gehören. Plasmide können zwischen Bakterienstämmen und -arten übertragen werden und sich somit schnell in einer Bakterienpopulation ausbreiten.
Mikroskop bereits in vielen Laboren vorhanden
„Es werden effektive und einfache Methoden benötigt, um bakterielle Plasmide zu charakterisieren und Resistenzgene nachzuweisen, wenn sich eine Infektion in Krankenhäusern ausbreitet. Dies ist ein Problem für Labore mit begrenzten Ressourcen, da bestehende Methoden teure Geräte erfordern“, sagt Fredrik Westerlund, Professor für chemische Biologie an der Chalmers.
Dank eines Tuberkulose-Diagnoseprogramms verfügen viele Labore in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen bereits über Standard-Fluoreszenzmikroskope. Dies war der Ausgangspunkt für die Forschungsgruppe von Fredrik Westerlund. Sie basierten ihre neu entwickelte Methode auf diesen Mikroskopen, die im Krankenhauslabor ihrer Kooperationspartner in Dar es Salam, Tansania, vorhanden sind.
Es können lineare DNA-Moleküle nachgewiesen werden
Um bestimmte Gene zu finden, verwenden die Forscher die sogenannte Genschere CRISPR-Cas9, die DNA-Stränge an jeder vorgegebenen Sequenz erkennen und schneiden kann, so einzigartig, dass bestimmte Gene gefunden werden können.
„Wenn ein Resistenzgen auf dem Plasmid vorhanden ist, wird es von Cas9 geschnitten. Die DNA wird dann auf einem Glasobjektträger gestreckt und mit Fluoreszenzmikroskopie abgebildet, und das lineare Molekül kann nachgewiesen werden. Die Bilder für die Analyse können von erfasst werden ein normales Smartphone, das man einfach an das Okular des Mikroskops anbringen kann“, sagt Gaurav Goyal, Postdoc in der Forschungsgruppe.
„Jedes mikrobiologische Labor kann diese Plasmidanalyse durchführen“
Gaurav Goyal erklärt, dass die Methode derzeit für epidemiologische Studien gedacht ist – um bakterielle Plasmide zu charakterisieren und die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen zu verstehen. Beispielsweise könnte es relevant sein, zu untersuchen, wie viele Neugeborene auf einer Krankenstation Bakterien mit Resistenzgenen in sich tragen. Langfristig könnte es auch zur Diagnose eingesetzt werden.
„Wir haben begonnen, die Methode für Labore mit begrenzten Ressourcen zu entwickeln, aber jedes mikrobiologische Labor kann diese Plasmidanalyse durchführen – und relevante Ergebnisse erhalten. Neben dem Auffinden von Resistenzgenen auf Plasmiden kann die Methode auch zur Bestimmung der Größe und Anzahl verwendet werden der Plasmide in einer Probe. Unsere Methode ist einfach und schneller als andere Methoden, was auch in modernen mikrobiologischen Labors in Ländern mit hohem Einkommen nützlich sein kann“, sagt Fredrik Westerlund.
Die Studie wurde veröffentlicht in Wissenschaftliche Berichte.
Gaurav Goyal et al, Ein einfacher Cut-and-Stretch-Assay zum Nachweis antimikrobieller Resistenzgene auf bakteriellen Plasmiden durch Einzelmolekül-Fluoreszenzmikroskopie, Wissenschaftliche Berichte (2022). DOI: 10.1038/s41598-022-13315-w