Während die durch den Erreger Mycobacterium tuberculosis ausgelöste Tuberkulose-Erkrankung dank Antibiotikatherapie in entwickelten Ländern gut im Griff ist, stellt sie das Gesundheitssystem in Entwicklungsländern weiterhin vor große Aufgaben. Dies liegt schon daran, dass das in Entwicklungsländern am meisten genutzte diagnostische Verfahren, der noch aus dem 19. Jahrhundert stammende mikroskopische „Ziehl-Neelsen-Test“, sehr aufwändig ist. Er ist zwar schnell und kostengünstig, kann aber nur von medizinisch erfahrenem Personal sicher ausgeführt werden. Zudem kann er nicht zwischen lebenden Tuberkuloseerregern und abgetöteten unterscheiden und ist daher ungeeignet, mögliche vorhandene Resistenzen zu detektieren.
Forscher aus Stanford und Johannesburg verfolgen gemeinsam mit dem Team um Prof. Dr. Rainer Kalscheuer vom Institut für Pharmazeutische Biologie und Biotechnologie der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) einen neuen Ansatz, um Tuberkuloseerreger zu erkennen. Bei ihrem fluoreszenzmikroskopischen Verfahren setzen sie einen speziellen Zucker ein, das Disaccharid „Trehalose“. An die Trehalose heften sie ein besonderes Fluoreszenzmolekül an, welches leuchtet, wenn man es mit Licht einer bestimmten Wellenlänge anregt.
Die resultierende sogenannte DMN-Trehalose hat eine besondere Eigenschaft: Sie leuchtet nur, wenn sie in eine mycolsäurehaltige Zellwand eingebaut wird. Nur lebende Tuberkuloseerreger und andere Mycobakterien sind dazu in der Lage, während andere Bakterien und abgetötete Erreger den Zucker nicht in ihre Zellwand einbauen. So können die Forscher gezielt lebende Erreger sichtbar machen. Die Untersuchung ist vergleichsweise simpel: Eine Speichelprobe eines Patienten wird mit dem DMN-Trehalose-Reagenz vermischt und diese Mischung unter dem Fluoreszenzmikroskop betrachtet. Aktive Tuberkuloseerreger erkennt man anhand ihres Leuchtens.
Fügt man der Probe außerdem noch ein Antibiotikum hinzu, so bauen nur solche Keime die DMN-Trehalose in ihre Zellwand ein, die nicht durch das Antibiotikum abgetötet werden, die also eine Resistenz aufweisen. Auf diese Weise kann gezielt und vergleichsweise schnell – innerhalb von 24 Stunden – das richtige Antibiotikum bestimmt werden, welches gegen die jeweiligen Erreger wirkt. Dies ist insbesondere in Entwicklungsländern wichtig, wo viele resistente oder sogar mehrfach-resistente Stämme auftreten.
Während in Stanford das fluoreszierende Trehalose-Derivat entwickelt und synthetisiert und in Johannesburg das Verfahren an einer kleinen Gruppe von Tuberkulosepatienten getestet wurde, konzentrierte sich die Düsseldorfer Arbeitsgruppe auf die Mechanismen, wie die DMN-Trehalose in die Zellwand eingebaut wird. Prof. Kalscheuer und seine Mitarbeiter zeigten, dass dies durch einen bestimmten extrazellulären Enzymkomplex geschieht, der DMN-Trehalose direkt in die Zellwand inkorporiert. Er untermauert damit, dass der Vorgang nur bei lebenden Zellen stattfinden kann.
„Das neue Verfahren muss sich noch in Studien mit größeren Patientengruppen bewähren“, so Kalscheuer, und weiter: „Es hat aber ein hohes Potenzial insbesondere für Entwicklungsländer, da mit ihm vergleichsweise schnell Ergebnisse zu Resistenzen gefunden werden können und so eine passende Antibiose möglich wird.“
Für den Einsatz in entwickelten Ländern hat das Verfahren dagegen eine untergeordnete Bedeutung, da hier mit der „PCR-Technik“ ein noch sensitiveres, dafür aber erheblich teureres und komplexeres Diagnoseverfahren zur Verfügung steht.
Originalveröffentlichung
Mireille Kamariza, Peyton Shieh, Christopher S. Ealand, Julian S. Peters, Brian Chu, Frances P. Rodriguez-Rivera, Mohammed R. Babu Sait, William V. Treuren, Neil Martinson, Rainer Kalscheuer, Bavesh D. Kana and Carolyn R. Bertozzi, Rapid detection of Mycobacterium tuberculosis in sputum with a solvatochromic trehalose probe, Science Translational Medicine, 28. Februar 2018
DOI: 10.1126/scitranslmed.aam6310
