Klinische Metagenomik der infektiösen Endokarditis (Meta-ENDO)

Hintergrund und Begründung Die infektiöse Endokarditis (IE) ist eine Infektion der Herzklappen. IE betrifft hauptsächlich Bakterien, seltener Pilze. IE ist eine seltene Krankheit mit einer geschätzten Inzidenz von 1-12 Fällen pro 100.000 Einwohner pro Jahr. Die Diagnose von IE beruht auf der Entnahme biologischer Proben (Blutkulturen und präoperative Proben) und ihrer Kultivierung im Bakteriologielabor, die als konventionelle Methoden bezeichnet werden.

Dieses seit Pasteurs Zeiten Ende des 19. Jahrhunderts praktisch unveränderte Verfahren hat den Nachteil, dass nur die Bakterien nachgewiesen werden können, die unter den üblichen Bedingungen eines Labors gezüchtet werden können. Während die meisten pathogenen Bakterien dazu in der Lage sind, benötigen einige Bakterien, die an IE beteiligt sein können (z. B. Coxiella sp., Bartonella sp., Tropheryma whipplei), sehr spezifische Bedingungen, um sich zu vermehren. Außerdem kann die vorherige Einnahme von Antibiotika durch den Patienten vor der Probenentnahme die Kultur der Proben negativ beeinflussen. Die Diagnose IE wird durch die Berücksichtigung einer Reihe klinischer Argumente (Fieber, mikrobiologisches Risikoverhalten (positive Blutkultur(en), Serologie (für Coxiella burnettii), Echographie (Vorhandensein einer intrakardialen Masse, Abszess, Leckage und / oder Desinsertion einer Klappe), die alle Neben- und Hauptkriterien für die Bestimmung der Gewissheit einer IE sind. Die Behandlung von IE basiert auf verlängerten Antibiotika (4 bis 6 Wochen in den meisten Fällen) und Herzklappenchirurgie (je nach genauer Indikation).

In etwa 10 % der Fälle bleiben die Blutkulturen jedoch negativ. Diese sind als negative Kultur-IE bekannt, die auf vor der Probenahme eingenommene Antibiotika, nicht kultivierbare Bakterien oder aseptische Phänomene zurückzuführen sein können. Die Breitband-PCR, die darin besteht, durch PCR zu amplifizieren und dann eine Fraktion des 16S-RNA-codierenden Gens zu sequenzieren, kann dann verwendet werden. Sie erlaubt die Identifizierung des pathogenen Bakteriums, gibt aber keine Auskunft über eine erworbene Resistenz gegen Antibiotika.

Konzept der klinischen Metagenomik Klinische Metagenomik ist definiert als die Anwendung von Hochdurchsatz-Sequenzierung (NGS), gefolgt von einer spezifischen bioinformatischen Analyse, um klinische Informationen zu erhalten, d. h. die Identifizierung von Krankheitserregern und die Vorhersage ihrer Empfindlichkeit gegenüber antimikrobiellen Mitteln. Das Metagenom einer Probe (d. h. alle Genome der vorhandenen Organismen) enthält praktisch alle Informationen, die für eine bakteriologische Diagnose notwendig sind: was ist/sind das/die pathogene(n) Bakterium(e) und für welche Antibiotika ist/sind sie empfänglich. Das Konzept der klinischen Metagenomik hat sich parallel zu den Mitte der 2000er Jahre eingeführten neuen DNA-Sequenzierungstechnologien entwickelt und ist im Hinblick auf den Durchsatz wesentlich effizienter als die von Sanger beschriebene Sequenzierungsmethode. Obwohl dieses Konzept attraktiv ist, gibt es noch viele Hindernisse für seine Umsetzung. Erstens enthalten klinische Proben von bakteriellen Infektionen normalerweise eine hohe Konzentration an Leukozyten, deren Genom etwa 1000-mal größer ist als das von Bakterien. Daher ist der erste einschränkende Schritt für die klinische Metagenomik die Notwendigkeit, ausreichend bakterielle DNA zu erhalten, um die Erstellung hochwertiger Bibliotheken für die Sequenzierung zu ermöglichen, aber auch die Konzentration menschlicher DNA zu reduzieren, deren Sequenzierung in diesem Zusammenhang unnötig ist . Methoden sind verfügbar, aber ihre Bewertung für Zwecke der klinischen Metagenomik ist notwendig. Zweitens erfordert die Komplexität der von einem Mikrobiologen zu verwaltenden Bioinformatikdaten eine möglichst automatisierte Nutzung der Daten zusammen mit einer benutzerfreundlichen Oberfläche, was heute selbst bei der Entwicklung von Online-Plattformen nicht der Fall ist. Die taxonomische Zuordnung von Sequenzen, ihre Assemblierung, die Identifizierung von Genen und chromosomalen Mutationen, die mit Antibiotikaresistenz assoziiert sind, und die Herstellung einer Verbindung zwischen der Resistenzdeterminante und dem Wirtsbakterium sind zusätzliche Hindernisse für die Umsetzung der klinischen Metagenomik. Wenn schließlich die Zeit, die benötigt wird, um Ergebnisse zu erhalten, die vom Mikrobiologen verwertet werden können, tendenziell abnimmt, ist sie jetzt zu einem viel höheren Preis mit der Kultur vergleichbar. Der anhaltende Wettbewerb zwischen Sequenzerherstellern sollte jedoch wie im letzten Jahrzehnt weiter zurückgehen.

Relevanz des Einsatzes klinischer Metagenomik bei IE

Der Einsatz klinischer Metagenomik im Kontext der IE erscheint daher aus mehreren Gründen relevant:

• Die meisten IE sind monomikrobiell, was nach unseren vorläufigen Ergebnissen die gute Leistung der klinischen Metagenomik unterstützt.
• Die Kultur von intraoperativen Proben, die im Rahmen einer IE durchgeführt werden, ist manchmal negativ, aufgrund von antibiotischer Vorbehandlung und/oder Nichtkultivierung unter den Routinebedingungen des Erregers (z. B. Bartonella spp. oder Coxiella spp.), was Raum für Verbesserungen lässt.
• Die Behandlung von IE ist eine Langzeitbehandlung, die eine genaue Diagnose in Übereinstimmung mit der Empfindlichkeit der Krankheitserreger gegenüber Antibiotika erfordert. Wenn der Erreger nicht in der Kultur gefunden wird, sollten dem Patienten Breitbandantibiotika verabreicht werden, mit einem doppelten Risiko für Therapieversagen und Toxizität. Allerdings könnte die klinische Metagenomik auch bei negativer Kultur Aufschluss über die Antibiotikasensitivität geben.
• Die mikrobiologische Diagnostik der IE ist in den meisten Fällen keine Notfalldiagnostik, die mit dem Einsatz der klinischen Metagenomik vereinbar ist, für die die Durchführungszeit bestenfalls 48-72h beträgt.

Daher schlagen wir vor, die Leistung der klinischen Metagenomik in der Diagnostik von IE zu bewerten.