Metagenomik erklärt: Wie die Gensequenzierung verborgene Infektionen aufdeckt

Was metagenomic-Sequenzierung wirklich tut

Standardinfektionstests stellen nacheinander eine Frage: Ist dies ein Grippevirus, ist dies E. coli, wächst diese Kultur ein bekanntes Bakterium. Die Metagenomic Next-Generation Sequenzierung oder mNGS funktioniert anders herum. Sie extrahiert alle DNA- und RNA-Fragmente, die in einer Blut-, Liquor- oder Gewebeprobe vorhanden sind, sequenziert alles und vergleicht dann das Ergebnis mit Referenzdatenbanken, um zu identifizieren, welche Organismen vorhanden sind, wie in einer Übersicht der Technik angegeben, die auf der PubMed Central-Plattform des NCBI veröffentlicht wurde.

Da der Test keine vorherige Hypothese über den Verursacher erfordert, kann er Bakterien, Viren, Pilze und Parasiten in einer einzigen Durchlaufzeit kennzeichnen, einschließlich Erreger, die ein Kliniker nicht berücksichtigt hatte, so die Übersicht.

Von der Entdeckung von Covid-19 bis zur abgesagten Transplantation

Die eindeutigste öffentliche Demonstration der Technik fand Ende 2019 statt, als chinesische Virologen, die ungeklärte Pneumoniefälle in Wuhan untersuchten, mit konventionellen Tests keine Ursache identifizieren konnten. Der Wechsel zur Metagenomic-Sequenzierung zeigte, dass das genetische Material der Coronavirus-Familie entsprach, ein Befund, der von BBC Future berichtet wurde und die diagnostische und Impfstoffarbeit an dem beschleunigte, das als Covid-19 bekannt wurde.

Einzelne Patientenfälle, die von BBC Future zitiert werden, verdeutlichen die Einsätze. An der University of California, San Francisco, war eine Frau mit Meningitis und Leberversagen für eine Lebertransplantation vorgesehen, als die metagenomic-Testung das Hepatitis-E-Virus identifizierte. "Wir gaben ihr ein antivirales Medikament, es ging ihr besser, und wir ersparten ihr die Transplantation", sagte Charles Chiu, Professor an der UCSF, zitiert im Bericht. Bei einem separaten Pilotprojekt in einem Londoner Krankenhaus identifizierte derselbe Ansatz Tuberkulose bei einem Patienten, bei dem man von Lungenkrebs ausging, was eine unnötige Operation vermied, wie dem gleichen Bericht zu entnehmen ist.

Schneller, aber noch nicht Routine

Die Umschlagzeit war ein großes Hindernis. Niranjan Nagarajan von der Nationalen Universität Singapurs sagte BBC Future, dass die metagenomic-Analyse früher "mehrere Tage bis eine Woche dauerte"; Sequenziermaschinen können jetzt DNA-Ergebnisse in ein bis zwei Stunden produzieren, und künstliche Intelligenz-Tools beschleunigen den Pattern-Matching-Schritt.

Die PubMed Central-Übersicht gibt detailliertere Zahlen an: Konventionelle diagnostische Workflows dauern typischerweise 24 bis 72 Stunden, während die Nanoporen-basierte Sequenzierung – eine Long-Read-Technologie – in 86% der Fälle Ergebnisse am selben Tag lieferte, mit einem mittleren Umschlag von 6,7 Stunden. Die Sequenzierungskosten pro Probe liegen je nach Plattform zwischen etwa 100 und 300 Dollar, wie die Übersicht angibt, obwohl diese Zahl Arbeits-, Rechen- und Speicherkosten ausschließt, die zum Echtkostpreis der Testdurchführung beitragen.

Wo es Standard-Tests übertrifft – und wo es immer noch schwächelt

Die gleiche Übersicht fasste Ergebnisse aus mehreren klinischen Studien zusammen, die mNGS mit herkömmlicher Diagnostik über mehrere Infektionstypen hinweg verglichen.

Diese Gewinne sind mit technischen Vorbehalten verbunden, die die Übersicht als ungelöst kennzeichnet. In Blut- oder Liquorproben können über 90% der Sequenzierungslesarten von den eigenen Zellen des Patienten stammen, anstatt von einem Erreger, was schwache mikrobielle Signale maskiert. In Proben mit sehr wenigen Mikroben von Anfang an kann Verunreinigung aus Laborreagenzien bis zu 45% der gemeldeten Lesarten ausmachen. Die Übersicht vermerkt auch, dass es keinen vereinbarten Lesarten-Schwellenwert für die Verurteilung eines positiven Ergebnisses gibt und dass eine einzige Änderung dieses Schwellenwerts eine Grenzprobe von positiv zu negativ umkehren kann.

Der behördliche Status verschärft die Unsicherheit: In den Vereinigten Staaten laufen die meisten mNGS-Tests als Labortests, die unter CLIA zertifiziert sind, anstatt von der Food and Drug Administration genehmigt zu werden, es gibt keinen eigenen Versicherungsabrechnungscode für das Verfahren, und mehr als 23% der zugehörigen Versicherungsansprüche werden abgelehnt, wie die Übersicht angibt.

Mit Sequenzierung Ausbrüche im Krankenhaus einfangen

Eine verwandte Anwendung ist die Verfolgung, wie sich eine Infektion im Krankenhaus ausbreitet, anstatt einen einzelnen Patienten zu diagnostizieren. Im University of Nebraska Medical Center nutzt der klinische Mikrobiologie-Fellow Shawn Freed die Long-Read-Ganzgenomsequenzierung kombiniert mit maschinellem Lernen, um Bakterienproben von Patienten zu vergleichen und potenzielle Ausbrüche frühzeitig zu kennzeichnen, wie ein Bericht aus dem UNMC-Newsroom angibt.

Das Team von Freed hat 40 Gram-negative Bakterienisolate und 15 Vancomycin-resistente Enterococcus-Proben von Nebraska Medicine-Patienten sequenziert, die länger als zwei Tage hospitalisiert waren, und führte dann eine phylogenetische Analyse durch, um zu sehen, wie eng verwandt die Stämme sind. Der UNMC-Bericht vermerkt, dass das Team die Long-Read-Sequenzierung teilweise deshalb wählte, weil sie billiger ist und besser Plasmide erkennt – die mobilen genetischen Elemente, die oft Antibiotikaresistenzgene tragen – als Short-Read-Alternativen. Krankenhausassoziierte Infektionsausbrüche kosten in den Vereinigten Staaten geschätzte 45 Milliarden Dollar pro Jahr, wie der Bericht angibt, durch verlängerte Krankenhausaufenthalte und zusätzliche Antibiotikabehandlung.

Frühwarnung über das Krankenhausbett hinaus

Nagarajans Laboratorien in Singapur wenden bereits das gleiche Sequenzierungsprinzip auf Abwasser- und Luftproben an, um nach entstehenden Viren zu suchen, bevor sie anerkannte Ausbrüche verursachen, wie BBC Future berichtet, ein Anwendungsfall, den Forscher als mögliches Frühwarnsystem für künftige Epidemien beschreiben.

Über beide diagnostischen und Überwachungsanwendungen hinweg beschreiben die befragten Forscher die Metagenomic-Sequenzierung als ergänzendes Instrument eher als Großaustausch für bestehende Mikrobiologie, bis eine weitere Standardisierung von Schwellenwerten, behördliche Genehmigung und Kostensenkung erfolgt ist.