compact sequencing: Workflow für den raschen Erregernachweis in der Infektionsdiagnostik

Konventionelle PCR, Sequenzierung und Co.: Es gibt verschiedene Verfahren, um in einer Blutprobe Infektionserreger nachzuweisen, beispielsweise bei Sepsis. Unabhängig von der Methode ist es entscheidend, den Erreger so rasch wie möglich zu bestimmen. Denn mit dieser frühzeitigen Information können Kliniker:innen gemeinsam mit Infektionsspezialist:innen eine gezielte Therapie beginnen. Damit wird die Behandlungsqualität gesteigert, Nebenwirkungen reduziert und Überlebenschancen erhöht. Mit ihrem Verfahren compact sequencing kombiniert Cube Dx zwei wichtige Merkmale in der Infektionsdiagnostik in einem Workflow: ein breites Testpanel mit einem raschen Ergebnis. Im Interview spricht Christoph Reschreiter, CEO und einer der Gründer von Cube Dx, über das Besondere der Technologie und wie sie Labore unterstützt, innerhalb von rund 3 Stunden positive Ergebnisse in Proben nachzuweisen... 

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compact sequencing ist eine Kombination aus einer Screening-PCR und einem nachfolgenden kartuschenbasierten Test. Wie können wir uns dieses Verfahren vorstellen?

In der Infektionsdiagnostik identifizieren wir mit einem Screening eine positive Probe aus einem Kollektiv. Darauf aufbauend, liefert der Workflow weitere detailliertere Informationen zur Infektion. Nehmen wir eine bakterielle Infektion als Beispiel: Identifizieren wir diese im Screening, wird sie anschließend in der Kartusche – unserem hybcell – weiter aufgelöst. So erfahren wir mehr darüber und können die Infektion mit E. coli, Staphylokokkus oder ähnlichem nachweisen. Technisch wird dabei entweder die RNA und/oder DNA der Zielparameter nachgewiesen.

Für die Infektionsdiagnostiker:innen unter uns: Wie genau funktioniert das?

Der Prozess beginnt mit einer Variante der PCR. Mithilfe eines Forward- und eines Reverseprimers werden Zielsequenzen – falls sie in der Probe vorhanden sind – vervielfältigt. Der Reverseprimer ist dabei mit einem Fluoreszenzfarbstoff markiert. Im zweiten Schritt übertragen wir das Amplifikat in die hybcell – unser zylindrisches Microarray. Auf der Oberfläche der hybcell werden unterschiedliche Probes, also kurze DNA-Stücke, angeboten. Diese Probes passen im Schlüssel-Schloss-Prinzip zu den Sequenzen der Zielorganismen. War der Zielorganismus in der Probe und wurde dessen DNA während der PCR vervielfältigt, binden sich diese vervielfältigten DNA-Sequenzen an die Probes. Es folgt eine enzymatische Reaktion entlang der gebundenen Amplifikate und schlussendlich ein Waschschritt, der alle Amplifikate entfernt, die nicht zu 100% auf die Probes passen. Durch einen Fluoreszenzscan wird dann ein Muster aus der hybcell-Oberfläche erstellt. Dadurch erhält man Rückschlüsse auf die ursprüngliche Probe.

compact sequencing hat ihre Stärke in der Infektionsdiagnostik insbesondere bei Sepsis. Welche Bereiche deckt das Testverfahren sonst noch ab?

Genauso ist es. Aktuell verwenden wir die Technologie für den umfangreichen molekularen Nachweis von Bakterien (auf Basis der 16S) und Pilzen (auf Basis der 28S) im Zusammenhang mit Sepsis und anderen schweren Infektionen. Daneben bieten wir auch ein breites Monitoring von Mutationen im S-Gen von SARS-CoV-2 an. Ursprünglich wurde compact sequencing für die Testung von menschlichen Proben entwickelt und angewendet. Aktuell adaptieren wir die Technologie für das Abwassermonitoring. Es gibt jedoch viele potenzielle Anwendungsmöglichkeiten. Nämlich immer dann, wenn ein schnelles, günstiges Screening nötig ist, bei dem man auch mehr über die konkrete Ausprägung erfährt. Nicht nur in der Infektionsdiagnostik, sondern auch in der Companion Diagnostics oder der Humangenetik.

Die Technologie wurde ja ursprünglich auch in der Companion Diagnostics entwickelt. Wie kam Cube Dx dazu?

Bei der Anwendung damals ging es darum, aus den Zellen einer Biopsie von Krebsgewebe ein Mutationsverhältnis für bestimmte Mutationen zu ermitteln. Dieses Verhältnis ist relevant, um die Wirkung spezieller Medikamente abzuschätzen und ungewünschte Nebenwirkungen auszuschließen. Das besondere an diesen Anwendungen ist, dass man sowohl in der Lage sein muss, einzelne Mutationen nachzuweisen (Single Nucleotide Polymorphism), als auch ein Verhältnis von mutierten und nicht mutierten Zellen zu bestimmen (z.B. 30% mutiert). Wir haben diese Anforderung dann mit der Möglichkeit einer sehr breiten Testung kombiniert.

Eine der gängigsten Standardtechnologien in klinischen Laboren sind die konventionelle PCR und die Sequenzierung. Wie unterscheidet sich compact sequencing von diesen Technologien?

Bei der PCR gibt es eine Vielzahl an Tests für unterschiedliche Bereiche, auch für die Infektionsdiagnostik. PCR ist sensitiv und einfach in der Handhabung. Ihr Nachteil ist die Limitierung auf wenige Ergebnisse pro Probe, typischerweise 1 - 6. Das bedeutet, bei der Aufklärung schwerer bakterieller oder fungaler Infektionen wie Sepsis oder Pneumonie ist man damit sehr eingeschränkt.

Eine Sequenzierung schlüsselt einen Genabschnitt oder ein ganzes Genom in seiner Sequenz auf und weist damit theoretisch alle Erreger nach. Diese Methoden sind jedoch komplexer in ihrer Anwendung und im klinischen Routinebetrieb ist es nicht möglich, zeitnahe Ergebnisse zu generieren.

compact sequencing ist eine Kombination aus einer breiten Testung – derzeit weisen wir beispielsweise 100 verschiedene Bakterien, Pilze und Resistenzgene in einem Test nach – und einem schnellen Ergebnis. In unserem Fall ist ein Resultat in etwa drei Stunden nach der Blutabnahme möglich.

Eine der besonderen Eigenschaften von compact sequencing ist, dass es nur einen Workflow gibt. Was bedeutet das für Labore?

Für die Labore bedeutet das Einsparungen bei Schulungen und Personal. Denn auch mit weniger Personen sind viele Anwendungen abgedeckt. Das erhöht die Ausfallssicherheit und erleichtert zudem die Handhabung.

Was genau können sich Labortechniker:innen unter einer erleichterten Handhabung vorstellen?

Der zweistufige Prozess von compact sequencing beginnt mit einer einfachen und vorkonfektionierten PCR und geht dann in einen kartuschenbasierten Test zur Identifikation über. Beide Schritte sind vollständig automatisiert und damit einfach in der Handhabung. Das Ergebnis ist ein eindeutiger Report, der alle positiven Ergebnisse ausweist. Eine Interpretation, beispielsweise von Kurven oder Gelen, ist nicht notwendig. Das macht compact sequencing zu einer idealen Lösung in der Infektionsdiagnostik.