Über künstliche Polymere, sogenannte Peptidnukleinsäuren (PNA), binden spezifische Sonden an verschiedene genetische Sequenzen innerhalb von Bakterien. Ist die Bindung zwischen den beiden Molekülen erfolgt - emittieren sie fluoreszente Signale. Diese Signale geben Aufschluss über die spezifische „Fingerabdruck“ verschiedener Pathogene.
Hohe Genauigkeit und Geschwindigkeit: Der innovative FISH-Ansatz
Die Wissenschaftler wiesen darauf hin, dass die FISH-Technik eine schnelle Detektion und Identifikation von Mikroben ermöglicht. Dies geschieht basierend auf der Variation ihrer genomischen Sequenzen. Lange Anzuchtzeiten oder komplexe Sequenzierungen sind nicht erforderlich. Das wachsende Datenvolumen zu mikrobiellen Genomen hat die Gestaltung geeigneter Sonden jedoch erschwert. Daher entwickelten die Forscher einen neuartigen Satz von PNA-basierten FISH-Sonden mit optimaler Zielgenauigkeit. Sie analysierten Variationen in der 16S-rRNA-Sequenz zahlreicher Bakterienarten.
Im Labor identifizierte die FISH-Technik sieben Bakterienarten, die häufig den Menschen infizieren. Dazu zählen Klebsiella pneumoniae, Proteus mirabilis, Bacillus subtilis, Enterococcus faecalis, Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa und Staphylococcus aureus. Die Genauigkeit lag bei über 99% für alle Arten - abgesehen von S. aureus, welches dennoch eine hohe Erfolgsquote von 96.3% aufwies. Teilweise lagen die Erkennungsraten sogar bei 99.9%.
Innovationen in der Diagnosetechnik: Grundlagen der FISH-Technik
Die Detektion basiert auf dem Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) zwischen benachbarten PNA-Sonden. Dies eliminierte Störungen zwischen den Spezies. Mit chemisch abtrennbaren Fluorophore wurde eine schnelle, sequenzielle Identifizierung umgesetzt - ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen. Ihr ausgezeichnetes Potenzial für die klinische Nutzung liegt auf der Hand.
So simpel es auch scheint - der Erfolg des Systems verbirgt die umfangreiche Entwicklungsarbeit. Das Team analysierte 19,885 bekannte genetische Sequenzen von 14,614 Bakterienarten. Daraufhin wurden spezifische PNA-Sequenzen konzipiert, um die ribosomale RNA der Erreger gezielt anzugreifen. PNA-Sonden bieten im Vergleich zu herkömmlichen DNA-Sonden signifikante Vorteile. Sie gelangen durch die Zellwände der Pathogenen. Eine doppelte Bindung an dasselbe Pathogen erhöht zudem die Genauigkeit bei multiplen Pathogeninfektionen. Und das Beste daran: Diese Resultate werden in weniger als drei Stunden geliefert.
Klinische Relevanz: Bedeutung der schnellen Diagnostik
Im Gegensatz zu herkömmlichen Diagnosewerkzeugen wie Bluttests oder Polymerase-Kettenreaktionsanalysen (PCR), die Tage bis Wochen in Anspruch nehmen können, bietet FISH eine blitzschnelle Lösung. Für Patienten, die an zeitkritischen, lebensbedrohlichen Infektionen wie Sepsis leiden, ist eine frühe Diagnose entscheidend. Die schnelle Ergebnisausgabe ermöglicht zudem die Vermeidung einer falschen Antibiotikagabe.
Dr. Sungho Kim, Erstautor und Mitglied der Abteilung für Biomedizinische Technik an der UNIST, betont: „Diese Methode wird die Diagnose von Infektionen erleichtern, die sofortige Antibiotika erfordern, wie Sepsis, Harnwegsinfektionen und Pneumonie. Dadurch hilft sie auch, unnötigen Antibiotikaeinsatz zu reduzieren.“ Das Team plant nun, weitere Tests mit Blutproben von erkrankten Patienten durchzuführen, um die Leistungsfähigkeit von FISH in klinischen Anwendungen zu evaluieren.
Die Forschung wurde in der Fachzeitschrift Biosensors and Bioelectronics veröffentlicht.