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Im Rahmen unserer Webinar-Reihe zur klinischen anaeroben Bakteriologie haben wir kürzlich eine Sitzung durchgeführt, in der untersucht wurde, welche Erkenntnisse die Ganz-Genom-Sequenzierung (Whole Genome Sequencing, WGS) über anaerobe Bakterien liefert. Die Sitzung wurde von Trefor Morris, leitender biomedizinischer Wissenschaftler an der UK Anaerobe Reference Unit (UKARU), Public Health Wales, geleitet.
In dieser Sitzung gab Trefor Morris einen umfassenden Überblick darüber, wie die Ganz-Genom-Sequenzierung unser Verständnis anaerober Bakterien verändert – von der klinischen Diagnostik und Antibiotikaresistenz bis hin zu weiterführenden Rollen in Gesundheit und Krankheit.
Zentrale Themen der Sitzung umfassten:
- Die Vielfalt und klinische Bedeutung anaerober Bakterien
- Die Entwicklung von Sequenzierungstechnologien und den Aufstieg der WGS
- Wie WGS diagnostische Arbeitsabläufe und Durchlaufzeiten verbessert
- Die Rolle von WGS bei Artenidentifizierung, Typisierung und Neuklassifizierung
- Nachweis und Entwicklung von Antibiotikaresistenzen bei Anaerobiern
- Neue Erkenntnisse über die Rolle von Anaerobiern in Gesundheit und Krankheit
Im Folgenden gehen wir näher auf diese Themen ein – für diejenigen, die nicht live dabei sein konnten oder sich einen zusammenfassenden technischen Überblick über die Sitzung wünschen.
Einordnung und Hintergrund
Die UK Anaerobe Reference Unit (UKARU) mit Sitz bei Public Health Wales bietet einen nationalen Referenzdienst für anaerobe Bakteriologie an, der die Identifizierung von Organismen, Antibiotikaempfindlichkeitsprüfungen, Überwachungsmaßnahmen und klinische Beratung umfasst.
Mit über 80.000 klinischen Isolaten in ihrer Sammlung spielt die UKARU eine entscheidende Rolle bei der Unterstützung von Laboren im gesamten Vereinigten Königreich und bietet darüber hinaus Fort- und Weiterbildungen durch Initiativen wie den Kurs „Practical and Clinical Microbiology of Anaerobes (P&CMAn)“ an.
Trefor Morris verfügt über mehr als zwei Jahrzehnte Erfahrung in der klinischen anaeroben Mikrobiologie, wobei sein besonderer Schwerpunkt auf der Aufrechterhaltung solider grundlegender Laborfertigkeiten sowie der Integration neuer genomischer Technologien liegt.
Anaerobe Bakterien: Vielfalt und klinische Komplexität
Anaerobe Bakterien stellen eine äußerst vielfältige Gruppe von Mikroorganismen dar, die erstmals im 19. Jahrhundert von Louis Pasteur als Organismen beschrieben wurden, die „ohne Sauerstoff leben“ können.
Sie sind ein wesentlicher Bestandteil der menschlichen Mikrobiota und an einer Vielzahl von Infektionen beteiligt, die häufig endogenen Ursprungs sind, wenn physiologische Barrieren gestört werden. Diese Infektionen sind oft polymikrobiell und durch komplexe Wechselwirkungen zwischen anaeroben und aeroben Organismen gekennzeichnet.
Klinisch relevante Gattungen umfassen unter anderem:
- Clostridium spp. (einschließlich neurotoxischer, histotoxischer und enterotoxischer Gruppen)
- Bacteroides spp., insbesondere Bacteroides fragilis
- Fusobacterium spp., einschließlich Fusobacterium necrophorum und Fusobacterium nucleatum
Die Komplexität dieser Infektionen in Verbindung mit den hohen Anforderungen vieler Anaerobier stellt für routinemäßige Diagnoselabore weiterhin eine Herausforderung dar.
Die Entwicklung der Ganz-Genom-Sequenzierung
Sequenzierungstechnologien haben sich in den letzten Jahrzehnten erheblich weiterentwickelt – von frühen Arbeiten zur DNA-Struktur durch Rosalind Franklin sowie der Beschreibung der Doppelhelix durch James Watson und Francis Crick, bis hin zur Entwicklung der Sanger-Sequenzierung durch Frederick Sanger.
Moderne Ansätze umfassen heute:
- Short-Read-Sequenzierung, die in klinischen Labors weit verbreitet sind
- Long-Read-Sequenzierung, die eine vollständigere Genomassemblierung ermöglicht
- Echte Ganz-Genom-Sequenzierung, die hochauflösende genomische Daten liefert
Diese Entwicklung hat einen Wandel von der gezielten Genanalyse hin zur umfassenden Genomcharakterisierung ermöglicht, was erhebliche Auswirkungen auf die klinische Mikrobiologie hat.
Auswirkungen auf die klinische Diagnostik
Ein zentrales Thema der Sitzung war der transformative Einfluss von WGS auf diagnostische Arbeitsabläufe.
Traditionelle Typisierungsmethoden sind häufig zeitaufwendig und umfassen mehrere Schritte, die Wochen in Anspruch nehmen können. Genomische Verfahren hingegen liefern detailliertere Ergebnisse in deutlich kürzerer Zeit, oft innerhalb weniger Tage.
WGS ermöglicht:
- Eine erhöhte Auflösung und Genauigkeit bei der Identifikation von Mikroorganismen
- Den schnellen Abgleich mit globalen genomischen Datenbanken
- Schnellere und fundiertere Entscheidungen in Klinik und Infektionskontrolle
- Perspektivisch die direkte Anwendung auf klinische Proben
Während die Kultur nach wie vor ein entscheidender Bestandteil des diagnostischen Verfahrens ist, verändert die Integration von WGS grundlegend die Herangehensweise von Laboren an die mikrobielle Charakterisierung.
Fortschritte bei der Artenidentifizierung und -klassifizierung
Die Ganz-Genom-Sequenzierung hat unser Verständnis der anaeroben Taxonomie erheblich erweitert.
Zu den wichtigsten Fortschritten zählen:
- Identifikation neuer Arten durch genomische Analysen
- Verfeinerung und Neuklassifizierung bestehender Arten zur Verbesserung der taxonomischen Genauigkeit
- Ein besseres Verständnis der genomischen Vielfalt innerhalb von Arten
Ein bekanntes Beispiel ist die Neuklassifizierung von Clostridium difficile zu Clostridioides difficile, die dessen eigenständige genetische Identität und evolutionäre Abstammungslinie widerspiegelt.
Die WGS hat zudem wichtige Unterschiede innerhalb von Arten wie Bacteroides fragilis aufgezeigt, bei denen genetisch unterschiedliche Untergruppen abweichende Resistenzmechanismen und Stoffwechselprofile aufweisen.
Typisierung und Überwachung
WGS hat einen grundlegenden Fortschritt in der bakteriellen Typisierung und Überwachung ermöglicht.
An der UKARU wurden traditionelle Methoden wie die PCR-Ribotypisierung bei bestimmten Organismen durch WGS ersetzt. Dies erlaubt:
- Hochauflösende Stammdifferenzierung
- Zuordnung zu genomischen Clustern auf Basis von SNP-Analysen
- Verbesserte Erkennung von Übertragungsereignissen und Ausbrüchen
Auch die Durchlaufzeiten haben sich deutlich verbessert: Viele Sequenzierungsabläufe liefern Ergebnisse nun innerhalb von 7–10 Tagen, oft sogar schneller.
Diese verbesserte Auflösung unterstützt eine effektivere Infektionsprävention und -kontrolle sowie eine robustere epidemiologische Überwachung.
Antibiotikaresistenz: Nachweis und Entwicklung
Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich von WGS ist der Nachweis und die Charakterisierung von Antibiotikaresistenzen (AMR).
WGS ermöglicht:
- Die Identifikation neuer Resistenzgene
- Ein besseres Verständnis von Resistenzmechanismen und deren Entwicklung
- Den Nachweis multiresistenter Stämme, insbesondere bei Bacteroides-Arten
- Detection of multi-drug resistant strains, particularly in Bacteroides species
- Die Überwachung von Resistenztrends auf Populationsebene
Ein wichtiger Punkt, der in der Sitzung hervorgehoben wurde, ist jedoch, dass die genotypische Vorhersage der Resistenz die phänotypische Empfindlichkeitsprüfung noch nicht vollständig ersetzt. Die Korrelation genomischer Daten mit klinischen Breakpoints ist nach wie vor ein aktuelles Forschungsgebiet.
Die fortgesetzte Anwendung robuster Empfindlichkeitsprüfungsmethoden neben der WGS bleibt unerlässlich, um eine genaue klinische Interpretation zu gewährleisten.
Horizontaler Gentransfer und genetische Mobilität
Die Ganz-Genom-Sequenzierung liefert zudem neue Erkenntnisse über den horizontalen Gentransfer (HGT) bei anaeroben Bakterien.
Dazu gehören:
- Der Transfer von Resistenzgenen zwischen verschiedenen Arten
- Die Rolle mobiler genetischer Elemente wie Transposons und Plasmide
- Hinweise auf Genaustausch innerhalb einzelner klinischen Proben
Diese Erkenntnisse haben erhebliche Auswirkungen auf die Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen und unterstreichen die Dynamik anaerober mikrobieller Populationen.
Über Infektionen hinaus: Anaerobier in Gesundheit und Krankheit
Neben ihrer Rolle als Krankheitserreger sind anaerobe Bakterien auch essenziell für die menschliche Gesundheit und Krankheit.
WGS hat wichtige Einblicke geliefert in:
Kolonisationsresistenz und Funktion des Mikrobioms
Anaerobier produzieren kurzkettige Fettsäuren, die entscheidend für die Aufrechterhaltung der Kolonisationsresistenz und die Verhinderung einer übermäßigen Vermehrung von Krankheitserregern sind. Genomanalysen unterstützen die Auswahl spezifischer Stämme für potenzielle probiotische Anwendungen.
Krankheitsassoziationen
WGS hilft dabei, Zusammenhänge zwischen Anaerobiern und einer Reihe von Erkrankungen zu charakterisieren, darunter:
- Entzündliche Darmerkrankungen (Faecalibacterium prausnitzii)
- Darmkrebs (Fusobacterium nucleatum)
- Adipositas und Stoffwechselstörungen
- Bakterielle Vaginose und Ansprechen auf die Behandlung
- Parodontale Erkrankungen und systemische Entzündungen
Diese Erkenntnisse tragen zu einem differenzierteren Verständnis des Mikrobioms und seiner Bedeutung für die Gesundheit bei.
Wichtige Erkenntnisse
Abschließend hob Trefor Morris folgende Kernaussagen hervor:
- Die Ganz-Genom-Sequenzierung verändert das Verständnis anaerober Bakterien
- WGS verbessert Diagnostik, Typisierung und Überwachung bei gleichzeitig verkürzten Durchlaufzeiten
- Die Antibiotikaresistent entwickelt sich weiter, einschließlich zunehmender Multiresistenzen
- Genotypische Methoden ersetzen phänotypische Tests derzeit nicht vollständig
- Anaerobier spielen eine bedeutende Rolle sowohl bei Krankheiten als auch in der Gesundheit
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