Schwere Infektionen erfordern eine schnelle und gezielte Behandlung. Herkömmliche Blutkulturen benötigen jedoch Zeit und verlieren besonders nach Beginn einer Antibiotikatherapie an Aussagekraft. Eine Studie unter Leitung des Universitätsklinikums Jena zeigt nun, wie sich Krankheitserreger mithilfe mikrobieller zellfreier DNA (mcfDNA) direkt aus dem Blutplasma identifizieren lassen. Die Ergebnisse sind im Fachjournal „Genome Medicine“ erschienen.
Bei Infektionen gelangen kleinste Fragmente des Erbguts von Krankheitserregern in die Blutbahn. Diese „mikrobielle zellfreie DNA“, kurz mcfDNA, kann aus Blutplasma isoliert und anschließend sequenziert werden. UKJ-Forscher des Instituts für Infektionsmedizin und Krankenhaushygiene entwickelten dafür einen offenen, vor Ort einsetzbaren Arbeitsablauf auf Basis der Nanopore-Sequenzierung. Von der Probe bis zum Ergebnis benötigt das Verfahren rund zwölf Stunden. Eine vorherige Anzucht der Erreger war für diese Analyse nicht erforderlich.
Besser als die Blutkultur: Erreger von zwei Endokarditis-Fällen bestimmt
In der prospektiven Machbarkeitsstudie untersuchte das Team 18 Patientinnen und Patienten mit Blutstrominfektionen oder dem Verdacht auf eine infektiöse Endokarditis. Bei 16 von 18 Personen stimmte die Erregeridentifizierung mittels mcfDNA-Sequenzierung auf Speziesebene mit der konventionellen mikrobiologischen Diagnostik überein. In zwei mittels Bildgebung ermittelten Endokarditis-Fällen – eine Entzündung der Herzinnenhaut – konnte das neue Verfahren sogar den wahrscheinlichen Erreger (Staphylococcus aureus) identifizieren, obwohl die Blutkultur ohne Befund geblieben war.
An der Studie waren unter anderem die InfectoGnostics-Forscher Micha Banz, Stefan Hagel, Bettina Löffler und Christian Brandt beteiligt. Die Forscher bringen ihre Expertise derzeit auch unter anderem auch in „NEXD“, eines von sieben Leitprojekte des InfectoGnostics Forschungscampus Jena, ein.
Von der Machbarkeitsstudie zur anwendungsnahen Diagnostik
NEXD steht für „Nanoreaktor-Bead-basierte Extraktion von cfDNA zur hypothesenfreien Erregerdiagnostik“. Im Projekt sind die InfectoGnostics-Partner Universitätsklinikum Jena, nanozoo GmbH, BLINK AG und Leibniz-Institut für Photonische Technologien beteiligt. Gemeinsam erforschen die Partner, wie sich zellfreie DNA bei besonders schwer zu diagnostizierenden Infektionen – darunter Endokarditis und invasive pulmonale Aspergillose – effizient gewinnen und analysieren lässt.
Die NEXD-Forscher nutzen hierfür Nanoreaktor-Beads des Projektpartners BLINK AG, um Nukleinsäuren aus größeren Probenvolumina zu extrahieren und für die Sequenzierung und für digitale Multiplex-PCR-Verfahren zugänglich zu machen und KI-gestützte Auswertung der Analysedaten vorzunehmen. Untersucht werden Probenmaterialien wie Plasma, Urin und Abstriche. Ziel ist eine schnellere, möglichst hypothesenfreie Erregerdiagnostik, die perspektivisch auch in klinischen Laboren eingesetzt werden kann.
Analyse von zellfreier DNA ermöglicht auch Monitoring der Antibiotikatherapie
„Die Studie unterstreicht das große Potenzial zellfreier DNA für die Infektionsdiagnostik. Krankheitserreger lassen sich damit schnell und kulturunabhängig aus Patientenproben bestimmen – auch dann, wenn bereits mit einer Antibiotikatherapie begonnen wurde“, sagt der UKJ-Forscher und Gründer der nanozoo GmbH, Dr. Christian Brandt. „Im NEXD-Projekt wollen wir die Technologie weiterentwickeln und die Voraussetzungen dafür schaffen, sie in robuste, klinisch einsetzbare diagnostische Abläufe zu überführen.“
Neben der schnellen Erregeridentifizierung könnte die molekularbiologische und bioinformatische Analyse von zellfreier DNA künftig auch bei der Verlaufskontrolle von Infektionen helfen. In der Studie blieb die Erreger-DNA bei einzelnen Patienten noch bis zu 16 Tage nach Beginn einer gezielten Antibiotikatherapie nachweisbar. Das Signal verschwand erst nach der operativen Entfernung des Infektionsherdes. Perspektivisch könnte die Technologie damit dazu beitragen, den Behandlungserfolg besser zu beurteilen und die Dauer einer Antibiotikatherapie individueller festzulegen.
Originalpublikation:
Banz, M., Hagel, S., Freiburger, S. et al.: Microbial cell-free DNA for rapid pathogen identification in clinical diagnostics: a proof of concept study. Genome Medicine 18, 88 (2026). DOI: 10.1186/s13073-026-01700-3.