Falsch-positive Ergebnisse bei Krankheitserregertests verhindern

Falsch-positive Ergebnisse bei der Erkennung von Krankheitserregern können mit Phagen, die das Auftreten von kreuzreagierenden Bakterien bei Erregertests reduzieren, minimiert werden - ein kostspieliges und mühsames Unterfangen, dem nachzugehen ist. Kreuzreagierende Bakterien können zu falsch-positiven Ergebnissen führen und das Wachstum des betreffenden Krankheitserregers hemmen.

Falsch-positive Ergebnisse verursachen zusätzliche Kosten für die Lebensmittelhersteller, zusätzlich zu der zusätzlichen Zeit, die zur Bestätigung der Ergebnisse benötigt wird. Gemäß den ISO/FDA/USDA-Standards beginnt der Prozess der Bestätigung von Testergebnissen mit der Ausstreuung selektiver Agarplatten von der mutmaßlich positiven Probe. Diese Agarplatten müssen zwei Tage lang bebrütet werden, um festzustellen, ob es sich wirklich um eine positive Probe handelt, und zwar bei einer anderen Temperatur als bei Routineproben. Wenn ein Labor nicht über einen zusätzlichen Inkubator verfügt, muss der Hauptinkubator beiseite gestellt und auf die erforderliche Temperatur eingestellt werden, was Ausfallzeiten bedeutet, da der Inkubator nicht für Anreicherungen verwendet werden kann. Ein weiterer Nachteil des Bestätigungsschritts ist, dass die selektiven Agarplatten Geld kosten. Da sie nur eine sehr begrenzte Haltbarkeit haben, ist es schwierig, sie auf Lager zu halten. Insgesamt erfordern falsch-positive Tests unnötig viel Zeit und Geld.

Das Problem der falsch-positiven Ergebnisse

Falsch-positive Ergebnisse können bei jeder Methode zum Nachweis von Krankheitserregern auftreten. Dabei spielt es keine Rolle, ob es sich um eine DNA, eine biochemische oder eine immunologische Technologie handelt. Sie alle haben mit dem gleichen Problem zu tun: höhere Empfindlichkeit gegenüber höherer Selektivität. Ein guter Ansatz ist es, kreuzreagierende Bakterien vor dem Nachweis zu eliminieren, und zu diesem Zweck werden Antibiotika eingesetzt. Aber für die meisten Anwendungen fehlt es den Antibiotika an Selektivität.

Überwindung des Selektivitätsproblems

Bakteriophagen (oder Phagen) sind die am häufigsten vorkommenden Organismen in unserer Umwelt und kommen in großer Zahl in Wasser, Lebensmitteln und verschiedenen anderen Quellen vor. Sie wurden 1917 von dem kanadischen Biologen Félix Hubert d'Hérelle entdeckt. Ihr Name bedeutet "Bakterienfresser", was in etwa beschreibt, was sie tun. Bakteriophagen haben eine hohe Wirtsspezifität und heften sich an Bakterien. Der große Vorteil des Einsatzes von Phagen ist, dass sie für Menschen, Tiere und Pflanzen unschädlich sind. In der Tat sind Menschen durch den Verzehr von Lebensmitteln oder Wasser routinemäßig Phagen ausgesetzt, ohne dass dies negative Auswirkungen hat. Phagen können als die "natürlichen Feinde" der Bakterien bezeichnet werden, für die sie spezifisch sind. In verarbeitetem Fleisch und Fleischerzeugnissen befinden sich etwa 108 Phagen pro Gramm. Auch im menschlichen Magen-Darm-Trakt sind Phagen in großer Zahl vorhanden. Bevor Antibiotika allgemein verfügbar waren, wurden Phagen zur Behandlung bakterieller Infektionen eingesetzt.

Seit Jahrzehnten eingesetzt

Die sogenannte Phagentherapie wurde in den USA und der ehemaligen UdSSR entwickelt. Noch während in der westlichen Welt Antibiotika entwickelt wurden, setzte der ehemalige Sowjetblock seine Forschung zur Phagentherapie fort. In der Zeit nach dem Kalten Krieg wurden die Forschungsaktivitäten zu Phagen in Georgien fortgesetzt, wo sie auch heute noch durchgeführt werden. Phagen haben eine sehr hohe Spezifität für ihre Wirtsbakterien, eine Eigenschaft, die potenziell interessante Anwendungen für Lebens- und Futtermittel sowie für die Biotech-Industrie bietet. Heute werden Phagen als Zusatzstoffe zur Eliminierung pathogener Organismen in Lebensmitteln, als Instrument zum Nachweis von Bakterien oder als Ergänzung im Romer Labs SELECT™-Mediensystem eingesetzt, um die konkurrierende Bakterienflora zu reduzieren oder sogar zu eliminieren, so dass die pathogenen Zielbakterienarten bis zu einem nachweisbaren Niveau wachsen können. Sie sind selektiver als Antibiotika und die Mikroben entwickeln keine Resistenz gegen sie.

Identifizierung kreuzreaktiver Bakterien

Um Phagen zu identifizieren, die in selektiven Anreicherungsmedien oder anderen Anwendungen eingesetzt werden können, um konkurrierende Bakterien zu hemmen oder sogar abzutöten, lautet die entscheidende Frage: Wie kann ich sie überhaupt finden? Am besten beginnen Sie mit der Untersuchung von Lebens- oder Futtermittelproben, denn diese Testmaterialien enthalten Bakterien, die bei der Anreicherung gehemmt werden sollten. Bakterienstämme, die mit dem gesuchten Erreger entfernt verwandt sind, sind nicht das Ziel der Phagen, aber Stämme, die eng mit dem Zielerreger verwandt sind, könnten falsch-positive Ergebnisse verursachen.

Transgene? Keineswegs!

Nachdem die kreuzreagierenden Hintergrundbakterien identifiziert wurden, besteht der nächste Schritt darin, nach einem Phagen zu suchen, der gegen sie wirken kann. Phagen sind überall zu finden, z. B. in Rohabwasser, Oberflächenwasser, Lebensmitteln und in der Landwirtschaft. Der einfachste Weg, sie zu extrahieren, wenn es sich um eine verkaufte Matrix handelt, ist die Zentrifugation. Auf diese Weise bleiben die Phagen im Überstand, während andere Bestandteile wie Bakterien ein Pellet am Boden des Behälters bilden. Dieser Überstand enthält ein heterogenes Gemisch aus verschiedenen Phagen. Als nächstes werden die verschiedenen Phagen isoliert und der bakterielle Wirt, den sie infizieren, muss bestimmt werden. Dies kann durch die so genannte "Soft-Agar-Technik" oder durch einfaches "Spotting" geschehen. Bei dieser Technik wird ein Bakterienrasen auf eine herkömmliche Agarplatte aufgebracht und die Phagenüberstände werden auf den Bakterienrasen getupft. Nach einer Inkubation über Nacht bilden die Phagen Plaques (oder Ablagerungszonen), die mit dem bloßen Auge sichtbar sind. Plaques sind Zonen, in denen die Phagen die Bakterien durch eine lytische Reaktion abgetötet haben. Jetzt können die Phagenklone aus dem Agar isoliert werden, was bedeutet, dass sie alle Kopien desselben Phagenstamms sind.

Wie Phagen helfen

Es ist nun an der Zeit, die besten Phagen für die Abtötung kreuzreagierender Bakterien in Pathogenanreicherungen zu finden. Dazu testen wir die Phagen sowohl gegen die kreuzreagierenden Bakterien als auch gegen den Zielerreger. Ein Mikrotiterformat wird bevorzugt, um die Kosten zu minimieren und die Tests zu beschleunigen. Eine sichtbare lytische Reaktion in einer Vertiefung zeigt an, dass der Phage gegen die Bakterien wirksam ist. Nach mehreren Laborversuchen können schließlich geeignete Phagen identifiziert werden - das sind Phagen, die das Wachstum eng verwandter Bakterienstämme hemmen und gleichzeitig das Wachstum des Zielerregers nicht beeinträchtigen. Diese Phagen können dann verwendet werden, um kreuzreagierende Bakterien in Testsystemen zum Nachweis von Krankheitserregern zu eliminieren und so die Häufigkeit falsch-positiver Signale in einem Programm zur Überwachung von Krankheitserregern zu verringern und somit viel Geld und Zeit zu sparen.