Gefahr im Blut: Wenn jede Minute zählt

Der Albtraum

Erst ist es nur ein Husten. Dann eine Lungenentzündung. Dein Immunsystem versucht sich gegen den Erreger zu wehren: Bakterium, Pilz oder Virus? Eine Lungenentzündung kann viele Ursachen haben. Aber es kommt noch schlimmer: deinem Immunsystem gelingt es nicht, die Infektion unter Kontrolle zu kriegen. Die Erreger vermehren sich. Sie gelangen in deinen Blutkreislauf und damit zu allen lebenswichtigen Organen. Dein Immunsystem reagiert über und greift körpereigene Zellen an. Fieber. Von jetzt an zählt jede Stunde. Deine Organe werden nach und nach geschwächt bis sie versagen. Schmerzen. Atemnot. Dein Herz stoppt.

Die Realität

Klingt nach einem seltenen Horrorszenario? Leider nein. Die beschriebenen Symptome sind die einer Blutvergiftung (Sepsis) und gehören zu den häufigsten Todesursachen. Täglich sterben daran allein in Deutschland etwa 150 Menschen. Nicht nur eine Lungenentzündung, sondern fast jede Art von Infektion (infizierte Wunden, Blasen-, Hirnhaut-, Blinddarmentzündungen,…) können zu einer Blutvergiftung führen. Besonders bei Menschen mit geschwächtem Immunsystem. Sowohl Bakterien, Viren als auch Pilze können zu einer Infektion führen, die sich über die lokale Entzündung hinaus im ganzen Körper ausbreitet. Das Problem dabei: dein Immunsystem reagiert so heftig, dass es auch gegen dich kämpft. Abwehrstoffe, die eigentlich die Erreger töten sollen, zersetzen die Wände der Blutgefäße. Die Organe werden dadurch schlechter durchblutet. Herz, Lunge, Niere und Leber arbeiten nicht mehr richtig oder versagen im schlimmsten Fall ganz.

Jede Minute zählt

Es ist schwierig eine Blutvergiftung als solche zu erkennen. Diese Anzeichen einer Blutvergiftung findet man auch bei vielen Patienten mit anderen Erkrankungen. Leider verläuft die Krankheit aber extrem schnell: mit jeder Stunde, die ohne Behandlung vergeht, sinkt die Überlebenschance um acht Prozent. Deswegen ist es unglaublich wichtig, Methoden zu entwickeln, mit denen man Blutvergiftungen extrem schnell erkennt. Genau genommen muss man zwei Dinge feststellen, um den Patienten richtig behandeln zu können:

1. Ist der Patient an einer Blutvergiftung erkrankt?
2. Welcher Erreger hat die Blutvergiftung ausgelöst?

Denn Bakterien bekämpft man vollkommen anders als Viren und die wiederum anders als Pilze.

Am häufigsten werden Blutvergiftungen durch Bakterien hervorgerufen. Staphylokokken zum Beispiel leben friedlich auf unseren Schleimhäuten. Ist das Immunsystem einer Person geschwächt ist, kann die Besiedlung durch das Bakterium stark zunehmen und zur Blutvergiftung oder einer anderen Infektion führen. Von solch einem Wechsel zwischen ungefährlichem Zusammenleben und lebensbedrohlicher Besiedelung habe ich euch schon aus dem Reich der Pilze berichtet. Und tatsächlich werden Blutvergiftungen immer häufiger durch Pilze (unter anderem auch Candida albicans und Aspergillus fumigatus) verursacht.

Das Muster der Genaktivität

Für jedes Gen, das man untersuchen will, gibt es einen Punkt auf dem Microarray. Dieser Punkt leuchtet umso stärker, je aktiver das Gen.
(By Guillaume Paumier, wiki commons, CC BY-SA 3.0)

Welche Gene in unserem Blut verstärkt oder verringert angeschaltet werden, wenn es zu einer Blutvergiftung kommt, lässt sich messen. Dafür verwendet man sogenannte Microarrays. Für jedes Gen, das man untersuchen will, gibt es auf dem Microarray einen Punkt. Dieser Punkt leuchtet umso stärker, je mehr das Gen abgelesen wurde. Vergleicht man ein Microarray eines gesunden Menschen mit dem eines Patienten, sieht das Punktmuster unterschiedlich aus. Mehr noch, die Punktmuster unterscheiden sich auch für unterschiedliche Erreger. Interessant sind dabei vorallem die Punkte, die zwischen den beiden Microarrays extrem unterschiedlich stark leuchten. Wir bezeichnen diese Gene als „differentiell exprimiert“. Und genau solche differentiell exprimierten Gene können uns sowohl helfen, eine Blutvergiftung zu erkennen, als auch, den Erreger zu bestimmen.

In Jena sitzen die Experten

In den letzten Jahrzehnten gab es nur wenig Fortschritt im Erkennen der Krankheit und des Erregers. Das Zentrum für Innovationskompetenz (ZIK) Septomics in Jena betreibt Grundlagenforschung im Bereich der Blutvergiftung. Gleichzeitig bildet es die Brücke zur klinischen Anwendung am Universitätsklinikum Jena.

Gesund vs. Pilz vs. Bakterium

In Zusammenarbeit mit Bioinformatikern am Hans-Knöll-Institut arbeiten die Forscher an Methoden, um Microarrays für Blutvergiftungen schnell und sicher auszuwerten. Für eine schnelle Analyse ist es besonders wichtig, dass man nicht alle (differentiell exprimierten) Gene untersucht, sondern nur solche, die eindeutig helfen, zwischen gesund, Pilzinfektion und bakterieller Infektion zu unterscheiden. Diese Gene nennt man Biomarker. Für eine durch Pilzinfektion hervorgerufene Blutvergiftung haben die Forscher elf solcher Biomarker Gene gefunden, für eine bakterielle Blutvergiftung sechs und für gesunde Menschen 21 Gene. Viele dieser Gene wurden auch schon von anderen Gruppen als Biomarker für Blutvergiftung erkannt. Auf diesen Genen haben die Forscher einen Klassifikator mittels maschinellem Lernen trainiert. Dieser Klassifikator ist dazu in der Lage, eine Blutvergiftung zu erkennen und zwischen den Mustern einer durch Pilzinfektion hervorgerufenen Blutvergiftung und einer bakteriellen Blutvergiftung zu unterscheiden. Diese Arbeit legt einen der Grundsteine, um eine schnelle Diagnose Methode zu entwickeln und wertvolle Minuten im Kampf gegen die Blutvergiftung zu sparen.

Publikation:

• Dix A, Hünniger K, Weber M, Guthke R, Kurzai O, Linde J
  Biomarker-based classification of bacterial and fungal whole-blood infections in a genome-wide expression study
  Frontiers in Microbiology (2015) 6, 171