Wenn Sie sich diesen Artikel vorlesen lassen wollen benutzen Sie den Accesskey + v, zum beenden können Sie den Accesskey + z benutzen.

16. Juni 2012 00:03 Uhr

Mikrobiologie

Die Spur der Keime 

Ehec, Grippe, Cholera: Wie Forscher sich gefährlichen Krankheitserregern auf die Fährte heften wollen. Ihre Vision: eine Art Infektions-Wetterkarte, die vor Epidemien warnen, ehe sie ausbrechen.

Zuerst waren es nur ein paar Patienten. Sie klagten über Bauchschmerzen, mussten sich immer wieder übergeben und litten an blutigem Durchfall. Wenig später waren in der Hamburger Klinik alle Plätze für künstliche Beatmung belegt, die Intensivstation voll. Im Krankenhaus herrschte Ausnahmezustand. Die Ärzte arbeiteten bis an den Rand der Erschöpfung und konnten doch häufig nur zuschauen, wie der Zustand der Patienten sich weiter verschlechterte.

Wer ihnen und ihren Patienten diesen ganzen Ärger bereitete, versuchte unterdessen ein Team in China herauszufinden. Holger Rohde, der Mikrobiologe am Krankenhaus, hatte etwas DNS des Ehec-Erregers isoliert und per Kurier nach Shenzhen geschickt. Dort, im Süden Chinas, steht das Beijing Genomics Institute. In der riesigen Sequenzierfabrik spucken Hunderte der neuesten Sequenziermaschinen täglich Billionen Buchstaben des Erbguts von Menschen, Tieren und Pflanzen aus. Rohde wusste: Wenige Institute wären in der Lage, das Erregergenom schneller zu sequenzieren. Die Genomfracht kam in China an einem Freitag an. Nur wenige Tage später meldeten die Chinesen: "Das Erbgut ist entziffert " und machten es online für alle Welt verfügbar. Fast zeitgleich meldete ein Team um Dag Harmsen vom Uniklinikum Münster dasselbe. Innerhalb von Stunden begann eine Armada von Forschern, die Sequenz mit denen anderer Erreger zu vergleichen und die im Erbgut aufgestöberten Achillesfersen und ihre neuen Erkenntnisse über das Waffenarsenal des Erregers in der ganzen Welt über Twitter und Blogs zu verbreiten.

Der Ausbruch zeigte, wie weit die Mikrobiologie gekommen ist. 1995 wurde das erste Erbgut eines Bakteriums entziffert. Dreizehn Monate benötigten die Forscher damals, um die 1,8 Millionen DNA-Buchstaben im Erbgut von Haemophilus influenzae zu lesen (Menschliches Genom: Drei Milliarden). Bei Ehec dauerte es nur wenige Tage. Umso enttäuschender war es für manche Forscher, dass ihre Leistung letztlich keine Menschenleben retten konnte. "Aber bei anderen Ausbrüchen werden solche Daten in Zukunft helfen", prophezeite Harmsen damals.

Nur wenige Wochen später bot sich dem Münsteraner Forscher die Gelegenheit, das zu beweisen: In einem Krankenhaus in Rotterdam war ein Stamm des Bakteriums Klebsiella pneumoniae aufgetaucht, der gegen fast alle Antibiotika resistent war. Mehrere Menschen waren gestorben, und es bestand die Gefahr, dass sich Hunderte Ärzte, Besucher und Patienten anstecken könnten.

Von niederländischen Ärzten erhielt Harmsen zwei Proben. Wenige Tage später war die Gensequenz des Erregers entschlüsselt. Am Computer verglich Harmsen sie mit der von 300 anderen Klebsiella-Bakterien, die bereits sequenziert worden waren. So konnte er zwei Genabschnitte ausfindig machen, die nur der Ausbruchsstamm trug, eine Buchstabenkombination, die ihn so eindeutig identifizierte wie ein Fingerabdruck einen Menschen.

Mit dem Mikrobenmarker entwickelten die Wissenschaftler einen Schnelltest, der an alle Krankenhäuser verteilt wurde. Der große Vorteil: Damit brauchten die Kliniken bei Verdachtsfällen nicht mehr tagelang darauf zu warten, was die Bakterienkulturen ihrer Patientenproben ergaben. Mit dem Schnelltest konnten die Patienten, die sich mit dem neuen Erreger angesteckt hatten, innerhalb von wenigen Stunden identifiziert und damit schnell isoliert werden. "Soweit ich weiß, war das das erste Mal, dass diese Technik fast in Echtzeit genutzt wurde und einen direkten medizinischen Nutzen hatte", sagt Frank Aarestrup vom Zentrum für genomische Epidemiologie an der Technischen Universität in Kopenhagen.

Die dänischen Forscher wollen, dass die Sequenzierung Standard wird. Denn die Genome von Krankheitserregern sind eine immense Wissensquelle. Im Erbgut ist der Bauplan der Bakterien niedergelegt: ihre Angriffswaffen, ihre Verteidigungsstrategien, ihre Schwachpunkte. Sie sind die Quelle für die Macht der Mikroben.

Und sie legen eine Spur, der Forscher folgen können. Schon 2010 zeigte das Simon Harris, ein Wissenschaftler am Wellcome Trust Sanger Institut in Hinxton, England. Mit Kollegen aus Thailand, Portugal und den USA untersuchte er die Verbreitung einer besonders hartnäckigen Variante des Bakteriums Staphylococcus aureus. Der Stamm ist gegen fast alle Antibiotika resistent und deswegen den meisten Krankenhäusern ein Graus.

Als in einem thailändischen Krankenhaus der Keim besonders übel sein Unwesen trieb, gelang es Harris mit seinen genetischen Tricks erstaunlich schnell, den Ursprungsort der Epidemie zu identifizieren. Proben, in denen sich besonders ähnliches Bakterienerbgut fand, stammten von Patienten, die zur selben Zeit in benachbarten Zimmern erkrankt waren. Bei Patienten, die sich an anderen Orten oder später angesteckt hatten, fanden sich weniger eng verwandte Bakterienstämme. Der Keim musste ursprünglich also von diesen beiden Personen stammen.

2011 nutzten die Forscher um Frank Aarestrup die Methode, um den Ursprung eines Ausbruchs in Haiti aufzuklären. Nachdem ein verheerendes Erdbeben 2010 große Teile des Landes verwüstet hatte, brach die Cholera aus. Mehr als 6000 Menschen starben. Epidemiologen hatten bereits vermutet, dass die Krankheit von UN-Soldaten aus Nepal eingeschleppt worden war. Die dänischen Forscher taten sich mit Paul Keim von der Universität von Arizona zusammen und sequenzierten Cholerabakterien von 24 nepalesischen Patienten. Der Vergleich mit dem Erbgut von drei Isolaten aus Haiti und sieben anderen Cholerastämmen bestätigte die Theorie. "Mit den neuen Methoden können wir beobachten, wie sich ein Erreger ausbreitet: von Person zu Person, Klinik zu Klinik, Land zu Land", sagt Stephen Bentley, der an der britischen Staphylococcus-Studie beteiligt war.

Genau das wollen Forscher nun erreichen. Ihre Vision: eine Art Infektions-Wetterkarte, die abbildet, welcher Erreger wo vorkommt, wo sich eine gefährliche Resistenz ausbreitet oder ein besonders bösartiges Bakterium entsteht. Wie der Wetterbericht vor einem Gewitter warnt, soll diese Karte vor Epidemien warnen, ehe sie ausbrechen. "Jedes Mal, wenn ein Arzt eine Probe nimmt und Bakterien findet, sollten sie sequenziert werden", sagt Aarestrup. Das könnten bis zu eine Milliarde Genome im Jahr sein.

Mit dieser Unmenge an Daten umzugehen, ist eine der größten Herausforderungen. Das Team um Aarestrup hat sechs Millionen Euro von der dänischen Regierung bekommen, um Probleme wie dieses anzugehen. In einem Pilotprojekt sollen sie eine Datenbank im kleinen Maßstab aufbauen. Inspiration für die Technik holen sie sich von Online-Spielen wie "World of Warcraft", bei denen Tausende Gamer in einer aufwendigen virtuellen Welt interagieren. Schließlich müssen die Server ständig riesige Mengen an Daten für zahlreiche einzelne Rechner bereitstellen.

"Solche Infektions-Wetterkarten werden kommen, das ist keine Frage", sagt Harmsen. Wie gut sie seien, hänge aber letztlich davon ab, wie viele Sequenzen wirklich in das System eingespeist werden. Dafür sind die Ärzte entscheidend. Denn ohne Ärzte keine Proben und ohne Proben keine Gensequenzen. Aarestrup und andere wollen daher ein System einrichten, das Ärzten auch einen Mehrwert verspricht: Lädt ein Doktor eine Gensequenz hoch, so soll er im Gegenzug einen Bericht erhalten, der das Bakterium beschreibt: Wie gefährlich der Erreger ist, gegen welche Antibiotika er resistent ist, wo der Stamm sonst schon aufgetaucht ist. "Bioinformatik für Dummies", nennt Harmsen sein Konzept.

Forscher wollen allerdings mehr als nur das Erbgut des Bakteriums. Um den größten Nutzen aus so einer Datenbank zu ziehen, sind Metadaten besonders wichtig: Wie alt ist der Patient? Was sind die Symptome? Wo war er auf Reisen? Was hat er gegessen? Skandinavische Länder, die im Umgang mit solchen Daten weniger Probleme haben als andere Länder, könnten auch deshalb die Führung übernehmen.

Eric Schadt, Genetiker an der Mount Sinai School of Medicine in New York, hat im Kleinen schon einmal mit der Erregerkartierung begonnen. In seinem Haus und den Büros des Sequenziermaschinenherstellers Pacific Bioscience, für den er arbeitet, nahm der Forscher zahlreiche Proben. Auf dem Kühlschrankgriff fand er viele Bakterien, die auf Geflügel oder Schweinefleisch leben. Und auf Tischen und Computern im Büro konnte er verfolgen, wie sich die Zusammensetzung der Bakterien und Viren mit der Jahreszeit ändert. Diese Form der Mikrobenüberwachung werde irgendwann gang und gäbe sein, glaubt er.

Sollte das eines Tages der Fall sein, wäre auch ein Ausbruch wie der von Ehec im vergangenen Jahr zu verhindern. Die Bakterien hätten ihr Innerstes preisgegeben, die Mikroben hätten an Macht verloren.

Autor: Kai Kupferschmidt