Detektion und Identifikation von Bakterien anhand ihrer Wärmeabgabe: eine mikrokalorimetrische Untersuchung

Hintergrund: In früheren Arbeiten anderer Autoren war die Mikrokalorimetrie (Methode zur Bestimmung kleinster Wärmeproduktionsraten) zur Detektion einer Keimbesiedelung in Körperflüssigkeiten oder auf Fremdmaterialien eingesetzt worden. Dabei hatten sich auch Hinweise ergeben, dass der Verlauf der Wärmeflusskurven über die Zeit für die jeweiligen Bakterienspezies charakteristisch sein könnte. Fragestellung: Im Rahmen methodischer Voruntersuchungen zur mikrokalorimetrischen Detektion von Katheterinfektionen in der pädiatrischen Intensivmedizin wurden definierte Bakteriensuspensionen auf ihre Wärmeabgabe und den möglicherweise charakteristischen Verlauf der Wärmeflusskurven untersucht. Material und Methoden: Zur Vorkultivierung wurde jeweils eine CFU (Colony Forming Unit) der Bakterienstämme E. coli, P. aeruginosa, S. aureus und S. marcescens in ein steriles Glasgefäß mit 2ml TSB gegeben und über Nacht bei 37°C als Schüttelkultur bei 200 rpm inkubiert. Nach photometrischer Bestimmung der Bakterienkonzentration wurde über Verdünnungsreihen jeweils eine Konzentration von 10⁵ CFU/ml eingestellt. Von diesen Hauptkulturen wurden dann jeweils 3,5ml in eine Edelstahlampulle überführt und über 10 Stunden in einem Mikrokalorimeter (2277 ThermalActivityMonitor, ThermoMetric, Lund, Schweden) unter kontinuierlicher Aufzeichnung der Wärmeflussrate inkubiert. Eine zweite Hauptkultur, die derselben Vorkultur entstammte und ebenfalls 10⁵ CFU/ml aufwies, wurde parallel dazu als Schüttelkultur bei 37°C und 200 rpm inkubiert, um ein unterschiedliches Wachstumsverhalten in der mikrokalorimetrischen „Batch“- und der mikrobiologischen Schüttelkultur zu erfassen. Ergebnisse und Diskussion: Es entstanden hochreproduzierbare Wärmeflusskurven, die sich zwischen den Bakterienspezies nicht nur in der Höhe der Wärmeabgabe, sondern auch im Kurvenverlauf so deutlich unterschieden, dass sie eine „Blickdiagnose“ erlaubten (siehe Abb.). Die mikrobiologischen Schüttelkulturen erbrachten höhere Keimzahlen als die kalorimetrischen „Batch“-Kulturen; dies deutet darauf hin, dass die charakteristischen Kurvenverläufe auf den artspezifischen Stoffwechselumschaltungen bei der zunehmenden Sedimentation und Substratverarmung in den mikrokalorimetrischen Messampullen beruhen könnten.

Schlussfolgerung: Die Mikrokalorimetrie erlaubt nicht nur eine empfindliche Detektion, sondern offenbar auch eine näherungsweise Identifikation von Bakterien und eröffnet damit neue Möglichkeiten in der Diagnostik z.B. von Katheterinfektionen in der pädiatrischen Intensivmedizin.