Die Identifizierung von Bakterien und Antibiotikaresistenzen erfordert in der klassischen Diagnostik oft viele Stunden oder Tage, während sich Erreger weiter vermehren. Eine Streulichtanalyse, die Dr. Anne-Sophie Munser am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF entwickelt hat, verkürzt diesen Prozess deutlich und ermöglicht eine Analyse bereits in frühen Zellstadien.
Grundlage ist eine photonikbasierte Messmethode, bei der einzelne Mikroorganismen über ihre Lichtstreuung charakterisiert werden. Dadurch lassen sich Bakterien und ihre Resistenzen innerhalb von rund drei Stunden bestimmen, ohne dass zuvor große Zellmengen kultiviert werden müssen. Für diese Arbeit wurde Munser mit dem dritten Platz des Hugo-Geiger-Preises ausgezeichnet.
Lichtstreuung ersetzt zeitaufwendige Kultivierung
Die entwickelte Streulichtanalyse greift auf die winkelaufgelöste Streulichtmessung zurück, ein Verfahren aus der optischen Messtechnik, das ursprünglich zur Detektion feinster Defekte auf hochglatten Oberflächen wie Spiegeln oder Linsen eingesetzt wird. Die Übertragung dieses Ansatzes auf biologische Systeme erfolgte im Rahmen der Dissertation von Anne-Sophie Munser in der Abteilung „Funktionelle Oberflächen und Schichten“ am Fraunhofer IOF und verlagert den Fokus von technischen Strukturen hin zu einzelnen Mikroorganismen. Am 18. März wurde Anne-Sophie Munser für diese Arbeit im Rahmen des Fraunhofer-Netzwert-Symposiums in München mit dem dritten Platz des Hugo-Geiger-Preises ausgezeichnet.
Während klassische Verfahren darauf angewiesen sind, ausreichend große Zellkolonien zu kultivieren, setzt die Methode deutlich früher an. In einer mikrofluidischen Probenführung lassen sich bereits die ersten zwei bis drei Zellteilungen beobachten, wodurch mikrobiologische Prozesse in einem Stadium zugänglich werden, das in der Diagnostik bislang kaum genutzt wird. Auf diese Weise reduziert sich die Zeit bis zur Identifizierung von Bakterien und möglichen Resistenzen auf etwa drei Stunden, während einzelne Zellen in Sekundenbruchteilen erfasst werden.
Optische Signaturen ermöglichen differenzierte Analyse
Für die Untersuchung wird ein Laserstrahl gezielt auf einzelne Zellen gerichtet, deren Struktur, Form und Oberflächenbeschaffenheit die Streuung des Lichts bestimmen. Aus der entstehenden Verteilung ergibt sich ein charakteristisches Muster, das Rückschlüsse auf verschiedene Eigenschaften der Zellen zulässt und eine Unterscheidung zwischen unterschiedlichen Mikroorganismen ermöglicht.
Die Streulichtanalyse liefert Informationen zu Zelltyp, Oberflächenrauheit und Aggregationsverhalten sowie zu strukturellen Merkmalen bis in den Nanometerbereich. Jede Zelle erzeugt dabei ein spezifisches Muster, das zur Identifizierung von Mikroorganismen herangezogen wird. Auf dieser Grundlage wurde nachgewiesen, dass sich auch die Wirkung von Antibiotika gegenüber verschiedenen Bakterien bereits nach wenigen Stunden bestimmen lässt, wodurch sich diagnostische und therapeutische Entscheidungen deutlich früher treffen lassen.
Vom Laborsystem zur breiten Anwendung
Ergänzend zur Messmethode entstanden spezifische Verfahren zur Auswertung der Streulichtmuster, die auf biologische Fragestellungen zugeschnitten sind und derzeit weiterentwickelt werden. In interdisziplinären Kooperationen wird insbesondere daran gearbeitet, diese Auswertung mithilfe von Künstlicher Intelligenz zu vereinfachen und zu beschleunigen, während parallel die technische Umsetzung vorangetrieben wird.
Das aktuelle System besitzt noch die Größe von etwa zwei Schuhkartons, soll jedoch perspektivisch zu einem kompakten, transportablen Gerät weiterentwickelt werden, bis hin zu integrierten Lab-on-a-Chip-Lösungen. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit bei der Analyse großer Probenzahlen wird die Streulichtanalyse bereits in der Wirkstoffforschung und Infektionsdiagnostik eingesetzt und zeigt darüber hinaus Anwendungsmöglichkeiten in der Lebensmittelkontrolle, der Überwachung der Trinkwasserqualität sowie bei der Untersuchung von Biofilmen oder in der Stammzellendifferenzierung.
