Molekularbiologische Sepsisdiagnostik mittels Multiplex-PCR in der chirurgischen Intensivmedizin als geeignete Alternative zur konventionell-mikrobiellen Kultur – ein repräsentativer Überblick

Zusammenfassung

Einleitung: Die Sepsis verursacht eine hohe Morbidität und Mortalität von Intensivpatienten, insbesondere getriggert durch eine nicht selten inadäquate antimikrobielle Initialtherapie. Konventionelle mikrobiologische Standardverfahren sind selten in der Lage, schon innerhalb der ersten Stunden des sich anbahnenden Sepsisgeschehens therapeutisch verwertbare Informationen über bakterielle oder fungale Species von Sepsis-Erregern zu liefern. Multiplex-PCR-Verfahren (PCR-M), ausgerichtet auf das Spektrum der wesentlichsten Sepsis-Erreger, können dieses Zeitintervall entscheidend verkürzen. Diese Tests stehen seit 2005 standardisiert und in kommerzieller Form zur Verfügung und wurden erfolgreich in die klinische Praxis eingeführt, wobei im chirurgisch-operativen Fachgebiet hierzu noch einschlägige Zusammenfassungen und schlussfolgernde Empfehlungen fehlen. Ziel, Material und Methode: Kompakte Kurzcharakteristik und selektiv-relevante Literaturübersicht zu kommerziell verfügbaren Sepsis-Multiplex-PCR-Verfahren in kritischer Reflexion ihrer Inauguration, klinischen Wertigkeit und Zukunftsoptionen unter Einbeziehung eigener praktischer und Studienerfahrungen. Ergebnisse: Multiplex-PCR-Verfahren bei erwachsenen Sepsis-Patienten ergeben zwischen 13,7 und 39,9 % positive Befunde, Blutkulturen hingegen lediglich zwischen 8 und 29,9 %. Zwischen 8 und 16,9 % aller durchgeführten Untersuchungen führt ein positiver PCR-M-Befund zur Änderung der antimikrobiellen Therapie. Eine prospektive Studie mit dem Endpunkt der Reduktion der Sepsis-Mortalität existiert allerdings noch nicht. Positive PCR-M-Befunde korrelieren mit einer erhöhten Morbidität und Mortalität sowie mit klinischen und paraklinischen Sepsis-Parametern. Bisher durchgeführte Studien folgen meist dem Ziel, Multiplex-PCR-Verfahren auf Sepsis-Erreger hinsichtlich Spezifität und Sensitivität mit dem „Goldstandard“ Blutkultur zu vergleichen. Einige Studien verzichten jedoch wegen der Unterschiedlichkeit der Verfahren darauf, wobei der Bezug auf die Blutkultur als Goldstandard inzwischen rein methodisch als problematisch angesehen wird. Bisher publizierte Studien zur Multiplex-PCR bei häufig sehr heterogenen Patientengruppen wurden meist mit dem Lightcycler-Septifast®-Test (LC-SF) erfolgreich durchgeführt. Das Verfahren bewies eine verbesserte Nachweisrate von Sepsis-Erregern, gute Konkordanz positiver PCR-M-Befunde mit klinischen und paraklinischen Sepsis-Parametern und erhebliche Zeitersparnis bei der mikrobiellen Species-Bestimmung, einhergehend mit der weit zeitnäheren Initiierung einer adäquaten antimikrobiellen Therapie. Schlussfolgerung: Die bisher verfügbaren Studiendaten plädieren dafür, Untersuchungen zu diesen molekularbiologischen Verfahren zukünftig eher auf einen Standard, basierend auf dem LC-SF, zu beziehen. Positive PCR-M-Befunde können mittlerweile als Sepsis-Marker gelten. 

Abstract

Introduction: Sepsis causes a substantial rate of morbidity and mortality in intensive care patients, which is, in particular, triggered by an inadequate antimicrobial treatment from the beginning. Conventional microbiological standard procedures cannot provide valuable information on bacterial or fungal species of sepsis-relevant microbes within the first hours of a developing sepsis. However, multiplex PCR (PCR-M) focussing on the spectrum of the most relevant sepsis-associated microbes can considerably shorten the time period; the analytical tests have been standardised and, subsequently, inaugurated into clinical practice; they also have thus been available since 2005. Interestingly, in the surgical field an appropriate summary and concluding recommendation have been lacking so far. Aim, Material and Methods: A compact short overview based on a characteristic selection of relevant references from the literature is given on the commercially available sepsis-associated multiplex-PCR methods, reflecting critically the time point of inauguration, clinical value and future perspectives including our own experiences from clinical practice and medical studies. Results: Multiplex PCR in adult sepsis patients yielded in a range from 13.7 to 39.9 % of positive findings, whereas conventional blood cultures only range from 8 to 29.9 %. From 8 to 16.9 % of all investigations performed prompted us to a change of the antimicrobial treatment by using a positive PCR-M finding. A prospective study (end-point, reduction of sepsis-associated mortality) has not yet been initiated. Positive PCR-M findings correlate with an increased morbidity and mortality as well as clinical and laboratory sepsis parameters. Recent studies have aimed for a comparison of PCR-M on sepsis-associ­ated microbes with regard to specificity and sensitivity with the current “gold standard”, conventional blood culture. A few studies wrongly claimed to compare the methods because of the difference in the procedures; in addition, blood culture as gold standard has been increasingly considered as very problematic from a methodological point of view. Recent publications on multiplex-PCR studies in frequently heterogenic groups of patients have been mostly performed with the Lightcycler-Septifast® test (LC-SF) with great success. The procedure has provided evidence of an improved detection rate of sepsis-associated microbes, favourable concordance of positive PCR-M findings with clinical and laboratory sepsis parameters and substantial time-saving in the microbiological analysis of the specific microbial species, which is simultaneously associated with an earlier initiation of an adequate antimicrobial treatment regimen. Conclusion: The available study data suggest that systrematic investigations on the molecular biological procedures should be rather related to a different standard based on the LC-SF. Positive PCR-M findings have been accepted as a sepsis marker in the mean time. 

Schlüsselwörter

Molekularbiologie - Sepsis - Intensivmedizin - Multiplex-PCR - Lightcycler-Septifast®-Test

Key words

molecular biology - sepsis - intensive care medicine - multiplex PCR - Lightcycler-Septifast® test

Literatur

• 1 Engel C, Brunkhorst F M, Bone H G et al. Epidemiology of sepsis in Germany: results from a national prospective multicenter study.  Intensive Care Med. 2007;  33 606-618
• 2 Reinhart K, Brunkhorst F M, Bone H G et al. Prävention, Diagnose, Therapie und Nachsorge der Sepsis.  1. Revision der S-2k Leitlinien der Deutschen Sepsis-Gesellschaft e. V. (DSG) und der Deutschen Interdisziplinären Vereinigung für Intensiv- und Notfallmedizin (DIVI). Anaesthesist. 2010;  59 347-370
• 3 Rivers E, Nguyen B, Havstad S Early Goal-Directed Therapy Collaborative Group et al.. Early goal-directed therapy in the treatment of severe sepsis and septic shock.  N Engl J Med. 2001;  345 1368-1377
• 4 Kollef M H, Sherman G, Ward S et al. Inadequate antimicrobial treatment of infections: a risk factor for hospital mortality among critically ill patients.  Chest. 1999;  115 462-474
• 5 Ibrahim E H, Sherman G, Ward S et al. The influence of inadequate antimicrobial treatment of bloodstream infections on patient outcomes in the ICU setting.  Chest. 2000;  118 146-155
• 6 Harbarth S, Garbino J, Pugin J et al. Inappropriate initial antimicrobial therapy and its effect on survival in a clinical trial of immunomodulating therapy for severe sepsis.  Am J Med. 2003;  115 529-535
• 7 Kollef M H. Inadequate Antimicrobial Treatment: An Important Determinant of Outcome for Hospitalized Patients.  Clin Infect Dis. 2000;  31 131-138
• 8 Kumar A, Roberts D, Wood K E et al. Duration of hypotension before initiation of effective antimicrobial therapy is the critical determinant of survival in human septic shock.  Crit Care Med. 2006;  34 1589-1596
• 9 Morrell M, Fraser V J, Kollef M H. Delaying the Empiric Treatment of Candida Bloodstream Infection until Positive Blood Culture Results Are Obtained: a Potential Risk Factor for Hospital Mortality.  Antimicrob Agents Chemother. 2005;  49 3640-3645
• 10 Garey K W, Rege M, Pai M P et al. Time to initiation of fluconazole therapy impacts mortality in patients with candidemia: a multi-institutional study.  Clin Infect Dis. 2006;  43 25-31
• 11 Hadley S, Lee W W, Ruthazer R et al. Candidemia as a cause of septic shock and multiple organ failure in nonimmunocompromised patients.  Crit Care Med. 2002;  30 1808-1814
• 12 Schrenzel J. Clinical relevance of new diagnostic methods for bloodstream infections.  Int J Antimicrob Agents. 2007;  30 2-6
• 13 Sands K E, Bates D W, Lanken P N et al. Epidemiology of Sepsis Syndrome in 8 Academic Medical Centers.  JAMA. 1997;  278 234-240
• 14 Seifert H, Abele-Horn M, Fätkenheuer G et al. MiQ: Qualitätsstandards in der mikrobiologisch-infektiologischen Diagnostik. MiQ Grundwerk Heft 1–25 / MIQ 03a: Blutkulturdiagnostik – Sepsis, Endokarditis, Katheterinfektionen (Teil I). Qualitätsstandards in der mikrobiologisch-infektiologischen Diagnostik. München: Urban & Fischer in Elsevier; 2007
• 15 Mancini N, Clerici D, Diotti R et al. Molecular diagnosis of sepsis in neutropenic patients with haematological malignancies.  J Med Microbiol. 2008;  57 601-604
• 16 Louie R F, Tang Z, Albertson T E et al. Multiplex polymerase chain reaction detection enhancement of bacteremia and fungemia.  Crit Care Med. 2008;  36 1487-1492
• 17 Vince A, Lepej S Z, Barsić B et al. LightCycler SeptiFast assay as a tool for the rapid diagnosis of sepsis in patients during antimicrobial therapy.  J Med Microbiol. 2008;  57 1306-1307
• 18 Bloos F, Sachse S, Schmidt K H et al. Nucleic acid amplification-based pathogen detection in the blood of severe sepsis patients.  Critical Care. 2008;  12 P43
• 19 Lodes U, Meyer F, König B et al. Mikrobiologisches Sepsis-Screening chirurgischer Intensivpatienten mit dem „Lightcycler“ Septifast-Test – eine Pilotstudie.  Zentralbl Chir. 2009;  134 249-253
• 20 Westh H, Lisby G, Breysse F et al. Multiplex real-time PCR and blood culture for identification of bloodstream pathogens in patients with suspected sepsis.  Clin Microbiol Infect. 2009;  15 544-551
• 21 Dierkes C, Ehrenstein B, Siebig S et al. Clinical impact of a commercially available multiplex PCR system for rapid detection of pathogens in patients with presumed sepsis.  BMC Infect Dis. 2009;  9 126
• 22 Paolucci M, Capretti M G, Dal Monte P et al. Laboratory diagnosis of late-onset sepsis in newborns by multiplex real-time PCR.  J Med Microbiol. 2009;  58 533-534
• 23 Wellinghausen N, Kochem A J, Disqué C et al. Diagnosis of Bacteremia in Whole-Blood Samples by Use of a Commercial Universal 16S rRNA Gene-Based PCR and Sequence Analysis.  J Clin Microbiol. 2009;  47 2759-2765
• 24 Lehmann L E, Alvarez J, Hunfeld K P et al. Potential clinical utility of polymerase chain reaction in microbiological testing for sepsis.  Crit Care Med. 2009;  37 3085-3090
• 25 Wallet F, Nseir S, Baumann L et al. Preliminary clinical study using a multiplex real-time PCR test for the detection of bacterial and fungal DNA directly in blood.  Clin Microbiol Infect. 2010;  16 774-779
• 26 Tsalik E L, Jones D, Nicholson B et al. Multiplex PCR to diagnose bloodstream infections in patients admitted from the emergency department with sepsis.  J Clin Microbiol. 2010;  48 26-33
• 27 Lehmann L E, Hunfeld K P, Steinbrucker M et al. Improved detection of blood stream pathogens by real-time PCR in severe sepsis.  Intensive Care Med. 2010;  36 49-56
• 28 Yanagihara K, Kitagawa Y, Tomonaga M et al. Evaluation of pathogen detection from clinical samples by real-time polymerase chain reaction using a sepsis pathogen DNA detection kit.  Crit Care. 2010;  14 R159
• 29 Avolio M, Diamante P, Zamparo S et al. Molecular identification of bloodstream pathogens in patients presenting to the emergency department with suspected sepsis.  Shock. 2010;  34 27-30
• 30 Bloos F, Hinder F, Becker K et al. A multicenter trial to compare blood culture with polymerase chain reaction in severe human sepsis.  Intensive Care Med. 2010;  36 241-247
• 31 Lamoth F, Jaton K, Prod'hom G et al. Multiplex blood PCR in combination with blood cultures for improvement of microbiological documentation of infection in febrile neutropenia.  J Clin Microbiol. 2010;  48 3510-3516
• 32 Obara H, Aikawa N, Hasegawa N et al. The role of a real-time PCR technology for rapid detection and identification of bacterial and fungal pathogens in whole-blood samples.  J Infect Chemother. 2010;  Oct 26 [Epub ahead of print]
• 33 Maubon D, Hamidfar-Roy R, Courby S et al. Therapeutic impact and diagnostic performance of multiplex PCR in patients with malignancies and suspected sepsis.  J Infect. 2010;  61 335-342
• 34 Hunfeld K P, Bingold T, Brade V et al. Molekularbiologischer Erregernachweis bei Patienten mit Sepsis.  Anaesthesist. 2008;  57 326-337
• 35 Peters R P, van Agtmael M A, Danner S A et al. New developments in the diagnosis of bloodstream infections.  Lancet Infect Dis. 2004;  4 751-760
• 36 Cockerill 3rd F R. Application of rapid-cycle real-time polymerase chain reaction for diagnostic testing in the clinical microbiology laboratory.  Arch Pathol Lab Med. 2003;  127 1112-1120
• 37 Gilbert G L. Molecular diagnostics in infectious diseases and public health microbiology: cottage industry to postgenomics.  Trends Mol Med. 2002;  8 280-287
• 38 Wellinghausen N, Wirths B, Franz A R et al. Algorithm for the identification of bacterial pathogens in positive blood cultures by real-time LightCycler polymerase chain reaction (PCR) with sequence-specific probes.  Diagn Microbiol Infect Dis. 2004;  48 229-241
• 39 Lehmann L E, Hunfeld K P, Emrich T et al. A multiplex real-time PCR assay for rapid detection and differentiation of 25 bacterial and fungal pathogens from whole blood samples.  Med Microbiol Immunol. 2008;  197 313-324
• 40 Mancini N, Carletti S, Ghidoli S et al. The Era of Molecular and Other Non-Culture-Based Methods in Diagnosis of Sepsis.  Clin Microbiol Rev. 2010;  23 235-251
• 41 Sandiumenge A, Diaz E, Bodi M et al. Therapy of ventilator-associated pneumonia. A patient-based approach based on the ten rules of “The Tarragona Strategy”.  Intensive Care Med. 2003;  29 876-883
• 42 Bodmann K F, Grabein B. Expertenkommission der Paul-Ehrlich-Gesellschaft für Chemotherapie e. V . Empfehlungen zur kalkulierten parente­ralen Initialtherapie bakterieller Erkrankungen bei Erwachsenen – Update 2010.  Chemother J. 2010;  19 179-255
• 43 Bodmann K F. Expertenkommission der Infektliga . Komplizierte intraabdominelle Infektionen: Erreger, Resistenzen. Empfehlungen der In­fektliga zur Antibiotikatherapie.  Chirurg. 2010;  81 38-49
• 44 Welte T. PCR-Erregerdiagnostik bei Sepsis Technische Validität und klinische Relevanz.  Intensivmed. 2010;  47 463