Integrierte Genomische Surveillance von Zoonoseerregern (IGS-Zoo)

Die Typisierung bakterieller Infektionserreger mittels Genomsequenzierung (whole genome sequencing, WGS) stellt eine neue, wichtige Entscheidungsgrundlage zur Überwachung und zur Ausbruchsaufklärung dar. Sie trägt dazu bei, die Entstehung und Ausbreitung von Erregern besser zu verstehen und im Gegenzug die Ausbreitung von Infektionen durch spezifische Kontroll- und Interventionsmaßnahmen möglichst schnell einzudämmen. Während einige Länder und Institutionen bereits mit der Implementierung der WGS von Zoonoseerregern begonnen haben, z. B. PulseNet der Centers for Disease Control and Prevention (CDC) in den USA und PulseNet International des European Centre for Disease Prevention and Control (ECDCkurz fürEuropean Centre for Disease Prevention and Control (Europäisches Zentrum für die Prävention und die Kontrolle von Krankheiten)) sowie Public Health England im Vereinigten Königreich (heute UK Health Security Agency and Office for Health Improvement and Disparities), fehlte in Deutschland bislang eine vergleichbare systematische und koordinierte nationale Initiative. Dadurch bestand bisher keine Möglichkeit, frühzeitig und systematisch anhand von Typisierungsdaten die Ausbreitung zoonotischer Erreger zu erkennen und gezielt zu bekämpfen. Die übergeordnete Fragestellung in dem Projekt „Integrierte Genomische Surveillance von Zoonoseerregern (IGS-Zoo)“ ist daher, wie die Überwachung dieser Erreger in Deutschland auf Basis der core genome Multilocus-Sequenztypsierung (cgMLST) aussehen und funktionieren kann. Hierzu sollten Konzepte am Beispiel von enterohämorrhagischen Escherichia coli (EHECkurz fürenterohämorrhagische Escherichia coli), der hoch-virulenten Variante von Shiga Toxin-produzierenden E. colikurz fürEscherichia coli (STECkurz fürShigatoxin-bildende E. coli) als einem prototypischen und - aufgrund seiner hohen VirulenzDialog schließenVirulenzVirulenzZum Glossareintrag und der Fähigkeit, Ausbrüche zu verursachen - äußerst relevanten Zoonoseerreger entwickelt, praktisch erprobt und evaluiert werden. Dabei standen die Verbindungen der verschiedenen Sektoren des Gesundheitssystems (Humanmedizin und Lebensmittelüberwachung (LMÜ)) und deren enge Anbindung an den öffentlichen Gesundheitsdienst (ÖGD) von Anfang an im Vordergrund.

Bei der Bestandsaufnahme der verfügbaren und tatsächlich angewandten Typisierungsmethoden von Zoonoseerregern zeigte sich, dass die aktuell am häufigsten verwendete Methode die Bestimmung der Shiga Toxin (stx)- und Intimin (eae)-kodierenden Gene durch eine Polymerase-Kettenreaktion (PCR) ist. Eine weitergehende Charakterisierung der Erreger mittels Serotypisierung und/oder WGS wäre für epidemiologische Fragestellungen, insbesondere Ausbruchserkennung und –aufklärung, notwendig. Jedoch wird nur von knapp der Hälfte der teilnehmenden Laboratorien eine Serotypisierung mittels Bestimmung der Okurz fürSauerstoff- oder H-Antigene durchgeführt und insgesamt ebenfalls nur knapp die Hälfte der Laboratorien haben intern oder extern Zugang zu WGS. Als häufigstes Hindernis für eine weiterführende STECkurz fürShigatoxin-bildende E. coli/EHECkurz fürenterohämorrhagische Escherichia coli-Typisierung wurde angeführt, dass auch bei eindeutigem Nachweis des stx-Gens mittels PCR eine Isolierung des Erregers aus Probenmaterial oftmals nicht erfolgreich ist. Schulungen bzw. Anreize für die Isolatgewinnung wären also sinnvoll. Die WGS wird in allen teilnehmenden Laboratorien des Bundes genutzt. In den staatlichen Laboratorien der Länder ist die Methode bei knapp einem Viertel der Einrichtungen bereits intern einsetzbar, jedoch können weitere Laboratorien externe Möglichkeiten nutzen. Die meisten der Teilnehmenden, die WGS aktuell nicht einsetzen können, planen jedoch, die Methode in ihrem Laboratorium zu etablieren, wobei Finanzierungsengpässe und der Mangel an qualifiziertem Personal als problematisch bei der Einführung gesehen werden. Parallel zur Erhebung des Status quo wurden – unter Beachtung datenschutzrechtlicher Aspekte – innerhalb des Projekts Standards zum Austausch von isolatspezifischen Sequenz- und Metadaten ausgearbeitet, um eine gemeinsame Basis für den weiteren Projektverlauf zu definieren und die technischen Voraussetzungen für die genomische Surveillance während der angestrebten prospektiven Proof-of-Principle-Studie zu schaffen. Dazu wurden Schnittstellen zwischen der für die genomische Surveillance ausgewählten Software (Ridom SeqSphere+) und einem cgMLST Allel-Nomenklaturserver sowie einer projektinternen Datenbank geschaffen, um einen sicheren Datenaustausch zu gewährleisten. Zusätzlich wurde die Analysesoftware um eine Alert-Funktion erweitert, um sicherzustellen, dass die am Konsortium beteiligten Institutionen zukünftig zeitnah über Häufungs- bzw. Ausbruchssituationen informiert werden und weitere Schritte zur Abklärung möglicher epidemiologischer Zusammenhänge zwischen Isolaten einleiten können. Um eine einheitlich hohe Typisierungsqualität innerhalb des Projekts zu erreichen, wurden von den Teilnehmenden in zwei Ringversuchen je 10 ausgewählte STECkurz fürShigatoxin-bildende E. coli/EHECkurz fürenterohämorrhagische Escherichia coli Isolate (Ausbruchsisolate und Isolate sporadischer Fälle) mittels Genomsequenzierung charakterisiert und unter Surveillance-Aspekten analysiert. Trotz unterschiedlicher Analysepipelines wurde die Typisierung und Clusteranalyse beider Ringversuche von allen Mitgliedern mit einheitlichem Ergebnis durchgeführt. Parallel wurde in zwei Screeningassays ein harmonisiertes Vorgehen zur zügigen Entwicklung von Schnelltests im Rahmen von Ausbruchsuntersuchungen etabliert. Dabei wurden auf Grundlage von single nucleotide Polymorphismen (SNP) zunächst real time PCR-basierte Nachweisverfahren entwickelt und im Anschluss Ausbruchsisolate entweder mittels hochauflösender Schmelzpunkt-Analyse (HRM) und/oder der Nutzung von TaqMan Sonden identifiziert (target vs. non-target Stämme). Letzteres ist trotz eines z. T. sehr unterschiedlichen Vorgehens allen teilnehmenden Projektpartnern innerhalb der vorgegebenen Fristen gelungen. Abschließend wurde das ausgearbeitete Konzept in einer einjährigen Proof-of-Principle-Studie einem Langzeittest unterzogen, wobei mehr als 300 STECkurz fürShigatoxin-bildende E. coli Isolate von den Projektmitgliedern analysiert und über den Konsortiumserver verglichen wurden. Dabei konnten mehrere Häufungen verschiedener Serotypen identifiziert werden, was die Funktionalität des Systems bestätigte. Die dabei erzielten Ergebnisse und Erfahrungen sind im Anschluss in die Ausarbeitung von Arbeitsanweisungen und Schulungsmaterialien für Nutzer und zukünftige Interessenten eingeflossen. Insgesamt lässt sich festhalten, dass das Projekt trotz erschwerter Bedingungen erfolgreich verlaufen ist. Das angestrebte Konzept konnte wie geplant umgesetzt werden, so dass die sektorübergreifende Surveillance für STECkurz fürShigatoxin-bildende E. coli ermöglicht wurde. Das Projekt hat zu einer deutlichen Verkürzung der Zeitachse in der WGS-Clusteranalyse und Surveillance geführt und eine Verbesserung der Kommunikationswege innerhalb des ÖGD und der für die Analyse lebensmittelbedingter Ausbrüche assoziierten Behörden geführt. Schlussendlich wird die gemeinsam aufgebaute Datenbank zukünftig von den Projektpartnern weiter genutzt werden und durch zusätzliche Institutionen erweitert.