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Förderpreise 2020

Flüchtige organische Substanzen als Biomarker von Infektionen mit Mycobacterium avium subspecies paratuberculosis

 

bearbeitet am Institut für molekulare Pathogenese 

 

Die Etablierung einer Methode zur Messung von flüchtigen organischen Substanzen im Headspace von Bakterienkulturen und im Atemgas von adulten Rindern und die Untersuchung von möglichen Einflussfaktoren.

Flüchtige organische Substanzen (volatile organic compounds, VOC) werden zunehmend als potentielle diagnostische Marker angesehen. Diese VOC können zum einen über Bakterienkulturen, über nativen Proben (z. B. Kot, Sputum, Harn), aber auch im Atemgas identifiziert und gemessen werden. Paratuberkulose betrifft alle Haus- und Wildwiederkäuer und wird durch Mycobacterium avium ssp. paratuberculosis (MAP) verursacht. Nach einer Inkubationszeit von mehreren Jahren entwickeln die Tiere Symptome, wie intermittierende Diarrhoe und Gewichtsverlust. Aktuell verfügbare diagnostische Methoden sind arbeitsintensiv, langwierig, teuer und unzureichend sensitiv. Aufgrund der hohen Prävalenz von Paratuberkulose in Milchviehherden, ist eine schnelle, nicht-invasive und preiswerte Screeningmethode notwendig.

Das Hauptziel dieser Arbeit war es ein robustes VOC-Profil im Gasraum über MAP-Kulturen zu finden, welches von anderen Mykobakterien-Spezies abgrenzbar ist, und dieses auf relevante Einflussfaktoren, die zu seiner Variabilität beitragen, hin zu untersuchen. Das Vorkommen von sich vermehrenden Mykobakterien (mit speziellem Hinblick auf MAP) konnte mithilfe der VOC-Analytik im Gasraum der Bakterienkulturen detektiert werden. Aus den Ergebnissen von drei Studien konnte ein MAP-assoziiertes Core-VOC-Profil extrahiert werden. Es setzte sich aus 28 Substanzen sechs verschiedener chemischer Stoffklassen zusammen (Aldehyde, Kohlenwasserstoffe, Alkohole, Furane, Ketone und Ester). Die Faktoren Inkubationszeit und Keimzahl des Inokulates haben einen quantitativen Einfluss auf die einzelnen Substanzen des VOC-Profils. Unterschiedliche Nährmedien haben sowohl einen quantitativen als auch einen qualitativen Einfluss. Das Core-VOC-Profil zeigte sich in den unterschiedlichen Studien mit unterschiedlichen nicht standardisierbaren Faktoren (z.B. Charge und Alter des Nährmediums) als robust. Mit der Überprüfung dieses MAP-anzeigenden VOC-Profil über nativen Proben (Kot oder Gewebe) und der weiteren Abgrenzung dieses Profils zu anderen Bakterienfamilien wird sich das diagnostische Potential und die damit verbundene Spezifität und Sensitivität der Methode weiter herausstellen.

Ein weiteres Ziel war es einen technischen Aufbau zu etablieren, der es ermöglicht VOC im Atemgas von adulten Rindern unter Feldbedingungen in Echtzeit zu analysieren und diesen Aufbau an Tieren unterschiedlichsten Alters, Körperkondition und Atmungsfrequenzen anzuwenden und mögliche Einflussfaktoren zu definieren. Die methodisch erstmals etablierte Atemgasanalyse in Echtzeit wurde von allen Tieren gut toleriert und war unabhängig der Atmungsfrequenz zuverlässig durchführbar und produzierte vertrauenswürdige Daten. Eine Atemgasanalyse in Echtzeit ist vor allem dann notwendig, wenn kurz- bis mittelfristige Änderungen der Substanzkonzentrationen während der Messung zu erwarten sind. Dies zeigte sich in unseren Untersuchungen durch das Auftreten von Kontaminationen des Atemgases durch Pansengase (Ruktus der Wiederkäuer). Mithilfe des Online-Messverfahrens konnte gezeigt werden, dass die Eruktionen bei Rindern einen quantitativen Einfluss auf die VOC-Konzentrationen in den darauffolgenden Exspirationen haben. Des Weiteren haben die evaluierten Einflüsse von (Tag, Tageszeit und Handling bzw. Stress) gezeigt, dass auch Atemgasmessungen standardisiert werden sollten um reproduzierbare Ergebnisse zu erlangen.

Technischer Aufbau zur Atemgasanalyse bei adulten Rindern in Echtzeit und unter Feldbedingungen.

Foto: A. Küntzel