title: Differenzierung von Methicillin-sensiblem und Methicillin-resistentem Staphylococcus aureus anhand flüchtiger organischer Verbindungen mittels Multikapillarsäulen-Ionenmobilitätsspektrometrie und elektronischer Nase „Cyranose 320“
title: Differentiation of methicillin resistant and methicillin susceptible staphylococcus aureus based on volatile organic compounds (VOC) using multicapillary column ion mobility spectrometry (IMS) and electronic nose "Cyranose 320"
titleType: AlternativeTitle
Creators: name: von Stauffenberg, Franz
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2023
Subjects: flüchtige organische Verbindungen
Ion mobility spectrometry
MSSA
Cyranose
IMS
enose
Ionenmobilitätsspektrometrie
volatile organic compounds
VOC
elektronische Nase
Medical sciences Medicine
Medizin
electronic nose
MRSA

description: Hintergrund: Staphylococcus aureus besiedelt als Kommensale 20 – 40 % der Bevölkerung und gehört zu den häufigsten Verursachern nosokomialer Infektionen. Bereits frühzeitig sind multiresistente Stämme entstanden, welche in Methicillin-sensible Stämme (MSSA) und Methicillin-resistente Stämme (MRSA) eingeteilt werden. Auch gegen Reserveantibiotika entwickeln sich zunehmend Resistenzen. S. aureus ist für eine erhöhte Morbidität und Mortalität sowie für eine verlängerte Hospitalisationszeit inklusive Isolationsmaßnahmen und damit einhergehender Kosten verantwortlich. Die mikrobiologische Diagnostik mittels Erregerkultivierung stellt den Goldstandard zum Keimnachweis und zur Bestimmung von Resistenzen dar, ist jedoch zeitaufwendig und teuer. Die PCR-basierte Diagnostik ist zwar schneller, jedoch wirtschaftlich nicht effizient. Ein frühzeitiger Keimnachweis durch Screening-Untersuchungen mit darauffolgender Isolation oder Dekolonisierung kann zu einer Reduktion der Keimübertragung und folglich der Morbidität, Mortalität und der assoziierten Kosten führen. Somit besteht die Notwendigkeit für kosten- und zeiteffektive Methoden zur Erkennung von MSSA und MRSA mit hoher diagnostischer Wertigkeit. Ziel: In der vorliegenden Arbeit sollte festgestellt werden, ob sich MRSA und MSSA anhand der Analyse volatiler organischer Verbindungen (volatile organic compounds, VOC), welche durch Stoffwechselprozesse von Organismen exprimiert werden, mittels Multikapillarsäulen-Ionenmobilitätsspektrometrie (MCC-IMS) sowie der elektronischen Nase Cyranose 320 aus dem Nährmedium Brain Heart Infusion Broth (BHI) identifizieren und voneinander differenzieren lassen. Methoden: Es wurden aus routinemäßig entnommenen Screening-Abstrichen je 20 Proben mit MRSA und MSSA ins Flüssignährmedium BHI übertragen und auf eine Konzentration von 108 KBE/ml verdünnt. Aus jeder Probe wurden 500 μl für die Messungen entnommen. Mit dem MCC-IMS wurden mittels Headspace-Messungen je 20 MRSA- und MSSA- Proben und analog dazu 27 Proben des nicht bebrüteten Flüssignährmediums BHI analysiert. Vor jeder Probenmessung erfolgte eine Leermessung der Laborflasche zur Referenz und zur Elimination von Störfaktoren. Die aus den Messungen resultierenden Peaks wurden visualisiert und statistisch analysiert und ermöglichten im Anschluss durch Zuordnung spezifischer Peaks zu den jeweiligen Proben eine Differenzierung der Gruppen. Durch Abgleich mit einer bestehenden Datenbank konnten die Peaks entsprechenden organischen Substanzen zugeordnet werden. Mit der Cyranose 320 wurde der Headspace von je 20 MRSA- und MSSA-Proben und von 20 Proben nicht bebrüteter BHI analysiert. Jede Probe wurde 5-mal hintereinander gemessen, um ein Machine-Learning zu gewährleisten. Im Anschluss erfolgten eine lineare Diskriminanzanalyse und die Berechnung der Mahalanobis-Distanz zur Differenzierung der Gruppen. Eine Leave-One-Out Kreuzvalidierung wurde zur Bestimmung des Kreuzvalidierungswerts durchgeführt. Die Gruppen konnten durch eine Mustererkennung voneinander unterschieden werden. Ergebnisse: Mittels MCC-IMS konnten in der Gegenüberstellung der Gruppen MRSA und BHI 19 hochsignifikante Peaks (p &lt; 0.001) nachgewiesen werden, welche eine Unterscheidung mit einer Sensitivität und Spezifität von jeweils &gt; 90 % bis 99.9 % ermöglichen. MSSA konnte aus dem Nährmedium BHI anhand 20 hochsignifikanter Peaks mit einer Sensitivität von 92.6 % bis 96.3 % und einer Spezifität von 90 % bis 99.9 % differenziert werden. MRSA und MSSA konnten anhand 11 hochsignifikanter Peaks mit einer Sensitivität und Spezifität von jeweils 90 % bis 99.9% voneinander differenziert werden. Zwei Peaks waren ausreichend, um anhand eines Entscheidungsbaums in zwei Schritten eine Trennung aller Gruppen zu gewährleisten. Die Cyranose 320 konnte die Gruppen MRSA und BHI mit einer Sensitivität von 96 % und einer Spezifität von 94 % voneinander abgrenzen. Eine Differenzierung von MSSA und BHI konnte mit einer Sensitivität von 81 % und einer Spezifität von 75 % erreicht werden. MRSA und MSSA konnten mit einer Sensitivität von 100 % und einer Spezifität von 91 % voneinander unterschieden werden. Schlussfolgerung: Eine Unterscheidung der Bakterien MRSA und MSSA aus dem Flüssignährmedium BHI und insbesondere eine Differenzierung der Keime voneinander ist mittels MCC-IMS sowie Cyranose 320 mit hoher Sensitivität und Spezifität möglich. Es bedarf weiterer, prospektiver Studien im klinischen Setting, um die Ergebnisse zu verifizieren und somit eine potenzielle zeit- und kostensparende Alternative zur konventionellen Diagnostik zu ermöglichen.