Medizinische Labordiagnostik

Mit welchen Techniken wird heute in Laboren auf Viren und Bakterien bzw. auf Antikörper getestet und wohin geht der Trend? Molekulardiagnostik scheint sich hier mehr und mehr durchzusetzen. Auch die Preise dürften eine Rolle spielen. PCR-Tests sollen noch relativ teuer sein.

Roche, Abbott, BD, Siemens, Qiagen, Gen-Probe, Cepheid, GenMark, Life Techn., One Lambda und bioMérieux bieten Systeme an, mit denen jeweils eine zunehmende Anzahl von Molekulartests unterstützt wird. Werden in einigen Jahren fast alle Tests über solche (automatischen, voll integrierten) Systeme laufen oder werden für Influenza, C. difficile und dergleichen auch künftig Test-Kits ohne solche Systeme verwendet?

Quidel molekularer Echtzeit-Assays RT-PCR für Influenza A+B scheint zum Beispiel keines jener Systeme zu benötigen. Oder doch? Oder werden die (wie QuickVue Influenza?) nur manuell gehandhabt?

Wieviele und welche jener Systeme werden pro Labor benötigt?

Danke.

Hey,

Deine Frage ist sehr komplex.

Grundsätzlich gibt es verschiedene Wege, virale und bakterielle Antigene und entsprechende Antikörper in Körpersekreten und z.B. Stuhlproben nachzuweisen. Sie unterscheiden sich in Punkto Spezifität, Aufwand und Sensibilität.

Da Deine Frage sehr präzise gestellt wurde, gehe ich davon aus, dass Du über entsprechendes Hintergrund-Wissen verfügst, ich versuche mich deshalb, einigermaßen kurz zu halten.

A) Nachweis von Antigenen

  1. Die wohl am Häufigsten angewandten Ag-Nachweis-Methoden sind der sog. (Sandwich)ELISA (Enzyme-linked Immunosorbent Assay) und der „Enzymgekoppelte Immunadsorptionstest“ (EIA) bzw. „kompetitive Immunassay“.

Diese Methoden werden in kleinen Laboren teils noch manuell, aber inzwischen meist automatisiert durchgeführt und ausgewertet. Der Arbeitsaufwand ist verhältnismäßig gering, da lediglich die zu untersuchende Flüssigkeit in vorgefertigte Mikrotiterplatten pipettiert und dann vollautomatisch verarbeitet wird. Entsprechend gering ist auch der finanzielle Aufwand. Für genaue Zahlen müsste ich nachschauen. Angewandt werden diese Methoden oft beim Nachweis von Hepatitis-Erregern und HIV-Ag.

  1. Eine weitere, hochspezifische Methode ist - wie Du schon sagst - der direkte Antigen-Nachweis bzw. Erreger-DNS-Nachweis mittels PCR. Zur Anwendung kommen sie insbesondere, wenn andere Nachweisverfahren negativ sind und trotzdem ein Anhalt auf eine virale Infektion besteht, bei der Bestimmung der Viruslast (z.B. bei HIV) und bei der Genotypisierung bestimmter Virus-Subtypen.

Bei RNS-Viren muss dafür vorab die RNS in DNS umgewandelt werden (sog. Reverse Transkriptase PCR).

Da diese Methoden aber auch extrem langwierig und kompliziert sind und dabei entsprechend kontaminationsfrei gearbeitet werden muss, ist der Aufwand (und damit auch der Kostenfaktor) entsprechend höher. Eine PCR macht man nicht mal eben zwischen Tür und Angel, das weisst Du sicher selber.

Außerdem kommen in der Amplifikationsphase entsprechende Enzyme (Taq-Polymerase), Primer und Desoxyribonucleosidtriphosphate zur Anwendung, die alles andere als preiswert sind.

Anschliessend muss die amplifizierte DNS dann mittels verschiedener Verfahren analysiert werden. Wieder ein Kostenfaktor.

  1. Ferner wird nach wie vor im mikrobiologischen Bereich eine direkte Anzucht der Bakterien / Viren auf entsprechenden Nährmedien (Blutkultur, Agarplatten, Flüssigkultur, Zellkultur u.a.) mit anschliessender (inzwischen meist automatisierter) Auswertung und Differenzierung durchgeführt.

B. Nachweis von Antikörpern

Die gängigen Methoden zum qualitativen und quantitativen Ak-Nachweis sind

  • Immunelektrophorese (qualitativ) > besonders bei monoklonalen Ak
  • Hämagglutinations-Hemmtest (HHT) > Ak gg. Röteln
  • Neutralisationstest (NT) > Ak gg. Picornaviren und Cytomegalievirus
  • Komplementbindungsreaktion (KBR) > Ak gg. (Para)Influenza, Mumps, Adenoviren u.a.
  • Immunfluoreszenztest (IFT) > Ak gg. Epstein-Barr-Virus
  • ELISA > nahezu alle antiviralen Ak, insb. gg. Hepatitis-Viren und HIV
  • Western-Blot > Ak gg. HIV 1 und 2, Röteln, CMV, EBV, Hanta-Viren, HTLV und HCV - sowie als Bestätigungstest bei positivem ELISA-HIV

Je nach Labor und Virustyp finden alle diese Methoden (inzwischen auch meist automatisiert) Anwendung. Lediglich die KBR scheint langsam überholt zu sein.

Zu Deinen weiteren Fragen:

Ich persönlich vermute, dass der Trend insbesondere bei der PCR zu geschlossenen Systemen tendiert, da die Kontaminationsgefahr dabei entsprechend minimiert werden kann. Ich habe allerdings bisher solche Systeme weder gesehen, noch bedient.

Allerdings ist das meistens eine Frage des Geldes und der Rentabilität. In Krankenhäusern wird oftmals (neben der üblichen Diagnostik, wie Serumeiweiß-Elektrophorese, Mikroskopie zur Urindiagnostik, klinisch-chemische Großautomaten, hämatologische Automaten zur Blutbilderstellung und den üblichen hämatologischen bzw. serologischen Arbeitsplätzen) nur ein ELISA-Automat bereitgehalten, wo dann z.B. einmal pro Woche HIV und HBV/HCV-Ag und Ak nachgewiesen werden (Proben werden oft gesammelt, da nicht allzu viele).

Alle weiteren mikrobiologischen und virologischen Proben (sowie spezielle Geschichten, wie toxikologische und fluoreszenzmikroskopisch zu untersuchende Proben) werden i.d.R. an große Laborzentren versandt, die entsprechend Ihrer Größe und Ihres Probenaufkommens völlig andere Dimensionen und finanzielle Möglichkeiten haben. Da arbeiten dann teilweise mehrere hundert Angestellte und analysieren bzw. züchten dort im Mehrschichtbetrieb so ziemlich alles, was man sich vorstellen kann.

Es ist also vor allem die Frage, was sich entsprechend des Probenaufkommens rentiert.

Das soll erstmal reichen, mehr Fragen bitte via Email.

Liebe Grüße, Jan

Hallo Jan,

vielen Dank für die übersichtliche und ergiebige Antwort. Hat wirklich sehr geholfen.

„Anschliessend muss die amplifizierte DNS dann mittels verschiedener Verfahren analysiert werden. Wieder ein Kostenfaktor.“
Ich gehe mal davon aus, dass die dies bei integrierten Systemen mit einer Automatisierung aller Arbeitsschritte „from sample processing to detection“ ebenfalls bereits enthalten ist.

„Ich habe allerdings bisher solche Systeme weder gesehen, noch bedient.“
www.qiagen.com/products/qiasymphonyrgq.aspx
„Runs commercial and in-house tests“ mit „flexible batch sizes“. Was „parallel runs“ in diesem Fall bedeutet, ist mir leider nicht bekannt.
Wesentlich schlichter (und weniger potent?) wirkt das für weniger große Lobore gedachte GeneXpert system von Cepheid. (www.genexpert.com)
Mit Gen-Probe’s TIGRIS System – bzw. PANTHER für kleinere Labore – werden ebenfalls Nucleic acid tests (NAT) durchgeführt, wenngleich mittels Transcription-Mediated Amplification (TMA).

www.laborundmore.de/archive/615462/Nicht-ueberall,-w…
„Allerdings hat die größere Komplexität der TMA im Vergleich zur PCR dazu geführt, dass in den Laboren eigenentwickelte TMA-Applikationen (so genannte in-house-Tests) fast gänzlich fehlen und daher überwiegend kommerzielle TMA-Testkits eingesetzt werden. Dagegen hat die Möglichkeit, eigene PCR-Tests zu entwickeln – und dies lange, bevor die ersten kommerziellen Tests überhaupt verfügbar waren –, ganz erheblich zu der großen Popularität der PCR beigetragen.“
Vermutlich schwer voraussagbar, wie lange diese beiden Methoden noch nebeneinander genutzt werden.

„Allerdings ist das meistens eine Frage des Geldes und der Rentabilität. In Krankenhäusern wird oftmals (…) nur ein ELISA-Automat bereitgehalten, wo dann z.B. einmal pro Woche HIV und HBV/HCV-Ag und Ak nachgewiesen werden (Proben werden oft gesammelt, da nicht allzu viele).“
Irgendwo hatte ich gelesen, dass selbst in Nordamerika bislang nur 10% aller medizinischen Labore Molekulartests durchführen.

„Alle weiteren mikrobiologischen und virologischen Proben (sowie spezielle Geschichten, wie toxikologische und fluoreszenzmikroskopisch zu untersuchende Proben) werden i.d.R. an große Laborzentren versandt, die entsprechend Ihrer Größe und Ihres Probenaufkommens völlig andere Dimensionen und finanzielle Möglichkeiten haben. Da arbeiten dann teilweise mehrere hundert Angestellte …“
Mit zigtausenden Einzelanalysen pro Tag. Wie viele dieser großen Laborzentren mag es in Dtld. geben?

Beste Grüße

„Anschliessend muss die amplifizierte DNS dann mittels
verschiedener Verfahren analysiert werden. Wieder ein
Kostenfaktor.“

Ich gehe mal davon aus, dass die dies bei integrierten
Systemen mit einer Automatisierung aller Arbeitsschritte „from
sample processing to detection“ ebenfalls bereits enthalten
ist.

Das glaube ich eigentlich nicht, denn die Analyzer, die auf molekulargenetischer Ebene arbeiten, kosten ein kleines Vermögen und werden häufig im Bereich der Mutationsanalyse eingesetzt, z.B. um auf genetischer Ebene entsprechende (Erb)krankheiten zu diagnostizieren oder DNA-Fingerprints zu erstellen.

Außerdem muss dafür auch entsprechendes Personal ausgebildet und eingewiesen sein (studierter Biochemiker, Humangenetiker o.ä.).

Abgesehen davon sind DNS-Amplifikation (PCR) und DNS-Analyse zwei verschiedene Schritte und die Gefahr der Kontamination mit fremder DNS besteht eben hauptsächlich bei der Vorbereitung / Aufbereitung des Probenmaterials zur PCR (vorangehende DNS-Extraktion).

Maschinen, bei denen man auf der einen Seite einen Blutstropfen einspeist und auf der anderen Seite ein Ergebnis rauskommt, werden sicherlich noch lange Zukunftsmusik bleiben, zumal bei diesen hochkomplexen Analysen unzählige Fehler produziert werden können. Da wird wohl über kurz oder lang immer noch ein kluger Kopf sein Auge drauf haben müssen. Von der Interpretation, Kalibrierung, Reinigung und Plausibilitätsprüfung mal ganz abgesehen.

Ggfls. wird auch alternativ zur molekulargenetischen Untersuchung eine Agarose-Gel-Elektrophorese mit interkalierendem DNS-Farbstoff (z.B. Ethidiumbromid) durchgeführt und nach der Auftrennung der Banden optisch ausgewertet. Ich weiss nicht, ob es das in diesem Bereich gibt, aber ich könnte es mir vorstellen, da es sicherlich preiswerter ist. In der Humangenetik (z.B. beim vergleichsweise simplen Vaterschaftstest) wird es oft so gemacht.

„Ich habe allerdings bisher solche Systeme weder gesehen, noch
bedient.“

www.qiagen.com/products/qiasymphonyrgq.aspx
„Runs commercial and in-house tests“ mit „flexible batch
sizes“. Was „parallel runs“ in diesem Fall bedeutet, ist mir
leider nicht bekannt.

Wahrscheinlich bezeichnet „parallel runs“ die Möglichkeit, mehrere Analysen in einem Gerät gleichzeitig, also parallel durchzuführen.

Wesentlich schlichter (und weniger potent?) wirkt das für
weniger große Lobore gedachte GeneXpert system von Cepheid.
(www.genexpert.com)
Mit Gen-Probe’s TIGRIS System – bzw. PANTHER für kleinere
Labore – werden ebenfalls Nucleic acid tests (NAT)
durchgeführt, wenngleich mittels Transcription-Mediated
Amplification (TMA).

www.laborundmore.de/archive/615462/Nicht-ueberall,-w…
steht,-ist-PCR-drin.html
„Allerdings hat die größere Komplexität der TMA im Vergleich
zur PCR dazu geführt, dass in den Laboren eigenentwickelte
TMA-Applikationen (so genannte in-house-Tests) fast gänzlich
fehlen und daher überwiegend kommerzielle TMA-Testkits
eingesetzt werden. Dagegen hat die Möglichkeit, eigene
PCR-Tests zu entwickeln – und dies lange, bevor die ersten
kommerziellen Tests überhaupt verfügbar waren –, ganz
erheblich zu der großen Popularität der PCR beigetragen.“
Vermutlich schwer voraussagbar, wie lange diese beiden
Methoden noch nebeneinander genutzt werden.

Vor allem werden viele dieser Geräte von den Laboren und Großlaboren nicht gekauft, sondern geleased.

„Allerdings ist das meistens eine Frage des Geldes und der
Rentabilität. In Krankenhäusern wird oftmals (…) nur ein
ELISA-Automat bereitgehalten, wo dann z.B. einmal pro Woche
HIV und HBV/HCV-Ag und Ak nachgewiesen werden (Proben werden
oft gesammelt, da nicht allzu viele).“

Irgendwo hatte ich gelesen, dass selbst in Nordamerika bislang
nur 10% aller medizinischen Labore Molekulartests durchführen.

Zuzüglich der unzähligen humangenetischen Praxen, Institute, Universitäten, Forschungseinrichtungen und gerichts/kriminalmedizinischen Einrichtungen, wie den Landes/Bundeskriminalämtern usw.

Man muss hier unterscheiden, zu welchem Zweck.
O.g. Institute arbeiten eben auf Ihrem eigenen, speziellen Gebiet.

Und jedes Krankenhaus hat i.d.R. ein Labor. Auch Allgemein/Facharztpraxen haben kleinere Labore.

Wenn man das alles unter der Bezeichnung „Labore“ zusammenfasst, halte ich 10 % noch für hochgegriffen.

Im Übrigen ist der ÈLISA keine molekulargenetische Untersuchungsmethode, sondern eine sehr simple serologische Analyse.

„Alle weiteren mikrobiologischen und virologischen Proben
(sowie spezielle Geschichten, wie toxikologische und
fluoreszenzmikroskopisch zu untersuchende Proben) werden
i.d.R. an große Laborzentren versandt, die entsprechend Ihrer
Größe und Ihres Probenaufkommens völlig andere Dimensionen und
finanzielle Möglichkeiten haben. Da arbeiten dann teilweise
mehrere hundert Angestellte …“

Mit zigtausenden Einzelanalysen pro Tag. Wie viele dieser
großen Laborzentren mag es in Dtld. geben?

Ich weiss es nicht. Vielleicht zwischen 25 und 100. Also in jedem Ballungsgebiet 1 - 2. Vielleicht aber auch mehr oder weniger … I don’t know.

Beste Grüße

Ebenfalls ! Und wenn Du wirklich vorhast, ein Labor aufzubauen (also Labormediziner bist), solltest Du Dich für Deine komplexen Anfragen eher z.B. an den Kundenservice entsprechender Anbieter wenden. Würd ich mal sagen …

LG, Jan

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Das glaube ich eigentlich nicht, denn die Analyzer, die auf
molekulargenetischer Ebene arbeiten, kosten ein kleines
Vermögen und werden häufig im Bereich der Mutationsanalyse
eingesetzt, z.B. um auf genetischer Ebene entsprechende
(Erb)krankheiten zu diagnostizieren oder DNA-Fingerprints zu
erstellen.

Und bei Tests auf ganz bestimmte Viren und Bakterien oder beim Nachweis einzelner bekannter Genmutationen (Beispiel KRAS assays)?

Maschinen, bei denen man auf der einen Seite einen
Blutstropfen einspeist und auf der anderen Seite ein Ergebnis
rauskommt, werden sicherlich noch lange Zukunftsmusik bleiben,
zumal bei diesen hochkomplexen Analysen unzählige Fehler
produziert werden können.

Also großes Verbesserungspotential. Für mich eine erfreuliche Nachricht.

Agarose-Gel-Elektrophorese

Noch eine konkurrierende – und mir bislang unbekannte – Methode im Labor.

Wahrscheinlich bezeichnet „parallel runs“ die Möglichkeit,
mehrere Analysen in einem Gerät gleichzeitig, also parallel
durchzuführen.

Auch Analysen verschiedener Art? Das heißt eine Probe wird auf HBV, eine andere auf HCV und weitere auf TB getestet? Kann man so ein System mit unterschiedlichen Testkits gleichzeitig bestücken?

Vor allem werden viele dieser Geräte von den Laboren und
Großlaboren nicht gekauft, sondern geleased.

Auch dies ist gut zu wissen.

Auch Allgemein/Facharztpraxen haben kleinere Labore.

Manche Hersteller träumen bereits vom All-in-one-Test, bei dem mit wenig Blut auf die verschiedensten Krebsarten und andere häufige Krankheiten geprüft wird, „so leicht zu handhaben wie ein Schwangerschaftstest“, in zehn Jahren vielleicht direkt beim Arzt und irgendwann sogar in der Apotheke.

Zuzüglich der unzähligen humangenetischen Praxen, Institute,
Universitäten, Forschungseinrichtungen und
gerichts/kriminalmedizinischen Einrichtungen, wie den
Landes/Bundeskriminalämtern usw.

Dass die bislang vor allem in Instituten und Universitäten im Bereich der Genforschung verwendeten Sequenzierer auch einen Platz in klinischen Labors finden könnten, ist ebenfalls eine Möglichkeit. Bei Complete Genomics und Illumina gibt es pro Genom schon Preise um die 4000$. Versand via Post.

Und wenn Du wirklich vorhast, ein Labor aufzubauen
(also Labormediziner bist), solltest Du Dich für Deine
komplexen Anfragen eher z.B. an den Kundenservice
entsprechender Anbieter wenden.

Bin (leider) kein Labormediziner und muss daher etwas anderes aufbauen.

Beste Grüße