Auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Hygiene und Mikrobiologie (DGHM) vom 22.-24.09.2025 in Jena stellten Forschende des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien, des Universitätsklinikums Jena, und der Friedrich-Schiller-Universität Jena ihre aktuellen Projektergebnisse zu den LPI-Basistechnologien vor. Die Beiträge gaben Einblick in verschiedene Anwendungen von Ramanspektroskopie, mikrofluidische Reporterassays sowie eine klinische Fallstudie.
RamanBioAssay™ für schnelle Antibiotikaresistenztests
Klebsiella pneumoniae zählt zu den bedrohlichsten bakteriellen Erregern. Da einige Stämme gegen Reserveantibiotika resistent sind und schwere, oft tödliche Infektionen verursachen können, werden diese von der WHO als „kritische Prioritätspathogene“ eingestuft. Enghardt et al. erweiterten die RamanBioAssay™-Plattform, um die Wirksamkeit eines Carbapenem-Antibiotikums gegen K. pneumoniae-Isolate zu testen. Mithilfe von Ramanspektroskopie ließen sich charakteristische spektrale Veränderungen nachweisen, wodurch sich innerhalb von 90 Minuten nach Antibiotikagabe die resistenten von den sensiblen Isolaten unterschieden ließen.
Diese markierungsfreie und präzise Diagnostik könnte dazu beitragen, die Behandlung gegen bakterieller Pathogene entscheidend zu beschleunigen und zu verbessern. Das Projekt ist in die LPI-Förderung des BMFTR integriert.
Chip-basierte Ramanspektroskopie für Harnwegsinfektionen
Angesichts steigender Antibiotikaresistenzen besteht dringender Bedarf an nutzerfreundlichen und zuverlässigen Point-of-Care-Tests, die eine schnelle Identifikation von Erregern und Beurteilung deren Antibiotikaresistenzen ermöglichen. Winterfeld et al. arbeiten dafür an der Entwicklung einer Chip-basierten Testmethodik, die den gesamten Analyseprozess direkt am Patientenort abbilden soll. Konkret fokussieren sie sich auf Harnwegsinfektionen, da diese zu den häufigsten bakteriellen Erkrankungen gehören. Grundlage der Methodik ist die Ramanspektroskopie, die sowohl hohe Sensitivität als auch Spezifität bietet. Die Nutzung metallbeschichteter Filter minimiert Störeinflüsse, wodurch die Spektroskopieanalyse direkt auf dem Chip durchgeführt werden kann.
Zukünftig stehen die Assays in den LPI-Basistechnologien zur Verfügung und erlauben ohne spezialisiertes Laborpersonal eine zeitnahe, gezielt Therapie von Harnweginfektionen.
Digital droplet-based reporter assays – mikrofluidische Einzelzellplattform
Tröpfchenbasierte Mikrofluidik eröffnet neue Wege zur Quantifizierung und Unterscheidung pathogener Bakterien. Reuter et al. präsentierten einen mikrofluidischen Chip, mit dem für digitale mikrobielle Einzelzell-Reporter-Assays Tröpfchen erzeugt, inkubiert und analysiert werden können. Die entwickelte Technologie ermöglicht parallele Kultivierung pathogener Einzelzellen in den Tröpfchen, sowie deren optische Auswertung. Dabei lassen sich mithilfe von chromogenen und fluorogenen Reportersubstraten enzymatische und metabolische Aktivitäten sichtbar machen. Des Weiteren können Pathogen-Wirkstoff-Interaktionen nachgewiesen werden.
Die Assaytechnologie ist damit eine potentiell leistungsfähige LPI-Basistechnologie für parallelisierte On-Chip-Bakterienkultivierung und Screening in der Infektionsdiagnostik.
Klinische Fallstudie: Staphylococcus aureus bei Gelenkendoprothesen
Staphylococcus aureus ist ein Risikofaktor für endogene Infektionen, vor allem auch an Gelenkendoprothesen sein. Die vorbeugende Behandlung des nasal angesiedelten Bakteriums kann lebensbedrohlichen Erkrankungen verhindern. Monecke et al. stellten eine eindrückliche Fallstudie vor, bei der ein Patient nach einer Knieprothesenoperation eine schwere Infektion entwickelte. Die molekulargenetische Typisierung identifizierte die Erreger aus Gelenkflüssigkeits- und nasalen Isolaten als nahezu identisch. Somit konnte die Infektion als körpereigene S. aureus-Kolonisation aufgeklärt und umgehend erfolgreich behandelt werden.
Präventive Dekolonisation (z. B. mit Mupirocin) sollte demnach vor chirurgischen Eingriffen zur Risikominimierung lebensbedrohlicher Infektionen gegeben sein. Die Studie wurde in Kooperation mit dem LPI durchgeführt.
Ramanspektroskopie zur Charakterisierung von Makrophagen
Makrophagen übernehmen zentrale Funktionen in der Immunabwehr und nehmen dabei unterschiedliche Phäntotypzustände an. Naumann et al. nutzten Ramanspektroskopie, um diese funktionelle Plastizität sowohl in Zellkulturen als auch in komplexen Geweben zu untersuchen. In vitro konnte das optische Verfahren die verschiedenen Makrophagen-Phänotypen zuverlässig anhand charakteristischer spektraler Merkmale unterscheiden. Darüber hinaus zeigten die Forschenden eine direkte translationale Anwendung: In Lungengewebe (ex vivo) konnten molekulare Veränderungen bei SARS-CoV-2-Infektion sichtbar gemacht werden, wie beispielweise Variationen im RNA- und Lipidstoffwechsel.
Die spektrale Methode erlaubt eine markierungsfreie und nicht-invasive Analyse der Immunantwort, die neue Einblicke in das Zusammenspiel von Wirtszellen und Pathogenen eröffnet. Das Projekt wurde im Rahmen des LPI und SARS-CoV-2Dx unterstützt.
Bild: LPIgGmbH / Anne Fischer // DGHM am 24. September 2025 // Ernst-Abbe-Campus FSU Jena
Wir danken allen Beteiligten für die engagierten Beiträge. Die vorgestellten Technologien und Methoden verdeutlichen den Fortschritt der LPI-Basistechnologien, die zukünftig in der LPI-Infrastuktur zu Verfügung stehen werden und wichtige Impulse für die Translation in klinische Anwendungen setzen.
Unser Dank gilt weiterhin der Tagungsleitung Prof. Dr. Bettina Löffler und Dr. Stefanie Deinhardt-Emmer.
