Kombinierte Identifikation und quantitative Antibiotika-Resistenztestung von Bakterien mittels digitaler Shearographie zur schnelleren gezielten Behandlung von Sepsispatienten (ASTANA); Schlussbericht zum Teilvorhaben: Optik

Abstract

Der Forschungsverbund ASTANA sowie das Teilprojekt Optik wurde im Rahmen der Bekanntmachung „Photonische Verfahren zur Erkennung und Bekämpfung mikrobieller Belastungen“ vom BMFTR gefördert. Der Verbund bestand aus den Unternehmen SpinDiag (SD), Biofluidix (BF) und ImFusion (IF) sowie den Forschungseinrichtungen Hahn-Schickard (HS), ILM (ILM) und dem Universitätsklinikum Ulm (UKU). Das Verbundprojekt zielte auf die Erforschung eines innovativen Konzepts für die schnelle Sepsisdiagnostik ab. Am Ende des Projekts sollten ein Gerät und Verfahren für die schnelle und hochsensitive Identifizierung von Sepsiserregern aus Blutkulturen mittels PCR, sowie ein Gerät und Verfahren für eine schnelle antimikrobielle Suszeptibilitätstestung (AST) erforscht und klinisch validiert sein. Im Teilvorhaben Optik sollte ein auf quantitativer Phasenbildgebung (QPI) basierender optischer Aufbau für die Ermittlung von Bakterienzahlen in definierten Suspensionsvolumina aufgebaut und evaluiert werden.

Nach Konzeptionierung und Konstruktion eines off-axis Aufbaus für digitale holographische Mikroskopie (DHM) wurde dieser zunächst unter Nutzung eines USAF charts charakterisiert sowie anschließend unter Verwendung von Modellorganismen evaluiert und iterativ verbessert. Das System und seine funktionelle Evaluierung sind Gegenstand einer Publikation, die im Journal of Biomedical Optics veröffentlicht wurde (doi: 10.1117/1.JBO.30.10.106501). Bilddaten wurden Projektpartner IF für die Softwareentwicklung zur Verfügung gestellt. In Kooperation mit Partner HS erfolgte die funktionelle Charakterisierung und iterative Anpassung der mikrofluidischen Testträger. Nach Durchführung von Detailanpassungen zur Verbesserung von Kompatibilität des optischen Aufbaus mit dem Testträger, der Software und den weiteren Komponenten des Gesamtsystems unterstützte das ILM bei der Systemintegration, nachfolgenden funktionellen Tests und bei der Validierung des Gesamtsystem bei UKU unter Verwendung von Patientenproben.

Die Projektergebnisse zeigen, dass die Quantifizierung von Bakteriensuspensionen in mikrofluidischen Testträgern mittels QPI grundsätzlich möglich ist. Während der Projektarbeit wurden jedoch kritische Parameter identifiziert, welche die Präzision, den Dynamikbereich der Messung, sowie das Signal-Rausch-Verhältnis beeinflussen. Diese Parameter müssen in Folgeprojekten adressiert und optimiert werden, um Marktreife zu generieren.