Etablierung der MALDI-TOF Massenspektrometrie zum qualitativen Nachweis von Bakterien in Arbeitsplatzproben

Status:

abgeschlossen

Zielsetzung:

Für qualitative Bakterienuntersuchungen im mikrobiologischen Labor des Instituts für Arbeitsschutz der DGUV (IFA) wurden über viele Jahre hinweg ausschließlich physiologische Testverfahren eingesetzt (sog. bunte Reihe). Das mikrobiologische Labor des IFA verfügt über langjährige Erfahrung in der Gewinnung von Bakterienisolaten aus Luft- und Materialproben vom Arbeitsplatz. Diese Bakterien werden in der Regel weder von externen medizinischen noch von Umweltlaboren untersucht. Viele mikrobiologisch arbeitende Labore haben ihre Bakterienanalytik in den letzten Jahren auf die wesentlich schnellere und leistungsfähigere Matrix assisted laser desorption ionization – time of flight Massenspektrometrie (MALDI-TOF-MS) umgestellt. Bei dieser Technik werden Bakterien über das Spektrum des Bakterienproteoms, nach Protein-Ionisation und massenspektrometrischer Analyse, charakterisiert. Dieser Entwicklung folgend wurde für das mikrobiologische Labor des IFA ein MALDI-TOF-MS beschafft, mit der Zielsetzung, die Bakterienanalytik langfristig zu ergänzen. Die Vorteile der MALDI-TOF-Analytik gegenüber den klassischen Analyseverfahren sind vor allem die automatische Spektrenauswertung und die Verfügbarkeit der Messergebnisse nach wenigen Sekunden, sodass sehr viele Isolate in kurzer Zeit analysiert werden können. Für arbeitsplatzrelevante Bakterienisolate gibt es aus dem o. g. Grund nur wenig Erfahrungen hinsichtlich der Identifizierung dieser Spezies mittels MALDI-TOF-MS. Ziel dieses Projekts war, die Etablierung eines MALDI-Standardverfahrens zur Identifizierung von Bakterien im Messsystem Gefährdungsermittlung der Unfallversicherungsträger (MGU).

Aktivitäten/Methoden:

Zur Erarbeitung eines Standardverfahrens wurden Proben aus unterschiedlichen Arbeitsplätzen qualitativ auf Bakterien untersucht. Dazu zählten u. a. Proben aus Betriebsarten wie der Anatomie, der Tapeten- und Kartonagenfertigung, der Metallverarbeitung, der Waschanlage und dem Fotostudio. Grundsätzlich gilt folgendes Vorgehen für die Analyse von Bakterien mit der MALDI-TOF-MS:

1. Aufzucht des bakteriellen Konsortiums in der Probe,
2. Anlegen von Reinkulturen ausgewählter Kolonien für die MALDI-TOF-Messung und
3. Untersuchung der Kulturen mit der MALDI-TOF-MS.

Bis in das Jahr 2022 hinein wurden zusätzlich die etablierten physiologischen Testverfahren zur Überprüfung des MALDI-Ergebnisses eingesetzt. Es zeigte sich, dass sich die Verfahren zur Überprüfung nicht eignen, da sie zu selektiv arbeiten (ihre Spezifität liegt im medizinischen Bereich und eignet sich nicht für Screening-Anwendungen). Wenn keine eindeutige Identifizierung möglich war, wurde eine molekularbiologische Untersuchung über die rRNA der Reinkultur durchgeführt um nachfolgend eine eindeutige Charakterisierung im MALDI-TOF vorzunehmen (siehe Projekt 2109 MALDI-Datenbank).

Ergebnisse:

Im Rahmen dieses Projektes konnten zwei Verfahren zur Identifizierung von Bakterien erarbeitet werden: MALDI-extended procedure (MALDI-ExtPro) und MALDI-preliminary screening (MALDI-PS). Wann welches Verfahren zur Anwendung kommt, richtet sich nach der jeweiligen Messaufgabe. Bei der MALDI-ExtPro wird die Analyse mit möglichst reinen Bakterienkolonien durchgeführt, während für das MALDI-PS Verfahren rein mit der Übereinstimmung des Analysenspektrums mit dem Datenbankspektrum gearbeitet wird. Das MALDI-ExtPro-Verfahren ist tendenziell aufwendiger als das MALDI-PS-Verfahren (mind. vier Wochen Kultivierung + eine Woche Quantifizierung). Alle Mikroorganismen, die im Rahmen der Analyse nicht identifiziert werden können, werden konserviert und zu einem späteren Zeitpunkt zum Aufbau der IFA-MALDI-Datenbank verwendet (siehe Projekt 2109 MALDI-Datenbank). In dem Projekt ist es gelungen, zwei Vorgehensweisen zu erarbeiteten, die es ermöglichen, das Bakterienkonsortium aus komplexen Arbeitsplatzproben mit der MALDI-TOF-MS systematisch und angepasst an die Messaufgabe zu untersuchen.

Stand: