Aus der Klinik für Pädiatrie m. S. Pneumologie / Immunologie
der Medizinischen Fakultät der Charité – Universitätsmedizin Berlin

Dissertation

Sequentielle Genotypisierung von Pseudomonas aeruginosa-Isolaten und Übereinstimmung von bakteriologischen Proben aus dem oberen und unteren Respirationstrakt von Patienten mit Cystischer Fibrose

Zur Erlangung des akademischen Grades
Doctor medicinae (Dr. med.)

vorgelegt der Medizinischen Fakultät der Charité -
Universitätsmedizin Berlin

von
Andreas Jung
aus München

Dekan: Prof. Dr. med. Martin Paul

Gutachter:
1. Prof. Dr. med. Karl P. Paul
2. Prof. Dr. med. Antje Schuster
3. Prof. Dr. med. Gesine Hansen

Datum der Promotion: 21. Oktober 2005

Widmung:

Gewidmet meinen Eltern, in Dankbarkeit und Anerkennung.

Abstract

Die Frage nach adäquaten mikrobiologischen und molekulargenetischen Methoden, um die Kolonisation des Respirationstrakts von Mukoviszidose-Patienten mit Pseudomonas aeruginosa nachzuweisen und zu charakterisieren, wird kontrovers diskutiert.

Von 38 klinisch stabilen Patienten mit cystischer Fibrose (CF) wurden sequentiell im Abstand von 18 Monaten Proben aus Rachenabstrich, Sputum und Bronchiallavage (BAL) entnommen und bezüglich Pseudomonas-Nachweis untersucht. Die Pseudomonas-Stämme wurden mittels Random Amplified Polymorphic DNA (RAPD)-Analyse und Pulsfeld-Gelelektrophorese (PFGE) von DNA-Makrorestriktionsfragmenten typisiert und bezüglich der Frage nach genetisch divergierenden Isolaten innerhalb des selben Individuums sowie nach möglichen longitudinalen genetischen Veränderungen evaluiert.

Sensitivität, negative und positive prädiktive Werte und Spezifität, um eine P. aeruginosa-Besiedlung zu erkennen, waren 36%, 74%, 83% und 96% im Falle der Kulturen aus dem Oropharynx von nicht-expektorierenden Patienten und 92%, 94%, 100% und 100% für Sputumkulturen von expektorierenden Probanden. RAPD-Analyse und PFGE waren in der Lage, zwischen unterschiedlichen Pseudomonas-Stämmen zu diskriminieren, wobei nur die DNA-Makrorestriktion zwischen Subtypen unterscheiden konnte. Die Genotypen der Pseudomonas-Isolate aus Rachenabstrich und Sputum divergierten in 55% und 40% zu den Isolaten der BAL. Longitudinale Variationen des Genotyps wurden in 62% der Fälle beobachtet, die Hälfte davon war nur mittels bronchoskopisch gewonnener Proben erkennbar.

Zusammengefasst besitzen Sputumproben bezüglich des Pseudomonas-Nachweises dieselbe Wertigkeit wie Kulturen aus der BAL, während Rachenabstriche in einer frühen Krankheitsphase für die Charakterisierung der bakteriellen Flora des unteren Respirationstrakts wenig geeignet sind. Die Methode der DNA-Makrorestriktion kann als zuverlässige Technik für epidemiologische Untersuchungen empfohlen werden. Unterschiedliche Genotypen innerhalb desselben Individuums und longitudinale genetische Alterationen sind häufig, jedoch unter Umständen nur bronchoskopisch nachweisbar.

Eigene Schlagworte: Cystische Fibrose, Bronchiallavage, Pseudomonas aeruginosa , Pulsfeld-Gelelektrophorese, Restriktionsfragment-Längenpolymorphismus, Random Amplified Polymorphic DNA-Analyse, Polymerasekettenreaktion

Abstract

There is controversy about adequate specimen to detect and characterise colonisation of cystic fibrosis (CF) airways by Pseudomonas aeruginosa.

Oropharyngeal, sputum and bronchoalveolar lavage (BAL) samples were evaluated sequentially from 38 stable CF patients for the detection of P. aeruginosa. Pseudomonas strains were typed by random amplified polymorphic DNA (RAPD) analysis and pulsed-field gel electrophoresis (PFGE) of DNA macrorestriction fragments. The occurrence of genetically different isolates within the same host and longitudinal variations in the genotype during repeated examinations was assessed.

Sensitivity, negative and positive predictive values and specificity to detect P. aeruginosa were 36%, 74%, 83% and 96% for oropharyngeal cultures in non-expectorating patients and 92%, 94%, 100% and 100% for sputum cultures from expectorating patients, respectively. RAPD analysis and PFGE were suitable to characterize P. aeruginosa CF isolates, although only DNA macrorestriction was able to distinguish between identical and closely related strains. Genotypes of Pseudomonas isolates recovered from oropharyngeal swabs and sputum differed to the strains recovered by bronchoscopy in 55% and 40%, respectively. In 62% longitudinal variations in the genotype occurred. Half of these alterations were only detectable from bronchoscopically obtained samples.

In conclusion, sputum samples have the same value as specimens from BAL to detect P. aeruginosa colonisation, whereas cultures from the oropharynx are not suitable for characterising the bacterial conditions in the CF lungs in an early disease state. DNA macrorestriction is recommended as an excellent tool for epidemiological investigations. Different genotypes within the same host and longitudinal genetic alterations are common and may be detectable in the BAL fluid exclusively.

Keywords: Cystic fibrosis, bronchoalveolar lavage, Pseudomonas aeruginosa , pulsed-field gel electrophoresis, restriction fragment length polymorphism, random amplified polymorphic DNA analysis, polymerase chain reaction

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17.07.2006