Magnetisierende Diagnostik

17.07.2012: Für erste Verdachtsdiagnosen und um die Auswahl von Antibiotika zu vereinfachen, greift man seit langem auf die Gramfärbung von Bakterien als diagnostische Routine-Methode zurück. Auf einfache Weise lassen sich Bakterien damit unter dem Mikroskop in zwei Klassen einteilen: grampositiv und gramnegativ. Amerikanische Forscher stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie nun eine Weiterentwicklung vor: die magnetische Gramfärbung, mit deren Hilfe eine klassenspezifische automatische magnetische Detektion und Trennung möglich wird.

Die Gramfärbung wurde vor etwa hundert Jahren vom dänischen Bakteriologen Hans Christian Gram entwickelt. Bakterienkulturen werden dazu mit dem Farbstoff Kristallviolett gefärbt, der sich in die Mureinschicht der Bakterienzellwände einlagert. Durch Behandlung mit iodhaltiger Lösung entstehen wasserunlösliche Komplexverbindungen zwischen Kristallviolett und Iod. Es gibt zwei Klassen von Bakterien, die sich im Aufbau ihrer Zellwände unterscheiden. Die einen sind von einer dicken Mureinschicht umhüllt, die anderen Bakterien tragen nur eine dünne Mureinschicht. Während die anschließende Behandlung mit Ethanol den Farbkomplex aus der dünnen Mureinschicht herauslöst, bleibt er in der dicken Mureinschicht fest eingelagert. Bakterien, die sich so entfärben lassen, nennt man gramnegativ, solche, die dunkelviolett bleiben, grampositiv.

Wissenschaftler um Ralph Weissleder an der Harvard University in Boston (USA) haben die Gram-Färbung nun weiterentwickelt zu einem magnetischen Detektionsverfahren. Dazu knüpften sie einen „molekularen Haken“ an die Kristallviolett-Moleküle. Die Färbung läuft mit diesem modifizierten Farbstoff genauso wie mit dem Original. Nach der Färbung werden dann über die zu den „Haken“ passenden „Ösen“ magnetische Nanopartikel an den Farbstoff angehängt. Die Bakterien können nun einfach quantifiziert werden: Kernresonanz (NMR)-Geräte detektieren die Magnetisierung der Nanopartikel.

Man könnte vor dem Waschen mit Ethanol eine NMR-Messung durchführen, um die Summe an grampositiven und gramnegativen Bakterien zu erhalten, und einmal nach dem Waschschritt, um die Konzentration an grampositiven Bakterien zu ermitteln.

Vorteil der magnetischen Detektion ist ihre hohe Empfindlichkeit. Proben könnten möglicherweise ohne vorherige Aufreinigung und ohne eine Kultur der Bakterien direkt magnetisiert und gemessen werden. Mithilfe einfacher, aber empfindlicher miniaturisierter Mikro-NMR-Geräte, wie sie in der Arbeitsgruppe entwickelt wurden, ist eine rasche, aber empfindliche Vor-Ort-Diagnose denkbar. Außerdem könnte die Magnetisierung auch zur Abtrennung der Bakterien aus der Probe genutzt werden.

Originalveröffentlichung:
Dr. Ghyslain Budin, Dr. Hyun Jung Chung, Prof. Hakho Lee, Prof. Ralph Weissleder; A Magnetic Gram Stain for Bacterial Detection; Angewandte Chemie