DE2826416C3 - Vorrichtung zum Nachweis von Bakterien, Pilzen und Viren im Blut - Google Patents

Description

Erfindungsgegenstand ist die im Patentanspruch genannte Vorrichtung.

Septische Komplikationen stehen heute mit an der Spitze der Todesursachen von Patienten, die wegen einer anderweitigen schweren Erkrankung auf Intensivstationen liegen. Ursachen sind die geschwächte Infektabwehr dutch die Griindkrankheit und die nicht völlig zu verhindernde Verschleppung von Krankheitserregern anderer Paticntci.

Heute geben uns über 60 Antibiotica aus 13 verschiedenen Präparategruppen die Möglichkeit in die Hand, einen nachgewiesenen Keim gezielt anzugehen. Eine frühzeitige Diagnose und damit eine verbesserte Therapiemöglichkeit kann die Überlebenschance von Patienten mit bakteriellem oder mykotischem Systembefall entscheidend verbessern.

Die Diagnose einer Sepsis ergibt sich aus dem klinischen Bild (Fieber, Schüttelfrost, Leukozytosc, Linksverschiebung im Differentialblutbild, Verbrauchskoagulopathie, u. U. septischer Schock und andere, nicht obligate Zeichen) und aus dem kulturellen Keimnachweis im Blut des Patienten. Bei positivem Keimnachweis ergibt das Antibiogramm zugleich wichtige Anhaltspunkte für die wirkungsvollste antibiotischc oder antimykotische Therapie. Die heute gebräuchlichsten bakteriologischen Nachweisverfahren stellen im wesentlichen nur technische Varianten der um die Jahrhundertwende entwickelten Blutkulturtechnikcn dar. Durch die Einführung der Liquoidvenüle und der Blutkulturflasche mit vorgefertigtem Nährboden wurde eine relative Optimierung der klassischen Verfahren erreicht. Für klinische Belange ist die Ausbeute aber auch mit diesem Verfahren noch nicht zufriedenstellend. Die bisherigen Verbesserungen der Blutkulturverfanren beschränkten sich auf die Entwicklung empfindlicherer bakteriologischer Nachweistechniken. Das gilt sowohl für die radiometrische Messung von markiertem CO₂ als auch für die Membranfiltermethode und ihre Weiterentwicklungen.

Die Chance, mit der herkömmlichen Blutentnahmetechnik zu Kulturzwecken den Erreger zu identifizieren, ist mit nur 30% aller klinisch sicheren Fälle erschreckend gering. Diese niedrige Trefferquote

könnte nach heutigem Wissen zwei Ursachen haben:

1. Ein septischer Streuherd gibt die Erreger nicht kontinuierlich, sondern schubweise in die Blutbahn ab. Der ideale Zeitpunkt, den Erreger aus der Blutbahn zu erhalten, liegt schon vor dem Beginn der klinischen Symptome wie Fieber und Schüttelfrost.

2. Ein großer Teil der Patienten ist bereits mit Antibiotica vorbehandelt. Diese Antibiotica gelangen unweigerlich zusammen mit den Erregern ins Kulturmedium und unterdrücken das Keimwachstum. Die Blutkultur wird fälschlicherweise negativ.

Dies bedeutet, daß man in 70% der Fälle von klinisch sicherer Sepsis gegen einen unbekannten Erreger kämpft, meistens auch, ohne zu wissen, ob es sich um eine bakterielle Sepsis oder um eine Pilzsepsis handelt. Die Wahl des richtigen Antibioticums oder Antimykoticums wird damit zur Glückssache.

Seit Jahren wird versucht, diese diagnostische Lücke zu schließen. Neue Methoden wurden entwikkelt, die schneller und sicherer als die klassischen Verfahren den Erregernachweis im Blut liefern sollten. 2Ί Aber auch diesen neuen Verfahren sind drei entscheidende Nachteile erhalten geblieben. Noch immer muß die Blutprobe genau zum Zeitpunkt des Einschwemmens von Mikroorganismen in die Zirkulation entnommen werden, im Idealfal! also, bevor der Patient J» mit einem Temperaturanstieg reagiert. Außerdem gelangt immer nur ein kleines Aliquot aus dem großen Blutreservoir zur Untersuchung. Bei antibiotisch vorbehandelten Patienten werden schließlich Antibioticareste mit in die Kultur gebracht und bewirken dort r> eine Hemmung des Keimwachstums.

Aufgabe der Erfindung war es daher,, eine Vorrichtung zu schaffen, welche die erwähnten Nachteile nicht aufweist und es ermöglicht, Krankheitserreger, die zu einem unbekannten Zeitpunkt in den Kreislauf des Patienten eindringen, zu diagnostischen Zwecken zu isolieren, gegebenenfalls von anhaftenden Antibioticaresten zu befreien und mit möglichst geringem Arbeitsaufwand zu bestimmen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst.
« Das der Erfindung zugrundeliegende Prinzip der Hämoperfusion wird seit längerem angewendet zur Behandlung schwerer Intoxikationen, z. B. Schlafmittelvergiftungen. Es handelt sich bei diesem Verfahren um die Abtrennung von Pharmaka aus dem Blut durch κι Adsorption an Kohle, also eine rein therapeutische Behandlung.

Es war überraschend, daß nunmehr eine Vorrichtung zur Verfugung gestellt werden kann, welche den Nachweis infektiöser Partikel, d. h. Mikroorganismen ■>^r> wie Bakterien und Pilze sowie Viren ermöglicht, ohne daß sich signifikante Veränderungen der natürlichen Blutbestandteile, wie z. B. Erythrozyten, Leukozyten und Thrombozyten, ergeben.

Als Adorbentien werden hämocompatible, die Er-W) reger selektiv bindende Polymere eingesetzt, wobei diese als Adsorbens per se eingesetzt werden, aber auch auf einen porösen Träger aufgetragen werden können, d. h. alle in Frage kommenden Polymere können außer als Schichtbildner auch als »bead-material« dienen, sofern sie genügend porös sind oder gemacht werden können.

Als Polymere können beispielsweise Polyacrylate oder Polymethacrylate, wie /.. B. Polyhydroxyäthyl-

methacrylat verwendet werden. Als weitere Polymere seien Adsorberharze, wie Amberlite XAD II, Celluloseacetat, Kollodium und Nylon genannt. Als Träger der Schichtbildner können beispielsweise poröse Materialien wie Glas, keramische Materialen, z. B. Ton, Metalloxide wie Aluminiumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Siliciumoxid oder Aktivkohle verwendet werden.

Es hat sich acrylhydrogelbeschichtete Pflanzenkohle bewährt. Der Anteil des Beschichtungsmittels beträgt 0,5 bis 10%, vorzugsweise 2% des Gesamtgewichts des Adsorbens. Das Verfahren der Beschichtung ist dem Fachmann geläufig und bedarf keiner näheren Erläuterung.

Weiterhin zu verwenden sind als Adsorbens mit aufgedampfter Kohle beschichtetes, poröses Material, wie beispielsweise Glas. Es eignet sich auch poröses Glas, welches biocompatibel gemacht wird durch Kühlung mit Heparin und/oder Albumin, welches antithrombogen wirkt. Für die Bindung von Heparin kann z. B. die Verknüpfung mittels eines wasserlöslichen Carbodiimids herangezogen werden. Als Glas eignet sich das sogenannte »Controlled pore glass«.

Die Adsorbentien können außer in Form kleiner Partikel oder Granulen ζ. B. auch in Form von Platten oder Folien vorliegen, die in die Hämoperfusionskammer eingelegt werden und leicht entnommen und bequem in den Nährboden oder die Nährlösung eingebracht werden können.

Die Bestimmung der Erreger erfolgt vorzugsweise im adsorbierten Zustand. Hierin liegt ein wesentlicher Vorteil, weil das Adsorbens mit den daran gebundenen Erregern direkt in das Nährmedium eingebracht werden kann. Es können die an sich bekannten mikrobiologischen, virologischen oder elektronenmikroskopischen Nachweismethoden herangezogen werden.

Hierzu wird das mit den Erregern angereicherte Adsorbens im Fall von Bakterien und Pilzen in einem geeigneten Nährmedium folgendermaßen angezüchtet: Mit einer sterilen Pinzette werden ca. 20 bis 30 Adsorbens-Partikel möglichst schonend in die Oberfläche des Nährbodens eingedrückt. Gleichzeitig können flüssige Nährmedien mit einigen Partikeln beschickt werden. Die Bebrütung ei folgt bei 37° C. Die weitere Identifizierung erfolgt mit den üblichen Routinemethoden der Bakteriologie und Mykologie. Im Fall von Viren erfolgt eine Züchtung auf Eikulturen.

Es ist ferner möglich, das Adsorbens mit Puffer zu waschen, mit Alkohol zu entwässern, mit gepuffertem Glutaraldehyd zu behandeln und rasterelektronenmikroskopisch zu untersuchen.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die Deckel (3) beispielsweise so beschaffen sein, daß sie auf die Säule aufschraubbar sind. Jedenfalls sind sie leicht und ohne Gefahr der Kontamination abnehmbar zur schnellen bequemen Entleerung des Inhalts, was sehr wesentlich ist. Der Blutabfluß kann mit einem Transfusionsbesteck (6) mit Filter (7) versehen sein. Als Material der Bestandteile sind inerte, leicht verarbeitbare Kun^ct^i::r·· wie Teflon geeignet.

Die für rein diagnostische Zwecke bestimmte Vorrichtung hat vorteilhaft geringe Abmessungen. Die Säule weist einen Durchmesser von etwa 1 bis 3 cm und eine Höhe von etwa 2 bis K) cm auf. Durch das geringe Volumen werden keine der theoretisch an sich möglichen Nebenwirkungen, wie Blutdruckabfall. Thrombozytopenie, Verlust an Immunglobulinen.

Adsorption verabreichter Medikamente, Hämolyse, ausgelöst.

Insgesamt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung von geringem Volumen, deshalb klinisch unbedenk-Hch, was einen wesentlichen technischen Fortschritt bedeutet. Sie ist rasch und bequem handhabbar, mit relativ niedrigen Herstellungskosten belastet und somit als Wegwerfartikel einzusetzen.

Die Figur zeigt die Kapsel. Alle Teile sind vorteil-H) haft aus Teflon gefertigt und damit im Autoklaven bei 130° C sterilisierbar. Die Kapsel wird mit acrylhydrogelverkapselter Pflanzenkohle gefüllt und nach Durchspülung mit physiologischer Kochsalzlösung bei 130° C im Autoklaven sterilisiert.

Tierversuche

Zum Vergleich der Effektivität der konventionellen Blutkultur mit einer Kultur aus Perfusionskohle bot sich zunächst der Tierversuch an. Versuchstiere waren

Ji) 250 bis 300 g schwere Wistarratten. Eine experimentelle Sepsis wurde durch i.v.-Injektion definierter Keimzahlen von Candida albicans simuliert. Zugang für die Hämoperfusion waren PVC-Schläuche in den Iliacalgefäßen. Sie wurden in Äthernarkose plaziert.

Die weitere Untersuchung erfolgte am wachen Tier im Restriktionskäfig.

Mit einer Flußgeschwindigkeit von 1 bis 2 ml/min wurde das Blut der Ratte über eine Rollenpumpe aus der Arterie über die Kohlekapsel zurück in die Vene befördert. In der Kapsel befanden sich 3 g acrylhydrogelbeschichteter Pflanzenkohle, das restliche Blutfüllvolumen des Systems betrug 3 ml. Zu Versuchsbeginn wurde das System mit Frischblut von einem Spendertier gefüllt. Zu Beginn der Perfusion wurde mit 100 IE

3> Heparin antikoaguliert, die später notwendige Heparinisierung richtete sich nach der Lee-Whitc-Gerinnungszeit.

60 min nach i.v.-Injektion von 1 ml der Candida-Suspension wurde zunächst eine arterielle Blutkultur

M) entnommen, im Anschluß daran die Perfusion für die Dauer einer Stunde begonnen. Nach Abschluß der Hämoperfusion wurde die Aktivkohle unter sterilen Kautelen mit Ringerlösung gewaschen. Ein Teil der Kohlepartikel gelangte zum Kulturversuch, der an-

•Γ) dere Teil nach Fixierung mit Glutaraldehyd-Sörensen-Puffer zur rasterelektronenmikroskopischen Untersuchung.

Kulturelle Diagnostik

-,ο Der bakteriologischen Verarbeitung der Perfusionskohle aus den Tierversuchen erfolgte derart, daß sofort nach Abschluß des Tierversuchs die Perfusionskohle unter sterilen Kautelen entnommen und bakteriologisch aufgearbeitet wurde.

·-,·-, Mit der sterilen Pinzette wurden pro Platte ca. 20 Kohlepartikel auf die festen Nährmedien verteilt und leicht in die Oberfläche eingedrückt. Als Nährbo- . den wurde für die Originalkulturen Saboraud-Maltose-Agar und für die Anreicherungen Saboraud-

bo Nährmedium flüssig eingesetzt. Als Kontrollen zur Erkennung etwaiger Verunreinigungen wurden gleichzeitig Blutagarplatten und Mac Conkey-Nährböden mitgeführt. Gußplatten wurden durch Übergiei.'.en von etwa 20 über die Petrischale verteilten

hi Kohlepartikeln mit verflüssigtem Agarmedium angefertigt.

Am 2.. 4. und 8. Tag wurde aus den flüssigen Anreicherungen (Thioglycolat, Traubenzuckerbouillon)

Material auf die gleichen Nährböden in fester Form überimpft, wie sie für die Originalkulturen eingesetzt wurden.

Präparationstechnik für die rastcrclektronenmikrosipische Untersuchung

Die Kohlepartikel wurden nach Entnahme aus der Patrone in 2- bis 3%igem auf pH 7,2 gepuffertem Glutaraldehyd 24 Stunden lang fixiert.

Das fixierte Material wurde anschließend in mehrfach zu wechselnder Pufferlösung gewaschen und in einer aufsteigenden Reihe von Alkohol entwässert. Aus dem reinen Alkohol wurden die Präparate in mindestens 4 Stufen in Frigen 11 übergeführt (Alkohol/Frigen: ^:/,, ¹Z₂, ¹Z₂, reines Frigen) und in einem Druckgefäß nach der Kritischen-Punkt-Methode konserviert.

Nach Aufbringen der Kohlepartikel auf die Probenteller des Raster-Elektronenmikroskops wurde eine elektrisch leitende Schicht mittels einer Sputteranlage aufgebracht. Die Untersuchung erfolgte mit dem Stereoscan Mark II.

Mit der diagnostischen Hämoperfusion wird im Gegensatz zu den vorher diskutierten Techniken eine Optimierung des Untersuchungsmaterials angestrebt. Man bleibt hierbei über einen längeren Zeitraum in den Kreislauf eingeschaltet, so daß der Erreger nach dem Ausschwemmen durch diese »Falle« der Kohlekapsel abgefangen werden muß.

Die mit der diagnostischen Hämoperfusion durchgeführten Versuche an der Ratte weisen auf eine größere Empfindlichkeit der Perfusionsmethode gegenüber der Liquoidvenüle hin. Ergänzende Experimente mit grampositiven und gramnegativen Keimen sprechen dafür, daß diese Aussage auch für Bakterien gilt. Die überlegene Nachweisempfindlichkeit dokumentiert sich bei einer Infektionsdosis von K)⁵ bis K)⁷ Keimen pro Tier durch positive Hämoperfusionskulturen bei überwiegend negativen Liquoidvenülen. Bei den Liquoidvenülen trat in 2 Fällen ein Wachstum zu einem vergleichsweise späteren Zeitpunkt auf. In einem Fall blieben die Kulturen der Kohle und der Liquoidvenüle negativ.

Hervorzuheben ist, daß die Keime bei der Hämoperfusionsmethode in der Regel direkt und nicht auf dem Umweg über eine flüssige Anreicherung gezüchtet wurden. Die bakteriologische Aufarbeitung der Kohlepartikel zur Anzüchtung ist einfach und jedem bakteriologischen Routinelabor zumutbar.

Die Stabilität der Bindung von Keimen an die Kf)h!enberf!äche eröffnet die Möglichkeit einer Trennung von Keimen und anhaftenden Antibioticaresten durch einen einfachen Waschvorgang.

Durchführung des Verfahrens beim Menschen

Eine Teflonkapsel wird mit 2% acrylhydrogelbeschichteter Aktivkohle gefüllt, im Autoklaven sterilisiert und in einem extrakorporalen Kreislauf mit dem Patienten verbunden. Der Anschluß der Kapsel an den Patentien erfolgt in der Regel durch unilaterale Punktion von Arteria femoralis und Vena femoralis gemäß der Seldinger-Technik. Das Blut durchströmt die Kapsel von oben nach unten. Es ist nicht notwendig, in das System eine Blutpumpe einzuschalten. Als zusätzliche Sicherung vor Luft- oder Partikelembolien dient das kommerzielle Transfusionsbesteck im venösen Rücklauf. Um eine Thrombosierung im extrakornoralen Kreislauf zu verhindern, werden vor Perfusionsbeginn 5000 IE Heparin i.v. injiziert. Soll länge als 60 Min. perfundiert werden, sind weitere Hepa ringaben unter Kontrolle der Lee-White-Gerin nungszeit erforderlich. Nach beliebig langer Kontakt zeit mit dem strömenden Blut des Patienten wird de extrakorporale Kreislauf wieder unterbrochen. Di Aktivkohle kann dann durch Waschen mit einer steri len Elektrolytlösung von anhaftenden Antibioticare sten befreit werden, bevor sie mitsamt den ebenfalls haftenden Erregern in ein Nährmedium gegeben wird In diesem Medium gelingt es dann, wie oben beschrieben, die Keime zu identifizieren und ihre Empfind lichkeit auf verschiedene Antibiotica und Antimyko tica zu testen. Aus dieser Testung ergeben sich hart Daten, welches Präparat den Patienten vermutlich arr Leben erhalten kann.

Zur technischen Durchführung der diagnostischer Hämoperfusion gibt es — je nach dem klinischen Pa tienten - zwei Alternativen. Patienten mit Sepsis ent wickeln sehr häufig als Zweitkrankheit ein akute Nierenversagen. Wenn der Patient wegen des Nieren versagens sowieso mit der Hämodialyse behandel werden muß, genügt es, die Kapsel einfach in Schlauchsystem der Dialyse mit einzuschalten, unc zwar in den arteriellen Schenkel, jedoch erst nach de Blutpumpe. Je nach Umfluß ist damit automatisch eil Kontakt der Kohle mit 100 bis 200 ml Blut pro Minut gewährleistet.

Beim nierengesunden Patienten mit Sepsis hat siel· ein anderes Vorgehen bewährt. Die Kohlekapsel wir zunächst durch Perfusion mit einer Heparin-Koch salzlösung (1000 IE auf 1000 ml) von Luftblasen be freit. Nächster Schritt ist die Punktion je einer Arterie und einer Vene des Patienten mit Kunststoffkanülen deren Mindestlumen 1,4 mm betragen sollte. Es wir nach der Seldinger-Technik verfahren. Dann wird dit arterielle Punktionskanüle mit dem oberen Ende de: Kapsel verbunden, die venöse Kanüle über ein Trans fusionsbesteck mit dem unteren Ende. Nach Öffnei der Klemmen werden noch einmal 5000 IE Heparir ins System injiziert, um eine Gerinnung zu vermeiden Die Perfusion des Systems erfolgt jetzt druckpassiv d. h. ohne Zwischenschalten einer Pumpe, aus de Differenz zwischen arteriellem und venösem Druck Die optimale Dauer der diagnostischen Hämoperfu sion liegt bei etwa 60 Min. Der durchschnittliche Um fluß bei der hier geschilderten druckpassiven Perfu sion liegt bei 30 ml/min.

Somit lassen sich insgesamt folgende Vorteile de Hämoperfusionsmethode gegenüber den herkömmli chen Verfahren definieren.

Die Hämoperfusion zeichnet sich gegenüber de herkömmlichen Blutkulturtechnik durch eine größen Nachweisempfindlichkeit aus. Zudem bietet sie dei Vorteil, daß Kulturergebnisse und damit die Antibio gramme der Resistenztestung früher vorliegen. Durcl einen Spülvorgang nach der Hämoperfusion kam verhindert werden, daß Antibioticareste mit in di< Kultur gelangen.

Ein Hauptvorteil besteht jedoch in der Möglichkei einer langer dauernden Präsenz im Kreislauf de Menschen. Damit erhöht sich die Wahrscheinlichkeit den Zeitpunkt einer Keimeinschwemmung nicht zi verpassen.

Bei herkömmlichen Blutkulturen ist nachteilig, dal sie in der Regel mehrfach wiederholt werden müssen Die Gefäßzugänge, die bei der Hämoperfusion erfor derlich sind, sind oft aus anderer Indikation bereit

geschaffen (Dialyse, Herzchirurgie, arterielles Druckmonitoring usw.). In diesen Situationen genügt es. die Kapsel mit den vorgegebenen Anschlüssen zu verbinden. Besonders während einer Dialysebehandlung ist die Einschaltung der Kapsel ins arterielle System ohne Probleme.

Die bei der therapeutischen Hämoperfusion von Vergiftungen beschriebenen Nebenwirkungen sind bei der diagnostischen Perfusion durch das verkleinerte Volumen der Perfusionskapsel vernachlässigbar gering. Bei 7 Patienten ergaben Kontrollen von Hämoglobin, Erythrozyten-, Leukozyten- und Th rom -

hozytencount sowie LDH-Aktivität im Serum vor und nach diagnostischer Perfusion keine signifikanten Veränderungen.

Zusammenfassend bietet das erfindungsgemäße neue System dem Kliniker eine Bereicherung seiner diagnostischen Möglichkeiten beim Verdacht auf Septikämie. Der Patient wird durch die Diagnostik nicht gefährdet. Die Trefferchance für ein positiveres Ergebnis ist höher als bei den bisher bekannten Verfahren. Zudem ist im Falle eines positiven Kulturbefundes sowohl die Keimidentifizierung als auch das Antibiogramm früher als bisher zu erwarten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Vorrichtung zum Nachweis von Bakterien, Pilzen und Viren im Blut in Anwesenheit eines gerinnungshemmenden Mittels, wobei die Bakterien, Pilze und Viren durch bakteriologische, mykologische, virologische oder elektronenmikroskopische Methoden nachgewiesen werden, gekennzeichnet durch eine in einem extrakorporalen Kreislauf sich befindende, an beiden Seiten offene, ein hämocompatibles, die Bakterien, Pilze und Viren selektiv bindendes Adsorbens enthaltende Säule (1), in der das Adsorbens (5) durch Filter (2) mit übergestülptem Deckel (3) zusammengehalten ist, wobei die Deckel (3) Öffnungen mit Anschluß für Blut zuführende und Blut abfühiende Schlauchleitungen (4) aufweisend gestaltet sind.