(Picture taken before the Corona pandemic.)

Datum: 02.06.2021 (German version below)

Network uses "genetic fingerprint" to monitor bacterial pathogens and to expedite the detection of outbreaks.

In a modern and global society, the mobility of humans and animals, and the transport of goods and food are on a permanent high. Infectious diseases and their causative agents have always followed trade and travel routes and the contact points involved. This is impressively illustrated by the current SARS-CoV2 pandemic. Further in 2011, the German public health system was confronted with a food-borne outbreak of a pathogen - an E. coli EHEC O104: H4 variant - which caused one of the largest outbreaks of EHEC infections resulting in 2,987 cases of diarrhea, 855 cases of severe kidney failure and 53 deaths.

The identification of the source of infection is usually essential for successful outbreak control. If the infection source is not identified quickly, such outbreaks can go on for long periods of time and across different locations, making the identification of the causative agent very difficult.

However - how do you recognize that the pathogens involved are "similar"? What does "similar” mean, and how can we identify whether a pathogen has already been observed elsewhere or earlier? How exactly can pathogens be traced? For this, a detailed "fingerprint" of the pathogen is needed which identifies or excludes any similarities.

"In order to improve infection control, molecular surveillance of infectious agents is essential", says Professor L. H. Wieler, President and Head of the Robert Koch Institute. To provide suitable instruments a consortium has been initiated by partners from three German organizations: the University of Münster, the Research Center Borstel and the Robert Koch Institute to form the network "miGenomeSurv" (microbial genome-based surveillance of infectious agents). This network is based on national reference laboratories, where - according to their mandate - infectious agents relevant to the population are characterized not just microbiologically but also via genome analysis. Genome sequencing methods provide "fingerprints" and other characteristics of the bacteria allowing surveillance and cluster detection.

In the context of "miGenomeSurv", a common language (nomenclature) is defined for the numerous lineages of detected pathogens. "Easy-to-use bioinformatic tools help to give each pathogen a unique signature", explains Professor Dag Harmsen of the University of Münster. This particularly important aspect is based on the genome sequence and of a so-called core genome (cg) –MLST type calculated from the genome data. As a result, the genetic material of the pathogen is translated into a standardized numerical code. This allows an easy exchange of data between the participating laboratories, with other national and international partners and institutions such as the ECDC and the public health service responsible for implementing measures such as outbreak management. The genomic profiles and other project data are published in a summarized form on the network’s website at www.miGenomeSurv.org.

The consortium will first concentrate on the following high-priority organisms:

  • enterohaemorrhagic Escherichia coli (EHEC)
  • Listeria monocytogenes
  • multi-resistant Mycobacterium tuberculosis, M. bovis / caprae
  • Vancomycin-resistant enterococci (VRE).

 

Ausbrüche schneller erkennen - Netzwerk nutzt „genetischen Fingerabdruck“ für die Überwachung (Surveillance) von bakteriellen Krankheitserregern

In der modernen, global agierenden Gesellschaft ist die Mobilität von Menschen, Tieren, Waren und Lebensmitteln extrem hoch. Stets folgten Infektionen und deren Erreger den Handels- und Reisewegen und dem damit verbundenen Kontakt. Dies verdeutlicht insbesondere die gegenwärtige SARS-CoV2 Pandemie. Ein weiteres prägnantes Beispiel findet sich im Jahr 2011. Hier wurde das deutsche Gesundheitssystem mit dem lebensmittelbedingten Ausbruch eines Krankheitserregers - einer toxischen Variante des Darmbakteriums E. coli des Typs EHEC O104:H4 -  konfrontiert, welcher zum weltweit größten EHEC-Ausbruch mit 2.987 Fällen von Durchfall, 855 Fällen von schwerem Nierenversagen und 53 Todesfällen führte.

Die Identifizierung der Infektionsquelle ist in der Regel Voraussetzung für eine erfolgreiche Ausbruchsbekämpfung. Wird die Quelle nicht zeitnah identifiziert, können solche Ausbrüche auch über lange Zeiträume und an verschiedenen Orten auftreten, was die Identifizierung eines Zusammenhangs besonders schwierig macht.

Aber - wie erkennt man, dass die Erreger „gleichartig“ sind? Was heißt „gleichartig“, und wie lässt sich erkennen, ob ein Erreger bereits an anderem Ort und zu anderer Zeit einmal beobachtet wurde? Wie lässt sich die Spur von Krankheitserregern exakt verfolgen? Hierfür wird ein exakter „Fingerabdruck“ des Erregers benötigt, um Ähnlichkeiten und Verwandtschaften zu erkennen oder auszuschließen.

„Um den Infektionsschutz zu verbessern, ist eine molekulare Surveillance von Infektionserregern unverzichtbar“, sagt Professor L. H. Wieler, Präsident des Robert Koch-Institutes. Um hierfür geeignete Instrumente bereitzustellen hat sich eine Gruppe von Wissenschaftlern an der Universität Münster, dem Forschungszentrum Borstel und dem Robert Koch-Institut im Netzwerk „miGenomeSurv“ - für mikrobielle genombasierte Surveillance von Infektionserregern - zusammengeschlossen. Basis des Netzwerks sind die dort angesiedelten nationalen Referenzlabore, bei denen - ihrem Auftrag entsprechend - für die Bevölkerung relevante Infektionserreger mikrobiologisch und bis hin zur Erbgutanalyse mittels Genomsequenzierung charakterisiert werden, um hieraus den „Fingerabdruck“ und weitere Merkmale der Bakterien für die Erregerüberwachung und Ausbruchsaufklärung zu gewinnen.

Im Rahmen von „miGenomeSurv“ wird eine einheitliche „Sprache“ für die zahlreichen Erregerlinien und die Erstellung eines „Steckbriefes“ genutzt. „Einfach zu verwendende bioinformatische Werkzeuge helfen dabei, dem jeweiligen Erreger eine eindeutige Signatur zu geben“, erläutert Professor Dag Harmsen von der Universität Münster. Dieser besonders wichtige Aspekt einer abgestimmten „Sprachregelung“ beruht auf der Berechnung eines sogenannten Kerngenom (Core Genome-(cg))-MLST-Ansatzes/Schlüssels aus den Genomdaten. Hierdurch wird das Erbgut der Erreger in einen standardisierten Zahlencode übersetzt. Das ermöglicht einen reibungslosen Datenaustausch zwischen den beteiligten Laboratorien, mit weiteren nationalen und internationalen Partnern und Institutionen wie z.B. dem ECDC und dem für die Umsetzung von Maßnahmen zuständigen öffentlichen Gesundheitsdienst. Die genomischen Profile sowie weitere Daten des Projekts werden in zusammengefasster Form auf der Webseite des Netzwerks unter www.miGenomeSurv.org veröffentlicht.

Die Kooperationspartner konzentrieren sich zunächst auf die folgenden Erreger und stellen die dazugehörigen Daten zur Verfügung:

  • Enterohämorrhagische Escherichia coli (EHEC)
  • Listeria monocytogenes
  • Multidrug resistant Mycobacterium tuberculosis, M. bovis/caprae
  • Vancomycin-resistente Enterokokken (VRE).