Bakteeri-infektioiden tunnistaminen haihtuvista yhdisteistä

8.7.2020
Virus vai bakteeri? Taudinaiheuttajan tunnistaminen on erittäin tärkeää infektioiden hoitoa suunniteltaessa.

Mikrobien aiheuttamat infektiot ovat yksi yleisimmistä terveysriskeistä maailmanlaajuisesti. Infektioiden vaikutukset terveydenhoitoon ja talouteen ovat vuosittain valtavat, ja varsinkin antibioottiresistenttien bakteerikantojen jatkuva lisääntyminen vaikeuttaa infektiosairauksien hoitoa. Taudinaiheuttajan tunnistaminen on erittäin tärkeää infektioiden hoitoa suunniteltaessa.

Hengitystieinfektion ensioireet samanlaisia

Bakteeri- ja virusperäisen hengitystieinfektion ensioireet voivat olla hyvin samanlaiset, mutta antibioottihoito tehoaa vain toiseen niistä. Verenmyrkytyksen eli sepsiksen taas voi aiheuttaa useampi eri bakteerilaji, joihin eri antibiootit tehoavat eri tavalla. Myös eri bakteerilajien tunnistaminen ja erottaminen toisistaan on siis tärkeää infektioiden hoidossa.

Taudinaiheuttajien tunnistaminen tehdään pääsääntöisesti viljelemällä, joka vie mikrobista riippuen muutamasta tunnista useisiin päiviin, tai vasta-aineanalyysillä verinäytteestä. Hoidon suunnittelun kannalta tämä ei ole ideaalista, sillä hoidon aloittaminen voi pitkittyä tai liian hätäisesti aloitettu hoito voi olla vääränlaista. Tämän vuoksi mikrobien nopealle erottamiselle ja tunnistamiselle on tarvetta.

Meidän tutkimusryhmämme (Kajsa Roslund, Joonas Salminen ja Markus Metsälä) on keskittynyt analysoimaan eri bakteerien tuottamia haihtuvia yhdisteitä, joita voitaisiin tulevaisuudessa käyttää bakteerien helppoon ja nopeaan tunnistamiseen. Olemme myös etsineet samoja haihtuvia yhdisteitä ihmisen uloshengityksestä tutkiaksemme, voisiko bakteeri-infektioita todeta hengitysanalyysillä.

2 erilaista tekniikkaa tunnistamiseen

Hyödynnämme haihtuvien yhdisteiden tutkimuksessa kahta erilaista massaspektrometristä tekniikkaa.

Herkällä protoninsiirtoreaktio-massaspektrometrillä pystymme mittaamaan erittäin pieniä pitoisuuksia reaaliajassa. Kaasukromatografia-massaspektrometriaa taas käytämme bakteerien tuottamien yhdisteiden identifiointiin. Kasvatamme bakteereja in vitro sekä maljalla että liemessä ja mittaamme niiden tuottamat haihtuvat yhdisteet tekniikasta riippuen joko suoraan viljelmien päältä tai konsentroimalla yhdisteet kiinteäfaasi-mikrouuttoa hyväksi käyttäen. Reaaliaikaisten mittausten avulla pystymme tarkastelemaan, mitä haihtuvia yhdisteitä bakteerit tuottavat missäkin kasvun vaiheessa.

Tätä tietoa voidaan käyttää tulevaisuudessa esimerkiksi bakteerien metaboliaa ja virulenssia tutkittaessa. Bakteerimittausten avulla toivomme löytävämme haihtuvien yhdisteiden joukkoja (ns. sormenjälkiä) tai spesifejä biomerkkiaineita, joiden avulla tietyt bakteerit voidaan tunnistaa ja erotella toisistaan. Haihtuvien yhdisteiden mittaus ja analysointi on huomattavasti helpompaa ja nopeampaa kuin bakteerien tunnistaminen viljelemällä tai vasta-aineanalyysillä verestä. Tulevaisuudessa haihtuvia biomarkkereita ja sormenjälkiä voitaisiinkin käyttää bakteerien nopeaan tunnistamiseen sekä kliinisessä- että tutkimusympäristössä.

Hengitysanalyysista apua sairauksien diagnostiikkaan

Bakteerimittausten lisäksi tutkimusryhmämme on kiinnostunut myös ihmisen uloshengityksen sisältämistä haihtuvista yhdisteistä. Hengitysanalyysi on helppo, nopea ja kivuton apuväline sairauksien diagnostiikassa, ja se tarjoaa reaaliaikaista informaatiota potilaan terveydentilasta, toisin kuin esimerkiksi veri- tai virtsanäytteet. Muutamia hengitysilmatestejä on jo käytössä kliinisessä työssä, mutta hengitysanalyysin integroiminen hoitotyöhön on suurelta osin vielä saavuttamatta.

Tutkimusryhmämme on vuosien varrella mitannut kattavan joukon erilaisia yhdisteitä ihmisen uloshengityksestä optisen spektroskopian menetelmillä. Nyt olemme kuitenkin kiinnostuneet mittaamaan ihmisen uloshengitystä reaaliaikaisen massaspektrometrian avulla. Käytämme hengitysmittauksiin samaa protoninsiirtoreaktio-massaspektrometriä kuin in vitro -bakteerimittauksissa. Tällä tekniikalla pystymme mittaamaan hengityksessä esiintyviä hyvin pieniä pitoisuuksia reaaliaikaisesti.

Tutkimusryhmämme on tällä hetkellä kiinnostunut varsinkin suun patogeenisista bakteereista ja suun infektiosairauksista, kuten parodontiitista. In vitro -bakteerimittauksissa olemme keskittyneet niihin suun anaerobisiin bakteereihin, joiden tiedetään olevan ientulehduksen ja parodontiitin suurimpia aiheuttajia. Näihin lukeutuvat muun muassa Porphyromonas gingivalis, Tannerella forsythia ja Prevotella intermedia. Tulevaisuudessa tarkoituksenamme on laajentaa mittauksia myös suun aerobisiin bakteereihin.

Bakteerimittausten lisäksi olemme ottaneet hengitysnäytteitä suun infektioista kärsiviltä potilailta yhteistyössä Helsingin yliopiston suu- ja leukasairauksien osaston kanssa. Tarkoituksenamme on etsiä biomerkkiaineita suun patogeenisille bakteereille ja kehittää hengitystesti suun bakteeri-infektioille yhdistämällä in vitro -bakteerimittauksista ja potilasmittauksista saamiamme tuloksia.

Suusairauksien lisäksi työryhmämme on kiinnostunut suomalaisten kansansairaudesta, eli tyypin 1 diabeteksesta, ja siihen liittyvästä munuaissairaudesta. Teemme yhteistyötä Helsingin yliopiston diabetes- ja lihavuustutkimusohjelmaan kuuluvan FinnDiane-tutkimusryhmän kanssa. Olemme tehneet hengitysmittauksia tyypin 1 diabetesta sairastavien ja diabeteksen munuaissairautta sairastavien potilaiden kanssa, ja pyrimme yhdistämään saamiamme tuloksia FinnDianen kattaviin potilastietoihin ja kliinisen laboratorion dataan. Tarkoituksenamme on selvittää, löytyykö diabeteksen munuaissairautta sairastavien potilaiden uloshengityksestä yhdisteitä, jotka erottavat heidät selvästi terveistä kontrollipotilaista. Tällöin olisi mahdollista kehittää hengitystesti, jolla munuaissairaus voitaisiin todeta jo hyvin varhaisessa vaiheessa.

Juttu on aiemmin julkaistu Kemiauutiset2020-lehdessä.