Elucidation of respiratory microbial communities and the feasibility of breath diagnostics based on microbial volatile organic compounds (VOCs) in adult cystic fibrosis patients

Kramer, Rolf

Ziel der vorliegenden Arbeit war es die mikrobiologischen Lebensgemeinschaften in den Atemwegen von adulten Patienten mit zystischer Fibrose (CF) zu analysieren. Darüber hinaus wurde zusätzlich ein diagnostisches Verfahren zur Atemluftanalytik entwickelt um mikrobielle Biomarker (flüchtige organische Verbindungen; VOCs) nachzuweisen. Die Durchführbarkeit des Verfahrens wurde in der CF-Ambulanz getestet. Die molekularen Analysen identifizierten ein breites Spektrum an Mikroorganismen im Sputum und ermöglichten die Untersuchung der genauen Zusammensetzung der unterschiedlichen bakteriellen Gemeinschaften. Eine Korrelation zwischen Lungenfunktion und der relativen Häufigkeit einzelner Arten wurde nicht festgestellt. Jedoch konnten verschiedene, teilweise persistierende Untergruppen bakterieller Gemeinschaften voneinander abgegrenzt werden, jeweils klar definiert durch ihre individuelle Zusammensetzung. Bei den Pilzen ließ sich eine unerwartet große Artenvielfalt nachweisen. Deren starke Fluktuation über die Zeit sowie zwischen verschiedenen Patienten deutet auf ein schwaches Kolonisierungspotential der Pilze hin. Für die Atemanalytik wurden verschiedener Mikroorganismen zunächst in vitro anhand ihrer abgesonderten VOCs unterschieden. Obwohl in vivo jene Verbindungen nicht detektiert wurden, ließ die individuelle Zusammensetzung der ausgeatmeten VOCs eine Differenzierung von Patienten und Kontrollen zu. In der vorliegenden Arbeit wurden zum ersten Mal die mikrobiologischen Gemeinschaften, einschließlich Pilzen und Bakterien, in einer größeren Kohorte analysiert. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese von polymikrobiellen Lungeninfektionen. Das Potential der Atemanalytik zur Unterscheidung verschiedener Krankheitserreger wurde nachgewiesen und könnte die Grundlage zur Entwicklung einer verbesserten Diagnostik bilden.

This thesis aimed to contribute to a more profound understanding of the microbial communities present in the airways of adult cystic fibrosis (CF) patients. Additionally, a breath analytical method was developed to detect microbial biomarkers (volatile organic compounds; VOCs) in exhaled air of the infected host and the feasibility of the method was tested in a CF outpatient clinic. Only culture-independent methods, such as single-strand conformation polymorphism (SSCP) fingerprinting and Illumina sequencing, revealed the broad spectrum of microorganisms associated with sputum from CF patients. Profiling of bacterial communities was performed and revealed no strong correlation between lung function and individual relative abundances of single species. In a polymicrobial perspective, however, distinct and persistent subgroups of bacterial communities could be defined by the individual compositions of species. In contrast to bacteria, an unexpected high richness of fungi was detected. Likewise, high fluctuation rates in species numbers were observed over time and between different patients, suggesting rather low colonization abilities of fungi in CF airways. For the breath analytical diagnostic approach, it was at first demonstrated that VOCs released by microorganism allowed discrimination of pathogens in vitro. The individual VOCs compositions monitored in exhaled breath of infected patients in vivo allowed distinction between CF patients and controls. Overall, this thesis supports the hypothesis of polymicrobial consortia being involved in pulmonary infections and provides for the first time an overview of the entire microbiome in a broader CF cohort, including fungi and bacteria. Furthermore, the potential of exhaled VOCs analysis to identify patients with certain pulmonary infections was demonstrated which may facilitate rapid and highly accurate diagnosis in the future.

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Kramer, Rolf: Elucidation of respiratory microbial communities and the feasibility of breath diagnostics based on microbial volatile organic compounds (VOCs) in adult cystic fibrosis patients. 2013.

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