Cell-free DNA as biomarker molecule to assess sepsis from a diagnostic point of view

Abstract

Sepsis ist ein lebensbedrohliches Syndrom, das durch Infektionen verursacht wird und zu Organfunktionsstörungen sowie hohen Sterblichkeitsraten führt. Antimikrobielle Resistenzen (AMR) erschweren die Behandlung von septischen Patienten. Die aktuellen diagnostischen Methoden basieren hauptsächlich auf Kulturen, die jedoch Einschränkungen in Sensitivität und Spezifität aufweisen. Diese Doktorarbeit zielt darauf ab, die Sepsisdiagnostik mithilfe von zellfreier DNA (cfDNA) und Next-Generation Sequencing (NGS) zu verbessern. Die Plattform SUPSETS wurde entwickelt, um die gleichzeitige Erkennung von sepsisverursachenden Pathogenen und AMRs mithilfe von Plasma-cfDNA zu ermöglichen. Dabei kommen Suppressions-PCR und langes Nanopore-NGS zum Einsatz, um eine schnelle Diagnose zu gewährleisten. Darüber hinaus wurde die Verwendung von kurzer doppelsträngiger cfDNA (Footprint-DNA) untersucht, um die Wirtsreaktion während der Sepsis zu bewerten. Diese ermöglicht die Unterscheidung zwischen klinischen Bedingungen und die frühzeitige Vorhersage physiologischer Parameter sowie des Infektionsstatus. Insgesamt zielt die Forschung darauf ab, die Identifikation von Pathogenen, die Erkennung von AMR und die Analyse der Wirtsreaktion zu integrieren, um die Sepsisdiagnostik und -behandlung zu verbessern, was potenziell auch die Diagnose anderer komplexer Krankheiten wie Krebs und Autoimmunerkrankungen erleichtern könnte.

Sepsis is a life-threatening syndrome caused by infection, leading to organ dysfunction and high mortality rates. Antimicrobial resistance (AMR) complicates treatment for septic patients. Current diagnostic methods are mainly culture-based, which have limitations in sensitivity and specificity. This doctoral research aims to enhance sepsis diagnostics using cell-free DNA (cfDNA) and Next-Generation Sequencing (NGS). A novel platform called SUPSETS was developed for simultaneous detection of sepsis-causing pathogens and AMRs using plasma cfDNA, employing suppression PCR and long-read Nanopore NGS for rapid diagnosis. Additionally, short double-stranded cfDNA (footprint DNA) was investigated to assess the host response during sepsis, allowing differentiation between clinical conditions and early prediction of physiological parameters and infection status. Overall, the research seeks to integrate pathogen identification, AMR detection, and host response analysis to improve sepsis diagnostics and treatment, potentially paving the way for diagnosing other complex diseases such as cancer and autoimmune disorders.