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Main Title: Determination of Mycobacterium tuberculosis odour compounds detected by Cricetomys gambianus rats for diagnosis of pulmonary tuberculosis in low-income settings
Translated Title: Diagnose der Lungentuberkulose durch Cricetomys gambianus Ratten in Ländern der Armut: Bestimmung der Geruchskomponenten von Mycobacterium Tuberculosis
Author(s): Mgode, Georgies
Advisor(s): Kaufmann, Stefan H.E.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät III - Prozesswissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: In Regionen mit geringem Einkommen sind neue Methoden zur Schnelldiagnose der Tuberkulose (TB) dringend erforderlich, auch in Ergänzung zur hauptsächlich genutzten Mikroskopie. Ratten, die speziell auf die Erkennung von TB trainiert wurden, bieten eine vielversprechende Möglichkeit zur schnellen TB-Diagnose gerade in Regionen mit limitierten Ressourcen. Die spezifischen flüchtigen Verbindungen von Mycobacterium tuberculosis (Mtb), die im Sputum von TB Patienten von Cricetomys gambianus Ratten erkannt werden, sind bislang unbekannt. Ebenso ist nicht bekannt, ob diese Ratten Geruchssignale von anderen Mykobakterien und Mtb-ähnlichen Mikroorganismen, welche ebenfalls Lungenerkrankungen auslösen, erkennen. In dieser Arbeit wurden die Mtb-spezifischen flüchtigen Verbindungen untersucht, welche von Ratten erkannt werden. Desweiteren wurde geprüft, ob diese Verbindungen auch von anderen Mykobakterien-Arten abgegeben werden. Dabei wurden klinische Sputen mit verschiedenen Mycobacterium spp, Mtb Genotypen und anderen Mikroorganismen der Atemwege verwendet. Schließlich wurde die Fähigkeit der Ratten untersucht, Mtb-spezifische Verbindungen von anderen verwandten Verbindungen aus Mtb und anderen Mikroorganismen zu unterscheiden. Die Ergebnisse zeigen, dass Mtb spezifisch flüchtige Substanzen bildet, die in anderen Mykobakterien sowie den mykobakterien-ähnlichen Bakterieren Nocardia spp. und Rhodococcus spp. und weiteren Mikroorganismen nicht vorkommen. Die trainierten Ratten nutzen diese flüchtigen Substanzen, um TB-positive Sputen von TB-negativen zu unterscheiden. Flüchtige Verbindungen, die sowohl von Mtb als auch von anderen Mykobakterien produziert werden, ignorieren die Ratten. Ein Gemisch dieser Substanzen wird von den Ratten deutlich besser erkannt, als einzelne Verbindungen. Die Ratten können weiterhin Mtb von anderen Mikroorganismen unterscheiden. Die Detektionsrate wird dabei von der Wachstumphase der Kultur beeinflusst. Die Ratten erkennen schliesslich viel häufiger TB-positive Sputen als negative Sputen, die mit Mtb beimpft bzw. mit den flüchtigen Substanzen versetzt wurden. Klinische Sputen, die Mtb enthalten, werden von den Raten gegenüber Sputen mit anderen Mikroorganismen unterschieden. Sputen, die verschiedene Mtb Genotypen beinhalten, werden ebenso detektiert. Daher ist die Schlussfolgerung zulässig, dass die trainierten Ratten zuverlässig TB erkennen. Weitere Studien sind erforderlich, um die optimalen Bedingungen und Anteile der Mtb-spezifischen flüchtigen Substanzen zu bestimmen, um ähnlich starke Reaktion der Ratten im Vergleich zur Reaktion auf typische TB-positive Sputen zu erhalten. Weitere Untersuchungen sollten die Detektionsrate für Sputen mit häufig vorkommenden nichttuberkulösen Mykobakterien feststellen. Zudem können weitere Untersuchungen, die auch dormante Mtb einschließen, Einblicke in die Ursachen für die Detektion falsch-positiver Sputen geben, die durch Mikroskopie und konventionelle Mtb-Kultur ermittelt wurden, in denen sich dormante Mtb-Erreger nicht anziehen lassen.
Novel methods for rapid diagnosis of tuberculosis (TB) are urgently needed to complement the widely used smear microscopy in low income settings. Trained TB detection rats offer a promising tool for rapid diagnosis of TB in resource limited settings. The Mycobacterium tuberculosis (Mtb) specific volatile compounds detected by trained Cricetomys gambianus rats in sputum of TB patients are unknown. It is also not known whether rats detect odour signals from other mycobacteria and microorganisms related to Mtb, which cause pulmonary infections resembling TB. In this thesis I investigated Mtb-specific volatile compounds detected by trained rats and whether the target compounds are found in other mycobacterial species and related pulmonary pathogens. The ability of rats to discriminate cultures of different microorganisms, clinical sputa with different Mycobacterium spp., Mtb genotypes and other respiratory tract microorganisms was investigated. Finally, the ability of the rats to discriminate Mtb-specific odour compounds from shared compounds found in Mtb and other microorganisms was determined. Results show that Mtb produce specific volatile compounds which are not produced by other mycobacterial species, mycobacteria-related Nocardia spp. and Rhodococcus spp. and other microorganisms. Trained rats use these Mtb-specific compounds to distinguish TB-positive sputa from TB-negative sputa. Volatile compounds shared by Mtb and other mycobacteria and non-mycobacterial species are not detected by trained rats. A blend of Mtb-specific compounds is detected by rats better than individual compounds. Rats can discriminate cultures of Mtb from those of other microorganisms. Detection of Mtb cultures is influenced by growth stage. Rats detect more frequently TB-positive sputa than negative sputa spiked with Mtb or specific volatiles. Clinical sputa containing Mtb are well discriminated by rats from sputa containing other microorganisms. Sputa containing different Mtb genotypes are also detected. It is concluded that trained rats can reliably diagnose TB. Further studies are needed to determine the optimal combinations/ratios of Mtb-specific volatile compounds to yield similarly higher responses of rats as those of detection of typical TB-positive sputa. Future studies should assess detection of sputa with frequent nontuberculous mycobacterial species. Further investigations including recovery of dormant Mtb in sputum may give insights on actual cause of detection of false positive sputa currently judged by microscopy and conventional Mtb culture in which dormant Mtb cannot grow.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-33759
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/3678
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-3381
Exam Date: 22-Dec-2011
Issue Date: 23-Oct-2012
Date Available: 23-Oct-2012
DDC Class: 500 Naturwissenschaften und Mathematik
Subject(s): Cricetomys gambianus
Geruchserkennung
Mykobakterium
Schnell Diagnose
Tuberkulose
Cricetomys gambianus
Mycobacterium
Odour detection
Rapid diagnosis
Tuberculosis
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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