Salmonellen sind als Lebensmittelkeime bekannt, deren sichere Identifizierung und Feintypisierung entscheidend sind, um Verbraucher vor belasteten Lebensmitteln zu schützen. Traditionell ist die Serogruppierung und -typisierung mit viel Handarbeit und speziellen Antiseren verbunden. Hier bietet die Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR) eine praktikable Alternative für wichtige Serogruppen.
Validierung einer KI-gestützten FTIR-Methode
Am CVUA Stuttgart wurde nun diese FTIR-Methode validiert. Die Forschenden prüften dabei einen neuen KI-basierten Salmonellen-Klassifikator für den IR Biotyper® eingehend. Das System hat seine Gebrauchstauglichkeit im Test für die vier häufigsten Serogruppen von Salmonellen bewiesen. Damit kann die Methode in der Routineanalytik eingesetzt werden, was zu einer Einsparung von Aufwand und Kosten führt.
Gerade im Zentrallabor für Lebensmittelerkrankungsproben des CVUA Stuttgart, wo Lebensmittel aus ganz Baden-Württemberg auf Erreger wie Salmonellen untersucht werden, ist der Einsatz aktueller Methoden essenziell.
Die FTIR nutzt Infrarot-Strahlung (Wärmestrahlung), um die gesamte biochemische Zusammensetzung von Mikroorganismen zu erfassen. Unter standardisierten Wachstumsbedingungen erzeugen Mikroorganismen reproduzierbare IR-Spektren, die wie ein „Fingerabdruck“ wirken. Diese Muster können zur Typisierung unterhalb der Speziesebene, beispielsweise für die Serogruppen von Salmonellen, genutzt werden. Durch den Einsatz moderner Software, die auf Künstlichen Neuronalen Netzen basiert, lassen sich so leistungsfähige Identifizierungsmethoden entwickeln.
Unabhängige Überprüfung und Fazit
Die Forschenden führten eine größer angelegte, autonome und vom Gerätehersteller unabhängige Überprüfung durch, bei der sie sich an den hohen Standards einer nationalen Leitlinie zur Validierung von Methoden orientierten. Die Ergebnisse belegten die sehr verlässliche Funktion der Methode. Die formgerechte Überprüfung war dabei eine Voraussetzung für die Anwendung im akkreditierten Labor.
Die umfassend validierte Klassifizierungsmethode kann nun in Laboren der Lebensmittelüberwachung oder der Tiergesundheitsdiagnostik zur schnellen und einfachen Unterscheidung der häufigsten Salmonella-Serogruppen eingesetzt werden. Die Studienergebnisse wurden im e-Journal Nr. 16 des CVUA Stuttgart veröffentlicht [2].
Vorgehensweise
Für die durchgeführten Arbeiten wurde das Infrarotspektrometer IR Biotyper (IR BT®) der Firma Bruker als Geräteplattform genutzt. Zunächst entwickelten die Forscher einen sogenannten FTIR-Klassifikator – ein Softwaretool basierend auf Künstlicher Intelligenz (KI) –, das in der Lage ist, zwischen 36 verschiedenen Salmonella-Serogruppen anhand ihrer Infrarot-Spektren zu unterscheiden.
Umfassende Validierung und Ergebnisse
In einem zweiten Schritt wurde die Leistung dieses Klassifikators durch eine umfangreiche, externe Einzellabor-Validierung beurteilt. Diese zielgerichtete Validierung orientierte sich an den hohen Standards der Leitlinien des Bundesamtes für Verbraucherschutz und Lebensmittelsicherheit für die Spezies-Identifizierung mittels MALDI-TOF-MS. Als Zielparameter wählten die Wissenschaftler die vier in der EU am häufigsten nachgewiesenen Salmonella-Serogruppen: O:4 (B), O:6,7 (C1), O:8 (C2-C3) und O:9 (D1). Für die Untersuchung am CVUA Stuttgart konnten 1039 Infrarotabsorptionsspektren von 167 Salmonella-Stämmen aus 39 Serogruppen herangezogen werden.
Die Ergebnisse waren überwältigend: Für die Serogruppen O:4, O:6,7 und O:9 wurden die adaptierten Richtlinienanforderungen erreicht oder sogar übertroffen, mit einer Inklusivität von jeweils über 99 %. Lediglich die Serogruppe O:8 zeigte sich mit einer Richtig-Positiv-Rate von 96,1 % aufgrund eines einzelnen abweichenden Stammes nur geringfügig schwächer.
Einsatz in der Routine und weitere Vorteile
Die somit umfassend validierte Klassifizierungsmethode kann nun zur schnellen und einfachen Unterscheidung der häufigsten Salmonella-Serogruppen in der Routineanalyse eingesetzt werden, beispielsweise in den Laboren der Lebensmittelüberwachung oder der Tiergesundheitsdiagnostik. Zudem bieten die erstellten IR-Spektren einen weiteren Vorteil: Nach der Serogruppenzuordnung können sie in einer Cluster-Analyse einfach vorselektiert werden. Dies ermöglicht es, gezielt weiterführende Feintypisierungen anzuschließen, etwa durch die Vollgenomsequenzierung, was den Arbeitsaufwand in der Routineanalyse deutlich reduziert.
Quelle
Quellen
[1] J. Rau, L.-J. Dolch, T. Eisenberg, M. Erhard, J. Fuchs, P. Gödecke, M. Hilgarth, I. Huber, G. Huschek, N. Neumann, M. Mailänder, M. Pavlovic, A. Stahl, C. Wind, C. Wittmann, R. Becker; Guidelines for validating species identifications using matrix-assisted laser desorption/ionisation time-of-flight mass spectrometry (MALDI-TOF-MS) in a single laboratory or in laboratory networks. 28 Oct 2022.
[2] Oberreuter H., Cordovana M., Dyk M., Rau J., Establishment and Thorough External Validation of an FTIR Spectroscopy Classifier for Salmonella Serogroup Differentiation. Aspects of Food Control and Animal Health, 2025. 16: p. 1–18.
[3] Oberreuter H., Cordovana M., Dyk M., Degen O., Rau J., Establishment and Thorough External Validation of an FTIR Spectroscopy Classifier for Salmonella Serogroup Differentiation. IAFP’s Symposium on Food Safety, Madrid, 6–8 May 2025: p. Poster P1–38.
[4] Bundesinstitut für Risikobewertung BfR. Gesundheitliche Bewertung von Salmonellen. 2025 20.08.2025.
[5] Grimont P.A.D. & Weill F.-X. Antigenic Formulae of the Salmonella Serovars, 2007.