ÜBERLEBENSSTRATEGIEN VON BAKTERIEN IN DER UMWELT Prof. Dr. med. Thomas Eikmann Institut für Hygiene und Umweltmedizin Universitätsklinikum Gießen und Marburg GmbH Justus-Liebig-Universität Gießen Überall Mikroorganismen ¤ ¤ ¤ ¤ Optimistische Schätzungen gehen davon aus, dass wir etwa 0,10,5% der verschiedenen Mikroorganismen auf unserem Planeten kennen. Mikroorganismen, zu denen nicht nur Viren und Bakterien, sondern auch recht große Organismen wie unsere Speisepilze zählen, besiedeln jeden Ort auf der Erde, an dem wenigstens zeitweise Wasser in flüssiger Form vorkommt. Vorkommen z.B. in der Atmosphäre, im Gestein der Erdkruste, im Kühlwasser von Kernkraftwerken, auf dem Bohrer des Zahnarztes. Von den Zellen, aus denen ein Mensch besteht, sind ungefähr 90% (90.000.000.000.000) Mikroben, die unsere Haut, Mund oder Verdauungsapparat besiedeln und meist in Eintracht mit unserem Organismus leben, uns zuweilen aber auch krank machen können. Leben im Salz ¤ ¤ ¤ ¤ Pökeln und Einsalzen gehören zu den ältesten Methoden, Lebensmittel zu konservieren. Pökelfleisch und Stockfisch waren in der Vergangenheit die in der Seefahrt üblichen „Konserven“, weil die meisten Bakterien im Salz nicht überleben können. Neueste Untersuchungen in 4.000 m Tiefe im Mittelmeer konnten Spuren von bakterieller DNA nachweisen (in nahezu gesättigter Salzlösung!). Die spezielle Überlebensstrategie der Bakterien ist unbekannt und soll jetzt im Labor nachgestellt werden. K. Timmis: Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung, Braunschweig 2007 Überlebenskünstler in der Sahara ¤ ¤ ¤ Das in der ägyptischen Sahara lebende Bakterium Natromonas pharaonis muss mit einer doppelt lebensfeindlichen Bedingung zurechtkommen: einer stark alkalischen Umgebung mit extrem hoher Salzkonzentration. Dies entspricht etwa dem Salzgehalt des Toten Meeres und dem pH-Wert einer konzentrierten Waschmittellauge. Die Art der Seitenketten der Aminosäuren sind entscheidend für die räumliche Struktur, die die Proteine einnehmen. So bilden sich in Proteinen teilweise schraubenförmige Windungen oder Faltblatt-Strukturen aus. Erst wenn sie ihre dreidimensionale Form eingenommen haben, können sie biologisch aktiv werden. Durch Hitze, Druck, Säuren oder Salze können Proteine denaturiert werden. Sie verlieren dabei ihre dreidimensionale Struktur und können deshalb ihre Funktion nicht mehr erfüllen. (Genom Research 15, 1336-1343, 2005) Schwamm-assoziierte Bakterien ¤ ¤ ¤ ¤ Korallen und Schwämme produzieren aufgrund ihrer „sessilen“ Natur chemische Naturstoffe zur Abwehr von Fraßfeinden. Schwamm-assoziierte Bakterien bilden bis zu 60 % der Biomasse der Gesamtorganismen. Der überwiegende Teil der Abwehrstoffe wird offenbar durch die Bakterien gebildet und nicht durch den Wirtsorganismus. Bis heute wurden über 400 Bakterienspezies isoliert (u.a. Pseudoalteramonas, AlphaProteobakterien). (TU Berlin, Bosman 2007) Teamwork am heißen Schlot Gedeihliche Symbiose zwischen Muscheln und Bakterien Miesmuscheln an Unterseevulkanen ¤ ¤ ¤ Diese Muscheln leben dort, wo kaum ein anderer Organismus überleben kann: In der Welt der Tiefseegeysire und vulkanischen Schlote am Meeresgrund. Eine enge Symbiose mit speziell angepassten Bakterien erlaubt es diesen entfernten Verwandten der Miesmuscheln, unter den Extrembedingungen der Unterseevulkane zu gedeihen. Die Mikroorganismen helfen den bis zu 18 Zentimeter großen Muscheln dabei, die Kohlenstoffgase der Schlote für den Aufbau organischer Substanzen zu nutzen. Mit ihrer Hilfe können die Muscheln zudem die von den Geysiren ausgestoßenen Methane und Schwefelwasserstoffe oxidieren und so auf chemischem Wege Energie für ihre Stoffwechselprozesse gewinnen. Sporen-Bildung bei Bakterien ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ Sporen entstehen als „Dauerformen“ aus einer „vegetativen Zelle“ ohne Assimilation neuer Nährstoffe. Eigenschaften: Kugelige bis ovale Form, hohe Resistenz gegenüber chemischen und physikalischen Noxen. Medizinische Relevanz: Hitzeresistenz, die hohe Temperaturen bei Hitzesterilisation erforderlich macht! Ursache der Hitzeresistenz: dicke Sporenwand, Wasserarmut, Quervernetzung von SporenProteinen. In „günstigem“ Milieu: Umwandlung in vegetative Form; nur so Vermehrung möglich. Sporen-Bildung bei Bakterien Biofilme – Vorkommen und Struktur Fluoreszenzmikroskopiebild eines Biofilms: E. coli Zellen mit Produktion von grün oder rot fluoreszierenden Proteinen (ETH Zürich 2007) Faktoren für die Biofilmbildung ¤ ¤ ¤ ¤ Eintrag von Bakterien und das Nährstoffangebot Oberflächenbeschaffenheit des Materials Fließgeschwindigkeit Wichtige Zahlen und Fakten zum Biofilm ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ Weniger als 1 % aller Bakterien leben frei im Wasser (im planktonischen Zustand), mehr als 99 % leben in Biofilmen. Biofilme entstehen in wässrigen Systemen immer an Grenzflächen. Bakteriendichte: 107 – 1011/ml im Biofilm Je nach Nährstoffangebot ist der Biofilm einlagig bis mehrlagig. Abtrag von Biofilmteilen z. B. durch Scherkräfte. Phasen der Biofilmbildung ¤ 1. Induktionsphase: Basisfilm auf Substrat (Glas, Metall, Kunststoff, Gummi), zähschleimig, glitschig (einige Stunden). ¤ 2. Akkumulationsphase: bewegliche planktonische Bakterien haften am Basisfilm an. ¤ Bildung Extrazellulärer Polymerer Substanzen (EPS) durch EPS-produzierende Bakterien ¤ EPS und freie DNA verkleben die Bakterien dreidimensional. ¤ Bildung des Oberflächenfilms und der „Bulk“-Schicht. ¤ ¤ ¤ ¤ Verschiedene Bakterienarten leben synergistisch zusammen und kooperieren physiologisch miteinander. Gemeinsamer Schutz; der Biofilm wird unempfindlich u.a. gegen Desinfektionsmittel und bestimmte Enzyme 3. Existenz- bzw. Plateauphase: Gleichgewicht zwischen Aufwachsen und Abtrag (z. B. Scherkräfte, Abweiden) 4. Vollständiger oder teilweise Abbau. Mikroorganismen im Biofilm ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ Pseudomonaden, Flavobakterien, Acinetobacter sp., Alcaligenes sp. Überwiegend gram-negative Bakterien, weniger gram-positive Bakterien und Pilze Keine Reinkulturen, sondern immer Mischformen Für Legionellen ist der Biofilm ökologische Nische und Lebensraum Protozoen (Amoeben, Flagellaten, Ciliaten) grasen den Biofilm teilweise oder ganz ab. Hygienische Probleme durch Biofilme ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ Kontamination des Wassers Erhöhte Toleranz gegenüber Desinfektionsmitteln, Zehrung von Desinfektionsmitteln, Bildung von Desinfektionsmittel-Nebenprodukten Bildung von Geruchsstoffen (z.B. durch Aktinomyceten) Ursache für Verfärbung und Trübung von Trinkwasser (z.B. Eisen- und Manganoxide) Mikrobiell beeinflusste Korrosion (sog. Biokorrosion) Erhöhung des Strömungswiderstands (z.B. in Wasserleitungen) Biofilm – Kupferleitung einer Zentralen Desinfektionsmittel-Dosieranlage Tuschewitzki 1986 Biofilme im Trinkwasserbereich Selten benutzter Wasserhahn (Exner & Tuschewitzki 1984) Siliconschlauch einer zahnärztlichen Einheit (Exner & Tuschewitzki 1984) Biofilm – Ursache einer Tragödie in einer Kinderklinik Amöben Protozoen (Klasse Rhizopoda) Eigenschaften ¤ ¤ ¤ Fortbewegung durch ständige Formveränderung und Ausbildung von Pseudopodien. Vorkommen im Süßwasser. Nur wenige Arten fakultativ pathogen. Amöben Legionellen ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ Bevorzugte Vermehrungsorte für Legionellen sind Biofilme In Biofilmen können Legionellen wirkungsvoll durch zusätzlich produzierte Schleimsubstanzen vor Desinfektionsmaßnahmen geschützt überleben. Diese Biofilme stellen ein "Ökosystem " dar, in dem auch Einzeller wie (harmlose) Amöben vorkommen, die sich wiederum von den dort vorhandenen Mikroorganismen ernähren. Auch Legionellen werden aufgefressen, jedoch im Innern der Amöbe nicht verdaut; sie können sich dort sogar vermehren und damit anreichern. Auch in Amöbencysten, die als lungengängige Partikel zu betrachten sind und Legionellen ebenfalls Schutz vor allen gängigen Desinfektionsmaßnahmen bieten, sind diese lebendig vorhanden. Man geht davon aus, dass nicht der Mensch, sondern Frischwasser-Amöben den natürlichen Wirt von L. pneumophila darstellen. Die Infektion alveolarer Makrophagen des Menschen erfolgt durch Inhalation von L. pneumophila-haltigen Aerosolen. Trotz Vermehrung in Makrophagen ist die Lunge für Legionella eine Sackgasse, denn es wurde bislang noch keine Übertragung von Mensch zu Mensch beobachtet. Leginonellen & Amöben – eine effektive Symbiose Im Brauseschlauch entsteht Biofilm, eine schleimige Masse aus Mikroorganismen. Legionellen finden im Biofilm ideale Lebensbedingungen. Die im Biofilm lebenden Amöben werden von den Legionellen als Wirt zur Vermehrung benutzt. Desinfektionsmittelresistenz ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ Häufige Befürchtung: Das Problem der Antibiotikaresistenz betrifft in ähnlicher Weise auch Desinfektionsmittel. Diese Befürchtung ist unbegründet. Antibiotika sind Substanzen, die von Organismen produziert werden, um das Wachstum anderer Organismen zu unterbinden. Sie wirken sehr spezifisch und müssen vergleichsweise wie ein Schlüssel in ein Schloss passen, um ihre Funktion ausüben zu können. Weil mit Antibiotika lebende Organismen behandelt werden, können nicht beliebig hohe Konzentrationen eingesetzt werden. Die therapeutische Dosis ist deshalb nahe der minimal inhibierenden Konzentration (MIC), also der geringsten Konzentration, die noch eine Wirkung auf den Mikroorganismus zeigt. Die hohe Spezifität der Wirkung sowie auch die Dosierung nahe der MIC sind Voraussetzungen, welche die genetische Adaption oder Resistenzentwicklung gegen Antibiotika ermöglichen. (Weinig & Hahnen: Handbuch Sterilisation 2003) Desinfektionsmittelresistenz ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ Im Gegensatz zu Antibiotika sind Desinfektionsmittel bzw. Desinfektionswirkstoffe nicht spezifisch, was ihr Angriffsziel betrifft. Desinfektionsmittel fixieren, denaturieren, oxidieren, d.h. zerstören sozusagen wahllos alle erreichbaren Strukturen eines Mikroorganismus. Sie werden in Konzentrationen bis zu 10.000-fach über der MIC eingesetzt. Dies macht eine Resistenzentwicklung wie bei Antibiotika fast unmöglich. Die meisten Desinfektionswirkstoffe werden schon seit vielen Jahrzehnten verwendet, ohne dass auch nur einer wegen Resistenzentwicklung hätte aufgegeben werden müssen. – Dagegen: Nichtweiterverwendung von Desinfektionswirkstoffen aufgrund von toxischen Problemen (Formaldehyd auf der Fläche). Die Angst, dass multiresistente Keime wie MRSA oder VRE auch gegenüber Desinfektionsmitteln resistent sein könnten, ist völlig unbegründet. Ein Desinfektionsmittel, das die Prüfungen mit den standardmäßig eingesetzten Testbakterien bestanden hat, ist auch wirksam gegen Antibiotika-resistente Mikroorganismen. (Weinig & Hahnen: Handbuch Sterilisation 2003) Desinfektionsmittel & Biofilm ¤ ¤ ¤ ¤ Antibiotika-resistente Mikroroganismen sind ebenso empfindlich oder ebenso widerstandsfähig gegenüber Desinfektionsmitteln wie ihre nicht genetisch veränderten Spezies. Im Gegensatz zur genetischen Resistenzentwicklung ist die Desinfektionsmittel-Unempfindlichkeit von Mikroorganismen im Biofilmverband ein echtes und ernst zu nehmendes Problem (vor allem bei der Endoskopaufbereitung). Das Potential zur Schleimbildung und damit der Mechanismus der Unempfindlichkeit, ist bei vielen Mikroorganismen genetisch vorhanden, aber die Ausprägung dieser Eigenschaft ist umweltabhängig. Es handelt sich also um eine Adaption an ein bestimmtes Biotop. Wenn die unempfindlichen Keime zur Isolierung auf künstlichen Kulturmedien gezüchtet werden, verlieren sie in der Regel schon nach wenigen Passagen ihre Schleimhülle und mit ihr die Unempfindlichkeit gegen Desinfektionsmittel. (Weinig & Hahnen: Handbuch Sterilisation 2003) Antibiotikaresistenz ¤ ¤ ¤ ¤ Antibiotika sind Stoffe, die von Mikroorganismen gebildet werden und die andere Mikroorganismen hemmen oder abtöten. Antibiotika sind selektiv toxisch, d. h., sie töten oder hemmen Mikroorganismen, beeinträchtigen den behandelten Makroorganismus (Mensch, Tier, Pflanze) aber nur wenig oder gar nicht. Den positiven Erfahrungen mit Antibiotika steht eine negative Entwicklung gegenüber: die zunehmende Auslese, Anreicherung und Ausbreitung resistenter Keime, die auf eine Antibiotikum-Behandlung nicht mehr ansprechen. Die Resistenzentwicklung hat zum Teil derart dramatische Dimensionen angenommen, dass ein Rückfall in die Zeit ohne wirksame Antibiotika befürchtet wird. Diese pessimistische Interpretation der Resistenzlage wird dadurch verstärkt, dass die pharmazeutische Industrie aus verschiedenen Gründen nicht mehr genug neue Antibiotika liefern kann, für die noch keine Resistenzen bestehen. Antibiotikaresistenz ¤ ¤ ¤ ¤ Ist in der Natur die genetische Information für eine bestimmte Resistenz bereits vorhanden, so führt die Anwendung der entsprechenden Antibiotika zur Anreicherung von resistenztragenden Keimen. Bisher ist diese Entwicklung bei allen neuen Antibiotika immer innerhalb weniger Jahre nach der ersten Anwendung aufgetreten. Je mehr Antibiotikum in einer geographischen Region bei Menschen und/oder Tier eingesetzt wird, desto schneller erfolgt die Auslese, Anreicherung und Ausbreitung resistenter Bakterien. Durch Anwendung therapeutisch ungenügender (also zu geringer) Mengen wird die Resistenzausbreitung gefördert, da sich Bakterien so langsam an die Antibiotika "gewöhnen", d.h. Resistenz gegenüber höheren Dosen schrittweise erwerben können. Aktuelle Diskussion: Wie groß ist der Beitrag von Resistenzentwicklungen in der Landwirtschaft (Verbot des Einsatzes zur Mast, aber Behandlung ganzer Bestände bei nur wenigen Krankheitsfällen). Welchen Anteil hat die nicht sachgerechte Anwendung in der Medizin (nicht ausreichend langer Einsatz der Therapeutika, Fälschungen in China und Indien). Faktoren der Resistenzentwicklung ¤ ¤ ¤ ¤ Das Antibiotikum-Molekül wird von den Bakterien chemisch-enzymatisch unwirksam gemacht (z.B. b-Lactamasen, AminoglykosidPhosphorylasen, Acetyltransferasen, Adenyltransferasen etc.). Die Bakterienzellen machen ihre Zellwand undurchlässig für das Antibiotikum. Die Bakterienzellen scheiden eindringendes Antibiotikum wieder aus, bevor es Schaden anrichten kann (z.B. mit in den Membranen vorkommenden Effluxsystemen). Die Bakterien panzern sich durch genetische Veränderungen (Mutationen) der Angriffspunkte (Targets) gegen den Angriff eines Antibiotikums. Arten der Resistenzentwicklung ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ Bei fast allen bisher untersuchten Bakterien liegen die verschiedenen Resistenzgene auf übertragbaren DNA-Molekülen wie Plasmide. Indem sich Bakterien aneinanderlagern (Konjugation), können die Resistenzinformationen auf andere, auch nicht verwandte Bakterien übertragen werden (horizontaler Gentransfer). Solche Vorgänge sind dort besonders häufig, wo viele Bakterien an einer Stelle vorkommen und eine Mischbiozönose bilden, z.B. im Darm, auf Schleimhäuten, in Abwasser, in Biofilmen. Bei gebündelter Übertragung solcher "Multi-Drug-Resistenzen" führt die Anwendung eines Antibiotikums dann automatisch auch zur Anreicherung aller anderen mit-übertragenen Resistenzen. Wenn Bakterien aber einmal resistent geworden sind, verlieren sie diese Eigenschaft nur sehr langsam. Antibiotika-Resistenz Antibiotika-Verbrauch und Resistenzentwicklung (N. gonorrhoeae) Zeitliches Auftreten von AntibiotikaResistenzen Quorum sensing von Bakterien ¤ ¤ ¤ Lange Zeit bestand die Auffassung, dass Bakterien nur als individuelle Organismen existieren, wachsen, sich vermehren und keinerlei Kommunikation untereinander betreiben. Dies wäre sehr hinderlich, um sich den wechselnden Umweltbedingungen anzupassen. Entdeckung des Quorum sensings im Sinne einer Organisation von Bakteriengesellschaften in Abhängigkeit von den jeweiligen Umweltbedingungen. Quorum sensing in P. aeruginosa Quorum sensing Netzwerk von Pseudomonas aeruginosa Durch Quorum sensing in P. aeruginosa beeinflusste Funktionen ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ Acylhomoserinlacton Synthese Adhesin (Lektin) Biosynthese Biofilm-Bildung Exotoxin A Biosynthese Hydrogen Cyanid Synthese Neurominidase Katalyse- und Superoxiddismutase-Bildung (oxidativer Stress) Protease Biosynthese Proteine des Typ III Sekretionssystems Pyocyaninsynthese PQS-Synthese Rhamnolipidsynthese Swarming motility Quorum sensing in P. aeruginosa ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ ¤ Pseudomonas aeruginosa: Bedeutender Erreger bei Auftreten von Zystischer Fibrose (Mucoviszidose). Die Expression verschiedener Virulenzfaktoren kann zu schweren Krankheitsverläufen führen. Das Auftreten eines bestimmten Phänotyps des Erregers (Typ-III-Sekretion-positiver Typ) entscheidet über Gewebszerstörung, Krankheitsverlauf und Überleben des Patienten. Quorum sensing im Netzwerk von P. aeruginosa reguliert die Expression von Virulenzfaktoren und der Biofilmbildung. Ist eine ausreichende Anzahl von Bakterien vorhanden, werden Virulenzgene aktiviert und damit die Vernichtung der Bakterien durch das Immunsystem des Menschen verhindert. P. aeruginosa besitzt drei bisher identifizierte Quorum sensing Systeme; jedes dieser Systeme arbeitet mit seinen eigenen Autoinducer Molekülen. Insgesamt existiert ein komplexes Quorum sensing Netzwerk, das die Expression vieler extrazellulärer Proteine, von Sekundärmetaboliten, von regulatorischen und hypothetischen Proteinen reguliert. (von Pall de Tolna 2006) Bakterien in der (Außen-) Luft Bakterien in der (Außen-) Luft Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
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