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Dem Infektionserreger auf die Schliche kommen

22.02.1999 - (idw) Eberhard-Karls-Universität Tübingen

Mikrobiologie
Das Bakterium Staphylococcus epidermidis kann bei Menschen mit künstlichen Implantaten wie Hüftgelenken oder Herzschrittmachern aus Kunststoff chronische Infektionen auslösen. Die Implantate müssen dann häufig wieder entfernt werden, da es eine effektive Behandlung gegen die Infektion bisher nicht gibt. Der Tübinger Mikrobiologe Prof. Friedrich Götz erforscht das Bakterium und den Infektionsprozeß.


Dem Infektionserreger auf die Schliche kommen
Tübinger Mikrobiologen erforschen bakterielle Infektionen an Kunststoffimplantaten

Wenn ein künstliches Hüftgelenk oder Herzklappen aus Kunststoff wieder aus dem Körper der Patienten entfernt werden müssen, ist häufig Staphylococcus epidermidis Schuld. Das Bakterium bindet an die Oberfläche von Implantaten, vermehrt sich und löst dadurch eine chronische Infektion aus, die bisher nicht effektiv behandelt werden kann. Die Arbeitsgruppe von Prof. Friedrich Götz am Lehrstuhl für Mikrobielle Genetik der Tübinger Universität hat das Bakterium und den Infektionsprozeß näher erforscht.

Normalerweise ist Staphylococcus epidermidis ein harmloser Bewohner der menschlichen Haut. Seit den 80er Jahren ist jedoch durch Prof. Georg Peters von der Universität Münster bekannt, daß das Bakterium chronische Infektionen bei Implantatträgern verursachen kann. Götz und seine Arbeitsgruppe haben herausgefunden, daß sich die unter dem Mikroskop kugelförmigen, in Trauben angeordneten Bakterien an die glatte Oberfläche von Kunststoffimplantaten im Körper anheften können. Sie vermehren sich, verklumpen und bilden eine mehrzellige Schicht aus, die von den Bakterien außerdem mit Schleim umhüllt wird. Dieser sogenannte Biofilm ist das typische Zeichen einer schleichenden chronischen Infektion mit Staphylococcus epidermidis, die häufig nicht sofort bemerkt wird. "Die körpereigene Immunabwehr kann die Bakterien nicht aufspüren und beseitigen, weil die Abwehrzellen über das Blut zu infizierten Stellen transportiert
werden, und das Implantat ist nicht durchblutet", erklärt Götz. Auch bakterienabtötende Antibiotika kommen deshalb nicht in ausreichender Konzentration zum Infektionsherd.
Von einer chronischen Infektion sind etwa zwei Prozent der Patienten mit einem künstlichen Hüftgelenk betroffen, bei Dauerkathetern können es bis zu 30 Prozent sein. "Wenn das Implantat wieder entfernt werden muß, stellt das für die Patienten eine große Belastung dar", sagt der Wissenschaftler. Versuche, die Implantate mit Antibiotika zu imprägnieren und die Bakterien auf diese Weise gleich abzutöten, brachten nicht den gewünschten Erfolg. Die Infektionserreger entwickelten schnell Resistenzen gegen die eingesetzten Mittel. Silberionen im Implantat können die Häufigkeit der Infektion mit Staphylococcus epidermidis zwar herabsetzen, sind aber langfristig möglicherweise selbst schädlich für den Körper.

Ansatzpunkte für eine Therapie müssen daher zunächst in der Grundlagenforschung gesucht werden. Nicht alle Stämme von Staphylococcus epidermidis können einen Biofilm ausbilden. Unter den Bakterien, die von infizierten Implantatträgern stammten, waren es jedoch besonders viele. Götz hat mit seiner Arbeitsgruppe genetisch veränderte Bakterienstämme von Staphylococcus epidermidis hergestellt, die entweder die Fähigkeit verloren hatten, sich an glatte Oberflächen anzuheften oder den typischen Bakterienschleim zu bilden. Die Bakterien verlieren damit auch ihren Schrecken, denn sie können dann keinen Biofilm mehr ausbilden und die gefürchteten Infektionen verursachen. Die Mikrobiologen wollen mit diesen Ergebnissen die Grundlage für eine Therapie schaffen. "Wir untersuchen nun die Schritte der Schleimbildung bei den Bakterien im Detail. Wir müßten eine Substanz finden, die den Herstellungs- oder Sekretionsprozeß des Schleimes hemmen kann", erklärt Götz die weiteren Forschungen. Ohne den Schleim würde den Bakterien ihr glitschiger Schutzpanzer fehlen. Sie wären dann für die körpereigene Immunabwehr oder für Antibiotika leichter angreifbar. (3456 Zeichen)

Wenn der Herzschrittmacher wieder entfernt werden muß

Bakterien können von der Haut in den Körper gelangen und gefährliche Infektionen verursachen

Staphylococcus epidermidis ist eigentlich ein harmloser Bewohner unserer Haut. Mikrobiologen haben das Bakterium mit dem langen Namen jedoch als Hauptschuldigen entlarvt, wenn bei Kunststoffimplantaten wie Herzschrittmachern, Kathetern oder künstlichen Hüftgelenken Probleme durch chronische Infektionen auftreten. In der Arbeitsgruppe von Prof. Friedrich Götz wird das vormals unscheinbare Bakterium am Lehrstuhl für Mikrobielle Genetik der Universität Tübingen erforscht.

Eine chronische Infektion an künstlichen Implantaten tritt bei Dauerkathetern in fast einem Drittel der Fälle auf, bei künstlichen Hüftgelenken sind bis zu zwei Prozent der Patienten davon betroffen. "In vielen dieser Fälle muß das Implantat wieder entfernt werden, was für die Patienten eine große Belastung darstellt", sagt Götz. Das Problem ist schon aus den siebziger Jahren bekannt, seit zunehmend künstliche Herzschrittmacher und Herzklappen eingesetzt werden. In den achtziger Jahren entdeckte Prof. Georg Peters von der Universität Münster, daß der Hautbewohner Staphylococcus epidermidis solche Infektionen auslöst. Wie kommt es, daß sich ein Bakterium mit unauffälligem Dasein in einen gefährlichen Krankheitskeim verwandelt?
Als die Implantate infizierter Patienten entfernt wurden, fanden sich auf der Oberfläche des Kunststoffs bei näherer Untersuchung mehrschichtige Zellbeläge, die in eine Schleimschicht eingebettet waren. Mikrobiologen sprechen von einem Biofilm. Normalerweise sollten eingedrungene Bakterien von der körpereigenen Immunabwehr aufgespürt und beseitigt werden. "Die Abwehrzellen werden über das Blut transportiert. Sie können nicht an die Stelle der Infektion gelangen, weil ein Kunststoffimplantat nicht durchblutet ist", erklärt Götz.

Wenn der Körper selbst es nicht schafft, eine bakterielle Infektion abzuwehren, läßt sie sich mit Antibiotika behandeln, die die Vermehrung oder das Wachstum der Bakterien hemmen. Doch diese Therapie zeigt bei den Trägern künstlicher Implantate mit chronischer Infektion auf Dauer keinen Erfolg. "Auch Antibiotika werden über das Blut transportiert. Sie gelangen nicht in ausreichender Konzentration zum Infektionsherd", sagt der Wissenschaftler. Götz vermutet außerdem, daß die Schleimschicht um die Bakterien Antibiotika abhält. Die Behandlung der Infektion mit Antibiotika zeigt im allgemeinen erst nach der Entfernung des Implantats Erfolg.

Eine Infektion mit Staphylococcus epidermidis ist auch deswegen gefährlich, weil sie langsam und schleichend verläuft. Sie wird häufig erst entdeckt, wenn sie sich schon weit ausgebreitet hat. Anders ist es bei einem verwandten Bakterium, dem Eitererreger Staphylococcus aureus, der, wenngleich seltener, ebenfalls Infektionen bei Implantatträgern verursachen kann. "Eine solche Infektion muß sofort mit Antibiotika behandelt werden. Sie verläuft jedoch meistens so heftig, daß die Mediziner rechtzeitig aufmerksam werden", erklärt Götz.

Um herauszubekommen, welche Eigenschaften von Staphylococcus epidermidis zu den gefürchteten chronischen Infektionen führen, hat die Arbeitsgruppe von Prof. Götz den Prozeß der Biofilmbildung untersucht. "In der ersten Phase heften die Bakterien an die glatte Kunststoffoberfläche an, dabei ist es egal, ob das Implantat aus Silikon, Propylen oder Goretex besteht. In der zweiten Phase vermehren sich die Bakterienzellen, scheiden Schleim aus und verklumpen zu einem mehrschichtigen Belag", erläutert der Forscher. Außerdem zeigte sich, daß nicht alle Stämme von Staphylococcus epidermidis in der Lage sind, einen Biofilm zu bilden. Während die aus Patienten isolierten Bakterien in einem Test häufig die typische mehrzellige, schleimige Schicht ausbildeten, waren die Bakterienstämme von der Haut gesunder Menschen seltener dazu in der Lage.

Die Forscher erzeugten nun sogenannte Mutanten der biofilmbildenden Bakterien. Dabei werden die Bakterien durch natürlicherweise vorkommende springende Gene (Transposons) verändert, die sich in das Erbgut integrieren können. Ein Teil der Bakterien gewinnt durch diese Behandlung neue Eigenschaften hinzu oder verliert bisherige. Die Forscher können nicht genau vorhersagen, welche Stoffwechseleigenschaften sich mit dieser Methode ändern, sie testen daher eine große Anzahl Bakterien. "Wir haben zwei interessante Mutanten isoliert: Eine konnte sich nicht mehr an Kunststoff anheften, die zweite ist unfähig, die Schleimsubstanz zu bilden", erläutert Götz. Auf diesem Weg ließ sich zurückverfolgen, welche Gene für die Bildung des Biofilms zuständig sind. "Wenn die Gene für die Anheftung oder für die Herstellung des Schleims fehlen, sind die Bakterien deutlich weniger infektiös", faßt Götz die Forschungsergebnisse zusammen. Damit läßt sich erklären, warum ein harmloses Bakterium, das auch auf natürlichem Weg neue Gene und folglich neue Fähigkeiten hinzugewinnen kann, zu einem unangenehmen Krankheitserreger wird.

Eine Therapie ist mit diesen spannenden Ergebnissen jedoch noch nicht gefunden. Die Mediziner setzen bisher vor allem auf Vorbeugung. "Es gab Versuche, die Implantate vorsorglich mit Antibiotika zu imprägnieren, so daß die Bakterien gleich getötet werden. Langfristig hat das jedoch nicht funktioniert, weil die Bakterien Resistenzen gegen die Antibiotika entwickelten", sagt Götz. Etwas erfolgreicher war der Zusatz von desinfizierend wirkenden Silberionen in den Kunststoff der Implantate. Die Biofilmbildung ging um bis zu 30 Prozent zurück. Da die Silberionen jedoch über lange Zeiträume im Körper freigesetzt werden und die Wirkungen des Schwermetalls noch nicht erforscht sind, birgt diese Behandlung ein schwer einschätzbares Risiko.

Einen möglichen Ansatzpunkt, die Infektionen in den Griff zu bekommen, bietet die Entwicklung neuer Materialien für Implantate. Die Tübinger Arbeitsgruppe von Prof. Götz verfolgt jedoch einen zweiten Ansatz: "Da sich gezeigt hat, daß die Schleimbildung von Staphylococcus epidermidis ein wichtiger Faktor bei der gefährlichen Infektion ist, untersuchen wir nun genauer, welche Substanzen die Bakterien zur Herstellung des Schleims benötigen, welche Umwandlungsprozesse stattfinden und wie das Sekret aus den Zellen transportiert wird", erklärt der Wissenschaftler. Mit diesen Kenntnissen soll ein Testverfahren entwickelt werden, mit dem sich eine große Zahl von möglichen Wirkstoffen darauf prüfen läßt, ob sie die Schleimbildung oder -auscheidung effektiv unterbrechen können und so die Infektion stoppen. Auf dieser Grundlage ließe sich möglicherweise ein heilendes oder vorbeugend wirksames Medikament gegen die gefährlichen Infektionen bei Implantatträgern entwickeln. (6599 Zeichen)

Nähere Informationen:

Prof. Friedrich Götz

Lehrstuhl für Mikrobielle Genetik
Waldhäuserstraße 70/8
72076 Tübingen
Tel. 0 70 71/ 2 97 46 36
Fax 0 70 71/29 59 37

E-mail: friedrich.goetz@uni-tuebingen.de

Der Pressedienst im Internet: http://www.uni-tuebingen.de/uni/qvo/pd/pd.html

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