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- Herausgeber: Wiley-VCH
- Kategorie: Fachliteratur
- Sprache: Deutsch
Die pharmazeutische Mikrobiologie hat sich in den letzten Jahrzehnten von einer hochspezialisierten Wissenschaft zu einer Querschnittdisziplin entwickelt, die für Pharmazeuten, Mikrobiologen, aber auch Mediziner und Qualitätssicherungsbeauftragte von fundamentaler Bedeutung ist. Michael Rieth, promovierter Mikrobiologe mit langjähriger Erfahrung in mikrobiologischer Qualitätsprüfung in der pharmazeutischen Industrie, stellt in diesem Buch umfassend alle unterschiedlichen Aktivitäten, Entwicklungen und Technologien dieses dynamischen Gebiets zusammen. Immer aus dem Blickwinkel der pharmazeutischen Praxis, liegt hier das erste deutschsprachige Buch vor, das den wachsenden Anforderungen an Arzneimittelsicherheit und -qualität Rechnung trägt und selbstverständlich Erfordernisse nationaler und internationaler (FDA) Kontroll- und Regulierungsbehörden berücksichtigt. Aus dem Inhalt: *Desinfektion, Sterilisation und aseptische Herstellung *mikrobiologisches und physikalisches Monitoring in der Sterilproduktion *Prozessvalidierungen *Auswertung von Bioindikatoren * mikrobiologische Schnellmethoden, z. B. über Fluoreszenz und Biolumineszenz *Identifizierung von Mikroorganismen (u. a. PCR, Gaschromatographie und MALDI-TOF Massenspektrometrie)
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Seitenzahl: 452
Veröffentlichungsjahr: 2013
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Inhaltsverzeichnis
Geleitwort
Vorwort
Abkürzungen
1 Einführung in die Mikrobiologie
1.1 Historisches
1.2 Bedeutung
1.3 Mikroorganismengruppen
1.4 Die Bakterienzelle
1.5 Taxonomie der Mikroorganismen
1.6 Medizinische Mikrobiologie
2 Rahmenbedingungen für den Betrieb mikrobiologischer Laboratorien
2.1 Gesetze und technische Regelwerke
2.2 Medizinische Betreuung der Mitarbeiter
2.3 Betriebsbeschreibung für mikrobiologische Laboratorien
2.4 Einrichtung mikrobiologischer Labore
2.5 Nährmedien
2.6 Rezepturen
3 Kalibrierung und Qualifizierung der Geräte
3.1 Waagen
3.2 pH-Meter
3.3 Kolbenhubpipetten
3.4 Stoppuhren
3.5 Geräte zur Erreichung bestimmter Temperaturen
3.6 Clean Bench
3.7 Air Sampler
3.8 Partikelzähler
3.9 Messgerät zur Bestimmung der Wasseraktivität
3.10 Photometer/Reader
3.11 Tube Reader für Endotoxinbestimmungen
4 Stammhaltung
4.1 Bezug
4.2 Versand
4.3 Lagerung
4.4 Kultivierung
5 Betriebshygiene
5.1 Hygiene
5.2 Mikrobiologische Grundlagen zur Hygiene
5.3 Hygienemaßnahmen
5.4 Sterilisation, Desinfektion und aseptische Herstellung
5.5 Hygieneplan für mikrobiologische Laboratorien
5.6 Ungezieferbekämpfung (Pest Control)
5.7 Hygienebeauftragte
5.8 Durchführung von Hygieneschulungen
6 Umgebungsmonitoring
6.1 Methoden
6.2 Mikrobiologisches Monitoring im Sterilitätstest-Isolator
6.3 Physikalischer Betrieb
6.4 Auswertung der Mikroorganismen
6.5 Register der Mikroorganismen
7 Qualitätskontrolle
7.1 Arzneibuch-Methoden (compendial methods)
7.2 Nicht-Arzneibuchmethoden (non compendial methods)
7.3 Tests unter Verwendung von Tiermodellen
7.4 Zellkulturmethoden
7.5 Validierung der Arzneibuch-Methoden
8 Prozess-Validierungen
8.1 Nährmedienabfüllung (media fill)
8.2 Entpyrogenisierung
8.3 Validierung der Sterilisation mit trockener Hitze
8.4 Validierung der Sterilisation mittels feuchter Hitze (Autoklav)
8.5 Validierung der Sterilfiltration
8.6 Container Closure Integrity Test
8.7 Reinigungsvalidierung
9 Mikrobiologische Untersuchung von Wasser
9.1 Probennahme
9.2 Probentransport
9.3 Verwendung der verschiedenen Wasserqualitäten
9.4 Gereinigtes Wasser (Aqua purificata, AP)
9.5 Hochgereinigtes Wasser (HPW)
9.6 Wasser für Injektionszwecke (WfI)
9.7 Wasser zum Verdünnen konzentrierter Hämodialyselösungen
9.8 Trinkwasser
9.9 Legionellen
10 Mikrobiologische Schnellmethoden (rapid microbiological methods)
10.1 Bestimmung über den ATP-Gehalt
10.2 Bestimmung über den Einbau von Fluoreszenzmarkern
10.3 Durchflusscytometrie
11 Automation im mikrobiologischen Labor
11.1 Färbeautomaten
11.2 Geräte zur Zählung der Kolonien (KBE)
11.3 Nährmedien-Abfüllautomat
11.4 Automation des Endotoxintests
12 Qualitätssicherung
12.1 Aufbau eines SOP-Systems
12.2 Schulungen
12.3 Audits und Inspektionen
12.4 Vorgehensweise bei OOS- und OOE-Ergebnissen
13 Identifizierung von Mikroorganismen
13.1 Wachstumskurve
13.2 Generationszeit
13.3 Herstellung von Reinkulturen
13.4 Sensorische und makroskopische Merkmale
13.5 Mikroskopische Untersuchung
13.6 Färbungen
13.7 Prinzip der „Bunten Reihe“
13.8 Immunologische Verfahren
13.9 PCR
13.10 Gaschromatografie (FAME)
13.11 FT-IR-Spektroskopie
13.12 MALDI-TOF
14 Reinigung, Sterilisation, Dekontamination und Entsorgung
14.1 Reinigung
14.2 Sterilisation
14.3 Laborreinigung und -desinfektion
14.4 Entsorgung infektiösen Abfalls
14.5 Desinfektionsmaßnahmen bei Havarien
15 Prüfungen im Lohnauftrag (outsourcing)
16 Mikrobiologische Netzwerke
16.1 CPM
16.2 VAAM-Fachgruppe „Diagnostik und Qualitätssicherung“
16.3 Unterausschuss Mikrobiologie im VfA
16.4 DGHM
17 Adressen
Glossar
Fachliteratur
Index
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Autor
Dr. Michael Rieth
Merck KGaA
MS-TGD-QPSL
Frankfurter Str. 250
64293 Darmstadt
Titelbild Veronika Emendörfer/VERO
www.veronika-emendoerfer.de
1. Auflage 2012
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Satz: Beltz Bad Langensalza GmbH, Bad Langensalza, Germany
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„Qualität ist kein Zufall; sie ist immer das Ergebnis angestrengten Denkens.“
John Ruskin (1819–1900), englischer Philosoph und Schriftsteller
Geleitwort
Die pharmazeutische Mikrobiologie lebt in einem Spannungsfeld zwischen Pharmazeuten, Mikrobiologen, Hygienikern, Technologen, Medizinern und Qualitätssicherungsbeauftragten. Sie hat eine rasante Entwicklung in den letzten Jahrzehnten genommen, sie ist ständig neuen Herausforderungen ausgesetzt und sie läuft Gefahr sich in viele Richtungen zu verselbstständigen. Das vorliegende Buch von Dr. Michael Rieth will den Versuch unternehmen, alle unterschiedlichen Aktivitäten und Entwicklungen auf dem Gebiet der pharmazeutischen Mikrobiologie zusammenzuführen und unter einem gemeinsamen Dach zu vereinen. Dies ist ein sehr ehrgeiziges Ziel, bei der Dynamik der Entwicklungen ein fast nicht schaffbares Unterfangen, da viele Techniken, Vorschriften und Gesetzestexte bereits überholt sind, bevor die Druckerschwärze trocken geworden ist. So ist es denn mutig von Dr. Rieth, sich auf diesen Wettlauf einzulassen und uns allen ein wenig Halt in der Entwicklung zu geben, Inseln zu beschreiben, von denen der Leser und Verantwortung Tragende ausgehen kann, um seine Probleme und Fragestellungen zu bearbeiten. So wünsche ich den Lesern Orientierung und Entscheidungshilfen bei ihren möglicherweise schwerwiegenden Entscheidungen und die Gewissheit für uns alle, dass weitere neue Entwicklungen in Folgewerken ihren Niederschlag finden.
Göttingen, im Januar 2012
Dr. Martin Pinkwart
Vorwort
In dem vorliegenden Buch werden die Aufgaben und Tätigkeiten der in den mikrobiologischen Laboren der pharmazeutischen Qualitätssicherung arbeitenden Biologielaborantinnen und -laboranten sowie Mikrobiologinnen und -biologen beschrieben. Schwerpunkte sind die Methoden der Qualitätskontrollprüfungen einschließlich ihrer Validierungen, die Qualifizierungen und Kalibrierungen der dazu benötigten Geräte und Messinstrumente, das Umgebungsmonitoring in der Pharma- und Chemieproduktion sowie die Betriebshygiene. Eine derartige Zusammenfassung fehlte bisher in der deutschsprachigen Fachliteratur. Vorgestellt werden in erster Linie bakteriologische Methoden und Verfahren, jedoch werden auch Verweise auf Zellkulturmethoden und Tiermodelle gegeben. Moderne Techniken, Schlagwort „rapid microbiological methods“ werden ebenfalls vorgestellt. Vor allem bei Verfahren mit langen Inkubationszeiten wie beim Steriltest und der Prüfung auf Mykobakterien und Mykoplasmen werden kürzere Analysenzeiten benötigt. Die Zukunft wird zeigen, ob diese Verfahren die klassischen Kultivierungstechniken, die größtenteils auf Robert Koch und andere Bakteriologen des späten 19. Jahrhunderts zurückgehen, dauerhaft ersetzen können.Herzlich danke ich folgenden Kolleginnen und Kollegen für die Überlassung von Fotos und Abbildungen: Daniela Grabis (Merck KGaA), Monika Lamoratta (Lanxess Deutschland GmbH, Leverkusen), Peter Hilgendorf (Daiichi Sankyo Europe GmbH, Pfaffenhofen), Matthias Nagel (Hochschule Bremerhaven), Armin Quentmeier (Universität Dortmund) und Manfred Rohde (Helmholtz-Zentrum für Infektionskrankheiten, Braunschweig). Barbara Gerten (Merck KGaA) danke ich für wertvolle Anregungen und Literaturhinweise.
Ganz besonders danke ich der Künstlerin Veronika Emendörfer/VERO für das Titelbild.
Darmstadt, im Januar 2012
Michael Rieth
Abkürzungen
1
Einführung in die Mikrobiologie
Zur Einführung in die Welt der Mikrobiologie und Hygiene soll das Gedicht „Überall Bakterien!“ von Alexander Moszkowski stehen, geschrieben im Berliner Dialekt und erschienen in der populären Zeitschrift „Fliegende Blätter“ in Berlin im Jahre 1887:
„Nee, ick sag’ schon! von Bakterien
Hat man früher nischt jewußt,
Da war’s Essen noch ’ne Freude
Und det Trinken war ’ne Lust;
Aber seit man die Bazillen
Und dergleichen Zeugs erfund,
Is der Mensch total jeliefert,
Allens is jetzt unjesund.
Les’ ick da, det äußerst jiftig
Heutzutag Vanillen-Eis;
Früher aß man’s mit Verjnügen
Jeden Sommer massenweiß;
Heute is selbst die Vanille
Vom Bazillenherd bedroht,
Schmecken dut se ausjezeichnet,
Aber nachher is man dot.
Jrüne Aale, sonst det Beste
Wo der Mensch nur haben kann,
Sind nu ooch nich zu jebrauchen,
Seit der Fischbazillus dran;
Ißt se eener mit Verjnügen
An der Spree zum Abendbrot,
Liejt er jleich in letzten Zügen, –
Zehn Minuten später: dot.
Krebse, rechte scheene, jroße!
Wie jesund det früher war!
Heute jibt es Krebsbazillen
In dem Oderkrebs sogar;
Hat man sechs Stück ufjeprepelt,
Denkt man jleich: Schockschwerenot,
Warum is mich denn so übel?
Nächsten Morgen is man dot.
Ooch det Atmen is jefährlich:
Wenn ick gut dir raten kann.
Mitmensch, atme nich zu ville.
Sieh dir erst die Luft mal an;
Kommst de in so’n Pilzjewimmel,
Hilft dir keen Karbol und Jod,
Ziehste in den janzen Schimmel,
Fällst um un biste dot.
Holste dir ’nen netten Schmöker
Aus der Leihbibliapothek,
Kriegste gleich ’n Schock Milliarden
Von Mikroben uf”n Weg;
Kommste uf de vierte Seite,
Wirste im Jesichte rot,
Uf der fünften kriegste’s Fieber,
Bei der sechsten biste dot.
Det ick mit de Hochbahn rutsche
Kommt mir niemals in den Sinn;
Nee, in die Bazillenkutsche
Da kriegt mir keen Deibel rin!
Steigste in fidel und munter,
Pletzlich spürste Atemnot,
Fährste bis zum Zoo hinunter
Steigste aus und biste dot.
Nee, ick sag’ schon! Von dem Leben
Hat man jarnischt, wie Verdruß,
Weil man die verfluchten Dinger
Immerzu verschlucken muß!
Alle Dage muß man lesen,
Wie det Kleinzeug uns bedroht,
Und wir jroßen Lebewesen
Fallen um – schwapp – mausedot!“
1.1 Historisches
Nur wenige Jahre nach den ersten Beschreibungen und Isolierungen von Mikroorganismen durch Louis Pasteur, Robert Koch, Gerhard Hansen und anderen war der Öffentlichkeit schon eine wesentliche Eigenschaft dieser meist einzelligen Kleinstlebewesen bekannt: Sie sind ubiquitär verbreitet, das heißt überall! Auch dass sie im Körper von Mensch und Tier Fieber erzeugen oder Krankheiten hervorrufen können, teilweise mit Todesfolge, war bekannt, ebenso schon Desinfektionsmaßnahmen wie der Einsatz der oben erwähnten Agenzien Karbolsäure und Jod. Auch der Name „Bakterien“ ist in dem Gedicht korrekt wiedergegeben. Noch 1906 wird in der 8. Auflage des „Lehrbuchs der Botanik für Hochschulen“ von Eduard Strasburger et al. neben anderen Bezeichnungen von Spaltpilzen (Schizomycetes) geschrieben, die Cyanobakterien werden als Spaltalgen bezeichnet [1].
Der Mensch macht sich die Leistungen der Mikroorganismen seit Jahrtausenden zunutze, von ihrer Existenz weiß er jedoch noch nicht sehr lange Zeit. Die Sumerer brauten bereits 5000 v. Chr. ein bierähnliches Getränk, die Assyrer ließen ca. 3500 v. Chr. Traubensaft zu Wein vergären.Der erste Mensch, der Mikroorganismen mit eigenen Augen sah, war wohl der holländische Tuchhändler Antony van Leeuwenhoek (1632–1723). Er experimentierte mit selbst gebauten, einlinsigen Mikroskopen, mit denen er Vergrößerungen bis 270-fach und Auflösungen bis 1,5 μm erzielte. 1675 untersuchte er einen Aufguss von Pfefferkörnern und entdeckte winzige „Tierchen“. Weitere dieser damals „animalcula“ genannten kleinen Lebewesen fand er im Zahnbelag. Darüber erstellte van Leeuwenhoek Zeichungen, die er 1683 per Brief an die Royal Society nach London schickte [2].
Dem französischen Chemiker Louis Pasteur (1822–1895) gelangen gleich mehrere bahnbrechende Erkenntnisse auf dem Feld der Mikrobiologie. Er widerlegte experimentell die Urzeugungshypothese, erklärte das Wesen der Fermentation am Beispiel der alkoholischen Gärung und der Milchsäuregärung, entwickelte Methoden zur Desinfektion und Sterilisation und führte Verfahren zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten durch Impfung ein (Beispiel Tollwut-Impfung 1885).
Der norwegische Arzt Gerhard Hansen (1841–1912) entdeckte 1873 mikroskopisch den Erreger der Lepra, Mycobacterium leprae, als eines der ersten Bakterien, die als Krankheitserreger erkannt wurden [3]. Dieses Bakterium ist bis heute in Nährmedien nicht kultivierbar. Die Diagnose geschieht mit dem Mikroskop an Biopsiematerial oder Geschabsel der Nasenschleimhaut. Die Vermehrung dieser Mykobakterien gelingt nur in der Pfote von Mäusen und im Gürteltier (Armadillo). Erregerspezifische DNA lässt sich mithilfe der PCR nachweisen.
Der deutsche Arzt Robert Koch (1843–1910) bewies 1876 am Beispiel des Milzbranderregers Bacillus anthracis, dass Mikroorganismen die Verursacher von Infektionskrankheiten sind. Er stellte vier Postulate auf:
Koch entwickelte Nährmedien, z. B. Fleischextraktbouillon, die er anfänglich mit Gelatine verfestigte, später mit Agar-Agar. Das Kochsche Plattengussverfahren, bis zum heutigen Tage in allen bakteriologischen Laboren angewandt, geht auf ihn zurück.
1.2 Bedeutung
Die medizinische Mikrobiologie befasst sich mit der Erforschung der für Mensch und Tier bedeutungsvollen Krankheitserreger, deren Lebensgewohnheiten und Auswirkungen auf den menschlichen bzw. tierischen Organismus; sie beschäftigt sich somit vorwiegend mit den obligat pathogenen (= in jedem Fall krankmachenden) und den fakultativ pathogenen (= unter Umständen krankmachenden) die durch Zellzerstörung oder durch Abgabe giftiger Stoffwechselprodukte als gefährlich oder als „Schädlinge“ anzusehen sind. Mikroorganismen sind aber im Allgemeinen viel eher als „Nützlinge“ zu bezeichnen; ein biologisches Gleichgewicht ohne Mikroorganismen ist überhaupt nicht möglich. Sie sorgen durch die Mineralisation von organischer Substanz (z. B. pflanzlichem Material) für eine Wiedergewinnung von Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel, Phosphor usw., die dann erneut den Pflanzen zur Verfügung stehen (Stofkreisläufe). Im Magen-Darm-Trakt von Mensch und Tier kommen den Mikroorganismen wichtige Funktionen bei Aufschluss und Verdauung der Nahrung zu. Auch Haut und Schleimhäute der Menschen sind besiedelt. Zur Verdeutlichung der Größenordnungen: Ein Mensch besteht aus ca. 1013 Zellen. Im Magen-Darm-Trakt leben ca. 1014 und auf der Haut ca. 1012 Mikroorganismen, die zusammen ca. 1,25 kg wiegen [4]. Damit beherbergt der menschliche Körper mehr Mikroorganismen als er selbst an eigenen Zellen verfügt.
Mikroorganismen finden Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Beispiele dafür sind:
Hefen bei der Fabrikation von Brot, Bier, Sake und Wein,
Milchsäurebakterien bei der Herstellung von Joghurt, Kefir, Sauerkraut, Salami,
Essigsäurebakterien für die Zubereitung von Essig,
Schimmelpilze bei der Käseproduktion (Gorgonzola, Roquefort usw.) und für die
Aufbereitung von Sojabohnen (in Ostasien).
Mikroorganismen werden eingesetzt zur Gewinnung von:
Vitaminen,
Aminosäuren,
Hormonen,
Steroiden,
Enzymen, z. B. Amylasen (Stärkespaltung), Proteasen (Verdauung, Ledergerbung), Lipasen (Fettspaltung), Pektinasen (Fruchtsaftklärung),
Antibiotika,
Alkoholen (Ethanol, Butanol, Butandiol, Glycerin usw.) und
weiteren Wirkstoffen, die zum Teil auch durch genetisch veränderte Mikroorganismen produziert werden (z. B. Insulin).
Mikroorganismen sind bei der Aufbereitung von Abwasser und der Müllkompostierung unerlässlich.
1.3 Mikroorganismengruppen
Eine Übersicht über die verschiedenen Gruppierungen von Mikroorganismen und über weitere Erreger von Infektionskrankheiten vermittelt Tabelle 1.1. Mikroorganismen sind mit bloßem Auge nicht sichtbar; für ihre Beobachtung benötigt man ein Lichtmikroskop, im Falle der Viren – bis auf ganz wenige Ausnahmen – ein noch stärker vergrößerndes Elektronenmikroskop.
Die mittlere Größe von Bakterien liegt zwischen 0,3 und 10 μm. Der Durchmesser von Kokken, die zur Hautflora des Menschen gehören, beträgt ca. 1 μm. Denkt man sich 500 Kokken dieser Größe aneinandergereiht, so würde der Durchmesser des Punktes am Satzende erreicht. Ein weiterer Größenvergleich: Ein Kopfhaar ist ca. 55–100 μm, im Mittel 80 μm dick. Das menschliche Auge kann Gegenstände bis ca. 25 μm erkennen. Die Welt der Mikroorganismen besteht aus den folgenden Gruppierungen (wobei es sich bei den ersten drei Gruppierungen nicht im eigentlichen Sinn um Lebewesen handelt, sondern um biologische Agenzien):
Prionen
Tabelle 1.1 Gruppen von Mikroorganismen und biologischen Agenzien
subzelluläre biologische Objekte
meist einzellige Lebewesen (Mikroorganismen)
Prionen
Prokaryonten:
Viroide
Eubakterien, Chlamydien, Rickettsien
Bakteriophagen, Viren
Mykoplasmen
Archaeen
Eukaryonten:
Pilze, Hefen, Algen, Protozoen
Viroide
Viroide sind zirkuläre einsträngige RNA-Moleküle von niedriger molarer Masse (ca. 12 × 104 Dalton, ca. 360 Nukleotide). Die RNA ist „nackt“, das heißt nicht von Protein umhüllt. Viroide verursachen Pflanzenkrankheiten, z. B. die Spindelknollensucht der Kartoffel (potato spindle tuber viroid).
Viren
Die Größe der Viren variiert zwischen 20 nm (Picornaviren, Arboviren) und 2000 nm (Pflanzenviren wie das Citrus-Tristeza-Virus). Viren, die Bakterien befallen, heißen Bakteriophagen. Molekularbiologisch gut untersucht sind die T-Phagen (Coli-Phagen); ihre Größe beträgt 70 nm × 200 nm.
2003 wurden große Viren in Amöben gefunden; sie wurden Mimiviren genannt. Mit Größen bis 800 nm sind sie im Lichtmikroskop zu sehen [8]. Der Nachweis von Viren geschieht mithilfe von Gewebekulturen, Tierversuchen, Eikulturverfahren, PCR und immunologischen Methoden. Bekannt sind zurzeit ungefähr 1500 Viren, von denen etwas mehr als 200 humanpathogen sind [9].
Archaeen
Archaeen (archaios, griech. für alt, ursprünglich) leben an extremen Standorten, beispielsweise in Salzseen (z. B. Totes Meer mit ca. 30 % an verschiedenen Salzen, entspricht einem aw-Wert von 0,75), heißen Schwefelquellen und in der Tiefsee. Zu den Archaeen zählen methanogene (produzieren Methan CH4), thermophile (leben bei hohen Umgebungstemperaturen) und halophile (salzliebende) Vertreter. Ihre Zellwand ist anders aufgebaut als die der Bakterien. Bis jetzt wurden über 250 Arten von Archaeen beschrieben, wobei pathogene Vertreter bisher nicht bekannt sind [9].Archaeen wurden 1977 von dem amerikanischen Mikrobiologen C. R. Woese als eigenes Bakterienreich (Domäne) definiert [10].
Bakterien
Bakterien vermehren sich ungeschlechtlich durch Querteilung. Sie besitzen eine starre, unterschiedlich dicke, Form und Stabilität garantierende Zellwand. Die Kernstruktur (die kein echter Zellkern ist) wird als Nukleoid bezeichnet. Inzwischen wurden über 1000 bakterielle Genome sequenziert (die erste Sequenzanalyse gelang 1995 am Genom von Haemophilus influencae). Bisher wurden ungefähr 10 000 Bakterienspezies beschrieben [11], jährlich kommen mehrere Hundert hinzu. Ungefähr 340, also 3,4 % der bisher bekannten Arten sind humanpathogen, und unter den Todesursachen belegen Infektionskrankheiten den zweiten Platz, wobei auf Platz 1 die Folgen des Tabakkonsums stehen [12].
Chlamydien
Sie sind obligate Zellparasiten, die alle typischen Strukturelemente der Bakterien besitzen. Die Chlamydien durchlaufen einen Entwicklungszyklus (von den 0,3 μm großen Elementarkörperchen zu den 1 μm großen Initialkörperchen). Ein Beispiel ist der Erreger der Papageienkrankheit Psittakose, Chlamydia psittaci, der auch Menschen befallen kann, wobei sich grippeähnliche Symptome ausbilden. Viele Tauben in den Städten sind mit Chlamydia infiziert.
Rickettsien
Sie sind ebenfalls obligate Zellparasiten von 0,5 bis 1 μm Größe. Ihre Vermehrung erfolgt durch Querteilung mithilfe von Kofaktoren der Wirtszelle. Ein Beispiel ist der Erreger des Fleckfiebers, Rickettsia prowazekii.
Mykoplasmen
Zu dieser Gruppe gehören Bakterien ohne starre Zellwand; dadurch erscheinen sie polymorph und zeigen eine hohe Plastizität. Ihre Größe beträgt 0,3–0,8 μm. Beispiele sind die Erreger von Pneumonien, Mycoplasma pneumoniae, und Harnwegsinfektionen, Ureaplasma urealyticum.Zur Normalflora gehören Mycoplasma buccale (auf der Mundschleimhaut) und Mycoplasma hominis (auf der Schleimhaut des Darms). Aus Mycoplasma genitalium wurde das Genom sequenziert, es ist 580 kb groß und enthält nur ca. 500 Gene. In der Gramfärbung reagieren die Mykoplasmen variabel. Sie sind gegenüber Penicillinen und Sulfonamiden resistent, nicht jedoch gegen Tetracycline und Streptomycin.
Pilze
Pilze (Mycobionta, Fungi) sind eine sehr heterogene Gruppe von in vielen Formen und Farben ubiquitär vorkommenden eukaryontischen Lebewesen mit mehr als 110 000 Arten; sie lassen sich in vier Gruppen einteilen: Ständerpilze (Basidiomycota) mit ca. 30 000 Spezies, Schlauchpilze (Ascomycota) mit ca. 46 000 Spezies (darunter ca. 1000 Arten von Hefen oder Endomycetes), Jochpilze (Zygomycota) mit ca. 650 Spezies und Fungi imperfecti (oder Deuteromycota) mit ca. 30 000 Spezies. Nahezu alle human- und tierpathogenen Pilze sowie die meisten Schimmelpilze (Abb. 1.1 und 1.2, Tabelle 1.2) gehören in diese letzte Gruppe [13]. Aus Pilzen besteht schätzungsweise 25 % der Biomasse unserer Erde. Pilze können sogar optische Linsen in Objektiven besiedeln. Ungefähr 300 Arten sind humanpathogen [9], jedoch gehen die meisten Erkrankungen von Kulturpflanzen auf Pilze zurück. Pilze können Toxine produzieren (bisher sind mehr als 500 Mykotoxine bekannt), die für Mensch und Tier zum Teil letal sind (in Deutschland sterben jährlich ca. 50 Menschen an den Folgen von Pilzvergiftungen). Außerdem können toxische und kanzerogene Stoffwechselprodukte, vor allem von Schimmelpilzen, produziert werden: Aflatoxine, Ochratoxine, Patuline, Fusariumtoxine. Die „Food and Agricultural Organization“ schätzt, dass bis zu einem Viertel der Weltproduktion von Nahrungsmitteln mit Mykotoxinen verunreinigt sind (Abb. 1.1). Das allergene Potenzial der Pilze wird dagegen bisher als gering eingestuft.
Abbildung 1.1Aspergillus niger auf Agarplatte, REM-Aufnahme. Foto: Manfred Rohde (HZI), Braunschweig.
Abbildung 1.2 Weiße Schimmelpilze auf feuchtem Möbelholz im Keller, nach einem Eindringen von Regenwasser.
Gemeinsam ist allen Pilzen eine starre Zellwand, die Chitin (ein Polysaccharid), Cellulose, Glucane usw. enthält, und der echte Zellkern. Pilze können keine Photosynthese durchführen und ernähren sich von fertigen organischen Substanzen: Sie sind C-heterotroph. Pilze ernähren sich entweder von totem organischem Material (siehe Abb. 1.2) oder leben parasitär auf oder in anderen Lebewesen. Sie haben eine ungeschlechtliche, zum Teil auch sexuelle Vermehrung. Bei den Fungi imperfecti kennt man nur eine ungeschlechtliche Vermehrung, beispielsweise durch Sprossung oder Konidiosporen. Pilze sind einzellig (z. B. Sprosspilze wie die Bierhefe Saccharomyces cerevisiae sowie die verschiedenen Candida-Arten) oder mehrzellig (zum Beispiel Erreger von Dermatomykosen); die Pilzzellen sind deutlich größer als Bakterienzellen. Sprosspilze können bei Schwerkranken z. B. auf der Zunge, im Rachen, in den Bronchien und in der Speiseröhre auftreten. Es gibt außerdem gefährliche Erkrankungen der Hirnhaut, der Lunge, der Niere, des Darms und anderer Organe. Im Krankenhaus gefürchtet ist die Aspergillose, hervorgerufen durch Aspergillus fumigatus: Diese Infektionskrankheit hat die schlechteste Prognose überhaupt [14]. In der Natur lebt der Pilz auf abgestorbenen Pflanzen, in Komposthaufen, Biotonnen, Getreide, Heu, Teeblättern und Nüssen. Die Pilzsporen werden über die Lunge eingeatmet. Bei gesunden Menschen werden die Sporen von den Makrophagen vernichtet, bei immunsupprimierten Patienten dagegen funktioniert die Abwehr nicht und die Pilze werden über die Blutbahn zu den verschiedenen Organen transportiert. Die Letalität ist hoch: ca. 2/3 der Infizierten sterben, das sind in Deutschland jedes Jahr ca. 2500 Menschen.
Tabelle 1.2 Lebensbereich für Schimmelpilze. Im mit X gekennzeichneten Bereich ist das Wachstum der Schimmelpilze optimal
Hautpilze gehören verschiedenen Arten an und sind wie Sprosspilze sehr schwer zu bekämpfen. Pilze können sich z. B. in Badeanstalten an feuchten Stellen vermehren. Weitere Pilzerkrankungen sind die Lebertumore, die durch Pilzstoffwechselprodukte (Aflatoxine, Patuline) verursacht werden. Aflatoxinhaltig können verschimmelte Lebensmittel, patulinhaltig verdorbene Äpfel und Säfte sein. Wie bei den Lebensmitteln ist auch eine Schimmelbildung bei Arzneimitteln möglich, besonders dann, wenn sie unsachgemäß gelagert werden. Eine besondere Gefahr stellen Wände mit Schimmelbildung dar, denn in solchen Räumen kann ein messbar erhöhter Pilzsporengehalt der Luft festgestellt werden. Dies ist sowohl eine Gefahr für die Menschen, die sich in solchen Räumen aufhalten müssen, als auch für die Arzneimittel, die in solchen Räumen hergestellt bzw. gelagert werden.
Protozoen
Diese Gruppe umfasst frei oder parasitisch lebende, einzellige Eukaryonten mit den meisten Merkmalen tierischer Zellen. Die Vermehrung findet meist durch Zweiteilung statt. Die Übertragung parasitischer Protozoen auf den Menschen erfolgt oft durch Arthropoden: Der Erreger der Malaria (Plasmodium) wird durch Anopheles-Mücken übertragen, der Erreger der Schlafkrankheit (Trypanosoma brucei) durch Tsetsefliegen (Glossina ssp.). Die Schlafkrankheit gehört zu den wenigen Infektionskrankheiten mit einer hundertprozentigen Letalität.
1.4 Die Bakterienzelle
Das durchschnittliche Gewicht einer Bakterienzelle beträgt mit ca. 10−12 g weniger als ein Tausendstel des Zellgewichts einer Tierzelle [15], auch ist sie deutlich kleiner als die Eukaryontenzelle. Die Bakterienzelle setzt sich aus den folgenden Bestandteilen zusammen:
Prokaryonte Kernsubstanz (Nukleoid)
Plasmide
Cytoplasma
Reservestoffe
Cytoplasmamembran
Zellwand
Kapsel
Viele Bakterien bilden in vivo mithilfe extrazellulärer Enzyme außerhalb der Zelle eine Kapsel aus Polysaccharidpolymer (Ausnahme Bacillus anthracis: D- Glutaminsäure). Die Kapsel schützt weitgehend vor Phagocytose (= Aufnahme durch weiße Blutzellen) und damit vor unspezifischer Infektionsabwehr.
Geißeln
Die meisten beweglichen Bakterien besitzen Geißeln. Diese sind aus dem linearen Protein Flagellin aufgebaut. Geißeln sind über eine komplexe Struktur in der Zellhülle verankert und in der Lage, um ihre Achse zu rotieren (rund 100 000 Upm), wodurch eine Vorwärtsbewegung zustande kommt. Die Geißeln können
monotrich (z. B.
Vibrio
),
lophotrich (z. B.
Pseudomonas
) oder
peritrich (z. B.
Salmonella
)
angeordnet sein.
Fimbrien und Pili
Viele Bakterien bilden Oberflächenstrukturen, die kürzer und feiner sind als Geißeln. Fimbrien sind zuständig für die Anlagerung an spezifische Rezeptoren von Wirtszellen. „Sexpili“ sind fädige Proteinhohlrohre, die für den Zell-zu-Zell-Kontakt bei der Konjugation (Übertragung von DNA) verantwortlich sind.
Endotoxine
Endotoxine sind Lipopolysaccharide (LPS), die in der äußeren Membran der Zellwand gramnegativer Bakterien lokalisiert sind. Sie gelangen durch Abgabe von Membranvesikeln durch lebende Bakterien oder beim Absterben der Bakterienzelle ins Milieu. Endotoxine wirken fiebererzeugend (= pyrogen).
1.4.1 Bakterienmorphologie
Die Größenordnung von Bakterien und anderen Mikroorganismen ist in Tabelle 1.3 wiedergegeben. In der belebten Natur bewegt sich die Größe aller Lebewesen zwischen 0,3 μm (kleinste Bakterien wie Corynebacterium diphtheriae, dem Erreger der Diphtherie, oder wie Brevundimonas diminuta, einem stäbchenförmigen Wasserbakterium) und dem Hallimasch-Pilz (Armillaria ostoyae), dessen Myzel-Ausdehnung unter der Erde 600 ha beträgt, entdeckt 1992 im US-Bundesstaat Washington [6].
Bakterienformen
Bakterienzellen können in den folgenden Formen auftreten: Kokken allein oder in Haufen, Trauben, Ketten, als semmelförmige oder lanzettförmige Diplokokken (letztere mit Kapsel), gerade Stäbchen abgerundet, gerade Stäbchen eckig, keulenförmige Stäbchen, Stäbchen mit zugespitzten Enden, einfach gekrümmte oder spiralenförmige Stäbchen.
Endosporen
Bakterielle Endosporen sind keine Vermehrungsformen wie die Pilzsporen, sondern Dauerformen bei einigen aeroben und anaeroben Bakteriengattungen; sie schützen das bakterielle Genom bei ungünstigen Bedingungen. An der Sporulation sind mehr als 200 Gene beteiligt. Zur Sporenbildung sind die weitverbreiteten Gattungen Bacillus, Geobacillus, Paenibacillus, Sporolactobacillus, Sporosarcina, Sporobacter, Sporotomaculum, Halobacillus, Thermoactinomyces, Thermoanaerobacter, Desulfotomaculum und Clostridium, insgesamt über 30 Gattungen, befähigt. Die tierpathogenen Gattungen Actinobacillus und Streptobacillus vermögen keine Endosporen zu bilden (der Namenszusatz -bacillus verführt zu dieser Annahme).
Die Bildung einer Endospore beginnt in der vegetativen Zelle, wenn die Umgebungsbedingungen widrig werden (Abb. 1.3). Zur Sporulation verdichtet sich die Trockensubstanz der Zelle auf 1/10 ihres Volumens zu einem Sporenprotoplasten. Die verdoppelt umhüllende Cytoplasmamembran bildet die Sporenwand. Im Endstadium lösen sich die Reste der vegetativen Zelle auf. Die Endosporen besitzen erhebliche Resistenz gegenüber Desinfektionsmitteln und hohen Temperaturen. Endosporen können jahre- bis jahrzehntelang lebensfähig bleiben.
Abbildung 1.3 Sporenfärbung bei Bacillus cereus. Die Sporen sind grün, die vegetativen Zellen rot (im Druck schwarz) gefärbt. Vergrößerung 1000 ×, Immersionsöl. Foto: Matthias Nagel, Bremerhaven.
Als Ursachen für die Hitzeresistenz sind die dicke Sporenwand sowie die Wasserarmut, die eine Denaturierung der Proteine erschwert, verantwortlich zu machen. Gerät die Endospore in für das Leben der Bakterien günstige Umgebungsbedingungen, so erfolgt die Rückwandlung in die vegetative Zellform.
Mögliche Lagen der Endosporen sind:
Sporenbildung zentral, ohne Auftreibung der vegetativen Zelle,
Sporenbildung terminal, ohne Auftreibung der vegetativen Zelle,
Sporenbildung terminal, mit Auftreibung der vegetativen Zelle,
Sporenbildung zentral, mit Auftreibung der vegetativen Zelle,
freigesetzte Sporen.
1.4.2 Bakterienphysiologie
Der Stoffwechsel sowie das Wachstum und Überleben der Bakterien werden, genau wie bei den höheren Organismen, von einer Vielzahl von Umweltfaktoren beeinflusst.
1.4.2.1 Ernährung und Stoffwechsel
Die Grundbedürfnisse der Bakterien sind jenen der höheren Lebewesen sehr ähnlich. Sie benötigen:
eine Energiequelle für den Stoffwechsel,
je eine Kohlenstoffquelle und eine Stickstoffquelle für den Aufbau von Proteinen, Polysacchariden, Nukleinsäuren,
eine Phosphatquelle für den Aufbau von ATP, Nukleotiden, Nukleinsäuren, Phospholipiden,
eine Schwefelquelle für den Aufbau der Aminosäuren Cystein und Methionin sowie für Thiaminpyrophosphat, Coenzym A, Biotin,
α
-Liponsäure,
eine Reihe von anorganischen Salzen und Spurenelementen für Enzyme,
Vitamine und andere Wachstumsfaktoren.
Beim Stoffwechsel unterscheidet man zwischen einem aufbauenden Stoffwechsel (= Anabolismus oder Assimilation) und einem abbauenden Stoffwechsel (= Katabolismus oder Dissimilation). Die beiden Vorgänge sind jedoch nicht streng voneinander zu trennen, sondern laufen in der Zelle gleichzeitig nebeneinander ab. Stofflicher Abbau erfolgt immer unter Freigabe von Energie (= exergonischer Prozess), stofflicher Aufbau bedarf der Energiezufuhr (= endergonischer Prozess).
Sowohl die anabolen als auch die katabolen Vorgänge werden durch Enzyme (= Fermente, älterer Name) eingeleitet und in Gang gehalten. Enyzme sind hochmolekulare Proteine mit Katalysatorfunktion, auch Biokatalysatoren genannt. Als Beispiele seien genannt:
Assimilation
Dissimilation
Die Abbauprozesse zur Energiegewinnung erfassen nur vereinzelt Fette und Proteine als Betriebsstoffe; der Abbau der Kohlenhydrate, besonders der Glukose, nimmt weitaus die wichtigste Stellung ein.
Als Atmung bezeichnet man den Stoffwechsel dann, wenn der aus verschiedenen organischen Stoffen stammende Wasserstoff schließlich unter Energieabgabe mit freiem Sauerstoff zu Wasser reagiert.
Als Gärung (= Fermentation) bezeichnet man die Zersetzung organischen Materials unter Energieabgabe in Abwesenheit von freiem Sauerstoff, wobei dessen Funktion der Wasserstoffübernahme von anderen Verbindungen übernommen wird.Die Gärung bringt gegenüber der Atmung nur geringe Energieausbeute. Oft wird das Substrat (= Nährboden, abbaubares Material) nicht vollständig zu Kohlendioxid und Wasser abgebaut, sondern es entstehen neben CO2 typische Gärungsprodukte wie Milchsäure, Buttersäure, Propionsäure, Ethanol und weitere Verbindungen.
Bei der Atmung und der Gärung entsteht eine Reihe von Zwischen- und Endprodukten, sogenannte Stoffwechselprodukte, die von den Mikroorganismen teilweise in großen Mengen abgeschieden werden. Manche dieser Metaboliten (meist Proteine) stellen – zusammen mit gewissen Enzymen – die Bakteriengifte oder Toxine dar. Da sie nach außen abgegeben werden, nennt man sie auch Ekto- oder Exotoxine (zum Beispiel hämolysierende Toxine der Streptokokken, Diphtherie-, Tetanus- und Botulinustoxin). Diese Toxine sind in der Regel hitzelabil, das heißt sie werden durch Erwärmen zerstört. Eine Ausnahme bilden die Staphylokokkentoxine (zum Beispiel in Lebensmitteln), die hitzestabil sind und somit durch Kochen nicht zerstört werden.
Die andere Gruppe der Bakterientoxine bilden die hitzestabilen Endotoxine.
Atmung
Die meisten Bakterien sind in Bezug auf An- oder Abwesenheit von freiem Sauerstoff in ihrer Umgebung tolerant. Sie sind fakultativ anaerob.
Daneben gibt es eine Reihe von Bakterien, die für ihre Atmung den freien Sauerstoff der Luft benötigen: Sie sind obligat aerob, zum Beispiel Tuberkelbakterien oder viele Pseudomonaden. Eine Anzahl von Bakterien wiederum bezieht den Sauerstoff aus organischen Verbindungen. Für sie ist freier Sauerstoff toxisch. Bei diesen Keimen spricht man von obligaten Anaerobiern, zum Beispiel Clostridium tetani, dem Erreger des Wundstarrkrampfes (Tetanus) sowie andere Clostridien. Schließlich gibt es einige Keimarten, die am besten bei Anwesenheit von Spuren von freiem Sauerstoff wachsen. Diese Keime sind mikroaerophil.
1.4.2.2 Umgebungsbedingungen
Für ein optimales Wachstum benötigen Mikroorganismen geeignete Temperaturen, Feuchtigkeitsgehalte und pH-Werte (Tabelle 1.4).
Temperatur
Die optimale Wachstumstemperatur ist nicht für alle Bakterien gleich. Ein Optimum haben bei
0–10 °C
kälteliebende,
psychrophile
Bakterien
10–25 °C
kälteertragende,
psychrotolerante
Bakterien
30–39 °C
mesophile
Bakterien (häufig für Mensch und Tier pathogen)
> 50 °C
wärmeliebende,
thermophile
Bakterien
> 80 °C
(bis ca. 113 °C) hyperthermophile Mikroorganismen, meist Archaeen
Tabelle 1.4 Umgebungsbedingungen für Mikroorganismen
Temperaturen, die über dem Temperaturmaximum der jeweiligen Keimart liegen, sind sehr bald schädlich. Schon Fiebertemperaturen können auf gewisse pathogene Keime hemmend wirken. Kälte wird von den meisten Bakterien auch während längerer Zeit gut ertragen; beim Tieffrieren, vor allem aber beim Auftauen geht allerdings ein Teil der Mikroorganismen zugrunde. Unterhalb von –12 °C stellen Bakterien ihr Wachstum ein [17].
Feuchtigkeit
Bakterien bestehen zu mehr als 80 Gewichtsprozent aus Wasser, daher sind sie vor allem für ihr Wachstum – wie die höheren Organismen – auf ausreichend Feuchtigkeit angewiesen. Das Optimum wird den Mikroorganismen in flüssigen Nährmedien geboten. Auch feste Nährböden müssen viel Feuchtigkeit enthalten, da die meisten Bakterien sonst austrocknen. Gegen eine Austrocknung sind gramnegative Keime (zum Beispiel Pseudomonas, Gonokokken) im Allgemeinen empfindlicher als grampositive. Bakterien mit Wachshüllen (Mycobacterium) sind recht resistent, Endosporen noch resistenter. Sporen des Milzbranderregers Bacillus anthracis haben in Versuchen mehr als 50 Jahre überlebt.
Wasseraktivität
Die Lebens- und Überlebensfähigkeit der Mikroorganismen ist vom tatsächlich verfügbaren (= aktiven) Wasser abhängig (Tabelle 1.5). Die Wasseraktivität aw (activity of water) stellt die physikalische Größe für das verfügbare Wasser dar. Der aw-Wert gibt das Verhältnis des Wasserdampfdrucks eines Substrats zum Dampfdruck von reinem Wasser an; dieser Wert kann maximal 1,0 betragen.
p
Wasserdampfdruck des Substrats (z. B. Tablette, Rohstoff, Lebensmittel)
p
o
Dampfdruck des reinen Wassers bei gleicher Temperatur
ICH Q6A teilt das mikrobielle Risiko folgendermaßen ein:
hohes Risiko:
a
w
> 0,95
mittleres Risiko:
a
w
> 0,90 bis < 0,95
geringes Risiko:
a
w
< 0,80
Tabelle 1.5 Minimum-Wasseraktivitätswerte (aw) für das Wachstum verschiedener Mikroorganismen. Unterhalb von 0,60 ist kein Wachstum mehr möglich. Zusammenstellung aus [32–34]
pH-Wert
Die meisten Mikroorganismen vermehren sich nur innerhalb eines schmalen pH-Bereichs, im Allgemeinen zwischen pH 5,5 und 8,0. Pathogene Formen gedeihen am besten bei pH 7,2 bis 7,5 (Humanblut hat einen pH von 7,41). Es existieren aber auch Bakterien mit einem Optimum von pH < 4,0 (Lactobacilli, acetogene Bakterien) oder pH 8,5 (Alcaligenes, Vibrio). Bacillus cereus toleriert pH-Werte bis 9,3, Schimmelpilze können zwischen pH 1,5 und 9 existieren. In der Natur leben viele Pilze auf sauren Waldböden und Wiesen. Vor allem unter den Archaeen gibt es Spezialisten, die in stark saurem Milieu leben können, z. B. der acidophile und thermophile Picrophilus oshimae, der bei 60 °C und bei pH 0,5 wächst [22].
Strahlung
Deinococcus radiodurans wurde 1956 aus Fleischkonserven isoliert, die mit Gammastrahlen sterilisiert wurden. Kulturen aus der exponentiellen Wachstumsphase können 18 000 Gy überleben. Zum Vergleich: Für den Menschen beträgt die LD50 5 Gy. Ihre Strahlenresistenz wird den Deinococcen durch ihre sehr effektive Reparatur der Strangbrüche der DNA ermöglicht. Außerdem sind die Deinococcus-Arten extrem widerstandsfähig gegenüber UV-Strahlen (bis zu 1000 J/m2). Die grampositiven, pigmentierten, nicht beweglichen Zellen wachsen zwischen 4 °C und 45 °C mit einem Optimum bei 30 °C; die Generationszeit beträgt 80 min [23].
1.5 Taxonomie der Mikroorganismen
Unter Taxonomie von Mikroorganismen versteht man deren Einteilung und Namensgebung. Taxonomie ist die Wissenschaft von der Klassifikation und Nomenklatur.
1.5.1 Klassifikation
Klassifikation beinhaltet das Ordnen der Bakterien in taxonomischen Gruppen (= Taxa) aufgrund von Verwandtschaftsbeziehungen. Diese lassen sich am besten durch Erkenntnisse über die Evolution aufzeigen. Da über stammesgeschichtliche Beziehungen der Bakterien aber recht wenig bekannt ist, beruht ihre Klassifikation auf Ähnlichkeiten in morphologischen, physiologischen, chemischen und neuerdings immer mehr auf genetischen Merkmalen. Insbesondere aufgrund letzterer Merkmale wurden Umbenennungen zahlreicher Bakterienarten notwendig.Formal werden Prokaryonten in Domänen, Phyla, Klassen, Ordnungen, Familien, Gattungen und Arten mit eventuell vorhandenen Subtaxa gegliedert. Dazu folgendes Beispiel:
Dieses Schema ist auch für den Menschen anwendbar:
Ordnung:
Primates
Familie (Familia):
Hominidae
Gattung (Genus):
Homo
Art (Spezies):
Homo sapiens
Var oder Typ:
zum Beispiel Europide
Stamm:
zum Beispiel Hesse
Escherichia coli wurde nach dem bayrischen Kinderarzt Theodor Escherich (1857–1911) benannt, der dieses Bakterium 1885 entdeckte und seine bakteriologischen Untersuchungen in dem Buch „Die Darmbakterien des Kindes“ publizierte. E. coli ist der häufigste bakterielle Erreger von Harnwegsinfektionen und Reisediarrhöen. Es sind mehrere Tausend Serovare bekannt.
Zu den humanpathogenen E. coli gehören EHEC, EAHEC, DAEC, STEC, VTEC, EIEC, EPEC und ETEC (Abb. 1.4, Tabelle 1.6). Diese Pathovare haben β-Lactamase-Gene und Virulenzfaktoren für Toxine (z. B. Shiga-Toxine), Adhäsine (z. B. eae) und Dispersin.
Abbildung 1.4 EHEC 0157-H7 auf Fibroblast. REM-Aufnahme, Vergrößerung 40 000 ×. Foto: Manfred Rohde (HZI), Braunschweig.
Tabelle 1.6 Humanpathogene E. coli-Stämme. EAEC enteroaggregative E. coli, DAEC diffus adhärente E. coli, STEC shigatoxinbildende E. coli, VTEC verotoxinbildende E. coli, EIEC enteroinvasive E. coli, EPEC enteropathogene E. coli, ETEC enterotoxische E. coli, EHEC enterohämorrhagische E. coli, HUS hämolytisches Urämiesyndrom
Im Mai 2011 kam es in Deutschland zu einem Ausbruch von Infektionen mit EAHEC, einem neuen Hybrid aus EAEC und EHEC; es handelte sich um den Serotyp O104:H4. O bezieht sich auf die Art der oberflächenspezifischen Seitenkette (= LPS) und H auf die Geißelantigene. Über 4300 Menschen hatten sich infiziert, über 50 starben (Stand Juli 2011). Die Quelle soll importierter, kontaminierter Bockshornkleesamen gewesen sein. Die Inkubationszeit beträgt 2 bis 10 Tage, die Infektionsdosis ist mit 10 bis 100 Zellen sehr niedrig. In Deutschland besteht seit 2001 eine Meldepflicht für humanpathogene E. coli. Laut Statistiken des RKI erkrankten in den Jahren 2001 bis 2010 jährlich ungefähr 1000 Menschen. Humanpathogene E. coli kommen natürlicherweise in Rindern, Schafen, Rehen und Hirschen vor. Infektionen können über kontaminiertes Trinkwasser, Rohmilch, ungekühltes Fleisch und kontaminiertes Gemüse geschehen. Als Folge der EAHEC-Epidemie sollen das Infektionsschutzgesetz und das Kriegswaffenkontrollgesetz („dual use“) angepasst werden. Der molekularbiologische Nachweis der humanpathogenen E. coli gelingt innerhalb von 2 Tagen; für den Nachweis von STEC gilt die PCR als Goldstandard.
Die Enterobacteriaceae verteilen sich über 47 Gattungen mit Hunderten Spezies; sie sind gramnegative, fakultativ anaerobe, peritrich begeißelte oder unbewegliche Stäbchen. Unter der historischen Bezeichnung Coliforme versteht man die laktosepositiven Vertreter der Enterobacteriaceae. Immer coliform sind Escherichia, Enterobacter, Klebsiella, Citrobacter (verzögerter Laktose-Abbau) und Serratia, nie coliform, weil laktosenegativ, sind Salmonella, Shigella, Proteus, Providencia und Morganella. Von Escherichia sind bisher 6 Arten beschrieben. Viele Enterobacteriaceen verursachen beim Menschen opportunistische Erkrankungen wie Infektionen der Haut, der Subkutis, der Harnwege, des Respirationstraktes und Wunden einschließlich Sepsis.Einige Daten zu Eigenschaften und Zusammensetzung der E. coli-Zelle (Abb. 1.5, [12, 24]):
stäbchenförmige Zelle ca. 1 μm × 2 μm, Volumen ca. 2,5 μm3
ca. 70 % Wasser
1 ringförmiges DNA-Molekül, ca. 1,7 mm lang, 4639675 bp, 4435 Gene
1 bis mehrere Plasmide
gramnegativ, ca. 3,5 × 10
6
Moleküle LPS
20 000 Ribosomen
ca. 1250 verschiedene Enzyme, die in der Zelle als Kopien zwischen 10 und einigen Tausend vorliegen
ca. 5000 RNA-Polymerase-Enzyme sind in der Wachstumsphase aktiv
255 Proteine, die an Transportfunktionen beteiligt sind
20 Arten t-RNA
ca. 1220 organische Verbindungen mit M
r
< 1000 Dalton (Aminosäuren, Zucker, Nukleotide u. a.)
eine Vielzahl anorganischer Ionen
Abbildung 1.5Escherichia coli-Zelle auf einem Makrophagen. REM-Aufnahme, Vergrößerung 40 000×. Foto: Manfred Rohde (HZI), Braunschweig.
Die Basis der Klassifikation ist die Art (lat. species). Oft ist es, vor allem in der Epidemiologie, notwendig, eine Art noch in Vare (Synonym Typen) zu unterteilen. Dabei werden Kulturen einer Art, die bestimmte Merkmale gemeinsam haben, zusammengefasst. Beispiele sind: Biovar, Phagovar, Pathovar, Morphovar, Serovar. Der Begriff Stamm wird unterschiedlich gebraucht. In der klinischen Bakteriologie versteht man darunter die Erstkultur einer Spezies, die bei einer Infektion von einem Patienten isoliert wird. In der Epidemiologie bezeichnet man auch Isolate der gleichen Spezies von verschiedenen Patienten als zum gleichen Epidemiestamm gehörend.Wichtig ist zu wissen, dass es eine offizielle, international gültige Klassifikation der Bakterien nicht gibt. Deshalb sind vor allem die höheren Taxa oft nach praktischen Gesichtspunkten gruppiert. Es lässt sich etwa eine Gliederung verwenden, die auf die praktischen Belange der Medizin abgestellt ist, beispielsweise die im Standardwerk „Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology“ [25, 26] verwendete Einteilung.
1.5.2 Nomenklatur
Die Nomenklatur als zweites Teilgebiet der Taxonomie umfasst die Namensgebung der taxonomischen Gruppen. Im „International Code for the Nomenclaure of Bacteria“ sind die Regeln für die Namensgebung festgelegt. Eine Spezies wird demnach mit zwei latinisierten Namen gekennzeichnet, wobei der erste Name die Gattung, der zweite die Spezies charakterisiert. Familien werden mit der Endung „-aceae“ bezeichnet. Im Gegensatz zur Klassifikation sind Bezeichnungen, die durch das „International Committee of Systematic Bacteriology“ akzeptiert wurden, als offiziell und bindend anzusehen.
Tabelle 1.7 Infektionskrankheiten und ihre Übertragungswege, Erreger (auslösendes Agens) und Infektionsdosen
1.6 Medizinische Mikrobiologie
Manche Mikroorganismen können Infektionskrankheiten verursachen. Unter Infektion oder Ansteckung versteht man die Übertragung, das Haftenbleiben und das Eindringen von Mikroorganismen in einen Makroorganismus wie Mensch, Tier oder Pflanze [27]. Die Stelle, an der sich der Infektionserreger aufhält, wird primäre Infektionsquelle genannt; als sekundäre Infektionsquellen werden Gegenstände oder Drittpersonen bezeichnet, die bei einer indirekten Übertragung beteiligt sind.
Der Mensch hat etliche Eintrittspforten für potenzielle Krankheitserreger (Tabelle 1.7).
1.6.1 Infektionsrouten
1.6.1.1 Direkt
fäkal-oral (Schmierinfektion): z. B. Salmonella, Shigella, Vibrionen, EHEC, Hepatitis A-Virus
aerogen (Tröpfcheninfektion): z. B.
Mycobacterium tuberculosis, Bacillus anthracis
(Lungenmilzbrand),
Legionella pneumophila
(Pontiac-Fieber),
Coxiella burnetii
(Q-Fieber),
Francisella tularensis
(Tularämie, Hasenpest),
Chlamydia psittaci
genital (Geschlechtsverkehr): z. B.
Treponema pallidum,
Candida (Soor), HIV, Hepatitis B und D-Viren
kutan: z. B. Staphylokokken, Dermatophyten
pränatal: intrauterine Infektion der Frucht, Infektionswege über die Plazenta oder aus den Eileitern, Infektion nach Blasensprung, mit der Abkürzung TORCH werden die wichtigsten Erkrankungen genannt: Toxoplasmose (
Toxoplasma gondii
), other (wie Syphilis, Listeriose), Röteln (Viren), Cytomegalie (Viren), Herpes simplex (Viren)
perinatal: z. B. Hepatitis B-, C- und D-Viren, bei Frühgeborenen nosokomiale Infektionen durch
Streptococcus, Klebsiella,
Listerien, Nabelwundinfektionen, Konjunktivitis durch Chlamydien
Inokulation (durch Stich- und Schnittwunden, Tierbisse und -stiche): Rhabdoviren (Tollwut), HI- und Hepatitis B-Viren über infizierte Kanülen, Rickettsien, Borrelien, FSME-Viren und Plamodien über Insektenstiche
1.6.1.2 Indirekt
Durch
Wasser:
Vibrio cholerae
Lebensmittel:
Bacillus cereus, Staphylococcus aureus
, Enterobakterien,
Clostridium perfringens
(Toxin)
Staub/Erde: z. B.
Bacillus anthracis, Clostridium tetani
kontaminierte Gegenstände: Katheterinfektionen (
Staphylococcus epidermidis
)
Vektoren: z. B. als
Vektor Ixodedes ricinus
, Überträger von FSME-Viren und Borrelien
den Menschen (Handkontakte): z. B. berühren von Eiterherden und Blut
ärztliche/medizinische Maßnahmen (= iatrogen), z. B. unsterile Instrumente
Bei einer Sepsis (Septikämie) gelangen Mikroorganismen in die Blutbahn. Das Blut verteilt sie auf die verschiedenen Organe, sodass sich dann dort Entzündungsherde bilden. Typische Sepsis-Erreger sind Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes, E. coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa und Bacteroides fragilis (ein obligat anaerobes Darmbakterium). Jedes Jahr erkranken in Deutschland über 150 000 Menschen an einer Sepsis, wobei fast 50 % daran sterben [28].
1.6.1.3 Nosokomiale Erkrankungen
2 IfSG definiert den Begriff nosokomiale Infektion als „eine Infektion mit lokalen oder systemischen Infektionszeichen als Reaktion auf das Vorhandensein von Erregern oder ihrer Toxine, die im zeitlichen Zusammenhang mit einer stationären oder einer ambulanten medizinischen Maßnahme steht, soweit die Infektion nicht bereits vorher bestand.“
Nosokomiale Erkrankungen können im Krankenhaus („nosokomeion“, griech. für Hospital) immungeschwächte oder frisch operierte Patienten durch fakultativ pathogene Bakterien wie Pseudomonas aeruginosa, andere, gramnegative Wasserbakterien („Nasskeime“) sowie Haut- und Schleimhautkeime (Staphylococcus, Streptococcus), Hefen wie Candida albicans, enteropathogene Fäkalkeime und Viren (Cytomegalievirus, Coxsackie-Virus, ECHO-Virus u. a.) befallen [29]. Infektionsquelle ist der Patient selbst, andere Patienten, Besucher oder das medizinische Personal. Durch ein striktes Hygieneregime lassen sich nosokomiale Infektionen eindämmen.
1.6.1.4 Zoonosen
Zoonosen sind Erkrankungen des Menschen (Tabelle 1.8), bei denen Tiere als Infektionsquellen dienen. In seltenen Fällen kann das Tier den Menschen und danach der Mensch wiederum das Tier anstecken, z. B. bei der Katzenkratz-Krankheit; der Erreger ist das gramnegative Bakterium Afipia felis. Zurzeit sind ungefähr 800 zoonotische Infektionskrankheiten bekannt; darunter ist die Toxoplasmose die häufigste Zoonose [30]. Zu den Heimtier-Zoonosen gehören neben Toxoplasmose u. a. die Papageienkrankheit, Echinokokkose, Infektion mit Hundespulwurm und Hautausschläge, verursacht durch Pilze, die von Meerschweinchen, Kaninchen, Hamstern, Mäusen, Hunden und Katzen übertragen werden. Hygienemaßnahmen wie die tägliche Reinigung der Käfige und Toiletten sowie gründliches Händewaschen nach Tierkontakten sowie regelmäßige Wurmkuren und Schutzimpfungen der Haustiere schützen vor Ansteckung. Mindestens zwei neue, unbekannte Zoonosen werden jedes Jahr bei Menschen gefunden.
Tabelle 1.8 Einige Erkrankungen des Menschen und die wahrscheinlichen tierischen Infektionsquellen [9, 30, 31]
tierische Infektionsquelle
Erkrankung
Erreger
Fuchs, Hund, Katze
Echinococcose
Echinococcus multilocularis
Hauskatze, Schlachttiere
Toxoplasmose
Toxoplasma gondii
Schwein, Rind, Geflügel, Eier
Salmonellose
Salmonella enterica
Ratten (Rattenfloh)
Pest
Yersinia pestis
herbivore Tiere (z. B. Schafe, Kühe)
Milzbrand (Anthrax)
Bacillus anthracis
Schimpansen
AIDS
HI-Virus
Menschenaffen
Hepatitis B
HB-Virus
Rinder, Schafe, Ziegen
EHEC-Infektion, HUS
EHEC
Hunde, Wölfe, Füchse, Fledermäuse
Tollwut
Rhabdovirus
Fledermäuse
Ebola
Ebola-Virus
Fledermäuse, Flughunde
Hämorrhagisches Fieber
Marburg-Virus
afrikanische Affen
Gelbfieber
Flavivirus
wild lebende und domestizierte Säuger
Chagas-Krankheit
Trypanosoma cruzi
Wildvögel
Influenza A
Influenza-Viren
Zecken
Borreliose
Borrelia burgdorfii
Schleichkatze
SARS
Corona-Virus
Zur Herstellung von Arzneimitteln und Medizinprodukten werden Substanzen eingesetzt, die tierischen Ursprungs sind, z. B. Laktose und Calciumlaktat (aus Rindermilch), Magnesiumstearat (aus tierischen Fetten) und Gelatine (aus Knochen, Häuten und Sehnen). Bei diesen Beispielen handelt es sich um Hilfsstoffe. Wirkstoffe werden aus Schlachthofmaterial wie Schweineintestinalmucosa (Heparin), Bauchspeicheldrüsen (Pankreatin oder aufgereinigte Enzyme wie Lipasen, Amylasen und Proteasen), Magenschleimhaut (Pepsin), Blut, Leber (Leberextrakt), Thymus, Galle (Fel Tauri, Glycocholsäure), Testes (Hyaluronidase) und weiteren Organen (verschiedene Organextrakte) gewonnen. Diese Ausgangsmaterialien müssen frei von pathogenen Mikroorganismen, Viren und infektiösen Prionen sein bzw. das Herstellverfahren muss sichere Abreicherungs- oder Inaktivierungsschritte enthalten. Dies gilt auch für pharmazeutische Produkte, die aus menschlichem Material hergestellt werden (z. B. Gerinnungsfaktoren, Immunglobuline und Albumin aus Blut, Extrakte und Enzyme aus Organen). Zu den virusabreichernden Verfahren zählen Filtrationen wie die Nanofiltration und chromatografische Methoden; zu den Inaktivierungsverfahren gehören Bestrahlungen mit UV-C-Licht (100–200 nm), Fällungen, Behandlungen mit Säure (z. B. 60 min bei pH 3) und Exposition gegenüber trockener Hitze.
Die drei Säulen der Virussicherheit sind:
Literatur
1 Strasburger, E., Noll, F., Schenck, H., Karsten, G. (1906) Lehrbuch der Botanik für Hochschulen. 8. Aufl., G. Fischer Verlag, Jena.
2 Hoffmann, D. et al. (Hrsg.) (2007) Lexikon der bedeutenden Naturwissenschaftler, Spektrum Akad. Verlag, München.
3 Dobson, M. (2009) Seuchen die die Welt veränderten, National Geographic History, Gruner & Jahr, Hamburg.
4 Stopka, C. (2011) Die phantastische Intelligenz der Bakterien. Wunderwelt Wissen, 5, 14–20.
5 Lopez Garcia, F. et al. (1997) NMR structure oft he bovine prion protein. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 97, 15, 8334–8339.
6 Prusiner, S.B. (1984) Prionen. Spektrum der Wissenschaft, 12, 48.
7 Lehr, C. (1979) Die Traberkrankheit (Scrapie) der Schafe. Eine Literaturübersicht. Dissertation Tierärztliche Hochschule Hannover.
8 Kräusslich, H.G. (2011) Die Macht der Viren. Spektrum der Wissenschaft Dossier: Infektionskrankheiten – Kampf den Keimen, Dossier 3, 6–13, Heidelberg.
9 Kayser, F.H. et al. (2010) Medizinische Mikrobiologie, 12. Aufl., Thieme, Stuttgart.
10 Woese, C.R., Fox, G.E. (1977) The phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdom. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 74, 5088–5090.
11 Sadava, D. et al. (2011) Purves Biologie, 11. Aufl., Spektrum Akad. Verlag, Heidelberg.
12 Stryer, L. (2010) Biochemie. 6. Aufl., Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg 2007, Nachdruck.
13 Mücke, W., Lemmen, C. (1999) Schimmelpilze: Vorkommen, Gesundheitsgefahren, Ecomed, Landsberg.
14 Schönfelder, U. (2007) Wenn Menschen verschimmeln. bild der wissenschaft, 5, 18–25.
15 Vogel, G., Angermann, H. (2001) dtv-Atlas Biologie, Bd. 1. 11. Aufl., Deutscher Taschenbuch Verlag, München.
16 Kurz, M. (2008) Geysir, Gletscher, Großer Natronsee & Co. Extremophile Mikroorganismen: vom Konservierungsproblem zum Helfer der Biotechnologie. Bioforum, 1, 62–64.
17 Schlegel, H.G. (1992) Allgemeine Mikrobiologie, 7. Aufl., Thieme, Stuttgart.
18 Krämer, J. (2007) Lebensmittel-Mikrobiologie, 5. Aufl., Ulmer, Stuttgart.
19 Pichhardt, K. (1998) Lebensmittelmikrobiologie, 4. Aufl., Springer, Berlin.
20 Madigan, M.T., Martinko, J.M. (2006) Brock Mikrobiologie, 11. Aufl., Pearson, München.
21 USP 34/NF 29 (2011), chapter <1112> Application of water activity determination to nonsterile pharmaceutical products
22 Geiger, H. (2009) Astrobiologie, Vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich.
23 Battista, J.R. (1997) Against all odds: The survival strategies of Deinococcus radiodurans. Annu. Rev. Microbiol, 51, 203–224.
24 Goodsell, D.S. (2010) Wie Zellen funktionieren, 2. Aufl., Spektrum der Wissenschaft, Heidelberg.
25 Boone, D.R., Castenholz, R.W. (2001) Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology, vol. 1, 2. nd edition, Springer, New York, Berlin, Heidelberg.
26 Holt, J.G. et al. (1994) Bergey’s Manual of Systematic Bacteriology, 9. nd edition. Williams and Wilkins, Baltimore.
27 Pschyrembel (2010) Klinisches Wörterbuch, 262. Aufl., W. de Gruyter, Berlin.
28 Hanssen, H.P. (2009) FDA genehmigt automatisierten Proclacitonin-Test bei Sepsis. Deutsche Apotheker Zeitung, 149/4, 325.
29 Kappstein, I. (2009) Nosokomiale Infektionen, 4. Aufl., Thieme, Stuttgart.
30 Weber, A. (2011) Angriff aus dem Tierreich. GEO, 2, 52–64.
31 Fischer, L. (2011) Ehec: Gefährlicher Durchfallerreger. Spektrum der Wissenschaft Dossier: Infektionskrankheiten – Kampf den Keimen, Dossier 3, 45, Heidelberg.
32 Anonymus (2000) Wirtshaus Mensch. GEO, 2, 180.
33 Blech, J. (2010) Leben auf dem Menschen. Die Geschichte unserer Besiedler, Rowohlt Taschenbuch Verlag, Reinbek, Neuauflage.
34Das Große Weltlexikon, Bd. 2, S. 153, Springer, Berlin 2007.
Weiterführende Literatur
Hahn, H. et al. (2009) Medizinische Mikrobiologie und Infektiologie, 6. Aufl., Springer, Berlin.
Kramer, A., Assadian, O. (2008)Wallhäußers Praxis der Sterilisation, Desinfektion, Antiseptik und Konservierung, 6. Aufl., Thieme, Stuttgart.
Lüning, K. (1985) Meeresbotanik, Thieme, Stuttgart.
Steble, H. Krauter, D. (2002) Das Leben im Wassertropfen, 9. Aufl., Franckh-Kosmos, Stuttgart.
Wallhäußer, K.H. (1995) Praxis der Sterilisation, Desinfektion, Konservierung, 5. Aufl., Thieme, Stuttgart.
