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Zuckercode und Hygiene im Kampf gegen multiresistente Keime

Eine große Rolle bei der Ausbreitung von Antibiotikaresistenzen spielt der horizontale Gentransfer zwischen Bakterien. Dabei übertragen Viren, die sich auf Bakterien spezialisiert haben, genetisches Material - selbst über weite Artgrenzen hinweg. Tübinger Mikrobiologen erforschen diese Mechanismen, um neue Wege zur Bekämpfung von Krankenhauskeimen wie multiresistenten methicillinresistenten Staphylococcus aureus (MRSA) zu finden. Ergänzend appellieren die Forscher für mehr Hygiene und wollen die Bakterienökologie besser erforschen.

Die Falschfarbendarstellung zeigt eindrucksvoll den Biofilm mit der schleimartigen Substanz (gelb), den die Bakterien (grau) der Art Staphylococcus aureus erzeugen. © Peschel, Universität Tübingen

Am Interfakultären Institut für Mikrobiologie und Infektionsmedizin Tübingen, kurz IMIT, haben sich Naturwissenschaftler und Mediziner zusammengetan, um Krankheitserreger mit vereinten Kräften besser verstehen und bekämpfen zu können. „Eigentlich ist es nur ein kleiner Schritt, den wir hier getan haben, indem wir fakultätsübergreifend dieses Institut gegründet und so die Kompetenzen für Infektiologie aus Biologie und Medizin zusammengelegt haben. Angesichts der Vorbehalte, die teilweise leider weithin zwischen Medizinern und Biologen herrschen, ist es jedoch schon etwas Besonderes. Wir sind das erste und bisher einzige Institut dieser Art in Deutschland“, sagt Prof. Dr. Andreas Peschel, der am IMIT die Abteilung für Zelluläre und Molekulare Mikrobiologie leitet.

Wie fruchtbar die Zusammenarbeit ist, zeigen die neuen Erkenntnisse zur Resistenzausbreitung zwischen pathogenen Bakterien, die Peschel und sein Team im Sommer 2013 veröffentlichten. Die Forscher haben herausgefunden, dass spezifische Zuckerstrukturen auf der Bakterienoberfläche darüber entscheiden, wie gut oder schlecht bakterienspezifische Viren, die Bakteriophagen, eine Bakterienzelle erkennen. Einmal als Wirt erkannt, dringen Bakteriophagen in die Bakterienzelle ein, um sich hier massenhaft zu vermehren. Dabei schleppen sie genetisches Material mit ein, das sie zuvor bei der Wirtszelle, in der sie sich vermehrt hatten, aufgenommen haben. Dieser „horizontale Gentransfer“ führt dazu, dass Erbsubstanz von einem Bakterienstamm zu einem anderen übertragen wird. Wenn das fremde Genmaterial zum Beispiel ein Resistenzgen gegen ein Antibiotikum enthält, kann der neu befallene Stamm nun ebenfalls gegen dieses Antibiotikum resistent werden. Das Tückische daran: Die Bakterien müssen nicht einmal der gleichen Art angehören, sie müssen nur ähnliche Zuckerstrukturen auf ihrer Oberfläche haben.

Horizontaler Gentransfer als Dreh- und Angelpunkt

Peschel und sein Team konnten das am Beispiel von Staphylococcus aureus zeigen, dem gefürchteten Krankenhauskeim, von dem immer mehr multiresistente Stämme existieren. Über den horizontalen Gentransfer konnten die Laborstämme unter anderem Genmaterial mit humanpathogenen Listerien (Listeria monocytogenes) austauschen. Der Grund: Listerien haben auf ihrer Oberfläche ähnliche Teichonsäuren. Diese Zuckerstrukturen dienen den Bakteriophagen als Erkennungsmerkmal, um die Bakterien zu befallen. Peschel und seine Gruppe konnten auch zeigen, dass Enterokokken, die auf ihrer Oberfläche andere Zuckerstrukturen aufweisen, kein Genmaterial mit Staphylococcus (S.) aureus austauschen.

Unter dem Elektronenmikroskop zeigen Bakteriophagen, die sich auf Staphylococcus aureus spezialisiert haben, ihre charakteristische Gestalt. © York Stierhoff, Universität Tübingen

Kennt man also die Zuckerstrukturen auf der Oberfläche einer Bakterienart, könnte man daraus schließen, wie leicht MRSA damit Resistenzgene austauschen können. Darüber hinaus könnte der Bakterienstoffwechsel so beeinflusst werden, dass die Biosynthese der Teichonsäuren blockiert wird. Den Bakterien käme so die Erkennungsstruktur für Bakteriophagen abhanden. „Wenn wir so den horizontalen Gentransfer verlangsamen, könnten wir die Ausbreitung von Resistenzen verhindern“, sagt Peschel.

Feindliche Strategien umnutzen

Aussichtsreich findet Peschel auch den Ansatz, sich von der Bakteriophagenstrategie etwas abzuschauen. Nachdem sich die Bakteriophagen in der Wirtszelle massiv vermehrt haben, programmieren sie den bakteriellen Stoffwechsel um. Die Bakterien produzieren daraufhin Enzyme, die die Bakterienhülle auflösen und leiten damit ihren eigenen Untergang ein. Solche Enzyme könnten auch medizinisch genutzt werden. „Rund 40 Prozent der Menschen haben Staphylococcus aureus in ihrer Nase. Wenn wir das Enzym hier lokal applizieren würden, könnten wir dadurch die Nase dekolonisieren. Das wäre eine relativ einfache Möglichkeit, um die Verbreitung von S. aureus, vor allem von MRSA, einzudämmen.“ Solche neuen Konzepte sind nötig, wenn die Dekolonisierung mit herkömmlichen Antibiotika eben nicht mehr entsprechend greift.

Das liegt laut Peschel auch daran, dass Hygienemaßnahmen vielerorts zu lasch gehandhabt werden, wodurch sich MRSA immer weiter ausbreiten. „Wenn eine größere OP ansteht, werden die Patienten in einem guten Krankenhaus zuvor auf Staphylokokken getestet und dekolonisiert. Das erfordert jedoch einige Tage Vorlauf und kostet natürlich Geld - Geld, dass in manchen Häusern gerne eingespart wird.“ Diese kurzfristige kleine Einsparung kann letztlich große Kosten verursachen, wenn zunehmend Resistenzen und Infektionen bekämpft werden müssen. Auch angesichts der dramatischen Auswirkungen einer Infektion mit S. aureus, die zu einer letztlich tödlichen Blutvergiftung führen kann, sieht Peschel großen Handlungsdruck. Deshalb appelliert er für mehr Infektionsschutz im Krankenhaus. „Hygiene und Infektiologie sind in zu vielen Häusern immer noch ein ungeliebtes Thema. Der Kostendruck wird hier gründlich falsch verstanden.“

Auf gesundheitspolitischer Ebene setzt sich Peschel dafür ein, die Anzahl von Infektionen mit MRSA öffentlich zu machen. „In Großbritannien werden für jedes Krankenhaus jährlich die Infektionszahlen veröffentlicht. Als man damit anfing, gab es zwar zunächst einen Aufschrei und einige Krankenhäuser hatten es vorübergehend schwer, Patienten zu bekommen. Aber inzwischen konnte die Infektionszahl dramatisch gesenkt werden. Deshalb halten wir es als Infektionsforscher für unverantwortlich, in Deutschland keine Veröffentlichungspflicht zu haben. Wir setzen uns auch über Fachgesellschaften, wie dem DZIF und bei den Ministerien dafür ein, das zu ändern“, bekräftigt Peschel. Das DZIF ist das Deutsche Zentrum für Infektionsforschung mit insgesamt sieben Standorten, Tübingen ist einer davon.

Hygienische Fehler vermeiden

Auch andere Staphylokokkenarten können zu Infektionen führen und Resistenzen ausbilden, wenn auch in schwächerer Form, wie Peschel sagt. „Staphylococcus epidermidis sind zwar weiter verbreitet, da sie überall auf der Haut vorkommen, aber in ihren Auswirkungen meist weniger gravierend. Zu einer Infektion kommt es zum Beispiel, wenn ein Katheter gelegt wird, ohne das betreffende Hautareal gründlich zu desinfizieren, sodass der Erreger in die Blutbahn gelangen kann. Das ist leider häufig ein Hygieneversäumnis, wie es immer wieder vorkommt.“

Auch wenn nicht alle Staphylokokken so hochgradig pathogen sind wie S. aureus: Diese Situation könnte sich schnell ändern. Befeuert durch den horizontalen Gentransfer wird der bakterielle Genpool ständig ausgetauscht und erweitert, sodass auch immer neue Arten entstehen. Die zukünftige Entwicklung ist hier schwer abzuschätzen, auch weil recht wenig über die Bakterienökologie bekannt ist, wie Peschel sagt. „80 Prozent der schweren Infektionen werden von endogenen Bakterien verursacht. Sie nutzen plötzlich die Chance, in Gewebe einzudringen und aus Freunden werden Feinde. Wenn wir diese Vorgänge besser verstehen würden, könnten wir auch eine bessere Prävention betreiben, vor allem bei Hochrisikopatienten“, so sein Statement.

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