1.5 Genetik von Bakterien und Viren

1.5.2 

 Resistenz

Antibiotischer Empfindlichkeitstest

Zwei Petrischalen werden jeweils mit Staphylococcus albus (unten links, weiß) und Micrococcus luteus (unten rechts, gelb) beimpft. Danach werden Papierringe aufgelegt, die farbige Scheiben mit verschiedenen Antibiotika getränkt besitzen.

 Die Antibiotika von oben (V) sind im Uhrzeigersinn: Novobiocin, Penicillin G, Streptomycin (weiße Scheibe), Tetracyclin, Chloramphenicol, Erythromycin, Fusidinsäure (grüne Scheibe) und Methicillin. Um die meisten Scheiben zeigen sich klare Zonen ohne bakterielles Wachstum, sogenannte Hemmhöfe.


Staphylococcus aureus

Staphylococcus aureus sind Gram + Bakterien und Teil der menschlichen Mikroflora. (aureus bedeutet goldgelb, da meist die Kolonien gelb gefärbt sind)

Die Bakterien vermehren sich in Hautpickeln, Entzündungen, bei Erkältungen im Nasen-Rachenraum und wachsen am besten bei Körpertemperatur. Auch vermehren sie sich rasch in proteinhaltiger Nahrung und bilden als Giftstoff ein Enterotoxin, das Magen- und Darmschleimentzündung verursacht. Symptome sind Erbrechen und Durchfall.

Kochen vernichtet S. aureus aber nicht das Toxin.

Alle Antibiotika besitzen im menschlichen Körper relativ kurze Halbwertszeiten von 1-12 Stunden und werden durch die Niere ausgeschieden. Einige führen aufgrund ihres Wirkmechanismus (z.B. Translationshemmung) zu Nebenwirkungen, da auch bei eukaryontischen Zellen ihre Wirkung einsetzt.

Bakterielle Resistenz

Schon kurze Zeit, nachdem man in den Kliniken Antibiotika einsetzte (ca. 1945) entdeckte man resistente Staphylococcus aureus Stämme, also solche, die gegen Penicillin unempfindlich waren. Die Resistenz wuchs mit der steigenden Verabreichung von Antibiotika. Die Industrie erfand neue Antibiotika, kurze Zeit später fand man Stämme, die resistent dagegen waren. Als man 1980 in den USA Flouroquinolone einführte, wurden 95 % der bisher Methicillin-resistenten S. aureus -Stämme vernichtet. Nach einem Jahr berichteten die Gesundheitsämter, daß 80 % dieser Stämme resistent geworden seien. Heute sollen weltweit 95% aller S. aureus-Stämme resistent gegen Penicilline und andere Antibiotika sein.

Bisher sind in der Bundesrepublik Staphylococcus aureus-Stämme mit verminderter Empfindlichkeit oder
Resistenz gegen Glyokopeptide jedoch nicht aufgetreten.

RKI;6/97;
ttp://www.rki.de/PRESSE/TH_FR.HTM
)

Auch in der Tiermast verwendet man Antibiotika um die Tiere gesundzuhalten (Tetracycline, Penicilline, Neomycin, Flouroquinolone ). Hühnchen, die aus Eiern geschlüpft waren, fütterte man geringe Mengen Tetracycline. Nach 1-2 Tagen fand man Tetracyclin-resistente E. Coli-Bakterien in ihren Exkrementen.

Der Mensch nimmt z.B. glykopeptidresistente Enterokokken über kontaminierte Nahrungsmittel auf (Hackfleisch, Hühnchen, Puten)

Zwei der wichtigsten Antibiotika-resistenten Bakterien sind Methicillin-resistente S. aureus (MRSA) und Vancomycin-resistente Enterococci (VRE). Vancomycin ist oft der letzte Ausweg bei multiresistenten S. aureus, Pneumococcus und Enterococci. Doch auch hier haben sich schon resistente Stämme entwickelt, was in einigen Fällen zum Tod der Patienten geführt hat.

Vancomycin

ist ein Glycopeptid aus Streptomyces Orientalis. Es ist bakterizid und gegen die meisten Gram(+) Bakterien wie Streptococcen, Corynebacterien, Clostridien, Listeria, und Bacillus Species wirksam. Auch Staphylococcen, die ß-Lactamase produzierenden und Methicillin resistenten Species eingeschlosssen werden abgetötet. Resistenz-Mutanten sind selten, mit Ausnahme von Enterococcus faecalis (VRE). Vancomycin tötet Bakterien hauptsächlich durch Verhinderung der Zellwandsynthese. Dabei wird auch die Membran beschädigt und die RNA-Synthese gestört.

Die Resistenz kann verschiedene Ursachen haben:

Natürliche Resistenz:

  • Bakterien sind grundsätzlich gegen ein Antibiotika resistent, da sie ein Gen besitzen, das für die Resistenz gegen Ihr eigenes Antibiotikum verantwortlich ist.
  • Gram-negative Bakterien besitzen eine Außenmembran, die eine Barriere für das Eindringen von Antibiotikas darstellt.
  • Weiterhin kann dem Bakterium ein Transportsystem für das Antibiotikum fehlen oder der Stoffwechselweg gegen den das Antibiotikum wirken soll, fehlt.

Erworbene Resistenz

  • Bakterien werden durch das Wechselspiel von Mutation und Selektion resistent oder
  • durch Genaustausch von anderen Stämmen oder Individuen.

Normalerweise beträgt die Mutationsrate für die meisten bakteriellen Gene 10-8, d.h. unter 108 Zellen ist eine mit einem mutierten Gen. Eine solche Population entsteht in ca. 15 Minuten. Berücksichtigt man, daß z. B. bei einer Epidemie einer Infektionskrankheit die Gesamtzahl aller Bakterien >1030 liegt und gewichtet auch noch das exponentielle Anwachsen der Erdbevölkerung, ist klar, daß die Wahrscheinlichkeit für das Entstehen von resistenten Bakterien ständig steigt. Die Selektion im Darwinschen Sinn ist der Einsatz der Antibiotika, denn sie begünstigen die Entstehung eines resistenten Stamms durch Schaffung neuer Wachstums- und Nahrungsräume für diese Bakterien. Alle nichtresistenten Zellen werden ja abgetötet, was

Selektion = alle Faktoren der Umwelt, die auf ein Genom einwirken.

optimale Bedingungen für die resistenten Spezies schafft. Die Antibiotika-Aufnahme des Menschen wird indirekt durch die Verwendung von Antibiotika in der Tiermast und im Pflanzenanbau erhöht.

Verstärkt wird dieser Effekt noch dadurch, daß Resistenzgene durch 3 Mechanismen in nicht-resistente Zellen gelangen können: Transformation (1), Konjugation (2) und Transduktion (3) durch Phagen.

Bei der Transformation nehmen Bakterien Resistenzgene aus ihrer Umgebung auf, z.B. von toten resistenten Zellen. Durch Konjugation können Resistenzgene, die auf einem Plasmid sind in eine nicht-resistente Empfängerzelle übertragen werden. Phagen könne durch ihren Vermehrungszyklus auf resistenten Bakterien deren Resistenzgen mitnehmen und auf nichtresistente Zellen übertragen (Transduktion).

Die kombinierten Effekte der hohen Wachstumsraten, hohen Zellkonzentrationen, Mutation und Selektion und die Fähigkeit des Genaustauschs führen zu einer großen Adaptations- und Evolutionsrate bei den Bakterien.

Resistenzmechanismen

Bakterien benutzen verschiedene Techniken um sich gegen Antibiotika zu schützen.

  1. Sie verhindern die Anbindung an oder den Eintritt in die Zelle (z.B. bestimmte Stämme von P.aeruginosa).
  2. Sie produzieren ein Enzym, das das Antibiotikum inaktiviert (z.B ß-Lactamase Enzyme wie bei H. influenza und M. catarrhalis)
  3. Sie ändern den internen Bindungsort des Antibiotikums (z. B. Änderungen des Penicillin-bindenden Proteins bei S. pneumoniae).

Die Mechanismen sind in der Abbildung links dargestellt.

Gegen Penicilline oder Cephalosporine resistente Bakterien besitzen eine
  b -Lactamase oder Penicillinase , die das Antibiotikum spaltet ( siehe unten).

Einige bekannte Wirkmechanismen sind in der unteren Tabelle zusammengestellt.

Resistenzmechanismus

Antibiotikum

Antibiotikum-spaltende Enzyme

ß -Lactamase, Penicillinase

Ampicillin, Penicilline

Chloramphenicol Acetyltransferase

Chloramphenicol

Aminoglycosid Acetyltransferase und Aminoglycosid- Nucleotidyltransferase Aminoglycoside Phospotransferase

Aminoglycoside wie Gentamycin. Kanamycin, Streptomycin

Dihydrofolate Reductase

Trimethoprim

Mutationen

Mutationen am D-Alanin Transport- System

D-Cycloserin

Verhinderung der Bindung ans Ribosom; Verhinderung der Aufnahme

Kasugamycin

Mutationen in der DNA Gyrase verhindert die Bindung

Nalidixinsäure

Mutationen in der B- Untereinheit der RNA-Polymerase verhindert die Bindung

Rifampicin

Resistenzgen verhindert Spaltung der DNA

Zeocin

Genmutation verhindert Wirkung

Spectinomycin

Auswärtspumpen

eine aktive Membran-Pumpe befördert Tetracyclin nach außen

Tetracycline

Daten von ©1998 Teknova, Inc.

Zusammenfassung der Resistenzproblematik für den Menschen

Es gibt heute Tausende von natürlichen und synthetischen Antibiotika gegen allgemeine und spezifische Erreger. Die unkontrollierte Gabe von Antibiotika in den letzten 50 Jahren hat zu einer starken Resistenzentwicklung bei krankheitserregenden Bakterien geführt.
Da auch Antibiotika bei der Tierzucht in der Nahrungsmittelproduktion verwendet werden, steht der Mensch unter ständigem Antibiotikaeinfluß.

Dies ist wie die Manipulation der Atmosphäre durch Ozonkiller ein Eingriff in die evolutiven Prozesse bei Mikroorgansimen.

Deshalb müssen die Verabreichung von Antibiotika bei der Tiermast und der Therapie von Infektionskrankheiten sinnvoll eingeschränkt und unkontrollierter Einsatz in der Gentechnik unterbunden werden. Ansonsten hat der Mensch die Chancen der Kontrolle der Infektionskrankheiten durch Antibiotika verspielt und muß sich andere Möglichkeiten ausdenken.

Neueste synthetische Antibiotika (3/99)

Derzeit testet man neue synthetische Antibiotika wie Linezolid aus der Gruppe der Oxazolidinone gegen Gram-(+), multiresistente Bakterien. Man fand Wirkung in Fällen, wo selbst Vancomycin erfolglos war. Der Wirkungsmechanismus ist noch nicht genau geklärt. Linezolid blockt die Proteinsynthese gleich zu Beginn in der Initiation an der ribosomalen 50s-Einheit.

Weiterführende Quellen:

Penicillin

http://www.cellsalive.com/pen.htm

Wirkung von Antibiotika

http://gsbs.utmb.edu/microbook/ch011.htm
http://www.cat.cc.md.us/courses/bio141/labmanua/lab21/l21index.html

Antibakterielle Agenzien

http://www.leeds.ac.uk/mbiology/ug/med/kill.html

Chemotherapie

http://www.vet.purdue.edu/bms/courses/bms445/chmrx/index.htm

Resistenz

http://www.vet.purdue.edu/bms/courses/bms445/chmrx/index.htm

http://www.healthsci.tufts.edu/apua/apua.html

Mutation

http://www.brooklyn.cuny.edu/bc/ahp/BioInfo/SD.Mut.HP.html

Pilze

http://www.vet.purdue.edu/bms/courses/bms445/chmrx/index.htm

Antibiotika

http://www.dentaldigest.com/prescrip/bacter.html
http://www.rrz.uni-hamburg.de/biologie/ialb/lehre/mikro/inhalt.htm

Antibiotika bei Tieren

http://www.foodsafety.unl.edu/foodsafety/index2.htm

Resistenzgene in Pflanzen

http://www.novartis.de/novartis/html/d/genforum/genforum.htm
http://www.netlink.de/gen/Zeitung/1998/981006.htm

Resistenzgene in der Tiermast

http://www3.bdaserver.de/stachel/98.03/3antibio.html

Robert-Koch-Institut

http://www.rki.de/

Infektionen

http://www.infektionen.com/Begriff.htm