Berlin, 7. Mai 2021. Durch den EHEC-Ausbruch vor zehn Jahren erkrankten im Frühsommer 2011 mehr als 3.800 Menschen zum Teil schwer. 53 Menschen starben, weil sie sich mit dem besonders aggressiven Stamm O104:H4 des Darmbakteriums E. coli infiziert hatten. Dazu erklärt Andreas Winkler von der Verbraucherorganisation foodwatch:
Gegen sogenannte extrem resistente Bakterien sind fast alle bekannten Antibiotika wirkungslos. Die Anzahl an Todesfällen, die sich auf eine Infektion mit solchen Erregern zurückführen lassen, hat sich zwischen 2007 und 2015 in Europa mehr als versechsfacht. Wie sich diese Bakterien verbreiten, beschreibt eine internationale Forschergruppe um Wissenschaftler des Universitätsklinikums Freiburg in in einer Studie, die am 29. Juli 2019 in der Fachzeitschrift Nature Microbiology erschienen ist. Demnach leisten Krankenhäuser und die Verlegung von Patienten den entscheidenden Beitrag zur Verbreitung der Erreger. Nur eine geringe Rolle spielen Übertragungen in der Allgemeinbevölkerung, aus der Umwelt, der Landwirtschaft und über Lebensmittel.
Je näher die Krankenhäuser, desto ähnlicher die Erreger
Die Verbreitungswege extrem resistenter Bakterien ließen sich anhand detaillierter genetischer Analysen nachvollziehen. Sechs Monate lang wurden in 455 Krankenhäusern in 36 europäischen Ländern Proben gesammelt. Auf Grundlage dieser repräsentativen Erreger-Stichprobe sequenzierten die Forscher die gesamte genetische Information von fast 2.000 Bakterien der Spezies Klebsiella pneumoniae. „Die genetischen Unterschiede zwischen extrem resistenten Isolaten nahmen zu, je größer die Entfernung zwischen den Krankenhäusern war“, sagt Prof. Dr. Hajo Grundmann, Leiter des Instituts für Infektionsprävention und Krankenhaushygiene des Universitätsklinikums Freiburg und Letztautor der Studie. Hingegen stammte die Mehrzahl der genetisch ähnlichsten Isolate von Patienten, die innerhalb des Beobachtungszeitraums im selben Krankenhaus behandelt wurden. „Unsere Beobachtungen sprechen dafür, dass sich extrem resistente Bakterien vor allem innerhalb einzelner Krankenhäuser sowie bei der Verlegung von Patienten zwischen geografisch naheliegenden Krankenhäusern verbreiten“, erläutert Grundmann.
Gute Krankenhaushygiene kann die Verbreitung von Erregern kontrollieren
Über Landesgrenzen hinweg verbreiten sich die Erreger hingegen nur sporadisch. Dennoch hatten einzelne internationale Übertragungen landesweite Ausbrüche zur Folge. „Es ist extrem wichtig, Patienten bei der Aufnahme nach früheren Krankenhausaufenthalten im In- und Ausland zu fragen“, hält Grundmann fest. Mit solchen Befragungen können Risikopatienten erfasst, frühzeitig diagnostiziert und nötigenfalls isoliert werden, um einer Weiterverbreitung von Erregern vorzubeugen. Die Befragung wird als unabdingbarer Teil der klinischen und hygienisch guten Praxis ausdrücklich vom Robert Koch-Institut empfohlen. „Wir sind optimistisch, dass wir mit guter Krankenhaushygiene die Verbreitung dieser Erreger nicht nur verzögern, sondern auch erfolgreich kontrollieren können“, sagt Grundmann.
Original-Titel der Studie: ‚Epidemic of carbapenem-resistant Klebsiella pneumoniae in Europe is driven by nosocomial spread‘
DOI: 10.1038/s41564-019-0492-8
Link zur Studie: https://www.nature.com/articles/s41564-019-0492-8
Aufnahme mit dem Rasterelektronenmikroskop: E. coli-Bakterien versuchen an einer nanostrukturierten Modelloberfläche anzudocken. (Abb.: Patrick Doll, KIT)
KIT/IMT Nanopillar E.coli
Gefäßerweiternde Stents, „Labs-on-Chip“ für Analysen auf kleinster Fläche, 3-D-Zellkultursysteme für die Geweberekonstruktion: Mikrotechnik wird für die Medizintechnik immer wichtiger. Auch in der Implantologie öffnet sie neue Potenziale. Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben gemeinsam mit Experten für Zahnimplantate eine nanostrukturierte Oberfläche entwickelt, welche die Wundheilung nach der Implantation künftig beschleunigen und besser gegen den Einfall von Bakterien schützen kann.
„Mikrotechnik kann Zahnimplantate nachhaltig verbessern“, sagen Professor Andreas Guber und Dr. Ralf Ahrens, die am Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT die Forschungsgruppe „Biomedizinische Mikrotechnik“ (BioMEMS) leiten. Moderne Zahnimplantate bestehen aus einer Titan-Schraube, die als Wurzelersatz in den Kieferknochen eingebracht wird, einem damit verbundenen „Stützpfeiler“ – auch „Abutment“ genannt – aus Titan für den Zahnersatz und der sichtbaren Zahnkrone. Titan ist das Material der Wahl. Es ist biokompatibel und sorgt für ein gutes Einwachsen der Schraube in den Knochen, die so genannte Osseointegration. Optimierungen von Zahnimplantaten fokussierten sich bislang vor allem auf die Titanoberfläche der Schraube, um diesen Prozess weiter zu verbessern. Problematisch ist aber, dass Zahnimplantate sich auch nach erfolgreicher Osseointegration entzünden können.
Haupteinfallstor für Bakterien ist das Abutment. An diesem Implantteil wächst das Zahnfleisch häufig nicht richtig an. Dadurch können sich Taschen bilden, über die Bakterien bis zum Kieferknochen gelangen und dort Entzündungen hervorrufen können. In diesem Fall bleibt in der Regel nur die Entfernung des gesamten Implantats. Diese potentielle Problemstelle will das BioMEMS-Team schließen. Die Forschungen basieren auf einer beim Implantat-Spezialisten „Abutments4life“ entwickelten Optimierung: Kaum haarbreite Rillen umlaufen das Abutment und steuern die für die Wundheilung zuständigen Zellen gezielt in die richtige Richtung. So kann die Wunde schneller verheilen. „An diesem System setzen wir an“, berichtet Patrick Doll, Wissenschaftler am IMT. Bei der Weiterentwicklung stehen zwei Dinge im Fokus. Zum einen eine präzisere Strukturierung der Rillen für eine noch genauere Steuerung der Zellen und zum anderen die Suche nach der optimalen Nanooberfläche, die den Bakterien möglichst wenige Chancen zum Andocken bietet.
Mit dem Elektronenstrahlschreiber hat Doll säulenförmige Strukturen mit einem Durchmesser von 100 Nanometern und einer Höhe von 500 Nanometern hergestellt, hieran Adhäsionsexperimente mit typischen Testkeimen wie S. Aureus, E coli oder P. aeruginosa durchgeführt und die Strukturen dabei immer wieder verändert. Dabei zeigte sich: Abhängig von Abstand und Anordnung der Säulen reduziert sich die Anhaftung der Bakterien und die Bildung eines Biofilmes verzögert sich. Den nachwachsenden Zellen bleibt dadurch mehr Zeit, um die Wunde zu verschließen – ein Effekt, den ansonsten nur Antibiotika erzielen.
„Wir glauben, dass unser struktureller Ansatz zukunftsweisend ist“, betont Doll. Die Herstellung der Nano-Strukturen gelingt auf Silizium-Basis fehlerfrei und reproduzierbar. Verfahren für die Übertragung auf Titan haben die Wissenschaftler im Zuge des Projektes ebenfalls entwickelt. Nach der ersten Forschungsphase im Labor soll in Kürze die präklinische Erprobung folgen. Anwendungspotenziale über die Zahnmedizin hinaus sehen die Experten unter anderem bei Knochenplatten, Hörimplantaten oder künstlichen Gelenken.
Das Projekt wurde gefördert vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi). Partner des IMT war der Implantat-Hersteller „Abutments4Life“. Die biologischen Untersuchungen wurden an der Klinik für Zahnerhaltungskunde und Parodontologie des Universitätsklinikums Freiburg durchgeführt.
Der Aufwand, den Bakterien für die Abwehr von Fressfeinden betreiben, ist so hoch, dass sie kaum noch in Nachkommen investieren können
Das räuberische Wimperntierchen Tetrahymena thermophila ernährt sich von Bakterien.
© L. Becks
Auch Bakterien haben Feinde – im Wasser ernähren sich zum Beispiel einzellige Wimperntierchen, die sogenannten Ciliaten, mit Vorliebe von den Mikroben. Diese schützen sich mit diversen Tricks vor den Räubern, welche die Ciliaten wiederum auszuhebeln versuchen. So entsteht ein evolutionärer Wettlauf um die besten Verteidigungs- und Angriffswaffen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Evolutionsbiologie in Plön zufolge bleibt Beutetieren wie den Bakterien langfristig nichts Anderes übrig, als die Schutzmechanismen aufrechtzuerhalten, selbst wenn der Aufwand dafür so hoch ist, dass sie kaum noch Nachkommen produzieren können.
Räuber und ihre Beute pflegen eine enge Beziehung zueinander: Verändert sich der eine, muss der andere dagegenhalten. Durch eine solche Koevolution und den damit einhergehenden Selektionsdruck kommt es zu einer wechselseitigen Anpassung der Arten.
Die Plöner Forscher um Lutz Becks haben in ihren Experimenten Bakterien und Wimperntierchen für viele Wochen zusammen gehalten und ihre Entwicklung verfolgt. Dabei haben sie beobachtet, dass sich die Mikroben vor der Gefräßigkeit der Ciliaten schützen, indem die normalerweise einzeln lebenden Bakterienzellen nach wenigen Tagen beginnen, in größeren Verbänden als schleimiger „Biofilm“ zu wachsen. So können sie von den Ciliaten nicht mehr so effektiv gefressen werden.
Solange die Wissenschaftler in ihren Versuchen und Computersimulationen nur den Bakterien Veränderungen erlaubten, konnten diese sich gut vor dem Gefressen werden schützen – und das mit überschaubarem Aufwand. Doch sobald sich auch die Wimperntierchen verändern durften, kam den Bakterien der Schutz teuer zu stehen: Sie produzierten dann nur noch wenige Nachkommen. „Die Feindabwehr ist also sehr kostspielig, denn je besser sich die Bakterien wappnen, umso schlechter vermehren sie sich“, sagt Becks.
Die Bakterien schaffen es demnach nicht, beides zugleich zu optimieren – ein typischer Fall eines evolutionären Kompromisses. Wie genau der Kompromiss ausfällt, hängt aber davon ab, ob sich der Räuber an die Abwehrmaßnahmen der Beute anpassen kann. Wenn ja, wird die Verteidigung für die Beute immer kostspieliger und für die Vermehrung bleibt kaum noch etwas übrig. Kann sich der Räuber dagegen nicht anpassen, muss sich die Beute weniger aufwendig zur Wehr setzen und kann mehr in die Nachkommenschaft investieren“, erklärt Becks.
Die Forscher haben außerdem gezeigt, dass bei einem dynamischen Kompromiss die Vielfalt der Räuber abnimmt. Die Wimperntierchen entwickeln folglich weniger unterschiedliche Typen, um sich an Verbände und Biofilme der Bakterien anzupassen. „Das ist für die Beute natürlich günstig und könnte den Druck auf die Bakterien verringern“, so Becks.
Die Studie zeigt, dass mehr Vielfalt in der Beute überraschenderweise nicht immer mehr Vielfalt bei den Räubern bedeutet. Lutz Becks: „Entscheidend ist der Kosten und Nutzen von Merkmalen für die Beute und den Räuber. Wie unsere Experimente zeigen, können sich diese verschieben, je nachdem, ob die Räuber Zeit hatten, sich anzupassen oder nicht.“
In Deutschland werden zunehmend Blatt- und Grasprodukte verzehrt. Diese können mit verschiedenen Krankheitserregern belastet sein. Deshalb veröffentlicht das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) jetzt eine ausführliche Stellungnahme zur Belastung von Blatt- und Grasprodukten mit Bakterien, die beim Menschen Erkrankungen verursachen können. „Salate, Blattgemüse, Kräuter, Tees und grüne Smoothies werden von den meisten Menschen als rundum gesunde Nahrungsmittel wahrgenommen“, sagt BfR-Präsident Professor Dr. Dr. Andreas Hensel. „Umso wichtiger ist es darauf hinzuweisen, dass auch bei diesen Lebensmitteln Hygienemaßnahmen notwendig sind. Unabhängig davon ist eine ausgewogene Ernährung mit viel Obst und Gemüse tatsächlich die beste Ernährungsstrategie.“ Zu den vom BfR bewerteten Produkten gehören frische Blattgemüse einschließlich Blattsalate und Kräuter, getrocknete Blatt- und Grasprodukte wie Nahrungsergänzungsmittel, getrocknete Kräuter und Teeblätter sowie grüne Smoothies.
Blattsalate und frische Kräuter werden in Deutschland fast von der gesamten Bevölkerung sehr häufig verzehrt. Tee wird häufiger von Frauen als von Männern getrunken, der Teekonsum steigt mit zunehmendem Alter an. Bakterielle Krankheitserreger, die in Gras- und Blattprodukten vorkommen können, sind u. a. Salmonellen, Campylobacter, Yersinien, Listerien und EHEC.
Bisher gibt es in Deutschland nur wenige belegte Fälle bakterieller Lebensmittelinfektionen durch den Verzehr von Gras- oder Blattprodukten. Dennoch spricht das BfR zum Schutz der Verbraucherinnen und Verbraucher die nachfolgenden allgemeinen Empfehlungen zur Risikominimierung aus:
Über das BfR
Das Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) ist eine wissenschaftliche Einrichtung im Geschäftsbereich des Bundesministeriums für Ernährung und Landwirtschaft (BMEL). Es berät die Bundesregierung und die Bundesländer zu Fragen der Lebensmittel-, Chemikalien- und Produktsicherheit. Das BfR betreibt eigene Forschung zu Themen, die in engem Zusammenhang mit seinen Bewertungsaufgaben stehen.