Grundlagen der Bakteriologie

Bakterien (von griech. bakterion = "Stäbchen") sind kleine, einzellige Lebewesen, die sich von tierischen oder pflanzlichen Lebewesen vor allem durch das Fehlen eines Zellkerns unterscheiden und daher unter dem Namen Prokaryoten (von griech. karyotos = "kernartig") zusammengefasst werden. Die erste Erwähnung der Bakterien erfolgte im 17. Jahrhundert durch den niederländischen Tuchhändler Antoni van Leeuwenhoek. Mithilfe selbstentwickelter Mikroskope beschrieb Leeuwenhoek damals unbewusst Bakterien und legte so den Grundstein für die moderne Bakteriologie. Bis heute ist die Mikroskopie eine wichtige Methode in der Diagnostik von Bakterien und wird in der Regel mit Färbemethoden wie der Gramfärbung kombiniert. Daneben haben vor allem die kulturelle Anzucht sowie die genetische Analyse den größten Stellenwert in der bakteriologischen Diagnostik. Neben obligat pathogenen Bakterien (wie z.B. Salmonellen) gibt es auch solche, die nur selten Krankheiten auslösen oder sogar in Form einer Symbiose mit dem Menschen zusammenleben.

In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Bakteriologie wie Vorkommen, Diagnostik und Genetik besprochen. Eine Übersicht der wichtigsten Bakterienarten liefert das Kapitel "Systematik der Bakterien".

• Der Mensch ist physiologischerweise von Bakterien besiedelt
  • Residente Flora: Dauerhaft anzutreffende Arten wie z.B. Staphylococcus epidermidis auf der Haut oder Escherichia coli im Darm. Die residente Flora ist physiologisch und hat keinen Krankheitswert.
  • Transiente Flora: Vorübergehend vorkommende Arten wie z.B. β-hämolysierende Streptokokken im Bereich des Rachens.
• Unter der Vielzahl an Bakterien kommen insgesamt nur wenige als Krankheitserreger in Frage, unterschieden werden:
  • Fakultativ pathogene Krankheitserreger wie beispielsweise Escherichia coli
  • Obligat pathogene Krankheitserreger wie beispielsweise Salmonellen

Bakterienzellen unterscheiden sich in ihrem Aufbau von tierischen Zellen durch mehrere Besonderheiten, eine grundsätzliche Einteilung erfolgt anhand des Zellkerns. Lebewesen, in deren Zellen Zellkerne vorhanden sind, werden Eukaryoten genannt. Bei Lebewesen ohne Zellkerne handelt es sich um Prokaryoten. Die Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zusammen.

Bakterien haben zwar grundsätzlich einen ähnlichen Aufbau, unterscheiden sich jedoch in mehreren Merkmalen stark.

• Zellwandaufbau
  • In Abhängigkeit vom jeweiligen Zellwandaufbau zeigen sich verschiedene Verhaltensweisen in der Gramfärbung
    • Grampositive Bakterien: Dicke Mureinschicht, blaue Anfärbung
    • Gramnegative Bakterien: Dünne Mureinschicht, rote Anfärbung
    • Daneben gibt es Bakterien ohne Zellwand und solche mit untypischem Gramverhalten
• Form
  • Stäbchen
  • Kugelförmige (Kokken) → Neigen zu unterschiedlichen Anordnungen im mikrokopischen Bild und werden entsprechend eingeteilt.
    • Staphylokokken (Haufenkokken) → Ihre Anordnung erinnert an Weintrauben
    • Streptokokken (Kettenkokken) → Sind meist in Ketten angeordnet
    • Diplokokken → Sind meist paarweise angeordnet
  • Eine Mischform, bei der das Bakterium sowohl kugel- als auch stäbchenförmige Anteile zeigt (kokkoide Stäbchen)
• Weitere Unterscheidungskriterien: Pathogenitätsfaktoren, Verhalten in Bakterienkultur, Biochemie und Serologie

Die Erbinformation der Bakterien liegt frei im Zytoplasma und wird als Chromosomenäquivalent bezeichnet. Zusätzlich finden sich häufig extrachromosomale Ringe, sogenannte Plasmide, die für weitere Eigenschaften wie beispielsweise Resistenzen gegen Antibiotika kodieren. Die Vermehrung der Bakterien erfolgt über Zweiteilung, eine Meiose findet nicht statt.

Genetische Variabilität der Bakterien

Der genetischen Variabilität liegen intra- und interzelluläre Mechanismen zugrunde.

• Intrazelluläre Mechanismen
  • Hohe Mutationsrate
  • Homologe Rekombination
  • Transposition
• Interzelluläre Mechanismen
  • Konjugation: Weitergabe von Plasmiden zwischen Bakterien
  • Transduktion: Verbreitung von genetischen Informationen durch Infektion eines Bakteriums mit einem Bakteriophagen
  • Transformation: Aufnahme freier DNA durch die Zellwand

Pathogenitätsfaktoren umfassen Eigenschaften von Bakterien, die für die Krankheitsentwicklung wichtig sind. Je mehr Pathogenitätsfaktoren eine Bakterienart auf sich vereint, desto komplizierter können die Krankheitsverläufe sein.

• Toxine
  • Exotoxine werden von Bakterien produziert und sezerniert
    • Enterotoxine (z.B. Choleratoxin)
    • Neurotoxine (z.B. Botulinumtoxin)
  • Endotoxine
• Kapsel
  • Nachweisverfahren: Mikroskopisch meist nach Anfärbung mit Tusche nachweisbar
  • CAVE: Bei Patienten nach Splenektomie besteht bei Infektion mit kapseltragenden Bakterien die Gefahr der OPSI!
• Spezielle Enzymausstattungen
  • Koagulase → Führt zu einer Bildung von Fibrinogen und Fibrin, durch die sich das Bakterium mit einem "Schutzwall" gegen die Immunabwehr abgrenzen kann. Produziert wird Koagulase z.B. von Staphylococcus aureus
• Begeißelung: Fadenförmige Organellen, die der Fortbewegung des Bakteriums dienen
  • Peritrich: Geißeln rund um das Bakterium (z.B. Escherichia coli)
  • Lophotrich: Mehrere Geißeln an einem Pol (z.B. Pseudomonaden)
  • Polar: Eine Geißel an einem der Bakterienpole (z.B. Vibrio cholerae)
• Sporenbildner können sehr widerstandsfähige Dauerformen, die sog. Sporen, ausbilden (z.B. Clostridien)
• Antibiotikaresistenzen → Nosokomiale Infektionen sind häufig auf Keime mit ausgeprägten Resistenzen zurückzuführen
  • Bakterien können verschiedene Resistenzmechanismen gegen Antibiotika entwickeln oder aufweisen, Beispiele sind:
    • β-Lactamase
    • Modifizierung der Penicillin-Bindeproteine (PBP; z.B. bei MRSA)
    • Ausbildung bzw. Überexprimierung von Effluxpumpen

Präanalytische Phase

• Materialgewinnung
  • Gewinnung des Materials vor dem Einsatz von Antibiotika
  • Möglichst von der Stelle des infektiösen Geschehens (z.B. Wundabstriche)
  • Ist eine direkte Gewinnung nicht möglich, kann Material untersucht werden, in das die Erreger durch Aussaat gelangt sind (z.B. Blutkulturen im Rahmen einer Endokarditis)
  • Wichtig ist die Vermeidung einer sekundären Kontamination durch die Standortflora
• Transport
  • Gründliche Dokumentation und Beschriftung, um eindeutige Identität der Probe sicherzustellen
  • Materialien mit empfindlichen Erregern (z.B. Meningitis- und Pneumonieerreger) sollten bei ca 20 °C schnellstens ins Labor transportiert werden
  • Materialien mit anspruchslosen Erregern sollten bei 4-8 °C gekühlt transportiert werden, um eine übermäßige Vermehrung zu verhindern

Analytische Phase

Mikroskopie

In der Mikroskopie kann eine direkte Untersuchung des Probematerials erfolgen. Beurteilt werden:

• Größe, Form, Beweglichkeit und Lagerung von Mikroorganismen (auch ohne Färbung möglich, bspw. im „hängenden Tropfen“ )
• Färbeverhalten (z.B. Gramfärbung oder Ziehl-Neelsen)
• Weitere Merkmale (wie bspw. Kapsel- oder Sporenbildung)

Exkurs Gramfärbung : Die Gramfärbung wurde schon 1884 von dem dänischen Pathologen Christian Gram entwickelt und macht sich die unterschiedliche Mureinkonzentration der bakteriellen Zellwände zu Nutze. Die erste Färbung erfolgt in zwei Schritten mit Kristallviolett und Lugol-Lösung sowie einer Spülung mittels Alkohol. Bei Bakterien mit einer dicken Mureinschicht lässt sich der Farbstoff durch den Alkohol nicht auswaschen, sie stellen sich daher unter dem Mikroskop blau dar (= Grampositiv). Bei einer dünnen Mureinschicht wird der Farbstoff ausgewaschen, sodass es wieder zu einer kompletten Entfärbung kommt. Um im Anschluss auch die gramnegativen Bakterien darzustellen, wird das Präparat in einem weiteren Schritt mit Fuchsin gefärbt. Grampositive Bakterien behalten weiterhin die blaue Farbe aus den ersten Schritten, während sich die gramnegativen Bakterien nun rot darstellen.

Bakterienkultur

Zur Anzüchtung von Bakterien werden Selektiv- und Anreicherungsnährböden mit dem Untersuchungsmaterial beimpft. Bei Ersteren wird versucht, den gewünschten Erreger aus einem keimreichen Material zu isolieren, die Anreicherungsnährböden dienen der optimalen Kultivierung des gewünschten Bakteriums. Je nach Verhalten in der Kultur ist die Identifizierung unterschiedlicher Bakterien möglich.

• Viele Bakterien stellen spezielle Anforderungen an die kulturelle Anzucht, diese Anforderungen richten sich z.B. an:
  • Stoffe im Nährboden (z.B. Blutbestandteile für das Wachstum von Haemophilus influenzae)
  • Die Umgebungstemperatur (z.B. Kälteanreicherung bei Yersinien )
  • Die Sauerstoffkonzentration in der Luft, die die Kultur umgibt. Unterschieden werden dabei:
    • Aerobier: Gutes Wachstum bei normaler Sauerstoffkonzentration der Luft
    • Anaerobier: Wachstum nur unter Ausschluss von Sauerstoff
    • Mikroaerophile: Wachstum selbst deutlich unterhalb der normalen Sauerstoffkonzentration der Luft (z.B. Helicobacter pylori)
• Morphologie
  • Größe, Form und Geruch (z.B. zeigt Pseudomonas aeruginosa einen typischen süßlichen Geruch)
  • Hämolyse (z.B. dient der unterschiedliche Abbau von Hämoglobin der Unterscheidung von Streptokokken)
    • α-Hämolyse: Das im Agar befindliche Hämoglobin wird nur partiell zu einem grünlichen Zwischenprodukt (biliverdinähnliche Substanz) abgebaut (vergrünende Hämolyse)
    • β-Hämolyse: Vollständiger Abbau des Hämoglobins mit durchscheinendem Hof um Bakterienkolonie
    • γ-Hämolyse: Keine Hämolyse
• Biochemische Eigenschaften
  • Unterschiedliche Enzymausstattungen (z.B. Nachweis der Koagulase) geben einen Hinweis auf das vorliegende Bakterium
  • Stoffwechselleistungen werden auf unterschiedlichen Nährböden untersucht
• Resistenztestung auf Antibiotika
  • Es können natürliche Resistenzen nachgewiesen werden (z.B. Enterokokkenlücke der Cephalosporine)
  • Es kann ein Antibiogramm erstellt werden, um eine zielgerichtete Therapie zu ermöglichen

Molekularbiologie und Serologie

• Handelt es sich um schlecht kultivierbare Erreger, kommen immer häufiger Methoden der Molekularbiologie zum Einsatz (z.B. PCR, FISH)
• Wenn Infektionen schon länger Bestehen, eignen sich oft auch indirekte serologische Maßnahmen
  • Qualitativer Antikörpernachweis
  • Titerverlauf
  • Nachweis spezifischer Reaktionen von T-Lymphozyten, z.B. Interferon-γ-Test
• Werden durch ein Bakterium Toxine hergestellt, können diese im Tierversuch nachgewiesen werden

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  • Studientelegramm 241-2022-1/3:Die stille Epidemie bekämpfen: Diagnostic Stewardship

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Bakterien

Bakterien – Teil 1: Grundlagen

Bakterien – Teil 2: Systematik und Virulenzfaktoren

Bakterien – Teil 3: Vermehrung und Genetik

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