Etwa 1,3 Millionen Menschen starben 2019 weltweit durch resistente Bakterien. Jeder 43. Mensch weltweit stirbt, weil eine Infektion mit einem (multi)resistenten Bakterium nicht behandelt werden kann.
Diese erschreckenden Zahlen gingen Anfang dieses Jahres wie ein Lauffeuer durch die Nachrichten. Die im wissenschaftlichen Magazin Lancet veröffentlichte Studie untersuchte Veröffentlichungen zu diesem Thema im Jahr 2019 sowie die Daten von Krankenhaus- und Gesundheitsüberwachungssystemen. Anhand dieser Daten schätzten sie die Todeszahlen derer ab, die durch resistente Keime starben.
Aber, was sind Antibiotika eigentlich und wie kann es dazu kommen, dass Menschen an Bakterien sterben, die resistent gegen Antibiotika sind? Gibt es Alternativen zu Antibiotika, obwohl diese die Standardtherapie bei bakteriellen Infektionen sind?
Um genau diese Fragen soll es in diesem Blogbeitrag gehen.
Antibiotika sind natürlich vorkommende Substanzen
Wie oft hast du in deinem Leben bereits Antibiotika genommen und somit eine Bakterieninfektion erfolgreich bekämpft?
Heutzutage sind Antibiotika für uns normal und häufig denken wir gar nicht viel darüber nach. Dabei war die Erleichterung Anfang des 20. Jahrhunderts groß, als Antibiotika (zufällig) entdeckt und für die Behandlung von Bakterieninfektionen verwendet werden konnten.
Bis dahin waren nämlich (bakterielle) Infektionskrankheiten, wie etwa Tuberkulose oder Lungenentzündungen, für die Hälfte der Todesfälle verantwortlich.
Antibiotika, das sind natürlich vorkommenden Substanzen, die gegen Mikroorganismen wirken. In der Natur werden sie durch viele Bakterien und Pilze produziert und sollen sie selbst vor anderen Mikroorganismen schützen. Dadurch haben sie einen Wettbewerbsvorteil und im Zweifelsfall die Nährstoffe für sich allein.
Heutzutage werden Antibiotika entweder vollständig künstlich im Labor hergestellt oder bereits bekannte Stoffe werden modifiziert, um die Wirkung zu verbessern. Viele Antibiotika werden nach wie vor durch Bakterien und Pilze in großen Bioreaktoren produziert.
Wir finden Antibiotika also sonst auch überall um uns herum in der Natur!
Der Durchbruch der Antibiotika
Bereits vor über 2.000 Jahren nutzten die alten Chinesen, Griechen und Ägypter Pilze und Pflanzen, um Krankheiten zu bekämpfen. Sie entdeckten, dass sie mit den Pflanzen Krankheiten wie Pickel, Eiterbeulen oder ähnliche Krankheiten lindern oder gar heilen konnten. Die genauen Substanzen dahinter kannten sie nicht.
Dieses Wissen wurde jahrhundertelang weitergegeben und erweitert. Im Mittelalter etwa wurden besonders heilkundige Frauen oft als Hexen bezichtigt und bestraft.
Das erste, natürliche Antibiotikum
Erst in den 1920er Jahren entdeckte der schottische Wissenschaftler Alexander Fleming durch Zufall, dass Schimmelpilze einen Stoff produzieren, der das Wachstum von Bakterien hemmen kann. Fleming forschte an Staphylokokken. Als genialer Forscher, aber etwas unordentlicher Wissenschaftler im Labor waren seine Agarplatten mit Staphylokokken verunreinigt.
Als er nach ein paar freien Tagen in sein Labor zurückkehrte, fiel ihm auf, dass Schimmelpilze auf seinen Agarplatten wuchsen. Beim genaueren Betrachten fiel ihm auf, dass sich um den Pilz herum ein Ring gebildet hatte, in dem keine Bakterien wuchsen.
Er untersuchte die Substanz genauer, die durch den Pilz Penicillium gebildet wurde. Die entdeckte Substanz, die grampositive Bakterien abtötet, nannte er Penicillin. Tragischerweise kam bereits ein Wissenschaftler in den 1890er Jahren mit diesem Stoff in Berührung, doch seine Forschung fand keine Beachtung.
Fleming und Penicillin stellen den (letztendlichen) Startschuss für die Ära der Antibiotika dar
Die Entdeckung von Penicillin befeuerte die Forschung an Antibiotika. Bereits Ende der 1940er Jahre wurden viele weitere Antibiotika entdeckt. Penicillin selbst war kurz nach dem Zweiten Weltkrieg für die Ärzte zugänglich, nachdem während des Krieges die Produktion von Penicillin entschieden vorangetrieben wurde.
Auch vor Fleming gab es Wissenschaftler und Ärzte, die fieberhaft nach Mitteln suchten, um Bakterieninfektionen zu bekämpfen. So stellte der deutsche Mediziner Paul Ehrlich das arsenhaltigen Medikament Salvarsan vor, das zur Behandlung von Treponema pallidum, dem Erreger der Syphilis, genutzt werden konnte. Eine wichtige Errungenschaft zu dieser Zeit, die in allen Zeitungen gefeiert wurde.
Wie Antibiotika wirken – verschiedene Angriffsorte und Klassen
Kannst du dich noch an den Aufbau der Bakterien erinnern? Wenn nicht, dann schau schnell nochmal hier vorbei. Denn dieser Bakterienaufbau ist wichtig, damit du die verschiedenen Antibiotika besser einordnen kannst.
Antibiotika greifen an verschiedenen Stellen der Bakterien an
Denn es gibt nicht “das Eine” Antibiotikum. Vielmehr gibt es eine Vielzahl von ihnen, die an unterschiedlichen Stellen am und im Bakterium angreifen können. Dazu zählen u.a.
- die Zellwand und deren Synthese – hier greifen Penicilline (Mandelentzündung, Scharlach) und Cephalosporine (Atemwegsinfektion) an
- die Zytoplasmamembran – Polymyxine (Infektionen mit Pseudomonas aeruginosa) und Daptomycin (Breitbandantibiotikum)
- die DNA – Ciprofloxacin zur Behandlung von Harnwegsinfektionen
- verschiedene Stellen des Herstellungsapparates für Proteine – Chloramphenicol (Pest-Meningitis; wird heute nur noch in Ausnahmefällen verwendet), Tetrazykline (Chlamydien, Syphilis, Borreliose) oder Gentamicin (Streptokokken-Endokarditis)
Nicht jedes Antibiotikum wirkt bei jedem Bakterium gleich gut. Der unterschiedliche Zellwandaufbau bei grampositiven und gramnegativen Bakterien etwa bewirkt, dass Zellwand angreifende Antibiotika bei gramnegativen Bakterien kaum Wirkung zeigen.
Antibiotika werden natürlich oder künstlich hergestellt
Eine weitere Art, Antibiotika zu unterscheiden, ist die Herstellungsart. Im Labor können Bakterien und Pilze dazu genutzt werden, dass sie den gewünschten Stoff herstellen. Durch optimale Wachstumsbedingungen und in einem großen Produktionsmaßstab kann fortlaufend der gewünschte Stoff hergestellt werden.
Natürlich erfolgt nach der Produktion eine aufwendige Reinigung, damit am Ende des Tages auch nur der gewünschte Stoff in den Tabletten landet.
Solche, durch Bakterien und Pilze produzierte Antibiotika, sind etwa Chloramphenicol, Makrolide oder Tetrazykline (Bakterien) oder Penicilline und Cephalosporine (Pilze).
Eine zweite Möglichkeit zur Herstellung ist die synthetische Produktion. Dazu werden bestimmte Chemikalien in geeigneter Weise zusammen gegeben, und durch chemische Reaktionen kann die Molekülstruktur des gewünschten Antibiotikums künstlich und genau hergestellt werden. Für mich als Mikrobiologin grenzt das ja immer an ein Wunder, wenn Chemiker präzise verschiedenste Substanzen herstellen können.
Beispiele für synthetisch hergestellte Mittel sind Chinolone (Ciprofloxacin) und Sulfonamide.
Weitere Einteilungen
Die zig verschiedenen Antibiotika können auch nach ihrer Molekülstruktur sortiert und gruppiert werden. Dazu würden dann Gruppen wie Makrozyklische Laktone (Erythromycin) oder Chinone (Tetrazyklin) zählen, die besondere Elemente in ihrer chemischen Struktur aufweisen. Aber ganz ehrlich: Die Strukturen und die Wirkungsweisen sind interessant, könnten dich aber vermutlich langweilen oder abschrecken, je nachdem wie groß dein chemisches Verständnis ist (ich würde dann zur gelangweilten Fraktion gehören 😉 ).
Es gibt Antibiotika, die eine Vielzahl an Bakterien abtöten können, also zum Beispiel alle grampositiven Bakterien oder grampositive und -negative Bakterien zusammen. Diese werden dann Breitbandantibiotikum genannt. Oft werden sie eingesetzt, wenn ein lebensbedrohlicher Zustand durch eine Bakterieninfektion vorliegt und schnell gehandelt werden muss. Das kann der Fall sein, wenn Bakterien in die Blutbahn gelangen.
Das Gegenteil dazu wären Antibiotika, die auf ganz bestimmte Bakterien wirken und alle anderen Bakterien drumherum (also zum Beispiel die guten Kerle) in Ruhe lassen. Diese werden Schmalspektrum-Antibiotika genannt.
Wir können eine Vielzahl an Bakterieninfektionen behandeln
Wir sind heutzutage in der glücklichen Lage, dass wir von Substanzen wissen, mit denen wir Bakterien bekämpfen können. Das war nicht immer so, denn früher starben viele Menschen an den Kinderkrankheiten oder Krankheiten wie Pest und Cholera. Ganze Epidemien haben Millionen von Menschen dahingerafft, und oft konnten im besten Fall nur die Symptome gelindert werden.
Heute gibt es kaum eine bakterielle Infektion, die wir nicht behandeln können. Okay, bei einigen ist die Therapie erschwert (etwa Lepra oder Tuberkulose), aber die Mehrheit ist behandelbar.
Wenn du da an Krankheiten wie Scharlach, Borreliose, Syphilis, Chlamydien, Wundinfektionen, Lungenentzündungen, Legionärskrankheit, Tuberkulose, Meningitis, Listeriose oder Harnwegsinfektionen denkst, dann sind wir doch schon sehr gut aufgestellt.
Die Antibiotikakrise – wenn Antibiotika “plötzlich” nutzlos werden
Mit dem Einsatz von Antibiotika beginnt ein Wettlauf zwischen Mensch und Mikrobe. Denn seien wir mal ehrlich: Jeder will überleben. Und dieser Wettlauf hat uns in den letzten Jahren in eine ernste Krise gebracht.
Zu Beginn wirken die meisten Antibiotika ziemlich gut. Die Bakterien sind sensibel gegenüber dem Antibiotikum. Doch größtenteils innerhalb der ersten 10 Jahre nach intensivem Gebrauch zeigen sich die ersten resistenten Bakterien.
Wir sehen Bakterien, gegen die das zuvor gut wirkende Antibiotikum nun schlechter oder gar nicht mehr wirkt. Diese Bakterien sind resistent gegenüber dem Antibiotikum. Die Folge: Wir sind auf der permanenten Suche nach neuen Antibiotika, um Bakterieninfektionen zu bekämpfen.
Und die Bakterien werden immer neue Wege finden, um unserer Behandlung zu trotzen und sich munter zu vermehren.
Wie kann es dazu kommen?
Bakterien sind kleine Genies und haben verschiedene Wege entwickelt, sich des Antibiotikums zu entledigen
Bakterien werden nicht erst resistent, seitdem wir Menschen Antibiotika verwenden, um Infektionen zu behandeln. In einer bis dahin vom Menschen unerschlossenen und unberührten Höhle in New Mexico zeigten sich resistente Bakterien. Dies war eine Folge auf durch andere Bakterien natürlich produzierte Antibiotika.
Mit der Zeit haben sich Bakterien schlaue Arten einfallen lassen, um trotz des Antibiotikums zu überleben. Wie wir wissen, hatten Bakterien bereits ausreichend Zeit dafür.
So können Bakterien
- Die Struktur, die sie angreift, aktiv verändern und damit wirkungslos machen,
- den Stoff aktiv aus ihrer Zelle in die Umgebung befördern,
- das Antibiotikum zerschneiden, um es zu inaktivieren oder
- zufällig vorher schon resistent gegen das Antibiotikum sein.
Besonders der letzte Punkt ist eine verbreitete Taktik. Solche Resistenzen können zufällig durch freie DNA aus der Umgebung in das Bakterium aufgenommen werden. Diese Informationen für Resistenzen können dabei auf ringförmigen DNA-Molekülen, den sogenannten Plasmiden, gespeichert sein. Ganz zufällig hat das Bakterium bei Anwesenheit des Stoffes dann einen Vorteil gegenüber anderen Bakterien.
Erweist sich diese Information dann als nützlich, kann sie ganz einfach an den nächsten Nachkommen durch einfache Zweiteilung weitergegeben werden. Immer mehr Bakterien erhalten dann die Resistenz und setzen sich durch.
Der Mensch fördert oft unbewusst die Ausbreitung von Resistenzen
Hand aufs Herz: Hast du schon mal das vom Arzt verschriebene Antibiotikum früher abgesetzt, weil es dir schon deutlich besser ging? Wenn ja, dann bist du vermutlich nicht allein.
Denn oft wollen wir unsere Körper nicht unnötig belasten und lassen daher die letzten Tabletten in der Packung. Doch dieses zu frühe Absetzen der Antibiotika kann dazu führen, dass Bakterien zurückbleiben, die durch die Anwesenheit des Medikaments zufällig eine Resistenz ausbilden.
Und wie wir bereits gelernt haben, kann diese Information dann an andere Bakterien weitergegeben werden.
Aber auch die Behandlung von viralen Infekten mit Antibiotika ist kontraproduktiv und stellt durch den unnötigen Gebrauch einen sogenannten Selektionsdruck für vorhandene Bakterien dar. Wer sich in dieser Umgebung am besten und schnellsten anpassen kann, gewinnt.
Aber es gibt (leider) noch so viele weitere Möglichkeiten, wie wir resistente Bakterien fördern:
- Vorbeugender Einsatz in der Massentierhaltung (durch viele Tiere auf engem Raum sind die Tiere Dauer-gestresst und Infektionen übertragen sich leichter)
- Einsatz von Antibiotika, damit die Tiere das Schlachtgewicht schneller erreichen
- nicht-optimale Abwasserreinigung, die resistente Keime zurücklässt
- Düngung der bestellten Felder mit Mist – dadurch können sich eventuell vorhandene resistente Keime auf Pflanzen anhaften und werden anschließend über die Nahrung aufgenommen
- Fleisch, das während eines nicht einwandfreien Schlachtprozesses mit resistenten Keimen kontaminiert wird
Aber wir können auch aktiv etwas gegen Resistenzbildung tun
Puh, das klingt nicht besonders gut. Ist es auch nicht. Denn die resistenten Keime nehmen seit Jahren zu. Dadurch ist z. B. die Behandlung von Bakterieninfektionen erschwert oder teilweise gar nicht mehr möglich. Im Falle von multiresistenten Bakterien, also solchen, die gleich gegen mehrere Antibiotika resistent sind, gibt es nur noch sehr selten eine Behandlung.
Um in Zukunft nicht noch weiter Resistenzbildungen zu fördern, gibt es Möglichkeiten, die wir nutzen können. In der Vergangenheit hat sich z. B. gezeigt, dass die Begleitung von Mikrobiologen in Krankenhäusern erheblich zur Verringerung resistenter Keime beigetragen hat. Aufgabe ist es dann, den Ärzten beratend zur Seite zu stehen und vor der Gabe eines Antibiotikums erst das Laborergebnis abzuwarten. So kann dann anhand eines Antibiogramms gesehen werden, welches Antibiotikum für dieses Bakterium am besten geeignet ist (Stichwort Antibiotic Stewardship).
Würde dem Pflegepersonal in Kliniken zudem mehr Zeit für die Versorgung der Patienten zur Verfügung stehen, könnte die Verbreitung zwischen Patienten über das Pflegepersonal eingedämmt werden.
Ähnlich wie beim Salmonellen-Ausbruch in Schokoladenprodukten ist die Klärung von Ausbrüchen eine geeignete Maßnahme, um die Infektionsquelle ausfindig zu machen. So kann hier noch einmal mehr auf eine Isolierung und adäquate Hygiene geachtet werden.
Verlassen wir uns nicht nur auf Antibiotika – mögliche Alternativen
Spätestens, nachdem die Resistenzen zu- und die Zulassung neuer Antibiotika abnahm, sah die Forschung sich gezwungen, nach alternativen Methoden zur Behandlung Ausschau zu halten.
Das Gute: Diese Alternativen gibt es! Nachdem aber im goldenen Zeitalter der Antibiotika kaum Forschung an diesen Alternativen betrieben wurde, stecken viele Ansätze noch in den Kinderschuhen.
Künstliche Antikörper, die genau den Erreger erkennen
Infizieren wir uns mit Bakterien, so wird unser Immunsystem aktiv. Neben der ersten (Schleimhäute) und zweiten Verteidigungslinie (z. B. Makrophagen) bildet unser Körper etwas zeitverzögert Antikörper, die genau auf den Erreger zugeschnitten sind.
Solche Antikörper können Forscher mittlerweile im Labor herstellen. Sie erkennen, wie ihre natürlichen “Geschwister” ganz zielgenau das Bakterium, das bekämpft werden soll und inaktivieren diese Bakterien dann. Dabei sind die Nebenwirkungen gering, da keine umliegenden Zellen aus Versehen angegriffen werden.
Revival der Phagentherapie
Lange bevor die ersten Antibiotika für die Behandlung von Infektionskrankheiten genutzt wurden, forschten Wissenschaftler an sogenannten Bakteriophagen. Das sind Viren, die ausschließlich Bakterien befallen und zerstören.
Schnell erkannten Forscher das Potenzial zur Bekämpfung von bakteriellen Infektionskrankheiten. Neben der spezifischen Anwendung ist die geringe Menge ein weiterer Vorteil. Die Phagen vermehren sich innerhalb der Bakterienzellen und zerstören diese, wenn die neuen Phagen fertiggestellt sind. So kann mit geringem Einsatz eine große Wirkung erzielt werden.
Derzeit wird intensiv an der Phagentherapie geforscht. Allerdings fehlen noch wichtige Untersuchungen, was die Sicherheit (Stichwort Nebenwirkungen) und Effizienz zur Behandlung von Bakterieninfektionen angeht.
Impfen schützt vor Infektion
Keine neue Erkenntnis, und doch gibt es noch immer nicht für jede Bakterieninfektion eine zuverlässige Impfung. In solchen Fällen ist es oft schwierig, das Bakterium im Labor zu kultivieren. Die Vermehrung des Bakteriums ist aber essenziell, um daraus geeignete Impfstoffe zu entwickeln.
Impfungen sind geeignete Mittel, da sie den Körper befähigen, im Ernstfall schnell und effektiv Antikörper gegen den Erreger zu bilden und so die Wahrscheinlichkeit für einen schweren Krankheitsverlauf zu senken.
Derzeit gibt es Impfstoffe gegen folgende Bakterieninfektionen, die nach STIKO empfohlen sind: Tetanus, Diphtherie, Keuchhusten, Hib (Haemophilus influenzae), Pneumokokken und Meningokokken.
Im nächsten Blogbeitrag wird es dann um die praktische Anwendung gehen. Wie werden Resistenzen von Bakterien eigentlich im Labor bestimmt? Also zum Beispiel, wenn ein Patient an einer Bakterieninfektion leidet und die Probe dann in ein Labor geschickt wird.
Alles Liebe
Isabell
Quellen:
Madigan, M. T., and J. M. Martinko. “Brock Mikrobiologie, 11. aktualisierte Auflage.” (2009)
