Hummel, Heike: „Untersuchungen zum Postantibiotischen Effekt bei Pseudomonas aeruginosa-Isolaten einer Intensivstation“

3

Kapitel 1. Einleitung

1.1 Die Bakterienspezies Pseudomonas aeruginosa

Der Ablauf einer Infektion unterliegt multifaktoriellen Interaktionen zwischen chemischen Strukturelementen von Krankheitserregern bzw. deren Stoffwechselprodukten und den verschiedenen Parametern der Immunantwort. Bei einer antimikrobiellen Chemotherapie können Antibiotika nicht nur mit dem Keim, sondern auch unmittelbar mit der Expression einer humoralen und/oder zellulären Abwehr interagieren (Gillissen 1992).

Die Auswahl der antimikrobiellen Substanzen für die empirische Initialtherapie einer Infektion hat sowohl das vorherrschende Keimspektrum als auch die Virulenz der verschiedenen relevanten Erreger zu berücksichtigen. Besonders gefährlich, weil rasch letal verlaufend, sind inadäquat behandelte Infektionen durch nosokomiale gramnegative Erreger, besonders durch Pseudomonaden. Nosokomiale Pseudomonas-Infektionen sind mit einer erhöhten Letalitätsrate in Vergleich zu anderen gramnegativen Infektionen verbunden, vor allem Sepsis, Pneumonien und Meningitis (Baltch et al. 1996).

Pseudomonas aeruginosa ist die am längsten bekannte und humanmedizinisch wichtigste Pseudomonasart. Gessard züchtete sie 1882 erstmals in Reinkultur und nannte sie Bacterium pyocyaneum.

Der Begriff Pseudomonas wurde 1894 von Migula eingeführt und sollte ursprünglich alle geraden, stäbchenförmigen Bakterien mit polaren Bewegungsorganellen zu einer einzigen Gattung zusammenfassen. Erst die wachsende Einsicht in die taxonomische Bedeutung bestimmter physiologischer Merkmale, verbesserte Technik der Geißeldarstellung sowie molekularbiologische Untersuchungsverfahren brachten in den vergangenen zwanzig Jahren eine Vereinheitlichung und Präzisierung der Gattungsbeschreibung. Das Genus Pseudomonas bleibt heterogen und zerfällt in vier rRNA-Ähnlichkeitsgruppen. Unter diesen ist die rRNA-Homologiegruppe I die größte und umfaßt so typische Spezies wie Pseudomonas aeruginosa oder Pseudomonas putida (Zielmann 1995).

Im Vergleich zu anderen Erregern ist Pseudomonas aeruginosa in der Lage, viele verschiedene schädigende Substanzen zu bilden. Zu den zellgebundenen Substanzen gehören die Lipopolysaccharide mit endotoxischer Wirkung und die Fähigkeit zur Bildung einer Schleimkapsel. Extrazellulär abgesonderte Substanzen umfassen Exotoxin A, Exoproteasen und Hämolysine.

1.2 Therapie und Resistenzlage von Pseudomonas aeruginosa

Bei der Therapie von Pseudomonas-Infektionen sollten folgende Probleme beachtet werden:

  1. relativ hohe MHK-Werte bei Pseudomonaden wirksamen Antibiotika
  2. die Fülle verschiedener Resistenzmechanismen


4

Unter Resistenzmechanismen versteht man z.B. die Veränderung der Zellpermeabilität, die Produktion von Beta-Laktamasen und die Veränderung des Antibiotika-Angriffsortes in der Bakterienzelle (Wallrauch-Schwarz et al. 1993).

Hier wird durch Mutation die Struktur des jeweiligen Angriffsortes (Penicillinbindende Proteine) so verändert, daß entsprechende Antibiotika nicht binden bzw. angreifen können.

Um diesen Resistenzproblemen zu begegnen, wird bei nachgewiesenen oder vermuteten Pseudomonas-Infektionen eine Kombinationstherapie zweier Pseudomonas-wirksamer Substanzen empfohlen (Grassias-Berardi et al. 1986). Hilf et al. (1989) bestätigten die Anwendung einer Kombinationstherapie bei Pseudomonas-Bakteriämie in einer klinischen Studie. Hierbei lag die Mortalitätsrate bei Monotherapie signifikant höher wie bei einer Kombinationstherapie.

Die Kenntnis der relevanten Parameter für die Beschreibung der antimikrobiellen Wirkung von Chemotherapeutika ist die Grundlage für die Auswahl und individuelle Dosierung der antimikrobiellen Therapie. Zudem ist die detaillierte Kenntnis der Abtötungskinetik von antimikrobiellen Medikamenten wesentlich für die Evaluation des optimalen Dosierungsregimes. Zahlreiche Parameter existieren zur Beschreibung der Wirkung von antimikrobiellen Chemotherapeutika (Blaser 1990):

1.3 Wirkmechanismus der Antibiotika

Antimikrobielle Substanzen schädigen die Erreger durch Einwirkung auf die Synthese von Peptidoglykan, Proteinen, Nukleinsäuren, Folsäuren bzw. durch Einwirken auf die Struktur und Funktion der Zellmembran. Der Vorteil, Antibiotika mit unterschiedlichen Angriffspunkten beim Erreger zu haben liegt darin, bei Auftreten einer Resistenz ausweichen zu können auf eine Substanz mit einem alternativen Wirkmechanismus.

Antibiotika welche in die Peptidoglykansynthese eingreifen wirken bakterizid.

Beta-Laktamantibiotika, zu denen die Cephalosporine gehören, interferieren mit der letzten Phase der Peptidoglykansynthese. Sie hemmen die Transpeptidase und verhindern so die Ausbildung der dreidimensionalen Struktur des Murein (Peptidoglykan); Folge ist die Lyse der Zelle (Gerber 1993).

Aminoglykosidantibiotika hemmen die Proteinsynthese durch Bindung an die 30S-Untereinheit des Ribosoms. Sie verhindern die Vervollständigung des Startkomplexes. Folge ist, daß die in der messenger-RNA kodierten Informationen nicht auf das zu bildende Protein übertragen werden können. Dieser Lesefehler bewirkt einen fehlerhaften Aufbau von Zytoplasma-Proteinen. Hieraus resultieren Defekte beim Aufbau funktionsfähiger Enzyme


5

und eine Schädigung der Membranfunktion. Ausfließen von Zytoplasma führt schließlich zur Lyse der Bakterienzelle = bakterizide Wirkung (Piepersberg 1985).

1.4 Der Postantibiotische Effekt

Zum Studium der optimalen Wahl von Dosis und Dosierungsintervall bei antimikrobiellen Substanzen stellen pharmakodynamische in vitro-Modelle eine gute Alternative zu Tierversuchen dar. Die Zeit bis die Minimale Hemmkonzentration eines Antibiotikums erreicht ist, kennzeichnet eines der wichtigsten pharmakodynamischen Parameter für die Effektivität (Craig 1995).

Der Postantibiotische Effekt wurde erstmals 1944 von Bigger beschrieben, sowie 1948 von Parker und Luse als Wachstumshemmung der Keime nach Antibiotikaentfernung als ein Phänomen, das bei vielen antibakteriellen Substanzen vorkommt.

Insbesonders die Arbeitsgruppe von Craig hat sich um die Klärung und Definition des Postantibiotischen Effekts sehr bemüht. Dieser wurde von ihnen als die persistierende Suppression des bakteriellen Wachstums nach einer vorangehenden, zeitlich exakt definierten, antibiotischen Exposition oberhalb der minimalen Hemmwerte des jeweiligen Keimes definiert.

Eine größere Zahl von unterschiedlichen in vitro-Methoden sind zur Erfassung des Postantibiotischen Effektes eingesetzt worden, unter anderem die Zell-Zähl-Methode und der Bioluminescence assay des bakteriellen ATP.

Bei der Zell-Zähl-Methode erfolgt die direkte Messung der Zahl der überlebenden und erneut wachsenden Bakterien in der Kultur nach Antibiotika-Entfernung.

Die Messung des bakteriellen ATP beinhaltet der Bioluminescence assay. Hier ist eine Trennung von lebenden und toten Zellen nicht möglich (Gerber 1993), folglich ist mit dieser Methode auch die Bakterizidie nicht bestimmbar.

Aus den Ergebnissen zahlreicher Untersuchungen bei unterschiedlichen Bakterien und Antibiotika ist ersichtlich, daß zahlreiche grampositive und gramnegative Erreger, aber auch Mykobakterien und Pilze prinzipiell einen postantibiotischen Effekt aufweisen können. Gegenüber den grampositiven Keimen zeigen Beta-Laktamantibiotika kurze, maximal zwei Stunden reichende, postantibiotische Effekte, während andere Substanzen wie Erythromycin, Clindamycin und Rifampicin in der Regel längere Effekte aufweisen. Während bei gramnegativen Erregern wie z.B. Escherichia coli und Pseudomonas aeruginosa gegenüber den Beta-Laktamantiobiotika in niedriger Konzentration (MHK-Werte) mit Ausnahme von Imipenem keine postantibiotischen Wirkungen zu registrieren sind; weisen Aminoglykoside, Tetracykline und Chinolone zum Teil beträchtliche postantibiotische Effekte auf. Auch gegenüber Candida Spezies werden mit Amphotericin B wie auch mit 5-Flucytosin postantibiotische Effekte gesehen; während mit Imidazol-Derivaten gegenüber diesen Erregern das Phänomen nicht auftritt (Gerber et al. 1982).

Auf der Basis von exakten pharmakodynamischen Berechnungen hat man seit Jahren versucht, vor allem bei Patienten mit Niereninsuffizienz eine Verlängerung des Dosierungsintervalls zu begründen. Mittlerweile gibt es eine Reihe von klinischen Studien mit


6

verschiedenen Aminoglykosiden, die das Konzept einer Einmalgabe gut dokumentieren (Knothe 1996, Raz et al. 1995).

Die Dauer des Postantibiotischen Effektes nimmt mit zunehmender Expositionszeit und Konzentration des Antibiotikums zu, ist aber abhängig von der Keimspezies und der Art des Antibiotikums (Gerber 1993).

Pseudomonas aeruginosa ist in der in vitro-Testung gegenüber Ceftazidim hoch sensibel. In der kalkulierten Initial-Therapie bei Infektionen in der Intensivmedizin findet es deshalb seine Anwendung, vor allem als Kombinationspartner von Aminoglykosiden.

Die Resistenzlage wird durch die Produktion von chromosomalen Beta-Laktamasen bestimmt. Bei Langzeitverabreichung von antipseudomonalen Wirkstoffen bei Patienten mit chronischer Kolonisation ist die Resistenzentwicklung vorabzusehen (Baltch et al.1996). Die Therapie von Pseudomonas aeruginosa-Infektionen stellt somit oft ein Problem dar.

Gerber und Craig (1982) untersuchten den Postantibiotischen Effekt von bakteriostatisch wirkenden Antibiotika. Rifampicin, Tetracyklin und Erythromycin weisen in relativ niedriger Konzentration einen PAE auf, und zwar sowohl gegenüber grampositiven wie auch gramnegativen Krankheitserregern. Um in vitro einen Postantibiotischen Effekt von Beta-Laktamantibiotika auf gramnegative Bakterien zu demonstrieren, werden hohe, unter oraler Therapie im Serum nicht erreichbare Medikamentenkonzentrationen benötigt.

Die Dauer des PAE ist abhängig von der Art des Antibiotikums, dessen Konzentration sowie auch von der Dauer der vorangegangenen Exposition bei mehrmaliger Exposition (Mackenzie et al. 1993, Gerber 1993, Armstrong et al. 1981).

Hinsichtlich des Mechanismus des postantibiotischen Effektes bestehen noch keine präzisen Vorstellungen. Es wird davon ausgegangen, daß durch die Antibiotika-Persistenz an bakteriellen Bindungsstellen eine letale Schädigung verursacht wird. Suller et al. 1998 sehen im PAE ein komplexes Geschehen, welches sich für jeden Organismus individuell gestaltet. Es ist bekannt, daß Erythromycin, Tetracykline und Chloramphenikol an spezifischen Untereinheiten von Ribosomen empfindlicher Bakterien gebunden werden. In ähnlicher Weise unterliegen auch die Aminoglykosidantibiotika einer letalen und irreversiblen Bindung an ribosomale Bestandteile. Es wird daher angenommen, daß während der Exposition gegenüber den wirksamen Antibiotika die Protein- oder RNA-Synthese so vermindert wird, daß ein Verlust an funktionellen Proteinen mit großer Bedeutung für den Intermediärstoffwechsel und für das Wachstum eintritt. Die Zeitdauer des PAE könnte daher die Periode der Protein-Resynthese (Synthese neuer Enzyme) repräsentieren (Mackenzie et al. 1993).

Spivey (1992) stellte in seinen Untersuchungen fest, daß der PAE bei Beta-Laktamantibiotika zeitlich identisch ist mit der Zeit zur Synthese neuer Penicillinbindenden-Proteine.

Bei der Bewertung der biologischen Bedeutung des Effektes muß berücksichtigt werden, daß noch zusätzlich eine sogenannte „postantibiotische Leukocytenfunktionsverstärkung“ eintritt. Hierunter versteht man, daß in der postantibiotischen Phase die exponierten Bakterien empfindlicher sind gegenüber der bakteriziden Einwirkung von menschlichen Leukocyten. Eine Erklärung für das Phänomen könnte die Veränderung der Zelloberfläche sein, so daß die Zelle empfänglicher wird für die Phagocytose und intrazelluläre Abtötung oder bei Aminoglykosiden die reduzierte Proteinsynthese (Mackenzie et al. 1993, Spivey 1992).

Antibiotische Effekte werden auch in subinhibitorischen Konzentrationen beobachtet.


7

Exotoxin A, Exoenzyme, Phospholipase C, Elastase und die Gesamtprotease-Aktivität werden durch die Antibiotikakonzentrationen bis hinunter auf 1/20 des MHK-Wertes bei Ciprofloxacin, Tobramycin und Ceftazidim unterdrückt bei Pseudomonas aeruginosa (Dalhoff 1990).

Gerber (1993) stellte fest, daß der PAE verschiedener Antibiotika verlängert wird, wenn nach dem primären PAE eine sub-MHK-Konzentration des Antibiotikums eingesetzt wird.

Für die klinische Relevanz bedeutet das eine ausreichende Konzentration im klinischen Dosierungsintervall. Während dieser Phase sind die meisten Penicillinbindenden-Proteine (PBP) noch inaktiviert, nachfolgend sind nur geringe Antibiotikakonzentrationen notwendig, um neue PBP zu hemmen. Es kommt zur vermehrten Hemmung der Zellvermehrung und damit zur Verlängerung des PAE (Bundtzen et al. 1981).

1.5 Aufgabenstellung

Der Gedanke für diese experimentelle Arbeit war es, den Postantibiotischen Effekt mit Konzentrationen der Antibiotika zu testen, die dem Serumspiegel entsprechen, um der in vivo-Situation nahe zu kommen. Die Untersuchungen zum PAE erfolgte mit klinischen Isolaten aus dem Bereich einer Intensivstation. Zahlreiche Ergebnisse zum Postantibiotischen Effekt in der Literatur beruhen auf Testungen von ATCC (American Type Culture Collection)-Stämmen. Ein wichtiger Gedanke für zukünftige Studien sollte die Durchführung von Testen mit klinischen Isolaten sein. Interessant ist auch die Fragestellung, was für ein PAE zeigt sich, wenn man Ceftazidim und Amikacin kombiniert, wie es täglich in der Klinik durchgeführt wird. Außerdem sollte in dieser Arbeit untersucht werden, wie sich der PAE nach mehreren Dosierungsintervallen entwickelt. Wie reagieren die Bakterien auf eine dreimalige Antibiotika-Exposition? Für die Therapie ist von Bedeutung, wie schnell die Wirkung eines Antibiotikums eintritt und wie lange diese anhält. Aus diesem Grund haben wir versucht mit unseren Untersuchungen die klinische Realität zu imitieren, d.h. alle 8-10 Stunden die Bakterienzelle erneut einem Antibiotikum auszusetzen. Das entspricht einer 3x täglichen Antibiotikagabe, wie sie bei Ceftazidim üblicherweise durchgeführt wird in Kombination mit einem Aminoglykosid.

Es sollte versucht werden, die klinische Situation mit experimentellen Untersuchungen nachzuahmen um Schlußfolgerungen für optimale Dosierungsintervalle ziehen zu können.


[Titelseite] [1] [2] [3] [4] [5] [Bibliographie] [Danksagung] [Selbständigkeitserklärung] [Lebenslauf]

© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.

DiML DTD Version 2.0
Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML - Version erstellt am:
Thu Sep 14 10:58:29 2000