Kontrolle!mikrobiellen Wachstums!

&!Antibiotika!

Sterilisationsmethoden!Hitze: i. A. Kochen (Vorsicht: Höhe & Siedepunkt des Wassers)!Hitze + Druck (Autoklavieren): 20 min, 121°C![Pasteurisierung: z. B. Milch, 15 sec, 71°C]!!Strahlung: 220-300 nm, DNA Schäden, nur Oberflächen!

!ionisierende Strahlung: produziert OH- und H-Radikale!!gamma-Strahler: Cobalt-60, Cäsium-137!!Sterilisation medizinischer Instrumente, Nahrungsmittel-!! ! ! ! ! ! !industrie!

!Filtration:!

!Tiefenfilter (Fasermatte), Bsp. HEPA Filter, für Luft!!Membranfilter: Siebwirkung, Löcher spez. Grösse!! !hohe Flussrate, für Flüssigkeiten

Sterilisationsmethoden: Strahlung!

Sterilisation durch Erhitzen!

Dezimale Reduktionzeit D: Zeit, nach der nur noch 10% der!Ausgangspopulation bei einer spezifischen T lebensfähig sind

Sterilisation durch Erhitzen + Druck =!Autoklavieren!

Dezimale Reduktionzeit D: Zeit, nach der nur noch 10% der!Ausgangspopulation bei einer spezifischen T lebensfähig sind

Sterilisation durch Filtration!

Chemische Kontrolle mikrobiellen Wachstums!

antimikrobielle Agenzien:!!-zid: tötet (Fungizid)!-statisch: hemmt Wachstum (bakteriostatisch)!

-lytisch: lösen die Zellen auf

Chemische Kontrolle mikrobiellen Wachstums!minimale inhibitorische Konzentration:!kleinste Menge, die Wachstum des Mikroorganismus hemmt!!vergleichbar nur, wenn Organismus und Kulturbedingungen !

!identisch

Verdünnungsreihe Antibiotikum!

Agardiffusionstest!

Chemische Kontrolle mikrobiellen Wachstums:!Äusserliche Anwendung!

chemische Sterilantien (=Sporozoide): zur Desinfektion, wo !!Hitze oder Strahlung nicht anwendbar sind, z.B.!!für Katheter, optische Instrumente!!“kalte Sterilisation” in geschlossenen Behältern!!Bsp: Formaldehyd, H2O2!

!Desinfektionsmittel: töten Mikroorganismen, nicht Sporen!

!Ethanol!!Antiseptika: töten Mikroorganismen auf lebendem Gewebe!

!Handwaschmittel in Krankenhäusern, Desinfektions-!!mittel für Wunden

Chemische Kontrolle mikrobiellen Wachstums:!Anwendung in vivo!

synthetische Wirkstoffe mit antimikrobieller Wirkung: ! Chemotherapeutika (Medizin, Landwirtschaft)! ! Paul Ehrlich: selektive Toxizität, d.h. Effekt nur auf !! ! ! pathogene Mikroorganismen, nicht den Wirt!! ! ! entdeckte Salvarsan!! ! ! Arsenverbindung!! ! ! Anfang 20.Jh gegen!! ! ! Syphilis eingesetzt

deutscher Mediziner!und Forscher

Antimikrobielle Wirkstoffe!Einteilung nach !!!a) Wirkmechanismus!!b) Spektrum der antimikrobiellen Wirksamkeit!!c) chemischen Strukturen!

!!1)  synthetische Wirkstoffe!2)  Antibiotika!!

Einteilung nach Wirkungsmechanismus!

Einteilung nach Wirkungsspektrum!

Synthetische antimikrobielle Wirkstoffe:!Wachstumsfaktoranaloga!

Wachstumsfaktor: notwendiger Bestandteil des Nährmediums,

! ! !den der Organismus nicht selbst herstellen kann!!Wachstumsfaktoranaloga: ähneln strukturell Wachstumsfaktoren,!! ! !verändert an physiologisch wichtig Stellen, so dass!! ! !sie nicht als Wachstumsfaktor wirken können!

!Analoga bekannt für Vitamine, aa, Purine, Pyrimidine, etc.!!

Synthetische antimikrobielle Wirkstoffe:!bakterielle Wachstumsfaktoranaloga!

Sulfonamide: entdeckt von Gerhard Domagk, !! ! !deutscher Pathologe, 1930er!

bei Chemikalien-Screening gegen Streptokokken!!einfachstes: Sulfanilamid, Analog von p-Aminobenzoesäure ! ! != Baustein der Folsäure (Nukleinsäurevorläufer)!

Synthetische antimikrobielle Wirkstoffe:!bakterielle Wachstumsfaktoranaloga!

Sulfanilamid wirkt nur in Bakterien, weil die ihre Folsäure selbst synthetisieren (Menschen nehmen sie mit der Nahrung auf)!!resistente Bakterien können Folsäure aufnehmen

Synthetische antimikrobielle Wirkstoffe:!aa- und Nukleinsäureanaloga!

F & Br verhindern normalen!Stoffwechsel!!auch bei Pilzen eingesetzt!

Synthetische antimikrobielle Wirkstoffe:!Chinolone!

hemmen DNA-Gyrase der Bakterien!verhindern DNA supercoiling (wichtig für DNA-Verpackung in

!Bakterien)!!

Ciprofloxacin, bei Harnwegsinfektionen, !und in der Tierzucht!

Moxifloxacin, neu,!bei Mycobacterium-Infektionen!

Natürliche antimikrobielle Wirkstoffe:!Antibiotika!

werden von Pilzen und Bakterien gebildet, um andere Mikro-!organismen abzutöten oder deren Wachstum zu hemmen !z.T. chemisch verändert, um Wirksamkeit zu erhöhen oder zu!

!verschieben = halbsynthetische Antibiotika!!Breitspektrum-Antibiotika häufiger angewendet als!Schmalspektrum-Antibiotika ...!!wichtige Angriffspunkte:!Ribosomen, Zellwand, Cytoplasmamembran, DNA-Replikation,!Transkription!

Antibiotika, die Proteinbiosynthese hemmen!

Wechselwirkung mit !Ribosomen!spezifisch!rRNA!!e.g.!Streptomycin hemmt!

!Initiation!Puromycin, Chloramphenicol!Cycloheximid, Tetracyclin!hemmen!

!Verlängerung d. Proteins unterschiedliche!Mechanismen!!

Antibiotika, die Proteinbiosynthese hemmen!

Puromycin, Chloramphenicol, !Cycloheximid, Tetracyclin!hemmen Verlängerung d. Proteins !Unterschiedliche Mechanismen:!!Puromycin bindet an A-Position!d. Ribosoms: aa-Kette wird !auf Puromycin übertragen!!Chloramphenicol stört Bildung!der Peptidbindung!

Antibiotika, die Proteinbiosynthese hemmen!

viele Antibiotika hemmen nur Ribosomen von ein oder zwei!phylogenetischen Domänen

!z.B. Chloramphenicol & Streptomycin: Bacteria!

!(auch Chloroplasten & Mitochondrien...; Konzentration!)!Cycloheximid: Eukarya!

Antibiotika, die Transkription hemmen!Rifampin, Streptovaricins!Actinomycin bindet DNA!!

Antibiotika, die bakterielle Zellwand zerstören!ß-Lactam Antibiotika (Penicillin, Cephalosphorin, Cephamycin)!

Antibiotika, die bakterielle Zellwand zerstören!ß-Lactam Antibiotika (Penicillin, Cephalosphorin, Cephamycin)!!> 50% aller weltweit verabreichten Antibiotika!

Antibiotika, !die bakterielle Zellwand zerstören!1929 Penicillin Entdeckung, Alexander Fleming,!

!schottischer Arzt & Bakteriologe,!!aus Penicillium chrysogenum!

!1939 Howard Florey (australischer Pathologe, arbeitete in

!England): grosstechnische Herstellung von Penicillin!!zur Behandlung von Soldaten!

!!!!!!

! ! !dringt nicht in gram- Bakterien ein!

Penicilline!

Modifikationen:!ändern Wirkungsspektrum ß-Lactamase-Sensitivität!

Wirkungsmechanismus der Penicilline!inhibieren Transpeptidasen, die zwei Peptidoglycanketten!miteinander verknüpfen !!!!!!!!!!Penicillin/Transpeptidasekomplex provoziert Freisetzung von!Autolysinen, die die Zellwand verdauen:!

!Lyse der Zelle!

Wirkungsmechanismus Cephalosporin!

ß-Lactam Antibiotikum,!gleicher Mechanismus wie Penicillin!natürlich aus Pilzen (Cephalosporium)!halbsynthetische Cephalosporine sind Breitspektrumantibiotika!resistenter gegen ß-Lactamase als Penicilline!

Antibiotika aus Prokaryonten!Aminoglycosid-Antibiotika!

!hemmen Proteinbiosynthese an der 30S ribosomalen!!Untereinheit!!genutzt gegen gram- Bakterien!!Bsp: Streptomycin, Kanamycin, Neomycin!

!!Streptomycin war erstes!!TB-Antibiotikum!!aber: neurotoxisch!! nephrotoxisch!! Resistenz verbreitet!

!!heute nur noch, wenn andere!!Antibiotika versagen!

Resistenzmechanismus!

Antibiotika aus Prokaryonten!Makrolid-Antibiotika!

!Lacton-Ringe mit Zuckern verknüpft

!Bsp: Erythromycin!

!11% der Weltproduktion an Antibiotika!!inhibiert 50S ribosomale !!Untereinheit!!bei Penicillin-Allergikern!!Legionella!

Antibiotika aus Prokaryonten!Tetracycline!

!aus Streptomyces!!Breitspektrumantibiotikum!!natürliche Varianten (siehe unten) & halbsynthetische !stören Proteinbiosynthese an der 30S r Untereinheit!

!!häufig eingesetzt,!!auch in Veterinärmedizin!

Antibiotika aus Prokaryonten!Daptomycin (Reserveantibiotikum)!

!aus Streptomyces!!zyklisches Lipopeptid!!lagert sich Ca2+-abhängig in Cytoplasmamembran ein !und depolarisiert Membranpotential!!!!bisher wenig Resistenzen!

Daptomycin!Funktionsmechanismus!

!!

Robbel & Marahiel, JBC 2010

Wirkmechanismen von Antimycotica!

Pilze (Mycota) sind Eukaryonten, d.h. Grossteil der Zell-!maschinerie identisch mit der beim Menschen:!problematische Nebenwirkungen!!Lösung:

!örtliche, oberflächliche Anwendung oder!

!Angreifen an Prozessen, die Pilz-spezifisch sind!!Antimycotica besonders wichtig in Immunsuprimierten!

Wirkmechanismen von Antimycotica!

Ergosterol Hemmstoffe:!!Ergosterol = Lipid in Pilz-Zellmembranen, entspricht !!Cholesterin in Säugern !Polyene binden Ergosterol, permeabilisieren Membranen!!Azole & Allylamine hemmen Ergosterolbiosynthese!

!Zellwandsynthese-Hemmstoffe:!

!Echinocandine hemmen (1,3-ß-D-Glucansynthase)!!eingesetzt v.a. bei Candida!

!!Polyoxine hemmen Chitinsynthese; eingesetzt in der !!Landwirtschaft!

!!

Wirkmechanismen von Antimycotica!

Resistenzmechanismen !antimikrobielle Medikamentenresistenz=!!erworbene Fähigkeit eines Mikroorganismus, einem Chemo- therapeutikum zu widerstehen, für das er normalerweise!empfindlich ist!!wie funktioniert das?!!Antibiotika werden von Mikroorganismen produziert, !d.h. ihre natürlichen "Nachbarn" haben Mechanismen entwickelt,!um diese Antibiotika zu zerstören!!Resistenzgene können ausgetauscht werden durch !horizontalen Gentransfer, oder unspezifisch auf Plasmiden aus !der Umwelt aufgenommen werden!

Becattini et al.,!Trends Mol Med 2016!

Resistenzmechanismen !

Resistenzmechanismen !natürliche Resistenzmechanismen: !-  Fehlen der Zielstruktur; Bsp: Mycoplasma hat keine Zellwand,! !deshalb resistent gegen Penicillin!!-  Organismus ist impermeabel für das Antibiotikum; Bsp: gram-negative Bakterien & Penicillin G!!-  Organismus kann das Antibiotikum chemisch inaktivieren;! Bsp. ß-Lactamasen in Streptokokken!!-  Organismus kann die Zielstruktur des Antibiotikums ändern oder den Zielstoffwechselweg modifizieren; Bsp Folsäure- Aufnahme in Sulfonamid-resistenten Bakterien!!- Organismus kann das Antibiotikum aus der Zelle pumpen!

Bsp: chemische Inaktivierung von Antibiotika !

Resistenzmechanismen !Resistenz kann chromosomal codiert sein oder auf Plasmid!(R-Plasmide)!!viele R-Plasmide enthalten mehrere Resistenzgene gegen !unterschiedliche Antibiotika!!diese sind natürlich entstanden, existierten bereits vor dem massiven Einsatz von Antibiotika durch den Menschen!!aber: ausgedehnter unspezifischer Antibiotika-Einsatz!

!bewirkt die rasche Ausbreitung wirkstoffspezifischer!!Resistenz bei pathogenen Mikroben!

Resistenzmechanismen !

Antibiotikaresistenzen bei Gonorrhoe-Patienten !seit 1990 wird Gonorrhoe nicht mehr mit Penicillin behandelt!

Antibiotikaresistenzen bei Gonorrhoe-Patienten !

Inadäquater Antibiotika-Einsatz !

in der Medizin:!!Antibiotika bei 20% der Patienten mit Infektionskrankheiten!

!gerechtfertigt, aber Einsatz bei 80% der Patienten...!!in 50% der Verschreibungen ist die Dosierung oder Behand-!

!lungsdauer nicht korrekt!!viele Patienten brechen die Einnahme von Antibiotika zu früh ab

!Bsp.: TB...!!!

Inadäquater Antibiotika-Einsatz !

in der Landwirtschaft:!!Antibiotika als Futterzusatzstoffe zur "Vorbeugung"! !und zur Erhöhung des Mastertrags

(letzteres ist in Europa seit 2006 verboten) auch Reserveantibiotika!!!

Einsatz von Antibiotika im Obstanbau bei!Feuerbrand!

- verursacht von Erwinia amylovora!-  gram-negativ, fakultativ anaerob!- das erste Bakterium, das als ! Pflanzenpathogen identifiziert wurde!-  ursprünglich aus den USA; in Europa eingeschleppt durch ! infiziertes Pflanzenmaterial, in Nord-D seit Ende 1960er Jahre!-  wird auch durch Insekten übertragen bei Bestäubung!-  infiziert Rosaceae (Apfel, Birne, Quitte)!

Julius-Kühn-Institut = Bundesforschungsinstitut für Kulturpflanzen

Einsatz von Antibiotika im Obstanbau bei!Feuerbrand!

-  in Deutschland erste Genehmigung von ! Streptomycin-haltigen Pflanzenschutzmitteln ! 1994!-  Betriebe, die Streptomycin im Obstanbau einsetzen,

unterliegen strenger Regulation, sind registriert und müssen! jeden Einsatz aufzeichnen!-  Genehmigung jeweils für 120 Tage bei “Gefahr im Verzug”!-  seit 2003 Bestrebungen, ohne Antibiotika auszukommen: ! Ausschneiden der befallenen Zweige oder Rückschneiden! des gesamten Baumes!

!dabei nach jedem Schnitt Werkzeug desinfizieren, ! !Einmalhandschuhe tragen, Schnittgut verbrennen!- es gibt auch Obst-Sorten, die gegen Erwinia resistent sind!

Antibiotika-Einsatz in der Tierzucht !

Antibiotika-Einsatz in der Tierzucht: Folgen !

Bsp: multi-antibiotika-resistente Bakterien in Geflügel!

Staphylococcus aureus: !gram-positives Bakterium!

Spiegel, 2013!

Bsp: multi-antibiotika-resistente Bakterien in Geflügel!

ZDF, 4/ 2019!

Folgen inadäquaten Antibiotika-Einsatzes: !

* mdr-Stämme, die mit bekannten Antibiotika!nicht mehr zu behandeln!sind !

erste Resistenz

This  report  has  been  generated  from  data  submitted  to  TESSy,  The  European  Surveillance  System  on  2015-­05-­23.  Page:  1  of  1.  The  report  reflects  the  state  of  submissions  in  TESSy  as  of  2015-­05-­23  at  10:00

Multidrug-­resistant  Klebsiella  pneumoniae  Isolates  in  Participating  Countries  in  2013  (Resistant  to  Third-­generation  Cephalosporins,  Fluoroquinolones  and  Aminoglycosides)  

This  report  has  been  generated  from  data  submitted  to  TESSy,  The  European  Surveillance  System  on  2015-­05-­23.  Page:  1  of  1.  The  report  reflects  the  state  of  submissions  in  TESSy  as  of  2015-­05-­23  at  10:00

Proportion  of  Carbapenems  Resistant  (R)  Klebsiella  pneumoniae  Isolates  in  Participating  Countries  in  2013β-lactam Antibiotika, Reserveantibiotika

das letzte Reserve-Antibiotikum: Colistin Polymyxin Antibiotikum, !Reserve-Antibiotikum, weil nephrotoxisch!!Wirkmechanismus: !bindet an LPS in OM von gram-negativen,!löst die Zytoplasmamembran auf (wie Detergenz)!!

Ende 2015/Anfang 2016

Resistenzmechanismus gegen Colistin:!Modifizierung von Lipid A, verringert Affinität für Colistin!!!anfangs nur chromosomal; jetzt auch auf Plasmid (mcr-1 Gen)!

Eurosurveillance, !March 2016!

USA! May 2016

Eurosurveillance, !March 2016!

Combatting antimicrobial resistance is a matter of the utmost urgency. The detection last year of a new resistance mechanism, the mcr-1 gene, sent shockwaves through the medical and scientific communities. The gene is located on a mobile loop of DNA that transfers easily from one bacterial strain to others. This is a horizontal transfer of resistance, and it is frightening. If we lose colistin we lose our last medicine for fighting a number of serious infections. I urge you to agree on the strongest possible action plans.

Ladies and gentlemen, We face a crisis.

Margaret Chan,!WHO Präsident,!Feb 2016!

Neue antimikrobielle Wirkstoffe: neue Analoga!

neue Analoga zu existierenden Verbindungen, z.B. neue !!ß-Lactam-Antibiotika, neue Tetracycline!!planvolle, systematische Veränderung bekannter !Verbindungen!

!!!!!!!!!

!7 Millionen Verbindungen müssen getestet werden,!!um einen klinisch nutzbaren Wirkstoff zu finden ...!

"Designer-Drugs":!!computergestützte Wirkstoffentwicklung gegen bekannte !Schlüsselenzyme des Zielorganismus!

!!Bsp HIV-Protease Inhibitoren: Substrat-Analoga!! ! ! ! !orange = ähnelt Peptidbindung!! ! ! ! ! ! !!

Neue antimikrobielle Wirkstoffe: Designer Drugs!

-  Bio-Prospecting!-  neue Kombinationen: Antibiotikum + Adjuvans! (z.B. β-lactamase Inhibitor; Zellwand-Permeabilisierung, ! etc.)!!!!!!!!Literatur Antibiotika-Verbrauch, -Missbrauch, Resistenzen:!!CDDEP report: State of the Worldʼs Antibiotics 2015!(= Center for Disease Dynamics, Economics & Policy)!!

Neue antimikrobielle Wirkstoffe:!

Was hat der Mensch von den Bacteriophagen?!damals:!

!viele grundlegende Erkenntnisse der Genetik wurden mit!!Hilfe von Phagen gewonnen (e.g. Hershey & Chase)!

!heute:!

!Behandlung von Patienten, die mit mehrfach antibiotika-!!resistenten Bakterien (MRSA) infiziert sind, mit Phagen!!Eliava Phage Institute, Tblisi!

!"MRSA infections are on the rise. Every year, more than 1.2 million people in the USA are infected with an MRSA, and many cannot be treated with antibiotics." "by finding the phage for your superbug, we can treat... !

!AmpliPhi, US/UK/Oz!

Sie sollten jetzt Folgendes wissen:!

1)  Warum ist Kochen keine verlässliche! Sterilisationsmethode?!!2) Nennen Sie drei zelluläre Angriffspunkte für! Antibiotika.!!3) Wie verbreiten sich Antibiotikaresistenzen?!

Effizienz der Phagenbehandlung von MRSA!

-  abhängig vom MRSA Stamm (nicht jeder Phage für jede Infektion!

-  abhängig von der Stelle, die infiziert ist!

-  abhängig vom Wirtsimmunsystem!

-  in Arbeit: Behandlung mit lytischen Enzymen aus Phagen!!