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Umweltaspekte bei der Risikobewertung von Antibiotikaresistenzen

Jens Schönfeld

Fachgebiet IV 2.2 Arzneimittel, Wasch- und Reinigungsmittel, Nano-Materialien

2. Workshop Antibiotikaresistenz am RKI, 8. und 9. November 2012


Umwelt als Expositionspfad für die menschliche Gesundheit


Gliederung Aufgabe des UBA in der Zulassung von AM, Schutzzieldefinition

Schutz der Umwelt vor Entwicklung und Verbreitung von Antibiotikaresistenzen?

Hypothese: Umwelt als Reservoir für Antibiotikaresistenzen

Vorraussetzungen für die Bewertung von Antibiotikaresistenzen

Expositionspfade, Schnittstellen der Übertragung von Antibiotikaresistenzen

Verbrauchsdaten Antibiotika

Umweltmonitoringdaten zu Antibiotika

Aktivitäten des UBA zur Resistenzproblematik, Forschungsvorhaben

Literaturtipp


Teilbereich der Chemikaliensicherheit

Bewertung und Minimierung der stofflichen Risiken für die Umwelt = Umweltrisikobewertung

Schutzziel: Gefahren, die durch die Anwendung von Arzneimitteln, insbesondere für die Gesundheit von Mensch und Tier und für den Naturhaushalt, entstehen können, abzuwenden oder ihnen vorzubeugen

Auftrag des Umweltbundesamtes im Rahmen der Zulassung von Arzneimitteln

Potentielle Risiken des Eintrags von Antibiotika generell für das aquatische Kompartiment (Wasserorganismen); insbesondere Cyanobakterien besonders empfindlich. Im terrestrischen Kompartiment sind Gefäßpflanzen (z.B. Raps, Zwiebel) besonders empfindlich.


Leitfäden: Grundlage für die Umweltrisikobewertung

CVMP/VICH/592/98-FINAL VETERINARY MEDICINAL PRODUCTS - PHASE I Seit 2001 CVMP/VICH/790/03-FINAL VETERINARY MEDICINAL PRODUCTS – PHASE II Seit 2005

EMEA/CHMP/SWP/4447/00 MEDICINAL PRODUCTS FOR HUMAN USE Seit 2006

Ausnahmen? Natürliche (nicht synthetisierte, oder teil-synthetisierte) Antibiotika

Beschreibung der Prüfstrategie und des Prüfumfangs Datenanforderungen zu Exposition, Verbleib & Verhalten in

der Umwelt, Effektbewertung Inhalt des Environmental Risk Assessment Reports (ERA)

Direkte Umweltrisiken, die von der Anwendung von neu zuzulassenden Antibiotika ausgehen, werden grundsätzlich bewertet:

Die Bewertung der Entwicklung von Antibiotikaresistenzen ist bislang nicht Teil der Umweltrisikobewertung


Schutzziel „Umwelt“: Schutz der Umwelt vor Veränderung durch menschliche Einflussnahme

oder Aktivität hier: massiver Eintrag von Antibiotika über die natürliche

Hintergrundbelastung hinaus

Generell wird bei der Umweltrisikobewertung dem Vorsorgeprinzip gefolgt fehlende wissenschaftliche Belege direkter unerwünschter Auswirkungen

der Ausbreitung von AB-Resistenzen auf die Umwelt gibt keinen Anlass, die Entstehung von AB-Resistenzen in der Umwelt nicht zu berücksichtigen

Die Berücksichtigung von AB-Resistenzentwicklung bei der

Umweltrisikobewertung dient somit der vorsorgenden Begrenzung der potentiellen Risiken für die Umwelt

Schutz der Umwelt vor Entwicklung und Verbreitung von Resistenzen?


Hypothese: Die Umwelt stellt ein sich stetig vergrößerndes Reservoir für Resistenzdeterminanten dar

Humanmedizin - Massiver Antibiotika -Einsatz

Umwelt, Vor(-industrielle)-

Antibiotika-Ära - natürliche Antibiotika - Endogene Antibiotika - Zellfunktionen (z.B.

Efflux-Pumpen)

Tiermedizin - Massiver Antibiotika -Einsatz

Schlüsselparameter für die Selektion von Resistenzen in der Umwelt ist der Eintrag von Antibiotika

+ Selektion Antibiotikaresistenz-deter-minanten tragender Umwelt-bakterien

Selektionsdruck:

„Hintergrundkonzentrationen“ von Antibiotikaresistenzen

relativ gering

sehr hoch

sehr hoch


Relevante Eintragspfade von Antibiotika in die Umwelt Relevante Mengen der Einträge von Antibiotika

Bewertung der Förderung der Resistenzentwicklung in der Umwelt – was ist zu berücksichtigen?

Selektionsdruck ist abhängig von der Dauer des Verbleibs eines Antibiotikums in seiner antibiotisch aktiven Form (Umweltverfügbarkeit)

Stoffeigenschaften: Antibiotika-Wirkstoffe unterscheiden sich in ihrer Widerstandsfähigkeit gegenüber Abbau (abiotisch, biologisch)

= Persistenz, oder Metabolismus im behandelten Tier oder Menschen - Je leichter abbaubar desto kürzer die potentielle Verweilzeit in der Umwelt.

Viele Antibiotika werden zum Großteil unverändert ausgeschieden, andere metabolisiert, wobei auch Metabolite antibiotische Wirkung zeigen können

Die Förderung von Resistenzen in der Umwelt muss nachweisbar sein (Effekte). - Potentielle Risiken… bestehen etwa für die Struktur und Funktionen natürlicher mikrobieller Gemeinschaften in der Umwelt, … gehen von der Förderung von human und tierpathogenen Bakterien aus … bestehen als wichtiger Expositionspfad – für den Schutz der menschlichen Gesundheit


Konzeptionelles Modell: Veranschaulichung der Übertragungswege von Antibiotikaresistenzen in der Umwelt. Folge sind ein erhöhtes Risiko für Mensch und Tier an Infektionen mit antibiotikaresistenten Bakterien zu erkranken.


Pflanze ?

Grundwasser

Oberflächenwasser

Ausscheidungen

Gülle, Stallmist, Geflügelkot

Wirtschaftsdünger

Boden

Trinkwasser ?

Eintragspfad für Antibiotika aus der Veterinärmedizin

Eintragspfad für Antibiotika aus der Humanmedizin

Oberflächengewässer

Grundwasser

Boden

unsachgemäße Entsorgung - Kanalisation

Trinkwasser

Kläranlage

Abwasser

Ausscheidungen

Klärschlamm Wirtschaftsdünger


Gezielte Ausbringung auf Böden, von dort auch in Gewässer

Stallhaltung:Gülle, Stallmist

„Hot spots“ des Transfers von Resistenz(gen)en

Weidehaltung:Dung, Urin Nicht kontrollierbarer Eintrag in Böden und Oberflächengewässer

Gezielte Ausbringung auf Böden, von dort auch in Gewässer

Klärschlamm als Wirtschaftsdünger

Unveränderte Passage der Kläranlage, Effluent

Direkter Eintrag in Oberflächengewässer

Zielkompartimente Quellen


Erweitertes Netzwerk von Wechselwirkungen zwischen Mensch und Umwelt


2005

050

100150200250300350400

2005

2003

Verbrauch in der Tiermedizin

Schätzungen von 700 – 800 t/Jahr; Substanzklasse mit den höchsten Verbräuchen bzw. Verkaufszahlen in der Tiermedizin. „Top-Seller“ sind Tetracycline gefolgt von Beta-Lactamen. Zahlen für Deutschland.


Table x: Antimicrobials sold or distributed for use in food animals the U.K. in 2004-09 (source VMD)

Vergleich zu Verbrauchsdaten aus dem Europäischen Ausland Vergleichbare Größenordnungen im Vergleich zu Deutschland


2002

2007

2009

0

20

40

60

80

100

120

140

160

ton

s ac

tive

su

bst

ance

/yea

r

2002

2006

2007

2008

2009

Verbrauch in der Humanmedizin Schätzungen 450 - 600 t/Jahr; 85% verschreibungspflichtig über öffentliche Apotheke vertrieben; 15% über Klinikapotheken, hoher Anteil Reserveantibiotika „Top-Seller“ sind Beta-Lactame.


Literatur Review 156 AM-Wirkstoffe Positivbefund in

mindestens einer Umweltmatrix 131 in deutschen Oberflächengewässern 55 im Grundwasser 15 in deutschen Böden 42 verschiedene Antibiotika-Wirkstoffe

IWW Report – UBA Gutachten 2010 www.umweltbundesamt.de

Was kommt in der Umwelt an?


Wirkstoff ≥100 < 1000 µg/kg ≥1000 < 10000 µg/kg ≥10000-1000000 µg/kg Bacitracin 1 0 0 Chloramphenicol 0 1 0 Chlortetracyclin 7 8 3 Ciprofloxacin 1 8 0 Clarithromycin 2 0 0 Enrofloxacin 4 4 0 Flavophospholipol 1 0 0 Oxytetracyclin 2 2 2 Spiramycin 1 0 0 Sulfadiazin 1 4 3 Sulfadimidin 3 4 3 Sulfathiazol 2 0 1 Tetracyclin 13 2 8 Trimethoprim 0 0 2 Tylosin 1 0 1 Virginiamycin 0 1 0

Umweltfunde: Antibiotika (Human- und Veterinär-) Anzahl Umweltfunde, 3 Konzentrationsbereiche


Stoffeigenschaften:

Einige Antibiotikum-Wirkstoffe, z.B. Amoxicillin sind besser biologisch abbaubar als z.B. Tetracycline, Sulfonamide

Starke Sorption z.B. an Bodenpartikeln, Bildung Nicht-extrahierbarer Rückstände (NER)

Stoffe mit großen, kontinuierlichen Verbrauchs- und Eintragsvolumina, die trotz relativ guter Abbaubarkeit in relevanten Konzentrationen in der Umwelt gemessen werden, nennt man pseudo-persistent.

Wieso finden sich die „Top-Seller“ nicht auch in der Umwelt am häufigsten?


Aktivitäten des Umweltbundesamtes

Intensivierung der Beteiligung an der Deutschen Antibiotika-Resistenzstrategie (DART) seit 2011, z.T. Vertretung des BMU.

Fachliche Mitorganisation der internationalen Experten-Arbeitstagung „Antimicrobial Resistance in the Environment: Assessing and Managing Effects of Anthropogenic Activities“, vom 04.03.2012 bis zum 09.03.2012 in Montebello, Québec, Kanada. 41 geladene Teilnehmer aus Industrie, Wissenschaft, Behörden. Hintergrund Public Health, Microbiology, Environment. Tagungsergebnisse werden in mehreren Artikeln in Fachzeitschriften (z.B. EHP Environmental Health Perspectives) veröffentlicht. Vorhaben im Rahmen des UFOPLAN 2011. „Entstehung und Ausbreitung von Antibiotika-Resistenzen in Mikroorganismen unter umweltrelevanten Arzneimittel-Konzentrationen, Berücksichtigung dieser Umweltwirkung bei der Umweltrisikobewertung von Arzneimitteln“, FKZ 3711 63 423


„Entstehung und Ausbreitung von Antibiotika-Resistenzen in Mikroorganismen unter umweltrelevanten Arzneimittel-Konzentrationen, Berücksichtigung dieser Umweltwirkung bei der Umweltrisikobewertung von Arzneimitteln“, FKZ 3711 63 423

Fachbegleitung UBA: Jens Schönfeld Vertretung Silvia Berkner, Silke Hickmann Laufzeit: 19 Monate, 01.09.2011 – 31.03.2013

F&E-Vorhaben UFOPLAN zu Antibiotika-Resistenzen in der Umwelt

Aktivitäten des Umweltbundesamtes


Der Schwerpunkt des Gesamtvorhabens liegt auf WP 3, der Erarbeitung eines konkreten Vorschlages zur Integration von Testsystemen in die Umweltrisikobewertung Zwischenbericht wird derzeit erstellt.

Vorhabenstruktur – Arbeitspakete (WP)

1. Darstellung des aktuellen Kenntnisstandes

2. Bewertung des Kenntnisstandes und Ermittlung des weiteren Forschungsbedarfs

3. Erarbeitung von Vorschlägen zur Stoffbewertung und -Regulierung

4. Erarbeitung einer Publikation


Untersuchungsfragen + Struktur – Work package 2

Bewertung des Kenntnisstandes und Ermittlung des weiteren Forschungsbedarfs

1. Können Antibiotikarückstände zur Entstehung und Verbreitung von Antibiotikaresistenzen beitragen (Bewertung der Literatur aus WP 1)? (WP 2.a)

2. Können mit den heute vorliegenden Daten Wirkschwellen von Antibiotika abgeleitet werden? (WP 2.a)

3. Besteht Forschungsbedarf hinsichtlich der Entwicklung von Testmethoden ? Gibt es Testmethoden, die geeignet sind, Resistenzentwicklung- und Verbreitung in natürlichen Mikroorganismen nachzuweisen? (WP 2.b)

Beispiel Vorgehen Vorhabenbearbeitung

Prüfung der Ausgangshypothese

Identifikation von Methoden zur Effektbewertung, Datenlücken, Forschungsbedarf


WP 3 Erarbeitung von Vorschlägen zur Stoffbewertung und - Regulierung

1. Welche Aussagekraft haben abzuleitende Wirkschwellen gegenüber dem natürlichen Vorkommen von Resistenz in der Umwelt? Ist es notwendig, die Resistenzproblematik in die bestehenden Arzneimittelleitfäden zur Umweltrisikobeurteilung von Antibiotika einzuarbeiten? (WP 3.a)

2. Wie kann eine Einarbeitung der Resistenzproblematik in die bestehenden Arzneimittelleitfäden konkret gestaltet werden? Können mit den heute vorliegenden Daten Wirkschwellen von Antibiotika abgeleitet werden? (WP 3.b)


test system resistance profiling of bacterial isolates

Derivation of minimum inhibitory concentrations (MICs) of isolates

Selective plating of bacteria

Detection of resistance genes in bacterial isolates

Qualitative detection of resistance genes in environmental DNA

Quantitative detection of resistance genes in environmental DNA

Use of RNA for qualitative / quantitative resistance gene detection

Analysis of clone libraries

High-throughput sequencing

MIC predictions

specific for "natural" resistance? possibly, if selective media are used that exclude enteric

possibly, if selective media are used that exclude enteric



no, as the host of the resistance genes is unknown





no, as human strains are used for predictions

generally applicable (no need for pre-information)

yes yes yes no - resistance gene sequence needed for primer

no - resistance gene sequence needed for primer



yes no - resistance gene sequence needed for data

no - existing MIC data needed

relevance small: only a small part of total environmental

small: only a small part of total environmental



high: contribution of non-culturable bacteria, but





unknown: although relevant on theoretical

Limit of detection dependent on sampling effort - with 100 isolates

MIC distributions can be obtained from almost all

in soil: generally, 100 / g soil // in water, roughly 3 /

dependent on sampling effort - with 100 isolates

medium: genes detectable at about 10^5 copies / g soil

medium: genes detectable at about 10^5 copies / g soil

unknown - no applications yet


dependent on the number of sequences per

theoretically high

specificity depending on the degree of naturally occuring resistance

depending on the degree of naturally occuring resistance



high, unless primers are not specific enough



high high theoretically high

reproducibility unknown for environmental samples. When

unknown for environmental samples. When

unknown for environmental samples, in food

When performed with isolates from unspecific media,

potentially high, but seldomly tested

high ( approx. 0.5 log unit) // check literature


not relevant

sensitivity: effect size of distinguishable effects

low: large numbers of isolates have to be screened to


theoretically, about 1 log unit difference (factor 10)


// check chi-square statistics

generallly, about 1 log unit difference



xxx evaluate literature xxx

theoretically high

standardisation standardised tests existing for resistance profiling

standardised tests existing for MIC derivation and

standardised tests existing for cultivation of

no standardized methods for PCR detection

no standardized methods for PCR from environmental



no standardisation no standardisation no standardisation

validation / quality controls quality controls exist for MIC testing of intestinal bacteria

quality controls exist for MIC testing of intestinal bacteria

none existing positive / negative controls are common during

positive / negative controls are common during



cost effectiveness (material) 100 - 1000 E / sample

100 - 1000 E / sample

10 - 100 per sample 100 - 1000 E / sample

< 10 E / sample ca. 10 E / sample ca. 10 E / sample >1000 / sample? > 2000 E / sample 0

test throughput 10 / week 10 / week max. 30 / week 10 / week 50 / week 50 / week 30-50 / week 1 / months 1 / month (but depending on existance of

complexity of test method low medium low medium medium medium medium - high high high (data analysis) medium

need for specialized equipment no - general microbiology lab techniques

general microbiology lab (+ specialized plate

no - general microbiology lab

general molecular microbiology lab techniques

general molecular microbiology lab techniques (+ DNA



high-throughput screening techniques

access to high-throughput sequencer

no


Zur vertiefenden Lektüre:

Keen, Patricia L. / Montforts, Mark H. M. M. Antimicrobial Resistance in the Environment 1. Edition February 2012, John Wiley & Sons 624 Pages, Hardcover ISBN 978-0-470-90542-5 Ashbolt et al. 2013. Human health risk assessment (HHRA) for environmental development and transfer of antibiotic resistance. To be published in Environmental Health Perspectives soon.


Vielen Dank.

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