Borreliose oder wie knackt man eigentlich Biofilme?

DNA moleculesNachdem bereits mehrfach darüber berichtet wurde, dass Borrelien Biofilme bilden können, was – Hallo ID$A, DGN und DDG! – eine persistierende (sic!) Infektion verursacht, soll das Thema aufgrund von Nachfragen gerne noch ein wenig vertieft werden.

Dass die Bedeutung von Biofilmen bis heute medizinisch unterschätzt wird, ist mehr als erstaunlich, denn Biofilme waren eine der ersten Untersuchungsobjekte früher Mikrobiologen.

Erste Biofilm-Forschung bereits im 17. Jahrhundert

Der Naturforscher Antoni van Leeuwenhoek kratzte sich 1683 seinen Zahnbelag von den Zähnen und untersuchte ihn mithilfe eines Mikroskops. Die Bakterien, die er sah, nannte er “animalculi”; es war wohl der erste bekannte und untersuchte Biofilm. Zuvor hatte er bereits Protozoen und Bakterien in Wasser und im menschlichen Speichel nachgewiesen, was ihm Hohn und Spott seitens der Royal Society eintrug. Wir sehen, im Bereich der Wissenschaft haben sich die Reaktionen auf neue Erkenntnisse über die Jahrhunderte kaum geändert.

Erstaunlich ist, dass man erst in den 1970ern erkannte, dass es diese bakteriellen Biomassen in nahezu jeder Umgebung gibt. Um 1990 begannen Wissenschaftler eine erste Idee von der Komplexität dieser Bakterien-Gemeinschaften zu entwickeln. Warum erst so spät? Der Mikrobiologe, Professor Robert Kolter: “Biofilme zu untersuchen, ist zunächst vor allem eine radikale Abkehr früherer Arbeiten.” Wer möchte schon neue Wege gehen, wenn die bekannten so bequem und ausgetreten sind?

Nomaden versus Siedler?

Wie die meisten Mikrobiologen wurde Kolter in der Tradition von Robert Koch und Louis Pasteur ausgebildet, die sich jedoch noch mit Bakterien”nomaden” beschäftigten. Sie untersuchten einzelne frei umherziehende Bakterien (planktonische Bakterien) und keine Bakteriensiedlungen. Kolter: “Das hat die moderne Mikrobiologie weit nach vorne gebracht, doch es hat sie auch von einer organismischen Sicht auf die Bakterien abgelenkt. Wir dachten, mit reinen planktonische Kulturen zu arbeiten, ist die einzige Art zu arbeiten. Doch in der Natur leben Bakterien nicht so; tatsächlich leben sie in gemischten, Oberflächengemeinden.”

Obwohl sich die Forschung an Biofilmen inzwischen rege entwickelt, konzentriert man sich immer noch hauptsächlich auf “externe Biofilme” oder auf solche, die auf Oberflächen in der Natur vorkommen. Biofilme können Rohre verstopfen, Lebensmittel verderben und Implantate infizieren. Siehe auch z. B: http://www.wissenschaft-aktuell.de/artikel/Wie_Bakterien_gefaehrliche_Biofilme_auf_kuenstlichen_Herzklappen_bilden1771015588027.html

“Interne Biofilme” dagegen scheinen bislang kaum näher untersucht worden zu sein, obwohl sie für bis zu 80 % aller chronischen oder “auto-immunen” Krankheiten verantwortlich sein sollen. Die Gründe sind verständlich: Es ist schwierig mit heterogenen Biofilmen zu arbeiten; verglichen mit homogenen planktonischen Erregern. Schwierige Labortechniken schrecken ab.

Einige Unentwegte haben sich in den vergangenen Jahren dennoch immer wieder daran gemacht. In kürzester Zeit stellte sich heraus, dass unzählige Krankheiten durch die Dauerbesiedelung von Erregern verursacht werden. Übrigens können nicht nur Bakterien Biofilme bilden, sondern auch Viren, Pilze und andere Erreger!

Obwohl Biofilme in der Natur allgegenwärtig sind, wird ihre klinische Bedeutung in der Medizin beharrlich unterschätzt.

Da ein großer Teil des anfänglichen mikrobiologischen Instrumentariums im Zuge großer Seuchen entwickelt wurde, geschah dies mit Schwerpunkt auf die frei schwebenden (planktonischen), sich schnell teilenden Bakterien, die für akute Infektionen (siehe Henle-Koch-Postulate) verantwortlich sind. Die hier geforderte Isolation und Reinkultur im Labor führt allerdings zu beträchtlichem Genverlust der Bakterien unter herkömmlichen Laborbedingungen und schließlich zum Verlust der Fähigkeit zur Biofilmbildung. Deswegen und aufgrund der Ruhephasen entziehen sich Biofilme häufig neben dem Nachweis durch konventionelle Verfahren der Mikroorganismenkultur auch der eingehenderen Untersuchung.

Moderne Techniken zur Visualisierung, Lokalisierung und Identifizierung von Biofilm-Organismen mittels Fluoreszenzmikroskopie haben inzwischen zu einem besseren Verständnis der Biofilme beigetragen. Im Zuge der Biofilmreifung kommt es in der Existenzphase, koordiniert durch das Quorum sensing, zum Ablösen größerer Bakterienansammlungen. Dadurch entsteht eine Quelle für Keime, die zu chronischen und wiederkehrenden Infektionen von Patienten (Bakteriämie) und unter Umständen bis hin zur häufig tödlichen Sepsis führen.

Biofilme werden mit einer ganzen Reihe von Infektionen in Verbindung gebracht. Beispiele hierfür sind: Wundinfektionen, bakterielle Endokarditis, Parodontitis, Urethritis, Prostatitis, Zahnkaries, Periimplantitis, chronische Mittelohrentzündung bei Kindern und LYME-BORRELIOSE! Auch etwa die Hälfte der nosokomialen Infektionen sind auf chirurgische Implantate mit Biofilmbesiedelung zurückzuführen. Das sind keine guten Nachrichten, weil die Bekämpfung dieser Infektionen aufgrund der häufig anzutreffenden Antibiotikum-Resistenz (das Krankenhaus als Trainingscenter!) der Bakterien im Biofilm (u. a. durch verstärkten horizontalen Gentransfer, Bildung von „Persistern“ und hoher Diversität) in vielen Fällen sehr schwierig ist.

Warum kommen die Symptome einer Lyme-Borreliose immer wieder zurück?

Wenn man den Ausführungen des Biofilm-Pioniers Costerton folgt, kann man mit den üblichen Antibiotika-Dosierungen, die gegen planktonische Erreger verwendet werden, nichts ausrichten. Der Biofilm wird durch solche Dosen nicht eliminiert. Es sieht daher bei Biofilm-Erkrankungen so aus, als ob die Krankheit immer wieder käme. De facto kommt sie aber nicht immer wieder; sie ist in Wahrheit nie weg gewesen. Der Biofilm siedelt ungerührt vor sich hin und schickt nach wie vor immer wieder neue Abspaltungen (Shedding) auf die Reise durch unseren Körper, was erneut Symptome auslöst – ein bekannter Kreislauf.

Was “knackt” Biofilme?

Laut Costerton ist beispielsweise Hitze sehr wirksam; Hitze und Oxydantien können das Schutzschild der Polysaccharide durchbrechen und auflösen. Wasserstoffperoxyd ist sehr effektiv – leider kaum innerlich anzuwenden. Kälte wiederum hat keinen Effekt auf Biofilme.

Costerton und sein Team haben sich oft gefragt, warum eine chronische Infektion nicht selbstheilend verläuft. Vor diesem Hintergrund beschäftigten sie sich u. a. auch mit der Mukoviszidose (Cystische Fibrose). Die Lunge der meisten von dieser vererbten Stoffwechsel-Erkrankung betroffenen Erwachsenen weist eine chronische Besiedelung mit dem Bakterium Pseudomonas aeruginosa (neben etlichen anderen) auf, was häufig zu einer Verschlechterung der Lungensituation führt.

Einige der Bakterien, z. B. Pseudomonas aeruginosa, bilden zusammen mit dem zähen Schleim einen Biofilm in der Lunge der Erkrankten. Durch den zähen Schleim finden die Bakterien einen idealen Nährboden vor, in dem sie sich regelrecht verschanzen und für Antibiotika nur schwer zugänglich sind. Hier werden hochdosierte Antibiotika-Gaben meist intravenös und in dreimonatigen Abständen über eine Dauer von 14 Tagen verabreicht. Eine leider nicht sehr nachhaltige Strategie. Antibiotika, die die Kommunikation der Bakterien untereinander stören, wären hilfreich. Gelänge es, die Informationsmoleküle zu kappen, wäre bei den Siedlern und Multiresistenzlern schnell Schluss mit lustig – ihnen würde buchstäblich der Schleim unter den Füßen weggezogen. Erste Ansätze sind womöglich Furanone und andere Signal-Störer?!

Wie bringt man die Bakterien zum Schweigen?

http://www.uzh.ch/news/articles/2006/2041.html

http://www.transkript.de/nachrichten/wissenschaft/2012-01/72-mio-euro-fuer-biofilm-inhibitor.html
http://www.eurekalert.org/pub_releases/2004-12/uons-nwi120704.php
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2764226/
http://www.hagalil.com/archiv/2005/06/bakterien.htm

Costerton et al. untersuchten die IgG und fanden Immunkomplexe bzw. Antikörper, die mehrere Antigene binden. Dennoch konnten die Antikörper dem Biofilm nichts anhaben und zirkulierende Immunkomplexe richten enormen Schaden an. Diese Patienten wurden, so Costerton, schließlich mit Cortison (Prednison) behandelt. In weiteren Versuchen konnte gezeigt werden, dass Biofilme sowohl Antibiotika, als auch Antikörpern und Phagozyten widerstehen. Die Leukozyten (weiße Blutkörperchen) drehen förmlich durch, weil sie merken, dass da fremde Erreger sind, die sie erledigen sollten, aber sie können nicht zu ihnen vordringen. Die Schleimschicht der Polysaccharide verhindert das wirkungsvoll.

Nichts von dem, was bei planktonischen Bakterien funktioniert, gelingt bei Biofilm-Erregern. Als nächstes, so Costerton, feuern die weißen Blutkörperchen wahllos Enzyme in das Gewebe. Das juckt den Biofilm auch nicht, aber das umliegende Gewebe wird davon zerstört. Ein biofilm-befallenes künstliches Hüftgelenk lockert sich daher in Windeseile, weil das umgebende Gewebe sehr rasch zerstört wird. Darum unterdrückt man bei Kindern mit Mukoviszidose das Immunsystem. Die Entzündungen geraten ansonsten völlig außer Kontrolle, so Costerton.

Die US-Behörde CDC schreibt, dass mindestens 65 Prozent aller infektiösen Probleme, die Ärzte zu Gesicht bekommen, Biofilm-Infektionen sind. Biofilm-Infektionen gab es schon immer, allerdings waren zunächst die akuten Infektionen wie Diphterie oder Scharlach von Belang. Gegen sie konnte man erfolgreich mit Antibiotika und Impfungen ankommen. Menschen mit chronischen Infektionen, meint Costerton, lebten einfach nicht lange genug, um diese Infektionen ins Blickfeld zu rücken. Mit einer akuten Infektion überlebte man oder nach ein paar Tagen war die Sache gelaufen. Heute überleben auch viele Menschen mit einer chronischen Infektion. Costerton schreibt, Plaque auf den Zähnen hatten die Menschen schon immer, dennoch habe sich die Art der Bakterien bzw. die Bakterienstämme verändert. Durch Antibiotika waren die Bakterien gezwungen, ihre Überlebensstrategien anzupassen. Gleiches gilt auch für Bakteriophagen; Viren, die von Bakterien leben, auch dagegen hilft es, nicht als planktonischer Einzelgänger durch den Organismus zu wandern und von Phagen gefressen zu werden. Biofilm-Bildung ist einfach eine Überlebensstrategie.

Anfang der 1990er waren es Ingenieure, die sich mit Biofilm-Bildung befassten – nicht Mediziner und auch keine Mikrobiologen. Korrosion und Beläge auf Metall waren Probleme, für die eine Lösung gefunden werden sollte. Es gelang. In einer perfekten aeroben Umgebung herrscht dennoch in einem dünnen Biofilm eine total-anearobe Schleim-Atmosphäre. Das erklärte auch etwas, worüber sich Costerton immer gewundert hat. Wenn sie Hautbiopsien nahmen, fanden sie 80 Prozent Anaerobier. Ein Antibiotikum gegen aerobe Erreger wäre in dem Fall meist zum Scheitern verurteilt. Jeder Biofilm ist ein Mix aus Bakterien, die in jedem, wirklich jedem physischen Zustand wachsen können, schreibt er.

Wir bauen uns einen Biofilm

Bakterien gelangen auf eine Oberfläche/ins Gewebe und verändern sich genetisch. Sie beginnen damit, den “Schleim” zu bilden, errichten Türme und “Kanäle”. Aus dieser Masse besteht zu 85 % die schützende Matrix, 15 % sind Zellen. Die Türme werden immer höher. In Versuchen hat man herausgefunden, dass Biofilme elastisch wie Gummi sind und sich anpassen können. Je härter der Druck ist, je mehr man diese Filme mechanisch zerstören will, desto stärker passt sich dieser Film an, bis er schließlich so hart wie Plaque werden kann, der kaum noch zu entfernen ist. Es wurden auch Versuche mit UV-Licht und Ozon gemacht. Ozon ließ den Biofilm erst richtig aufblühen und UV-Licht konnte nichts ausrichten. Immerhin: Elektrische Impulse erwiesen sich bei Biofilmen im Wasser als wirksam.

Gibt es einen Biofilm-Phänotyp?

Dann untersuchte man Pseudomonas aeruginosa. Die planktonischen Vertreter dieser Gattung waren völlig anders aufgebaut als die Biofilm-Vertreter dieser Gattung. Nicht ein einziges Protein war vergleichbar. Die These: Es gibt einen Biofilm-Phänotyp. Alle Bakterien verfügen über die gleichen Gene in ihrer DNA, aber sie exprimieren verschiedene, je nach Situation. Der Biofilm-Phänotyp ist völlig anders als die planktonische Zelle. Man hat es mit einer fantastischen genetischen Veränderung zu tun, fast wie ein völlig anderer Organismus. Proteine in ihrer Zellwand verändern sich, Proteine in ihren Membranen verändern sich und sie alle sind spektakulär resistent.

Costerton: Penicillin funktionierte nicht, weil es keine penicillin-bindenden Proteine gibt; Streptomycin wirkte nicht, weil die Ribosomen alle unterschiedlich waren. Costerton meint, es müssten gezielt Antibiotika entwickelt werden, die gegen Biofilme wirken. Man hat mit Pheromonen und Ratten, die an Mukoviszidose leiden experimentiert und festgestellt: Es gibt ein Master-Signal zur Biofilmbildung.

Eine weitere Feststellung, die Costerton nach seinen Untersuchungen machte und uns nicht begeistern wird: Biofilme mit gram-negativen Organismen (Borrelien sind gram-negativ!) stoßen kontinuierlich Ektotoxine aus, die den Organismus zusätzlich schädigen. Niemand hat gesagt, dass es leicht wird …

Weitere Infos/Quellen:

http://bio-alive.com/lectures/microbiology.htm

http://bacteriality.com/2008/05/26/biofilm/#footnote_27_190

B. Jürschik-Busbach © 2013

Alle Artikel dieses Blogs können gerne zu nicht-kommerziellen Zwecken unter Angabe der Quelle/Autorin und dem Original-Link verbreitet werden.

 

 

 

 

 

Ein Kommentar zu Borreliose oder wie knackt man eigentlich Biofilme?

  1. Klaus Brutsch meint:

    Da schau her ich schick das in die Neurologie.

Kommentieren?

Die E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.

Folgende HTML-Tags können benutzt werden: <a href=""> <abbr title=""> <blockquote cite=""> <cite> <code> <em> <q cite=""> <strike> <strong>