Forschungsschwerpunkt Staphylococcus aureus: „EinBlick“ in die Forschung von Professorin Barbara Kahl aus Münster

Der Mukoviszidose e.V. fördert viele unterschiedliche Forschungsprojekte zur Mukoviszidose. Mit der neuen Reihe „EinBlick in die Forschung“ möchten wir mit Euch einen Blick in die Projekte der von uns geförderten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler werfen. Heute geht es um die Forschung von Professorin Barbara Kahl, die als Expertin für das Bakterium Staphylococcus aureus bei Mukoviszidose-Patienten gilt.

Prof. Dr. Barbara Kahl, Universität Münster
Prof. Dr. Barbara Kahl, Universität Münster

Professorin Barbara Kahl – eine international anerkannte S. aureus Expertin

Professorin Barbara Kahl von der Universität Münster ist Medizinische Mikrobiologin und eine ausgewiesene Expertin für Staphylococcus aureus (S. aureus) Infektionen bei Mukoviszidose-Patienten. Insgesamt 35 Publikationen zu dem Thema hat sie schon veröffentlicht. Sie leistet damit ein wichtiges und notwendiges Gegengewicht zu der oft auf Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) fokussierten mikrobiologischen Mukoviszidose-Forschung. Der Mukoviszidose e.V. hat bislang drei Forschungsprojekte von Professorin Kahl unterstützt.

Staphylococcus aureus ist typischer „früher“ Keim bei Mukoviszidose

Staphylococcus aureus auf Agarplatten
Staphylococcus aureus auf Agarplatten

Für Patienten mit Mukoviszidose zählt das Bakterium S. aureus zu den krankmachenden Bakterien und ist ein typischer „früher“ CF-Keim, der bei mehr als der Hälfte der Kinder und jungen Erwachsenen nachgewiesen wird. Auswertungen von Daten aus dem Deutschen Mukoviszidose-Register zeigen, dass S. aureus in sogar 62.5% der mikrobiologisch untersuchten Proben von Kindern unter zwei Jahren gefunden wurde.

Bei jungen Erwachsenen (ab ca. 25 Jahren) nimmt die Häufigkeit wieder ab. Ein typischer „später“ CF-Erreger ist dann P. aeruginosa, der bei bis zu 70% der untersuchten Patienten nachgewiesen wird. [1] 

S. aureus bei Mukoviszidose: Therapieempfehlungen gibt es nicht

S. aureus ist demnach einer der ersten bakteriellen Erreger, der die Lunge von CF-Kindern kolonisiert oder auch infiziert – doch ist bei dem Nachweis von S. aureus aus den Atemwegen von CF-Erkrankten oft nicht klar, ob es sich um eine reine Kolonisation handelt, die harmlos ist, oder aber ob es sich um eine Infektion handelt, die unbedingt antibiotisch therapiert werden sollte. Da S. aureus über ein großes Arsenal an aggressiven Substanzen (Virulenzfaktoren) verfügt, ist eine schädigende Rolle anzunehmen und bei Kindern auch in klinischen Studien gezeigt worden [2, 3]. Darüber hinaus wird diskutiert, ob S. aureus bei CF-Patienten eine Rolle als Wegbereiter für die späteren P. aeruginosa-Infektionen darstellt. Bislang gibt es weder national noch international anerkannte Empfehlungen zur Therapie von S. aureus bei CF-Patienten.

Bei Kindern mit Mukoviszidose lässt sich S. aureus bereits früh im Rachen nachweisen [4]

Bei Gesunden ist S. aureus vor allem in den vorderen Bereichen der Nase nachweisbar. Studien von anderen Infektionen mit S. aureus haben gezeigt, dass die nasale Besiedlung mit dem Erreger einer weiteren S. aureus-Infektion, wie z.B. einer Wundinfektion, vorausgeht.

Daher war die Idee, dass bei Kindern mit Mukoviszidose eine S. aureus-Besiedlung der Nase einer Infektion der tieferen Atemwege vorausgehen könnte. Wenn das so wäre, könnte eine lokale antibiotische Therapie der vorderen Nase möglicherweise eine weitere Infektion der unteren Atemwege verhindern. In der ersten durch den Mukoviszidose e.V. geförderten Studie von Professorin Kahl wurden daher in einer multizentrischen Studie (vier Zentren) 80 junge Patienten eingeschlossen, die mit 109 nicht-Mukoviszidose-Kindern verglichen wurden. Dabei zeigte sich, dass die CF-Kinder eine höhere nasale Besiedlung (28/80, 35%) aufwiesen als die nicht-CF-Kinder (20/109; 18%), allerdings war auch sehr früh eine große Anzahl der CF-Kinder (35/80, 44%) im Vergleich zu den nicht-CF Kindern (20/109; 18%) bereits im Rachen besiedelt. Diese Ergebnisse ließen den Schluss zu, dass eine Behandlung des vorderen Nasenbereichs keine Möglichkeit darstellt, um die weitere Infektion mit S. aureus zu verhindern.

1963 mikrobiologische Proben von 183 Patienten im Verlauf von 21 Monaten: ein Schatz für die Mukoviszidose-Forschung

Staphylococcus aureus in Plastikröhrchen zum Einfrieren
Staphylococcus aureus in Plastikröhrchen zum Einfrieren

Für eine weitere vom Mukoviszidose e. V. unterstützte klinische Studie hat Professorin Kahl zwischen 2008 und 2011 in Kooperation mit insgesamt 17 CF-Zentren mikrobiologische Proben von 183 Mukoviszidose-Patienten, von denen ein chronischer Nachweis mit S. aureus bekannt war, untersucht. Die Patienten mussten mindestens sechs Jahre alt sein und durften vor und während der Studienzeit keinen chronischen P. aeruginosa-Nachweis haben. Die Proben wurden in regelmäßigen Abständen über einen Zeitraum von 21 Monaten im Rahmen der Routineuntersuchungen oder bei Exazerbationen in das Labor nach Münster gesandt, wobei zeitgleich klinische Daten (u. a. Lungenfunktion und Entzündungsmarker) erhoben wurden. Insgesamt wurden 1963 mikrobiologische Proben (394 Sputumproben, 782 Rachenabstriche, 753 Nasenabstriche und 34 Nasenspülungen) untersucht, aus denen fast 4.000 S. aureus-Isolate angezüchtet wurden. Diese umfassende Stammsammlung stellt einen Schatz für die CF-Forschung zu S. aureus dar. Inzwischen resultieren bereits drei Veröffentlichungen aus dieser Studie. [5, 6, 7].

Welche Ergebnisse liegen vor?

Die Proben wurden hinsichtlich der Bakteriendichte, des bakteriellen Wachstums (normaler oder „small colony variant, SCV“ Phänotyp), der Virulenzfaktoren und der Zuordnung zu bestimmten S. aureus-Stämmen untersucht und in Bezug zu den klinischen Daten gestellt (Verschlechterung der Lungenfunktion, Nachweis des Entzündungsmarkers Interleukin-6, Co-Infektion mit den Erregern Stenotrophomonas maltophilia (S. maltophilia) oder Aspergillus fumigatus (A. fumigatus)). Ergebnisse hierzu wurden 2016 und 2020 publiziert. [5, 6, 7]

Interleukin 6 (Il-6) als sensitiver Biomarker für S. aureus assoziierte Verschlechterung der Lungenfunktion?

Eine Verschlechterung der Lungenfunktion (FEV1 %) konnte bei Patienten im Verlauf der Studie mit höherer S. aureus-Dichte im Rachenabstrich beobachtet werden, sowie bei Patienten, von denen eine auffällig kleine Wachstumsform des Erregers nachweisbar war (SCVs) oder wenn eine Co-Infektion mit dem Bakterium S. maltophilia auftrat. Der Entzündungsmarker Il-6 war im Blutserum erhöht, wenn die Bakteriendichte im Sputum hoch war, wenn eine Co-Infektion mit dem Bakterium S. maltophilia oder dem Pilz A. fumigatus vorhanden war und wenn eine akute klinische Verschlechterung (Exazerbation) auftrat. Il-6 könnte daher als Entscheidungshilfe dienen, um zu erkennen, welche Patienten mit einem S. aureus Nachweis von einer antibiotischen Therapie profitieren könnten.

Die meisten Patienten weisen einen dominanten S. aureus-Stamm auf

Eine weitere Auswertung dieser Studie betraf die Zugehörigkeit der nachgewiesenen S. aureus-Isolate zu bestimmten S. aureus-Stämmen oder Klonen. Hierbei ging es um die Fragestellung, ob die aus den Proben einzelner Patienten isolierten S. aureus-Bakterien demselben Stamm zuzuordnen sind oder ob verschiedene Stämme in ein und demselben Patienten nachweisbar sind, was für mehrere unabhängige Infektionen sprechen würde. Auch lässt sich durch diese weitere Typisierung der Bakterien erkennen, ob bestimmte Stämme in den Zentren unter den Patienten übertragen wurden. Mikrobiologen nutzen hierfür einen bestimmten Genbereich, der eine Unterscheidung der S. aureus-Bakterien nach sogenannten „spa Typen“ erlaubt.

Auswertung der spa-Sequenzierung
Auswertung der spa-Sequenzierung

S. aureus-Stämme, die schon sehr lange einen Patienten besiedeln, konnten die Forscher anhand von minimalen genetischen Veränderungen im „spa Typ“ erkennen.  

Die Ergebnisse dieser Typisierung wurden mit den klinischen Daten wie Lungenfunktion, Alter und Antibiotikatherapie in Verbindung gebracht.

So konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass 8 spa Typen bei mehr als 10 von den 183 S. aureus-positiven Patienten auftraten. Diese 8 S. aureus-Stämme sind auch sonst häufiger bei anderen Infektionen, wie z.B. Blutvergiftungen, zu beobachten. Auch konnte gezeigt werden, dass Patienten, die oft mit Antibiotika behandelt wurden, meistens nur einen spa Typ aufwiesen, während ältere Patienten oft verwandte spa Typen aufwiesen oder neben einem dominanten spa Typ auch andere S. aureus-Stämme nachweisbar waren. Auf die Lungenfunktion haben sich diese unterschiedlichen Arten des S. aureus– Nachweises in dieser Studie jedoch nicht ausgewirkt, was möglicherweise an der recht kurzen Beobachtungszeit liegen könnte.

Relativ wenig MRSA in den Proben gefunden

Insgesamt wurden alle 3963 Isolate hinsichtlich der Resistenz untersucht und es wurden erfreulich wenig Methicillin-resistente S. aureus (MRSA) Stämme gefunden (2% MRSA), was in anderen Europäischen Ländern und insbesondere in den USA völlig anders aussieht. Da in einigen Studien gezeigt wurde [8], dass Patienten, die mit MRSA-Stämmen besiedelt oder infiziert sind, einen schwereren Krankheitsverlauf aufweisen, ist das für die deutschen CF-Patienten eine positive Information, dass solche resistenten S. aureus-Klone in unserer CF-Community so wenig vorhanden sind.

Sind bestimmte Virulenzfaktoren für eine klinische Verschlechterung verantwortlich?

Dieselben S. aureus-Isolate wurden auch hinsichtlich krankmachender bakterieller Eigenschaften (Virulenzfaktoren) untersucht, um darin eine mögliche Ursache für eine Exazerbation (klinische Verschlechterung) finden zu können. Diese Untersuchung wurde in einer weiteren Veröffentlichung vorgestellt [4].

Alle Proben wurden hinsichtlich 25 für S. aureus bekannte Virulenzgene mittels Polymerasekettenreaktion untersucht und bezüglich ihrer Zugehörigkeit zu einem S. aureus-Stamm (spa Typ) und dem klinischen Verlauf des Patienten ausgewertet.

Keine „Super-Virulenzgene“ gefunden

Die Analysen zeigten, dass die Pathogenität nicht von bestimmten Virulenzgenen abhängt, die Virulenzgene aber abhängig vom S. aureus-Stamm in typischen Kombinationen vorhanden sind und sich daher verschiedene S. aureus-Stämme hinsichtlich ihrer Pathogenität unterschieden.

Das Vorhandensein einzelner Virulenzgene war jedoch nicht mit einem schwereren klinischen Verlauf verbunden, d. h. die Suche oder Detektion nach „Super-Virulenzgenen“ hilft nicht für eine Beurteilung oder Vorhersage des klinischen Verlaufs bei S. aureus-Nachweis. Einschränkend muss darauf verwiesen werden, dass das eine solche Aussage sich ausschließlich auf die 25 untersuchten Virulenzfaktoren beziehen kann. Interessanterweise zeigte sich während des Langzeitverlaufs eine Abnahme der Virulenzgene, sodass daraus geschlossen werden kann, dass die Bakterien sich an die Umgebung anpassen und mit der Zeit durch Verlust von Virulenzfaktoren ungefährlicher werden.

Aktuelles Forschungsprojekt: Entstehung von Resistenzen sichtbar machen

Museumsbesuch aller CF-Tätigen
Museumsbesuch aller CF-Tätigen

Das aktuell vom Mukoviszidose e.V. geförderte Projekt von Professorin Kahl baut auf ihren bisherigen Forschungsarbeiten zu S. aureus auf: Sie untersucht darin die Entstehung von Resistenzen. In Kooperation mit zwei Mukoviszidose-Ambulanzen in Münster kann auf klinische Daten von mehr als 200 Mukoviszidose-Patienten und deren mikrobiologische Proben zurückgegriffen werden, z. T. auf regelmäßige Verlaufsproben seit mehr als 20 Jahren. In einer besonders aufwändig durchgeführten Studie wurden zunächst die Sputumproben von 14 Patienten, bei denen seit vielen Jahren S. aureus nachgewiesen wurde, über den Verlauf eines Jahres untersucht. Hierzu wurden aus jedem Sputum 40 S. aureus-Isolate ausgewählt und unter anderem im Hinblick auf die Resistenz gegenüber Antibiotika untersucht. Während der einjährigen Beobachtungszeit konnte bei einigen Patienten eine Dynamik der Resistenz gegenüber Antibiotika beobachtet werden. Mit Hilfe der Isolate aus diesen Sputen und den zum Teil seit mehr als 20 Jahren eingefrorenen S. aureus-Isolaten dieser Patienten soll die Entstehung von Antibiotika-Resistenzen rekonstruiert werden. Durch Gensequenzierungen und computergestützte Sequenzvergleiche können anhand der Genome Veränderungen der Resistenzgene wie im Zeitraffer angeschaut werden, sodass sich daraus Rückschlüsse auf die Resistenzentwicklung und eine unter Umständen begünstigende Antibiotikatherapie ziehen lassen.

Das Projekt hat Ende 2018 begonnen und läuft voraussichtlich bis Ende 2020. Der laienverständliche Abschlussbericht sowie eine Auflistung der aus dem Projekt (Nr. 1806) resultierenden Fachpublikationen werden anschließend auf unserer Internetseite unter „geförderte Projekte“ wie gewohnt zu finden sein.

Dr. Sylvia Hafkemeyer

Infokasten: Ein Bakterium, das sehr gut an den Menschen angepasst ist

Staphylococcus aureus (S. aureus) ist ein Erreger, der häufig nicht nur Gesunde, sondern noch viel häufiger auch Menschen mit bestimmten Erkrankungen (Diabetiker, Nierenerkrankte, Mukoviszidose-Betroffene und viele andere) besiedelt. Besonders ist der Erreger in den Nasenvorhöfen zu finden und kann sich von dort auf den ganzen Körper verteilen. Gesunde Menschen können sich über die natürlichen Abwehrmechanismen in der Regel vor S. aureus schützen – auch wenn eine Besiedlung der vorderen Nasenregion nachweislich bei 20 bis 40 % der Gesunden vorhanden ist, wird ein „Abwandern“ in die tieferen Luftwege anscheinend erfolgreich verhindert. Anders als P. aeruginosa, der häufig in der Umwelt und in feuchten Bereichen zu finden ist, findet sich S. aureus ganz besonders auf der Haut und den Schleimhäuten der Menschen, von wo der Erreger auch mal in die Umgebung abgegeben werden kann und insbesondere über die Hände auf andere Personen übertragen werden kann.    

Infokasten: Antibiotika-Resistenzen bei S. aureus

Wie auch bei anderen Bakterien, führt der häufige Einsatz von Antibiotika in Klinik und Tierzucht dazu, dass sich Resistenzen entwickeln. In Kliniken und Tierställen sind vermehrt resistente S. aureus-Stämme wie der Methicillin-resistente S. aureus (MRSA oder auch Oxacillin-resistenter S. aureus, ORSA) nachweisbar, sodass insbesondere Personen und deren Angehörige, die in der Tiermast tätig sind, sowie Personen, die im Krankenhaus behandelt werden, einem größeren Risiko ausgesetzt sind, mit resistenten S. aureus-Erregern in Kontakt zu kommen. Vor allem der MRSA stellt weltweit ein großes medizinisches Problem dar, da diese Erreger häufig Resistenzen gegenüber mehreren verschiedenen Antibiotikaklassen besitzen und die MRSAs über Schmierinfektionen über nicht ausreichend desinfizierte Hände übertragen werden können.

Glossar

Aspergillus fumigatus (A. fumigatus): Schimmelpilz

Biomarker: messbare Werte oder Substanzen, die eine Erkrankung oder den klinischen Verlauf frühzeitig anzeigen können

Exazerbation: klinische Verschlechterung

Interleukin-6 (IL-6): körpereigenes Protein, welches als Signal fungiert und die Immunreaktion reguliert

Isolate: Ausdruck in der Mikrobiologie, wenn ein bestimmter Erreger aus einer Probe (Rachenabstrich, Sputum, andere Materialien) angezüchtet wird. So können aus einer Probe auch mehrere Isolate z.B. von S. aureus angezüchtet werden, die auf den Anzuchtmedien (Agarplatte) unterschiedlich aussehen: große und kleine Wachstumsformen (Kolonien).

MRSA: Methicillin (ein bestimmtes Antibiotikum, das zu den Penicillinen gehört) resistenter S. aureus

Oxacillin: ein bestimmtes Antibiotikum, das zu den Penicillinen gehört, ähnlich zu Methicillin

Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa): gramnegatives Stäbchenbakterium

Pathogenität: krankmachende Wirkung oder Eigenschaft

spa Typen: genetisch markante Bereiche zur Unterscheidung und Einteilung (Klassifikation) von S. aureus

Small Colony Variants, SCV: besonders kleine Wachstumsform von S. aureus-Kolonien

Staphylococcus aureus (S. aureus): grampositives, kugelförmiges Bakterium

Stenotrophomonas maltophilia (S. maltophilia): aerobes, gramnegatives Bakterium

Virulenzfaktoren: Substanzen, die von Bakterien abgegeben werden können und die Wirtszellen schädigen können

Virulenzgene: Gene, die das genetische Programm für die Herstellung von Virulenzfaktoren liefern

Literatur

1. Berichtsband 2018 aus dem Deutschen Mukoviszidose-Register

2. Gangell C, Gard S, Douglas T, et al. Inflammatory responses to individual microorganisms in the lungs of children with cystic fibrosis. Clin Infect Dis 2011; 53:425-32.

3. Sagel SD, Gibson RL, Emerson J, et al. Impact of Pseudomonas and Staphylococcus infection on inflammation and clinical status in young children with cystic fibrosis. J Pediatr 2009; 154:183-8.

4. Ridder-Schaphorn S, Ratjen F, Dubbers A, et al. Nasal Staphylococcus aureus carriage is not a risk factor for lower-airway infection in young cystic fibrosis patients. J Clin Microbiol 2007; 45:2979-84.

5. Lange J, Heidenreich K, Higelin K, et al. Staphylococcus aureus Pathogenicity in Cystic Fibrosis Patients-Results from an Observational Prospective Multicenter Study Concerning Virulence Genes, Phylogeny, and Gene Plasticity. Toxins (Basel) 2020; 12.

6. Westphal C, Gorlich D, Kampmeier S, et al. Antibiotic Treatment and Age Are Associated With Staphylococcus aureus Carriage Profiles During Persistence in the Airways of Cystic Fibrosis Patients. Front Microbiol 2020; 11:230.

7. Junge S, Görlich D and Reijer M et al. Factors associated with worse lung function in Cystic Fibrosis patients with persistent Staphylococcus aureus; 2016 in PLoS One 2016 Nov 18;11(11):e0166220

8. Dasenbrook EC. Update on methicillin-resistant Staphylococcus aureus in cystic fibrosis. Curr Opin Pulm Med 2011; 17:437-41.

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