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Antibiotika-Resistenzmechanismen
20. Oktober 2011
Biochemisches Praktikum WS 2011/2012
Patricia KahlCharlotte Schäfer
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Definition: Antimikrobielle Medikamentenresistenz
• Erworbene Fähigkeit eines Mikroorganismus, der Wirkung einer chemotherapeutisch eingesetzten Substanz zu widerstehen, gegen die er normalerweise empfindlich ist
• Geht allein vom Mikroorganismus aus
• Wirt ist an Resistenz nicht beteiligt
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Ursprung der Entwicklung von Resistenzmechanismen
• Antibiotika werden von Mikroorganismen (Bakterien und Pilzen) produziert
• Dienen der Zerstörung oder Neutralisierung der in der Umwelt vorhandenen Antibiotika
• Bakterien passen sich aufgrund kurzer Generationszeiten schnell an veränderte Umweltbedingungen an → Selektionsvorteil
• Mit Einführung der Antibiotikatherapie in der Medizin steigt die Resistenzrate
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Arten der Resistenz
• Natürliche Resistenz:
Resistenzeigenschaften, die auf einer Wirkungslücke des Antibiotikums beruhen
• Erworbene Resistenz:
Resistenzeigenschaften, die durch Mutation im eigenen Genom oder durch horizontalen Gentransfer von anderen Bakterien entstanden sind
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Resistenzmechanismen
1. Verminderung der Antibiotikakonzentration
2. Produktion inaktivierender Enzyme
3. Resistente Zielmoleküle
4. Evolutiv modifizierte Stoffwechselwege
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1. Verminderung der Antibiotikakonzentration
a)Unzugänglichkeit der Zielstruktur:
Antibiotikum kann aufgrund einer Permeabilitätsbarriere nicht in die Zelle gelangen
Beispiel: Penicillin kann die äußere Membran gramnegativer Bakterien nicht durchdringen
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⟹ die Zielstruktur, das Peptidoglycangerüst, kann nicht erreicht werden
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1. Verminderung der Antibiotikakonzentration
b)Effluxpumpen:
Ausschleusung des Antibiotikums aus der Zelle durch membran-assoziierte Transportproteine
Beispiel: Enterobakterien können energieabhängig Tetracycline als Kation-Tetracyclin-Komplex im Austausch gegen ein Proton aus der Zelle schleusen
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2. Produktion inaktivierender Enzyme
• Enzymatische Inaktivierung antimikrobieller Wirkstoffe durch Spaltung oder Modifikation
Beispiel: Enzymatische Hydrolyse von β-Lactamen durch β-Lactamasen bei Staphylococcen
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3. Resistente Zielmoleküle
a)Fehlende Zielstruktur, gegen die das Antibiotikum gerichtet ist
Beispiel: Mycoplasmen sind aufgrund fehlender Zellwand resistent gegen Penicillin
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3. Resistente Zielmoleküle
b)Veränderung der Zielstruktur, gegen die das Antibiotikum gerichtet ist (durch Mutation, Modifikation oder Gentransfer)
Beispiel: Veränderung einer Aminosäure im 30S-Ribosom von E. coli führt dazu, dass Streptomycin nicht mehr binden kann
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4. Evolutiv modifizierte Stoffwechselwege
• Wirkt das Antibiotikum gegen einen bestimmten Stoffwechselweg, kann Resistenz durch alternative Stoffwechselwege entstehen
Beispiel: Sulfonamide stören die Herstellung von Folsäure in Bakterien → Resistente Enterobakterien haben Stoffwechsel umgestellt und nehmen Folsäure aus der Umwelt auf
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Verbreitung von Resistenzen
• Austausch von Genmaterial durch horizontalen Gentransfer:
1. Transformation
2. Transduktion
3. Konjugation
→ Resistenzeigenschaften werden zwischen Bakterien ausgetauscht
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1. Transformation
• Bakterielle Aufnahme frei vorliegender DNA aus der Umwelt
• Kann nur von wenigen Spezies ausgeführt werden (z.B. E. coli)
• Abhängig von der Stabilität der freien DNA in der Umwelt
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2. Transduktion• Temperente Phagen schleusen ihr Genom zur
Replikation in die Bakterienzelle (Wirt) ein, wodurch es zur lytischen Infektion kommt
• Resistenz-codierende Wirts-DNA kann versehentlich mit in die Phagen-DNA verpackt werden
• Platzt die Zelle, wird ein Lysat aus normalen Virionen und transduzierenden Partikeln freigesetzt
• Infiziert dieser transduzierende Partikel ein weiteres Bakterium, wird auch die Resistenz durch genetische Rekombination weitergegeben
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3. Konjugation
• Austausch von genetischem Material über Cytoplasma-Brücken, d.h. durch direkten Zell-zu-Zell-Kontakt
• Dieser Vorgang wird von Plasmiden selbst codiert
• Übertragung von Resistenzplasmiden, auf denen die Antibiotika-Resistenzgene liegen
• Große Effizienz
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Multiresistenzen
• Ein Erreger gilt als multiresistent, wenn er gegen mehrere Antibiotika unempfindlich ist
• R-Plasmid kann mehrere Antibiotikaresistenzgenetragen
• Beispiel: Plasmid R100 verleiht EnterobacterienResistenz gegen Sulfonamide, Streptomycin, Spectinomycin, Fusidinsäure, Chloramphinicolund Tetracyclin
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MRSA
• Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus
• Hat Resistenzen gegen fast alle bekannten antimikrobiellen Wirkstoffe entwickelt
• Häufiger Erreger von nosokomialen Infektionen
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Minimierung der Antibiotikaresistenzen
• Ausreichend hohe Dosierung und Anwendungsdauer → Tötung der gesamten Mikrobenpopulation
• Kombination zweier verschiedener Wirkstoffe aus unterschiedlichen Kategorien → Ein Erreger ist selten gegen zwei Wirkstoffklassen resistent
• Einstellung der Verwendung eines Antibiotikums → Wiederherstellung der Wirksamkeit nach bestimmter Zeit
• Verbesserte Standardhygiene
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Bestimmung von Antibiotikaresistenz
• Über die minimale Hemmkonzentration (MHK)
• Die MHK ist die niedrigste Konzentration, die sichtbares Wachstum eines Mikroorganismus grade verhindern kann
• MHK wird mit Verdünnungsreihe bestimmt
• Bedingt durch die MHK-Grenzwerte Einteilung in empfindliche, intermediär empfindliche und resistente Bakterien
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Hemmhoftest
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• Antibiotikum diffundiert in den Agar
• Bei Resistenz ist kein Hemmhof zu erkennen
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Literaturverzeichnis• Michael T. Madigan, John M. Martinko (2006): Brock
Mikrobiologie, 11. überarbeitete Auflage, Pearson Studium
• Dr. Petry-Hansen, Praktikumsskript Mikrobiologie WS 2010/2011
• Prof. Dr. H. C. Flemming, Skript Mikrobiologie I, SS 2010• http://edoc.ub.uni-
muenchen.de/6100/1/Hoelzel_Christina.pdf (14.10.2011)• http://www.gesundzuhause.de/fileadmin/user_upload/D
ateien_PDF/KH_0107_Artikel_Wiedemann.pdf(14.10.2011)
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