Mikrobiologische Untersuchungen

(Untersuchungen, mikrobiologische)

Um durch Mikroorganismen (Parasiten, Pilze, Bakterien und Viren) verursachte Krankheiten schnell und gezielt zu behandeln und ggf. eine Verbreitung des Erregers in der Bevölkerung zu verhindern, ist es notwendig, den verantwortlichen Erreger zu identifizieren. Dieser Text gibt einen Einblick in die Methoden, die zur Identifizierung von Krankheitserregern zur Verfügung stehen.


Welche Arten von Krankheitserregern gibt es?
Die Mikrobiologie ist die Lehre von den Ursachen der Infektionskrankheiten. Mikroorganismen sind überall vorhanden, doch nur ein kleiner Teil verursacht Infektionskrankheiten. Die für den entsprechenden Wirt (z. B. den Menschen) schädlichen Mikroorganismen bezeichnet man als pathogen.

Eine wichtige Aufgabe mikrobiologischer Untersuchungen ist die Bestimmung der Art der Mikroorganismen und ihre Unterscheidung gegenüber nicht krankmachenden (apathogenen) oder nur unter bestimmten Umständen krankmachenden (fakultativ pathogenen) Erregern. Manchmal ist es zusätzlich möglich, Medikamente auf ihre Wirksamkeit gegen den ermittelten Erreger zu testen und dadurch die Behandlung zu optimieren (Resistenzprüfung, Antibiogramm).

Die Erreger von Infektionskrankheiten lassen sich in verschiedene Gruppen unterteilen:

Bakterien und bakterienähnliche Mikroorganismen
Bakterien sind einzellige Lebewesen, die sich durch Querteilung ungeschlechtlich vermehren. Sie sind zwischen 0,2 und 5 µm (Mikrometer) groß und haben keinen umwandeten Zellkern. Ihre DNA liegt also nicht wie in der menschlichen Zelle im Zellkern, sondern frei in der Zelle. Die meisten Bakterien haben eine Zellwand. Manche können Sporen (sehr widerstandsfähige Dauerformen) bilden, manche haben eine Schleimkapsel, andere besitzen die Möglichkeit, sich fortzubewegen oder sich an Zellen anzuheften. Beispiele sind Streptokokken, Staphylokokken, Salmonellen, E. coli.

Sonderformen sind Chlamydien und Rickettsien. Beide Arten können sich nur in Zellen vermehren. Mykoplasmen besitzen keine Zellwand.

Medikamente gegen Bakterien nennt man Antibiotika. Es gibt kein Antibiotikum, das gegen alle krankheitserregenden Bakterien wirkt. Deshalb ist eine gezielte Therapie nur möglich, wenn man weiß, welches Bakterium eine Krankheit auslöst. Manche Krankheiten werden immer durch die gleiche Art Bakterien ausgelöst (z. B. Syphilis, Lepra, Tuberkulose), andere Krankheiten können durch verschiedene Bakterienarten verursacht werden (z. B. Harnwegsinfekt, Wundeiterung). In einer Bakterienart gibt es oft Stämme, die auf manche Antibiotika reagieren und auf andere nicht. Die Wirksamkeit von Antibiotika kann im Labor getestet werden.

Bakterien können sich so verändern, dass sie nicht mehr auf die Antibiotikatherapie ansprechen - sie werden resistent. Schwierigkeiten bereiten Bakterien, die multiresistent geworden sind, also auf viele verschiedene Antibiotika nicht mehr ansprechen. Momentan gehört dazu eine Unterart des Staphylococcus aureus, der MRSA (Methizillinresistente Staphylococcus aureus). Gegen Viren sind Antibiotika unwirksam.

Viren
Viren haben keine Zellstruktur und keinen eigenen Stoffwechsel. Um sich zu vermehren, sind sie auf eine Wirtszelle angewiesen. Dafür schleusen sie ihre Nukleinsäure in die Wirtszelle ein. Diese produziert dann neue Viren. Viren haben genetisches Material, das (im Gegensatz zu Bakterien oder Zellen) entweder aus DNA oder aus RNA besteht, aber nicht aus beiden. Viren verursachen zum Beispiel Masern, Mumps, Röteln, auch die Grippe, Herpes oder AIDS.

Medikamente gegen Viren nennt man Virustatika. Geeignete Mittel gegen Viren sind schwer zu entwickeln, da das Virus in die Wirtszelle eingebaut ist und die Medikamente somit auch auf die Wirtszelle wirken. Außerdem müssen die Medikamente im Verlauf der Erkrankung früh eingesetzt werden, am besten wenn sich das Virus vermehrt. Die Krankheitssymptome treten jedoch meist erst auf, wenn diese Phase bereits durchlaufen ist.

Prione
Prione sind Eiweißmoleküle, die eine teilweise veränderte Abfolge von Aminosäuren besitzen und sich daher in ihrer räumlichen Struktur von den normalerweise gebildeten Eiweißen des Menschen unterscheiden. Ein Nachweis von genetischem Material ist bei Prionen bisher nicht gelungen. Sie lösen Krankheiten wie Scrapie bei Schafen, BSE bei Rindern oder die neue Variante der Creutzfeldt-Jakob-Erkrankung beim Menschen aus. Diese Krankheiten werden als übertragbare spongiforme Enzephalopathien bezeichnet. Prionen werden durch Hitze von über 100 °C, Desinfektionsmittel und andere Chemikalien nicht vernichtet. Eine Therapie ist bislang nicht bekannt.

Pilze
Pilze haben relativ große Zellen und einen Zellkern. Die Zellwand besteht vorwiegend aus Zellulose oder Chitin. Sie vermehren sich durch Hyphenbildung und/oder Sprossung und können Dauerformen (Sporen) bilden. Von mehr als 50.000 Pilzarten sind nur ungefähr 200 als Infektionserreger des Menschen bekannt. Die meisten Pilzinfektionen treten bei einer abgeschwächten Immunabwehr auf.

Parasiten
Parasiten (Mitesser, Schmarotzer) leben ganz auf Kosten ihres Wirtes. Sie ernähren sich vom Darminhalt, dem Körpergewebe oder den Körpersäften des Wirtes. Zu ihnen gehören parasitische Würmer (z. B. Spulwürmer, Bandwürmer), Protozoen (Einzeller) und Gliederfüßler (z. B. Milben als Ursache der Krätze).

• Protozoen
  Protozoen (Einzeller, Urtierchen) sind frei oder parasitisch lebende, einzellige Organismen. Sie sind zwischen 1 µm und 300 µm groß und können sich fortbewegen (Wimpertierchen, Geißeltierchen, Wurzelfüßler). Die Erreger der Toxoplasmose, der Malaria und der vaginalen Trichomoniasis sind Protozoen.
  
• Würmer
  Sie sind in den Entwicklungsländern weit verbreitet und häufig ein Zeichen ungenügender Hygiene. In Deutschland treten nur einige wenige Wurmerkrankungen gehäuft auf. Hierzu zählen der Rinder- und Schweinebandwurm sowie bei Kindern der Madenwurm.

Wie sollen Proben für den Erregernachweis entnommen werden?

Eine Infektionskrankheit kann direkt durch den Nachweis des Erregers, seiner Bestandteile oder seiner Produkte diagnostiziert werden. Der indirekte Nachweis erfolgt durch Bestimmung der vom Körper als Reaktion auf die Infektion gebildeten Antikörper.

Eine mikrobiologische Untersuchung beginnt mit dem Sammeln einer erregerhaltigen Probe. Eine korrekte Abnahme des richtigen Materials und ein adäquater Transport müssen sicher gestellt sein. Die Proben können aus Blut, Stuhl, Urin, Auswurf, Rückenmarksflüssigkeit, Sekreten, Eiter oder Gewebe bestehen, oder es können Abstriche z. B. von Schleimhäuten entnommen werden.

Der Transport muss in geeigneten Gefäßen zügig geschehen. Die für den Transport verwendeten Gefäße enthalten teilweise Nährmedien (z. B. für eine Blutkultur), andere Gefäße werden nur mit dem Material gefüllt. Welches Medium man benutzt, hängt vom Material und vom gesuchten Erreger ab. In ein Marmeladenglas abgefüllter Urin vom Vortag kann zwar im Labor untersucht werden, das Ergebnis ist jedoch nicht zu verwenden. Durch den langen Transport wachsen neben den krankheitsauslösenden Erregern auch die Umgebungs- und Hautkeime, so dass sich dann eine Mischbesiedlung verschiedener Keime zeigt, die keinen Aussagewert besitzt.

Die Treffsicherheit des Erregernachweises hängt entscheidend von der Probenentnahme ab, die durch verschiedene Fehlerquellen verfälscht werden kann. Hierzu zählen:

• nicht geeignetes Material (nicht erregerhaltig)
  
• eine unsaubere Probengewinnung
  
• eine falsche Lagerung oder ein unsachgemäßer Transport des Probenmaterials vor der Untersuchung.

Wie können die Erreger identifiziert werden?

Bakterien können unter dem Lichtmikroskop bei 1000facher Vergrößerung dargestellt werden, wenn die Probe sehr viele Bakterien enthält. Sie können lebend (die Darstellung wird durch optische Methoden der Dunkelfeld- oder der Phasenkontrastmikroskopie verbessert) oder nach speziellen Färbungen tot dargestellt werden.

Spezielle Färbungen lassen Differenzierungen der Bakterien zu. Bei der Fluoreszenzmikroskopie wird ein fluoreszierender Farbstoff benutzt, der im Licht einer bestimmten Wellenlänge leuchtet. Bei der Immunfluoreszenz wird der leuchtende Stoff an einen (hergestellten) Antikörper gekoppelt. Kommt der Antikörper mit dem entsprechenden Antigen (Strukturen des Erregers, die vom menschlichen Körper als fremd erkannt werden) in Kontakt, wird eine Leuchtreaktion hervorgerufen.

Für die genaue Bestimmung der Bakterienart ist das Anlegen einer Kultur aus dem gewonnenen Material notwendig. Ziel ist eine Reinkultur, die nur aus identischen Erregern gemeinsamer Abstammung besteht. Nachdem die Kultur 24 bis 48 Stunden bebrütet wurde, sind auf den Nährböden Bakterienkolonien sichtbar. Das für eine bestimmte Bakterienart typische Aussehen lässt dann eine genauere Bestimmung zu. Durch die Zugabe verschiedener Antibiotika kann man das Wachstum der Bakterienkolonien behindern und so die Empfindlichkeit der Bakterien gegenüber einzelnen Antibiotika prüfen (Antibiogramm, Resistenzprüfung). Eine bereits begonnene Therapie muss dann eventuell entsprechend dem Ergebnis der Resistenzprüfung auf ein wirksameres Antibiotikum umgestellt werden.

Der Nachweis von Erregern kann auch über die Bindung von Antikörpern gegen bestimmte Antigene erfolgen. Durch die Kopplung der Antikörperbindung mit einer sichtbaren Reaktion kann z. B. eine Schnelldiagnose bei Scharlach (ß-hämolysierende Streptokokken der Gruppe A) erfolgen.

Wenn eine Kultivierung oder eine biochemische Analyse sehr langwierig ist oder sich Erreger in ihren Form- und Stoffwechselmerkmalen nur gering unterscheiden, werden molekularbiologische Verfahren angewendet. Dazu zählt zum Beispiel die so genannte DNA-Hybridisierung. Dabei wird ein bekannter Abschnitt des Erbguts eines bekannten Erregers (die so genannte Sonde) mit dem isolierten Erbgut eines unbekannten Erregers gemischt. Stimmen Sonde und Probe in der Abfolge ihrer molekularen Bausteine überein, binden sie sich unter bestimmten Bedingungen aneinander. Auf diese Weise ist eine fast 100prozentige Identifizierung eines Erregers möglich.

Ein weiteres molekularbiologisches Verfahren ist die so genannte Polymerasekettenreaktion (PCR). Sie ermöglicht die schnelle Vervielfältigung bestimmter Abschnitte des Erbguts eines Lebewesens und damit die Bestimmung der Erregerart. Die Methode ist schnell und weist eine hohe Treffsicherheit auf.

Serologische Methoden weisen Antikörper im Blut des Patienten nach. Antikörper werden gebildet, wenn ein Erreger eindringt und als fremd erkannt wird - oder auch krankhafterweise bei Allergien. Sie sind ein Teil der körpereigenen Infektabwehr. Antikörper werden in mehrere Klassen unterteilt: Sind nur IgM-Antikörper vorhanden, spricht dies für eine frische Infektion. In der Regel werden zwei Blutproben im Abstand von ein bis zwei Wochen entnommen. Bei einer akuten Infektion zeigt sich dann ein deutlicher Anstieg der Antikörperkonzentration in der zweiten Probe (Titeranstieg). IgG-Antikörper werden dagegen später gebildet und können teilweise lebenslang nachweisbar sein. Sie geben keinen Hinweis auf eine akute Infektion.

Viren können nicht im Lichtmikroskop gesehen werden, da sie zu klein sind. Sie wachsen auch nicht auf Nährböden, da sie auf eine Wirtszelle angewiesen sind. Für viele Fragestellungen reicht jedoch die Bestimmung von Antikörpern im menschlichen Blut aus. Diese können z. B. mittels Enzymbindungsverfahren (z. B. ELISA) nachgewiesen werden.

Ein direkter Virusnachweis kann durchgeführt werden, indem nur Teile des (nicht mehr infektiösen) Virus festgestellt werden. Das kann elektronenmikroskopisch erfolgen, wobei die Empfindlichkeit gering ist. Auch Antigennachweise mittels Immunofluoreszenzmethoden sind möglich. Ein empfindlicher Genomnachweis des Virus ist durch die Polymerasekettenreaktion gegeben.

Arbeits- und zeitaufwändig ist die Virusisolierung in Zellkulturen. Die entnommenen Proben müssen dafür noch infektiöse Viren enthalten. Das Verfahren kann abgekürzt werden, indem man erst Viren anzüchtet und mit molekularbiologischen Methoden entsprechende Antigene oder Genteile nachweist.

Prione werden in gewonnenem Gewebe (Nervengewebe, lymphatisches Gewebe) nachgewiesen. Antikörper bilden sich nicht.

Pilze können lichtmikroskopisch gesehen oder auf Nährmedien angezüchtet werden. Hierbei kann man Medikamente (so genannte Antimykotika) auf ihre Wirksamkeit testen. Zum Teil besteht die Möglichkeit, Antikörper im Serum des Menschen nachzuweisen oder das Antigen des Pilzes im Untersuchungsmaterial direkt zu bestimmen.

Protozoen lassen sich unter dem Lichtmikroskop erkennen. Auch Nachweise der Antikörper im Blut sind möglich. Teilweise lassen sich die Erreger kultivieren. Möglich ist auch, die PCR anzuwenden.

Würmer werden teilweise durch den Nachweis der Eier im Stuhl oder Urin diagnostiziert. Andere Parasiten sind schwerer nachzuweisen. Hier kommen zum Teil die anderen genannten Methoden zur Anwendung.

Wird immer eine mikrobiologische Untersuchung durchgeführt?

Manche Krankheitsbilder sind so eindeutig ausgeprägt, dass eine Erregerbestimmung meistens nicht notwendig ist (z. B. Masern, Röteln, Mumps bei Kindern). Bei anderen Krankheitsbildern ist eine Bestimmung im Regelfall nicht notwendig, da es ohnehin keine erregerspezifische Therapie gibt. Dies ist z. B. bei der Grippe, die durch verschiedene Grippeviren hervorgerufen werden kann, der Fall.

Bei bakteriellen Entzündungen der Atemwege (eitrige Bronchitis) sind die häufigsten Erreger bekannt, so dass in der Regel zunächst eine "Blindbehandlung erfolgt. Dieser Weg wird oft aus Gründen der Kosteneffizienz auch bei komplikationslosen Blasenentzündungen eingeschlagen. Besteht ein Infekt jedoch weiter oder leidet der Patient unter Komplikationen (Fieber, Flankenschmerzen), muss eine Bakterienkultur mit Resistenzprüfung und Antibiotika-Wirksamkeit erfolgen. Bis zum Erhalt des Ergebnisses nach zwei bis drei Tagen wird "blind behandelt, d. h. man wählt ein Antibiotikum, das meistens bei diesen Infekten hilft. Später kann abhängig vom Ergebnis des Antibiogramms auf ein wirksameres Antibiotikum umgestellt werden.

Bei der Vielzahl der Infektionserkrankungen und der entsprechend großen Zahl mikrobiologischer Diagnosemöglichkeiten besteht die Aufgabe des Arztes darin, bei einer Verdachtsdiagnose die entsprechenden Untersuchungen (teilweise in Zusammenarbeit mit dem Labormediziner) zu veranlassen, um eine möglichst schnelle und effiziente Diagnose zu erhalten. Eine "Schrotschussdiagnostik nützt dem Einzelnen nicht und ist für die Allgemeinheit finanziell belastend.

Literatur/Leitlinien/EBM:

Brock T.D., Madigan M.T., Martinko J., Parker J.: The biology of microorganisms (1994).

Kaiser F, Bienz K, Eckert J, Zinkernagel R: Medizinische Mikrobiologie. Thieme (10. Auflage 2001).