NPK2011: Resistenz und Toleranz bei Bakterien - Ist Silber mehr als ein Edelmetall?

Resistenz und Toleranz – Ist Silber mehr als ein Edelmetall? Thomas U. Keller, Mikrobiologe/Biochemiker Niederrheinischer Pflegekongress 28.-29.09.2011

Mannschaftssport

Wie funktioniert diese Verteidigung?

Überlebensstrategien: Teambildung

Kolonisierung neuer Welten

Der Biofilm

Das Team

FC Augenklinik Augsburg

Jo M. Martin et al. Molecular Biology: New Dimension for Cutaneous Biology and Wound Healing; J. of Invetigatind Dermatology, Vol 130, 2010

Jo M. Martin et al. Molecular Biology: New Dimension for Cutaneous Biology and Wound Healing; J. of Invetigatind Dermatology, Vol 130, 2010

Das Leben im Biofilm (Genetic finger printing)

Das Leben im Biofilm (Genetic finger printing)

Jo M. Martin et al. Molecular Biology: New Dimension for Cutaneous Biology and Wound Healing; J. of Invetigatind Dermatology, Vol 130, 2010

  Der Biofilm ist eine organisierte Gemeinschaft verschiedener Kulturen

  Der Zusammensetzung des Biofilms hängt von der Wunde ab

  Im Biofilm herrscht eine Symbiose zwischen anaeroben und aeroben Bakterienarten.

  Die vorhandenen Rohstoffe (Exudat) bestimmen den Alltag

Das Leben im Biofilm (Genetic finger printing)

Jo M. Martin et al. Molecular Biology: New Dimension for Cutaneous Biology and Wound Healing; J. of Invetigatind Dermatology, Vol 130, 2010

Der Schutz

Die Abwehrlinie

Der Biofilm

Abwehr von Feinden

Abwehrkampf der Natur: Antibiotika

Survival of the fittest

Antibiotika

Antibiotika (v. altgriech. ἀντί- „anstelle, gegen“ und βίος „Leben“ mit lateinischer Endung; Einzahl Antibiotikum) sind im ursprünglichen Sinne natürlich gebildete, niedermolekulare Stoffwechselprodukte von Pilzen oder Bakterien, die schon in geringer Konzentration das Wachstum von anderen Mikroorganismen hemmen oder diese abtöten.

Rettich

Blausäure

Atembeschwerden

Antibiotika in der modernen Medizin

Proteinsynthese: Aminoglykoside

Lincosamide

Makrolide Oxazolinoide

Tetracycline

Struktur und Funktion der DNA: Chinoline

Nitrofurane

Nitrimidazole

Zellwandaufbau: Bactracin

B-Laktam-Antibiotika

Fostomycin

Glykopeptide

Struktur und Funktion der Zellmembran: Colistin

Polymyxin

Ribosomen: Rifampcin

Folsäuresynthese Sulfonamide

Trimethoprin

Antibiotika in der modernen Medizin

Die meisten eingesetzten Antibiotika sind chemisch –kommen in der Natur in der Form nicht vor Die meisten Antibiotika sind max. 70 Jahre alt

Die Möglichkeit der weiteren chemischen Modifikationen sind beschränkt

Der Vorrat an neuen Antibiotika sinkt

Antibiotika in der modernen Medizin

Abwehrkampf der Bakterien I: Die Resistenz

Mechanismus der Resistenzbildung

Erkennnen

Abwehren

Weitersagen

Immunsystem

Erkennen Beta-Lactam Ring

Abwehren

Resistenz gegen Antibiotika:

•  Synthese von Enzymen (spontane Mutation,

selektive Mutation)

•  Stören/zerstören der 3D-Struktur

•  Inaktivieren der aktiven Komponente

•  Zerlegung in Einzelmoleküle

Weitersagen

Plasmid

Weitersagen zwischen gleichen Stämmen

MRSA=Methicillin-resistente Staph. aureus

EHEC

Weitersagen zwischen verschiedenen Stämmen

VRSA= Vancomycin resistente Staph. aureus

Abwehrkampf der Bakterien II: Die Toleranz

Survival of the fittest

Resistent! Resistent?

Nature: Vol 467/2 September 2010

Karitativ eingestellte Bakterien opfern sich für die Gemeinschaft

Survival of the fittest

Resistente Bakterien

Erhöhen der Pumpenleistung Bildung von Oxidantien

Sensible Bakterien

Tolerante Bakterien

Tod

Erschöpfung z.T. absterben

Vorteile:

1)  Rasche Reaktionszeit, da nur kleiner Teil resistent

2)  Sensibilisierung der Population Erhöhen der Überlebensrate

3)  Einfache Mechanismen, in der Zelle rasch umsetzbar

Nachteile:

Resistente Zellen können zugrunde gehen, da Produktion von Indol sehr energieaufwendig ist

Natürliches Antibiotikum: Ag+

Silber als Naturprodukt

Resistenz ? Penicillin Ag+

Resistenz Antibiotika:

•  Stören/zerstören der 3D-Struktur •  Inaktivieren der aktiven Komponente

•  Zerlegung in Einzelmoleküle

Resistenz Ag+

•  Ist bereits ein Einzelmolekül klassische Resistenz nicht möglich

Bakterien Innenraum (Cytoplasma)

Wie kommt das Silber in die Zelle Zelleigenes Pumpensystem

All Ding' sind Gift und nichts ohn' Gift; allein die Dosis macht, das ein Ding kein Gift ist

Philippus Theophrastus Aureolus Bombast von Hohenheim

Abwehr von Ag+

Abwehr von Ag+ (geringe Konzentration)

Abwehr von Ag+ (hohe Konzentrationen)

Membran-Pumpen, die den Stofftransport sowie die Zellatmung steuern

Abwehr von eindringendem Ag+

Toleranz gegen Ag+

Mechanismen:

•  Erhöhung der Pumpenleistung um Ag+ aus der Zelle zu befördern

•  Einbau von zusätzlichen Pumpen in die Membran um noch mehr

Ag+ aus der Zelle zu befördern.

•  „Auffangbecken“ für eindringende Menge Ag+

Minimale bakterizide Konzentration (MBC) •  MRSA = 60 ppm (Maple et al 1992) •  Acticoat-Konzentration gemessen in tryptic soy broth): 80-100 ppm •  (Yin et al, J Burn Care and Rehabil.1999;20:195-200)

Stoffklassen mit Ag+

Ag+ im Altertum

Ag+ im Mittelalter

Salbe

Silbersulfadiazine (SSD)

•  Wird primär bei Verbrennungen eingesetzt

•  Ag an Sulfadiazine gebunden Komplex wirkt an der Bakterienwand

•  Sulfadiazin:

toxische Wirkung gegenüber Knochenmark

Proinflammatorischer Effekt kann zu Verzögerung der Reepithalisation führen

Matrixgebundenes Silber

Matrixgebundenes Silber

Aktivkohle + Silber (Actisorb® Silver 220) Hydrofaser + Silber (Aquacel® Ag)

Schaumstoff + Silber (Avance®)

Hydrokolloid +Silber (Contreet® H )

S.Thomas JWC 2003

Schaumstoff + Silber (Allevyn® Ag)

Matrixgebundenes Ag+

Als Beispiel: CMC (Carboxymethylcellulose)

Matrixgebundenes Ag+

PU-Schaum

Chemischer «Haken» wird fest an PU-Schaum gebunden Ag+ löst sich in wässriger Lösung

Nanokristallines Silber

Das Wort "Nano" kommt aus dem Griechischen und heißt "Zwerg". Im wissenschaftlichen Sprach-gebrauch steht "Nano" für eine Größen-ordnung einer Einheit . Ein Nanometer (abgekürzt: 1 nm) steht für ein milliardenstel Meter (1/1.000.000.000 m = 10-9m). Das heißt ein Meter entspricht genau einer Milliarde (109) Nanometer .

Oder

10 Wasserstoffatome in einer Reihe messen 1 nm

Nanokristallines Silber

Nanokristallines Silber

SILCRYST™ is a trademark of NUCRYST Pharmaceuticals Corp. and Acticoat™ is trademark of Smith & Nephew plc

Herstellung von nanokristallinem Silber (Actiocat©)

SILCRYST™ is a trademark of NUCRYST Pharmaceuticals Corp. and Acticoat™ is trademark of Smith & Nephew plc

Polyestermatrix

SILCRYST™ is a trademark of NUCRYST Pharmaceuticals Corp. and Acticoat™ is trademark of Smith & Nephew plc

Beschichtung des nanokristallinen Silber

SILCRYST™ is a trademark of NUCRYST Pharmaceuticals Corp. and Acticoat™ is trademark of Smith & Nephew plc

REM der nanokristallinen Membran

Oberfläche Querschnitt SILCRYST™ is a trademark of NUCRYST Pharmaceuticals Corp. and Acticoat™ is trademark of Smith & Nephew plc

Nanokristallines Silber

Ag0

Ag+

Nanokristallines Silber

Polyestergerüst

Nanokristallines Silber aktiviert

Ag+

Ag+

Ag+ Ag+ Ag+ Ag+

Ag+ Ag+

Ag+ Ag+

Ag+

Ag+ Ag+

Ag+

Ag+

Ag+ Ag+

Ag+ Ag+ Ag+

Ag+

Ag+

Ag+ Ag+ Ag+

Ag+

Ag+ Ag+

Ag+

Ag+

Nanokristallines Silber Acticoat®

Ag+

Ag+

Ag+

Ag+

Ag+

Ag+

Ag+

Ag+

Ag+ Ag+

Ag+

Ag+ Ag+

Ag+

Ag+

Ag+

Zusammenfassung

• Praktisch alle bekannten Resistenzen sind gegen synthetisch hergestellte Antibiotika festgestellt worden

• Gegen Antibiotika ist der karitative Effekt lebensrettend (Zeit)

• Silber ist ein natürliches Molekül

• Bakterien können Silber nicht bekämpfen

• Bakterien können durch geeignete Massnahmen die Toleranz gegen Silber erhöhen

• Silber soll in hoher Konzentration verwendet werden um Toleranzen zu vermeiden (Zeitfaktor)