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Michael Rieth Pharmazeutische Mikrobiologie Qualitätssicherung, Monitoring, Betriebshygiene Zweite, aktualisierte und ergänzte Auflage

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  • Michael Rieth

    Pharmazeutische Mikrobiologie Qualittssicherung, Monitoring, Betriebshygiene

    Zweite, aktualisierte und ergnzte Auflage

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  • Michael Rieth

    PharmazeutischeMikrobiologie

  • Michael Rieth

    Pharmazeutische Mikrobiologie

    Qualittssicherung, Monitoring, Betriebshygiene

    2., aktualisierte und ergnzte Auflage

  • Autor

    Michael RiethMerck KGaALS-QRB Biological MaterialsFrankfurter Str. 25064293 DarmstadtDeutschland

    TitelbildVeronika Emendrfer/VEROwww.veronika-emendoerfer.de

    2. Auflage 2017

    Alle Bcher von Wiley-VCH werden sorgfltigerarbeitet. Dennoch bernehmen Autoren,Herausgeber und Verlag in keinem Fall,einschlielich des vorliegenden Werkes, fr dieRichtigkeit von Angaben, Hinweisen undRatschlgen sowie fr eventuelle Druckfehlerirgendeine Haftung.

    Bibliografische Information derDeutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnetdiese Publikation in der Deutschen Nationalbi-bliografie; detaillierte bibliografische Daten sindim Internet ber http://dnb.d-nb.de abrufbar.

    2017WILEY-VCHVerlagGmbH&Co. KGaA,Boschstr. 12, 69469 Weinheim, Germany

    Alle Rechte, insbesondere die der berset-zung in andere Sprachen, vorbehalten. KeinTeil dieses Buches darf ohne schriftliche Ge-nehmigung des Verlages in irgendeiner Form durch Photokopie, Mikroverfilmung oderirgendein anderes Verfahren reproduziertoder in eine vonMaschinen, insbesondere vonDatenverarbeitungsmaschinen, verwendbareSprache bertragen oder bersetzt werden.Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen,Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen indiesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme,dass diese von jedermann frei benutzt werdendrfen. Vielmehr kann es sich auch dann umeingetragene Warenzeichen oder sonstige ge-setzlich geschtzte Kennzeichen handeln, wennsie nicht eigens als solche markiert sind.

    Umschlaggestaltung AdamDesign,Weinheim,DeutschlandSatz le-tex publishing services GmbH, Leipzig,Deutschland

    Print ISBN 978-3-527-34335-5ePDF ISBN 978-3-527-81052-9ePub ISBN 978-3-527-81050-5Mobi ISBN 978-3-527-81051-2oBook ISBN 978-3-527-81049-9

    Gedruckt auf surefreiem Papier.

  • V

    Qualitt ist kein Zufall; sie ist immer das Ergebnis angestrengten Denkens.

    John Ruskin (18191900), englischer Philosoph und Schriftsteller

  • VII

    Inhaltsverzeichnis

    Vorwort zur zweiten Auflage XIII

    Vorwort zur ersten Auflage XV

    Abkrzungen XVII

    1 Einfhrung in die Mikrobiologie 11.1 Historisches 21.2 Bedeutung 31.3 Mikroorganismengruppen 41.4 Die Bakterienzelle 111.4.1 Bakterienmorphologie 121.4.2 Bakterienphysiologie 131.5 Taxonomie der Mikroorganismen 181.5.1 Klassifikation 181.5.2 Nomenklatur 231.6 Medizinische Mikrobiologie 231.6.1 Infektionsrouten 23

    Literatur 27

    2 Rahmenbedingungen fr den Betrieb mikrobiologischerLaboratorien 31

    2.1 Gesetze und technische Regelwerke 312.2 Medizinische Betreuung der Mitarbeiter 362.3 Betriebsbeschreibung fr mikrobiologische Laboratorien 392.4 Einrichtung mikrobiologischer Laboratorien 412.4.1 Bentigte Gerte/Ausrstung 412.5 Nhrmedien 432.5.1 Flssige Nhrmedien (Bouillons) 432.5.2 Feste Nhrbden 442.5.3 Selektive Nhrmedien 472.5.4 Nhrmedien mit chromogenen Substraten 472.6 Rezepturen 52

  • VIII Inhaltsverzeichnis

    2.6.1 Eigene Herstellung 782.6.2 Einkauf 78

    Literatur 79

    3 Kalibrierung und Qualifizierung der Gerte 813.1 Waage 843.2 pH-Meter 853.3 Kolbenhubpipetten 853.4 Stoppuhr 853.5 Gerte zur Erreichung bestimmter Temperaturen 863.5.1 Thermometer 863.5.2 Brutschrank 873.5.3 Khlschrank/Khltruhe 893.5.4 Heiluftsterilisator 893.5.5 Autoklav 903.6 Clean Bench 913.7 Air Sampler 923.8 Partikelzhler 933.9 Messgert zur Bestimmung der Wasseraktivitt 963.10 Fotometer/Reader 973.11 Tube Reader fr Endotoxinbestimmungen 973.12 Fluoreszenzreader fr Endotoxinbestimmungen 99

    Literatur 99

    4 Stammhaltung 1014.1 Bezug 1014.2 Versand 1054.3 Lagerung 1064.4 Kultivierung 106

    Literatur 108

    5 Betriebshygiene 1095.1 Hygiene 1095.1.1 Arzneimittel- und Wirkstoffherstellungsverordnung (AMWHV) 1105.1.2 Was ist das Ziel der Betriebshygiene? 1115.1.3 Personalhygiene 1115.1.4 Aufnahme eines Hygienekatasters 1115.2 Mikrobiologische Grundlagen zur Hygiene 1125.2.1 Kontaminationsquellen whrend der Herstellung 1135.2.2 Einflussfaktoren der mikrobiellen Reinheit 1155.3 Hygienemanahmen 1155.4 Sterilisation, Desinfektion und aseptische Herstellung 1275.4.1 Sterilisation 1275.4.2 Desinfektion 1285.4.3 Asepsis 134

  • IXInhaltsverzeichnis

    5.4.4 Entwesung 1355.4.5 Pasteurisierung 1355.4.6 Konservierung 1355.5 Hygieneplan fr mikrobiologische Laboratorien 1355.6 Schdlingsbekmpfung (Pest Control) 1385.7 Hygienebeauftragte 1415.8 Durchfhrung von Hygieneschulungen 141

    Literatur 145

    6 Umgebungsmonitoring 1476.1 Methoden 1476.1.1 Prfung der Raumluft 1486.1.2 Prfung von Oberflchen 1496.1.3 Prfung der Mitarbeiter 1506.2 Mikrobiologisches Monitoring im Sterilittstest-Isolator 1526.2.1 Beispiel fr einen Isolator 1536.3 Physikalisches Monitoring in der Sterilproduktion 1566.4 Physikalischer Betrieb 1596.5 Auswertung der Mikroorganismen 1616.6 Register der Mikroorganismen 1626.6.1 Gram(+)-Bakterien 1626.6.2 Gram()-Bakterien 1666.6.3 Partiell surefeste Stbchen 1716.6.4 Hefen 1716.6.5 Pilze 172

    Literatur 173

    7 Qualittskontrolle 1757.1 Arzneibuchmethoden (Compendial Methods) 1757.1.1 Bestimmung von TAMC/TYMC und von spezifizierten

    Mikroorganismen 1777.1.2 Prfung auf Sterilitt 1807.1.3 Nachweis von fiebererzeugenden Substanzen 1827.1.4 Prfung auf ausreichende Konservierung 2057.1.5 Bestimmung von Antibiotikaaktivitten 2107.1.6 Bestimmung von Mykoplasmen 2117.1.7 Prfung auf Mykobakterien 2147.1.8 Auswertung von Bioindikatoren 2157.2 Nichtarzneibuchmethoden (Non-compendial Methods) 2187.2.1 Bestimmung von Vitaminkonzentrationen 2187.2.2 Bestimmung von 1,3--d-Glucanen 2247.2.3 Prfung von Packmitteln 2267.2.4 Nachweis probiotischer Bakterien 2297.2.5 Mikroskopische Zellgrenmessung 231

  • X Inhaltsverzeichnis

    7.2.6 Bioburden-Bestimmung von Reinigungs- undDesinfektionsmitteln 232

    7.2.7 Inokulationsversuche 2337.3 Tests unter Verwendung von Tiermodellen 2357.3.1 Kaninchen: Prfung auf Pyrogene Ph. Eur. 2.6.8 2367.3.2 Ratte: Allen-Doisy-Test 2377.3.3 Maus (Mus musculus): Prfung auf anomale

    Toxizitt Ph. Eur. 2.6.9 2387.3.4 Meerschweinchen (Cavia aperea): Prfung auf

    Histamin Ph. Eur. 2.6.10 2387.4 Zellkulturmethoden 2397.4.1 Betriebsbeschreibung eines Zellkulturlabors 2407.4.2 Passagierung von Zellen 2427.4.3 Bestimmung der Gesamtzellzahl und der Lebendzellzahl in der

    Zhlkammer 2437.5 Validierung der Arzneibuchmethoden 2447.5.1 Prfung auf Sterilitt 2447.5.2 Prfung auf TAMC/TYMC und spezifizierte Mikroorganismen 2477.5.3 Prfung auf Endotoxine 2567.5.4 Bestimmung von Antibiotikakonzentrationen 268

    Literatur 274

    8 Prozessvalidierungen 2778.1 Nhrmedienabfllung (Media Fill) 2788.1.1 Media Fill Fail 2838.1.2 Neue Entwicklungen bei denMedia-fill-Bouillons 2848.2 Entpyrogenisierung 2858.2.1 Entpyrogenisierungstunnel 2878.3 Validierung der Sterilisation mit trockener Hitze 2888.4 Validierung der Sterilisation mittels feuchter Hitze (Autoklav) 2908.5 Validierung der Sterilfiltration 2918.5.1 Validierung des Filtertyps 2928.5.2 Validierung des Filtrationssystems 2928.5.3 Integrittsprfung von Membranfiltern 2938.6 Container-Closure-Integrity-Test 2948.7 Reinigungsvalidierung 2988.7.1 Mikrobiologische Methoden in der Reinigungsvalidierung 300

    Literatur 301

    9 Mikrobiologische Untersuchung von Wasser 3039.1 Probennahme 3059.2 Probentransport 3069.3 Verwendung der verschiedenenWasserqualitten 3119.4 Gereinigtes Wasser (Aqua purificata, AP) 3119.5 HochgereinigtesWasser (HPW) 312

  • XIInhaltsverzeichnis

    9.6 Wasser fr Injektionszwecke (WfI) 3139.6.1 Rouging/Blacking 3139.7 Wasser zum Verdnnen konzentrierter Hmodialyselsungen 3149.8 Wasser zur Herstellung von Extrakten 3149.9 Trinkwasser 3169.10 Legionellen 318

    Literatur 321

    10 Mikrobiologische Schnellmethoden (Rapid MicrobiologicalMethods) 323

    10.1 Bestimmung ber den ATP-Gehalt 32410.2 Bestimmung ber den Einbau von Fluoreszenzmarkern 32710.2.1 Scan RDI (AES-Chemunex-bioMerieux) 32710.2.2 MilliflexQuantum (Merck) 32810.3 Durchflusszytometrie 329

    Literatur 331

    11 Automation im mikrobiologischen Labor 33311.1 Frbeautomaten 33311.2 Gerte zur Zhlung der Kolonien (KBE) 33411.3 Nhrmedienabfllautomat 33411.4 Automation des Endotoxintests 335

    Literatur 335

    12 Qualittssicherung 33712.1 Aufbau eines SOP-Systems 33712.2 Schulungen 33912.3 Audits und Inspektionen 34012.3.1 Verhalten bei Audits 34112.3.2 Selbstinspektionen 34212.3.3 Behrden-Audits 34312.3.4 Kunden-Audits 34412.3.5 Lieferanten-Audits 34412.3.6 Weitere Audits 34412.4 Vorgehensweise bei OOS- und OOE-Ergebnissen 34612.4.1 Prfung auf Endotoxine 34912.4.2 Prfung auf TAMC und TYMC 35012.4.3 Prfung auf Sterilitt 35112.4.4 Prfung auf Pyrogene 352

    Literatur 353

    13 Identifizierung von Mikroorganismen 35513.1 Wachstumskurve 35513.2 Generationszeit 35613.3 Herstellung von Reinkulturen 356

  • XII Inhaltsverzeichnis

    13.4 Sensorische und makroskopischeMerkmale 35713.5 Mikroskopische Untersuchung 35713.5.1 Mikroskope 35713.5.2 Mikroskopische Prparate 36013.6 Frbungen 36113.6.1 Farblsungen 36213.7 Prinzip der bunten Reihe 36413.8 Immunologische Verfahren 36613.9 PCR 36713.10 Gaschromatografie (FAME) 36813.11 FT-IR-Spektroskopie 36813.12 MALDI-TOF 369

    Literatur 370

    14 Reinigung, Sterilisation, Dekontamination und Entsorgung 37114.1 Reinigung 37114.2 Sterilisation 37214.2.1 Trockene Hitze (Heiluftsterilisator) 37214.2.2 Feuchte Hitze (Autoklav) 37214.2.3 Strahlung 37214.2.4 Gase 37314.2.5 Kinetik der Keimttung 37314.2.6 Bowie-Dick-Test 37414.2.7 Risikoanalyse fr Autoklaven 37414.3 Laborreinigung und -desinfektion 37714.3.1 Qualifizierung einer Laborsplmaschine 37914.3.2 Validierung 37914.4 Entsorgung infektisen Abfalls 38014.5 Desinfektionsmanahmen bei Havarien 380

    Literatur 381

    15 Prfungen im Lohnauftrag (Outsourcing) 383Literatur 384

    Mikrobiologische Netzwerke 385Literatur 387

    Adressen 389

    Fachliteratur 397

    Glossar 409

    Stichwortverzeichnis 411

  • XIII

    Vorwort zur zweiten Auflage

    Fr die zweite Auflage der Pharmazeutischen Mikrobiologie werden die mo-mentan aktuellen Themen low endotoxin recovery und Maskierung/Demas-kierung in das Kapitel ber den Endotoxintest aufgenommen. Wo immer mg-lich, werden die Bezge zu den neuen Ausgaben der Arzneibcher Ph. Eur. 9 undUSP 40/NF 35 hergestellt. Die Kapitel ber den media fill und ber das Wassersind aktualisiert, das Kapitel ber den Konservierungsmittelbelastungstest ist er-gnzt und der Bezug zur ISO-Norm hergestellt. Die Literaturverzeichnisse sindfortgefhrt, Literatur vor dem Jahre 2000 ist, sofern mglich, fortgelassen wor-den. Ferner erhht sich die Anzahl der Abbildungen deutlich, die Fotos werdenberwiegend in Farbe gedruckt. Viele Bilder von Bakterien (Mikroskopaufnah-men und Abbildungen von Kolonien auf der Petrischale) hat mir Herr Dr. ArminQuentmeier/TU Dortmund zur Verfgung gestellt; weitere Fotos stammen vonHerrn Dr. Michael Lohmeyer/Mikrobiologisches Labor Dr. Lohmeyer, Mnster,und vom Labor L+ S AG, Bad Bocklet. Allen sei herzlich gedankt!Schlielich sind die Druckfehler korrigiert. Hier danke ich auchHerrn Dr.Mar-

    cel Goverde fr seine Hinweise.Das neue Titelbild gestaltet wiederum die Darmstdter Knstlerin Veronika

    Emendrfer/VERO, der ich herzlich danke.

    Darmstadt, im Dezember 2016 Michael Rieth

  • XV

    Vorwort zur ersten Auflage

    In dem vorliegenden Buch werden die Aufgaben und Ttigkeiten der in den mi-krobiologischen Laboren der pharmazeutischen Qualittssicherung arbeitendenBiologielaboranten und Mikrobiologen beschrieben. Schwerpunkte sind die Me-thoden der Qualittskontrollprfungen einschlielich ihrer Validierungen, dieQualifizierungen und Kalibrierungen der dazu bentigten Gerte und Messin-strumente, das Umgebungsmonitoring in der Pharma- und Chemieproduktionsowie die Betriebshygiene. Eine derartige Zusammenfassung fehlte bisher in derdeutschsprachigen Fachliteratur. Vorgestellt werden in erster Linie bakteriolo-gische Methoden und Verfahren, jedoch werden auch Verweise auf Zellkultur-methoden und Tiermodelle gegeben. Moderne Techniken, Schlagwort rapidmicrobiological methods werden ebenfalls vorgestellt. Vor allem bei Verfahrenmit langen Inkubationszeiten wie beim Steriltest und der Prfung auf Mykobak-terien und Mykoplasmen werden krzere Analysenzeiten bentigt. Die Zukunftwird zeigen, ob diese Verfahren die klassischen Kultivierungstechniken, die gr-tenteils auf Robert Koch und andere Bakteriologen des spten 19. Jahrhundertszurckgehen, dauerhaft ersetzen knnen.Herzlich danke ich folgenden Kolleginnen und Kollegen fr die berlassung

    von Fotos und Abbildungen: Daniela Grabis (Merck KGaA), Monika Lamoratta(LanxessDeutschland GmbH, Leverkusen), Peter Hilgendorf (Daiichi Sankyo Eu-rope GmbH, Pfaffenhofen), Matthias Nagel (Hochschule Bremerhaven), ArminQuentmeier (Universitt Dortmund) und Manfred Rohde (Helmholtz-Zentrumfr Infektionskrankheiten, Braunschweig). Barbara Gerten (Merck KGaA) dankeich fr wertvolle Anregungen und Literaturhinweise.Ganz besonders danke ich der Knstlerin Veronika Emendrfer/VERO fr das

    Titelbild.

    Darmstadt, im Januar 2012 Michael Rieth

  • XVII

    Abkrzungen

    AL Aktionslimit (Aktionslevel)AMG ArzneimittelgesetzAMWHV Arzneimittel- und WirkstoffherstellungsverordnungAP Aqua purificataAPI analytical process indexat AtmosphreATCC American Type Culture CollectionATP Adenosin-5-triphosphataw WasseraktivittBBS Beauftragter fr Biologische SicherheitBfArM Bundesinstitut fr Arzneimittel und MedizinprodukteBG BerufsgenossenschaftBG RCI Berufsgenossenschaft Rohstoffe und Chemische IndustrieBiostoffV BiostoffverordnungBLV Bundesamt fr Verbraucherschutz und LebensmittelsicherheitBMELV Bundesministerium fr Ernhrung, Landwirtschaft und

    VerbraucherschutzBMwA Bundesamt fr wirtschaftliche Angelegenheiten (sterreich)BP British Pharmacopeia oder bubble pointBPLS Brilliantgrn Phenolrot Laktose Saccharose NhrmediumBSE Bovine spongiforme EnzephalopathieCCIT container closure integrity testCCOS Culture Collection of SwitzerlandCDC Centers for Disease Control and ProtectionCDCP Centers for Disease Control and PreventionCFDA 5(6)-Carboxy-Fluorescein-DiacetatCHCA -Cyano-4-hydroxycinnamic acidcft cubic feetCIP Collection de lnstitut Pasteur oder cleaning in placeCLED Cystein-Lactose-Elektrolyt-defizientes Nhrmediumcm ZentimeterCPM Curriculum fr pharmazeutische Mikrobiologie

  • XVIII Abkrzungen

    CSA Casein-Sojamehlpepton-Agar (=TSA)CSB Casein-Sojamehlpepton-Bouillon (=TSB)d Tag oder DurchmesserDa Dalton, Einheit der relativen molaren Masse,

    1Da = 1,66018 1024 gDAB Deutsches ArzneibuchDAkkS Deutsche AkkreditierungsstelleDAPI 4,6-Diamidin-2-phenylindolDEHS DiethylhexylsebacinsureDEV Deutsches EinheitsverfahrenDGFM Deutsche Gesellschaft fr Mykologie e. V.DGHM Deutsche Gesellschaft fr Hygiene und Mikrobiologie e. V.DIF Direkte ImmunfluoreszenzDIMDI Deutsches Institut fr Medizinische Dokumentation und

    InformationDIN Deutsche IndustrienormDKD Deutscher KalibrierdienstDMSO DimethylsulfoxidDNA DesoxyribonukleinsureDOP DioctylphthalatDQS Deutsche Gesellschaft zur Zertifizierung von

    ManagementsystemenDSM Deutsche Sammlung von MikroorganismenDSMZ Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und ZellkulturenEAM Eidgenssisches Amt des Messwesens (Schweiz)ECCO European Culture Collections OrganizationEDQM European Directorate for the Quality of Medicines and

    HealthcareEDTA EthylendiamintetraessigsureEE EndotoxineinheitenEEU endotoxin equivalent unitEHEC enterohmorrhagische Escherichia coliELC endotoxin limit concentrationELISA enzyme-linked immuno sorbent assayEtOH EthanolEU endotoxin unit (1 EU = 1 EE = 1 IU = 1 IE)FAME fatty acid methyl esterFDA Food and Drug AdministrationFLI Friedrich-Lffler-InstitutGBF Gesellschaft fr Biotechnologische ForschungGenTG GentechnikgesetzGLP good laboratory practiceGMP good manufacturing practiceGSF Gesellschaft fr Strahlen- und UmweltforschungGVPC Glycin-, Vancomicin-, Polymixin-, Cycloheximidagar

  • XIXAbkrzungen

    h StundeHEPA high efficiency particulate airfilterHPW highly purified waterHRP horseraddish peroxidaseHUS hmolytisch-urmisches SyndromHZI Helmholtz-Zentrum fr Infektionskrankheiten GmbHIDA International Depositary AuthorityIfSG InfektionsschutzgesetzIPA IsopropylalkoholIPT In-vitro-Pyrogen-TestIQ installation qualificationISO International Standardization OrganizationIU Internationale EinheitenIVSS Internationale Vereinigung fr Soziale SicherheitJP Japanische PharmakopeKBE Koloniebildende Einheiten (engl. CFU, colony forming units) Lysatempfindlichkeit Lambdal LiterLAL Limulus Amoebocyten LysatLER low endotoxin recoveryLF laminar flowLMX Laurylsulfat MUG X-GalaktopyranosidLPS LipopolysaccharidLRW LAL-Reagenz-Wasser (Ph. Eur.: Wasser zur BEP) oder limulus

    reagent waterLTA lipoteichoic acid (Lipoteichonsure)MALDI/TOF matrix-assisted laser desorption/ionization time of flightMAT Monozytenaktivierungstestm-CP modifizierter Cellobiose-Polymixin B-Agarmin MinuteMPG MedizinproduktegesetzMRI Max-Rubner-InstitutMRS Lactobacillus-Agar nach de Man, Rogosa und SharpeMVD maximum valid dilutionNAT Amplifikation von NukleinsurenNCTC National Collection of Type CulturesNCYC National Collection of Yeast CulturesOB ObjekttrgerOOC out of calibrationOD optische DichteODC OrnithindecarboxylaseKD sterreichischer KalibrierdienstOF Oxidation/FermentationONGP o-Nitrophenyl--d-galactopyranosidOOE out of expectation

  • XX Abkrzungen

    OOL out of limit/out of levelOOS out of specificationOOT out of trendPAO PolyalphaolefinePBS phosphatgepufferte SalinePCR Pseudoselagar oder PolymerasekettenreaktionPDA Parenteral Drug AssociationPEI Paul-Ehrlich-InstitutPh. Eur. Europische PharmakopepNA p-NitroanilinPOD PeroxidasePPC, PPK ProduktpositivkontrollePSA persnliche SchutzausrstungPVP Polyvinylpyrrolidon (=Povidon)PVDF PolyvinylidenfluoridPTB Physikalisch Technische BundesanstaltRCM reinforced clostridial mediumREM RasterelektronenmikroskopieRIA RadioimmunoassayRKI Robert-Koch-InstitutRLU relative light unit oder relative LichteinheitenRNA RibonukleinsureRRK Reinraumklasses SekundeSAL sterility assurance levelSARS severe acute respiratory syndromeSAS Swiss Accreditation ServiceSDA Sabouraud-Dextrose-AgarSIM Sulfid- und Indolbildung, MotilittSOP standard operation procedure (Standardarbeitsanweisung)TAMC total aerobic microbial countTEM TransmissionselektronenmikroskopieTierSeuchErV TierseuchenerregerverordnungTMB TetramethylbenzidinTRBA Technische Regeln Biologische ArbeitsstoffeTrinkwasserV TrinkwasserverordnungTSA tryptic soybean agarTSB tryptic soybean bouillonTTC TriphenyltetrazoliumchloridTV Technischer berwachungsvereinTVO (deutsche) TrinkwasserverordnungTYMC total yeast and mould countUF UltrafiltrationUpm Umdrehungen pro MinuteUPU Weltpostunion

  • XXIAbkrzungen

    USP United States PharmacopeiaUVV UnfallverhtungsvorschriftVAAM Vereinigung fr Allgemeine und Angewandte MikrobiologieVAH Verbund Angewandte HygieneVBG Verordnung der BerufsgenossenschaftVBNC viable but non-culturableVE vollentsalztVfA Verband forschender Arzneimittelhersteller e. V.VHP vaporized hydrogen peroxide (gasfrmiges Wasserstoffperoxid)VI Vorbeugende InstandhaltungVRBA violet red bile agarVRBD violet red bile dextrose

    (Kristallviolett-Neutralrot-Galle-Dextrose)WFCC World Federation for Culture CollectionsWfI Wasser fr InjektionszweckeWL WarnlimitWHO World Health OrganizationWST working standardXLD Xylose-Lysin-Deoxycholat-AgarZEBET Zentralstelle zur Erfassung und Bewertung von Ersatz- und

    Ergnzungsmethoden zum TierversuchZLG Zentralstelle der Lnder fr Gesundheitsschutz bei

    Arzneimitteln und Medizinprodukten

  • 1

    1Einfhrung in die Mikrobiologie

    Zur Einfhrung in die Welt der Mikrobiologie und Hygiene soll das Gedichtberall Bakterien! von Alexander Moszkowski stehen, geschrieben im BerlinerDialekt und erschienen in der populren Zeitschrift Fliegende Bltter in Berlinim Jahre 1887:

    Nee, ick sag schon! von BakterienHat man frher nischt jewut,Da wars Essen noch ne FreudeUnd det Trinken war ne Lust;Aber seit man die BazillenUnd dergleichen Zeugs erfund,Is der Mensch total jeliefert,Allens is jetzt unjesund.

    Les ick da, det uerst jiftigHeutzutag Vanillen-Eis;Frher a mans mit VerjngenJeden Sommer massenwei;Heute is selbst die VanilleVom Bazillenherd bedroht,Schmecken dut se ausjezeichnet,Aber nachher is man dot.

    Jrne Aale, sonst det BesteWo der Mensch nur haben kann,Sind nu ooch nich zu jebrauchen,Seit der Fischbazillus dran;It se eener mit VerjngenAn der Spree zum Abendbrot,Liejt er jleich in letzten Zgen, Zehn Minuten spter: dot.

    Krebse, rechte scheene, jroe!Wie jesund det frher war!Heute jibt es KrebsbazillenIn dem Oderkrebs sogar;Hat man sechs Stck ufjeprepelt,Denkt man jleich: Schockschwerenot,Warum is mich denn so bel?Nchsten Morgen is man dot.

    Ooch det Atmen is jefhrlich:Wenn ick gut dir raten kann.Mitmensch, atme nich zu ville.Sieh dir erst die Luft mal an;Kommst de in son Pilzjewimmel,Hilft dir keen Karbol und Jod,Ziehste in den janzen Schimmel,Fllst um un biste dot.

    Holste dir nen netten SchmkerAus der Leihbibliapothek,Kriegste gleich n Schock MilliardenVon Mikroben ufn Weg;Kommste uf de vierte Seite,Wirste im Jesichte rot,Uf der fnften kriegstes Fieber,Bei der sechsten biste dot.

    Pharmazeutische Mikrobiologie, 2. Auflage. Michael Rieth.2017WILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA.Published2017byWILEY-VCHVerlagGmbH&Co.KGaA.

  • 2 1 Einfhrung in die Mikrobiologie

    Det ick mit de Hochbahn rutscheKommt mir niemals in den Sinn;Nee, in die BazillenkutscheDa kriegt mir keen Deibel rin!Steigste in fidel und munter,Pletzlich sprste Atemnot,Fhrste bis zum Zoo hinunterSteigste aus und biste dot.

    Nee, ick sagschon! Von dem LebenHat man jarnischt, wie Verdru,Weil man die verfluchten DingerImmerzu verschlucken mu!Alle Dage mu man lesen,Wie det Kleinzeug uns bedroht,Und wir jroen LebewesenFallen um schwapp mausedot!

    1.1Historisches

    Nur wenige Jahre nach den ersten Beschreibungen und Isolierungen von Mikro-organismen durch Louis Pasteur, Robert Koch, Gerhard Hansen und anderenwar derffentlichkeit schon eine wesentlicheEigenschaft diesermeist einzelligenKleinstlebewesen bekannt: Sie sind ubiquitr verbreitet, d. h. berall! Auch dasssie im Krper vonMensch und Tier Fieber erzeugen oder Krankheiten hervorru-fen knnen, teilweise mit Todesfolge, war bekannt, ebenso schon Desinfektions-manahmen wie der Einsatz der erwhnten Agenzien Karbolsure und Jod. AuchderName Bakterien ist in demGedicht korrektwiedergegeben. Noch 1906wirdin der 8. Auflage des Lehrbuchs der Botanik frHochschulen von Eduard Stra-burger et al. neben anderen Bezeichnungen von Spaltpilzen (Schizomycetes) ge-schrieben, die Cyanobakterien werden als Spaltalgen bezeichnet [1].Der Mensch macht sich die Leistungen der Mikroorganismen seit Jahrtausen-

    den zunutze, ohne jedoch sehr lange Zeit von ihrer Existenz zu wissen. Die Su-merer brauten bereits vor 5000 Jahren ein bierhnlichesGetrnk, und die Assyrerlieen vor ungefhr 3500 Jahren Traubensaft zu Wein vergren.Der erste Mensch, der Mikroorganismen mit eigenen Augen sah, war wohl der

    hollndischeTuchhndlerAntony van Leeuwenhoek (16321723). Er experimen-tiertemit selbstgebauten, einlinsigenMikroskopen,mit denen er Vergrerungenbis 270-fach undAuflsungen bis 1,5merreichte. 1675 untersuchte er einenAuf-guss von Pfefferkrnern und entdeckte winzige Tierchen.Weitere dieser damalsanimalcula genannten kleinen Lebewesen entdeckte er im Zahnbelag. Darbererstellte van Leeuwenhoek Zeichnungen, die er 1683 per Brief an die Royal Socie-ty nach London schickte [2].Dem franzsischenChemiker Louis Pasteur (18221895) gelangen gleichmeh-

    rere bahnbrechende Erkenntnisse auf dem Feld der Mikrobiologie. Er widerlegteexperimentell die Urzeugungshypothese, erklrte das Wesen der Fermentati-on am Beispiel der alkoholischen Grung und der Milchsuregrung, entwi-ckelte Methoden zur Desinfektion und Sterilisation und fhrte Verfahren zurBekmpfung von Infektionskrankheiten durch Impfung ein (Beispiel Tollwut-impfung 1885).Der norwegische Arzt GerhardHansen (18411912) entdeckte 1873mikrosko-

    pisch den Erreger der Lepra,Mycobacterium leprae, als eines der ersten Bakterien,

  • 31.2 Bedeutung

    die als Krankheitserreger erkannt wurden [3]. Dieses Bakterium ist bis heute inNhrmedien nicht kultivierbar. Die Diagnose geschieht mit dem Mikroskop anBiopsiematerial oder Geschabsel der Nasenschleimhaut. Die Vermehrung dieserMykobakterien gelingt nur in der Pfote von Musen und im Grteltier (Arma-dillo). Erregerspezifische DNA lsst sich mithilfe der Polymerasekettenreaktion(PCR) nachweisen.Der deutscheArzt Robert Koch (18431910) bewies 1876 amBeispiel desMilz-

    branderregers Bacillus anthracis, dass Mikroorganismen die Verursacher von In-fektionskrankheiten sind. Er stellte vier Postulate auf:

    1. Bakterien mssen im infizierten Organismus nachweisbar sein.2. Diese Bakterien mssen isoliert und in Reinkultur gebracht werden.3. Durch Infektion mit diesen isolierten Bakterien wird im gesunden Organis-

    mus die Krankheit wieder hervorgerufen.4. Der gleiche Infektionserreger ist erneut aus demWirt isolierbar.

    Koch entwickelte Nhrmedien, z. B. Fleischextraktbouillon, die er anfnglich mitGelatine verfestigte, spter mit Agar-Agar. Das kochsche Plattengussverfahren,bis zum heutigen Tage in allen bakteriologischen Laboren angewandt, geht aufihn zurck.Mikroorganismen werden in zwei eigenen taxonomischen Domnen zusam-

    mengefasst (Bacteria und Archaea) und so von der Domne Eukarya (Pilze, Tiereund Pflanzen) abgehoben. Aufgrund des Zellaufbaus der Mikroorganismen wer-den sie in Prokaryonten (Bakteria und Archaea; griech. bakteria= Stab; griech.archaios= alt, ursprnglich) und Eukaryonten (Pilze, Hefen, Algen, Protozoen)unterteilt.

    1.2Bedeutung

    Die medizinische Mikrobiologie befasst sich mit der Erforschung der fr Menschund Tier bedeutungsvollen Krankheitserreger, deren Lebensgewohnheiten undAuswirkungen auf den menschlichen bzw. tierischen Organismus; sie beschf-tigt sich somit vorwiegend mit den obligat pathogenen (= in jedem Fall krank-machenden) und den fakultativ pathogenen (=unter Umstnden krankmachen-den) Mikroorganismen, d. h. mit Keimen, die durch Zellzerstrung oder durchAbgabe giftiger Stoffwechselprodukte als gefhrlich oder als Schdlinge anzu-sehen sind. Mikroorganismen sind aber im Allgemeinen viel eher als Ntzlingezu bezeichnen; ein biologisches Gleichgewicht ohne Mikroorganismen ist ber-haupt nicht mglich. Sie sorgen durch die Mineralisation von organischer Sub-stanz (z. B. pflanzlichem Material) fr eine Wiedergewinnung von Kohlenstoff,Stickstoff, Schwefel, Phosphor usw., die dann erneut den Pflanzen zur Verfgungstehen (Stoffkreislufe). Im Magen-Darm-Trakt von Mensch und Tier kommenden Mikroorganismen wichtige Funktionen bei Aufschluss und Verdauung derNahrung zu. AuchHaut und Schleimhute derMenschen sind besiedelt. Zur Ver-

  • 4 1 Einfhrung in die Mikrobiologie

    deutlichung der Grenordnungen: Ein Mensch besteht aus ca. 1013 Zellen. ImMagen-Darm-Trakt leben ca. 1014 und auf der Haut ca. 1012 Mikroorganismen,die zusammen ca. 1,25 kg wiegen [4]. Damit beherbergt der menschliche Krpermehr Mikroorganismen als er selbst an eigenen Zellen verfgt.Mikroorganismen finden Anwendung in der Lebensmittelindustrie. Beispiele

    dafr sind:

    Hefen bei der Fabrikation von Brot, Bier, Sake und Wein, Milchsurebakterien bei der Herstellung von Joghurt, Kefir, Sauerkraut,

    Salami, Essigsurebakterien fr die Zubereitung von Essig, Schimmelpilze bei der Kseproduktion (Gorgonzola, Roquefort usw.) und fr

    die Aufbereitung von Sojabohnen (in Ostasien).

    Mikroorganismen werden eingesetzt zur Gewinnung von:

    Vitaminen, Aminosuren, Hormonen, Steroiden, Enzymen, z. B. Amylasen (Strkespaltung), Proteasen (Verdauung,

    Ledergerbung), Lipasen (Fettspaltung), Pektinasen (Fruchtsaftklrung), Antibiotika, Alkoholen (Ethanol, Butanol, Butandiol, Glycerin usw.) und weiterenWirkstoffen, die zum Teil auch durch genetisch vernderte

    Mikroorganismen produziert werden (z. B. Insulin).

    Mikroorganismen sind bei der Aufbereitung vonAbwasser und derMllkompos-tierung unerlsslich.

    1.3Mikroorganismengruppen

    Eine bersicht ber die verschiedenen Gruppierungen von Mikroorganismenund ber weitere Erreger von Infektionskrankheiten vermittelt Tab. 1.1. Mikro-organismen sind mit bloem Auge nicht sichtbar; fr ihre Beobachtung bentigtman ein Lichtmikroskop, im Falle der Viren bis auf ganz wenige Ausnahmen ein noch strker vergrerndes Elektronenmikroskop.Diemittlere Gre vonBakterien liegt zwischen 0,3 und 10 m.DerDurchmes-

    ser vonKokken, die zur Hautflora desMenschen gehren, betrgt ca. 1 m. Denktman sich 500KokkendieserGre aneinandergereiht, sowrde derDurchmesserdes Punktes am Satzende erreicht. Ein weiterer Grenvergleich: Ein Kopfhaar istca. 40120m, imMittel 80 m, dick (siehe Tab. 1.2). DasmenschlicheAuge kannGegenstnde bis ca. 25 m erkennen (Auflsungsvermgen).

  • 51.3 Mikroorganismengruppen

    Tab. 1.1 Gruppen von Mikroorganismen und biologischen Agenzien.

    Subzellulre biologische Objekte Meist einzellige Lebewesen (Mikroorganismen)

    Prionen Prokaryonten:Viroide EubakterienBakteriophagen ChlamydienViren Rickettsien

    MykoplasmenArchaeenEukaryonten:Pilze, Hefen, Algen, Protozoen

    Tab. 1.2 Grenordnungen von Partikeln und von Zellen.

    Zelle bzw. Partikel Gre

    Eizelle (Vogel) Im Zentimeter-Bereich(Strauenei: d = 15 cm)

    Eizelle (Mensch) 200 mMenschliches Haar d = 40120 m, durchschnittlich 80 mMenschliche und tierische Zellen 2030 mMenschlicher Erythrozyt 7,5 mMenschliche Samenzelle 6,5 m langPollen 7100 mStaub 0,1100 mAerosol beim Niesen 10300 mProtozoen 5150 mPilze 510 mBakterien 0,310 mNanobacterium equitum (Archaeon) 0,4 mMykoplasmen 0,30,8 mChlamydien 0,31,0 mRickettsien 0,51,0 mViren 0,0162,0 mViroide 2 40 nmMakromolekle 110 nmPrionen < 5 nmAtome 0,1 nm

    d = Durchmesser.

    DieWelt derMikroorganismen besteht aus den folgendenGruppierungen (wo-bei es sich bei den folgenden ersten drei Gruppierungen nicht im eigentlichenSinn um Lebewesen handelt, sondern um biologische Agenzien).

  • 6 1 Einfhrung in die Mikrobiologie

    PrionenInfektise Prionen PrPsc sind fehlgefaltete Formen eines kleinen (molare Masseca. 30 000Da) zellulren Glycoproteins. Die Fehlfaltung findet beim Rind zwi-schen den Aminosuren 121 und 230 statt und ist einem Proteaseverdau nichtmehr zugnglich [5]. Den Namen leitete Stanley Prusiner von proteinaceous in-fectious particle ab [6]. PrPsc verursacht Erkrankungen bei Schafen und Ziegen(engl. scrapie, dtsch. Traberkrankheit), Rindern bzw. Katzen (bovine bzw. felinespongiforme Enzephalopathie=BSE bzw. FSE), Nerzen, Hirschen und Huftie-ren. Auch derMensch kann infiziert werden (Kuru, Creutzfeldt-Jakob-Krankheit,Gerstmann-Strussler-Scheinker-Syndrom). Die Inkubationszeiten knnen vieleJahre dauern. ImVerlauf dieser Erkrankungen zerfllt dasHirngewebe schwamm-artig (= spongiform). BSE trat gegen Ende der 1980er-Jahre im grerenMastaberstmals in Grobritannien auf, whrend Scrapie bereits seit mehr als 260 Jah-ren bekannt ist [7]. Vermutlich wurden die Prionen ber unzureichend erhitztesTiermehl, das PrPsc aus an Scrapie infizierten Schafen enthielt und das an Rinderverfttert wurde, bertragen.

    ViroideViroide sind zirkulre, einstrngige RNA-Molekle von niedriger molarer Masse(ca. 12 104 Da, ca. 360 Nukleotide). Die RNA ist nackt, d. h. nicht von Proteinumhllt. Viroide verursachen Pflanzenkrankheiten, z. B. die Spindelknollensuchtder Kartoffel (potato spindle tuber viroid).

    VirenViren (lat. virus=Gift, Schleim) sind berwiegend ultramikroskopische, obligateZellparasiten, die nur entweder DNA (z. B. Pockenvirus, Herpes simplex) oderRNA (z. B. Grippe-, Schnupfen-, Tollwutviren) enthalten, keine Enzymsystemezur Energiegewinnung und keine Systeme zur Proteinsynthese aufweisen und in-fizierte Wirtszellen zur Synthese der Virusbausteine veranlassen. Viren bestehenmindestens aus einem nukleinsurehaltigen Innenkrper und einem Protein-mantel, Kapsid genannt. Sie knnen behllt, d. h. mit einer Lipiddoppelschichtumgeben sein (wie die Krankheitserreger von Pocken, Herpes, Masern, Grippe,Tollwut, AIDS und SARS) oder unbehllt sein (z. B. Erreger von Polio, HepatitisA, Schnupfen und Maul- und Klauenseuche). Das Polio-Virus lsst sich mit derchemischen Summenformel C332 652H492 388N98 245O131 196P7501S2340 charakteri-sieren [8]. Am 9.12.1979 erklrte die WHO die Welt als pockenfrei.Die Gre der Viren variiert zwischen 20 nm (Picornaviren, Arboviren) und

    2000nm (Pflanzenvirenwie das Citrus-Tristeza-Virus). Viren, die Bakterien befal-len, heien Bakteriophagen. Molekularbiologisch gut untersucht sind die T-Pha-gen (Coli-Phagen); ihre Gre betrgt 70 nm 200nm.2003wurden groeViren inAmben gefunden; sie wurdenMimiviren genannt.

    MitGren bis 800nmsind sie imLichtmikroskop sichtbar [8]. DerNachweis vonViren geschieht mithilfe von Gewebekulturen, Tierversuchen, Eikulturverfahren,PCR und immunologischen Methoden. Bekannt sind zurzeit ungefhr 1500 Vi-ren, von denen etwas mehr als 200 humanpathogen sind [9].