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Grundlagen der Bakteriologie

Abstract

Bakterien (von griech. baktērion = "Stäbchen") sind kleine, einzellige Lebewesen, die sich von tierischen oder pflanzlichen Lebewesen vor allem durch das Fehlen eines Zellkerns unterscheiden und daher unter dem Namen Prokaryonten (von griech. pro = "vorher", "anstatt" und karyon = "Kern") zusammengefasst werden. Die erste Erwähnung der Bakterien erfolgte im 17. Jahrhundert durch den niederländischen Tuchhändler Antony van Leeuwenhoek. Mit Hilfe selbstentwickelter Mikroskope beschrieb Leeuwenhoek damals unbewusst Bakterien und legte so den Grundstein für die moderne Bakteriologie. Bis heute ist die Mikroskopie eine wichtige Methode in der Diagnostik von Bakterien und wird in der Regel mit Färbemethoden wie der Gramfärbung kombiniert. Daneben haben vor allem die kulturelle Anzucht sowie die genetische Analyse den größten Stellenwert in der bakteriologischen Diagnostik. Neben obligat pathogenen Bakterien (wie z.B. Salmonellen) gibt es auch solche, die nur selten Krankheiten auslösen oder sogar in Form einer Symbiose mit dem Menschen zusammenleben.

In diesem Kapitel werden die Grundlagen der Bakteriologie wie Vorkommen, Diagnostik und Genetik besprochen. Eine Übersicht der wichtigsten Bakterienarten liefert das Kapitel "Systematik der Bakterien".

Vorkommen beim Menschen

Grundsätzlicher Aufbau der Bakterien

Bakterienzellen unterscheiden sich in ihrem Aufbau von tierischen Zellen durch mehrere Besonderheiten, eine grundsätzliche Einteilung erfolgt anhand des Zellkerns. Lebewesen, in deren Zellen Zellkerne vorhanden sind, werden Eukaryonten genannt. Bei Lebewesen ohne Zellkerne handelt es sich um Prokaryonten. Die Tabelle fasst die wichtigsten Unterschiede zusammen.

Prokaryonten/Prokaryoten (z.B. Bakterien) Eukaryonten/Eukaryoten (z.B. Einzeller, Menschen und Pflanzen)
Erbinformation
Mitochondrien
  • Nicht vorhanden
  • Vorhanden
Ribosomen
  • 70S
  • 80S
Zellwand
  • Kommt nur bei Pflanzen vor

Unterscheidungsmerkmale einzelner Bakterien

Bakterien haben zwar grundsätzlich einen ähnlichen Aufbau, unterscheiden sich jedoch in mehreren Merkmalen stark.

  • Zellwandaufbau
  • Form
    • Stäbchen
    • Kugelförmige (Kokken) → Neigen zu unterschiedlichen Anordnungen im mikrokopischen Bild und werden entsprechend eingeteilt.
      • Staphylokokken (Haufenkokken) → Ihre Anordnung erinnert an Weintrauben
      • Streptokokken (Kettenkokken) → Sind meist in Ketten angeordnet
      • Diplokokken → Sind meist paarweise angeordnet
    • Eine Mischform, bei der das Bakterium sowohl kugel- als auch stäbchenförmige Anteile zeigt (kokkoide Stäbchen)
  • Weitere Unterscheidungskriterien: Pathogenitätsfaktoren, Verhalten in Bakterienkultur, Biochemie und Serologie

Genetik der Bakterien

Die Erbinformation der Bakterien liegt frei im Zytoplasma und wird als Chromosomenäquivalent bezeichnet. Zusätzlich finden sich häufig extrachromosomale Ringe, sogenannte Plasmide, die für weitere Eigenschaften wie beispielsweise Resistenzen gegen Antibiotika kodieren. Die Vermehrung der Bakterien erfolgt über Zweiteilung, eine Meiose findet nicht statt.

Genetische Variabilität der Bakterien

Der genetischen Variabilität liegen intra- und interzelluläre Mechanismen zugrunde.

  • Intrazelluläre Mechanismen
    • Hohe Mutationsrate
    • Homologe Rekombination
    • Transposition
  • Interzelluläre Mechanismen

Pathogenitätsfaktoren (Virulenzfaktoren)

Pathogenitätsfaktoren umfassen Eigenschaften von Bakterien, die für die Krankheitsentwicklung wichtig sind. Je mehr Pathogenitätsfaktoren eine Bakterienart auf sich vereint, desto komplizierter können die Krankheitsverläufe sein.

Diagnostik

Präanalytische Phase

  • Materialgewinnung
    • Gewinnung des Materials vor dem Einsatz von Antibiotika
    • Möglichst von der Stelle des infektiösen Geschehens (z.B. Wundabstriche)
    • Ist eine direkte Gewinnung nicht möglich, kann Material untersucht werden, in das die Erreger durch Aussaat gelangt sind (z.B. Blutkulturen im Rahmen einer Endokarditis)
    • Wichtig ist die Vermeidung einer sekundären Kontamination durch die Standortflora
  • Transport
    • Gründliche Dokumentation und Beschriftung, um eindeutige Identität der Probe sicherzustellen
    • Materialien mit empfindlichen Erregern (z.B. Meningitis- und Pneumonieerreger) sollten bei ca 20 °C schnellstens ins Labor transportiert werden
    • Materialien mit anspruchslosen Erregern sollten bei 4-8 °C gekühlt transportiert werden, um eine übermäßige Vermehrung zu verhindern

Analytische Phase

Mikroskopie

In der Mikroskopie kann eine direkte Untersuchung des Probematerials erfolgen. Beurteilt werden:

  • Größe, Form und Lagerung (auch ohne Färbung möglich)
  • Färbeverhalten (z.B. Gramfärbung oder Ziehl-Neelsen)
  • Weitere Merkmale (wie bspw. Kapsel- oder Sporenbildung)

Exkurs Gramfärbung : Die Gramfärbung wurde schon 1884 von dem dänischen Pathologen Christian Gram entwickelt und macht sich die unterschiedliche Mureinkonzentration der bakteriellen Zellwände zu Nutze. Die erste Färbung erfolgt in zwei Schritten mit Kristallviolett und Lugol-Lösung sowie einer Spülung mittels Alkohol. Bei Bakterien mit einer dicken Mureinschicht lässt sich der Farbstoff durch den Alkohol nicht auswaschen, sie stellen sich daher unter dem Mikroskop blau dar (= Grampositiv). Bei einer dünnen Mureinschicht wird der Farbstoff ausgewaschen, sodass es wieder zu einer kompletten Entfärbung kommt. Um im Anschluss auch die gramnegativen Bakterien darzustellen, wird das Präparat in einem weiteren Schritt mit Fuchsin gefärbt. Grampositive Bakterien behalten weiterhin die blaue Farbe aus den ersten Schritten, während sich die gramnegativen Bakterien nun rot darstellen.

Bakterienkultur

Zur Anzüchtung von Bakterien werden Selektiv- und Anreicherungsnährböden mit dem Untersuchungsmaterial beimpft. Bei Ersteren wird versucht, den gewünschten Erreger aus einem keimreichen Material zu isolieren, die Anreicherungsnährböden dienen der optimalen Kultivierung des gewünschten Bakteriums. Je nach Verhalten in der Kultur ist die Identifizierung unterschiedlicher Bakterien möglich.

Molekularbiologie und Serologie

  • Handelt es sich um schlecht kultivierbare Erreger, kommen immer häufiger Methoden der Molekularbiologie zum Einsatz (z.B. PCR, FISH)
  • Wenn Infektionen schon länger Bestehen, eignen sich oft auch indirekte serologische Maßnahmen
  • Werden durch ein Bakterium Toxine hergestellt, können diese im Tierversuch nachgewiesen werden