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Perspectives
03 September 2008 Dr. Kristen Kerksiek
Leben im Schleim: Biofilme beherrschen die Welt
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Im Jahr 1905 erhielt Robert Koch (1843-1910) den Nobelpreis für seinen Nachweis, dass Mycobacterium tuberculosis der Erreger der Tuberkulose ist. Die von Koch entwickelten Verfahren zur Bakterienzucht schufen später die Möglichkeit, unzählige Mikroorganismen zu identifizieren und Einblicke in ihre "Arbeitsweise" zu gewinnen. Diese Methoden haben sich seit über 100 Jahren kaum verändert und bilden noch heute die Grundlage der medizinischen Mikrobiologie. Deshalb erscheint es geradezu wie eine Ironie des Schicksals, dass die reinen Mikroorganismenkulturen, die sich im Labor als derart nützlich erwiesen haben, in der Natur praktisch überhaupt nicht vorkommen: Mehr als 99,9 Prozent aller Bakterien gehören zu heterogenen Lebensgemeinschaften, die man als Biofilme bezeichnet.
Erst in den 1970er Jahren wurde klar, wie allgegenwärtig die Biofilme sind. Sie entstehen, wenn Mikroorganismen (Bakterien, Pilze, Archaea, Algen) sich an (lebende oder unbelebte) feuchte Oberflächen heften und sich in eine schleimige, extrazelluläre Grundsubstanz aus Polymeren einhüllen. Biofilme bevorzugen nährstoffreiches, fließendes Wasser; sie sind in Flüssen und Bächen ein unentbehrlicher Bestandteil der Nahrungsketten, man findet sie aber auch in unwirtlichen Umgebungen, von den kochend heißen, sauren Tümpeln der Yellowstone-Region bis zu den Gletschern der Antarktis. Manchmal bestehen sie aus einer einzigen Spezies, in der Regel sind sie aber vielgestaltig: In den Biofilmen, die den Zahnbelag bilden, hat man über 300 Bakterienarten gefunden. Akute Infektionskrankheiten werden zwar in vielen Fällen von frei schwimmenden Bakterien (auch Planktonbakterien genannt) verursacht, nach Schätzungen der National Institutes of Health (NIH) sind jedoch in den Industrieländern auch bis zu 80 Prozent der Infektionen auf Biofilme zurückzuführen. Wie sich in der 1980er und 1990er Jahren durch wissenschaftliche Untersuchungen herausstellte, ist ein Biofilm nicht einfach eine Masse aus Mikroorganismen und ihrem verbindenden, schützenden Schleim, sondern eine raffiniert aufgebaute, differenzierte Lebensgemeinschaft, die Umweltbelastungen besser widerstehen kann.
Die Entstehung von Biofilmen: Städte im Schleim
Die Menschen und eine Fülle anderer Tierarten leben in Gemeinschaften zusammen. Dabei profitieren sie nicht nur von der "Sicherheit der großen Zahl", sondern auch von einer Struktur, die das Überleben einfacher macht, weil man sich die Arbeit - und auch die Risiken - teilt. Das Gemeinschaftsleben ist dabei nicht nur für die Individuen von Vorteil, sondern auch für die Spezies als Ganzes. Wir sind daran gewöhnt, uns Bakterien als frei schwimmende Zellen vorzustellen, aber sie (und andere Mikroorganismen) bedienen sich ebenfalls der Vorteile, die das Leben in der Gruppe mit sich bringt.
Ein Biofilm geht aus einfachen Anfängen hervor: "Pioniere" heften sich mit schwachen, leicht reversiblen Kräften an eine feuchte Oberfläche, und wenn sie sich dort festhalten können, gehen sie durch Zelladhäsion eine festere Verbindung mit der Unterlage ein. Durch diese Bindung wird die Transkription verschiedener Gene aktiviert; in den Zellen unterschiedlicher biologischer Arten, die in einem Biofilm zusammenleben, werden sogar ähnlichere Gene exprimiert als in Plankton- und Biofilmzellen derselben Spezies. Manche dieser im Biofilm angeregten Gene sorgen für die Ausscheidung einer klebrigen extrazellulären Matrix, die ungefähr 85 Prozent eines ausgereiften Biofilms ausmacht. Wenn die Landschaft dann vielgestaltiger (und klebriger) wird, können andere Mikroorganismen hinzukommen. Mikrokolonien, die Grundeinheiten eines Biofilms (die den Geweben eines Organs entsprechen), bilden sich sowohl durch Hinzuziehung frei schwimmender Zellen oder Zellklumpen als auch durch Zusammenlagerung von Zellen und Zellteilung. Die meisten Mikrokolonien haben die Form von Pilzen oder Säulen und sind voneinander durch Wasserkanäle getrennt, die dem Transport von Nährstoffen und Sauerstoff sowie der Abfallbeseitigung dienen; das Ganze erinnert an eine mikroskopisch kleine Stadt im Schleim.
Nach diesen Grundprinzipien läuft die Bildung eines Biofilms unabhängig von der Umwelt und den beteiligten Mikroorganismenarten ab. Die Verbreitung der Lebensgemeinschaft kann durch äußere Faktoren (zum Beispiel zunehmende Belastung durch Scherkräfte) oder durch Vorgänge im Biofilm selbst ausgelöst werden. Die Loslösung kann sich auf unterschiedliche Weise vollziehen: Häufig setzen Biofilme ganze Zellklumpen frei, sie können aber auch Planktonzellen abgeben ("Schwärmen/Aussäen") oder sich als intakter Biofilm über eine Oberfläche bewegen.
Biofilme bilden sich nicht zufällig aus. Aufbau und Ausbreitung solcher strukturierten, vielfältigen Lebensgemeinschaften werden durch Quorum Sensing reguliert, eine Signalübertragung von Zelle zu Zelle, welche die Genexpression in Abhängigkeit von der Populationsdichte steuert; die Mikroorganismen scheiden kleine, diffusionsfähige Signalmoleküle aus (die den Hormonen analog sind) und können anhand der lokalen Konzentration dieser Substanz feststellen, wie viele andere Mikroorganismen sich in ihrer Nähe befinden. Ebenso sprechen sie stark auf äußere Faktoren an und verändern die abgegebenen Signale je nach den Umweltbedingungen. Der "chemische Wortschatz" ist je nach der Spezies, die ihn produziert, unterschiedlich, Bakterien kommunizieren aber auch über Artgrenzen hinweg.
Fortschritte beim Quorum Sensing
Wie Singh und andere Wissenschaftler in einer bahnbrechenden Studie nachweisen konnten, kommunizieren die Zellen von P. aeruginosa in der Lunge von Patienten mit Cystischer Fibrose wie ein Biofilm: Sie können zwei Formen der Signalsubstanz ausscheiden, und während die Planktonform vorwiegend die Form mit langen Molekülen abgibt, sezernieren Bakterien in Biofilmen - und aus Patienten - die kurze Form (Nature 2007 407: 762-764).
Vibrio cholerae - die Bakterien, die Cholera verursachen - bilden Biofilme im Darm des Menschen. In Arbeiten aus dem Labor von Bassler wurde nachgewiesen, dass Cholerabakterien eine Substanz namens CAI-1 abgeben; wenn diese sich ausreichend angereichert hat (das heißt, wenn die Bakterien sich ausreichend vermehrt haben), setzen die Erreger das Choleratoxin frei, das den Durchfall verursacht (Nature 2007 407: 883-886).
Der Struktur eines Biofilms sorgt dafür, dass alle seine "Mitglieder" die grundlegenden Substanzen erhalten, die sie zum Leben brauchen. Die vielen Mikroumgebungen im Biofilm bieten Nischen für Mikroorganismen mit unterschiedlichem Phänotyp und tragen so dazu bei, dass die Lebensgemeinschaft als Ganzes verschiedenen Umweltbelastungen besser widerstehen, beispielsweise Bioziden, dem Immunsystem und mikrobenhemmenden Wirkstoffen.
Die Guten und die Bösen…
Biofilme aus Bakterien sind kein neues Phänomen; aus Fossilfunden wissen wir, dass es sie vor mindestens 3,25 Milliarden Jahren bereits gab. Biofilme entstehen überall da, wo Wasser vorhanden ist, und bilden einen integralen Bestandteil wässriger Ökosysteme. Zum Nutzen der Menschen werden sie in Wasseraufbereitungsanlagen eingesetzt, wo sie dazu beitragen, Krankheitserreger zu entfernen und die Menge der organischen Substanzen im Wasser zu vermindern. Biofilme, die Öl und Gas abbauen, sind ein unschätzbares Hilfsmittel für die Sanierung kontaminierter Böden und Gewässer.
Biofilme können aber auch lästig sein, und in manchen Fällen sind sie regelrecht gefährlich. So haben sie beispielsweise die berüchtigte Eigenschaft, Rohrleitungen zu verstopfen und korrodieren zu lassen, was in Industrieanlagen ein kostspieliges Ärgernis ist. Außerdem wächst zunehmend die Erkenntnis, dass pathogene Bakterien den Nutzen des Gemeinschaftslebens ebenfalls zu schätzen wissen: Biofilme spielen auch bei Infektionskrankheiten eine wichtige Rolle.
Biofilme und Krankheiten
In den wohlhabenden Industrieländern hat sich die Ausbreitung von Infektionskrankheiten durch verbesserte Kanalisation und Hygienestandards sowie durch Impfungen und Antibiotika dramatisch vermindert - aber verschwunden sind sie nicht. Schätzungen über die Häufigkeit von Infektionen, die durch Biofilme (aus Bakterien und/oder Pilzen) ausgelöst werden, schwanken zwischen 65 Prozent (Centers for Disease Control and Prevention/CDC) und 80 Prozent (National Institutes of Health).
Biofilme sind die Ursache eines beträchtlichen Teils der akuten Infektionen. Ein klassischer Fall ist die Legionärskrankheit, eine akute Atemwegsinfektion: Sie entsteht durch das Einatmen von Klumpen aus Legionella-Biofilmen, die sich aus den Luft- oder Wasserleitungen von Heiz- und Kühlsystemen gelöst haben. Auch viele Lebensmittelbakterien wie E. coli 0157:H7, Listeria monocytogenes, Yersinia enterocolitica, Salmonella spp. und Camphylobacter jejuni können auf Lebensmitteloberflächen und Gerätschaften Biofilme aus einer oder mehreren Arten bilden und sind dann höchst widerstandsfähig gegen Biozide, Trockenheit, Wärme, Antibiotika, Reinigungsmittel und andere Belastungen. Nachdem man erkannt hatte, dass Biofilme weiter verbreitet sind, als man früher glaubte, stellte sich durch neuere Forschungsarbeiten auch heraus, dass viele andere pathogene Bakterien sich ebenfalls der Biofilme zum Überleben und zur Infektion bedienen. Biofilme aus Cholerabakterien spielen offenbar eine entscheidende Rolle für die Verbreitung der Krankheit. Und Wissenschaftler des Institut Pasteur konnten kürzlich nachweisen, dass verschiedene Arten von Leptospira, die für die tödliche, zunehmend verbreitete Leptospirose verantwortlich sind, ebenfalls bereitwillig Biofilme bilden; dies wäre eine Erklärung dafür, dass die Bakterien sowohl in Wasser als auch in den Nieren von Ratten und anderen Überträgertieren langfristig überleben können (Microbiology 2008 154: 1309-1317).
Noch größer ist die Zahl der chronischen Infektionen, die mit Biofilmen in Verbindung stehen. Hartnäckige Infektionen von Kathetern oder Implantanen sind eindeutig auf Biofilme zurückzuführen. Viele pathogene Mikroorganismen wachsen sehr leicht auf dem Material von Kathetern, künstlichen Gelenken, künstlichen Herzklappen und anderen Vorrichtungen. Bei den auslösenden Mikroorganismen handelt es sich vielfach um die gleichen, die auch für ein breites Spektrum von Nosokomialinfektionen verantwortlich sind (siehe Perspectives, August 2008) Koagulase-negative Staphylokokken, Staphylococcus aureus, Enterococcus faecalis, Streptococcus spp., Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Acinetobacter spp., Proteus mirabilis, P. aeruginsa und Candida spp. Solche Infektionen mit mikrobenhemmenden Wirkstoffen auszurotten, ist vielfach unmöglich. Man muss das Implantat entfernen, was sowohl teuer als auch für den Patienten gefährlich und traumatisch ist.
Länger dauerte es, bis man einen eindeutigen Zusammenhang zwischen Biofilmen und dauerhaften Infektionen in unversehrtem Gewebe herstellen konnte. In den letzten Jahren weisen jedoch immer mehr Anhaltspunkte darauf hin, dass Biofilme, die entweder aus einzelnen Arten oder aus einer Mischung verschiedener Bakterien- und/oder Pilzarten bestehen, für eine ganze Reihe chronischer Infektionen verantwortlich sind. Manche davon (zum Beispiel Otitis media oder Prostatitis) liefern in der Bakterienkultur trotz eindeutiger klinischer Symptome negative Befunde. Offensichtlich sind Mikroorganismen, die als Biofilme wachsen, für das Immunsystem weniger leicht zu erkennen und/oder schwieriger zu bekämpfen; viele Biofilme sind außerdem sehr widerstandsfähig gegen mikrobenhemmende Wirkstoffe. Dass eine Infektion dauerhaft erhalten bleibt, kann in manchen Fällen auch daran liegen, dass in regelmäßigen Abständen Teile des Biofilms freigesetzt werden und die Infektion an andere Stellen innerhalb des Organismus verschleppen. Biofilm-Infektionen sind häufig nur mäßig virulent: Es dient dem Interesse der Krankheitserreger, wenn der Wirt möglichst lange am Leben bleibt.
Biofilme und chronische Infektionen
In vielen Fällen lässt sich nicht beweisen, dass Biofilme entsprechend den Kochschen Postulaten die Krankheitsursache sind, aber bei einigen chronischen Infektionen hat man einen engen Zusammenhang gefunden.
Otitis media (Mittelohrinfektionen): Analysen von Biopsiematerial wie auch Tiermodelle weisen darauf hin, dass bakterielle Biofilme auf dem Trommelfell bei Kindern die wichtigste Ursache der immer wiederkehrenden und chronischen Ohrinfektionen sind.
Cystische Fibrose (Mukoviszidose): Die meisten CF-Patienten werden immer wieder von Pseudomonas aeruginosa infiziert; bei mehr als 80 Prozent der erwachsenen Patienten bilden die Bakterien einen Biofilm und gehen in eine chronische Infektion über, was die Schädigung der Lunge beschleunigt.
Parodontalerkrankungen: Zahnplaque - ein Biofilm - ist die Ursache von Zahnkaries, Gingivitis und Parodontitis. Bei der Parodontitis scheint der Biofilm auf den Zähnen auch im Zusammenhang mit verschiedenen systemischen Krankheiten wie Herz-Kreislauf- und Atemwegserkrankungen sowie Diabetes mellitus zu stehen.
Chronische bakterielle Prostatitis: In elektronenmikroskopischen Analysen von Biopsiematerial aus Männern mit Prostatitis wurden bakterielle Biofilme eindeutig nachgewiesen.
Herzklappen-Endokarditis: Fibronectin, das an Defekten des Gefäßendothels (in der Regel den Herzklappen) ausgeschieden wird, schafft für Bakterien oder Pilze im Blut die Möglichkeit, sich anzuheften und so die Ausbildung eines Biofilms in Gang zu setzen.
Sinusitis: Im Gewebe von 80 Prozent der Patienten, die sich wegen Sinusitis einem chirurgischen Eingriff unterziehen, wurden Biofilme gefunden.
Nachgewiesen wurde außerdem ein Zusammenhang zwischen Biofilmen und chronischen Hornhautinfektionen (in Verbindung mit der Verwendung von Kontaktlinsen), durch Diabetes mellitus bedingten Wunden, Tonsillitis, Osteomyelitis, Harnwegsinfektionen, Gallengangsinfektionen, infektiösen Nierensteinen und anderen. Die Liste wächst nach wie vor.
Natürlich hatte Koch keineswegs völlig unrecht. Viele Erreger akuter Infektionen sind frei lebende Zellen, und die zu ihrem Nachweis entwickelten Kulturverfahren sind von großem Wert für die medizinische Diagnose wie auch für die mikrobiologische Forschung einschließlich der Antibiotikaentwicklung. Wenn Krankheiten jedoch von Biofilmen verursacht werden, erweisen sich die traditionellen Kulturverfahren und die mit ihrer Hilfe entwickelten mikrobenhemmenden Wirkstoffe häufig als unwirksam.
Resistenz gegen mikrobenhemmende Wirkstoffe
Mikroorganismen in Biofilmen unterscheiden sich von ihren frei lebenden Verwandten: Sie exprimieren besondere Gene, haben je nach ihrer Position innerhalb des Biofilms einen sehr heterogenen Stoffwechsel und stehen in engem Kontakt, was die Genübertragung erleichtert. Die extreme Antibiotikaresistenz der Biofilme - sie sind bis zu 1000 mal resistenter als frei lebende Bakterien des gleichen Stammes - hat uns kalt erwischt, aber eigentlich hätten wir uns darüber vielleicht nicht wundern sollen: Antibiotika werden nicht an Biofilmen erprobt, sondern an Planktonbakterien.
Dass Biofilme gegenüber einer Behandlung mit Antibiotika so widerstandsfähig sind, dürfte unter anderem daran liegen, dass der Zutritt der Wirkstoffe erschwert ist. Wichtiger als die physische Barriere der Exopolymere im Biofilm scheint jedoch ihre strukturelle Heterogenität zu sein: Sie enthalten in Nischen, in denen die Mikroorganismenpopulationen wegen der niedrigen Sauerstoff- und Nährstoffkonzentration nur eine geringe Stoffwechselaktivität aufweisen, und in einem solchen Ruhezustand sind Bakterien relativ resistent gegen Antibiotika. Durch eine Antibiotikabehandlung werden die Bakterien in den äußeren Schichten des Biofilms, wo eine höhere Stoffwechselaktivität herrscht, vielleicht abgetötet, aber schon wenige "hartnäckige" Zellen können den Biofilm nachwachsen lassen, sobald die Behandlung abgesetzt wird; in der äußeren Wand des Biofilms, der die Mikroorganismen im Inneren abschirmt, werden Individuen geopfert, damit die Gemeinschaft überlebt.
Solche hartnäckigen Varianten (im Gegensatz zu Mutationen oder der Ausbreitung eines Resistenzgens) scheinen für die Antibiotikaresistenz der Biofilme der wichtigste Faktor zu sein, denn die überlebenden Bakterien sprechen nach wie vor auf Antibiotika an. Das heißt, sie bleiben antibiotikaempfindlich, wenn sie es auch ursprünglich waren. Im Krankenhausmilieu, wo Antibiotikaresistenz ein weit verbreitetes Problem ist, wird die Behandlung durch die Entstehung von Biofilmen noch schwieriger. Infektionen beispielsweise, die mit medizinischen Geräten in Zusammenhang stehen, werden vorwiegend von Staphylococcus epidermidis hervorgerufen, der auch in seiner Planktonform in der Regel gegen mehrere Wirkstoffe resistent ist. Die Ärzte müssen also nicht nur herausfinden, welches Antibiotikum gegen solche resistenten Erreger noch wirkt, sondern sie müssen auch die charakteristische Antibiotikaresistenz der Biofilme berücksichtigen. Neue Forschungsarbeiten zielen auf die Biofilme selbst ab, und man hofft, damit das Blatt wenden zu können.
Therapiemöglichkeiten
Mit Biofilmen im Labor zu arbeiten, ist schwierig, aber nachdem man erkannt hatte, wie wichtig sie im Zusammenhang mit Infektionskrankheiten sind, machte die Forschung viele Fortschritte. Ein großer Schritt war die Erkenntnis, dass die Bildung von Biofilmen ein genetisch programmierter Entwicklungsprozess ist; damit eröffnete sich die Möglichkeit, gezielt neue Chemotherapeutika zu entwickeln.
Für die Suche nach wirksamen Behandlungsmethoden für Biofilm-Infektionen gibt es verschiedene Strategien: Man kann beispielsweise verhindern, das die Bakterienzellen sich aneinander heften, oder man vermindert die Polysaccharidproduktion und stört die Zell-Zell-Kommunikation. Insbesondere die Entdeckung der Quorum-Sensing-Kommunikation gab den Anlass zu großen Hoffnungen, dass man mit neu entwickelten Wirkstoffen die Bildung von Biofilmen verhindern oder vorhandene Biofilme auflösen kann.
Forschung weckt neue Hoffnung
Biofilme aus Staphylococcus aureus kommunizieren beim Quorum Sensing mit autoinduzierenden Peptiden (AIPs). Horswill und Kollegen synthetisierten solche Peptide und setzten sie vorhandenen Biofilmen von S. aureus zu. Diese lösten sich daraufhin sehr schnell auf, und die freigesetzten Bakterien sprachen wieder auf Antibiotika an. (PLoS Pathogens 2008 4: e1000052)
Die Beseitigung von Biofilmen ist schwierig. Warum versucht man nicht, ihr Wachstum auf medizinischen Geräten völlig zu verhindern? Wie die Arbeitsgruppe von Van Vliet am MIT feststellte, heften sich S. epidermis und E. coli bevorzugt an steifere Polymere; dies weckt die Hoffnung, dass man die Ausbildung von Biofilmen durch geschickte Auswahl von Implantatmaterialien zurückdrängen kann. (Biomacromolecules 2008 9: 1571-1578).
Die schleimige extrazelluläre Matrix der Biofilme schützt die Mikroorganismen vor einer Fülle von Feinden, so vor dem Immunsystem, mikrobenhemmenden Wirkstoffen und den meisten Bakteriophagen (Viren, die Bakterien infizieren). Lu und Collins konstruierten gentechnisch veränderte Bakteriophagen, die Schleim abbauende Enzyme ausscheiden und so ins Innere des Biofilms vordringen können. Dort zerstören sie den Biofilm weiter, indem sie die Enzyme in übergroßen Mengen produzieren und dann die Bakterien abtöten. (Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2007 104: 11197-11202)
Biofilme sind allgegenwärtig und bilden einen unverzichtbaren Teil unserer Umwelt. Leider sind sie auch im Inneren unseres Organismus als ungebetene Gäste vorhanden. Biofilme stellen als Erreger von Infektionskrankheiten eine besondere Herausforderung dar, aber die Forschungsarbeiten der jüngsten Zeit deuten darauf hin, dass wir Fortschritte machen. Vielleicht können wir Biofilme in naher Zukunft sogar zur Bekämpfung von Infektionskrankheiten einsetzen: Phagozyten (Fresszellen) sind ein entscheidender Bestandteil unserer Immunabwehr, gegen Biofilme scheinen sie aber machtlos zu sein. Ähnlich erfolgreich verteidigen sich Biofilme auch im Meer gegen Amöben. Hier geht es aber nicht nur um Abwehr. Dr. Carson Matz vom Helmholtz-Zentrum für Infektionsforschung in Braunschweig konnte mit seinem Forschungsarbeiten zeigen, dass Biofilme im Meer auch offensiv agieren: Sie produzieren Substanzen, mit denen sie feindliche Protozoen abtöten können (mehr…). Es besteht die Hoffnung, dass die von ihnen produzierten Toxine sich auch gegen Krankheiten einsetzen lassen, die von Protozoen hervorgerufen werden, beispielsweise gegen Malaria, Chagas-Krankheit und Schlafkrankheit (PLoS ONE 2008 3: e2744).
Weiterführende Informationen:
- Allgemeine Informationen über Biofilme und aktuelle Nachrichten über neue Forschungsergebnisse finden sich in dem online-Journal BiofilmsOnline unter http://www.erc.montana.edu/.
- Lewis K. Persister cells, dormancy and infectious disease. Nat. Rev. Microbiol. (2007) 5:48–56.
- Hall-Stoodley L, Costerton JW, Stoodley P. Bacterial Biofilms: from the natural environment to infectious diseases. Nat. Rev. Microbiol. (2004) 2: 95–108.
- Costerton W, Veeh R, Shirtliff M, Pasmore M, Post C, Ehrlich G. The application of biofilm science to the study and control of chronic bacterial infections. J. Clin. Invest. (2003) 112: 1466–1477.
- Stoodley P, Sauer K, Davies DG, Costerton JW. Biofilms as complex differentiated communities. Annu. Rev. Microbiol. (2002) 56: 187–209.
- Donlan RM, Costerton JW. Biofilms: Survival Mechanisms of Clinically Relevant Microorganisms. Clin. Microbiol. Rev. (2002) 15: 167–193.
- Pace JL, Rupp ME, Finch RG. Biofilms, Infection and Antimicrobial Therapy. (2006) CRC Press. (Can be partially viewed on books.google.com)