Pneumonie
Autoren
Santiago Ewig und Sören Gatermann

Nosokomiale Pneumonie: Wirkmechanismen antimkikrobieller Substanzen und Resistenzmechanismen

Die Kenntnis von Wirkungsweise und Resistenzmechnismen ist unabdingbar für die Auswahl bzw. Zusammensetzung einer adäquaten antimikrobiellen Therapie. Allgemeine Wirkmechanismen von antimikrobiellen Substanzen umfassen die Hemmung der Zellwandsynthese, der Proteinsynthese, der DNA- oder RNA-Synthese sowie die Störung der DNA-Topologie und Schädigung der Membranintegrität. Andererseits sind folgende allgemeine bakterielle antimikrobielle Resistenzmechanismen bekannt: die Modifikation oder Protektion des Angriffspunktes, enzymatische Inaktivierung der antimikrobiellen Substanz, Beeinträchtigung der Permeabilität, Expression von Effluxpumpen und Umgehung eines Stoffwechselweges.

Wirkmechanismen von antimikrobiellen Substanzen

Die antibakteriellen Wirkmechanismen von antibakteriellen Substanzen umfassen grundsätzlich folgende Ansatzpunkte (Tab. 1):
Tab. 1
Wirkmechanismen antibakteriell wirksamer Substanzen und Resistenzmechanismen von Erregern gegen diese
Substanz
Wirkmechanismen
Resistenzmechanismen
ß-Laktame
Hemmung der Zellwandsynthese (Peptidoglykan) durch Blockierung der bakteriellen Transpeptidase (PBP)
Beeinträchtigung der Penetration durch die äußere Membran
Modifikation des Angriffspunktes (PBP)
ß-Laktamase-Bildung
Efflux
Fluorchinolone
Hemmung der bakteriellen Topoisomerasen II (DNA-Gyrasen) und IV
Modifikation des Angriffspunktes durch veränderte Sequenzen der Topoisomerasen
Efflux
Beeinträchtigung der Penetration
Aminoglykoside
Hemmung der Proteinsynthese durch irreversible Bindung an die 30S-Untereinheit der Ribosomen und Fehlsteuerungen der Proteinsynthese
Inaktivierung durch Enzyme (Acyltransferasen, Adenyltransferasen und Phosphotransferasen)
Beeinträchtigung der Penetration
Fosfomycin
Hemmung der Zellwandsynthese
Hemmung des Membrantransporters über chromosomale Mutationen
Inaktivierung durch Enzyme (auch Plasmid-basiert)
Colistin
Interaktion der Lipoid-A-Komponente des LPS, mit der Folge des Funktionsverlusts der Zellmembran
Chromosomale Mutationen
Plasmid-basierte MCR-1-Resistenz
Glykopepetide
Hemmung der Zellwandsynthese (Peptidoglykan) durch Blockierung der Bausteine für die Quervernetzung
Modifikation des Angriffspunktes durch modifizierte Pentapeptidkette
Oxazolidinone
Hemmung der bakteriellen Proteinsynthese am Ribosom durch Bindung an die 30S- und 50S-Untereinheit
Mutationen des 23S-rRNA-Gens
Mutationen ribosomaler Proteine im ribosomalen Protein L3 und L4
Plasmid-vermittelte (und somit horizontal übertragbare) Methyltransferasen („cfr“ = chloramphenicol-florfenicol Resistenz-Gen)
  • Hemmung der Zellwandsynthese
  • Hemmung der Proteinsynthese
  • Hemmung der DNA- oder RNA-Synthese
  • Störung der DNA-Topologie
  • Schädigung der Membranintegrität

Wirkmechanismen einzelner Substanzen

Eine Übersicht über die wichtigsten Wirkmechanismen gegenüber einzelnen Substanzen gibt Tab. 1.

ß-Laktame

Die bakterielle Zellwand ist zusammengesetzt aus Polysacchariden, die über Peptide miteinander verknüpft sind. Die Zellwandsynthese erfolgt über folgende Schritte:
  • Produktion eines Disaccharids aus N-Acetyl-Glucosamin und N-Acetyl-Muraminsäure, das an der Muraminsäure mit einem Pentapeptid verknüpft ist, im Zytoplasma
  • Bindung des Komplexes an einen Lipidcarrier
  • Ausschleusung und Einbindung in die Peptidoglykan-Wand
Die Zellwand gibt dem Bakterium eine hohe osmotische Resistenz.
Die Einbindung dieser Elemente in die Peptidoglykan-Wand wird durch eine Familie von Enzymen, sogenannten Peptidoglykansynthetasen, ermöglicht. Unterscheiden kann man dabei Transglykosiddasen – diese verbinden die Disaccharide miteinander und mit dem wachsenden Peptidoglycanstrang – und Transpeptidasen, die die Pentapetide miteinander verbinden. Eine Carboxypeptidase schließt die Zellwandsynthese durch Abspaltung eines D-Alanins ab.
ß-Laktame sind strukturelle Analoga der terminalen D-Alanin-D-Alanin der Pentapeptide. ß-Laktame inhibieren die Transpeptidierung durch kovalente Bindung an das aktive Zentrum der Transpeptidase, die somit inaktiviert wird. Wegen dieser Bindung von ß-Laktamen an die zellwandaufbauenden Enzyme werden letztere auch – nicht ganz korrekt – als Penicillin-bindende Proteine (PBP) bezeichnet.
Die Transglykosidierung wird nicht durch ß-Laktame beeinflusst. Die stattfindende Inhibition der Carboxypeptidase hat keinen antimikrobiellen Effekt.
Die Wirkungsunterschiede zwischen den einzelnen ß-Laktamen beruhen auf Unterschieden in der Penetration der äußeren Membran gramnegativer Bakterien in der Affinität zu verschiedenen PBPs sowie in der ß-Laktamase-Festigkeit.
Das Monobactam Aztreonam ist nur gegen PBP 3 wirksam, was die ausschließlich gramnegative Wirksamkeit erklärt.
Natürlich resistent gegen ß-Laktam-Antibiotika sind:
  • Bakterien mit natürlich fehlender Zellwand (z. B. Mykoplasmen),
  • Bakterien im Ruhestadium (ohne Zellwandsynthese),
  • L-Formen (= sekundär zellwandlose).
  • Enterokokken und Listerien sind gegen Cephalosporine und manche E. faecium zusätzlich gegen Ampicillin wegen unempfindlicher zellwandaufbauender Enzyme (PBPs) resistent.
  • Klebsiella spp. und Enterobacter spp. sind gegen Ampicillin wegen der Bildung einer ß-Laktamase natürlich resistent,
  • viele gramnegative Bakterien gegen Penicillin.
Eine Besonderheit stellen intrazelluläre Bakterien (z. B. Legionellen und Chlamydien) dar, weil ß-Laktame nicht in eukaryote Zellen penetrieren und somit selbst in vitro empfindliche intrazelluläre Bakterien damit in ihrer Nische nicht erreicht werden können.

ß-Laktamase-Inhibitoren

Obwohl sie streng genommen keine zellwandwirksamen Antibiotika sind, sollen diese Substanzen hier genannt werden, weil sie ß-Laktamen wieder Wirksamkeit verleihen können. Ein häufiger Resistenzmechanismus gegen ß-Laktame ist die Bildung von Enzymen, die diese Antibiotika zerstören, sogenannte ß-Laktamasen (s. u.). Inhibiert man diese Enzyme, gewinnt man die Wirkung der ß-Laktame zurück.
Die derzeit verfügbaren ß-Laktamase-Inhibitoren sind selbst fast alle ß-Laktame, die auch von den ß-Laktamasen gespalten werden, aber kovalent gebunden in deren aktivem Zentrum verbleiben, sodass die ß-Laktamasen irreversibel inaktiviert werden. Eine Ausnahme ist der neue ß-Laktamase-Inhibitor Avibactam, der keinen ß-Laktam-Ring enthält und eine reversible Bindung eingeht.
ß-Laktamase-Inhibitoren haben keine nennenswerte eigene antimikrobielle Aktivität und müssen deshalb immer in Kombination mit einem wirksamen ß-Laktam gegeben werden. (Eine Ausnahme ist die Wirksamkeit von Sulbactam gegen Acinetobacter baumannii.)

Fluorchinolone

Angriffspunkte der Fluorchinolone sind die bakteriellen Topoisomerasen. Diese Enzyme sind für die regelrechte Struktur und Funktion der bakteriellen DNA essentiell. Zurzeit sind vier Topoisomerasen bekannt.
Die Topoisomerase II (DNA-Gyrase) hat die Aufgabe, das DNA-Molekül zu Schleifen zu falten und spiralig zu verdrillen („supercoiling“). Dies ist erforderlich, um das lange DNA-Molekül soweit zu verkleinern, dass es in der Zelle Platz findet. Die Topoisomerase II besteht aus einem Tetramer aus zwei A- und B-Untereinheiten. Damit die DNA abgelesen werden kann, muss sie entspiralisiert werden. Dieser Schritt wird durch Schneiden der DNA, Durchziehen des darunter liegenden Stranges und Wiederverknüpfung erreicht. Die GyrA bewirkt das Aufschneiden und Verknüpfen der DNA, während die GyrB die Verdrillung ermöglicht. Diese Untereinheiten werden durch die gyrA- und gyrB-Gene kodiert.
Die Topoisomerase IV bewirkt daneben auch die Trennung von zwei DNA-Molekülen nach der Replikation („Decatenierung“). Sie besteht ebenfalls aus einem Tetramer (ParC und ParE, kodiert durch parC- und parE-Gene bzw. GlrA und GlrB bei grampositiven Bakterien).
Eine Hemmung des Ligaseanteils der genannten Enzyme (das ist der Anteil, der die Wiederverknüpfung ermöglicht) bewirkt letztlich, dass die Bakterien ihre eigene DNA zerschneiden.
Tipp
Diese Mechanismen sind sehr anschaulich in einem Kurzfilm hinterlegt: http://www.youtube.com/watch?v=EYGrElVyHnU
Die Hemmung der beiden Enzyme ist bei grampositiven und gramnegativen Mikroorganismen unterschiedlich ausgeprägt, steht jedoch auch in Abhängigkeit von der einzelnen Substanz.

Aminoglykoside

Aminoglykoside werden durch einen elektrochemischen Gradienten über die Zellmembran ins Zytoplasma transportiert; bei Gramnegativen müssen sie vorher die äußere Membran passiert haben.
Durch die Zellmembran kommen sie nur durch den elektrochemischen Gradienten; deshalb können sie bei Aerobiern und fakultativen Anaerobiern gut penetrieren, bei Anaerobiern aufgrund des zu geringen Gradienten nicht.
Die antibakterielle Wirkung erfolgt über eine Hemmung der Proteinsynthese. Aminoglykoside binden sich irreversibel an die 30S-Untereinheit der Ribosomen und führen zu Fehlsteuerungen der Proteinsynthese über funktionsuntüchtige „nonsense Proteine“.

Fosfomycin

Die Substanz wirkt bakterizid. Sie ist ein irreversibler Hemmstoff des Enzyms MurA (UDP-N-Acetylglucosamin-enolpyruvyl-transferase), das den ersten Schritt der Peptidoglykansynthese katalysiert. In vitro wirkt Fosfomycin mit ß-Laktamen und Substanzen mit Aktivität gegen S. aureus synergistisch. Gegenüber anderen Bakterienspezies ist die Wirkung sehr variabel.

Colistin

Colistin ist ein Substanzgemisch, das aus ca. 30 Komponenten besteht. Das Grundgerüst weist sieben, die Seitenkette drei Aminosäuren auf. Der variable Teil besteht aus Fettsäuren. In Deutschland gibt es nur Colistinmethat-Natrium (CMS).
Colistin wirkt bakterizid. Der Wirkmechanismen besteht in einer Interaktion mit der Lipoid-A-Komponente des LPS, sodass die Integrität der äußeren Membran gestört wird. Colistin wirkt somit ausschließlich bei gramnegativen Bakterien.

Glykopeptide

Vancomycin und Teicoplanin binden an die terminale D-Ala-D-Ala-Einheit des Disaccharid-Pentapeptid-Moleküls. Damit wird die Transpeptidierung gehemmt.
Die natürlichen Resistenzen sind bedingt durch:
  • bestimmte grampositive Erreger wie z. B. einige Enterococcus spp.: Diese weisen eine unterschiedliche Endsequenz auf, an die Vancomycin nicht binden kann (z. B. D-Ala-D-Lac);
  • alle klinisch relevanten gramnegativen Erreger: Impermeabilität der äußeren Membran für das große Molekül Vancomycin bzw. Teicoplanin.

Oxazolidinone

Diese hemmen die bakterielle Proteinsynthese am Ribosom durch Bindung an die 30S- und 50S-Untereinheit. Die Wirkung ist bakteriostatisch.

Resistenzmechanismen

Unter den bakteriellen Resistenzen werden die natürliche und die erworbene Resistenz unterschieden.
Unter einer natürlichen Resistenz werden Lücken im Wirkspektrum von antimikrobiellen Substanzen verstanden, die ganze Bakteriengruppen (Spezies, Genus, Famile, Ordnung) betreffen, ohne dass es für ihre Entwicklung einer Mutation oder der Aufnahme zusätzlicher DNA bedarf. So sind beispielsweise gramnegative Bakterien natürlich (d. h. immer) resistent gegen Vancomycin (weil dies nicht durch die äußere Membran penetriert), grampositive Bakterien resistent gegen Colistin (weil Grampositive keine äußere Membran, den Wirkort des Colistin, besitzen), das Genus Klebsiella immer resistent gegen Ampicillin (weil alle Klebsiellen eine chromosomal kodierte Penicillinase besitzen).
Bei der erworbenen Resistenz werden zwei Formen unterschieden:
Die Mutations-bedingte Resistenz
Diese entsteht durch Punktmutationen (typisch Chinolone, Rifampicin) oder Rearrangements von DNA (Inversionen, Duplikationen, Deletionen), die zu geringerer Affinität des Antibiotikums zum Substrat oder zu unterschiedlicher Expression schon vorhandener Resistenzgene führen. Klassisch werden dabei bei Therapiebeginn vorexistente, antibiotikaresistente Mutanten durch die Therapie selektiert.
Die Plasmid- oder Transposon-bedingte Resistenz
Hierbei werden über unterschiedliche Mechanismen zusätzliche DNA-Abschnitte in die Bakterienzelle eingebracht. Wenn diese zusätzliche DNA für Proteine kodiert, die die Resistenz gegen Antibiotika erhöhen, wird der Empfänger weniger anfällig für diese Medikamente.
Die zusätzliche DNA kann über vier mögliche Mechanismen in die Zelle gelangen:
  • Transformation (Aufnahme freier DNA)
  • Transduktion (DNA-Transfer durch Bakteriophagen)
  • Konjugation (Plasmide über Paarungsbrücke)
  • Konjugative Transposition (Transposone; Transfer nichthomologer Gene durch eigene, recA-unabhängige Rekombinationsenzyme, sogenannte „Transposasen“)
Häufig treten Resistenzgene innerhalb sogenannter Integrons in Clustern auf. Dies ist auf die Bereitstellung einer Insertionsstelle für Resistenzgene aus fremder DNA in diesen Integrons zurückzuführen. Durch Integrons eingefangene Gene werden als „Genkassetten“ bezeichnet.
Im Prinzip stellt zusätzliche DNA einen Nachteil für das Bakterium dar, denn diese muss während der Replikation energieintensiv synthetisiert werden. Auch die Synthese der kodierten Proteine verursacht metabolische Kosten, sodass Gene, deren Expression in Abwesenheit des Antibiotikums reprimiert ist, einen Vorteil darstellen.
Allgemeine bakterielle antimikrobielle Resistenzmechanismen umfassen:
1.
die Modifikation oder Protektion des Angriffspunktes,
 
2.
die enzymatische Inaktivierung der antimikrobiellen Substanz,
 
3.
die Beeinträchtigung der Permeabilität,
 
4.
die Expression von Effluxpumpen,
 
5.
die Umgehung eines Stoffwechselweges.
 
Tab. 1 fasst Wirk- und Resistenzmechanismen im Überblick zusammen. Möglichkeiten der erworbenen Resistenz werden im Folgenden entlang dieser Mechanismen beschrieben.

Einzelne Substanzen

Eine Übersicht über die wichtigsten Resistenzmechanismen gegenüber einzelnen Substanzen gibt Tab. 1.

ß-Laktame

Modifikation der PBP
Streptococcus pneumoniae hat fünf hochmolekulare (1A, 1B, 2A, 2X, 2B) und ein niedermolekulares PBP (3). PBP 2X und 2B sind für die Zellwandsynthese essentiell. Penicillin-empfindliche Stämme haben sehr gleichförmige PBP-Gene, Penicillin-resistente Stämme hingegen eine hohe PBP-Gen-Variabilität. Diese Variabilität erklärt sich aus Geninsertion durch homologe Rekombination von Genfragmenten resistenter Bakterien (überwiegend andere Streptococcus spp.). Sie bewirkt eine niedrigere Affinität der PBP zu ß-Laktamen und dadurch eine verringerte Empfindlichkeit.
Staphylococcus aureus kann eine Methicillin-Resistenz über die Synthese Pencillin-resistenter Transpeptidasen (PBP 2a) erwerben. Diese wird genetisch kodiert durch mecA bzw. mecC, einer zusätzlichen DNA. Die PBP 2a ersetzt funktionell weitgehend die PBPs 1, 2, 3, die ansonsten für die Zellwandsynthese essentiell sind.
Enzymatische Zerstörung der antimikrobiellen Substanz (ß-Laktamasen)
ß-Laktamasen hydrolysieren wie PBP den ß-Laktamring; bei ß-Laktamasen wird das Spaltprodukt jedoch freigesetzt, sodass das Enzym weitere Moleküle spalten kann. Im Gegensatz dazu verbleibt bei den PBP das gespaltene ß-Laktam kovalent an das aktive Zentrum des Enzyms gebunden und inaktiviert es irreversibel.
ß-Laktamasen werden durch chromosomale Gene oder durch Plasmide bzw. Transposons kodiert.
ß-Laktamasen können, wie in Tab. 2 dargestellt, klassifiziert werden.
Tab. 2
Einteilung der ß-Laktamasen
Klasse
Enzymgruppe
Vertreter
Resistenzen gegen
Hemmung durch
A
Serin-ß-Laktamasen
(Genetische Information: oft auf Plasmiden, aber auch auf Chromosomen)
   
  
Penicillinasen
• Stapylokokken-ß-Laktamasen
• TEM1
• SHV
Penicillin
Ampicillin
Piperacillin
Clavulansäure, Tazobactam, Avibactam*
  
ESBL
• CTX
• SHV
• TEM
Ampicillin
Piperacillin
Cefotaxim, Ceftazidim
Clavulansäure, Tazobactam, Avibactam*
  
Carbapenemasen
• KPC
Carbapeneme
Avibactam*
B
Metallo-ß-Laktamasen
(Genetische Information: oft auf Chromosomen und Plasmiden)
   
  
Carbapenemasen
• NDM (New Delhi Metallo)
• IMP
• VIM (Vedrona Integron encoded)
• L1-ß-Laktamase von S. maltophilia
Penicilline
Cephalosporine
Carbapeneme
-
C
Serin-ß-Laktamasen
hier: AmpC-ß-Laktamasen („Cephalosporinasen“)
(Genetische Information oft auf Chromosomen, aber auch auf Plasmiden)
  
Avibactam*
  
Chromosomale ß-Laktamasen von Enterobacter und Citrobacter freundii
CMY
Cephalosporine, Penicilliine
Aztreonam
-
D
Serin-ß-Laktamasen
(Genetische Information: oft auf Plasmiden, aber auch auf Chromosomen)
   
  
OXA-ß-Laktamasen (= Oxacillinasen)
• OXA-1
• OXA-10
Penicilline, Cephalosporine
-
  
Carbapenemasen
• OXA-43
• OXA-48
Carbapeneme
Avibactam (nur OXA 48)
* wenige Ausnahmen
Ambler-Klassifikation (häufige bzw. wichtige ß-Laktamasen)
Dabei werden Serin-ß-Laktamasen (Enzyme, die im aktiven Zentrum ein Serin beseitzen) in die Gruppen A, C, D eingeteilt und Metalloenzyme (Enzyme, die im aktiven Zentrum 1–2 Zinkionen besitzen) in Gruppe B.
Bush-Klassifikation
Diese teilt die ß-Laktamasen entsprechend dem Substratprofil und der Inhibition durch Clavulansäure in vier Gruppen ein:
  • 1 = Cephalosporinase (durch Clavulansäure nicht hemmbar) (Ambler C)
  • 2 a–f = Penicillinase oder Cephalosporinase (durch Clavulansäure hemmbar) (Ambler A, 2d Ambler A oder D)
  • 3 = Carbapenemase (durch Clavulansäure nicht hemmbar) (Ambler B)
  • 4 = Penicillinase (durch Clavulansäure nicht hemmbar)
Grampositive Bakterien entlassen ihre ß-Laktamasen nach außen ins umgebende Milieu; gramnegative Bakterien konzentrieren ihre ß-Laktamasen im periplasmatischen Raum. Entsprechend bestimmen bei grampositiven Erregern die Eigenschaften der ß-Laktamase und die gebildete Menge die Empfindlichkeit gegenüber ß-Laktamen; bei gramnegativen Erregern ist die Empfindlichkeit demgegenüber auch abhängig von anderen Faktoren wie Penetration des Antibiotikums durch die äußere Membran. Daher kommen häufiger mäßig empfindliche Stämme vor, die durch hohe Dosierungen der antimikrobiellen Substanz wirksam therapiert werden können.
Streptococcus pneumoniae synthetisiert keine ß-Laktamasen. Unter den grampositiven Mikroorganismen bildet besonders Staphylococcus aureus Resistenzen durch ß-Laktamasen aus (80–90 % der Stämme sind ß-Laktamase-Produzenten). Diese werden im Wesentlichen durch Plasmide kodiert. ß-Laktamase-produzierende Stämme, die Oxacillin- (Methicillin-) sensibel sind, bleiben empfindlich auf alle penicillinasefesten Penicilline, ß-Laktam-ß-Laktamase-Inhibitor-Kombinationen sowie Cephalosporine mit Wirkung gegen Staphylococcus aureus.
Bei Enterobakterien muss man zwischen Spezies unterscheiden, die typischerweise in ihrer Wildform keine ß-Laktamase produzieren, wie E. coli oder Proteus mirabilis, und solchen, die typischerweise dieses Enzym bilden, wie Klebsiella pneumoniae, Proteus vulgaris oder z. B. Enterobacter spp. Die erworbenen ß-Laktamasen von E. coli und P. mirabilis sind typischerweise plasmidkodierte Penicillinasen (Ambler A), die durch ß-Laktamase-Inhibitoren gehemmt werden. Auch bleiben solche Stämme empfindlich gegen Cefalosporine der 3. Generation (und gegen hohe Dosen der 2. Generation).
Die Gruppe der Enterobacter spp., Citrobacter freundii, Serratia spp., Morganella und Providencia weisen eine induzierbare chromosomal kodierte ß-Laktamase auf (AmpC, Ambler Klasse C). Im Wildtyp wird die ß-Laktamase durch bestimmte ß-Laktame induziert, während der Replikation gibt es regelmäßig allerdings Mutationen, die zu einer stabil dereprimierten ß-Laktamase-Produktion führen. Diese Stämme sind unempfindlich gegen Penicilline, Cephalosporine und Aztreonam; da die AmpC-ß-Laktamase nicht durch ß-Laktamase-Inhibitoren gehemmt wird, wirken die derzeit verfügbaren Kombinationspräparate (mit Ausnahme der Kombination mit Avibactam, siehe Kap. Antimikrobielle Therapie: Pharmakokinetik (PK)) auch nicht. Einzig verbleibende Option bei ß-Laktamen sind Carbapeneme (und das in Deutschland nicht verfügbare Temocillin). Neben dieser speziestypischen Eigenschaft können erworbene ß-Laktamasen zusätzlich vorliegen.
ß-Laktamasen tragen auch wesentlich zur Resistenz anaerober Bakterien gegenüber ß-Laktamen bei. ß-Laktamasen von Fusobakterien sind in der Regel Penicillinasen, von Bacterioides fragilis wesentlich Cephalosporinasen, zuweilen auch Metallo-ß-Laktamasen und damit Carbapenemasen.
Sogenannte extended spectrum ß-Laktamasen (ESBL) sind klassisch Mutationen von TEM-1-, TEM-2- und SHV-1-Enzymen, die unter dem Selektionsdruck der Drittgenerations-Cephalosporine selektiert wurden. Die derzeit am weitesten verbreitete Enzymgruppe, die CTX-M-ESBL, stammt jedoch aus Kluyvera spp., einem natürlich in der Umwelt vorkommenden, üblicherweise apathogenen Enterobakterium. ESBL hydrolysieren neben Penicillinen Cephalosporine III und Monobactame. Die ESBL-Gene ihrerseits verbreiten sich meist auf Plasmiden. Die Bedeutung von ESBL liegt in der Einschränkung der Therapie auf wenige ß-Laktame, wesentlich die Carbapeneme. Inwieweit die Kombination Piperacillin/Tazobactam noch wirksam sein kann, wird derzeit diskutiert.
Merke
Der Kliniker sollte bei Nachweis einer Resistenz gegen Cefotaxim oder Ceftazidim bei E. coli oder Klebsiellen an eine ESBL denken.
Die genaue Differenzierung verschiedener ESBL kann durch eine ESBL-Multiplex-PCR geschehen. Diese ist in der Lage, die relevanten Resistenzgene (blaTEM, blaSHV, blaCTX-M) zu amplifizieren und zu differenzieren. Therapeutisch ist diese Differenzierung nicht relevant, epidemiologisch kann sie es sein.
Beeinträchtigung der Penetration
Die Passage von antimikrobiellen Substanzen durch die äußere Bakterienmembran wird durch Porine erleichtert. Die Diffusion dieser Substanzen wird dabei sowohl durch die Anzahl und Größe der Porine als auch durch ihre eigenen physikochemischen Eigenschaften bestimmt. Günstige Eigenschaften der antimikrobiellen Substanzen sind dabei eine geringe Molekülgröße sowie eine hohe Hydrophilie, wie sie etwa bei Imipenem zu finden sind.
Mutationen mit der Folge des Verlustes spezifischer Porine können dabei zu einer ß-Laktam-Resistenz führen. Beispiel ist das Porin OprD bei P. aeruginosa, das zu einer Imipenem-Resistenz führt.
Efflux
Effluxmechanismen spielen eine zusätzliche Rolle in der Resistenz von P. aeruginosa gegenüber ß-Laktamen.

Fluorchinolone

Modifikation des Angriffspunktes
Mutationen in gyrA oder gyrB führen durch geringfügige Änderungen der Aminosäuren-Sequenz der Topoisomerase II zu verringerter Bindung der Antibiotika und somit zur Resistenzentwicklung. Aber auch alleinige oder zusätzliche Mutationen der parC-Gene tragen zur Resistenz bei.
Efflux und reduzierte Membrandurchlässigkeit
Bei grampositiven Erregern führt die Hochregulation der Effluxpumpen zu einer Reduktion der intrazellulären Fluorchinolon-Konzentration. Die gesteigerte Expression dieser Effuxpumpen wird z. B. bei Streptococcus pneumoniae und Staphylococcus aureus über die chromosomalen norA- und pmrA-Gene kodiert.
Bei gramnegativen Erregern führen sowohl die Hochregulation der Effluxpumpen als auch eine Reduktion der Diffusion durch bakterielle Membrankanäle zur Resistenzentwicklung.
Target Protektion
Die Bildung eines Proteins (QnrA/B), das die Bindungsstelle der Chinolone blockiert, trägt zur Resistenz bei.
Inaktivierung des Antibiotikums
Ein Enzym, das ursprünglich nur Amioglykoside inaktivierte (AAC6’-Ib) kann auch einige Chinolone, darunter Ciprofloxacin, teilweise inaktivieren (AAC6’-Ib-cr).
Die beiden letztgenannten Mechanismen verursachen allein keine klinisch relevante Resistenz, ihnen wird aber eine Funktion für die schrittweise Resistenzentstehung bei Chinolonen beigemessen.
Tab. 3 fasst für die wichtigsten Erreger der nosokomialen Pneumonie die Resistenzmechanismen zusammen.
Tab. 3
Resistenzmechanismen von häufigen Erregern der nosokomialen Pneumonie und antimikrobielle Therapieoptionen
Erreger
Resistenz gegen
Häufiger Resistenzmechanismus
Alternative antimikrobielle Substanzen
Staphylococcus aureus
Penicillin
ß-Laktamase
ß-Laktam/ß-Laktamase-Inhibitor, Cephalosporin
Oxacillin
mec A/C
Vancomycin, Linezolid
Ampicillin
ß-Laktamase (BRO-1, 2, 3)
ß-Laktam/ß-Laktamase-Inhibitor, Cephalosporin II
BLNAR (ß-Laktamase negativ, Ampicillin resistent)
Mutationen der PBP
Cephalosporine III
Ampicillin, Piperacillin
ß-Laktamase
ß-Laktam/ß-Laktamase-Inhibitor-Kombinationen
Cephalosporin III
ESBL
Carbapenem
 
AmpC-Dereprimierung
Carbapenem
Carbapenem
Carbapenemasen
Colistin
Fluorchinolon
Mutation der Topoisomerasen (parC, parA/B)
Carbapenem
Piperacillin/Tazobactam
AmpC-ß-Laktamasen
OprD-kodierte Änderung der Membraneigenschaften (Porine)
Efflux
Carbapenem
Fluorchinolon
Aminoglykosid
Ceftazidim
Carbapenem
Fluorchinolon
Aminoglykosid
Aminoglykosid
Carbapenem
Colistin
Carbapenem
Carbapenemasen
Colistin
Acinetobacter baumanii
Piperacillin/Tazobactam
AmpC und Oxa ß-Laktamasen
OprD-kodierte Änderung der Membraneigenschaften (Porine)
Efflux
Carbapenem
Carbapenem
Carbapenemasen (Oxa-23, NDM)
Colistin

Aminoglykoside

Resistenzen beruhen auf folgenden Mechanismen:
Inaktivierung der antimikrobiellen Substanz
Der häufigste Mechanismus besteht in der Inaktivierung im periplasmatischen Raum durch Plasmid- oder Transposon-kodierte Enzyme. Man unterscheidet drei Klassen von Aminoglykosid-modifizierenden Enzymen: Acyltransferasen, Adenyltransferasen und Phosphotransferasen. Die Inaktivierung erfolgt über die Veränderung der NH2-OH-Gruppen, sodass die NH3-Bildung verhindert wird, die für den Eintritt ins Zytoplasma erforderlich ist.
Je nach bakterieller Spezies und lokaler Epidemiologie kommt eine andere Ausstattung mit Aminoglykosid-modifizierenden Enzymen vor, die zu unterschiedlicher Empfindlichkeit gegenüber den verfügbaren Substanzen führen kann. Die Resistenztestung muss deshalb die Besonderheiten der einzusetzenden Substanzen und der Mikroorganismen berücksichtigen.
Beeinträchtigung der Penetration
Diese entsteht durch chromosomale Mutationen mit dem Ergebnis einer unterschiedlich ausgeprägten Parallelresistenz aller Aminoglykoside.
Export
Insbesondere bei P. aeruginosa können Aminoglykoside auch mit Hilfe der überexprimierten Exporterpumpe aus der Zelle eliminiert werden.

Fosfomycin

Eine Vielzahl von Mechanismen ist bekannt:
  • Chromosomale Mutationen können den Membrantransport selbst oder die Expression von Transportern beeinträchtigen (glpT- und uhpT-Gene) oder den Angriffspunkt verändern (MurA).
  • Gene auf Plasmiden (fosA und fosB) sowie chromosomale Mutationen (fosX) können zur Bildung inaktivierender Enzyme führen.
In-vitro-Daten zeigen viele Spezies einer raschen Resistenzentwicklung gegen Fosfomycin, vor allem bei Monotherapie. Fosfomycin wird deshalb nur in Kombinationstherapie eingesetzt. Klassische Kombinationspartner sind dabei ß-Laktam-Antibiotika, bei multiresistenten gramnegativen Bakterien werden allerdings auch andere Antibiotikaklassen verwendet. Inwiefern die zusätzliche Gabe von Fosfomycin dabei tatsächlich einen Vorteil darstellt, ist nicht systematisch untersucht.

Colistin

Bis vor kurzem beruhte die Resistenz gegen Colistin ausschließlich auf chromosomalen Mutationen. Neuerdings wurde in China erstmals eine Plasmid-kodierte Resistenz beschrieben (MCR-1) (Liu et al. 2016). In der Folge wurde das Gen auch in Stämmen aus Dänemark und in Deutschland nachgewiesen.

Glykopeptide

Der primäre Resistenzmechanismus umfasst eine Modifikation des Angriffspunktes. Es handelt sich um eine übertragbare Resistenz (VanA, VanB, VanD). Diese ist bisher auf Enterococcus spp. beschränkt und vermittelt eine hohe Resistenz gegenüber Vancomycin. Es wurden zwar vereinzelt auch gegen Vancomycin resistente Stämme von S. aureus beschrieben, allerdings nicht bei Pneumonien, sondern bei chronischen Infektionen, bei denen Vancomycin-resistente Enterokokken und MRSA gleichzeitig auftraten.
Des Weiteren kann es zu Alterationen der Zellwandbestandteile kommen. Dieser (noch nicht ganz geklärte) Mechanismus besteht bei intermediär-sensiblen S. aureus (VISA).

Oxazolidinone

Bisher sind folgende Resistenzmechanismen relevant:
  • Mutationen in ribosomaler rRNA/rDNA (z. B. G2576T in der Domäne V des 23S rRNA Gens) bei Staphylokokken und Enterokokken.
  • Mutationen ribosomaler Proteine bei Staphylokokken (im ribosomalen Protein L3 und L4).
  • Plasmid-vermittelte (und somit horizontal übertragbare) Methyltransferasen („cfr“ = chloramphenicol-florfenicol Resistenz-Gen) bei Staphylokokken und Enterokokken.

Resistenzmechanismen von häufigen Erregern der nosokomialen Pneumonie und antimikrobielle Therapieoptionen

Diese finden sich in Tab. 3 zusammengefasst.

Weiterführende Literatur

  • Übersicht über Resistenzmechnanismen und Therapie resistenter nosokomialer gramnegativer Erreger:
  • Kaase M Neue Entwicklungen zu mehrfach resistenten gramnegativen Bakterien. Krankenhaushygiene Up2date 6:101–116
  • Sehr gute Übersicht über Resistenzmechanismen bei gramnegativen Bakterien:
  • Mehrad B, Clark NM, Zhanel GG, Lynch JP 3rd (2015) Antimicrobial resistance in hospital-acquired gram-negative bacterial infections. Chest 147:1413–1421
  • Resistenzmechanismen bei P. aeruginosa:
  • Lambert PA (2002) Mechanisms of antibiotic resistance in Pseudomonas aeruginosa. J R Soc Med 95(Suppl 41):22–26
  • Resistenzmechanismen bei P. aeruginosa und Acinetobacter baumanii:
  • Potron A, Poirel L, Nordmann P (2015) Emerging broad-spectrum resistance in Pseudomonas aeruginosa and Acinetobacter baumannii: mechanisms and epidemiology. Int J Antimicrob Agents 45:568–585
  • Übersicht zum neuen ß-Lakatamsehemmer Avibactam:
  • Stock I (2013) Avibactam, ein neuer Beta-Laktamase-Inhibitor bei Erkrankungen durch multiresistente gramnegative Bakterien. Arzneimitteltherapie 31:109–115
  • Behandlungsoptionen bei multiresistenten Acinetobacter baumanii:
  • Viehman JA, Nguyen MH, Doi Y (2014) Treatment options for carbapenem-resistant and extensively drug-resistant Acinetobacter baumannii infections. Drugs 74:1315–1333
  • Übersicht über Resistenzentwicklung von Fosfomycin bei gramnegativen Erregern:
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  • Erster Bericht über plasmidkodierte MCR-1-Resistenz gegen Colistin:
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