Anzeige

Dialyse von A bis Z

Endo­toxine

Bakte­rielle Pro­dukte mit Fol­gen

Denkt man an Bakterien und eine mögliche Verkeimung von Wasserleitungen oder an Wundinfektionen, sind neben der Bakterienzahl (KBE – Koloniebildende Einheiten) schnell auch drei weitere Begriffe zur Hand. Diese sind: Endotoxine, Lipopolysaccharide oder Pyrogene. Alle drei stehen für die gleichen bakteriellen Produkte, mit denen biologische Prozesse stimuliert oder blockiert werden, oder physiologische Reaktionen im Körper beeinflusst werden können. Sie haben die Aufmerksamkeit von Wissenschaftlern seit vielen Jahren erregt und sind aus der Diskussion um die Qualität der Dialysetherapie nicht mehr wegzudenken.

Abbildung

Abb. 1 Gram-negative zeigen im Gegensatz zu Gram-positiven Bakterien einen komplexen Aufbau ihrer Zellhülle. Sie besteht aus einer dem Zytoplasma zugewandten inneren Zellmembran, die von der äußeren Zellmembran durch die Zellwand, dem Murein-Sack, getrennt ist. Endotoxine sind Bestandteile der äußeren Zellmembran von Gram-negativen Bakterien.

Was sind Endotoxine?

Bakterien werden anhand des Aufbaus ihrer Zellwand unterschieden. Dies ist mit der sogenannten Gram-Färbung möglich. Sie ist nach seinem Erfinder, dem Dänen Hans Christian Gram (1853 -1938) benannt. Zu den mit der Gram-Färbung markierbaren, also „Gram-positiven“ Bakterien zählen z.B. die Hautkeime Staphylokokken. Ihre relativ homogene Zellwand besteht fast ausschließlich aus Zucker-
molekülen (Peptidoglukanen).

Diejenigen Mikroorganismen, die sich dieser Anfärbung entziehen, werden als „Gram-negativ“ bezeichnet. Die Krankenhauskeime Pseudomonas Klebsiella und E. Coli gehören zu dieser Gruppe. Abbildung 1 zeigt das Schema eines solchen Mikroorganismus. Wie man erkennen kann, besteht die äußere Hülle eines Gram-negativen Bakteriums aus zwei Membranen, die durch eine Zellwand, den sogenannten Murein-Sack, getrennt sind. Endotoxine sind ausschließlich Bestandteile der äußeren Zellmembran dieser Bakterien. Ihr Entdecker, Johannes Pfeiffer (1858-1945), hatte ursprünglich angenommen, dass diese aus dem Innern der Bakterienzelle stammen und sie deshalb mit dem Präfix „endo“ (endo: griechisch innerhalb, innen) verbunden. In der Tat stammen sie aber von der äußeren Zellmembran.

Endotoxine sind Kettenmoleküle mit einer Kopfgruppe aus fettähnlichen Substanzen (Lipiden), die man mit „Lipid A“ bezeichnet, und die nicht wasserlöslich sind. Angebunden an diese Kopfgruppe ist eine Kette von wasserlöslichen Zuckermolekülen, die in Abbildung 1 an den kleinen Sechsecken erkennbar sind. Wir wissen heute, dass die biologische Aktivität im humanen Organismus mit der Verzweigung der Zuckerkette zunimmt. Aus der chemischen Kombination von Lipiden und Zuckern leitet sich daher auch der Name „Polysaccharide“ für Endotoxine ab. Endotoxine sind sehr hitzestabil und überstehen sogar eine Dampfsterilisation. Die gesundheitsgefährdende Eigenschaft dieser Bakterienbestandteile liegt darin, dass sie beim Patienten Fieber hervorrufen können. Sie werden daher auch als „Pyrogene“ bezeichnet. Wichtig ist die Beobachtung, dass Endotoxine auch nach einer Sterilisation, mit der die Bakterien abgetötet werden, vorhanden bleiben und ihre Wirkung entfalten können.

Aspekte und Eigenschaften von Endotoxinen

Der Nachweis von Endotoxinen gelingt mit biologischen Testverfahren. Bevorzugt werden heute der LAL-Test und der Monozyten-Aktivierungs-Test (MAT) eingesetzt. Der LAL-Test (Limulus Amoebozyten Lysat-Test) ist seit etwa 30 Jahren in Publikationen beschrieben. Dieser Test beruht darauf, dass eine Infektion des Pfeilschwanzkrebses (Limulus polyphemus) mit Gram-negativen Bakterien zu einer Blutgerinnung in diesem Organismus führt. Die Koagulation wird dabei durch eine Reaktion des bakteriellen Endotoxins mit einem Gel bildenden Protein in den Blutzellen des Limulus-Krebses (Amoebozyten) hervorgerufen. Sie kann auch im Labor durch die Wechselwirkung von Endotoxinen mit einem Proteingemisch aus den Amoebozyten (Lysat) nachgestellt werden. Der Test ist etwa 100-mal empfindlicher als der früher übliche Kaninchentest. Der MAT-Test ist ein in vitro-Test mit humanen Blutzellen (Monozyten). Hier wird die Freisetzung von Zytokinen aus Monozyten nach einer Exposition mit Endotoxinen gemessen und damit eine Fieberreaktion simuliert. Der Test wurde 2010 in die Europäischen Pharmakopöe übernommen und 2012 auch von der US-amerikanischen FDA zugelassen.

Solche Tests haben auch gezeigt, dass man die Zahl von Mikroorganismen, z.B. in einer Dialysierflüssigkeit, nicht direkt mit dem Auftreten von entsprechenden Mengen von Endotoxinen korrelieren darf. Vielmehr hängen letztere auch von der Art der entsprechenden Keime ab (Tab. 1). Es bedeutet, dass die regelmäßige Bestimmung der Keimzahl im Krankenhaus immer auch mit einer Typenbestimmung von Bakterien einhergehen muss. Nur so sind genaue Informationen zur Ursache von möglichen Komplikationen zu erhalten.

Tabelle

Tab. 1 Die Zahl von Mikroorganismen entspricht nicht der auftretenden Konzentration von Endotoxinen. Sie hängt vielmehr vom Bakterientyp ab. Bei gleicher Keimzahl (hier 108 KBE/ml) kann die Menge der gefundenen Endotoxine um zwei bis drei Größenordnungen variieren.

Fazit

Endotoxine sind Bestandteile der äußeren Zellmembran von Gram-negativen Bakterien. Sie sind hitzestabil. Auch wenn nach den heute üblichen Dampfsterilisationsverfahren alle Bakterien abgetötet sind, können Endotoxine vorhanden sein. Sie müssen durch zusätzliche Filtrationsverfahren entfernt werden, wodurch Medizinprodukte oder Infusionslösungen „pyrogenfrei“ werden. Eine Pyrogenfreiheit ist daher die Grundvoraussetzung für den problemlosen Einsatz von Medizinprodukten.

[mashshare]