Staphylococcus aureus
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Reich Bacteria
Abteilung Firmicutes
Klasse Bacilli
Ordnung Bacillales
Familie Staphylococcaceae
Morphologie In Haufen angeordnete Kokken, ø 0,5 – 1,5 µm
Vorkommen
ubiquitär in der Natur und auf vielen unbelebten Flächen (Staubpartikel, Kittel, Geräte und medizinische Instrumente)
Residual- und Transientflora des Menschen und anderer Säugetiere (Kolonisation der Haut und oberen Atemwege, v.a. Nase und Leistenregion) -> Kolonisation meist symptomlos
Besonderheiten S. aureus gehört zu den häufigsten Verursachern nosokomial erworbener Infektionen.
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Abb. 1:
S. aureus Newman auf Blutagar

Allgemeines

Staphylococcus aureus wurde erstmals 1884 von Rosenbach unter diesem wissenschaftlichen Namen beschrieben. Er beschrieb zu dieser Zeit zwei pigmentierte Kolonieformen von Staphylococcus und benannte die entsprechend mit Staphylococcus aureus (große, goldgelbe Kolonien) und Staphylococcus albus (kleine, weiße Kolonien). S. albus trägt heute den wissenschaftlichen Namen S. epidermidis.

S. aureus gehört zu den Gram-positiv färbenden, bekapselten, nicht sporulierenden Kokken mit einem niedrigen GC-Gehalt (33 – 40%). Aus der Gattung Staphylococcus sind die Verteter S. aureus und S. epidermidis bedeutend durch ihre Interaktion mit dem Menschen, wobei beide als fakulative Pathogene einzustufen sind und S. epidermidis fast ausschließlich in Krankenhäusern Verursacher von Infektionen ist. Im Jahre 2001 wurden bereits 20 verschiedene Staphylokokken-Arten in Bergey’s Manual geführt.
Der wissenschaftliche Name S. aureus leitet sich von der Zell- und Koloniemorphologie ab. Die Kokken sind in Haufen oder Trauben angeordnet (griech. staphyle = Traube, griech. kokkos = Kügelchen) und bilden goldgelbe, runde, ca. 1 mm messende Kolonien (griech. aureus = „der Goldene“) (s. Abbildungen). Die Anordung als Haufenkokken rührt von der Teilung von S. aureus, die in zwei Ebenen stattfindet. Dies unterscheidet sie optisch (mikroskopisch) von den Streptokokken, die aufgrund nur einer Teilungsebene in Ketten angeordnet sind. Auf Blutagar ist die vollständige Hämolyse ( b-Hämolyse) von S. aureus zu erkennen (Abb. 3, rechts). Aufgrund seiner Fähigkeit, Erythrozyten zu lysieren, kann S. aureus als „Amme“ zur Kultivierung von anspruchsvollen Keimen wie Haemophilus influenzae eingesetzt werden, die sonst nur auf Kochblutagar wachsen. S. aureus macht die in den Erythrozyten enthaltenen Wachstumsfaktoren Hämin und NADH zugänglich und ermöglicht H. influenzae das Wachstum in seiner Hämolysezone.

Abb. 2: Haufenförmige Anordnung von S. aureus Zellen, mikrokopische Aufnahme nach Gramfärbung.

S. aureus ist fakultativ anaerob und metabolisiert Zucker demnach sowohl aerob als auch mittels Fermentation, bei der hauptsächlich Laktat entsteht. Der Organismus kann bei Temperaturen von 15 bis 45 °C wachsen und toleriert bis zu 15% NaCl.

Abb. 3 links: Wachstum von S. aureus subsp. aureus Newman Kolonien auf Blutagar.
Abb. 3 rechts: Wachstum und b-Hämolyse von S. aureus 4074 (links) bzw. Wood-46 (rechts) auf Blutagar.

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Pathogenese

Infektionsweg
S. aureus
gilt als eine der Hauptursachen nosokomial erworbener Infektionen. Seine Toleranz gegenüber Trockenheit erlaubt es ihm, lange Zeit auf unbelebten Flächen zu überleben. Das Mediziner-Sprichwort „Der Wunde ärgster Feind ist des Arztes Hand“ gewinnt zunehmend an Bedeutung. Voraussetzung, eine Ausbreitung von S. aureus in Krankenhäusern zu minimieren ist eine angemessene Händedesinfektion, die von jeglichem Pflegepersonal zwingend zu beachten ist. Zusätzlich zur Verbreitung des Keimes durch Krankenhauspersonal ist die Fähigkeit des Organismus beachtlich, unbelebte Oberflächen zu kolonisieren und so mittels medizinischer Instrumente eine Eintrittstelle in den Wirt zu finden. Nicht selten ist S. aureus ein Grund von Infektionen, die durch den Gebrauch von Kathetern und anderen Polymer-Oberflächen im menschlichen Körper verursacht werden. Häufige Erkrankungen, die auf S. aureus zurückzuführen sind: Sepsis, Haut- und Wundinfektionen, Pneumonien, Abszesse, Furunkel, Endokarditis, Osteomyelitis, Lebensmittelvergiftungen durch S. aureus Exotoxine, Mastitis bei Rindern.

Biofilmbildung
Die Fähigkeit der Kolonisation und Biofilmbildung auf Polymeroberflächen und eukaryotischen Geweben ist einer der Hauptpathogenitätsfaktoren von S. aureus. Auf diesem Gebiet wurde und wird viel Forschung betrieben. Die Biofilm-Bildung auf Polymeroberflächen und Geweben kann anhand eines mehrstufigen Modells erläutert werden: auf der Oberfläche des Organismus lokalisierte Adhäsine vermitteln eine initiale Anheftung an Polymere oder Gewebe. Polymeroberflächen werden oft auch schnell von extrazellulären Matrix- und Plasmaproteinen (z. B. Fibronektin, Vitronektin, Fibrinogen) ummantelt. Neben der Fähigkeit der initialen Adhäsion an Polymeroberflächen können diese Proteine als Rezeptoren für S. aureus dienen und die mit Matrix- oder Plasmaproteinen überzogene Oberfläche wird schnell von S. aureus kolonisiert. Darauf folgt die Ausbildung vielschichtiger Zellkluster, die auf interzellulärer Adhäsion beruhen. An diesem Vorgang beteiligte Gene wurden mit Hilfe von Biofilm-negativen Transposon-Insertionsmutanten von S. epidermidis identifiziert. Das ica-Operon codiert die Informationen zur Biosynthese von PIA (polysaccharide intercellular adhesin), ein lineares β-1,6-verknüpftes Glukosoaminoglykan. PIA vermittelt die interzelluläre Adhäsion und bildet damit die Grundlage zur Ausbildung eines Biofilms. Die Zellen des Biofilms werden im Anschluss durch eine Matrix aus Exopolysacchariden ummantelt. So ist der Biofilm vor dem Immunsystem des Wirtes und einer antibiotischen Therapie geschützt.

Virulenzfaktoren & Resistenzen
S. aureus
verfügt über eine Reihe weiterer Virulenzfaktoren. Verschiedene Oberflächenproteine vermitteln die Adhäsion der Organismen an Gewebe und medizinische Geräte/Instrumente. Die Kapsel, sowie Protein A wirken antiphygozytotisch. Protein A ist ein Oberflächenprotein, das IgG an der Fc-Region bindet und somit verhindert, dass IgG an den Fc-Rezeptor von Phagozyten binden kann. Sollten S. aureus Zellen dennoch in Phagozyten aufgenommen worden sein, können sie dort durch Aktivität der von ihnen exprimierten Katalase überdauern. Katalase spaltet H2O2 in H2O und O2. Der entstehende Sauerstoff ist in Form einer plötzlichen Gasbildung beim Applizieren von 3% H2O2 auf S. aureus Kolonien zu erkennen. Die sichtbare Gasbildung wird in der Diagnostik im Katalase-Test genutzt. S. aureus produziert zudem Carotinoide, die in Phagozyten enthaltenen Singulett-Sauerstoff detoxifizieren können. Der "clumping factor" (Fibrinogen-Bindeproteine) bewirkt unter Beteilung der mikrobiellen Plasmakoagulase die Bildung von Fibrin aus Fibrinogen. Die Koagulase von S. aureus verbindet sich mit menschlichem Prothrombin zu Staphthrombin, welches die Fibrinbildung zur Folge hat. Fibrin bildet anschließend ein Gerinnsel um die Mikroorganismen und schützt sie so vor der Immunantwort des Wirtes. Zunehmend treten multiresistente Formen von S. aureus auf. Die meisten nicht-klinischen S. aureus Isolate sind mittlerweile gegenüber Penicillin resistent. Sogenannte MRSA (Methicillin-resistente S. aureus) weisen ein verändertes Penicillin-Bindeprotein auf, das vom mecA-Gen codiert wird und machen sie damit gegen sämtliche b-Laktame unempfindlich. Diese Formen von S. aureus lassen sich vorwiegend in Krankenhäusern und anderen klinischen Einrichtungen isolieren (hMRSA = hospital acquired MRSA), treten jedoch mittlerweile auch so auf (cMRSA = community acquired MRSA) Resistenzen treten auch gegen Makrolide, Chinolone und Aminoglykoside auf. Bisher konnte Vancomycin (ein Glykopeptid) als Reserveantibiotikum bei MRSA eingesetzt werden. Mittlerweile treten auch Vancomycin-resistente S. aureus (VRSA) auf. Ein Vancomycin-Resistenz-Plasmid aus Enterococcus faecalis kann im Labor leicht in S. aureus transformiert werden. Es ist möglich, dass VRSA das Resistenzgen natürlicherweise im menschlichen Darm erworben haben kann. Weitere Virulenzfaktoren und deren Wirkungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Die Kontrolle der Virulenz erfolgt durch globale Regulatoren. Ein Beispiel ist agr (accessory gene regulator), der in der stationären Phase zum Tragen kommt und eine Hochregulation der Toxinproduktion und eine Herunterregulation der Expression von Oberflächenproteinenzur Folge hat.

Tabelle 1: Virulenzfaktoren von S. aureus und deren Auswirkungen

Virulenzfaktor

Wirkung

Oberflächenproteine/Adhäsine

Adhäsion an Polymeroberflächen und Gewebe

Invasine (Leukocidin, Hyaluronidasen, Kinasen)

Invasion in Zellen

Protein A, Kapsel

Antiphagozytotisch

Katalase

Überleben in Phagozyten

Protein A, Koagulase, Clumping Factor

Umgehen der Immunantwort des Wirtes

Hämolysine, Leukocidin, PVL (Panton Valentin Leukocidin), Leukotoxin

Zerstörung von Wirtsmembranen

Exotoxine: Enterotoxine, TSST (Superantigen)

Schädigung des Wirtes

Natürliche und erworbene Resistenzen

Unsensibel gegenüber anibiotischer Therapie

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Diagnose und Therapie

S. aureus kann aus klinischen Material recht schnell und routiniert nachgewiesen werden. Die Diagnose erfolgt anhand von unterschiedlichem Probenmaterial (z. B. Abstriche, Blut). Die mikroskopischen Betrachtung eines Gram-Präparates liefert einen ersten Hinweis auf Gram-positive Kokken. Meist steht schon anhand des zur Verfügung stehenden Probenmaterials ein Verdacht fest. Mithilfe des bereits erläuterten Katalase-Tests können Staphylokokken (Katalase-positiv) von den Streptokokken (Katalase-negativ) abgegrenzt werden. Ein anschließend erfolgender Test auf Koagulase unterscheidet zwischen S. aureus (positiv) und anderen Staphylococcus-Spezies negativ, z. B. S. epidermidis).

Therapiert werden können S. aureus Infektionen mit Antibiotika. Eine Resistenztestung macht im Vorfeld Sinn, um ein angemessenes Antibiotikum auszuwählen. Da die meisten Staphylokokken β-Laktamasen bilden, ist ein penicillinase-festes Penicillin wie das Oxacillin vorzuziehen. Cloxacillin, Dicloxacillin und Flucloxacillin sind ebenfalls penicillinase-fest und ausschließlich zur Therapie von Staphylokokken-Infektionen geeignet. Alternativ können Erythromycin, Clindamycin und Vancomycin eingesetzt werden. Vereinzelt können auch Cephalosporine zum Einsatz kommen, jedoch eignen sich neuere Klassen der Cephalosporine hier eher nicht. Bacitracin, ein Polypeptid-Antibiotikum, wirkt ausschließlich auf Gram-positive Bakterien und kann also auch bei der Therapie von Staphylokokken-Infektionen zum Einsatz kommen.

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Quellen
Madigan, Martinko, Parker: „Brock Mikrobiologie“. 10. Auflage (2000). Spektrum Akademischer Verlag.
Heilmann et al. „Molecular basis of intercellular adhesion in the biofilm-forming Staphylococcus epidermidis“, Mol Microbiol (1996) 20(5), 1083 – 1091
www.wikipedia.de
www.medizin.de
www.mrsa.bbraun.de
www.ratsteachmicro.com
www.textbookofbacteriology.net/staph.html
www.memiserf.medmikro.ruhr-uni-bochum.de

http://141.150.157.117:8080/prokPUB/index.htm

Fotos

Grampräparat: www.wikipedia.de
S. aureus Newman und Wood-46 auf Blutagar: Nina Hirschhausen

 

Nina Hirschhausen, Juli 2006


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Konzept und technische Umsetzung: S. von den Berg
Bilddarstellung: Lightbox 2.X by Lokesh Dhakar