Eigenschaften
Penicilline üben eine bakterizide Wirkung auf verschiedene Mikroorganismen aus. Die frühe Generation der Penicilline wirkt vor allem auf grampositive Bakterien; spätere, semisynthetische Penicillin-Derivate umfassen ein weites Spekrum an gramnegativen Bakterien (Hoefer 1995a).Aufgrund ihrer Herkunft und strukturellen Zugehörigkeit werden die Penicilline wie folgt unterteilt (Fichtl 2005b; Barza 1977b):
Natürliche Penicilline:
| - | Penicillin G und seine Derivate |
| - | Penicillin V |
Halbsynthetische Penicilline:
| - | Phenoxypenicilline (Azidocillin, Pheneticillin, Propicillin) |
| - | Aminopenicilline (Ampicillin, Hetacillin, Amoxicillin, Bacampicillin, Pivampicillin, Talampicillin) |
| - | Penicillinase-stabile Penicilline (Meticillin, Nafcillin) |
| - | Isoxazolyl-Penicilline (Oxacillin, Cloxacillin, Dicloxacillin) (Clark 1976b) |
| - | Acylaminopenicilline syn. Ureidopenicilline (Azlocillin, Mezlocillin, Piperacillin) |
| - | Carboxypenicilline (Carbenicillin, Ticarcillin) |
Zum Schutz gegen Penicillinase-produzierende Bakterien sind Penicilline in Produkten oft mit den β-Laktamase Inhibitoren Clavulansäure, Sulbactam oder Tazobactam kombiniert (Jenkins 1986b).
Wirkungsmechanismus
Die Zielstruktur der Penicilline sind die sogenannten Penicillin bindenden Proteine (PbP), welche irreversibel gebunden werden. Sie repräsentieren eine Gruppe von Enzymen mit unterschiedlicher Bedeutung für das Bakterienwachstum und die Zellteilungsvorgänge (Stahlmann 2005a). Aus diesem Grund ist die antibiotische Wirkung von der Wachstumsrate des Bakteriums abhängig (Hobby 1942a; Mattie 1978a).Die PbP's sind Transpeptidasen und Carboxypeptidasen, aufgebaut aus einer zentralen Transpeptidase-Region mit angrenzenden N-terminalen und Carboxy-terminalen Regionen. Die Transpeptidase-Region beinhaltet ein nukleophiles Serin und ist für die Verknüpfung der Peptidoglykane verantwortlich. Hier ist auch die aktive Stelle des Enzyms lokalisiert (Bicmen 2006a). Um die an der zytoplasmatischen Membran lokalisierten PbP's zu erreichen, muss das Penicillin in die Zelle eindringen. Der Eintritt in die grampositive Bakterienzelle erfolgt mühelos, bei gramnegativen Bakterien ist die Penetration von Porinen abhängig (Murphy 1981b; Allen 2005a). Diese Tatsache beeinflusst die Selektivität des Antibiotikums. Aufgrund der strukturellen Ähnlichkeit der β-Laktame zum PbP-Substrat binden sie kovalent an die aktive Stelle des Enzyms (Hackbarth 1995a).
Penicilline, die an sogenannte "essentielle PbP's" binden, besitzen eine hohe antibakterielle Aktivität (Stahlmann 2005a). Die Affinität der Penicilline zu den PbP's ist unterschiedlich. Wirkstoffe, welche an essentiellen PbP's einen hohen Sättigungsgrad aufweisen, zeigen die stärkste Wirkung (Williamson 1985a).
Die wichtigste antimikrobielle Wirkung der Penicilline besteht in der Synthesehemmung des Peptidoglykan-Gerüstes (Syn: Murein) empfindlicher Bakterien. Peptidoglykane sind Komponenten der Zellwand, welche über Peptidbrücken miteinander verbunden sind. Für diese Verknüpfung wird die Transpeptidase, ein PbP, benötigt, welche die Reaktion katalysiert. Penicillin bindet nun aufgrund struktureller Analogien anstelle des Glykopeptids irreversibel an die Transpeptidase (Weidel 1964a; Wise 1965a; Few 1952a). Dadurch wird der β-Laktamring geöffnet und die Transpeptidase durch Acylierung des Serins an der aktiven Stelle inaktiviert (Tipper 1965a; Waxman 1983a). Durch den resultierenden Bruch in der Zellwand werden Autolysine aktiviert, welche die Zellwand zusätzlich schwächen. Aufgrund des osmotischen Gradienten schwillt die Zelle an und wird lysiert (Langston 1999a).
Die wichtigsten Transpeptidasen von E. coli sind PbP1a und PbP1b. Dies sind bienzymatische Proteine mit Transpeptidase- und Transglycosylase-Aktivität (Basu 1996a). PbP2 und PbP3 sind für die Anhaftung von neuem Material an den Murein sacculus zuständig. Die Inhibition verursacht eine veränderte Morphologie der Zelle. Penicilline mit hoher Affinität zu PbP2 induzieren durch die Bindung Spheroplasten (Trolldenier 1977a), bei hauptsächlicher Bindung zu PbP3 entstehen hingegen filamentöse Bakterienformen (Holtje 1996a; Hanberger 1991b).
Bei Cl. perfringens wurden sechs PbP's mit einem Molekulargewicht von 42'000 - 100'000 gefunden. Bei einer Konzentration, die der MIC entsprach, sättigten die meisten Penicillinen PbP3 und PbP4 zu über 90%. Dies liess darauf schliessen, dass die Inhibition dieser beiden Proteine die Ursache des Bakterientodes ist. Trotz verschiedener Bindungsaffinitäten induzierten alle untersuchten Penicilline eine filamentöse Zellform (Murphy 1981b).
Inaktivierung durch Eiter
Über einen ungeklärten Mechanismus werden Penicilline z.T. durch Eiter inaktiviert (de Louvois 1977a).Intrazelluläre Wirkung
Entgegen der gängigen Meinung, dass Penicilline intrazelluläre Bakterien nicht beeinträchtigen, stellten van den Broek et al. in Granulozyten eine antibakterielle Wirkung gegen phagozytierte Staph. aureus fest (van den Broek 1990a). Auch in Neutrophilen und Makrophagen, welche Staph. aureus phagozytiert hatten, wurde Penicillin nachgewiesen. Hier wurde allerdings keine antibakterielle Wirkung festgestellt (Craven 1984a).Penicillin G tritt in die Erythrozyten ein und wird dort zu Benzylpenicilloinsäure hydrolysiert. Durch diese Strukturänderung wird das Antibiotikum am Austritt gehindert. Bei Einsetzen der Hämolyse wird es wieder frei (Wagner 1977a). Diese Menge ist jedoch vernachlässigbar, da nur sehr wenig Penicillin in Erythrozyten eintritt; beim Kaninchen z.B. sind dies unter 3% (Tsuji 1983a).
Immunsystem
Penicilline können eine immunmodulatorische Wirkung aufweisen. Dabei zeigt Ampicillin eine starke immunsuppressive Wirkung: In in-vitro-Versuchen wurde eine Hemmung der Phagozytose und der Chemotaxis nachgewiesen. Diese Effekte wurden auch bei anderen Penicillinen wie Cloxacillin, Nafcillin, Penicillin G und Piperacillin beobachtet. Auch bei der Proliferation von Lymphozyten wurden negative Effekte bei Amoxicillin, Cloxacillin, Penicillin G und Ticarcillin gezeigt. Die Cytokinproduktion hingegen wurde durch verschiedene Penicilline gesteigert. Die Daten sind jedoch zum Teil widersprüchlich und unvollständig (Wilson 1988a; Kenny 1992a; Briheim 1987a; Ottonello 1991a; Gunther 1993a).In Versuchen mit verschiedenen Penicillinen und Clavulansäure wurde ein inhibitorischer Effekt gegenüber der Aktivität des humanen Interferon (IFN-γ) festgestellt. Dabei zeigte die Clavulansäure die stärkste Wirkung, gefolgt von Penicillin V und Ampicillin. Die Konjugation des IFN-γ durch Penicillin G sowie die anschliessende Verminderung der Aktivität waren konzentrations-, zeit- und temperaturabhängig und liefen im Serum ab. Bei den anderern getesteten Interferonen war kein Effekt sichtbar (Brooks 2005a).
Des weiteren können Penicilline den humanen T-Zell Phenotyp in-vitro modulieren. Dabei scheint die Anitgen-Dosis ein kritischer Parameter für die Differenzierung der naiven T-Zellen zu T-Zellen des Typs 1 oder 2 zu sein. Typ 1-Zellen produzieren vor allem IFN-γ und sind in T-Zell-vermittelte Nebenwirkungen involviert, Typ 2-Zellen produzieren unter anderem IL-4. Mittels Penicillin G wurde untersucht, wie verschiedene Hapten-Dosen die humane Immunantwort in-vitro beeinflussen. Dabei stieg die IL-4-Sekretion mit einer Erhöhung der Penicillin G-Dosis, während die IFN-γ-Produktion mit steigender Dosis gehemmt wurde (Padovan 1999a).
Nervensystem: GABA-Rezeptoren
Penicilline sind GABAA-Rezeptor-Antagonisten und reduzieren den Chlorid-Einstrom in die Nervenzelle, was bei hohen Penicillin-Konzentrationen zu Krämpfen und epileptogenen Zuständen führen kann (Davidoff 1972a; Curtis 1972a). Die Bindung an den GABAA-Komplex ist reversibel und konzentrationsabhängig (Tsuda 1994a). Sie bewirkt eine Reduktion der durchschnittlichen Öffnungsdauer des Ionen-Kanals und eine Erhöhung der Kanal-Öffnungs-Frequenz (Twyman 1992a).Die höchste Affinität zum GABAA-Komplex zeigen Cloxacillin, Dicloxacillin und Flucloxacillin, gefolgt von Oxacillin, Pheneticillin und Penicillin G. Ampicillin zeigt die schwächste Affinität (Antoniadis 1980b). Der genaue Wirkungsmechanismus ist umstritten. Curtis et al. vermuten einen nicht-kompetitiven Antagonismus an der Picrotoxin-Bindungsstelle des GABAA-Komplexes (Curtis 1972a). Andere Daten zeigen die Bindung an die Benzodiazepin-Bindungsstelle (Antoniadis 1980a). Tsuda et al. vermuten, dass der prokonvulsive Effekt nicht auf einer Bindung an den Picrotoxin- oder Benzodiazepin-Rezeptor beruht, sondern auf einer direkten Interaktion mit dem Chlorid-Kanal (Tsuda 1994a).
Nervensystem: Glutamat Transporter
Viele β-Laktame sind potente Stimulatoren der Glutamat-Transporter Expression, auch bekannt als GLT1 oder EAAT2. GLT1 inaktiviert das Glutamat, den wichtigsten exzitatorischen Neurotransmitter, und vermindert so eine mögliche neurotoxische Wirkung (Rothstein 2005a). Eine Dysfunktion des Transporters ist mit verschiedenen Krankheiten wie Amyotrophischer Lateralsklerose (ALS) oder Epilepsie verbunden (Secko 2005a). Versuche mit transgenen Mäusen und Zellen, in welchen der GLT1 überexprimiert wurde, lassen vermuten, dass eine erhöhte Dichte des Transporters in Astroglia neuroprotektiv wirkt (Guo 2003a).Bei einem Versuch mit menschlichen, fetalen Astrozyten, in welche der humane GLT1-Promotor transfektiert worden war, wurde die Wirkung verschiedener β-Laktame getestet. Dabei aktivierte Amoxicillin den Promotor signifikant. Der Effekt war dosisabhängig, nach 48 Stunden sichtbar und persistierte für mindestens 7 Tage. Auch Ampicillin, Nafcillin und Penicillin G zeigten diesen Effekt, der genaue Ablauf der Promotor-Aktivierung ist allerdings noch unbekannt. Keines der getesteten β-Laktame hemmte die Promotor-Aktivierung (Rothstein 2005a).
Depotpenicilline
Nach intramuskulärer oder subkutaner Verabreichung wird Procain-Penicillin G hydrolisiert und der Wirkstoff Benzylpenicillin protrahiert freigegeben. Danach entspricht die Kinetik derjenigen von Na- und K-Penicillin G (Barza 1977b; Stahlmann 2005a). Aufgrund der Depotwirkung werden die Wirkstoffmaxima später erreicht und sind in der Regel niedriger; die Serumkonzentrationen fallen weniger steil ab und sind relativ konstant (Love 1983a; Kukanich 2005a). Die langanhaltenden Wirkstoffspiegel von 12 - 24 Stunden erschweren einen schnellen Therapiewechsel. Um bereits während der Anflutungsphase hohe therapeutische Blutspiegel zu erreichen, ist es sinnvoll, Procain-Penicillin G initial mit Benzylpenicillin zu kombinieren. (Kroker 2003d)Procain-Penicillin G darf nicht intravenös verabreicht werden, da das Procain im Blut zu schnell frei wird und je nach Dosierung toxisch wirken kann (Jenkins 1986b; Apley 1999a). Der Procain-Anteil wird durch nichtspezifische Pseudocholinesterasen zu p-Aminobenzoesäure und Diethylaminoethanol metabolisiert. Diese Produkte sind im Gegensatz zu Procain nicht mehr toxisch (Downham 1978a). Procain besitzt bei topischer Anwendung eine geringe anästhetische Wirkung (Khursheed 2001a).
Bei Ratten wurde nach subkutaner Verabreichung von 30'000 I.E./kg Procain-Penicillin G alle 12 Stunden während 3 Tagen ein erhöhtes Nierengewicht nachgewiesen. Dabei war die p-Aminohippursäure (PAH) akkumuliert und die Proteinsynthese erhöht (Hirsch 1970a; Hewitt 1978a).
Benzathin-Penicillin G ist ein Salz des Benzylpenicillins und gehört auch zu den Depotformen. Nach intramuskulärer Injektion wird es nur sehr langsam hydrolysiert und absorbiert (Kukanich 2005a).
Die Blutspiegel sind viel geringer als bei Na- oder K-Penicillin G, dafür aber langanhaltend (Budolfsen 1955a; Schipper 1971a). Deshalb ist Benzathin-Penicillin G bei alleiniger Anwendung höchstens bei hochempfindlichen Keimen geeignet (Love 1983a). Wenn es in Kombination mit Procain-Penicillin G verabreicht wird, wird dadurch die Anzahl der notwendigen Readministrationen verringert (Schipper 1971a). Diese Kombination wird auch deswegen empfohlen, weil eine alleinige Benzathin-Penicillin G Injektion an der Injektionsstelle zu Schmerzen führt (Bass 1985a).
Cave: Benzathin Penicillin G darf aufgrund seiner geringen Löslichkeit nicht intravenös verabreicht werden (Jenkins 1986b).
Postantibiotischer Effekt (PAE)
Der PAE ist definiert als die Zeit der persistierenden, antibakteriellen Wirkung nach der Exposition mit einem Antibiotikum (Hanberger 1991a). Der PAE erlaubt, die Therapieintervalle zu vergrössern, womit Kosten und Nebenwirkungen gemindert werden. Bei gramnegativen Bakterien sind sehr hohe Dosierungen nötig, um mit Penicillinen einen nutzbaren PAE zu erzeugen. Generell ist der PAE nach zwei Stunden Exposition am grössten.Die PbP's scheinen bei der Entstehung des PAE eine grosse Rolle zu spielen. Dies wurde für Str. pyogenes gezeigt. Str. pyogenes besitzt fünf PbP's, wobei PbP 1 - 3 für die von Penicillin induzierten morphologischen und bakteriziden Effekte verantwortlich sind. Nach einer zweistündigen Exposition mit hohen Dosen Penicillin G sind diese PbP's irreversibel gebunden und gesättigt; dies verhindert ein weiteres Wachstum. Das Bakterium kann erst wieder wachsen, wenn genug freie PbP's zur Verfügung stehen (Killian 1951a). Die Zeitspanne, bis die Zelle wieder genug neue PbP's synthetisiert hat, entspricht dem PAE. (Tuomanen 1986a). Während des PAE sind die Bakterienzellen stark verlängert und unregelmässig geformt (Yan 1994a).
PAE von Ampicillin bei verschiedenen Streptokokken nach einer Stunde Exposition (Bundtzen 1981a):
| Stämme | Konz. (μg/ml) | PAE (h) | |
| Str. pneumoniae | ATCC27336 | 0,2 | 2,0 |
| 2 - 37 | 0,2 | 2,1 | |
| 1562 | 0,2 | 3,9 | |
| 2 - 38 | 0,2 | 4,0 | |
| Str. pyogenes | CAP ref | 0,2 | 2,8 |
| 31382 | 0,2 | 3,2 | |
| 31390 | 0,2 | 2,7 |
PAE bei Staph. aureus ATCC6538P nach zwei Stunden Exposition mit verschiedenen Penicillinen (Bundtzen 1981a):
| Konz. (μg/ml) | PAE (h) | |
| Penicillin G | 0,05 | 1,5 |
| Ampicillin | 0,5 | 1,7 |
| Cloxacillin | 0,5 | 1,6 |
| Dicloxacillin | 0,5 | 1,8 |
| Nafcillin | 0,5 | 1,7 |
| Meticillin | 10,0 | 1,9 |
PAE von Ampicillin bei E. coli und die entsprechende Morphologie der Bakterienzelle:
| Konz (mg/l) | PAE (h) | Morphologie |
| 2 | 0,3 ± 0,2 | Filamente |
| 4 | 0,5 ± 0,2 | Filamente |
| 8 | 0,8 ± 0,1 | Filamente |
| 16 | 1,1 ± 0,2 | Filamente / Spheroplasten |
| 32 | 4,0 ± 0,2 | Spheroplasten |
| 64 | 4,0 ± 0,3 | Spheroplasten |
PAE von Piperacillin bei E. coli und die entsprechende Morphologie der Bakterienzelle:
| Konz (mg/l) | PAE (h) | Morphologie |
| 2 | 0,7 ± 0,3 | Filamente |
| 4 | 0,8 ± 0,4 | Filamente |
| 8 | 0,8 ± 0,4 | Filamente |
| 16 | 0,9 ± 0,4 | Filamente |
| 32 | 0,8 ± 0,2 | Filamente |
| 64 | 0,8 ± 0,4 | Filamente |
Aufgrund der letzen zwei Tabellen wird vermutet, dass der PAE von Penicillinen bei gramnegativen Bakterien die Zeit repräsentiert, welche die Spheroplasten benötigen, um wieder eine normale Zellwand zu synthetisieren. Des weiteren nimmt man an, dass Penicilline, welche die Filament-Morphologie induzieren, generell kürzere PAE's aufweisen (Hanberger 1991b).
Negativer PAE
Bei der Exposition von zwei P. aeruginosa Stämmen mit Ticarcillin in einer Konztentration von 16 μg/ml wurde ein negativer PAE von -0,5 bzw. -0,9 gemessen. Ein negativer PAE zeigt an, dass das erneute Wachstum der mit Antibiotika-behandelten Kultur schneller ist als das der Kontrollkultur (Bundtzen 1981a).Resistenzmechanismen
Bei vorliegender Resistenz besteht eine Kreuzresistenz zu allen anderen Penicillinen, selten gegenüber Cephalosporinen (Kroker 2003d).1. β-Laktamase-Produktion
Allgemeine und spezifische Angaben zu β-Laktamasen und Breitspekturum-β-Laktamasen befinden sich unter: Cephalosporine2. Verringerte Zellwandpermeabilität
Grampositive Bakterien sind von einer dicken Peptidoglykanschicht umgeben. Penicilline können leicht durch das grobe Maschenwerk hindurchtreten. Gramnegative Bakterien umgeben sich zusätzlich mit einer äusseren Membran aus Lipopolysacchariden. Bakterien, deren äussere Membran nur sehr langsam überwunden werden kann, bezeichnet man als intrinsisch resistent. Dies beinhaltet eine Resistenz, ohne dass eine chromosomale Mutation oder die Aufnahme eines Resistenzplasmids vorausgegangen ist (Nikaido 1994a).Da die meisten β-Laktame schwach lipophile, geladene Moleküle sind, können sie die Lipidmembran von gramnegativen Bakterien nur langsam durchqueren (Li 1994d). Penicilline mit lipophilen Seitenketten (Nafcillin, Cloxacillin) können die Lipidmembran besser penetrieren als stärker hydrophile Vertreter, welche ihre Zielstrukturen nur über Transmembranproteine, die sogenannten Porine, erreichen (Nikaido 1983b; Nikaido 1998a). Die Verminderung der Anzahl Porine oder deren strukturelle Veränderung kann deshalb zu einer erhöhten Resistenz führen.
Die meisten β-Laktame können die Zellwand gramnegativer Bakterien via Porine überwinden. Die Penetrationsgeschwindigkeit hängt von ihren Ladungseigenschaften, der Grösse und dem Molekulargewicht ab. Langsam penetrierende Penicilline werden von eventuell vorhandenen β-Laktamasen inaktiviert, bevor sie ihre Zielstruktur erreichen (Nitzan 2002a).
OmpF-Porin
Das Porin OmpF von E. coli wird als allgemeines Modell für den Durchtritt von β-Laktamen durch die Wand gramnegativer Bakterien angesehen (Nestorovich 2002a). Verschiedene β-Laktam-resistente Stämme zeigen eine verminderte OmpF-Produktion (Nikaido 1989a):Der E. coli B/r Stamm produziert nur ein Porin, welches vermutlich durch ompF codiert wird. Sein Mutant HN105 exprimiert nur geringe Mengen dieses Porins. Die beiden Stämme unterscheiden sich nicht signifikant in ihren PbP's und der Höhe der β-Laktamase. Deshalb bewirkt die Verminderung der OmpF-Porine einen starken Anstieg der MIC:
MIC (μg/ml) für E. coli B/r (CM6) und seinen Mutanten (HN105) (Harder 1981a):
| Ampicillin | Penicillin G | Carbenicillin | Ticarcillin | |
| B/r | 0,5 | 8 | 4 | 4 |
| Mutant | 4 | 16 | 32 | 32 |
E. coli K12 verfügt über zwei Porine, welche durch die Gene ompF und ompC codiert werden. Seinem Mutanten HN101 fehlt das ompF-Gen, ompC hingegen wird stärker exprimiert. OmpF ist das effizientere Porin, da es einen grösseren Durchmesser aufweist. Der Verlust vom OmpF reduziert die Permeabilität der äusseren Membran, die Aufnahme kleiner Mengen Nährstoffe ist jedoch noch möglich. Durch den Verlust des OmpF-Porins ist der Mutant extrem resistent gegenüber Wirkstoffen, welche die Wand des Bakteriums nur langsam durchdringen; entweder wegen ihrer dibasischen Struktur (Carbenicillin, Ticarcillin, Sulbenicillin) oder wegen ihrer starken Hydrophilie Ampicillin) werden kaum beeinträchtigt (Yoshimura 1985a; Jaffe 1982a):
MIC (μg/ml) für E. coli K12 und seinen Mutanten (HN101) (Harder 1981a):
| Ampicillin | Penicillin G | Carbenicillin | Ticarcillin | |
| K12 | 1 | 16 | 8 | 4 |
| Mutant | 2 | 64 | 128 | 32 |
Auch bei S. typhimurium Stämmen wurde durch die Verminderung der OmpF-Porine und die Überexpression der engeren OmpC- und OmpD-Porine eine erhöhte Resistenz festgestellt (Bellido 1989a).
Das Zwitterion Ampicillin interagiert mit der "constriction zone" des OmpF-Porins, wo ein starkes elektrostatisches Feld existiert. Die Ladungsverteilung im Ampicillin Molekül ergänzt die Ladungsverteilung des Porins an seiner engsten Stelle. Diese Anziehung im Innern des Porins erleichtert den Durchtritt und führt so zu einer erhöhten Permeabilität. Im Gegensatz dazu wurde bei Antibiotika wie Carbenicillin, Piperacillin und Azlocillin, welche bei E. coli-Infektionen ineffektiv sind, eine extrem schwache Bindung zwischen dem OmpF-Protein und den Wirkstoffen gefunden (Nestorovich 2002a). Im Vergleich zwischen Zwitterionen und Monoanionen der β-Laktame wurde gezeigt, dass die Permeabilität in E. coli für Zwitterionen 50 - 60 mal grösser ist (Nikaido 1987a) (Nikaido 1983a).
3. Efflux
Bakterien besitzen einen aktiven, transmembranen Efflux, welcher zum Schutz der Zelle bestimmt ist. Auf diesem Wege können auch antimikrobielle Stoffe aus der Zelle transportiert werden. Dabei unterscheidet man Transportsysteme mit hoher Spezifizät und sogenannte "multidrug efflux pumps" (Paulsen 1996a). In E. coli wurden 29 verschiedene Pumpen identifiziert, wovon 9 bei hoher Expression medizinische Wirkstoffe aus der Zelle transportieren können (Saier MH Jr 1998a).mexA-mexB-oprK-Komplex
Der Carbenicillin-resistente P. aeruginosa Stamm (Wildtyp) ist in der Lage, hydrophile β-Laktame vom periplasmatischen Raum oder der äusseren Schicht der zytoplasmatischen Membran aus der Bakterienzelle zu transportieren und seine Resistenz auf diesem Weg zu erhöhen (Li 1994d). Dieser Efflux-Transporter gehört zu der RND-Familie (resistance-nodulation-cell division) (Saier MH Jr 1994a). Es handelt sich dabei um einen "multidrug/proton"-Antiporter mit geringer Substratspezifität (Nikaido 1994a; Paulsen 1996a). Dieser besteht aus dem Transportprotein MexB, dem Porin OprK und dem akzessorischen Protein MexA, welches die beiden erstgenannten verbindet. Über diesen Komplex werden unter anderem Penicilline aus der Bakterienzelle befördert (Poole 1996a).Das mexA-mexB-oprK-Operon ist chromosomal codiert und wird von mexR reguliert. Die Inaktivierung von MexA und OprK führt zu erhöhter Empfindlichkeit des Bakteriums (Nikaido 1994a). Die Inaktivierung von mexA senkte die MIC von β-Laktamen um den Faktor 8 - 128 (Li 1995b). Da das mexA-mexB-oprK-Transportsystem nicht für antimikrobielle Wirkstoffe spezifisch ist, wird die Expression nur von wenigen Antibiotika induziert (Poole 1996a).
mexC-mexD-OprM-Komplex
Bei einem Tetracyclin-resistenten P. aeruginosa Mutanten fand man den mexC-mexD-OprM-Komplex. Dieser Stamm zeigte eine erhöhte Resistenz gegenüber verschiedenen β-Laktamen wie z.B. Carbenicillin (Hamzehpour 1995a).mar-Operon
Das chromosomal codierte "multiple antibiotic resistance" (mar) Operon ist unter gramnegativen Bakterien weit verbreitet und reguliert die Expression verschiedener Gene (Maira-Litran 2000a), so z.B. diejenige des acrAB-Operons, das ein "multidrug efflux" System codiert (Maira-Litran 2000a). Es gehört ebenfalls zur RND-Familie (Nikaido 1998a). Eine Mutation in mar kann zu einer Überregulierung von acrAB führen und verursacht schlussendlich eine vermehrte Produktion der acrA- und acrB-Efflux Pumpen (Maira-Litran 2000a; Ma 1995a). Des weiteren kann das acrAB-System durch verschiedene Stressfaktoren induziert werden (Ma 1995a). Dies führt bei E. coli K12 Stämmen zu multiplen Resistenzen, was durch die nachfolgende Tabelle verdeutlicht wird.MIC von Ampicillin bei verschiedenen E. coli K12 Stämmen (Maira-Litran 2000a):
| MIC (μg/ml) | |
| Wild Typ | 0,0187 |
| mar-defizienter Stamm | 0,0162 |
| mar-konstitutiv (mar immer vorhanden) | 0,13 |
| acrAB-defizient | 0,0046 |
| acrAB-konstitutiv (acrAB immer vorhanden) | 0,035 |
Auch in S. typhimurium ist das acrAB-Operon am Efflux von β-Laktamen beteiligt. Es wurde festgestellt, das Penicilline mit einer lipophilen Seitenkette (Nafcillin, Carbenicillin) vermehrt aus der Zelle transportiert werden. Neben der Lipophilie bestimmt auch die Ladung eines Moleküls seine Affinität zur Efflux-Pumpe mit.
MIC's (μg/ml) von verschiedenen S. typhimurium Stämmen (Nikaido 1998a):
| Nafcillin | Cloxacillin | Carbenicillin | Penicillin G | |
| HN891 mit AcrAB Ueberexpression | 2'028 | 1'024 | 32 | 32 |
| SH5014 Wild Typ | 1'024 | 512 | 8 | 8 |
| SH7616 Mutant in acrAB, hyperempfindlich | 8 | 2 | 2 | 0,25 |
4. Veränderte Bindungsaffinität zu PbP's
Bakterien können ihre Resistenz erhöhen, indem die Affinität der PbP's zu einem gewissen Wirkstoff durch Mutationen verändert wird oder indem die Menge der PbP's variiert.Viele Stämme von E. faecium und anderen Enterokokken zeichnen sich durch eine erhöhte Resistenz gegenüber β-Laktamen aus. E. faecium besitzt das chromosomal codierte PbP5, welches eine geringe Affinität zu β-Laktamen aufweist und für die erhöhte Resistenz hauptverantwortlich ist (Zorzi 1996a). Es wurde gezeigt, dass PbP5-defiziente Stämme gegenüber β-Laktamen empfindlich sind und eine MIC von 0,2 μg/ml aufweisen, bei Expression von PbP5 beträgt die MIC hingegen über 5 μg/ml (Fontana 1985a; Duez 2001a). Das Repressor-Gen psr, welches sich neben dem pbp5-Gen befindet, kontrolliert die PbP5-Synthese. Die Inaktivierung von psr durch eine Mutation oder eine Deletion führte zu einer vermehrten Expression von PbP5 und damit zu einer erhöhten Resistenz (Ligozzi 1993a). Die Reduktion der Affinität der PbP5 zu β-Laktamen führt ebenfalls zu einer erhöhten Resistenz(Zorzi 1996a). Bei einem weiteren Versuch mit E. faecium-Mutanten wurde Penicillin in grosser Menge zugegeben, so dass alle PbP's ausser den PbP5 mit Penicillin gesättigt waren. Alle Bakterien zeigten normales Wachstum; erst bei einer PbP5-Sättigung von 90% wurde es gestoppt. Diese Dosis entsprach der MIC (Fontana 1983a).
Um das Wachstum von P. aeruginosa zu hemmen, ist es notwendig, die PbP3 mit dem gewählten Wirkstoff zu sättigen. Dem wirkt die Zelle entgegen, indem sie das PbP3 via pbpB-Aktivierung überexprimiert und so einen hohen Sättigungsgrad verhindert (Liao 1997a).
Bei einer Untersuchung von Str. pneumoniae Isolaten von Truthähnen wiesen 29 - 41,5% aller Str. pneumoniae Stämme eine geringe Penicillin-Resistenz und 3 - 8% eine hohe Penicillin-Resistenz auf (Bicmen 2006a). Die veränderten PbPs der resistenten Stämme waren weniger empfindlich auf β-Laktame, aber nach wie vor funktionell. Str. pneumoniae bildet 5 hochmolekulare PbP's, wovon 3 in die Resistenzentwicklung involviert sind: PbP1a, PbP2b und PbP2x. PbP2x ist eine sogenannte "primary determinant", da es unter dem Selektionsdruck durch β-Laktame als Erstes verändert wird. Ausserdem zeigt es die grösste Variabilität. Durch die Möglichkeit der Rekombination zwischen verschiedenen Stämmen und möglichen Mutationen existiert eine weite Bandbreite an verschiedenen PbP1a, PbP2b und PbP2x, wobei aber nur wenige für die Resistenzentwicklung von Bedeutung sind (Carapito 2006a).
PbP2 ist ein essentielles Protein für die Entstehung der Meticillin-Resistenz in Staphylokokken. Die PbP2-Expression wird von den regulatorischen Genen blal und blaR1 gesteuert (Hackbarth 1993a). Die resistenten Stämme exprimieren das PbP2a, eine PbP2-Variante mit geringer Affinität zu Penicillinen (Fuller 2005a). Durch die Exposition mit β-Laktam-Antibiotika wird die Produktion der PbP2a induziert, indem das Gen mecA, welches das PbP2a codiert, aktiviert wird. Zusätzlich wurden Isolate mit weiteren pbp2-Mutationen gefunden, welche eine reduzierte Affinität zu Penicillinen zeigen (Hackbarth 1995a).
Resistente Staph. aureus Stämme verfügen normalerweise über eine induzierbare β-Laktamase (Fuller 2005a). Beim Staph. aureus Stamm PVI führen Mutationen des pbp4-Genes und der pbp4-abcA Promotor-Region, unabhängig von anderen chromosomalen Genen, zu einer verstärkten Produktion des PbP4, und erhöhten die Resistenz dadurch zusätzlich (Henze 1996a).
Der Stamm Listeria monocytogenes ATCC 15313 exprimiert 5 PbP's. Penicillin-resistente Mutanten produzieren PbP 3 mit einer reduzierten Affinität zu Penicillinen, vor allem zu Dicloxacillin. Dies führt zu einer 16-fachen Erhöhung der MIC für Dicloxacillin. Die Affinität der anderen PbP's ist unverändert (Gutkind 1990a).
5. Biofilm
Durch die Bildung eines Biofilmes entwickeln die Erreger auf die meisten Antibiotika eine Resistenz, obwohl sie ohne Biofilm eine hohe Empfindlichkeit aufweisen würden. So wird die Entstehung von chronischen, therapieresistenten Infektionen begünstigt (Anderl 2000a). Viele pathogene Bakterien sind in der Lage, Biofilme auszubilden. Diese wurden bei den folgenden Erkrankungen und Erregern nachgewiesen (Olson 2002a):| - | Mastitis (Str. agalactiae, Str. dysgalactiae, Staph. aureus) |
| - | Bovine Pneumonie (A. pyogenes, H. somnus, M. haemolytitica, P. multocida) |
| - | Porcine Enteritis (Salmonella spp.) |
| - | Enteritis beim Truthahn (E. coli) |
| - | Wundinfektion (P. aeruginosa) |
| - | Lymphadenitis (C. pseudotuberculosis) |
| - | Pyelonephritis (C.renale) |
Für die Entstehung eines Biofilmes wird eine zur Anhaftung geeignete Oberfläche, z.B. die Oberfläche von Geweben, Implantaten oder Kathetern, benötigt (Anderl 2000a). Die haftenden Bakterien bilden Mikrokolonien, welche Exopolysaccharide abgeben und so eine extrzelluläre Matrix, auch Glycocalix genannt, formen (Mah 2001a). Die Versorgung mit Nährstoffen geschieht über Kanäle (Costerton 1999a), kann aber durch die Glycocalyx stark limitiert sein (Mah 2001a). Teile des Biofilmes können sich lösen und neue Oberflächen besiedeln. Auch planktonische (nicht sessile) Bakterien können abgegeben werden (Costerton 1999a).
Bei der Anhaftung der Bakterien an eine Oberfläche werden spezifische Gene aktiviert. Bei P. aeruginosa wurde die Aktivierung der Gene algC, algD und algU-lacZ (plasmidcodiert) nachgewiesen, welche für die Synthese von extrazellulären Polysacchariden benötigt werden. Es wurde gezeigt, dass Zellen mit normaler algC-Expression weniger stark an einer Glasoberfläche hafteten als Zellen mit algC-Überexpression. Bakterien, welche sich vom Biofilm ablösen, zeigen eine Down-Regulation des algC-Genes. Man vermutet, dass die produzierte Menge an AlgC wieder auf das Niveau der planktonischen Bakterien sinken kann (Davies 1995a). Bakterien, welche sich vom Biofilm ablösen, benötigen dazu verschiedene Enzyme. Bei P. aeruginosa handelt es sich dabei um ein Alginat-abbauendes Enzym (Costerton 1999a).
Mögliche Gründe für die mangelnde Wirksamkeit eines Antibiotikums im Biofilm:
PenetrationsgeschwindigkeitAufgrund der erschwerten Penetration durch den Biofilm wird der Wirkstoff inaktiviert, bevor er seine Zielstrukturen erreicht. Dies wurde in einem Versuch mit 2 Stämmen von K. pneumoniae und Ampicillin gezeigt: Der Biofilm des β-Laktamase defizienten Stammes wurde schnell penetriert und die Bakterien konnten abgetötet werden. Der β-Laktamase produzierende Wild-Typ hingegen konnte nicht abgetötet werden, obwohl die Wirkstoffmenge weit über dem MIC lag. Es wird vermutet, dass das Ampicillin durch β-Laktamasen inaktiviert wurde, bevor es den Biofilm überwinden konnte (Anderl 2000a). Die anderen erwähnten Resistenzfaktoren wie veränderte PbP's oder eine verminderte Zellwandpermeabilität und der Efflux des Antibiotikums werden auch im Biofilm ausgebildet und spielen auch hier eine grosse Rolle (Mah 2001a).
Veränderter physiologischer Status
Stressfaktoren wie z.B. ein vermindertes Nährstoffangebot, osmotischer Stress, eine hohe Zelldichte können bei den Bakterien einen veränderten physiologischen Status hervorrufen. Stressreaktionen führen unter anderem zu vermindertem bis stagnierendem Wachstum. Dadurch vermindert sich die Empfindlichkeit gegenüber β-Laktamen (Mah 2001a). Am Beispiel von E. coli wurde gezeigt, dass RpoS, ein σ-Faktor und zentraler Regulator dieser Stressreaktion, auch in die Bildung des Biofilms involviert ist (Adams 1999a).
Veränderter Phenotyp
Weitere Versuche wurden mit einem auf Carbenicillin resistenten P. aeruginosa Stamm unternommen: Dieser ist in der Lage, durch vorübergehende Veränderungen des Phenotyps seine Resistenz zu erhöhen. Drenkard und Ausubel entdeckten das regulatorische Protein PvrR, das die Umwandlung von resistenten in empfindliche Formen reguliert und ebenfalls einen Einfluss auf den Aufbau des Biofilmes ausübt (Drenkard 2002a).
Da der Biofilm ein heterogenes Milieu darstellt, ist es einleuchtend, dass sich darin Populationen mit unterschiedlich ausgeprägter Resistenz befinden (Mah 2001a). Wirkstoffe, welche nicht inaktiviert werden, durchdringen den Biofilm innert Minuten bis Stunden.
Folgende Tabelle zeigt die Empfindlichkeit gramnegativer Erreger gegenüber Ampicillin und Penicillin, abhängig von der Ausbildung eines Biofilmes. Die MIC steht für "minimum inhibitory concentration", MBEC steht für "minimum biofilm eradication concentration". Die beiden Werte sind in μg/ml angegeben (Olson 2002a):
| Ampicillin | Penicillin G | ||
| A. pyogenes | MIC | <2 | <2 |
| MBEC | 500 | >1024 | |
| Staph. aureus | MIC | 32 | 2 |
| MBEC | 128 | >1024 | |
| Staph. hyicus | MIB | 4 | 16 |
| MBEC | 4 | >1024 | |
| Str. agalactiae | MIB | <2 | <2 |
| MBEC | >1024 | >1024 | |
| C. renale | MIC | <2 | <2 |
| MBEC | >1024 | >1024 | |
| C. pseudotuberculosis | MIC | <2 | <2 |
| MBEC | >1024 | >1024 |
Die folgenden Werte zeigen die Empfindlichkeit gramnegativer Enteritis-Erreger gegenüber Ampicillin (Olson 2002a):
| Ampicillin | ||
| E. coli K99 Kalb | MIC | >1024 |
| MBEC | >1024 | |
| E. coli F41 Kalb | MIC | 2 |
| MBEC | >1024 | |
| Salmonella sp. | MIC | <2 |
| MBEC | >1024 |