Desinfektionsmitteltoleranz: Ausmaß und Auswirkungen auf die Leistung

Antimikrobielle Mittel verschiedener Art werden seit weit über 100 Jahren eingesetzt. Beispiele sind Antibiotika für Tiere, Pflanzen und/oder Menschen, Desinfektionsmittel für harte Oberflächen und Desinfektionsmittel für Hände und Haut. Mikrobenisolate haben ein gewisses Maß an Resistenz gegen einige dieser antimikrobiellen Wirkstoffe gezeigt, was Anlass zu berechtigter Sorge über die Entwicklung einer solchen Resistenz gegen Biozide durch deren normale Verwendung gibt. Während die Resistenz gegen Antibiotika gut beschrieben ist, ist die Toleranz gegenüber Reinigungs- und Desinfektionsmitteln weniger gut bekannt. In diesem Artikel erläutern wir den Unterschied zwischen Antibiotika- und Desinfektionsmittelresistenz und ihre Auswirkungen auf die Leistung der Mittel.

Unterschiede zwischen Antibiotika- und Desinfektionsmittelresistenz

In den Medien und in geringerem Maße auch in anderer Literatur wird kaum zwischen Resistenzen gegen verschiedene Klassen antimikrobieller Mittel unterschieden, was zu Unklarheiten darüber führt, ob die Resistenz gegen ein Mittel mit der Resistenz gegen andere Mittel zusammenhängt. Viele sind der Meinung, dass die Resistenz gegen Antibiotika dieselbe ist wie die gegen Desinfektions- und Reinigungsmittel und dass eine Lösung, die die Resistenz gegen ein antimikrobielles Mittel angeht, auch für die anderen gilt. Im Gegensatz zu Antibiotika treten Resistenzprobleme bei Desinfektionsmitteln viel seltener auf, da beide auf unterschiedlichen Mechanismen beruhen. Während Antibiotika spezifisch auf bestimmte biologische Prozesse im Stoffwechsel der Bakterien wirken, wirken Desinfektionsmittel unspezifisch auf die gesamten biologischen Strukturen der Zelle. So ist es nicht verwunderlich, dass die Bakterien diese spezifischen Angriffsstellen (von Antibiotika) durch Mutationen verändern können. Die Bakterienzellen sind jedoch viel weniger in der Lage, sich anzupassen und sich gegen den Angriff von Desinfektionsmitteln zu schützen.

Was verursacht antibakterielle Toleranz und wie entsteht sie?

Auch wenn die Anpassungen von Mikroben an Desinfektionsmittel weniger gut beschrieben sind, sind einige Mechanismen bekannt, die eine gewisse Toleranz ermöglichen. Es muss jedoch zunächst zwischen Resistenz und Toleranz unterschieden werden. Bei der Toleranz handelt es sich häufig um eine niedrigere Stufe der Unempfindlichkeit, die selten vollständig ist. Dieses niedrige Niveau der Unempfindlichkeit wird von der Resistenz unterschieden, die ein hohes Niveau der Unempfindlichkeit darstellt und einer Immunität gegenüber einem antimikrobiellen Mittel gleichkommen kann.

• Eine erworbene Resistenz entsteht häufig durch genetische Mutation oder durch den Erwerb von Toleranzgenen von anderen Organismen durch horizontalen Gentransfer. Sie kann aber auch das Ergebnis einer Stressreaktion sein, z. B. durch die Bildung von Biofilmen
• Ein Biofilm ist eine Gemeinschaft von Mikroorganismen, die mit einer Oberfläche verbunden und von extrazellulären polymeren Substanzen (EPS) umhüllt sind. Biofilme können sich in unterschiedlichen Umgebungen bilden, und daher können auch nichtzelluläre Materialien wie Erde und Mineralkristalle in einer Biofilmmatrix vorkommen. Bakterien in Biofilmen unterscheiden sich phänotypisch und genetisch und sind schwerer abzutöten als ihre planktonischen Gegenstücke, da die EPS den direkten Kontakt zwischen mikrobiellen Zellen in Biofilmen und antimikrobiellen Mitteln einschränken. Persistenzzellen sind eine phänotypisch andere Unterpopulation von Zellen in Biofilmen, die toleranter gegenüber antimikrobiellen Mitteln sind. Sobald sie aus einem Biofilm und dem schützenden EPS entfernt sind, sind die meisten Bakterien genauso anfällig wie andere Organismen, die nicht Teil des Biofilms waren.
• Efflux-Pumpen sind in der Lage, eine Vielzahl verschiedener toxischer Verbindungen aus den Zellen zu transportieren und den Bakterien direkt eine zusätzliche Toleranz gegenüber antimikrobiellen Mitteln zu verleihen, indem sie die in die Zelle diffundierten Desinfektionsmittel in die äußere Umgebung ausstoßen. In der Regel verbessern sie auch die Toleranz gegenüber antimikrobiellen Mitteln, indem sie die Biofilmbildung fördern.
• Genotypische Resistenz ist eine Form der Resistenz, die von spezifischen Genen kodiert wird. Solche Resistenzgene können durch Mutation während der Mitose (einem Prozess der Zellverdopplung) entstehen und für ein System kodieren, das die Wirksamkeit eines antimikrobiellen Mittels verringern kann (z. B. Effluxpumpen).

Die unterschiedliche Toleranz von Mikroben gegenüber Desinfektionsmitteln hängt von verschiedenen Faktoren ab. So kann beispielsweise die unterschiedliche Struktur der Bakterienzelle zu einer unterschiedlichen Empfindlichkeit gegenüber antimikrobiellen Mitteln führen. Darüber hinaus gibt es Bakterien, die die Fähigkeit haben, Sporen zu bilden (z. B. Clostridioides difficile). Dieser Sporenzustand verleiht den Mikroorganismen eine erhöhte Resistenz gegen bestimmte Chemikalien oder Umwelteinflüsse (wie hohe Temperaturen).

Verträglichkeit von Desinfektions- und Desinfektionsmitteln - hat sie Auswirkungen auf die Leistung solcher Produkte?

Bei allen antimikrobiellen Mitteln spielt die Konzentration bei der Anwendung eine wichtige Rolle für das Risiko der Entwicklung einer Resistenz oder Toleranz gegenüber dem antimikrobiellen Mittel. Antimikrobielle Mittel üben einen Selektionsdruck auf Mikroorganismen aus. Wenn Mikroorganismen einer hohen Dosis von antimikrobiellen Mitteln ausgesetzt sind (akute Exposition), ist die Wahrscheinlichkeit, dass sie eine Resistenz oder Toleranz entwickeln, wesentlich geringer. Im Gegensatz dazu stellt eine chronische Exposition gegenüber niedrigen Dosen antimikrobieller Mittel ein höheres Resistenzrisiko dar, da ein solcher geringer, aber lang anhaltender Selektionsdruck es den Mikroorganismen ermöglicht, spezifische Mechanismen für Resistenz und Toleranz zu entwickeln (Donaghy, 2019) (Kampf, 2019) (Weber, 2006).

Gibt es Unterschiede bei den Desinfektionsmittelwirkstoffen?

Quaternäres Ammoniumchlorid (Quat): Die Toleranz gegenüber Quat ist relativ gut charakterisiert worden. Bei Konzentrationen oberhalb der minimalen Hemmkonzentration (MHK - Mindestmenge an Biozid, die für eine antimikrobielle Wirkung erforderlich ist) zerstören Quats die Zellmembranen. Wenn Quats in Konzentrationen unterhalb der MHK eingesetzt werden, ist die Wirkungsweise kompliziert und umfasst immer mehrere Prozesse wie die Veränderung der Zellmembranen, die Überexpression von Efflux-Pumpen oder den Erwerb von Quat-spezifischen Efflux-Genen. Obwohl viele Efflux-Mechanismen, die eine Toleranz gegenüber Quat bewirken können, auch eine Resistenz gegenüber Antibiotika bewirken können, ist nicht klar, ob es einen kausalen Zusammenhang gibt, bei dem die Verwendung von Quat zu einer Antibiotikaresistenz führt oder umgekehrt. Es überrascht nicht, dass es eine Vielzahl von Quat-Toleranzgenen gibt, und diese Gene können weit verbreitet und relativ häufig sein. Die Auswirkung solcher Gene auf die phänotypische Toleranz ist jedoch nicht klar. Es ist auch nicht klar, dass Quat-Toleranzgene einen Einfluss auf subletale Quat-Mengen haben. Im Allgemeinen scheinen die Toleranzgene keinen Einfluss auf die Toleranz gegenüber den empfohlenen Anwendungsmengen von Quat-Reinigungs- und Desinfektionsmitteln zu haben.

Oxidationsmittel (Chlor, Peressigsäure, Wasserstoffperoxid) wirken als Denaturierungsmittel von Proteinen, indem sie mit Thiol- und Aminogruppen reagieren und dadurch die Zellstrukturen, einschließlich der Zellwand, Membranen und Nukleinsäuren, schädigen.

Da Oxidationsmittel unterschiedslos auf fast alle zellulären Strukturen wirken, ist eine Resistenz durch spezifische Gene und zelluläre Prozesse nicht zu erwarten und wurde in der Literatur auch nicht nachgewiesen. Allerdings können Bakterien durch die Bildung eines Biofilms oder andere phänotypische Toleranz eine geringere Anfälligkeit für oxidativen Stress aufweisen. Biofilmbildende Mikroorganismen produzieren extrazelluläre polymere Substanzen, die die Wirkung von Oxidationsmitteln abschwächen. Daher ist in der Regel eine höhere Konzentration des Oxidationsmittels erforderlich, um Mikroorganismen in Biofilmen abzutöten. Einige Mikroorganismen produzieren das Enzym Katalase, das Wasserstoffperoxid in Sauerstoff und Wasser umwandelt und eine intrinsische Resistenz gegen sehr niedrige Konzentrationen von H202 bieten kann. Die meisten Desinfektions- und Desinfektionsmittel verwenden jedoch Peroxid in einer Menge, die die Inaktivierung durch Katalase überwinden kann.

Die Wirksamkeit von Alkohol bei der Abtötung vegetativer Bakterien ist in erster Linie auf die Denaturierung von Proteinen zurückzuführen, wobei in der Regel Lösungen mit 60-80 % Alkohol empfohlen werden (WHO, 2009). Alkoholische Lösungen sind jedoch keine wirksamen antimikrobiellen Mittel gegen bakterielle Sporen (WHO, 2009) (Boyce, 2018). Eine kürzlich durchgeführte Studie von Pidot (2018) zeigte einen unterschiedlichen Wirkungsbereich (10-facher Bereich) von Alkohol gegen verschiedene Isolate von Enterococcus faecium, was darauf hindeutet, dass möglicherweise Toleranz- oder Resistenzmechanismen bestehen. In dieser Studie wurde jedoch eine 23%ige Isopropanollösung verwendet, die deutlich unter dem Alkoholgehalt liegt, den wir gerade erörtert haben, sodass die klinische Bedeutung dieses Ergebnisses ungewiss ist. Wurden stattdessen die üblichen 70%igen Alkohollösungen verwendet, entsprach die Wirksamkeit den Erwartungen und war bei den verschiedenen Isolaten gleich. In einer Studie von Tinajero (2019) wurde kein Unterschied in der Anfälligkeit von Enterococcus faecium-Isolaten gegenüber Alkohol festgestellt, nachdem krankenhausweit alkoholbasierte Handreinigungsmittel eingeführt worden waren.

Alkoholhaltige Flächendesinfektionsmittel werden in der Regel mit anderen Inhaltsstoffen formuliert, um die Wirksamkeit zu erhöhen und die Adsorption an Böden zu verringern (Boyce, 2018). Desinfektionsmittel auf Alkoholbasis sind schlechte Reiniger, verdampfen schnell und sind oft entflammbar, was sie zu einer schlechten Wahl für die allgemeine Flächendesinfektion macht (Boyce, 2018). Es ist bekannt, dass ihre biozide Wirksamkeit durch das Vorhandensein von Verschmutzungen, insbesondere von proteinbasierten Verschmutzungen, beeinträchtigt wird (Boyce, 2018) (WHO, 2009). Bei der Verwendung eines alkoholbasierten Desinfektionsmittels wäre zu erwarten, dass eine Vorreinigung der Oberflächen erfolgt, was sich wiederum auf die Menge der auf der Oberfläche verbleibenden Mikroorganismen auswirken würde. Daher ist es unsicher, ob die Ergebnisse von Pidot (2018) eine praktische Bedeutung für die Händehygiene oder die Flächendesinfektion haben.

Schlussfolgerung - Auf der Grundlage der aktuellen Literatur:

In den letzten Jahren haben mehrere veröffentlichte Studien gezeigt, dass Bakterien nicht nur gegen Antibiotika, sondern auch gegen Desinfektions- und Desinfektionsmittel Resistenzen entwickeln können. Die Publikationen bringen dies jedoch hauptsächlich mit dem Wirkstoff QUAT und einer subletalen Langzeitexposition in Verbindung, die in der Praxis nicht angewendet wird. Darüber hinaus müssen aus den in diesem Artikel genannten Gründen auch Biofilme besonders berücksichtigt werden. In jedem Fall besteht in diesen Bereichen weiterer Forschungsbedarf.

Referenzen:

• Boyce JM. Alkohole als Flächendesinfektionsmittel im Gesundheitswesen. Infect Cont and Hosp Epidemiol, 2018; 39 (3): 323-328.
• Donaghy JA, Balamurugan J, Goodburn K, Grunwald L, Jensen AJ, Kanagachandran K, LaFforgue H, Seefelder W, Quentin MC. Beziehung zwischen Desinfektions-, Desinfektions- und Reinigungsmitteln und antimikrobieller Resistenz. J Food Prot. 2019; 82(5): 889-902.
• Kampf G. Adaptive bacterial response to low level chlorhexidine exposure and its implications for hand hygiene. Microbial Cell. 2019; 6(7): 307-320.
• Pidot SJ, Gao W, Buultjens AH, Monk IR, Guerillot R, Carter GP, et. al. Increasing tolerance of hospital Enterococcus faecium to handwash alcohols. Science Translational Medicine. 2018; 10: eaar6115.
• Tinajero CG, Bobadilla-Del Valle M, Alvarez JA, Mosqueda JL, De Leon AP, Macias AE. Die Empfindlichkeit von Vancomycin-resistentem Enterococcus faecium gegenüber Isopropylalkohol vor und nach der Einführung des alkoholischen Händewaschens in einem Krankenhaus. Am J of Infect Cont. 2019; 47: e-27-29.
• Weber DJ, Rutala WA. Verwendung von Keimtötenden Mitteln im Haushalt und im Gesundheitswesen: Besteht ein Zusammenhang zwischen der Verwendung von Keimtötenden Mitteln und der Antibiotikaresistenz? Infect Cont and Hosp Epidemiol. 2006; 27(10): 1107-1119.
• Weltgesundheitsorganisation. WHO-Leitlinien zur Händehygiene in der Gesundheitsversorgung. WHO Press. 2009; Genf, Schweiz.