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Оглавление4. Biofilm auf Flächen
Günter Kampf
Auf Flächen einiger Intensivstationen wurde festgestellt, dass manche Spezies durch die Flächendesinfektion deutlich reduziert werden. Andere Spezies jedoch, die für nosokomiale Infektionen relevant sind, werden kaum reduziert, was auf ihre Anpassung an diese Umgebung hinweist (52). Dabei spielen einige Spezies eine besondere Rolle, da sie in der Lage sind, Biofilme mit verschiedenen anderen Spezies zu bilden (52). Zu diesen zählen insbesondere A. baumannii und E. faecium (15).
Biofilm wird typischerweise mit wasserführenden Systemen in Verbindung gebracht, wie beispielsweise Wasserleitungen oder Wassergefäßen (58). Biofilm findet sich ebenfalls auf Devices, die mit Körperflüssigkeiten im Kontakt sind wie beispielsweise Harnwegkatheter, Gefäßkatheter oder Trachealtuben. Man kann Biofilme auch auf Endoskopen nachweisen, wenn diese unzureichend getrocknet wurden (2). Die Fähigkeit zur Biofilmbildung von Bakterien erhöht zudem ihr Überleben im Krankenhausumfeld (34). Doch auf unbelebten Flächen im Patientenumfeld ist man bislang davon ausgegangen, dass auf diesen trockenen Flächen kein Biofilm vorhanden ist oder entstehen kann, wenn einmal oder mehrmals täglich eine Flächenreinigung oder –desinfektion mit wässrigen Lösungen erfolgt. Dieser seltenen und kurzzeitigen Behandlung der Flächen hat man keine ausreichende Befeuchtung zugesprochen, auf deren Basis ein Biofilm entstehen oder erhalten werden könnte. Neue Erkenntnisse weisen jedoch darauf hin, dass Biofilme öfter als gedacht auf unbelebten Flächen auffindbar sind (2).
4.1. Trockener Biofilm
Unter „trockenem Biofilm“ versteht man Cluster von Mikroorgansimen, für die elektronenmikroskopisch die für Biofilme typische extrazelluläre Matrix nachgewiesen wurde. Trockener Biofilm lässt sich auf unbelebten Flächen in Kliniken nachweisen. In 2012 wurde erstmals auf verschiedenen Flächen einer Intensivstation nach der Schlussdesinfektion untersucht, ob dort trockener Biofilm nachweisbar ist. Mittels Rasterelektronenmikroskopie wurde in fünf von sechs untersuchten Proben Biofilm nachgewiesen, zum Beispiel auf einem Sterilgutbehälter bzw. einer transparenten Kunststofftür. Auf diesen beiden Flächen waren jedoch weder MRSA noch VRE nachweisbar (60).
In 2015 wurden auf Flächen von Intensivstationen 28 Proben untersucht, unter anderem von der Matratze, von der Eingangstür zur Station, von einem Vorratsbehälter, von Abflussstopfen, vom Fußboden, von einem Aushang, von der Oberfläche eines Sitzes, von Klemmbrettern für Notizen, von einer Handschuhbox und von der Wand, nachdem eine abschließende Desinfektion durchgeführt worden war. Auf 93 % dieser Oberflächen war trockener polymikrobieller Biofilm nachweisbar (27).
In 2018 untersuchten Forscher aus Großbritannien in neun Abteilungen aus drei Kliniken insgesamt 61 Flächen mit häufigem Händekontakt. Dazu zählten 34 Proben von Tastaturen, 20 Proben von Patientenakten, aber auch zwei Proben von Händedesinfektionsmittelflaschen. Auf 95 % der Flächen wurde trockener polymikrobieller Biofilm nachgewiesen (36).
Im selben Jahr wurden außerdem auf 14 von 20 untersuchten Flächen von Intensivstationen Biofilme nachgewiesen, beispielsweise auf Stühlen (5 von 5), auf Vorhängen (2 von 4), auf Kinderspielzeug und Handschuhboxen (jeweils 2 von 2) und auf dem Nachttisch, dem Waschbecken im Stationszimmer sowie im Lagerschrank (jeweils 1 von 1). Auch wenn sich in diesen Biofilmen im Kulturverfahren keine vermehrungsfähigen Mikroorganismen nachweisen ließen, wurde dennoch in allen Biofilmen lebende Bakterien gefunden (29).
Eine Studie aus dem Jahr 2019 weist auf allen 57 Flächen von Intensivstationen, die häufigen Händekontakt aufweisen, Biofilm nach, (14).
Am Beispiel eines künstlich erzeugten trockenen S. aureus-Biofilms konnte gezeigt werden, dass eine klinisch relevante Bakterienzahl durch einen kurzen Kontakt mit behandschuhten Händen noch nach bis zu 19 Kontakten möglich ist (56).
4.2. Mikrobielle Besiedlung
Die in der Klinik nachgewiesenen trockenen Biofilme waren häufig mikrobiell besiedelt. Von 35,7 % der 28 untersuchten Flächen auf Intensivstationen, auf denen mehrheitlich trockene Biofilme vorhanden waren, wurden vermehrungsfähige Bakterien nachgewiesen, auf zwei dieser Flächen fanden sich MRSA oder ESBL-positive Gram-negative Spezies, und auf einer Fläche VRE (27). Nach 12 Monaten Lagerung waren sechs der untersuchten Flächen immer noch mikrobiell besiedelt (27). Alle Biofilme, die auf Flächen mit häufigem Händekontakt nachgewiesen wurden, enthielten Gram-negative Bakterienspezies, teilweise mit einer Relevanz für nosokomiale Infektionen. In 58 % dieser Biofilme fand sich MRSA (36).
Shiga-Toxin-bildende E. coli können in trockenem Biofilm über mindestens 30 Tage überleben (1). Durch den trockenen polymikrobiellen Biofilm wird außerdem der horizontale Austausch von Resistenzgenen gefördert (45). Auf den Intensivstationen von Brasilien war auf 45,6 % der 56 untersuchten Flächen eine mikrobielle Kontamination nachweisbar, von vier Flächen ließen sich multiresistente Erreger anzüchten (14).
Abbildung 4.1: Biofilmbildung ist ein Entwicklungsprozess (53). Die verschiedenen Stufen beinhalten A) frei-schwimmende Bakterienzellen, B) reversible Bindung an die Oberfläche, C) irreversible Bindung an die Oberfläche, D) Bildung von Mikrokolonien durch Zellteilung und Produktion extrazellulärer Matrix sowie E) Ausbildung einer dreidimensionalen Biofilmarchitektur. Zellen können passiv aus dem Verband gelangen, z. B. durch mechanische Ablösung, oder sich aktiv aus dem Biofilm lösen (F).
4.3. Entstehung von Biofilm
Biofilme sind komplexe Gebilde von Bakterien und einer Matrix, die aus Proteinen (z. B. adhäsiven Pili), Polysacchariden, extrazellulärer DNA und Enzymen besteht, die insgesamt auch als „extrazelluläre polymere Substanzen“ (EPS) bezeichnet werden. Die Entstehung von Biofilmen verläuft in der Regel in mehreren Schritten (53). Im ersten Schritt binden die Bakterienzellen an eine Fläche (Adhäsion). Diese Bindung ist anfangs noch reversibel. Im zweiten Schritt bilden die Bakterien durch Zellteilung und Produktion extrazellulärer Matrix eine Mikrokolonie, die sich im Verlauf stabilisiert und reift. In der Folge kann der Biofilm wieder Bakterienzellen oder Biofilmteile freisetzen, die an eine weitere Fläche anhaften (Abbildung 4.1).
Auf unbelebten Flächen wie Edelstahl oder Polystyrole können Spezies wie E. hirae bei Raumtemperatur innerhalb von 48 Stunden Biofilm bilden, wenn diese in Bouillon mit einem geringen Volumen von zwei Mikroliter aufgetragen werden und anschließend trocknen können (18).
4.4. Förderung der Biofilmentstehung
Verschiedene Faktoren tragen zu einer Bildung von Biofilmen auf unbelebten Flächen bei. Manche dieser Faktoren sind durch die Mitarbeiter beeinflussbar, andere hingegen nicht.
4.4.1. Biofilmbildende Isolate
Von verschiedenen Bakterienspezies wie A. baumanni und Salmonella spp. ist bekannt, dass Isolate länger auf Flächen überleben können, wenn sie Biofilm bilden können (20, 23, 28, 50). Diese Isolate haben somit einen zusätzlichen Überlebensvorteil auf unbelebten Flächen.
4.4.2. Kontaminierte Lösungen
In 2014 wurde darüber berichtet, dass 28 von 66 Anwendungslösungen von Produkten zur Flächendesinfektion in Tuchspendern hochgradig mit Achromobacter spp. 3 oder S. marcescens kontaminiert waren, meist wegen unzureichender Aufbereitung der Tuchspender und damit verbundener Biofilmbildung (32). Aufbereitete Tuchspender konnten selbst zwei Wochen nach dem Ansetzen einer frischen Gebrauchslösung eine bakterielle Kontamination aufweisen, was auf eine ökologische Nische im Tuchspender wie eine Biofilminsel hindeutet (33). Adaptierte Isolate konnten sich bei Raumtemperatur in frischer Anwendungslösung sogar vermehren und waren somit nicht mehr ausreichend durch das Flächendesinfektionsmittel abzutöten. Die Zellzahl betrug meist 107 pro Milliliter Desinfektionsmittellösung (32). Wird nun eine solche bakteriell hochgradig kontaminierte Desinfektionsmittellösung im patientennahen Umfeld eingesetzt, werden biofilmbildende Bakterien flächendeckend auf die behandelten Gegenstände aufgebracht. Diese können in Kombination mit dem bereits auf der Fläche vorhandenen Mikrobiom polymikrobielle Biofilme bilden und in der Folge den gesamten Desinfektionserfolg gefährden.
Die Tuchspender wurden seitens der Hersteller in der Zwischenzeit verbessert, so dass eine bakterielle Kontamination seltener geworden ist. Aus Leipzig wurde berichtet, dass von insgesamt 1.069 untersuchten Tuchspendern die Rate kontaminierter Flächendesinfektionsmittellösungen von 31 % in 2016 auf 18 % in 2017 und 8 % in 2018 abnahm. Am häufigsten wurde auch hier Achromobacter spp. nachgewiesen (81 %), gefolgt von Pseudomonas spp. (10 %) und VRE (4 %) (6).
4.4.3. Einfluss der bioziden Wirkstoffe
Von manchen bioziden Wirkstoffen zur Flächendesinfektion ist bekannt, dass sie bei verschiedenen bakteriellen Spezies die Biofilmbildung reduzieren oder fördern können (31). Eine Übersicht findet sich in Tabelle 4.1.
Tabelle 4.1: Einfluss biozider Wirkstoffe auf die Bildung von Biofilmen von Isolaten verschiedener Spezies; *Reduzierung bei 0,017 % bis 0,25 %, Verstärkung bei 1 %.
Die Mehrzahl der Spezies reagiert auf die Exposition gegenüber einem Wirkstoff entweder mit reduzierter oder mit verstärkter Biofilmbildung, je nach Isolat bzw. Wirkstoffkonzentration. Für 2-Propanol und Natriumhypochlorit liegen für mehr Spezies Daten vor, die eine verstärkte Biofilmbildung zeigen.
Im Hinblick auf die Reduzierung bereits vorhandenen Biofilms gibt es ebenfalls beachtliche Unterschiede zwischen den bioziden Wirkstoffen (Tabelle 4.2). Das Ausmaß der Biofilmreduktion ist sehr variabel und hängt von der Wirkstoffkonzentration, der Biofilmreife sowie der Einwirkzeit ab.
4.4.4. Periodischer Stress
Für Bakterien, die eine Adhäsion auf der Fläche beginnen, kann die Befeuchtung, gefolgt von Trocknung, sogar die Überlebensfähigkeit einer Population verstärken (24). Periodischer Stress liegt auch vor, wenn eine antimikrobielle Wirkung durch Desinfektion einmal täglich mit der Befeuchtung auf die Fläche aufgebracht wird.
4.5. Wirksamkeit der Flächendesinfektion gegenüber Biofilmbakterien
Bakterien, die an Flächen haften oder auf dieser bereits einen Biofilm gebildet haben, sind gegenüber Desinfektionsverfahren weniger empfindlich (11, 45, 54). Praktisch alle bioziden Wirkstoffe sind gegenüber Mikroorganismen im normalen, also feuchten Biofilm deutlich schwächer wirksam als gegenüber frei suspendierten („planktonischen“) Mikroorganismen. Beispielhaft ist hier die bakterizide Wirkung von Ethanol beschrieben. Die Mehrzahl der Studien zeigt, dass 70 % Ethanol gegenüber Bakterienspezies wie A. baumannii, P. aeruginosa, S. typhimurium und S. aureus im Biofilm innerhalb von 60 Minuten nur eine eingeschränkte Wirkung aufweist (≤ 2,0 log10). Gegenüber planktonischen Zellen war hingegen innerhalb von 30 Sekunden eine starke Wirkung vorhanden (> 5,0 log10) (30). Durch den feuchten Biofilm wird also die desinfizierende Wirkung deutlich eingeschränkt.
Tabelle 4.2: Ausmaß der Biofilmreduktion durch biozide Wirkstoffe.
Die Behandlung eines trockenen S. aureus Biofilms mit Natriumhypochlorit (1.000 bis 20.000 ppm) kann in zehn Minuten die Zellzahl um 7,0 log10 sowie die Biofilmbiomasse auf weniger als 1 % reduzieren. Dennoch konnte bei längerer Inkubation des desinfizierten Biofilms S. aureus wieder auswachsen und neuen Biofilm bilden (3). Wie schwer es ist, Bakterien in einem trockenen Biofilm abzutöten, zeigen Untersuchungen mit einem S. aureus-Biofilm und verschiedenen Sterilisationsverfahren. S. aureus konnte im trockenen Biofilm selbst eine Trockensterilisation überleben (100 °C über 60 Minuten) und war im Kulturverfahren immer noch aus dem Biofilm nachweisbar (4). Nach dem Autoklavieren (121 °C über 30 Minuten) war S. aureus aus trockenem Biofilm im Kulturverfahren jedoch nicht mehr nachweisbar. Und doch waren etwa zwei Drittel der S. aureus-Zellen im Biofilm weiterhin lebensfähig. Der Biofilm erholte sich und konnte im Verlauf wieder Bakterienzellen abgeben (4).
Fazit für die Praxis
1. Trockene Biofilme sind auf manchen Flächen im Umfeld von Patienten nachweisbar und häufig mikrobiell besiedelt.
2. Biofilmbildende Isolate, kontaminierte Desinfektionsmittellösungen bzw. periodischer Stress (Befeuchtung, gefolgt von Trocknung) können zu Biofilmen auf Flächen beitragen.
3. Biozide Wirkstoffe können die Biofilmbildung bei bestimmten Spezies fördern bzw. reduzieren.
4. Einige biozide Wirkstoffe können vorhandenen monomikrobiellen Biofilm partiell reduzieren, polymikrobielle Biofilme werden nur wenig reduziert.
5. Die antimikrobielle Wirkung von Wirkstoffen oder Desinfektionsmitteln gegenüber Bakterien in Biofilmen ist in der Regel deutlich schwächer.
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