Mikroorganismen und ihre Relevanz in der Medizintechnik – Teil II

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„Wir haben uns in Häusern umgesehen – und wir haben Proben aus tausenden von Häusern gesammelt: Wir haben niemals eine Oberfläche in einem Haus gefunden, auf der es kein Leben gibt.“ (Professor Rob Dunn, Biologe und Schriftsteller)

Dieser Beitrag ist Teil einer Beitragsreihe zur Hygiene in der Medizintechnik und bereitet die Gegebenheiten in der Medizintechnik auf, mit denen wir einige grundlegende Fakten zu Mikroorganismen nennen und erläutern wollen, denn das Thema Hygiene ist in aller Munde und hat in der Medizinprodukteindustrie einen besonderen und hohen Stellenwert.

Dabei wollen wir zunächst die Arten der Mikroorgansimen vorstellen, mit denen in der Medizintechnik gearbeitet wird bzw. welche man versucht zu bekämpfen. Hier gehen wir speziell auf die folgenden Arten ein. Viren, Bakterien und Prionen der Mikroorgansimen. Im vorlaufenden Beitrag ist bereits erklärt was genau Mikroorgansimen sind und wie diese im Zusammenhang mit der Medizintechnik stehen.

In diesem Beitrag teile ich, als studentische Assistenz mein gesammeltes Wissen mit, sowie das Wissen aus verschiedenen Projekten bei der DeviceMaster GmbH.

Inhaltsverzeichnis

  1. Bakterien
  2. Viren
  3. Prionen

Bakterien

Bakterien zählen zu der Gruppe der Prokaryoten, da sie einzellige Mikroorganismen sind und keinen Zellkern besitzen. Sie sind etwa 0,1 bis 700 Mikrometer groß und treten in verschiedenen Formen auf. Es gibt runde Bakterien, zylinder­förmige Bakterien und einige weitere Formen. Die am häufigsten vorkommende Form von Bakterien sind die Kugel- und die Stäbchenbakterien.

Bakterien sind Selbstversorger. Sie produzieren alles was sie zum Leben benötigen selbst. Sie haben ihr eigenes Erbgut sowie einen eigenen Stoffwechsel. Sie vereinen sich durch ihre Zellteilung zu sogenannten Kolonien.

Eine solche Kolonie beinhaltet viele Bakterien derselben Art. Jede Kolonie unterscheidet sich durch Größe, Struktur und Farbe von anderen Kolonien. Bakterien können jedoch auch mit anderen Mikroorganismen zusammenleben und eine Symbiose bilden. Entweder mit einer zeitlichen Begrenzung oder permanent.

Teilungszeit von Bakterien

Bakterien wachsen in der Regel durch eine Teilung der jeweiligen Zelle. Die Häufigkeit der Teilung ist immer von den Umweltbedingungen abhängig, die die Bakterien umgeben. Wie schnell sich ein Bakterium teilt, ist sehr unter­schiedlich. So kann eine Teilung der Zelle bereits nach zehn Minuten erfolgen oder aber erst nach einigen Tagen. Die optimale Temperatur, in der sich Bakterien teilen können, liegt etwa bei zwanzig bis vierzig Grad Celsius.

Es gibt allerdings auch Bakterien in Vulkannähe, die sich am schnellsten bei Temperaturen von etwa sechzig Grad Celsius vermehren.

Besonders in der Medizintechnik kann dies große Auswirkungen haben, wenn sich ein Bakterium auf einem Medizinprodukt befindet. Denn selbst nach einer Desinfektion oder Sterilisation, kann das Bakterium innerhalb kürzester Zeit eine ganze Kolonie bilden und somit wird das Medizinprodukt zu einer potenziellen Gefahr für den Patienten.

Der optimale wachstumsbedingende Nährboden für Bakterien ist leicht alkalisch oder neutral auf der pH-Skala.

Wie auch bei Pilzen gibt es auch bei Bakterien Sporen, die zur Vermehrung der Bakterien beitragen. Bakteriensporen entstehen, wenn die ursprüngliche bakterielle Zelle schrumpft. Diese Sporen entstehen allerdings nur dann, wenn die Umweltbedingungen so schlecht sind, dass eine andere Fortpflanzungsmöglichkeit ausgeschlossen ist. Diese Sporen sind dann sehr resistent und widerstandsfähig gegenüber chemischen und physikalischen Einflüssen.

Abbildung 1: Sporen

sporen-Medizintechnik-DeviceMaster-GmbH

Bakterien sind einzellige Lebewesen und besitzen keine Fähigkeiten Gewebe und Organe mit verschiedener Funktion zu entwickeln. Dennoch lassen sich mittlerweile bereits Anfänge einer Zelldifferenzierung erkennen. Ein Beispiel für eine solche Zelldifferenzierung bei Bakterien stellt das Schleimbakterium dar. Dieses Bakterium lässt einen Fruchtkörper entstehen, indem die Einzel­zellen koordiniert zusammenwirken. Dieser Fruchtkörper ist vor Umwelteinflüssen geschützt und somit sichern sich die Schleimbakterien ihr fortbestehen. Sie sind hauptsächlich Nahrung für andere Mikroorgansimen und siedeln sich am Boden an.

Aufbau von Bakterien

Der Aufbau ist in seiner Grundstruktur bei Bakterienzellen fast immer gleich. Sie enthalten ein von der Bakterienmembran umschlossenes Cytoplasma, das meistens noch von einer Zellwand umgeben ist. In diesem Cytoplasma liegt das Kernmaterial der Bakterie. Eine Bakterienzelle enthält jedoch meistens nur einen DNA-Ring. Je nachdem welche Bakterienart vorliegt, können diese noch weitere Bestandteile aufweisen.

Bakterien sind beweglich und bilden sogenannte Geißeln zur Fortbewegung. Geißeln sind spiralige, relativ starre Zellfortsätze. Um sich im Wasser orientieren zu können, bilden Bakterien häufig kleine Magnetfelder zur Fortbewegung aus.

Lebensraum

Bakterien gibt es überall an nahezu jeder Stelle auf dieser Welt. Ihr Vorkommen ist das Größte unter allen Mikroorganismen. Das liegt daran, dass Bakterien unglaublich anpassungsfähig sind. Hinzu kommen ihre große Spannweite an Ernährungsmöglichkeiten sowie die verschiedenen Methoden der Fortpflanzung.

Die meisten Bakterien sind für den Menschen harmlos und viele von Ihnen sind für uns sogar lebensnotwendig. So machen Bakterien die Verdauung des Menschen erst möglich und lassen uns Vitamine erzeugen und Cellulose aufnehmen. Dennoch gibt es einige Bakterien die als Krankheitserreger gelten und einen Menschen befallen können.

Als Beispiel für ein solches Bakterium sei hier das E. Coli Bakterium genannt. Das Bakterium ist an sich schon in unserem Körper vorhanden. Aller­dings kann eine gesteigerte Vermehrung von E. Coli ohne Behandlung sehr schnell zum Tod durch Vergiftung des Körpers führen. Schuld daran sind dann die bakteriellen Toxine. Auch gute Bakterien, die dem Menschen helfen, können sich in bösartige Entwickeln. Wenn gute Bakterien an die falsche Stelle in unserem Körper gelangen, macht das Bakterium den Menschen krank.

Es wurden einige Methoden entwickelt, um sich vor solchen Bakterien zu schützen bzw. sie zu bekämpfen. Wie zum Beispiel durch die mittlerweile zum derzeitigen Alltag gehörenden Masken. OP-Masken sind speziell darauf ausge­richtet vor Bakterien und Partikeln zu schützen. In diesen Masken steckt ein Mikrofilter. Der sorgt dafür, dass der gegenüberstehende sich nicht mit Bakterien anstecken kann, die von einem selbst ausgehen. Auch regelmäßiges Händewaschen schützt vor einer Ansteckung. Zur Bekämpfung der Bakterien werden bestimmte Antibiotika eingesetzt.

Auch kann es vorkommen, dass nützliche Bakterien den Körper schädigen, wenn sie an die falsche Stelle gelangen. So können beispielsweise Darmbakterien eine Harnwegs­infektion auslösen, wenn sie in die Harnröhre gelangen.

Viren

Viele zählen Viren zu den Mikroorganismen. Es ist jedoch umstritten, ob diese dazu gerechnet werden können. Da die Frage ob Viren lebendig sind oder nicht noch nicht eindeutig geklärt wurde.

Viren besitzen einige wichtige Organellen nicht – wie zum Beispiel die Ribosomen, welche für die Herstellung von Proteinen zuständig sind. Ihnen fehlen deshalb zwei Grundmerkmale die Lebewesen aufweisen: Sie können sich nicht selbständig vermehren und sie betreiben keinen Stoffwechsel.

Dennoch gibt es Hinweise darauf, dass Viren lebendige Wesen sind, da Sie sich in ihrer Evolution wahrscheinlich aus anderen Lebewesen entwickelt haben und mehrzellige Vorfahren hatten. Hinzu kommt, dass Viren die Fähigkeit besitzen zu mutieren und sich somit neuen Gegebenheiten anpassen können.

Der Corona-Virus ist hierfür ein perfektes Beispiel. Dieser entwickelte sich weiter und wurde robuster, sodass er besser in unserer Welt überleben kann. Eine solche Veränderung nennt man Mutation.

Viren zählt man neben anderen Arten zu den gefährlichsten Mikroorgansimen. Bösartige Viren beeinträchtigen unser Immunsystem am stärksten. So bekommt der Mensch durch den Kontakt mit Viren, Krankheiten wie zum Beispiel Ebolafieber, Gelbfieber oder aktuell COVID-19.

Ein Virus besteht aus einem oder aus zwei Molekülen. In diesen Molekülen liegt die DNA des Virus mit den nötigen Erbinformationen. Da ihnen jedoch die Enzyme für die Vermehrung fehlen, müssen sie diese von einer Wirtszelle beziehen. Dies ist der Grund, warum man Viren eher mit etwas gefährlichem assoziiert. Denn durch die Nutzung der Enzyme eines Wirts, müssen die Viren die Wirtszelle töten.

Ein Virus kann eine Größe zwischen ungefähr zwanzig bis hundert Nanometer erreichen, was sie unsichtbar für das menschliche Auge macht. Sie sind nur unter einem Elektronenmikroskop gut erkennbar.

Vergleicht man die Gefahrenstufe eines Giftstoffes mit einem Virus, so ist ein Virus weitaus gefährlicher als ein Toxin, denn ein Virus entwickelt sich innerhalb der Zelle weiter und vermehrt sich. Dadurch verbreitet er sich schnel­ler als einige Toxine.

Viren brauchen sich nur in kleinen Mengen von Wirt zu Wirt übertragen, um sich im neuen Wirt schnell zu vervielfältigen. Was zum Beispiel COVID-19 scheinbar so unbesiegbar macht, da ein einziger Atemzug schon dafür sorgen kann sich den Erreger einzufangen.

Aus diesem Grund ist die Ansteckungsrate bei COVID-19 so hoch. Die Auswirkungen eines Virus wie dem SARS-CoV-2 reichen weit und können in vielen Bereichen einen großen Einfluss haben, so zum Beispiel auch in der Ökonomie.

Die Krankheiten HIV, Ebola und Influenza werden ebenfalls durch Viren ausgelöst.

Bestandteile eines Virus

Ein Bestandteil eines Virus kann die Membranhülle sein. Sie sorgt für eine gewisse Stabilität gegenüber Umwelteinflüssen und Desinfektionsmitteln sowie der erleichterten Fähigkeit die Immunabwehr eines Wirtes zu unterlaufen oder sich besser an einen neuen Wirt anzupassen. Viren mit einer Membranhülle nennt man behüllte Viren, sie sind evolutionstechnisch weiterentwickelt und gegenüber unbehüllten Viren klar im Vorteil.

Abbildung 2: behüllter Virus

behuellter-virus-Medizintechnik-DeviceMaster-GmbH

Abbildung 3: unbehüllter Virus

unbehuellter-virus-Medizintechnik-DeviceMaster-GmbH

Generell besitzt ein Virus eine Nukleinsäure, die die Erbinformation trägt. Ein weiterer Bestandteil sind die Kapsomere (Singular: Kapsid). Diese sorgen bei behüllten Viren für die nötige Stabilität der Membranhülle. Bei unbehüllten Viren stellen Kapsomere die äußere Struktur dar und sind verantwortlich für das Eindringen in die Wirtszelle.

Lebensraum der Viren

Dadurch, dass Viren nicht eigenständig überleben können, ist ihr optimaler Lebensraum ein lebendiges enzymreiches Lebewesen, wie das Tier oder der Mensch. Auch Pflanzen kommen als Wirt infrage.

Jedoch ist vermutlich der beste Wirt eines Virus der Mensch oder das Tier. Da die Verbreitung des Virus um einiges schneller voranschreitet, denn die Ansteckung mit einem Virus geht relativ einfach von statten.

Wie die berühmte Chemikern Mai Thi Nguyen-Kim bemerkte: „Ich habe hier den perfekten Wirt. Diese Menschen, die leben auf dem ganzen Planeten, die sind global stark vernetzt, sind soziale Lebewesen, die können also nicht ohne soziale Kontakte leben, die sind hedonistisch veranlagt, die gehen gern feiern, also besser kann es gar nicht sein.“  (Mai Thi Nguyen-Kim spricht hier über den Corona-Virus.)

Die Regierungen haben den Menschen zur Eindämmung des Corona-Virus eine Maskenpflicht auferlegt. Dadurch, dass der Virus jedoch so enorm klein ist, besteht weiterhin eine hohe Ansteckungsgefahr.

Prionen

Prionen sind Proteine, die sowohl im menschlichen als auch im tierischen Organismus vorhanden sind. Man unterscheidet Proteine durch anormale und normale Strukturen. Natürliche Proteine sind harmlos und ungefährlich. Anormale Proteine sind jedoch von Prionen verändert worden und verursachen bei Mensch und Tier Krankheiten.

Prionen verändern die Struktur eines Proteins in sein eigenes Abbild. Diese Veränderung wird „Umfaltung“ genannt. Die genaue Ursache ist noch nicht erforscht. Wenn sich veränderte Proteine – hervorgerufen durch sog. pathogene Prionen – anhäufen, führt das im Laufe der Zeit zu einer Schädigung im Nervensystem.

So sind die anormalen Proteine mit großer Wahrscheinlichkeit für die Creutzfeldt-Jakob-Krankheit beim Menschen oder dem Rinderwahn beim Rind verantwortlich.

Prionen sind von anderen Mikroorganismen wie Viren, Bakterien oder Pilzen zu unterscheiden, da sie keine DNA oder RNA enthalten. Damit widerlegen Prionen eine wichtige Annahme der Biologie, nämlich das Krankheitserreger Erbmaterial besitzen müssen, um sich zu vermehren.

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