Kompetenzbereich Bakterien und Toxine
Leitung: Oberfeldveterinär Dr. med. vet. Heiner von Buttlar
Der Kompetenzbereich I beschäftigt sich mit ausgewählten bakteriellen Infektionserregern und Toxinen, die lebensbedrohliche Krankheitsbilder bei Mensch und Tier auslösen können. In verschiedenen Projekten werden Fragestellungen zur Diagnostik und Epidemiologie von Milzbrand, Brucellose, Tularämie, Melioidose, Pest, Rotz und verschiedenen Vergiftungen bearbeitet.
Neben der Verbesserung diagnostischer Verfahren zum Toxin-, Erreger- und Antikörpernachweis bildet die Forschung an bioforensisch verwendbaren Typisierungsverfahren einen besonderen Schwerpunkt des Kompetenzbereichs. Hierzu werden neben der Methode des Next-Generation-Sequenzierung (NGS) auch die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) und die Elektronenmikroskopie eingesetzt.
Hinweis: Alle im Kompetenzbereich Bakterien & Toxine entwickelten medizinisch-diagnostischen Verfahren werden gebündelt über den Zentralbereich Diagnostik des Instituts bereitgestellt. Dort finden Sie auch das detaillierte Analysenverzeichnis mit Hinweisen zur Probennahme und Transport.
Das nationale Konsiliarlabor für Brucellose wird durch den Zentralbereich Diagnostik betrieben.
Aktuelle Drittmittelprojekte
| seit 2020 | Detektion, Bioforensik und Genomik von Bacillus anthracis (FORTE Eurothrax) | FFG | RD PD Dr. Graß |
| seit 2016 | Ukrainisch-deutsche Biosicherheitsinitiative für ein Zoonosen-Risikomanagement nahe der EU-Außengrenze | AA | OFV Dr. von Buttlar |
| seit 2013 | Georgien: Vorderasiatisches Netzwerk zum Ausbau und zur Festigung der biologischen Sicherheit in der Kaukasusregion | AA | OFV Dr. von Buttlar |
Brucellose
Die Brucellose, eine durch verschiedene Brucella-Arten hervorgerufene Erkrankung von Mensch und Tier, ist eine trotz zahlreicher Eradikationsprogramme (Impfung, Testung, Keulung von Nutztieren) immer noch weltweit vorkommende Zoonose. Jährlich werden weltweit etwa 500.000 Neuerkrankungen gemeldet. Die Anzahl der gemeldeten Fälle ist insbesondere in den Endemiegebieten im Mittelmeerraum, auf der Arabischen Halbinsel, im Mittleren Osten, in Afrika, Mittel- und Südamerika sehr hoch. In Deutschland ist die Inzidenz mit 0,03 pro 100.000 Personenjahre, ähnlich wie in den USA, sehr niedrig. Fast alle in Deutschland gemeldeten humanen Brucellose-Fälle wurden durch den Konsum Brucella-kontaminierter Lebensmittel (v.a. Milch und Milchprodukte) im Ausland erworben.
Die Arbeitsgruppe Brucellose untersucht Diagnostik-, Behandlungs- und Abwehrmöglichkeiten für menschliche Infektionen mit Brucellen. Standardisierte und hinreichend evaluierte Verfahren für die molekulare, biochemische und immunologische Identifizierung bzw. Typisierung von Brucella-Arten und die Diagnostik der Brucellose sind - bis auf serologische Methoden für den Antikörpernachweis – kaum kommerziell verfügbar. Eines der Ziele der Forschungsprojekte der Arbeitsgruppe Brucellose ist deshalb die Entwicklung, Etablierung und Evaluierung von Verfahren zur Diagnostik der Brucellose, zur Erregeridentifizierung und -differenzierung sowie zur Typisierung. Mit modernen molekularbiologischen Methoden werden die isolierten Stämme charakterisiert (molekularer Fingerabdruck) und mit anderen Stämmen oder nahe verwandten Erregern verglichen.
Hinweis: Die durch die Arbeitsgruppe für das Konsiliarlabor für Brucella entwickelten medizinisch-diagnostischen Verfahren werden gebündelt über den Zentralbereich Diagnostik des Instituts bereitgestellt. Dort finden Sie auch das detaillierte Analysenverzeichnis mit Hinweisen zu Probennahme und Transport.
Die Arbeitsgruppe stellt außerdem im nationalen Konsiliarlabor für Brucella das methodische Know-how bereit, um Krankheitsausbrüche mit dem Verdacht auf Brucellose aufzuklären. Zusätzlich können die entwickelten Verfahren genutzt werden, um in aktuellen oder zukünftigen Einsatzregionen der Bundeswehr das Infektionsrisiko mit Brucellen abzuschätzen und Ausbrüche der Brucellose aufzuklären. Auch die molekulare Analyse potenziell neuer Brucella-Arten ist dabei von Interesse. Die Untersuchung dieser neu auftretenden Brucella-Arten erweitert wesentlich das Verständnis der Evolution dieser medizinisch wichtigen Bakterienart.
Milzbrand (Anthrax)
Milzbrand oder Anthrax ist eine Infektionskrankheit, die durch das Bakterium Bacillus anthracis verursacht wird und bei Menschen zumeist in der Form von Haut-, Lungen-oder Darmmilzbrand auftritt. Milzbrand ist nicht von Mensch zu Mensch übertragbar, jedoch kann Bacillus anthracis Sporen als sehr umweltresistente Dauerform ausbilden. Solche Sporen wurden in der Vergangenheit auch als biologische Kampfstoffe eingesetzt.
Die Arbeitsgruppe Milzbrand untersucht Diagnostik-, Behandlungs- und Abwehrmöglichkeiten für den Milzbranderreger. Hierzu gehören auch wissenschaftliche Projekte zum schnellen Nachweis einer Kontamination mit Anthraxsporen, zur zweifelsfreien molekularen, biochemischen und immunologischen Identifizierung, zur forensischen Typisierung und zur Bestimmung von Antibiotikaresistenzen. Zu den Aufgaben der Arbeitsgruppe Milzbrand gehören weiterhin die präklinische Prüfung von Kandidaten für die Prophylaxe und Therapie, sowie die Aufklärung von Expositionsrisiken, Krankheitsausbrüchen und enzootischen bzw. endemischen Lagen in Einsatzregionen der Bundeswehr.
Hinweis: Die durch die Arbeitsgruppe entwickelten medizinisch-diagnostischen Verfahren werden gebündelt über den Zentralbereich Diagnostik des Instituts bereitgestellt. Dort finden Sie auch das detaillierte Analysenverzeichnis mit Hinweisen zur Probennahme und Transport.
Biologische Toxine
Neben Infektionen mit Viren und Bakterien stellen Vergiftungen eine weitere Gefahr biologischen Ursprungs dar. Bei biologischen Toxinen handelt es sich um Giftstoffe, die von Organismen (Bakterien, Pilzen Pflanzen, Tieren) gebildet werden und bei denen bereits geringste Mengen Krankheitssymptome beim Menschen auslösen oder sogar zum Tod führen können. Aufgrund ihrer relativ einfachen Herstellbarkeit wurden einige Toxine auch als biologische Kampfstoffe verwendet.
Auftrag der Arbeitsgruppe „Biologische Toxine“ ist die Sicherstellung einer hochsensitiven und zweifelsfreien Diagnostik von Gesundheitsstörungen durch biologische Toxine, sowie die Untersuchung geeigneter Behandlungs- und Abwehrmöglichkeiten. Der Schwerpunkt liegt hierbei v.a. auf den Botulinum-Neurotoxinen, Staphylococcus-aureus-Enterotoxin B und Choleratoxin, sowie den pflanzlichen Toxinen Rizin und Abrin. Die Diagnose einer Intoxikation oder einer Kontamination von Lebensmitteln mit biologischen Toxinen erfolgt durch den direkten Nachweis des biologischen Toxins mit geeigneten immunologischen oder chromatographischen Testsystemen oder durch Nachweis der biologischen Substrataktivität. Die Untersuchung auf Toxin-kodierende Gene mittels molekularer Verfahren ist zwar nur im positiven Falle aussagekräftig, kann aber speziell bei schwierigen Matrizes als orientierende Untersuchung durchgeführt werden. Um retrospektiv Aussagen über die Exposition gegenüber einem Toxin zu machen, können auch Testsysteme für den Nachweis spezifischer Antikörper eingesetzt werden.
Tularämie
Die Tularämie ist eine Infektionskrankheit, die durch das Bakterium Francisella tularensis ausgelöst wird. Der Erreger ist auf der nördlichen Halbkugel verbreitet und gehört zu den vom Tier auf den Menschen übertragbaren Krankheiten (Zoonosen). Die Hauptwirte sind Nagetiere und Hasenartige. Zur Infektion kommt es bei direktem Kontakt mit infizierten Tieren (z.B. Hasenjagd). Der Biss infizierter, blutsaugender Vektoren (z.B. Mücken, Zecken) stellt eine weitere Infektionsquelle dar. Je nach Erregereintrittspforte unterscheidet man unterschiedliche Formen der Tularämie beim Menschen: ulzero-glanduläre Form, oculo-glanduläre Form, Lungenform, abdominale Form.
Die Tularämie ist in Deutschland nach dem Infektionsschutzgesetz meldepflichtig. Auf Grund der geringen Erregerzahl, die benötigt wird, um die Tularämie auszulösen, wurde Francisella tularensis in der Vergangenheit auch als biologischer Kampfstoff verwendet.
Die Arbeitsgruppe Tularämie untersucht Diagnostik-, Behandlungs- und Vorbeugungsmöglichkeiten für Francisella tularensis. Zur Unterstützung therapeutischer Maßnahmen werden bei aus Patientenmaterial isolierten Stämmen auch Antibiotikaresistenztestungen vorgenommen. Darüber hinaus werden Testsysteme zum indirekten Erregernachweis, z.B. durch den Nachweis spezifischer Antikörper, entwickelt und validiert. Hierbei werden auch Methoden zur Anwendung bei Tieren etabliert, um Aussagen über das Vorkommen von Francisella tularensis in Reservoirwirten, z.B. in Einsatzgebieten der Bundeswehr, treffen zu können.
Hinweis: Die durch die Arbeitsgruppe entwickelten medizinisch-diagnostischen Verfahren werden gebündelt über den Zentralbereich Diagnostik des Instituts bereitgestellt. Dort finden Sie auch das detaillierte Analysenverzeichnis mit Hinweisen zur Probennahme und Transport.
Rotz | Meliodiose
Burkholderia (B.) mallei (Rotzerreger) und B. pseudomallei (Erreger der Melioidose) verursachen schwere eitrige, therapieresistente, chronische und oft tödlich verlaufende Infektionen. Zwar gehören zur Gattung Burkholderia mehr als 60 verschiedene Arten gramnegativer Stäbchenbakterien, doch eine humanpathogene Relevanz haben davon lediglich die Vertreter des Burkholderia-cepacia-Komplexes (Pneumonien bei Patienten mit Cystischer Fibrose sowie verschiedene nosokomiale Infektionen), B. gladioli (nosokomiale Infektionen) und die obligat pathogenen B. mallei und B. pseudomallei. Die beiden letztgenannten Spezies besitzen ein Risikopotential als biologische Kampfstoffe.
Ziel der Projekte der Arbeitsgruppe ist die Entwicklung und Validierung neuer diagnostischer Verfahren zur Erregeridentifizierung und –typisierung. Damit können Isolate aus weltweiten Krankheitsausbrüchen umfassend phänotypisch und genotypisch durch nachweis der Immunantwort des Wirts charakterisiert werden. Darüber hinaus sollen Systeme zur Diagnostik der Infektion entwickelt werden. Diese diagnostischen Fähigkeiten können genutzt werden, um das Risiko für eine Infektion mit Burkholderia mallei/pseudomallei abzuschätzen und Krankheitsausbrüche aufzuklären.
Hinweis: Die durch die Arbeitsgruppe entwickelten medizinisch-diagnostischen Verfahren werden gebündelt über den Zentralbereich Diagnostik des Instituts bereitgestellt. Dort finden Sie auch das detaillierte Analysenverzeichnis mit Hinweisen zur Probennahme und Transport.
Bildgebende Verfahren in der Bakteriologie
Mikroskopie-basierte Nachweisverfahren spielen seit der ersten Beschreibung von Bakterien und ihren unterschiedlichen Morphologien durch Antonie van Leeuwenhoek im 17. Jahrhundert eine essentielle Rolle in der Bakteriologie.
Die Arbeitsgruppe „Bildgebende Verfahren in der Bakteriologie“ verwendet Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie zum Nachweis und zur Identifizierung von bakteriellen Krankheitserregern und biologischen Kampfstoffen. Ein Schwerpunkt ist dabei die Darstellung und Identifizierung von Mikroorganismen mittels Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH). Hierbei werden Mikroorganismen mit spezifischen, Fluoreszenzfarbstoff-markierten Sonden angefärbt und können dann mikroskopisch nachgewiesen werden. Dadurch können Bakterien ohne vorherige Anzucht auf Nährmedien nachgewiesen werden. Dadurch können Infektionserreger sehr schnell direkt in Patientenmaterial oder biologische Kampfstoffe in Umweltproben identifiziert werden.
Die Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie ermöglicht hierbei zusätzlich noch die Aufnahme optischer Schnitte von Proben mit einer Dicke von weniger als 1µm und somit die hochauflösende Beschreibung der Lage der Mikroorganismen zu ihrer Umgebung, z.B. der menschlichen Zelle.
Durch die Verwendung eines Elektronenstrahls für die Bilderzeugung erlaubt die Elektronenmikroskopie eine um ein Vielfaches stärkere Vergrößerung und höhere Auflösung als lichtmikroskopische Methoden. Dies ermöglicht die Analyse von kleineren Objekten in größerem Detail und somit selbst die Detektion von Mikro- und Nanopartikeln in Proben sowie Einblicke in die Ultrastruktur von Bakterien und Sporen.
Zusätzlich zu laufenden Projekten beschäftigen wir uns ständig mit der Erweiterung bestehender Protokolle auf neue Probenmatrizes sowie mit der Vereinfachung und Optimierung von Protokollen.
