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Forschungsschwerpunkte

Die Forschungsschwerpunkte des Instituts für Tierärztliche Nahrungsmittelkunde (IfTN)

 

Antibiotikaresistenzen

Unsere Arbeitsgruppe befasst sich mit Antibiotikaresistenzen in tier-und humanpathogenen Bakterien, ihrer Ausbreitung, den zu Grunde liegenden Wirkmechanismen der Resistenzen und der Entwicklung alternativer Bekämpfungsmethoden. Dabei fokussieren wir uns auf pathogene Bakterien in der Primärproduktion Schwein, Fisch, Geflügel und Rind sowie auf bedeutende Lebensmittelinfektionserreger.

  • Glaeserella spp. (Schwein)
  • Aeromonas spp. (Fisch)
  • Bordetella spp. (Geflügel)
  • Avibacterium spp. (Geflügel)
  • Mycoplasma spp. (Geflügel, Rind)
  • Campylobacter spp.
  • E.coli
  • Listeria spp.
  • Salmonella spp.

Der Einsatz von Antibiotika in der Therapie von Infektionskrankheiten hat in den vergangenen 80 Jahren erheblich zur Verbesserung der globalen Gesundheit von Mensch und Tier beigetragen. Allerdings hat die häufige Anwendung von Antibiotika und ihr nicht-selektiver Einsatz, zur Selektion antibiotikaresistenter Bakterien geführt.

Sind Bakterien gegen gängige Antibiotika resistent, verlieren diese ihre Wirksamkeit, was die Bekämpfung von Infektionskrankheiten erheblich erschwert.

Fig. 1: Erworbene Resistenz gegen das Antibiotikum Tetrazyklin durch Transfer eines Plasmids. Stamm Escherichia coli S17-1 λpir vor (A) und nach (B) der Transformation mit einem Tetrazyklinresistenz-vermittelnden Plasmid. Die Bakterien wurden in das Wachstumsmedium eingegossen. In der Mitte wurde ein mit Tetrazyklin getränktes Plättchen platziert. Der Erwerb des Plasmids führt zur Aufhebung des Wachstumshemmhofs beim Ausgangsstamm (A).

Wir gewinnen wertvolle Erkenntnisse über die genetischen Grundlagen der Antibiotikaresistenzen in Bakterien, ihre Übertragungswege (z.B. plasmid- oder transposonvermittelt) und ihre Ausbreitung innerhalb bakterieller Populationen mithilfe klassischer mikrobiologischer und molekularbiologischer Methoden.

 

Entwicklung von Methoden zur phänotypischen Resistenztestung

Diese Methoden dienen dazu, die Wirksamkeit verschiedener Antibiotika gegenüber Bakterienisolaten zu testen. 
Dafür werden Methoden zur harmonisierten Empfindlichkeitstestung bakterieller Isolate entwickelt. Dies ist notwendig, da es für einige bakterielle Krankheitserreger von Tieren noch keine Prüfvorschriften zur Resistenztestung in Standards gibt. Die entwickelten Methoden sollen an die CLSI-Standards (Clinical & Laboratory Standards Institute) angelehnt sein und später auch möglichst in diese übernommen werden.

Die Ergebnisse von Resistenztests können zur Festlegung klinischer Breakpoints – Grenzwerte, die bestimmen, ab welcher Konzentration ein Antibiotikum gegen einen bestimmten Erreger in der Antibiotikatherapie erkrankter Tiere als wirksam oder unwirksam gilt, beitragen. Zudem werden Veränderungen der minimalen Hemmkonzentration (MHK) bakterieller Isolate ermittelt. 
Fig. 2: Mikrodilution (96er Format) zur Bestimmung der niedrigsten Konzentration eines antimikrobiellen Wirkstoffes, bei dem kein Bakterienwachstum mehr zu beobachten ist. In jeder Reihe (A-H) befindet sich ein Antibiotikum mit zunehmender, definierter Konzentration (1 bis 12). Jeder der 96 Vertiefungen wird mit der gleichen Anzahl an Bakterien beimpft und Wachstum / Resistenz des Bakteriums nach Inkubation ausgewertet. Kont = Kontrolle Wachstum

 

Adaptationsprozesse von Bakterien gegenüber Antibiotika und Bioziden

Die häufige Anwendung von Bioziden (z.B. Desinfektionsmittel) und Antibiotika kann zu
Veränderungen und schrittweisen Anpassungsprozessen bei Bakterien führen. Diese
Anpassungsprozesse sollen aufgedeckt werden, die dahinterstehenden Mechanismen
identifiziert und ihre Auswirkungen analysiert werden. So können möglicher Weise auftretende
Zusammenhänge zwischen einer bakteriellen Unempfindlichkeit gegenüber Bioziden und
Antibiotika erkannt werden oder Handlungsempfehlungen abgeleitet werden.

Molekulare Methoden

NGS (Next generation sequencing) dient der Ganzgenom-Analyse.
PCRs (konventionell und quantitativ) werden für die
Vervielfältigung spezifischer DNA-Sequenzen, zur Quantifizierung
von Genprodukten und der Identifikation genetischer Mutationen
und Genexpression genutzt.
Über Klonierung und Mutagenese werden die Funktionen von Genprodukten analysiert

Fig. 3A und 3B: Konventionelle PCRs 3A: PCR zur Verifikation der Bakterienspezies. NK = Negative Kontrolle; M = Marker / Größenstandard; 1-15 = getestete Einzelkolonien. 3B: PCR zur Überprüfung einer Klonierung: Ausgangsvektor (V) und Ausgangsvektor mit kloniertem Insert (VI), M = Marker

Phagen

Eine vielversprechende alternative Bekämpfungsmethode pathogener Bakterien ist die Phagentherapie. Dabei kommen Bakteriophagen zum Einsatz – Viren, die Bakterien infizieren und zerstören.

Phagen sind wirtsspezifisch und greifen die Zielbakterien an, indem sie sich an diese binden, sich in ihnen vermehren und so zu ihrer Zerstörung (Lyse) führen. Um dies bei Zielbakterien zu erreichen, werden Phagen aus Umweltproben isoliert und vermehrt. Das Wirtsspektrum der Phagen wird untersucht und ihre Fähigkeit zur Therapie getestet. Durch etablierte Assays wird bestimmt, ob ein Phage ein Bakterium lysieren kann und in welcher Konzentration der Phage in einer Flüssigkultur vorliegt.
Fig. 4: Elektronenmikroskopische Aufnahme des Phagen vB_BaM-IFTN2 (IFTN2) Serian et al. (2023) in Microbiol Spectr 15;11(3)

Fig. 5: Spot Assay: Methode um zu prüfen, ob eine Phagenprobe ein Bakterium infizieren / lysieren kann. Die Bakterien werden dazu in ein Wachstumsmedium eingegossen und ein Tropfen der isolierten Phagen (A-H) aufgetragen. Aufhellungen auf der Nährplatte entstehen weil Bakterien durch aufgettragene Phagen lysiert wurden.
Fig. 6: Plaque-Assay: Ein Verfahren zum Nachweis und zur Quantifizierung von Phagen. Bakterien und Phagen werden zusammen in einem Wachstumsmedium eingegossen. Die Phagen lysieren die benachbarten Bakterien und es entstehen die hellen Plaques.

 

Zu den Forschungsgebieten des IfTN stehen fortlaufend Dissertationsthemen zur Verfügung. Bei Interesse melden Sie sich bitte bei Frau Professor Kehrenberg, Fachbereich 10 (Veterinärmedizin), Frankfurter Straße 92, corinna.kehrenberg, Tel.: +49(0)641/99-38251. Gerne können Sie auch einen Termin für einen Einblickstag in unserem Labor vereinbaren.