Bakterienenzym Katalase macht Wasserstoffperoxid
(H2O2) unwirksam und fördert die Biofilmbildung
Bereits 1893 beschrieb Gottstein die bakterielle Katalase, welche damit eines der ersten bakteriellen Enzyme überhaupt charakterisiert wurde.
1923 wurde die Katalaseproduktion von Bakterien und deren Sensitivität gegenüber (H2O2) als Klassifikationsschema genutzt.
Im Jahr 1979 wurde dann von Chester mittels eines Katalasetests eine Reihe von Mikroorganismen identifiziert, die in der Lage sind, Wasserstoffperoxid zu neutralisieren, darunter auch der gefährliche Wundkeim Pseudomonas aeruginosa und Sphingomonas paucimobili.
Rund 90 Jahre nach der Erkenntnis, dass Wasserstoffperoxid durch das Bakterienenzym Kalalase neutralisiert wird, wird das Reinigungsmittel H2O2 immer noch als sogenanntes Desinfektionsmittel in zahnärztlichen Behandlungseinheiten für teuer Geld eingesetzt.
Um zu überleben, benötigen Mikroorganismen Abwehrmechanismen. Manche Bakterien produzieren daher das Enzym Katalase, um Schäden durch Wasserstoffperoxid (H2O2) zu verhindern. Katalase neutralisiert die bakterizide Wirkung von H2O2.
Katalasevideo - Wasserstoffperoxid wird aufgespaltet
Warum aber wirkt Wasserstoffperoxid so schwach mikrobizid?
H2O2 hat zwei wesentliche Handicaps: Es durchdringt erstens infolge seiner fehlenden Öl- oder Fettlöslichkeit nur schwer biologische Membrane, die Sperrschichten aus Phospholipiden besitzen. Und seit die Evolution die Sauerstoffatmung „erfand“, entstehen innerhalb von aeroben Zellen ununterbrochen radikalische Sauerstoffverbindungen als Stoffwechselprodukte. Diese wirken stark zytotoxisch. Für das Überleben in Sauerstoffatmosphäre müssen also sehr effektive Entgiftungsenzyme vorhanden sein. Von diesen sind vor allem zwei wichtig, die Hand in Hand arbeiten:
1. Die Peroxidase-Dismutase: Sie verwandelt radikalische Sauerstoffverbindungen in H2O2:
2 O2 + 2 H+ --> H2O2 + O2
2. Die eisenhaltige Katalase: Diese entsorgt das gebildete H2O2 sehr rasch durch Spaltung in Wasser und molekularen Sauerstoff:
2 H2O2 --> 2 H2O + O2
Wir können uns deshalb die meisten aeroben Mikroben wie durch eine Art „Katalase-Schutz-Schild“ umhüllt denken, an denen die von außen auftreffenden H2O2-Moleküle wie ballistische Projektile ohne ausreichende Durchschlagskraft zerplatzen.
Ihr Aktivsauerstoff wird durch die hocheffiziente Katalase zu harmlosem Luftsauerstoff deaktiviert. Wird jedoch H2O2 gegen Biofilme in Dentaleinheiten eingesetzt erfolgt in der Regel auch eine starke Selektion von Katalase-positiven Spezies.
Hierzu gehört auch Pseudomonas aeruginosa, der aufgrund seiner hohen Antibiotikaresistenz in der Medizin gefürchtet ist und in der Zahnarztraxis immer wieder in mit H2O2 beaufschlagten Behandlungseinheiten gefunden wird.
Warum H2O2 kein Desinfektionsmittel ist
So ist Wasserstoffperoxid beispielsweise auch nicht in der RKI-Liste als geprüftes und anerkanntes Desinfektionsmittel gelistet. Es handelt sich nicht um ein Desinfektionsmittel im eigentlichen Sinne, sondern um ein Oxidationsmittel.
Soll es tatsächlich desinfizierend eingesetzt werden, wie etwa bei der aseptischen Getränkeabfüllung, kommt hier üblicherweise ein 35%-iges H2O2 zum Einsatz. Dieses ist jedoch stark toxisch und hochgradig korrosiv. Aus diesem Grund kommt es in der Praxis immer wieder zu einer Selektion von gegen H2O2 resistenten Mikroorganismen in zahnmedizinischen Behandlungseinheiten. Trotz der äußerst niedrigen Dosierung kam es auch zu Korrosions- und Degradationserscheinungen an den Werkstoffen und Bauteilen (z.B. Magnetventile), welche im direkten Kontakt mit dem Oxidationsmittel standen. Wissenschaftliche Studien belegen dies auch.
Sphingomonas-Kultur aus einer Trinkwasser-Probe auf einer Agar-Platte.
Aufbringen eines 3%-igen Wasserstoffperoxids auf die Sphingomonas-Kultur mittels einer Laborpipette. Zeitlich unmittelbares Einsetzen von Blasenbildung bei Kontakt der Chemikalie mit der Sphingomonas-Kultur.
Die Katalase verursacht hierbei den rapiden Verfall - schon nach 3 Sekunden - von Wasserstoffperoxid in Wasser und Sauerstoff. Diese Reaktion wird deutlich durch die schnelle Blasenbildung.
Genau wie Sphingomonas ist auch der gefährliche Wundkeim Pseudomonas aeruginoas ein besonders aktiver Katalaseproduzent, der H2O2 neutralisiert.
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