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Biofilme – tägliche Bekanntschaft

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Biofilm (Plaque) sichtbar gemacht

Die Existenz von Biofilmen ist durch die Entdeckung von Antony van Leeuwenhoek (1676) im Zahnbelag seit Mitte des 17. Jahrhunderts bekannt. Biofilme entstehen, wenn sich Mikroorganismen an Grenz- oder Oberflächen anlagern (Marshall, 1985), sich dort akkumulieren und wachsen (Monroe, 2007). In diesem sessilen Zustand lebt der überwiegende Anteil der Mikroorganismen, da in Biofilmen bessere Lebensbedingungen existieren (Costerton et al., 1987; Hall-Stoodley et al., 2004). Mikroorganismen sind durch Biofilme in der Lage, fast alle natürlichen Lebensräume wie Rohrleitungen und medizinische Gerätschaften und Produkte (Henrici, 1933; Costerton et al., 1999) zu besiedeln. Als besonders konkurrenzfähig haben sich Mikroorganismen in oligotrophen Habitaten herausgestellt, zu denen neben im Allgemeinen die meisten natürlichen Wässer und insbesondere das Trinkwasser zählen (Flemming, 1995; Favero et al., 1971).

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Biofilmwachstum auf Schlauchoberfläche

Biofilme in Hausinstallationen

Als Gründe für eine Kontamination von Dentaleinheiten mit Biofilmen kommen oft die günstigen Vermehrungsbedingungen in der Hausinstallation in Betracht. Hier sorgen gerade erhöhte Temperaturen, falsche Strangführung, Toträume im Leitungsnetz sowie lange Stagnationszeiten für gute Bedingungen zur Biofilmbildung (Shearer, 1996). Darüber hinaus bieten insbesondere Wartung und Reparatur der Leitungen Eintragsmöglichkeiten von Erregern in das Wasserleitungsnetz (Exner et al., 1981; Ciszewski, 1982).

Biofilme in Dentaleinheiten

Mikrobielle Kontamination der wasserführenden Systeme von Dentaleinheiten (Grün und Crott, 1969) und deren Speisung durch Biofilme aus den Schlauchinnenwandungen der Einheiten (Shearer, 1996) sind seit den 1960er Jahren bekannt. Dass auch heute noch eine massive Kontamination des Betriebs- und Kühlwassers von Dentaleinheiten existiert, zeigen zahlreiche nationale und internationale Studien (Barbeau et al., 1998; Forde et al., 2005; Singh und Coogan, 2005; Al-Hiyasat et al., 2007; Dahlén et al., 2009). Besonders problematisch ist die Kontamination einer Dentaleinheit mit Pathogenen und fakultativ Pathogenen wie Pseudomonas aeruginosa (Al-Hiyasat et al., 2007; Barbeau et al., 1996; Exner et al., 1981; Furuhashi und Miyamae, 1985), Legionella pneumophila und Legionella spp. (Atlas et al., 1995; Borneff, 1989; Fotos et al., 1985; Reinthaler et al., 1988) und anderen Bakterien (Hein, 1985) wie Mykobakterien. Aber auch der Befall mit Amöben (Singh und Coogan, 2005; Barbeau et al., 1996; Barbeau und Buhler, 2001; Michel und Borneff, 1989) und auch mit Legionellen geladenen Amöben konnte nachgewiesen werden (Singh und Coogan, 2005).

Diese Schwierigkeiten und Unzulänglichkeiten bei Fragen der Hygiene stellen den aktuellen zahnärztlichen Praxisalltag dar (Kramer et al., 2008).

Bedingungen für Biofilme in Dentaleinheiten

Biofilme haben in den wasserführenden Systemen einer Dentaleinheit üblicherweise sehr günstige Bedingungen für Wachstum und Vermehrung vorliegen (Richter, 2003). Ursachen hierfür sind das Erwärmen des Wassers in der Dentaleinheit (Shearer, 1996; Hein, 1985; Ciszewski, 1982; Prucha und Tilkes, 1986), Toträume und Reservoire (Souza-Gugelmin et al., 2003), sowie die generell langen Stagnationszeiten bei geringen Wasserströmen (Prucha und Tilkes, 1986; Hesselgren und Nedlich, 1981). Besonders eignen sich daher die Schlauchleitungen neben den Heizelementen zur Besiedlung mit Mikroorganismen. Durch wandanhaftende Plaques in den Kunststoffschläuchen haben die Mikroorganismen in dem Biofilm einen eindeutigen Lebensvorteil gegenüber denen ohne Biofilmbildung (Shearer, 1996; Mayo et al., 1990; Mills, 2000). Die Haftgrundlage eines Biofilms in den Schläuchen und Bauelementen einer Dentaleinheit stellt ein Grundgerüst, die Biofilm-Matrix, dar, welche hauptsächlich aus Exopolysacchariden besteht (Donlan, 2002; Lasa, 2006; Branda et al., 2005; Whitchurch et al., 2002) und einen Schutz gegen die Fortspülung durch das vorbeifließende Wasser bietet. Unabhängig davon sorgen Abrasion und Erosion (Rochex A., 2009; Morgenroth, 2000) bei zu großen Scherkräften und, teils aktiv von den Mikroorganismen hervorgerufen durch Hydrolyse der Biofilm-Matrix, für ein Herauslösen aus dem Biofilm (Boyd, 1994; Lewis, 2001; Sutherland, 2001). Dies kann sich je nach Plaquegröße oder Probenahmzeitpunkt durch einen Anstieg der KbE im Wasser bzw. kleiner bräunlicher (meist schleimiger) Partikel an den Wasserauslässen bemerkbar machen.

Materialschädigende Auswirkungen von Biofilmen

Biofilme verursachen neben gesundheitlichen Schäden auch ökonomische, beispielsweise durch die Zersetzung von Dichtungsmaterialien in Rohrleitungen (Flemming, 1995) oder den Abbau von Weich-PVC und Polyethylenverbindungen (Pommer, 1995), welche unter Umständen in flexiblen Trinkwasserschläuchen und Schläuchen in Dentaleinheiten vorkommen können. Aber auch Metalle werden durch mikrobiell beeinflusste Korrosion zerstört (Flemming, 1995; Tatnall, 1991).

Klinische und infektiologische Bedeutung von Biofilmen in Dentaleinheiten

Besonders bei zahnärztlichen Behandlungsformen, die eine Wasserkühlung benötigen, können Aerosole freigesetzt und inhaliert werden, die erregerhaltig sind (Delius, 1984). Von diesen in der Dentaleinheit vorhanden Krankheitserreger kann eine Infektionsgefahr ausgehen (Barbeau et al., 1998). Dass Betriebs- und Kühlwässer von Dentaleinheiten als Übertragungsweg von Bakterien fungieren, konnte bereits in der Vergangenheit aufgezeigt und nachgewiesen werden (Shearer, 1996; Fotos et al., 1985). Die mikrobielle Kontamination durch Biofilme und ihre Auswirkungen in Dentaleinheiten wird trotz der Allgegenwart in der Natur und ihrem Nachweis in den Einheiten in der Zahnmedizin bis heute teilweise unterschätzt. Dabei schützen sich über 60% der Erreger bakterieller Infektionskrankheiten durch die Bildung von Biofilmen (Drenkard und Ausubel, 2002) und stellen so einen wichtigen Zusammenhang zu Infektionen her (Costerton et al., 1987).

Warum Wasserstoffperoxid (H₂O₂) an Biofilmen scheitert

Das Enzym Katalase als bakterieller Abwehrmechanismus gegen Oxidationsprozesse

Um zu überleben, benötigen Mikroorganismen Abwehrmechanismen, die ihnen erlauben, einer Oxidation entweder auszuweichen oder diese zu reparieren. Manche Bakterien produzieren zu diesem Zweck das Enzym Katalase, was Schädigungen durch Wasserstoffperoxid (H₂O₂) verhindert. Katalase neutralisiert die bakterizide Wirkung von H₂O₂, seine Konzentration in Bakterien wird in Verbindung mit deren Pathogenität gebracht.

Bereits 1893 beschrieb Gottstein die bakterielle Katalase, welches damit als 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 Katalase-Tests eine Reihe von Mikroorganismen identifiziert, die in der Lage sind, Wasserstoffperoxid zu neutralisieren, darunter P. aeruginosa und Sphingomonas paucimobilis.

Fast 90 Jahre nach der Erkenntnis, dass Wasserstoff-Peroxid durch Katalase neutralisiert wird wurde durch BLUE SAFETY ein Versuch am Moyne Institut für Mikrobiologie der Universität Dublin durchgeführt. Er demonstriert, wie einfach und schnell Bakterien in der Lage sind, H₂O₂ vollkommen zu zersetzen.

katalase_test

Wasserstoffperoxid in einer Konzentration von 3% (30.000 ppm) auf ein katalaseaufspaltendes Bakterium.

Warum aber wirkt Wasserstoffperoxid so schlecht?

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:

Die Peroxidase-Dismutase: Sie verwandelt radikalische Sauerstoffverbindungen in H₂O₂:

2 O₂ + 2 H+  –> H₂O₂ + O₂

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 Praxis immer wieder in mit H₂O₂-beaufschlagten Behandlungseinheiten gefunden wird. Dies ist bereits 1995 an modernen Behandlungseinheiten mit integrierter Entkeimungsanlage bewiesen worden (Weihe, S.: Wasserstoffperoxid als Mittel zur kontinuierlichen Dekontamination dentaler Behandlungseinheiten. Diss., 1995).

Warum funktionieren Filter nicht?

In einem Fall wurde ein neuartiges Ultrafiltrationssystem untersucht, welches sogar Nährstoffe für Biofilme zurückhalten konnte, um Bakterien auf diese Weise auszuhungern. Der Filter wurde automatisch, alle 6 Stunden zurückgespült, um dessen Kontamination mit Biofilm vorzubeugen.

(…) The pore size of this filter (0.03μm) is much smaller than previously examined and recommended filters4 are designed to withhold not only microorganisms but also most potential nutrients supplying waterline biofilms. The results, however, showed a very fast increase in bacterial numbers to about 100.000cfu/ml in the test units. So, under the present circumstances the results did not fulfil the claimed bacterial reduction of 99.99999%.

„In conclusion, the ultrafiltration system investigated in the present study was not able to control the bacteria originating from the existing biofilm in the DUWL and deliver water of an acceptable bacteriological quality.“

International Dental Journal (2006) 56, 352-355, T. Larsen, The effect of ultrafiltration on the quality of water from dental units

Auch nahezu unmittelbar vor den Instrumenten platzierte Sterilfilter waren nicht in der Lage die Kontaminationsproblematiken von mit Wasserstoffperoxid betriebenen Behandlungseinheiten zu reduzieren.

Eine Untersuchung in der Zahnmedizin Greifswald zeigte, dass bereits innerhalb von 24 h nach der Geräteinternen Intensiventkeimung über 400 Bakterien/ml festgestellt wurden.

Dissertation, 2011, Tobias Neumann, Der endständige Einweg-Membranfilter Germlyser® ENT als Alternative zur chemischen Wasseraufbereitung in Dentaleinheiten Eine vergleichende Untersuchung der Qualität des Betriebswassers zahnärztlicher Funktionseinheiten

Biofilmabbau – wissenschaftlich wiederholt bestätigt

SAFEWATER inaktiviert und entfernt alle in den Behandlungseinheiten vorhandenen Pathogene – insbesondere Legionellen und Pseudomonaden aber auch Algen. Der Biofilm wird kontinuierlich und „sanft“ abgebaut und kann sich auf diese Weise auch nicht neu formieren. SAFEWATER, jahrelang erfolgreich in den Praxen und Kliniken installiert und durch Universitätsgutachten in seiner Wirksamkeit zur Biofilmentfernung bestätigt.

Nach Inbetriebnahme von SAFEWATER ist die fließende Welle – auch bei massiver Verkeimung – 0 KbE/ml (Kolonie-bildende-Einheiten pro Milliliter).

Gutachten 2012 Prof. Martin Exner, Dr. Jürgen Gebel, Stefan Linke – Institut für Hygiene und Öffentliche Gesundheit der Universität Bonn

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