Relevanz von lebenden, nicht kultivierbaren Legionellen

Natürliche Gewässer sind das Hauptreservoir von Legionellen. Seit Ihrer Entdeckung im Jahr 1976, wurden sie jedoch hauptsächlich aus künstlichen Systemen isoliert. Anthropogene Wassersysteme mit höheren Temperaturen sind die einzige Quelle von Legionellen, die mit menschlichen Erkrankungen in Zusammenhang stehen. Unter diesen sind Duschen, Kühltürme, Heiß- und Kaltwassersysteme oder Klimaanlagen am häufigsten und dichtesten mit Legionellen besiedelt. Die Anzahl der Infektionen die in Industrieländern auf Legionellen zurückgehen, haben in den letzten Jahrzehnten stark zu genommen. In Europa wurden in der Periode von 1993 - 2008 insgesamt 53.494 Fälle an Legionärskrankheit registriert. Es wird angenommen, dass die zentrale Überlebensstrategie von Legionellen in der Umwelt die intrazelluläre Vermehrung in freilebenden Protozoen, insbesondere Amöben ist. Legionellen, im Speziellen L. pneumophila, können aber auch die menschliche Lunge befallen und sich in Lungen- Makrophagen vermehren. Legionellen werden üblicherweise mit einem Standard-Kultivierungsverfahren detektiert und quantifiziert. Es ist aber auch bekannt, dass Legionellen in einen sogenannten lebenden, nicht kultivierbaren Zustand (VBNC) übergehen können, wenn sie ungünstigen Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Aus eigenen Untersuchungen und einer Reihe von fremden Berichten kann davon ausgegangen werden, dass VBNC Legionellen in hohen Konzentrationen in diversen Wassersystemen vorkommen. Dennoch ist nicht klar, ob diese eine potenzielle Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen oder nicht. Dass VBNC Zellen ihre Kultivierbarkeit und Infektiosität wieder erlangen können, konnte für einige Krankheitserreger bereits nachgewiesen werden. Es konnte auch gezeigt werden, dass VBNC Legionellen über eine Passage durch Amöben in den kultivierbaren Zustand zurückgelangen können und es kann angenommen werden, dass sie dadurch ihr volles Infektiositäts - und Virulenzpotenzial wieder erlangen. Allerdings wurden diese wenigen Untersuchungen nur mit einer geringen Anzahl von Legionella Stämmen durchgeführt; es wurde auch nur eine limitierte Anzahl von Methoden zur Bestimmung der Lebensfähigkeit und der Virulenz / Infektiosität angewendet. Außerdem wurde noch nicht untersucht, ob VBNC Legionellen direkt fähig sind humane Wirtszellen zu befallen und Krankheiten auslösen zu können. Deshalb kann bis dato kein umfassendes Bild der potenziellen Bedrohung der menschlichen Gesundheit durch VBNC Legionellen gezeichnet werden. Die zentrale Hypothese unserer geplanten Studie ist, dass die Abundanz (und auch Diversität) medizinisch relevanter Legionellen in anthropogenen Wassersystemen massiv unterschätzt wird, hauptsächlich aufgrund der Nicht-Kultivierbarkeit eines hohen Prozentsatzes der Legionellen- Populationen. Unser Hauptziel der Studie ist deshalb, VBNC Legionellen direkt aus diversen Wassersystemen zu isolieren und ihr Infektionspotenzial zu untersuchen. Das soll die Basis liefern für die Mitberücksichtigung von VBNC Legionellen in zukünftigen Screening-Programmen. Um das Hauptziel zu erreichen, ist eine umfassende Vorbereitung vonnöten, indem eine Reihe von gut-etablierten Modellsystemen entwickelt wird: (i) eine standardisierte Methode um Legionellen in den VBNC Status zu versetzen und ein standardisiertes System um die Lebensfähigkeit von Legionellen zu testen; (ii) ein standardisiertes System um VBNC Legionellen mittels Immunomagnentischer Separation aus Umweltproben zu isolieren (iii) ein standardisierter Makrophagen-test um die Infektiosität und Virulenz zu testen; (iv) zwei Amöben-Wirtsmodelle die als "Spielwiese" für die Legionellen dienen sowie (v) ein Tiermodellsystem als "proof of principle". Wenn sich die zentrale Hypothese unseres Projektes als wahr herausstellt, wird dies einen hoch signifikanten Einfluss auf Strategien zur Prävention der Krankheit, das Management von Wassersystemen und auf die Wahl der geeigneten Detektionsmethode von Legionellen in Routinelabors haben.

Legionellen gehören zu den wichtigsten wasserübertragenen Krankheitserregern in Industrieländern. Sie werden über kleine Wassertropfen aus kontaminierten, technischen Wassersystemen übertragen und verursachen eine schwere Lungeninfektion, die "Legionärskrankheit". Die Überwachung von Legionellen in Wassersystemen wird in der Regel mit mikrobiologischen Kultivierungsverfahren durchgeführt. In den letzten Jahren wurde jedoch festgestellt, dass in vielen technischen Wasser-systemen eine hohe Anzahl von lebenden, nicht kultivierbaren VBNC Legionellen vorhanden sein kann. In diesem Projekt wollten wir die gesundheitliche Relevanz dieser VBNC Legionellen unter-suchen. Unsere wichtigste Erkenntnis war, dass eine Vielzahl von VBNC-Legionella-Stämmen in der Lage ist, menschliche Immunzellen (Fresszellen, Makrophagen) direkt zu infizieren und sich zu ver-mehren. Bisher war man der Meinung, dass eine vorherige Wiederbelebung aus dem VBNC-Zustand über Amöben dafür eine notwendige Voraussetzung ist. Dabei konnten wir auch zeigen, dass viele Strukturen der äußeren Membranen der Bakterien die mit der Virulenz der Bakterien in Zusammenhang stehen auch nach mehreren Monaten im VBNC-Zustand auf hohem Niveau vorhanden sind. Daher können VBNC-Zellen auch ohne Wiederbelebung für die menschliche Gesundheit von Bedeutung sein. Aufbauend auf unseren Ergebnissen können wir auch ein Modell für den Infektions-prozess liefern: Nach dem Einfluss der Stressfaktoren, die den Übergang in den VBNC-Zustand auslösen, entwickeln sich verschiedene Teilpopulationen von VBNC-Zellen, wobei die Mehrzahl der Zellen nur schwache Lebensfähigkeits-zeichen aufweist. Dennoch bleibt eine kleine Teilpopulation hochaktiver VBNC-Zellen übrig. Es ist sehr wahrscheinlich, dass diese Teilpopulation in der Lage ist, eine Infektion der menschlichen Immunzellen zu verursachen. Im Vergleich zu kultivierbaren Zellen benötigen VBNC-Zellen jedoch viel längere Zeit und müssen in höherer Anzahl vorhanden sein, um eine Infektion auszulösen. Zudem ist der Anteil der infizierten Zellen deutlich geringer. Die Ergebnisse des Projekts haben das Bewusstsein für den VBNC-Status von Legionellen im Besonderen (und für Bakterien im Allgemeinen) in der wissenschaftlichen Gemeinschaft, aber auch im praktischen Bereich (Ärzte, Krankenhauspersonal, Kühlturmbetreiber, Wassertechniker, Wasserhygieniker) geschärft. Aufgrund des gestiegenen Bewusstseins für die VBNC-Problematik wird das Projekt zu einer effektiveren Krankheitsprävention beitragen. Dies soll einerseits durch eine bessere Überwachung kontaminierter Wassersysteme und andererseits durch eine effektivere Behandlung von Patienten mit Legionärskrankheit erreicht werden. Wir empfehlen, VBNC-Legionellen in zukünftige Überwachungs- und Monitoringaktivitäten von technischen Wasser-systemen einzubeziehen und bei wiederkehrenden oder langwierigen Legionellosefällen ohne positiven Kulturtest zumindest in Verdachtsfällen kulturunabhängig Legionellen in klinischen Proben nachzuweisen.