3. MITTELDEUTSCHES NETZWERKTREFFEN 2010, IFAK MAGDEBURG

Über ein neues Konzept der wirkungsbezogenen Analytik und Zu antibiotikaresistenten Bakterien im Wasserkreislauf

Gerald Brenner-Weiß, Thomas Schwartz, Ursula Obst, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

Wirkungsbezogene Analytik

In den vergangenen Jahrzehnten ist in der pharmakologischen, toxikologischen und ökologischen Forschung sowie in der Agro-, Lebensmittel- und Wasserforschung der Bedarf entstanden, nicht nur Rückstands- bzw. Wirkstoffanalytik zu betreiben, sondern auch Wirkungsursache und Wirkungsgrad zu ermitteln, um damit eine biologische Bewertung der Analyten zu ermöglichen. Entsprechend wurden und werden zahlreiche Anstrengungen unternommen, um sowohl Methoden der Instrumentellen Analytik weiterzuentwickeln als auch über Bioassays die biologische Wirkung zu untersuchen. Bislang werden beide Ansätze jedoch getrennt voneinander verfolgt. So liefern zwar die biologischen Assays wirkungsbezogene Informationen, eine Identifizierung der verursachenden Substanzen ist jedoch nur sehr selten möglich. Andererseits erlauben immer leistungsfähigere analytische Verfahren den Nachweis von Substanzen in niedrigsten Spurenbereichen. Eine biologische Bewertung der dabei nachgewiesenen Substanzen wird dadurch allerdings nicht ermöglicht.

Daher ist man bestrebt, die chemische Analytik mit der Wirkungsweise (spezifischen Wirkung, biologischer Assay) eines bzw. mehrerer Stoffe zu kombinieren. Dieser kombinierte Ansatz wird als Wirkungsbezogene Analytik bezeichnet.

Ziel einer solchen wirkungsbezogenen Analytik ist daher die Identifizierung von Schadstoffen mit umwelt- oder humanrelevanter Wirkung auf der Basis biomolekularer Erkennung des Liganden durch die Zielstrukturen, die für die Induktion dieser Wirkungen im Organismus verantwortlich sind. Die biomolekulare Erkennung besteht hier in einer selektiven Bindung von Stoffen als ersten Schritt in einer Reaktionskette, die zu einer spezifischen Wirkung führt. Diesen Schritt nutzt die wirkungsbezogene Analytik zur Bindung und selektiven Anreicherung von Stoffen mit einem bestimmten Wirkungspotential. Beispiele für solche Zielstrukturen sind Enzyme, Rezeptoren aber auch Nukleinsäure-Strukturen, wie DNA oder RNA.

Beispielhaft werden einige Strategien zur Umsetzung einer wirkunsgbezogenen Analytik erläutert.

Antibiotikaresistenz

Pharmazeutika werden über Ausscheidungen von Mensch und Tier und durch unsachgemäße Entsorgung in die aquatische Umwelt eingetragen. Humanpharmazeutika wie Antibiotika gelangen über Abwasser privater Haushalte und Krankenhäuser zunächst in die kommunalen Kläranlagen. Dort werden sie während der Abwasserreinigung jedoch nicht vollständig entfernt und erreichen so die Oberflächengewässer, die wiederum als Trinkwasserreservoir genutzt werden können. Antibiotika sind in diesem Zusammenhang von besonderem Interesse, da momentan schwer abzuschätzen ist, ob ihr Vorkommen in Abwässern zu einer Ausbreitung von Resistenzen in potentiell humanpathogenen Mikroorganismen beiträgt. Unter bakterieller Resistenz versteht man dabei die Widerstandsfähigkeit von Mikroorganismen gegen Antibiotika und Biozide. Resistenzgene können über mobile genetische Elemente wie Plasmide oder Transposons schnell und sehr breit gefächert auf andere Bakterien übertragen werden. Resistenzen können aber auch durch Veränderung funktioneller bakterieller Gene (Mutation) entstehen. Solche Mutationen im Bakterienchromosom werden dann an die Folgegenerationen weitergegeben. Seit der Einführung von Antibiotika zur Behandlung von Infektionen wurde ein kontinuierlicher Zuwachs mikrobieller Antibiotikaresistenzen sowohl im Klinikbereich als auch außerhalb der Kliniken beobachtet.

Ausgewählte Literatur

Brenner-Weiss, G., Obst, U. (2003) Approaches to bioresponse-linked instrumental analysis in water analysis, Anal Bioanal Chem 377(3), 408 - 416

Volkmann, H., Schwartz, T, Bischoff, P., Kirchen, S., Obst, U. (2004) Detection of clinically relevant antibiotic-resistance genes in municipal wastewater using real-time PCR (TaqMan), J. Microbiol. Methods 56; 277– 286