Kompetenzbereich Bakterien und Toxine

Leitung: Oberfeldveterinär Dr. med. vet. Heiner von Buttlar 

Der Kompetenzbereich I beschäftigt sich mit ausgewählten bakteriellen Infektionserregern und Toxinen, die lebensbedrohliche Krankheitsbilder bei Mensch und Tier auslösen können. In verschiedenen Projekten werden Fragestellungen zur Diagnostik und Epidemiologie von Milzbrand, Brucellose, Tularämie, Melioidose, Pest, Rotz und verschiedenen Vergiftungen bearbeitet.
Neben der Verbesserung diagnostischer Verfahren zum Toxin-, Erreger- und Antikörpernachweis bildet die Forschung an bioforensisch verwendbaren Typisierungsverfahren einen besonderen Schwerpunkt des Kompetenzbereichs. Hierzu werden neben der Methode des Next-Generation-Sequenzierung (NGS) auch die Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH) und die Elektronenmikroskopie eingesetzt.

Das nationale Konsiliarlabor für Brucella und das Konsiliarlabor für Pest werden durch den Kompetenzbereich betrieben.

Hinweis: Alle im Kompetenzbereich Bakterien & Toxine entwickelten medizinisch-diagnostischen Verfahren werden gebündelt über den Zentralbereich Diagnostik des Instituts bereitgestellt. Dort finden Sie auch das detaillierte Analysenverzeichnis mit Hinweisen zur Probennahme und Transport.

Kooperationen

Der Kompetenzbereich Bakterien & Toxine verfügt über ein weltweites Netzwerk von Kooperationspartnern mit zivilen und militärischen Forschungseinrichtungen, wie beispielsweise der Swedish Defence Research Agency, dem Institut Pasteur de Madagascar, dem italienischen Army Medical and Veterinary Research Center oder dem mongolischen National Center for Zoonotic Diseases. Insbesondere auf dem Gebiet der bakteriellen molekularbiologischen Typisierung besteht eine enge Zusammenarbeit mit Arbeitsgruppen in den USA, Großbritannien und Italien.

Aktuelle Drittmittelprojekte

seit 2020 FORTE Eurothrax RD PD Dr. Graß
seit 2016 Ukrainisch-deutsche Biosicherheitsinitiative für ein Zoonosen-Risikomanagement nahe der EU-Außengrenze OFV Dr. von Buttlar
seit 2013 Georgien: Vorderasiatisches Netzwerk zum Ausbau und zur Festigung der biologischen Sicherheit in der Kaukasusregion OFV Dr. von Buttlar

Kontakt

Oberfeldveterinär Dr. med. vet. Heiner von Buttlar
Telefon: 089 992692-3894
E-Mail: heinervonbuttlar[at]bundeswehr.org

Arbeitsgruppe Brucellose

Die Brucellose, eine durch verschiedene Brucella-Arten hervorgerufene Erkrankung von Mensch und Tier, ist eine trotz zahlreicher Eradikationsprogramme (Impfung, Testung, Keulung von Nutztieren) immer noch weltweit vorkommende Zoonose. Jährlich werden weltweit etwa 500.000 Neuerkrankungen gemeldet. Die Anzahl der gemeldeten Fälle ist insbesondere in den Endemiegebieten im Mittelmeerraum, auf der Arabischen Halbinsel, im Mittleren Osten, in Afrika, Mittel- und Südamerika sehr hoch. In Deutschland ist die Inzidenz mit 0,03 pro 100.000 Personenjahre, ähnlich wie in den USA, sehr niedrig. Fast alle in Deutschland gemeldeten humanen Brucellose-Fälle wurden durch den Konsum Brucella-kontaminierter Lebensmittel (v.a. Milch und Milchprodukte) im Ausland erworben.

Die Arbeitsgruppe Brucellose untersucht Diagnostik-, Behandlungs- und Abwehrmöglichkeiten für menschliche Infektionen mit Brucellen. Standardisierte und hinreichend evaluierte Verfahren für die molekulare, biochemische und immunologische Identifizierung bzw. Typisierung von Brucella-Arten und die Diagnostik der Brucellose sind - bis auf serologische Methoden für den Antikörpernachweis – kaum kommerziell verfügbar. Eines der Ziele der Forschungsprojekte der Arbeitsgruppe Brucellose ist deshalb die Entwicklung, Etablierung und Evaluierung von Verfahren zur Diagnostik der Brucellose, zur Erregeridentifizierung und -differenzierung sowie zur Typisierung. Mit modernen molekularbiologischen Methoden werden die isolierten Stämme charakterisiert (molekularer Fingerabdruck) und mit anderen Stämmen oder nahe verwandten Erregern verglichen.

Hinweis: Die durch die Arbeitsgruppe für das Konsiliarlabor für Brucella entwickelten medizinisch-diagnostischen Verfahren werden gebündelt über den Zentralbereich Diagnostik des Instituts bereitgestellt. Dort finden Sie auch das detaillierte Analysenverzeichnis mit Hinweisen zu Probennahme und Transport.

Die Arbeitsgruppe stellt außerdem im nationalen Konsiliarlabor für Brucella das methodische Know-how bereit, um Krankheitsausbrüche mit dem Verdacht auf Brucellose aufzuklären. Zusätzlich können die entwickelten Verfahren genutzt werden, um in aktuellen oder zukünftigen Einsatzregionen der Bundeswehr das Infektionsrisiko mit Brucellen abzuschätzen und Ausbrüche der Brucellose aufzuklären. Auch die molekulare Analyse potenziell neuer Brucella-Arten ist dabei von Interesse. Die Untersuchung dieser neu auftretenden Brucella-Arten erweitert wesentlich das Verständnis der Evolution dieser medizinisch wichtigen Bakterienart.

Forschungsschwerpunkte

  • Diagnostik aller Brucella-Arten
  • Taxonomie und Evolution neuer Brucella-Arten
  • Vergleichende Genomanalysen von Vertretern des Genus Brucella, einschließlich atypischer Brucellen und von Brucella-like-Isolaten
  • Aufbau von Typisierungs-Datenbanken für molekular-epidemiologische und bioforensische Zwecke, z.B. zur Bestimmung des geographischen Ursprungs

Arbeitsgruppe Milzbrand (Anthrax)

Milzbrand oder Anthrax ist eine Infektionskrankheit, die durch das Bakterium Bacillus anthracis verursacht wird und bei Menschen zumeist in der Form von Haut-, Lungen-oder Darmmilzbrand auftritt. Milzbrand ist nicht von Mensch zu Mensch übertragbar, jedoch kann Bacillus anthracis Sporen als sehr umweltresistente Dauerform ausbilden. Solche Sporen wurden in der Vergangenheit auch als biologische Kampfstoffe eingesetzt.

Die Arbeitsgruppe Milzbrand untersucht Diagnostik-, Behandlungs- und Abwehrmöglichkeiten für den Milzbranderreger. Hierzu gehören auch wissenschaftliche Projekte zum schnellen Nachweis einer Kontamination mit Anthraxsporen, zur zweifelsfreien molekularen, biochemischen und immunologischen Identifizierung, zur forensischen Typisierung und zur Bestimmung von Antibiotikaresistenzen. Zu den Aufgaben der Arbeitsgruppe Milzbrand gehören weiterhin die präklinische Prüfung von Kandidaten für die Prophylaxe und Therapie, sowie die Aufklärung von Expositionsrisiken, Krankheitsausbrüchen und enzootischen bzw. endemischen Lagen in Einsatzregionen der Bundeswehr.

Hinweis: Die durch die Arbeitsgruppe entwickelten medizinisch-diagnostischen Verfahren werden gebündelt über den Zentralbereich Diagnostik des Instituts bereitgestellt. Dort finden Sie auch das detaillierte Analysenverzeichnis mit Hinweisen zur Probennahme und Transport.

Forschungsschwerpunkte

  • Nachweis des Milzbrands und seiner Pathogenitätsfaktoren mittels PCR-Technologien;
  • Nachweis von Milzbrand-spezifischen Pathogenitätsfaktoren mit funktionalen Aktivitäts-Assays;
  • Untersuchung der zellulären und humoralen Immunantwort beim Menschen nach Milzbrand-Impfungen und Milzbrand-Infektionen;
  • Studien zum Überleben von Milzbrandsporen in der Umwelt;
  • Aufbau von Typisierungs-Datenbanken für molekular-epidemiologische und bioforensische Zwecke, z.B. zur Bestimmung des geographischen Ursprungs eines Bacillus anthracis-Isolates an Hand von Typisierungsergebnissen Genetische Rückverfolgungsuntersuchungen von Milzbrandisolaten, z.B. aus Erkrankungen bei Heroinkonsumierenden;
  • Studien zur Verwendung von Bakteriophagen zum spezifischen Nachweis und zur Bekämpfung von B. anthracis.

Arbeitsgruppe Biologische Toxine

Neben Infektionen mit Viren und Bakterien stellen Vergiftungen eine weitere Gefahr biologischen Ursprungs dar. Bei biologischen Toxinen handelt es sich um Giftstoffe, die von Organismen (Bakterien, Pilzen Pflanzen, Tieren) gebildet werden und bei denen bereits geringste Mengen Krankheitssymptome beim Menschen auslösen oder sogar zum Tod führen können. Aufgrund ihrer relativ einfachen Herstellbarkeit wurden einige Toxine auch als biologische Kampfstoffe verwendet.

Auftrag der Arbeitsgruppe „Biologische Toxine“ ist die Sicherstellung einer hochsensitiven und zweifelsfreien Diagnostik von Gesundheitsstörungen durch biologische Toxine, sowie die Untersuchung geeigneter Behandlungs- und Abwehrmöglichkeiten. Der Schwerpunkt liegt hierbei v.a. auf den Botulinum-Neurotoxinen, Staphylococcus-aureus-Enterotoxin B und Choleratoxin, sowie den pflanzlichen Toxinen Rizin und Abrin. Die Diagnose einer Intoxikation oder einer Kontamination von Lebensmitteln mit biologischen Toxinen erfolgt durch den direkten Nachweis des biologischen Toxins mit geeigneten immunologischen oder chromatographischen Testsystemen oder durch Nachweis der biologischen Substrataktivität. Die Untersuchung auf Toxin-kodierende Gene mittels molekularer Verfahren ist zwar nur im positiven Falle aussagekräftig, kann aber speziell bei schwierigen Matrizes als orientierende Untersuchung durchgeführt werden. Um retrospektiv Aussagen über die Exposition gegenüber einem Toxin zu machen, können auch Testsysteme für den Nachweis spezifischer Antikörper eingesetzt werden.

Forschungsschwerpunkte

  • Affinitätsanreicherung biologischer Toxine zur Verbesserung der Nachweisgrenze;
  • Nachweis von Rizintoxin aus komplexen Matrices;
  • Nachweis von Abrintoxin aus komplexen Matrices;
  • Nachweis von Botulinum-Neurotoxinen durch den funktionalen Nachweis ihrer Proteaseaktivität;
  • Nachweis von Genen für die Botulinum Neurotoxine A, B, E und F;
  • Retrospektiver Nachweis der Exposition gegenüber Rizin durch Nachweis Rizin-spezifischer Antikörper im Patientenserum.

Arbeitsgruppe Tularämie

Die Tularämie ist eine Infektionskrankheit, die durch das Bakterium Francisella tularensis ausgelöst wird. Der Erreger ist auf der nördlichen Halbkugel verbreitet und gehört zu den vom Tier auf den Menschen übertragbaren Krankheiten (Zoonosen). Die Hauptwirte sind Nagetiere und Hasenartige. Zur Infektion kommt es bei direktem Kontakt mit infizierten Tieren (z.B. Hasenjagd). Der Biss infizierter, blutsaugender Vektoren (z.B. Mücken, Zecken) stellt eine weitere Infektionsquelle dar. Je nach Erregereintrittspforte unterscheidet man unterschiedliche Formen der Tularämie beim Menschen: ulzero-glanduläre Form, oculo-glanduläre Form, Lungenform, abdominale Form.

Die Tularämie ist in Deutschland nach dem Infektionsschutzgesetz meldepflichtig. Auf Grund der geringen Erregerzahl, die benötigt wird, um die Tularämie auszulösen, wurde Francisella tularensis in der Vergangenheit auch als biologischer Kampfstoff verwendet.

Die Arbeitsgruppe Tularämie untersucht Diagnostik-, Behandlungs- und Vorbeugungsmöglichkeiten für Francisella tularensis. Zur Unterstützung therapeutischer Maßnahmen werden bei aus Patientenmaterial isolierten Stämmen auch Antibiotikaresistenztestungen vorgenommen. Darüber hinaus werden Testsysteme zum indirekten Erregernachweis, z.B. durch den Nachweis spezifischer Antikörper, entwickelt und validiert. Hierbei werden auch Methoden zur Anwendung bei Tieren etabliert, um Aussagen über das Vorkommen von Francisella tularensis in Reservoirwirten, z.B. in Einsatzgebieten der Bundeswehr, treffen zu können.

Hinweis: Die durch die Arbeitsgruppe entwickelten medizinisch-diagnostischen Verfahren werden gebündelt über den Zentralbereich Diagnostik des Instituts bereitgestellt. Dort finden Sie auch das detaillierte Analysenverzeichnis mit Hinweisen zur Probennahme und Transport.

Forschungsschwerpunkte

  • Nachweis und Typisierung von Francisella tularensis mittels Echtzeit-PCR Systemen
  • Feintypisierung von Francisella tularensis, auch unter Einsatz von Next-Generation-Sequencing (NGS) Methoden
  • Aufbau von Typisierungs-Datenbanken für molekular-epidemiologische und bioforensische Zwecke, z.B. zur Bestimmung des geographischen Ursprungs
  • Nachweis von Francisella tularensis –spezifischen Antikörpern in Seren menschlichen und tierischen Ursprungs zur Bestimmung des Verbreitungsgrades (Seroprävalenz) des Erregers
  • In vitro Infektion von Zellkulturen zur Untersuchung der Erreger-Wirt Interaktion
  • Testung der Effiziens von antimikrobiellen Wirkstoffen gegen Francisella tularensis, einschließlich der Testung in in vitro Infektionsmodellen

Arbeitsgruppe Rotz | Meliodiose

Burkholderia (B.) mallei (Rotzerreger) und B. pseudomallei (Erreger der Melioidose) verursachen schwere eitrige, therapieresistente, chronische und oft tödlich verlaufende Infektionen. Zwar gehören zur Gattung Burkholderia mehr als 60 verschiedene Arten gramnegativer Stäbchenbakterien, doch eine humanpathogene Relevanz haben davon lediglich die Vertreter des Burkholderia-cepacia-Komplexes (Pneumonien bei Patienten mit Cystischer Fibrose sowie verschiedene nosokomiale Infektionen), B. gladioli (nosokomiale Infektionen) und die obligat pathogenen B. mallei und B. pseudomallei. Die beiden letztgenannten Spezies besitzen ein Risikopotential als biologische Kampfstoffe.

Ziel der Projekte der Arbeitsgruppe ist die Entwicklung und Validierung neuer diagnostischer Verfahren zur Erregeridentifizierung und –typisierung. Damit können Isolate aus weltweiten Krankheitsausbrüchen umfassend phänotypisch und genotypisch durch nachweis der Immunantwort des Wirts charakterisiert werden. Darüber hinaus sollen Systeme zur Diagnostik der Infektion entwickelt werden. Diese diagnostischen Fähigkeiten können genutzt werden, um das Risiko für eine Infektion mit Burkholderia mallei/pseudomallei abzuschätzen und Krankheitsausbrüche aufzuklären.

Hinweis: Die durch die Arbeitsgruppe entwickelten medizinisch-diagnostischen Verfahren werden gebündelt über den Zentralbereich Diagnostik des Instituts bereitgestellt. Dort finden Sie auch das detaillierte Analysenverzeichnis mit Hinweisen zur Probennahme und Transport.

Forschungsschwerpunkt

  • Charakterisierung der natürlichen genetischen Variation von B. mallei während einer Infektion
  • Charakterisierung von Isolaten des Burkholderia-pseudomallei-Komplexes
  • Entwicklung von Nachweisverfahren für Burkholderia-mallei/pseudomallei-spezifischen Antikörpern 

 

Arbeitsgruppe Bildgebende Verfahren in der Bakteriologie

Mikroskopie-basierte Nachweisverfahren spielen seit der ersten Beschreibung von Bakterien und ihren unterschiedlichen Morphologien durch Antonie van Leeuwenhoek im 17. Jahrhundert eine essentielle Rolle in der Bakteriologie.

Die Arbeitsgruppe „Bildgebende Verfahren in der Bakteriologie“ verwendet Fluoreszenz- und Elektronenmikroskopie zum Nachweis und zur Identifizierung von bakteriellen Krankheitserregern und biologischen Kampfstoffen. Ein Schwerpunkt ist dabei die Darstellung und Identifizierung von Mikroorganismen mittels Fluoreszenz-in-situ-Hybridisierung (FISH). Hierbei werden Mikroorganismen mit spezifischen, Fluoreszenzfarbstoff-markierten Sonden angefärbt und können dann mikroskopisch nachgewiesen werden. Dadurch können Bakterien ohne vorherige Anzucht auf Nährmedien nachgewiesen werden. Dadurch können Infektionserreger sehr schnell direkt in Patientenmaterial oder biologische Kampfstoffe in Umweltproben identifiziert werden.

Die Konfokale Laser-Scanning-Mikroskopie ermöglicht hierbei zusätzlich noch die Aufnahme optischer Schnitte von Proben mit einer Dicke von weniger als 1µm und somit die hochauflösende Beschreibung der Lage der Mikroorganismen zu ihrer Umgebung, z.B. der menschlichen Zelle.

Durch die Verwendung eines Elektronenstrahls für die Bilderzeugung erlaubt die Elektronenmikroskopie eine um ein Vielfaches stärkere Vergrößerung und höhere Auflösung als lichtmikroskopische Methoden. Dies ermöglicht die Analyse von kleineren Objekten in größerem Detail und somit selbst die Detektion von Mikro- und Nanopartikeln in Proben sowie Einblicke in die Ultrastruktur von Bakterien und Sporen.

Zusätzlich zu laufenden Projekten beschäftigen wir uns ständig mit der Erweiterung bestehender Protokolle auf neue Probenmatrizes sowie mit der Vereinfachung und Optimierung von Protokollen.

Forschungsschwerpunkte

  • Nachweis und Identifizierung von für das Institut relevanten Infektionserregern und biologischen Kampfstoffen durch Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH)
  • Anwendung von Transmissions- und Rasterelektronenmikroskopie für die Erstellung eines Bildatlas biologischer Kampfstoffe
  • Auswirkung von unterschiedlichen Inkubationsbedingungen auf die Ultrastruktur von Mikroorganismen