Andreas Kühar - CBRN-Schutz in der Gefahrenabwehr

Für ein optimales Wachstum benötigt ein Bakterium ideale Umweltbedingungen, wie ausreichende Nährstoffversorgung, richtige Temperatur und pH-Wert, ausreichende Feuchtigkeit und, abhängig von der Art des Bakteriums, ausreichende Sauerstoffkonzentration (Aerobier) oder die Abwesenheit von Sauerstoff (Anaerobier). Liegt einer dieser Faktoren nicht optimal vor, empfinden Bakterienzellen Stress. Dieser Stresszustand zeigt sich in verlangsamtem Wachstum, im Übergang in eine Ruhephase und im Absterben der Bakterienzelle.

Einige Bakterienarten haben im Laufe der Evolution eine besondere Überlebensstrategie entwickelt: Bei plötzlich auftretenden Stressfaktoren stellen sie ihren Stoffwechsel ein und kapseln ihr Erbgut in einen Schutzmantel aus Eiweißen. Eine dermaßen verkapselte DNA wird als Endospore bezeichnet. In der Sporenform können Bakterien extreme Umweltbedingungen, wie Trockenheit, Hitze oder UV-Licht, über einen längeren Zeitraum überleben. So überstehen Endosporen die Pasteurisation von Milch oder die Einwirkung von Magensäure. Sobald die Lebensbedingungen wieder günstiger sind, entkeimt sich die Endospore erneut zur vegetativen Bakterienzelle. Aufgrund ihrer Resistenz gegen Umwelteinflüsse sind Endosporen sehr widerstandsfähig gegen die Einwirkung von Desinfektionsmitteln. Beispiele für sporenbildende Bakterien sind Bacillus anthracis (Erreger des Milzbrands), Clostridium botulinum (Botulismus) und Clostridium tetani (Auslöser des Wundstarrkrampfs).

Bakterielle Infektionen werden traditionell mit Antibiotika bekämpft. Antibiotika sind ursprünglich von Mikroorganismen produzierte Stoffe, die zahlreiche Stoffwechselprozesse in Bakterien hemmen. Ein Problem bei der Therapie ist die Entwicklung von Resistenzen gegen die Behandlung mit Antibiotika. Zur Prophylaxe existieren für verschiedene bakterielle Infektionskrankheiten Schutzimpfungen.

Schimmelpilze (biologischer Name fungi) sind einzellige selbständig lebende Organismen, wobei eine Pilzzelle fünf- bis zehnmal größer ist als die eines Bakteriums (zirka 5 bis 50 μm). So wie die Bakterien kommen auch die Schimmelpilze ubiquitär vor, von Schimmel auf Brot und Duschwänden bis zu vermoderndem Holz. Beispiele für Schimmelarten sind Penicillium, Aspergillus, Stachybotrys und Saccharomyces, auch die Hefen (Backhefe, Bierhefe) gehören taxonomisch zu den Schimmelpilzen.

Im Vergleich zu den Bakterien haben die Schimmelzellen eine weiterentwickelte Organisationsstruktur. So ist die DNA der Schimmelzellen umfangreicher und befindet sich in einem Zellkern. Außerdem befinden sich im Zytoplasma der Schimmelzellen spezialisierte Bereiche (Organellen), in denen Stoffwechselprozesse stattfinden, die der Energieproduktion und der Eiweißsynthese dienen. Schimmelzellen können selbständig existieren, sind jedoch meist mit anderen Zellen geclustert und formen dabei verwobene Netzwerke (Mycelium), die dem Schimmel das wollige Aussehen geben. Die charakteristische Schimmelfarbe entsteht durch die in großer Zahl zur Fortpflanzung gebildeten Sporen (nicht zu verwechseln mit den bakteriellen Endosporen). Schimmelsporen können bei Einatmung bis tief in die Lunge eindringen. Durch die einfache Möglichkeit der Ausbringung sind Schimmelsporen auch als potenzielle Biowaffen geeignet. Gegen Schimmelinfektionen hilft die Bekämpfung mit Fungiziden. Eine Antibiotikabehandlung ist gegen Schimmelinfektionen nicht wirksam.

Bei falscher Lagerung von Nüssen, Getreide oder getrockneten Früchten kann es zu einem Befall mit Aspergillus kommen, wobei der Giftstoff Aflatoxin produziert wird. Die Einnahme von Aflatoxin verursacht starke Bauchschmerzen, Unwohlsein und in höheren Dosen Leberprobleme, Blutungen sowie Gelb- und Wassersucht.

Ein Virus besteht lediglich aus Erbmaterial, in Form von DNA oder RNA, das in einer Eiweißhülle (Capsid) eingeschlossen ist. Viren haben kein Zytoplasma und sind nicht zum selbständigen Stoffwechsel befähigt. Deshalb werden sie auch nicht zu den Lebewesen gezählt. Aufgrund ihrer sehr geringen Größe von zirka 0,01 bis 0,3 μm sind sie nur unter dem Elektronenmikroskop sichtbar.

Beispiele sind das Rhinovirus (Erkältung), das Influenzavirus (Grippe), das Variolavirus (Pocken) und das Masernvirus sowie das Poliovirus (Kinderlähmung), der HIV-Erreger (AIDS), das Coronavirus (Erkältung, Lungenentzündung) und das Ebolavirus. Um sich replizieren zu können, muss das Virus den Stoffwechsel einer Wirtszelle gebrauchen. Hierzu dockt das Capsid an die Zellmembran der Wirtszelle an. Danach wird das Viren-Erbgut auf das Zytoplasma der Wirtszelle übertragen. Das Viren-Erbgut zwingt der Wirtszelle den eigenen Stoffwechsel auf, sodass diese gezwungen ist, die Viren-DNA/-RNA zu replizieren und die für die Capside benötigten Eiweiße zu produzieren. Aufgrund der Andockmöglichkeit an die Zellmembran als auch der Codierung ihrer DNA bzw. RNA sind Viren spezifisch auf eine Wirtszelle ausgerichtet.

Eine infizierte Zelle produziert 50 bis 1.000 neue Viren, welche dann freikommen, wobei die Wirtszelle zerstört wird, und die ihrerseits weitere Zellen befallen. Aufgrund der schnellen massenhaften Replikation der Virus-DNA/RNA treten dabei zahlreiche Fehler in der genetischen Codierung auf (Mutationen), wodurch sich die Eiweißstruktur der Virus-Capsiden verändert. Dadurch entstehen regelmäßig neue Virusvarianten, die durch das Abwehrsystem der Wirtszellen nicht mehr erkannt werden. Beispielsweise tritt bei dem Influenza-A-Virus mit einer Chance von 1 zu 10.000 bei einer Replikation in der Wirtszelle durch die auftretenden Mutationen eine neue Variante auf, die unter Umständen gefährlicher ist als das ursprüngliche Virus.

In der Vergangenheit kam es aufgrund dieser Mutationen wiederholt zu Pandemien, so zum Beispiel durch die Grippeviren der Variante H1N1, dem Auslöser der Spanischen Grippe 1918 mit geschätzten 20 bis 40 Millionen Todesopfern, durch die Variante H3N2 (Hong Kong-Grippe 1968/1969 mit über einer Million Todesopfern) und die Variante H5N1, die zwischen den Jahren 1997 und 2007 aufgetreten ist. Beginnend 2019 hat sich der Virus SARS-CoV-2, der Erreger der Lungenentzündung Covid-19, 2020 weltweit ausgebreitet.

Virusinfektionen sind nach ihrem Ausbruch schwierig zu bekämpfen. Eine Behandlung mit Antibiotika ist bei Viruserkrankungen unwirksam. Zwar sind antivirale Medikamente verfügbar (Virustatika), diese weisen allerdings eine wechselnde Effektivität auf und haben zumeist starke Nebenwirkungen. Der effektivste Schutz gegen Virusinfektionen stellt die Schutzimpfung dar. Dazu werden unschädlich gemachte Capside in den Körper gespritzt, welcher gegen diese körperfremden Eiweiße eigene Antikörper bildet. Tritt tatsächlich eine Virusinfektion auf, reagiert die vorbereitete Immunabwehr des Körpers direkt auf die bekannten Virus-Eiweiße. Der Nachteil der Virus-Vakzination ist, dass mit dem Auftreten von mutierten Capsid-Eiweißen ein neues spezifisches Vakzin notwendig werden kann. Daher muss eine Grippe-Schutzimpfung jährlich wiederholt werden. Außerdem muss die Vakzination mit ausreichendem zeitlichem Vorlauf stattfinden, um rechtzeitig eine Resistenz entwickeln zu können.

Aktuell ist es Ziel der medizinischen Forschung, Methoden zu entwickeln, die eine schnelle Anpassung von Vakzinen bei Auftreten von mutierten Erregern gewährleisten.

Toxine (auch als Biotoxine bezeichnet) sind für den Menschen giftige Stoffe, die sowohl durch Pflanzen und Tiere als auch durch Bakterien und Schimmel produziert werden. Dabei reicht die Bandbreite von einfachen Molekülen wie der Ameisensäure bis zu großen komplexen Eiweißverbindungen wie dem Botulinumtoxin. Toxine greifen in den Zellstoffwechsel ein und können dadurch Störungen der Organfunktion bis hin zum Tod verursachen.