Nachweis von Infektionserregern (Keimnachweis)

Bauchschmerzen, Durchfälle, Fieber – solche und andere Beschwerden können wir haben, wenn wir uns mit Krankheitserregern infiziert haben. Doch wie findet der Arzt die richtige Behandlung dafür? In vielen Situationen reichen ihm eine ausführliche Befragung und körperliche Untersuchung, oft ergänzt durch verschiedene Blutwerte, um sich ein Bild von unserer Erkrankung zu machen und eine passende Therapie zu finden. Vor allem zur gezielten Auswahl von wirksamen Medikamenten muss der Arzt aber in einigen Fällen genau wissen, welcher Erreger die Erkrankung ausgelöst hat. – Denn eine falsche Behandlung nützt nicht nur nichts, sie kann sogar schädlich sein.

Wie kann der Arzt Krankheitserreger nachweisen?

Erreger weisen Mediziner durch die Untersuchung von Körperflüssigkeiten, Stuhlproben oder Wundabstrichen nach. Erste Hinweise ergibt oft die Betrachtung unter einem Mikroskop. Laboranalysen können manchmal die Keime selbst nachweisen, manchmal ihre Bestandteile, ihre Stoffwechselprodukte oder auch krankmachende Giftstoffe (Toxine), die einige Bakterienarten produzieren können. Bakterien und Pilze lassen sich oft auf verschiedenen Nährmedien anzüchten als sogenannte "Kultur". Virusinfektionen stellen Ärzte meistens durch bestimmte Antikörper fest. Antikörper sind Abwehrstoffe, die der Körper gegen Bestandteile von Krankheitserregern (sogenannte Antigene) bildet.

Wann ist ein Keimnachweis notwendig?

Ein Keimnachweis dient einerseits dazu, bei akuten Erkrankungen eine  Diagnose zu finden. Darüber hinaus kann der Keimnachweis aber auch bei  Menschen ohne Beschwerden wichtig sein, wenn zum Beispiel in  lebensmittelverarbeitenden Betrieben bei Mitarbeitern nach Salmonellen gesucht wird. Oder wenn getestet wird, ob bestimmte Patienten, die in ein Krankenhaus  aufgenommen werden, resistente Bakterien mit sich tragen. Auch wenn  mehrere Menschen in Gemeinschaftseinrichtungen an den gleichen Symptomen  erkranken, können Keimnachweise dazu beitragen, die Infektionswege  aufzudecken.

Tests auf Antikörper können außerdem zeigen, ob Menschen gegen bestimmte Keime immun sind oder eventuell eine Impfung nötig ist. Beispiele sind die Suche nach Antikörpern gegen Röteln oder Hepatitis B in der Schwangerschaftsvorsorge.

Voraussetzung für einen Keimnachweis: eine geeignete Probe

Viele Keime lassen sich in geeigneten Untersuchungsproben nachweisen. Beispiele für Proben sind Abstriche von Wunden, Stuhlproben, Körperflüssigkeiten wie Urin, Nervenwasser, Absonderungen (Sekrete) aus den Atemwegen und eine spezielle Form von Blutproben (Blutkulturen). Diese Proben dürfen nicht mit anderen Keimen aus der Umgebung verunreinigt sein. Wichtig sind deshalb Vorsichtsmaßnahmen bei der Gewinnung der Proben und die Aufbewahrung in geeigneten Behältnissen. Die Probe sollte außerdem schnell das untersuchende Labor erreichen, damit das Ergebnis nicht durch lange Aufbewahrungszeiten unter ungeeigneten Verhältnissen verfälscht wird. Die meisten Proben entnehmen geschulte medizinische Fachkräfte. Manche Proben können auch Patienten selbst gewinnen, zum Beispiel Stuhlproben oder den ersten morgendlichen Urin.

Welche Proben sich für den Nachweis des Krankheitserregers eignen, hängt von der Erkrankung des Patienten ab. Erreger von Infekten der Harnwege lassen sich in Urinproben finden, bei einer Hirnhautentzündung können die Keime im Nervenwasser vorhanden sein. Bei schweren Infektionen im Herz-Kreislaufsystem, wie eine Entzündung der Herzklappen, einer Blutvergiftung durch schwere Organinfektionen oder infizierte Gefäßkatheter sind die Keime eventuell im Blut zu finden. Auch der Zeitpunkt, zu dem eine Probe entnommen wird, ist von Bedeutung. So sind die Chancen für einen Nachweis von Keimen im Blut am besten, wenn das Blut kurz vor oder während eines akuten Fieberschubs abgenommen wurde.

Untersuchungsschritte im mikrobiologischen Labor: Mikroskopie, Schnelltests, Kultur

Im Labor folgen mehrere Untersuchungsschritte. Unter dem  Lichtmikroskop lässt sich die Probe bereits untersuchen, wenn sie noch  flüssig und nicht bearbeitet ist. Das ist dann ein sogenanntes  Nativpräparat.

Außerdem stellt das Laborpersonal oft getrocknete und mit verschiedenen Farbstoffen eingefärbte Präparate her (zum Beispiel Gram-Färbung und weitere Spezialfärbungen). Häufig lässt sich das Spektrum der möglichen Erreger mit Hilfe dieser Untersuchung schon erheblich eingrenzen. Die Anwesenheit von Bakterien, Pilzen und Parasiten kann der Arzt häufig bereits unter dem Lichtmikroskop erkennen. Viren sind dafür zu klein. Jedoch sind manchmal typische Veränderungen an Körperzellen in Proben sichtbar, die Hinweise auf eine bestimmte Virusinfektion geben. Das Ergebnis einer mikroskopischen Untersuchung ist häufig schon innerhalb einer Stunde verfügbar.

Relativ schnell lassen sich auch manche Bestandteile des Erregers oder bestimmte Stoffwechselprodukte wie Toxine (Giftstoffe) nachweisen. Dafür gibt es eine ganze Reihe von Labormethoden. Zum Beispiel mischt die Laborfachkraft Antikörper gegen bestimmte Bestandteile des Erregers, sogenannte Antigene, in eine Probe. Diese Antikörper sind mit sichtbaren Stoffen verbunden, beispielsweise Latexpartikeln. Binden die spezifischen Antikörper an die gesuchten Antigene, kommt es zu einer Verklumpung, die mit dem bloßen Auge sichtbar ist. Solche Schnelltests können wertvolle Hinweise geben, sind meist aber auch relativ ungenau und fehleranfällig. Am besten sind die Ergebnisse im Zusammenhang mit weiteren mikrobiologischen Untersuchungen zu verwerten.

Eine weitere Methode zum Nachweis eines Erregers ist die Anzucht in Form einer Kultur. Diese Untersuchung braucht aber Zeit. Selbst für Keime, die sich leicht züchten lassen, ist ein Ergebnis der Kultur meist erst nach Ablauf von etwa zwei Tagen zu erwarten. Langsam wachsende Keime wie die Erreger einer Tuberkulose oder Pilze brauchen häufig noch deutlich länger, unter Umständen mehrere Wochen, bis sie endgültig zu bestimmen sind. Und manche Keime sind mit den üblichen Methoden leider nicht kultivierbar. 

Kultur von Krankheitserregern (vorwiegend Bakterien und Pilze)

Bei der Kultur sollen lebende Krankheitserreger aus der Probe auf einem künstlichen Nährboden (Nährmedium) anwachsen und sich vermehren. Diese Keime kann der Arzt dann mit Hilfe weiterer Untersuchungstechniken genau bestimmen und auch ihre Empfindlichkeit gegen Medikamente (zum Beispiel Antibiotika) testen.

Die Zusammensetzung der Nährmedien spielt eine wichtige Rolle für die Diagnose des Krankheitserregers. Nährmedien enthalten Wasser, Nährstoffe, Energiequellen und Spurenelemente sowie verschiedene andere Stoffe, die ein Keim braucht, um sich vermehren zu können. Eine gelierende Substanz (Agar-Agar) verleiht dem Nährmedium Festigkeit. Die genaue Zusammensetzung ist auf die Ansprüche des gesuchten Keimes abgestimmt:

• Auf Universalmedien können die meisten Keime wachsen.
• Auf Selektivmedien können nur bestimmte Keime überleben.
• Indikatormedien sind mit Zusatzstoffen versehen, die bestimmte Keime anfärben.

Selektiv- und Indikatormedien dienen dazu, Krankheitserreger aus Proben zu identifizieren, die zusätzlich zu den Krankheitskeimen noch weitere Keime enthalten. Zum Beispiel Abstriche der Haut und der Schleimhäute beinhalten immer auch die natürliche Keimflora.

Die meisten Kulturen werden für die Dauer von etwa 48 Stunden in einem  Wärmeschrank "bebrütet". Vermutet der Arzt langsam wachsende Keime als  Krankheitserreger (beispielsweise Legionellen, Mykobakterien oder  Pilze), sind längere Bebrütungszeiten möglich, teilweise bis zu mehreren  Wochen. Auch für Blutkulturen sind längere Bebrütungszeiten üblich.

Methoden zur Identifizierung von Keimen aus Kulturen

Sind die Keime angewachsen, kann sie der Arzt anhand verschiedener Merkmale genau bestimmen. Dazu beurteilt er, wie die Kultur aussieht. Bakterien und bestimmte Pilze bilden sogenannte Kolonien. Das sind mehrere Tausend Keime, die alle von einem einzigen Keim abstammen. Manche Erreger wachsen in charakteristisch aussehenden Kolonien. In die Diagnose fließt auch mit ein, auf welchen Medien und unter welchen Bedingungen der Keim wächst. – Wächst er mit oder ohne Anwesenheit von Sauerstoff, bei welcher Temperatur und nach welcher Zeit? Außerdem untersucht der Arzt, ob die Keime bestimmte Stoffe bilden.

Bei einem Resistenztest züchtet der Laborarzt die Bakterien erneut an. Dabei verwendet er Nährmedien, denen verschiedene Antibiotika in definierter Menge beigemischt sind. So kann er sehen, welche Medikamente gegen die Keime wirksam sind und welche nicht.

Allerdings wachsen nicht alle Krankheitserreger auf künstlichen Nährmedien an. Vor allem Viren, aber auch bestimmte Bakterien, können sich nur in Zellkulturen oder gar in Versuchstieren vermehren.

Nachweis der Erbinformation von Erregern

Schon seit den 80er Jahren gibt es ein Verfahren, das bekannte Abschnitte der Erbinformation (DNA, RNA) von Keimen nachweisen kann: die sogenannte Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR). Diese PCR erlaubt es, in einer Probe vorhandene DNA oder RNA zu vermehren und mit bekannten Gensequenzen zu vergleichen. Findet man in der Probe die Erbinformation eines Keimes, deutet das auf die Infektion mit diesem Keim hin.

Die PCR benötigt deutlich weniger Zeit als die Kultur. Ärzte setzen sie deshalb bei zeitkritischen Fragen oder zum Nachweis von nicht anzüchtbaren Infektionserregern ein. Ersetzen kann sie die Kultur jedoch nicht, weil sie nicht alle Eigenschaften der Erreger erfasst: Zum Beispiel erlaubt sie nur sehr eingeschränkte Aussagen über die Empfindlichkeit gegen Antibiotika.

Virusinfektionen: Nachweis durch Antikörper im Blut

Für die Diagnose von Virusinfekten gilt die Suche nach Antikörpern im Blut des Patienten als das wichtigste Nachweisverfahren. Ein gesundes Immunsystem bildet nämlich spezifische Antikörper, wenn es mit bestimmten Bestandteilen von Erregern in Kontakt kommt. Je nachdem, ob eine Infektion frisch ist, oder schon länger zurückliegt, können unterschiedliche Arten von Antikörpern vorliegen. Wichtige Informationen kann außerdem die Zahl solcher erregerspezifischer Antikörper im Blut liefern, der sogenannte Titer. Um den Verlauf der Antwort des Immunsystems zu verfolgen, kann deshalb eine mehrfache Bestimmung von Antikörpern wichtig sein. Ein deutlicher Titer-Anstieg weist meist auf eine frische Infektion hin.

Beratender Experte: Professor Dr. rer. nat. Udo Reischl, Biochemiker und Medizinischer Fachmikrobiologe am Institut für Medizinische Mikrobiologie und Hygiene, Universitätsklinikum Regensburg (UKR)