Bakterien besiedeln alle Ökosysteme der Erde und verfügen dank der Evolution seit ca. 4,5 Mrd. Jahren über ein enormes Spektrum an Anpassungsfähigkeiten gegenüber (fast) allen Herausforderungen. Dazu zählen veränderte Umweltbedingungen, aber auch Antibiotika oder Chemotherapeutika. Als Ergebnis des therapeutischen Antibiotika-Einsatzes treten zwangsläufig Resistenzen auf und resistente Bakterien werden durch die weitere Nutzung klassischer Antibiotika selektiert. Das ist Evolution! Um trotzdem der Resistenzentwicklung entgegenzutreten oder resistenten Erregern eine weitere Vermehrung zu erschweren und damit therapeutisch agieren zu können, muss man die zugrunde liegenden Resistenzmechanismen kennen. Neben den häufig genannten Mechanismen, wie Veränderung der bakteriellen Zielstruktur, der Induktion von Antibiotika-abbauenden bzw. -modifizierenden Enzymen, der Aktivierung von Antibiotika-Efflux-Pumpen oder Veränderungen der Bakterienzellwand und -membran, um das Eindringen der Antibiotika zu verhindern, rückt das Quorum Sensing als weiterer Mechanismus in den Fokus der Resistenz-Forschung.

Quorum Sensing als bakterielle Kommunikation zur Bildung von Biofilmen

Bakterien kommunizieren untereinander zum gegenseitigen Vorteil und bilden quasi „Gesellschaften“, um sich gegen feindliche Angriffe zu wehren und ihr eigenes Überleben zu sichern. Diese Kommunikation erfolgt über chemische Signalstoffe und wird als Quorum Sensing (QS) bezeichnet. Wie man heute weiß, ist diese Kommunikation innerhalb von Bakteriengemeinschaften keine Ausnahmeerscheinung, sondern die Regel. Abhängig von der lokalen Besiedlungsdichte kommt es zur Produktion sowie Freisetzung von Signalstoffen, die als Autoinduktoren wirken. Das sind bei gramnegativen Bakterien z. B. organische Stoffwechselprodukte wie N-Acyl- bzw. Aryl-Homoserinlakton und bei grampositiven Bakterien kleine Peptide. In vielen pathogenen Bakterien bewirken diese Autoinduktoren das Ablesen der Gene für Giftstoffe (Toxine) und andere Virulenzfaktoren.

Mithilfe solcher Mechanismen steuert beispielsweise Pseudomonas aeruginosa den Übergang vom Wachstum als Einzelbakterium hin zur Bildung von Bakteriengesellschaften und damit die Produktion eines Biofilms. Dieser Prozess ist verbunden mit der Bildung und Sekretion von extrazellulären Polymeren, die eine Matrix aus Exopolysacchariden, Proteinen, Nukleinsäuren, Metallionen und Wasser darstellen. Diese negativ geladene Matrix, die an der Zelloberfläche von Schleimhäuten oder auch an der Oberfläche von Metallen, Plastik, Beton oder Holz haftet, begünstigt die Bildung von stabilen mikrobiellen Gemeinschaften und der dreidimensionalen Struktur des Biofilms. Gleichzeitig schützt sie die im Inneren befindlichen Mikroorganismen vor Angriffen von außen, wie der angeborenen Immunabwehr in Organismen, Strahlung, Antibiotika-Behandlung und anderen schädlichen biogenen und physikalischen Einflüssen.

Der Vorteil für solche Bakteriengesellschaften und deren Überleben ist offensichtlich. Betrachtet man nun aber die Lebewesen, deren Schleimhäute als Biofilm-Biotop für Mikroorganismen-Gesellschaften genutzt werden, so sind Biofilme für den Wirt allerdings fatal und führen zum Verlust der Wirksamkeit von Antibiotika, wenn nicht am Ende zum Tod des Wirtes. Es liegt also auf der Hand, dass diese Biofilmbildung und damit die Kommunikation innerhalb von Bakteriengesellschaften unterbunden oder zumindest gestört werden muss, um das Wachstum und die Bildung von Bakteriengemeinschaften zu hemmen.

Inhibitoren des Quorum Sensings als therapeutische Option

Ausgehend von der Grundlagenforschung über die Mechanismen des QS werden neue Antibiotika entwickelt, die Bakterien nicht wie bisher abtöten oder am individuellen Wachstum hindern, sondern subtil in ihre Kommunikation eingreifen. Die Wirkung solcher QS-Inhibitoren ist nicht mit der eines bakteriziden oder bakteriostatischen Antibiotikums zu vergleichen, aber sie kann der Immunabwehr des Körpers den entscheidenden Vorteil verleihen, um eine Infektion vor einer gefährlichen Biofilmbildung zu beenden [1].

Betrachtet man diese Zusammenhänge unter allgemeinen biologischen Gesichtspunkten, dann wird offensichtlich, dass auch Pflanzen als Beteiligte im evolutionären Wettstreit über Mittel verfügen sollten, die die Bakterien-Kommunikation hemmen. Die Kohlenhydrate, Fette oder Eiweiße pflanzlicher Organe oder Samen sind ebenso energiereiche Substrate wie es menschliches Blut, der Darminhalt oder tierische Gewebe sind.

Bestimmte pflanzliche Sekundärstoffe sollten daher als evolutionäre Antwort auf die bakteriellen Herausforderungen in der Lage sein, auch das QS und die Biofilmbildung zu unterdrücken. Dabei spielen ätherische Öle eine interessante Rolle, denn sie sind durch ihre chemischen Eigenschaften in der Lage, in Biofilme einzudringen und die bakterielle Kommunikation bzw. das QS zu beeinflussen.

Ätherische Öle als duale Hemmer des Quorum Sensings und der Biofilmbildung

Untersuchungen zum Einfluss von ätherischen Ölen auf das Quorum Sensing werden häufig an Bakterienmodellen durchgeführt, wie z. B. mit Chromobacterium violaceum, ein gramnegativer Coccobacillus, der schwerwiegende Infektionen induzieren kann und gegen viele Antibiotika resistent ist. Da man bei diesem Erreger den genauen Mechanismus des QS bis hin zur Biofilmbildung kennt, hat man eine Reihe ätherischer Öle diesbezüglich genauer untersucht. Insbesondere Nelkenöl (Syzygium aromaticum), Zimtöl (Cinnamomum verum) und Pfefferminzöl (Mentha × piperita) hemmen das QS und damit die Biofilmbildung, wobei Nelkenöl am effektivsten ist. Obwohl die antimikrobielle Aktivität dieser Öle lange bekannt ist, konnte mit dem spezifischen Angriff auf das QS ein neuer Wirkmechanismus aufgezeigt werden, der offensichtlich für die Antibiofilm-Aktivität dieser ätherischen Öle verantwortlich ist [2]. Pathogene Mikroorganismen, die problematische Biofilmbildner sind und deren QS durch ätherische Öle gestört werden kann, sind u. a. Pseudomonas aeruginosa, Burkholderia cepacia, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus und Candida albicans.

In [Tab. 1] sind einige ausgewählte Drogen und ihre ätherischen Öle mit einigen Hauptkomponenten aufgeführt, die das QS und nachfolgend die Biofilmbildung spezieller Erreger beeinflussen. Dabei handelt es sich um Drogen, die vielfältig in der traditionellen europäischen Medizin eingesetzt werden und deren antimikrobielle Wirksamkeit lange bekannt ist. Bemerkenswert ist dabei, dass die für die Beeinflussung des QS notwendigen Konzentrationen häufig geringer sind als die minimalen Hemmkonzentrationen für den antibakteriellen Effekt. Daraus lässt sich ableiten, dass andere Angriffspunkte angesprochen werden als die für die Wachstumshemmung verantwortlichen Mechanismen. Besonders aktive Ätherisch-Öl-Komponenten sind dabei Zimtaldehyd, Eugenol, Citronellal und Carvacrol [3], das sind einfach strukturierte Monoterpene und Phenylpropanderivate, die von vielen Ätherisch-Öl-Pflanzen gebildet werden.

Molekulare Mechanismen der Hemmung von Quorum Sensing und Biofilmbildung

Zwei Mechanismen spielen auf molekularer Ebene zur Unterbrechung der bakteriellen Kommunikation im Sinne des QS eine besondere Rolle:

1. Hemmung der Synthese von QS-Signalmolekülen und
2. Inaktivierung von QS-Signalrezeptoren und dadurch Hemmung der Expression von Virulenzgenen, die für das kooperative Verhalten der Bakterien zum Aufbau einer Bakteriengesellschaft, d. h. eines Biofilms essenziell sind.

Einige Komponenten ätherischer Öle zeigen strukturelle Ähnlichkeiten zu Signalmolekülen, die Bakterien für die Aktivierung des QS nutzen bzw. binden an die QS-Signalrezeptoren. Damit kommt es zur Hemmung der QS-Signalkaskade und die zur Biofilmbildung notwendigen bakteriellen Faktoren werden nicht mehr produziert. Besonders aktiv ist in diesem Zusammenhang Zimtaldehyd, die Hauptkomponente des Zimtöls, der irreversibel an Proteine der QS-Signalkaskade bindet und damit eine Biofilmbildung unterbricht bzw. Bakterien existierender Biofilme schädigt [4]. Auch eine direkte Bindung von phenolischen Komponenten ätherischer Öle wie Eugenol aus ätherischem Nelkenöl (Syzygium aromaticum), Carvacrol und Thymol aus ätherischem Thymianöl (Thymus vulgaris) bzw. Oreganoöl (Origanum vulgare) an die QS-Signalrezeptoren konnte gezeigt werden und erklärt damit den Mechanismus der Anti-QS-Aktivität dieser ätherischen Öle [5].

Darüber hinaus können ätherische Öle in zwei Schritten die Etablierung des Biofilms auch auf andere Weise hemmen:

1. Hemmung der initialen Anheftung von einzelnen Bakterien an eine Oberfläche
2. Blockierung der Ausbildung von Biofilmstrukturen durch Hemmung der Bildung von extrazellulären Polymersubstraten, die die Bakterien zur Ausbildung ihrer Gemeinschaft als gemeinsames Substrat benötigen.

Sobald der Biofilm etabliert ist, wird seine Beseitigung schwierig und erfordert das mechanische Entfernen sowie das Aufbrechen mit chemischen Mitteln, da sich die Bakterien in einem reifen Biofilm irreversibel angeheftet haben bzw. untereinander adhäriert sind. Damit ist die Zerstörung eines etablierten Biofilms ein komplexer Vorgang, der zumeist drastische Bedingungen verlangt und damit auch gewebsschädigend ist. Insofern ist die Hemmung des QS und damit der initialen Biofilmbildung eine besser verträgliche Alternative. Allerdings können bestimmte ätherische Öle auch einen etablierten Biofilm angreifen und die beteiligten Mikroorganismen irreversibel schädigen. Dazu werden aber hohe Konzentrationen entsprechender ätherischer Öle benötigt [3].

Fasst man die gegenwärtigen Kenntnisse zur Wirkung von ätherischen Ölen auf das QS und die Biofilmbildung zusammen, dann sind die beiden wichtigsten Wirkungsmechanismen die Hemmung der Synthese von QS-Signalmolekülen und die Inaktivierung von QS-Signalrezeptoren.

Praktische Anwendung

Dentalhygiene

Zubereitungen mit ätherischen Ölen, die zur Verhinderung bzw. Entfernung von Biofilmen eingesetzt werden, sind in einigen klinischen Studien bereits getestet worden. Insbesondere im Mund- und Rachenbereich kommen Spüllösungen zum Einsatz, die zur Verhinderung von Plaques und Karies beitragen [6] bzw. spezielle Zubereitungen mit Zimtextrakt und -öl zur Behandlung von Karies, Zahnfleischentzündungen oder Candidose [7]. Gerade die Karies ist eine typische Biofilm-assoziierte Erkrankung, ausgelöst durch Streptococcus mutans. Bei mangelhafter Mundhygiene werden Plaques auf der Zahnoberfläche gebildet, d. h. ein Biofilm, unter dessen Schutz die Bakterien Säuren produzieren, die den Zahnschmelz schädigen. Insbesondere die ätherischen Öle von Koriander (Coriandrum sativum), Rosmarin (Rosmarinus officinalis) und Thymian (Thymus vulgaris) sind hier zu nennen, die neben der Wirksamkeit gegen bakterielle Biofilme auch solche von Pilzen, wie Candida, bekämpfen.

Lebensmittelindustrie

In der Lebensmittelherstellung spielen Biofilme ebenso eine Rolle. Unter dem Aspekt der verlängerten Haltbarkeit und der Nutzung sicherer Konservierungsmittel finden ätherische Öle hier auch ihren Einsatz. Untersuchungen haben gezeigt, dass die in großen Mengen bei der Herstellung von Grapefruitsaft anfallenden ätherischen Öle bereits in Konzentrationen von ca. 0,1 mg / ml die Biofilmbildung von Pseudomonas aeruginosa effizient um mehr als 50% hemmen, wobei dafür die Unterdrückung der Bildung von Virulenzfaktoren verantwortlich ist [8]. Pseudomonas-aeruginosa-Biofilme stellen ein Problem der Lebensmittelsicherheit dar, insbesondere durch belastete industrielle Herstellungsanlagen. Dadurch werden über das Trinkwasser Fleisch, Fertiggerichte, aber auch pflanzliche Nahrungsmittel kontaminiert. Es gibt aktuelle Untersuchungen, durch den Zusatz von ätherischen Ölen, die das QS stören, die Keimbelastung von Nahrungsmitteln zu reduzieren und damit deren Haltbarkeit zu verlängern. Dabei werden u. a. die ätherischen Öle von Oregano (Origanum vulgare), Thymian (Thymus vulgaris), Salbei (Salvia officinalis), Schopflavendel (Lavandula stoechas), Rosmarin (Rosmarinus officinalis), Kümmel (Carum carvi) oder Mandarine (Citrus reticulata) eingesetzt [9].

Resümee

Einige ätherische Öle und ihre Komponenten zeigen neben einer direkten antimikrobiellen Aktivität auch Hemmwirkungen auf bakterielle Kommunikationssysteme und können damit zusätzlich die Ausbildung von Biofilmen unterbinden. Diese Effekte verweisen auf die Koevolution von Bakterien und Pflanzen. Die Nutzung entsprechender ätherischer Öle zur Hemmung des QS basiert auf wissenschaftlicher Grundlage und bietet eine nebenwirkungsarme Alternative zum ungezielten Einsatz von Antibiotika oder synthetischen Konservierungsstoffen. Da bisher erst ein überschaubarer Teil der existierenden ätherischen Öle aus aller Welt bezüglich ihrer Anti-QS-Aktivität untersucht worden ist, können auf diesem Gebiet noch neue Erkenntnisse gewonnen werden, die sicher schneller zum Einsatz kommen können als die Entwicklung und Zulassung neuer Antibiotika. Die variable Zusammensetzung von Ätherisch-Öl-Mischungen aus bekannten Komponenten mit Anti-QS-Aktivität eröffnen ein weiteres Forschungsfeld, das Wirkungsverstärkung durch synergistische Effekte verspricht. Hier sollte nicht nur die Anwendung am Menschen betrachtet werden, auch in der Veterinärmedizin und Lebensmittelindustrie eröffnet die Nutzung von ätherischen Ölen als QS- und Biofilm-Hemmer eine ernstzunehmende Alternative zu Antibiotika – nachhaltig und biologisch verträglich.

Hinweis: Erstveröffentlichung in „FORUM – Fachzeitschrift für Aromatherapie, Aromapflege, Aromakultur“ Nr. 59.