Ulm, Univ. Diss., 2006.

Zugl.: Hamburg, Univ., Diss., 2008

Surfactin, a lipopeptide surfactant and antibiotic produced by Bacillus subtilis, exhibits a strong membrane perturbation. One of the drawbacks hindering its commercial applications is the unknown mechanism of surfactin self-resistance in the producer. Therefore, the aim of this study was to examine the self-protective mechanisms of the cytoplasmic membrane of B. subtilis against the deleterious effect of surfactin. In order to reach this task, two isogenic pairs of strains differing only in surfactin production were constructed. It was found out that the early response of the producer is realized by increasing the amount of total lipid content in the membrane already with the onset of surfactin synthesis. This process leads to lowering the surfactin-lipid ratio in the membrane. In parallel with the growing surfactin concentration the content of anionic phospholipids with cardiolipin as the major representative rises up to 24 % of the total. Together with the fall of phosphatidylethanolamine these changes promote the membrane stabilization and protect it against the interaction with surfactin. These alterations result in higher rigidity both of the polar head and hydrophobic chain region of the membrane as the steady state anisotropy of DPH and TMA-DPH showed. After 24 h of cultivation induction of...

EINLEITUNG: Die frühzeitige Erregeridentifikation bei Sepsis-Patienten ist essentiell zur Therapieoptimierung und Senkung der Letalität. Molekularbiologische Detektionsmethoden mit direktem Nachweis bakterieller oder fungaler DNA aus Vollblut stellen einen vielversprechenden Ansatz dar, mit kürzerer Zeitdauer bis zum Resultat und potentiell erhöhter Sensitivität. Beim Vergleich dieser PCR-basierten, kulturunabhängigen Verfahren mit der konventionellen Blutkultur muss streng zwischen antibiotisch vorbehandelten und antibiotisch nicht vorbehandelten Patienten unterschieden werden. METHODIK: Bei Patienten, die sich von Mai 2010 bis Dezember 2011 mit V.a. Sepsis im Zentrum für Innere Medizin einer Universitätsklinik vorstellten, wurden im Rahmen der IMPACT Sepsis Studie zusätzlich zum routinemäßigen Vorgehen 2 x 5 ml EDTA Blut für die VYOO®-PCR entnommen. In der vorliegenden Arbeit wurden die Erregernachweise der PCR mit den Ergebnissen der Blutkultur für alle antibiotisch nicht vorbehandelten Patienten hinsichtlich Detektionsrate, Time to Result und Plausibilität verglichen. Außerdem wurde die antibiotische Therapie dieser Patienten analysiert und potentielle Therapieoptimierungen durch die PCR-Ergebnisse evaluiert. ERGEBNISSE: 126 der 200 in die IMPACT Sepsis Studie eingeschlossenen Patienten waren nicht antibiotisch vorbehandelt. Ihr Durchschnittsalter betrug 66,0 ± 16,4 (MW ± SD) Jahre, der Anteil männlicher Patienten 60% und der Anteil immunsupprimierter Patienten 33%. Die durchschnittliche Krankenhaus-Liegedauer lag bei 11,9 ± 10,5 (MW ± SD) Tagen, der Anteil der Patienten mit schwerer Sepsis oder septischem Schock bei 47% und die Letalitätsrate bei 9,7%. Die durchschnittliche Latenzzeit bis zur ersten Antibiotika-Gabe betrug 4,13 ± 6,75 (MW ± SD) h bei einem Median von 2,16 h. Insgesamt wurden 26 Erreger identifiziert. In 6 Fällen wurde der Erreger von beiden Methoden identifiziert, in 15 nur von der Blutkultur und in 5 nur von der PCR. Die Detektionsraten betrugen 8,7% für die PCR und 16,7% für die Blutkultur (Fisher-Yates-Test; p=0,087; korrigiertes p=1). Die Zeitdauer bis zum Erregerresultat war bei der PCR signifikant kürzer (8,0h bzw. 40,0h; korrigiertes p<0,001). Die PCR versagte vor allem beim Nachweis von Streptokokken, während die Blutkultur mehrere, teilweise gramnegative Problemkeime nicht erfasste. Bei mindestens 4% aller Patienten, 9% der Patienten mit schweren Verlaufsformen und 45% der Patienten mit positivem PCR-Resultat hätte eine Berücksichtigung des PCR-Ergebnisses höchstwahrscheinlich zu einer Therapieoptimierung beigetragen. SCHLUSSFOLGERUNG: Die beiden untersuchten Verfahren zur Erregerdiagnostik unterschieden sich hinsichtlich der Detektionsrate nicht signifikant, eine diagnostische Überlegenheit der VYOO®-PCR gegenüber der Blutkultur konnte also nicht festgestellt werden. Als komplementäres Verfahren zusätzlich zur Blutkultur bei ausgewählten Patientengruppen eingesetzt, kann durch die PCR eine Verbesserung des therapeutischen Managements von Sepsis-Patienten erzielt werden. / Timely pathogen identification in septic patients is essential to optimize antibiotic therapy and reduce mortality. We analyzed detection rate and potential impact of the VYOO-PCR, a commercially available multiplex PCR system and compared the results with the results of blood cultures in septic patients who had no antibiotic pretreatment at a university hospital from May 2010 until December 2011. Of 126 blood samples from patients with suspected sepsis, overall 26 pathogens were detected. 6 pathogens were concordant detected by both methods, 15 by blood culture only and 5 by PCR only. Detection rates for PCR and blood culture were 8,7% and 16,7% respectively (not significant). In 4% of all patients and in 9% of patients with severe sepsis or septic shock the result of PCR would have led to an improvement of antibiotic therapy. Thus the clinical management of septic patients can be enhanced by adding a PCR-based detection method to standard blood cultures.

Synthetische anorganische Knochenersatzmaterialien auf Calcium-Phosphat- und Magnesium-Phosphat-Basis wurden in der hier vorliegenden Dissertation mit verschiedenen handelsüblichen Antibiotika versetzt und deren Freisetzungsverhalten charakterisiert. Zudem wurde der Einfluss des Antibiotikazusatzes auf bestimmte materialcharakteristische Eigenschaften untersucht, hierbei fanden die Quecksilberporosimetrie, die Röntgendiffraktometrie und die Rasterelektronenmikroskopie ihre Anwendung. Insbesondere für die Knochenersatzmaterialien auf Calcium-Phosphat-Basis sollte eine klinisch praktikable und demnach möglichst einfache Methode etabliert werden, um die Kombination mit einem Antibiotikum durchzuführen. Die Detektion der Antibiotika erfolgte mit Hilfe eines UV/VIS-Spektrophotometers. Zudem wurde für einige ausgewählte Kombinationen aus Antibiotikum und Knochenersatzmaterial durch einen Agardiffusionstest die antibakterielle Wirkung nach der Freisetzung aus dem jeweiligen Trägermaterial bestätigt. / Synthetic inorganic bone substitute materials based on calcium phosphate and magnesium phosphate were mixed with various commercially available antibiotics and their release behavior was characterized in the present dissertation. In addition, the influence of the antibiotic addition on certain material characteristic properties was investigated using mercury porosimetry, X-ray diffractometry and scanning electron microscopy. For the calcium-phosphate-based bone substitutes in particular, the aim was to establish a clinically practicable and therefore as simple as possible method for carrying out the combination with an antibiotic. Antibiotics were detected using a UV/VIS spectrophotometer. In addition, for some selected combinations of antibiotic and bone substitute material, an agar diffusion test was used to confirm the antibacterial effect after release from the respective carrier material.

Assay and impurity profiling of the pharmaceuticals are the key routine quality control methods employed worldwide for which High Performance Liquid Chromatography (HPLC) is the most widely used technique. The ability to carry out these routine laboratory procedures in low- and middle- income countries (LMICs) need the methods to be based upon simple instruments manageable with moderate levels of personnel skill and costs involved. Simple, convenient, and cost effective reverse phase HPLC methods were developed using phosphate buffer and methanol as mobile phase with C18 column as stationary phase for the impurity profiling and assay of beta lactam antibiotics. Isocratic elution and UV detection was employed in these methods. Impurity profiling method was developed for coamoxiclav tablets and ceftriaxone bulk drug. The method for ceftriaxone included a supplementary method to quantify one of its known impurity (Impurity D of ceftriaxone). This method involved use of acetonitrile where as the two main methods were achieved on the targeted method design, described above. With the exception of impurity A of ceftriaxone, the methods developed can successfully quantify impurities to the concentration as low as ≤0.05%, which is in accordance with the current guidelines for the impurity profiling of antibiotics issued by European Medicines Agency. As ensuring cost reduction was one of the key objectives of carrying out the method development exercise, in situ methods for the preparation of impurities were also identified and some new methods were introduced. The stability of beta lactam antibiotics and the choice of solvent were given due attention during the process of method development revealing information on the presence of new impurities. Deacetyl cefotaxime and 2-mercaptobenzathiazole were identified in this process as new impurities of ceftriaxone currently not listed under known impurities by United States Pharmacopoeia and European Pharmacopoeia. However, deacetyl cefotaxime is a known impurity of cefotaxime whereas the latter molecule is a degradation product of one of the synthesis impurities of ceftriaxone. This substance is reported to be carcinogenic and is resolved using the supplementary method developed for ceftriaxone, hence making its detection and quantification possible. A known inactive impurity of ceftriaxone (Impurity A, E-isomer of ceftriaxone) was` also shown to be produced by exposure to day light, thus warranting the light protection of the ceftriaxone solution, an information that is of critical importance in the clinical settings. A series of experimentation was carried out on the finished products of beta lactam antibiotics sampled from Pakistan and few other countries, to identify key quality issues in the samples. Though the limited sample size and convenient sampling did not provide results that could yield a decisive figure for the country status for prevalence of substandard and falsified medical products, but the experiments have clearly indicated that the problems in drug quality do exist and beta lactam antibiotics form a class of high-risk medicine with respect to surveillance for poor-quality medicines. Isolation of unknown impurities was also carried out along with the introduction of new and modified methods for preparation of impurities of beta-lactam antibiotics. In addition, detailed literature survey was carried out for understanding the complex problem of the poor-quality medicine, impact of poor quality antimicrobials on health care system and the magnitude of the problem at the global level. The country status of Pakistan regarding quality of medicines was recorded based upon the available documentary evidence. The current technologies and strategic options available for low- and middle-income countries in aiding fight for combating poor quality medicines was also laid down to design recommendations for Pakistan. A comprehensive review of the information technology tools used for identification and control of substandard and falsified medicines was also conducted. / Für die Bestimmung der Reinheit und des Gehaltes von Arzneistoffen wird weltweit maßgeblich die Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC) eingesetzt. Damit die entsprechenden Methoden auch in Entwicklungs- und Schwellenländern angewendet werden können, müssen sie zur Verwendung mit sehr einfachen Messgeräten geeignet sein und von auch weniger gut ausgebildetem Personal durchgeführt werden können. Zudem sollten die Kosten möglichst niedrig sein. Für die Reinheitsanalytik sowie die Bestimmung des Gehaltes von Betalaktam-Antibiotika wurden einfache, praktische und kostengünstige chromatographische Methoden unter Verwendung von Umkehrphasen entwickelt, die als mobile Phase Gemische aus Phosphatpuffern und Methanol sowie als stationäre Phase C18-Säulen verwenden. Die Methoden sind isokratisch, die Detektion erfolgt mittels UV/Vis-Spektrometer. Für Coamoxiclav-Tabletten sowie den Arzneistoff Ceftiaxon wurden Methoden zur Reinheitsprüfung entwickelt. Für die Reinheitsprüfung von Ceftriaxon wurde eine zweite Methode benötigt, um eine der bekannten Verunreinigungen (Ceftriaxon-Verunreinigung D) zu quantifizieren. Hierbei musste Acetonitril als Bestandteil der mobilen Phase gewählt werden, wohingegen die beiden Hauptmethoden dem beschriebenen Methodendesign folgten. Außer im Falle der Ceftriaxon-Verunreinigung A können mit den Methoden Verunreinigungen bis zu einem Konzentrationslevel ≤ 0,05 % bestimmt werden, was den Vorgaben aktueller Richtlinien für die Reinheitsanalytik der Europäischen Arzneimittelbehörde entspricht. Da es ein Kernziel während der Methodenentwicklung war, die Kosten für die Analytik möglichst gering zu halten, wurden in situ-Methoden für die Gewinnung von Verunreinigungen entwickelt und einige neue eingeführt. Während des Entwicklungsprozesses wurde besonders auf die Stabilität der Antibiotika und auf die Wahl des Lösungsmittels geachtet, wobei Erkenntnisse über die Anwesenheit neuer Verunreinigungen erlangt werden konnten. Desacetylcefotaxime und 2-Mercaptobenzathiazol wurden als neue Verwandte Substanzen von Ceftriaxon identifiziert und sind derzeit nicht als bekannte Verunreinigen in der United States Pharmacopoeia sowie dem Europäischen Arzneibuch aufgeführt. Desacetylcefotaxime ist eine bekannte Verunreinigung von Cefotaxime, wohingegen das zweite Molekül ein Abbauprodukt einer der Verunreinigungen ist, die während der Synthese von Ceftriaxon entstehen können. Es ist bekannt, dass diese Substanz karzinogen ist, und sie kann mit der erweiterten zweiten Methode für Ceftriaxon erfasst und quantifiziert werden. Unter Lichteinfluss bildete sich zudem eine weitere bekannte, inaktive Verunreinigung von Ceftriaxon (Verunreinigung A, E-Isomeres von Ceftriaxon), weshalb Ceftriaxon-haltige Lösungen vor Licht geschützt aufbewahrt werden sollten. Dieses Wissen ist besonders für den klinischen Bereich relevant. An einer Reihe von Betalaktam-haltigen Fertigarzneimitteln aus Pakistan und einigen anderen Ländern wurden mehrere Qualitätsuntersuchungen angestellt. Obwohl der geringe Probenumfang und die Methoden der Probensammlung kein eindeutiges Bild darüber zeichnen konnte, ob in einem bestimmten Land Arzneimittelfälschungen besonders häufig auftreten, konnte durch die Versuche dennoch festgestellt werden, dass es Probleme bei der Arzneimittelqualität gibt und dass Betalaktam-Antibiotika eine Hochrisikogruppe darstellen, die besonders gut hinsichtlich des Vorkommens minderwertiger Arzneimittel untersucht werden muss. Zudem wurden unbekannte Verunreinigungen aus den Proben isoliert und neue sowie modifizierte Methoden entwickelt, um Verunreinigungen der untersuchten Substanzen zu gewinnen. Zudem wurde eine ausführliche Literaturrecherche durchgeführt, um das komplexe Problem minderwertiger Arzneimittel, den Einfluss minderwertiger Antibiotika auf das Gesundheitssystem sowie das globale Ausmaß des Problems zu verstehen. Für Pakistan wurde der status quo der Arzneimittelqualität aufgrund vorhandener Dokumentation ermittelt. Außerdem wurde dargelegt, inwiefern die heutigen modernen Technologien und Strategien, die für Entwicklungs- und Schwellenländern zur Verfügung stehen, zur Bekämpfung von qualitativ minderwertigen Arzneimitteln in Pakistan beitragen können. Hierzu wurde eine Übersicht aktueller, moderner digitaler Techniken angefertigt, die für die Aufdeckung und Bekämpfung von minderwertigen und gefälschten Arzneimitteln verwendet werden können.

This dissertation focuses on Mip (macrophage infectivity potentiator protein) inhibitors in response to increasing antibiotic resistance. The study follows an antivirulence approach, which aims to inhibit the non-essential Mip protein without exerting too much selective pressure. Three focus areas were (1) development and synthesis of a fluorescent probe for screening Mip inhibitors via fluorescence polarization; (2) design and synthesis of broad spectrum Mip inhibitors bearing a side chain; and (3) understanding the metabolism of Mip inhibitors and identification of active metabolites. A sub-study addressed the biotinylation of anti-leishmanial compounds from Valeriana wallichii rhizomes, with three tracer molecules synthesized for future pull-down experiments. / Diese Dissertation befasst sich mit Mip-Inhibitoren (macrophage infectivity potentiator protein) als Reaktion auf zunehmende Antibiotikaresistenzen. Die Studie verfolgt einen Antivirulenz-Ansatz, der darauf abzielt, das nicht-essentielle Mip-Protein zu hemmen, ohne einen zu großen Selektionsdruck auszuüben. Drei Schwerpunkte waren (1) die Entwicklung und Synthese einer Fluoreszenzsonde für das Screening von Mip-Inhibitoren mittels Fluoreszenzpolarisation; (2) die Entwicklung und Synthese von Mip-Inhibitoren mit breitem Spektrum, welche eine Seitenkette tragen; und (3) das Verständnis des Metabolismus von Mip-Inhibitoren und die Identifizierung von aktiven Metaboliten. Eine Teilstudie befasste sich mit der Biotinylierung von Anti-Leishmanien-Verbindungen aus den Rhizomen von Valeriana wallichii, wobei drei Tracermoleküle für künftige Pull-down-Experimente synthetisiert wurden.

Die Inzidenz invasiver H. influenzae-Infektionen in Deutschland steigt seit Jahren an. Die akkurate Identifizierung und Resistenztestung dieses Erregers sind von großer klinischer und epidemiologischer Bedeutung. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit umfangreiche Untersuchungen zur Diagnostik und zur Epidemiologie von Antibiotikaresistenzen bei H. influenzae durchgeführt. Es konnte gezeigt werden, dass die in der Routinediagnostik mittlerweile weit verbreitete MALDI-TOF-MS-Diagnostik durch das VITEK MS IVD nur eingeschränkt zur sicheren Unterscheidung von H. influenzae und H. haemolyticus einsetzbar ist. H. influenzae-Isolate erkannte das System mit einer Genauigkeit von 100 %. Bei H. haemolyticus-Isolaten wurden dagegen 42 % der untersuchten Stämme fälschlicherweise als H. influenzae erkannt. Dieser Fragestellung wurde mit der bisher umfangreichsten molekularbiologisch charakterisierten Studienpopulation beider Bakterienspezies nachgegangen. Die kalkulierte antibiotische Therapie einer Sepsis oder Meningitis erfolgt häufig mit Carbapenemen, die leitliniengerechte Therapie invasiver H. influenzae-Infektionen mit Drittgenerations-Cephalosporinen. Imipenem und Cefotaxim gehören zu den Hauptvertretern dieser Gruppen. Bezüglich der Antibiotikaresistenztestung wurde erstmalig für H. influenzae herausgefunden, dass die routinemäßig verwendete Gradientenagardiffusion (GAD) bei der Testung von Cefotaxim im Vergleich zum Goldstandard Bouillon-Mikrodilution gleichwertig und bei Imipenem sogar sensitiver in der Detektion von Heteroresistenzen ist. Die Epidemiologie dieser Resistenzen wurde in dieser Arbeit erstmalig für Deutschland systematisch erfasst, indem alle verfügbaren invasiven Isolate gemeldeter H. influenzae-Infektionen der Jahre 2016 (Imipenem) beziehungsweise 2016-2019 (Cefotaxim) untersucht wurden. Es wurde eine hohe Prävalenz einer Imipenem-Resistenz von 13,5 % festgestellt. Die Prävalenz einer Cefotaxim-Resistenz lag bei 0,9 %. Zur molekularen Typisierung wurde bei den Imipenem-resistenten Isolaten eine Multilocus-Sequenztypisierung, bei den Cefotaxim-resistenten Stämmen eine Sequenzierung des vollständigen Genoms durchgeführt. Hierbei wurde eine hohe genetische Diversität der Stämme festgestellt, was die Schlussfolgerung zulässt, dass resistente Mutanten sporadisch entstehen. Die Untersuchung möglicher spatio-temporaler Cluster führte zum Nachweis einer sehr selten vorkommenden Übertragung eines Imipenem-resistenten Stamms. Durch die Sequenzierung von Resistenzgenen wurde die Epidemiologie und Relevanz bekannter Aminosäuresubstitutionen beleuchtet. Unter anderem wurde für die PBP3-Substitutionen L389F und Y557H eine hochsignifikante Korrelation mit dem Auftreten von Cefotaxim-Resistenzen nachgewiesen. Die gewonnenen Genomdaten bieten die Grundlage für die Forschung an weiteren Antibiotikaresistenzdeterminanten von H. influenzae. / Haemophilus influenzae is a fastidious, facultative anaerobic, Gram-negative bacillus that colonizes the respiratory tract and can cause respiratory and invasive infection such as meningitis and sepsis. Invasive H. influenzae infections are potentially life-threatening and incidence rates have been increasing for years. Therefore, fast and accurate diagnostics, reliable testing of antibiotic resistance and a successful antibiotic treatment is of great importance. Therefore, the objective of the first part of this thesis was to evaluate the diagnostic and discriminative potential of the MALDI-TOF-MS system VITEK® MS regarding H. influenzae and H. haemolyticus. H. influenzae can cause invasive infections, whereas H. haemolyticus is mostly apathogenic. The system showed excellent accuracy for the identification of H. influenzae isolates, as 100 % of the 236 isolates were correctly identified. When testing 50 H. haemolyticus strains, however, the system showed significant limitations, since 42 % of these strains were misidentified as H. influenzae. According to the current German guidelines for the treatment of sepsis and meningitis, treatment of invasive H. influenzae infections is carried out using carbapenems, such as imipenem, or third-generation cephalosporins, such as cefotaxime. Therefore, the prevalence of antibiotic resistances to these substances was investigated and possible resistance mechanisms were examined. The two antibiotic susceptibility testing methods Gradient agar diffusion (GAD) and broth microdilution (BMD) were compared. As a result, for the determination of the cefotaxime MIC, the two methods showed an excellent correlation, whereas for imipenem there were significant differences in the measured MIC values. Since strains tested by GAD often showed double or fuzzy inhibition zones, heteroresistances may be more apparent using this method and GAD may be more sensitive at detecting imipenem resistance. The prevalence of imipenem resistance was determined for the year 2016. The analysis of 474 different invasive isolates showed a high prevalence of 5.5 %. If including all resistant isolates according to GAD, the prevalence would be even as high as 13.5 %. MLST was performed on all isolates to investigate the genetic relationship. As a result, however, some sequence types were observed more frequently, it revealed a significant diversity. Both the analysis of ftsI and acrR showed previously described amino acid substitutions. Cefotaxime resistance was investigated for all 2432 invasive H. influenzae for the years 2016-2019. The low prevalence of 0.9 % shows that cefotaxime is still well suited for the treatment of invasive H. influenzae infections. For the investigation of the genetic relationship and possible causes of cefotaxime resistance whole genome sequencing (WGS) was performed on all resistant isolates. The strains showed high genetic diversity and the geographic analysis also showed that the resistant strains were evenly spread throughout the population in Germany. This led to the conclusion that cefotaxime resistance is more likely caused by sporadic mutation events rather than by specific clones spreading in certain areas. The analysis of the ftsI gene showed that the amino acid substitutions L389F and Y557H are significantly associated with elevated cefotaxime MICs. This dissertation provides comprehensive data regarding diagnostics, antimicrobial susceptibility testing and the epidemiology of antibiotic resistances of invasive H. influenzae. It could be shown that the VITEK MS IVD, although established in the routine diagnostics, can only be used to a limited extent for reliably differentiating H. influenzae and H. haemolyticus isolates. Regarding antibiotic susceptibility testing, it was found that GAD showed similar results compared to the gold standard BMD when testing cefotaxime. When testing imipenem, this method was even more sensitive in detecting heteroresistances compared to the gold standard. For the first time, the epidemiology of antibiotic resistance against cefotaxime and imipenem was carried out using a large set of precisely defined invasive H. influenzae isolates to obtain representative data for the prevalence of imipenem and cefotaxime resistance in Germany. By investigating amino acid substitutions in the ftsI and acrR gene the epidemiology and relevance of these substitutions could be shown. A well-founded statement on the relationship of the resistant strains could be made using the state-of-the-art typing methods MLST and whole genome sequencing. The genome data also offers the possibility of examining other genes of these strains in more detail.

Thesis (doctoral)--Universität, Würzburg, 2001.

Universiẗat, Diss., 2004--Bonn.