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Tierärztliche Hochschule Hannover
Institut für Biometrie, Epidemiologie und Informationsverarbeitung
Übergreifende Datenanalysen zum Vorkommen von Zoonoseerregern
bei Tieren, Lebensmitteln und Menschen
unter Einbeziehung von epidemiologischen Faktoren
sowie phäno- und genotypischen Isolateigenschaften
INAUGURAL – DISSERTATION
zur Erlangung des Grades einer Doktorin
der Naturwissenschaften
- Doctor rerum naturalium -
( Dr. rer.nat. )
vorgelegt von
Katja Hille
aus Köthen
Hannover 2017
ii Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Wissenschaftliche Betreuung:: Prof. Dr. L. Kreienbrock,
1. Gutachter: Prof. Dr. L. Kreienbrock
Institut für Biometrie, Epidemiologie und Informationsverarbeitung
Prof. Dr. Thomas Blaha
Außenstelle für Epidemiologie (Bakum)
Tierärztliche Hochschule Hannover
2. Gutachter: Prof. Dr. Uwe Rösler
Institut für Tier- und Umwelthygiene, Fachbereich Veterinärmedizin,
Freie Universität Berlin
Tag der mündlichen Prüfung: 24. Mai 2017
Meiner Oma Elly Schuster
"Nach dem Philosophen Ly Schwatzmaul findet man
immer dort besonders viel Chaos, wo man nach
Ordnung sucht. Das Chaos besiegt die Ordnung,
weil es besser organisiert ist." –
Terry Pratchett, Echt zauberhaft
Deutsch von Andreas Brandhorst.
Inhaltsverzeichnis v
Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis ................................................................................................................... v
Abkürzungsverzeichnis ........................................................................................................ vii
Einleitung .................................................................................................................. 1 1
1.1 Methoden der übergreifenden Beurteilung von Studienergebnissen ........................ 2
1.2 Möglichkeiten der Charakterisierung von Isolaten ................................................... 4
1.3 Aufbau der Arbeit...................................................................................................... 5
Publikationen ............................................................................................................ 9 2
2.1 Publikation I .............................................................................................................. 9
2.2 Publikation II ........................................................................................................... 19
Übergreifende Diskussion ...................................................................................... 21 3
3.1 Prävalenzen ESBL-produzierender E. coli in menschlichen und tierischen
Populationen ............................................................................................................ 21
3.2 Vorkommen bestimmter Isolateigenschaften .......................................................... 25
3.2.1 Phylogruppen .......................................................................................................... 25
3.2.2 Sequenztypen .......................................................................................................... 26
3.2.3 Phänotypische Resistenzen ..................................................................................... 27
3.2.4 ESBL-Gene ............................................................................................................. 28
3.2.5 Plasmidtypen ........................................................................................................... 31
3.2.6 Bedeutung der Isolateigenschaften.......................................................................... 32
3.3 Diskussion der Relevanz verschiedener Transmissionswege ................................. 32
3.3.1 Direkte Übertragung zwischen Menschen und Nutztieren ..................................... 34
3.3.2 Indirekte Übertragung zwischen Menschen und Nutztieren über Lebensmittel ..... 35
3.3.3 Weitere Quellen für ESBL-produzierende Enterobacteriaceae ............................. 36
3.4 Definition relevanter Informationen für populationsübergreifende Analysen ........ 39
3.4.1 Erfassung phäno- und genotypischer Isolateigenschaften ...................................... 39
3.4.2 Epidemiologische Information zur Transmission ................................................... 40
3.4.3 Beschreibung der Erfassungstabelle zur strukturierten Extraktion von Daten aus
publizierten Studien................................................................................................. 42
3.5 Fazit und abschließende Bemerkungen ................................................................... 46
Zusammenfassung .................................................................................................. 49 4
Summary ................................................................................................................. 51 1
vi Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Literaturverzeichnis ............................................................................................... 53 2
Anhang .................................................................................................................................. 65
A.1 Sequenztypen .......................................................................................................... 65
A.2 Beschreibung der Felder zur Extraktion von Daten aus publizierten Studien ........ 68
A.2.1 Verwendete Auswahllisten ..................................................................................... 71
A.2.2 Mehrfachauswahl in MS Excel ............................................................................... 76
Danksagung........................................................................................................................... 78
Inhaltsverzeichnis vii
Abkürzungsverzeichnis
BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung
CAZ Ceftazidim
CLSI Clinical and Laboratory Standards Institute
CTX Cefotaxim
E. coli Escherichia coli
EbVM Evidenz basierte Veterinärmedizin
ECDC European Centre for Disease Prevention and Control
EFSA European Food Safety Authority
EMA European Medicines Agency
ESBL Extended-Spektrum beta-Laktamase
EUCAST European Committee on Antimicrobial Susceptibility Testing
MHK Minimale Hemmkonzentration
MLST Multilocus sequence typing
MRSA Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus
pAmpCs plasmidkodierte Cephamycinasen
PFGE Puls-Feld-Gelelektrophorese
RESET ESBL und (Fluoro)Quinolon-RESistenz in EnTerobacteriaceae
RCVS Royal College of Veterinary Surgeons
WHO World Health Organisation
WGS Whole Genome Sequencing
1 Einleitung 1
Einleitung 1
Das Spektrum der Erreger, die zwischen Mensch und Tier übertragbar sind, den sogenann-
ten zoonotischen Erregern, umfasst sehr unterschiedliche Organismen einschließlich Viren,
Bakterien und Parasiten. Innerhalb dieses Spektrums haben in den letzten 20 Jahren antibio-
tikaresistente Bakterien eine besondere Relevanz für die menschliche Gesundheit erlangt.
Bereits Alexander Fleming warnte vor der Selektion Penicillin-resistenter Bakterien durch
den Einsatz von Antibiotika. Das Bulletin der Weltgesundheitsorganisation (WHO) berich-
tete schon 1963 vom Risiko der Resistenzentstehung (Manten, 1963).
Seit einigen Jahren ist das Thema antimikrobieller Resistenzen auch Gegenstand der öffent-
lichen und politischen Diskussion. Im Januar 2015 wurde der erste gemeinsame Bericht des
"European Centre for Disease Prevention and Control" (ECDC), der "European Food Safety
Authority" (EFSA) und der "European Medicines Agency" (EMA) zum Verbrauch von an-
timikrobiellen Substanzen und dem Auftreten von Antibiotikaresistenzen in Bakterien von
Tieren und Menschen veröffentlicht (ECDC/EFSA/EMA, 2015). Die darin durchgeführten
Analysen bestätigen den generellen Zusammenhang zwischen dem Antibiotikaeinsatz und
dem Auftreten von antimikrobiellen Resistenzen (ECDC/EFSA/EMA, 2015). Zudem wird
in dem Bericht darauf hingewiesen, dass die Datenlage für eine fundierte Abschätzung des
Risikos für den Einfluss von Resistenzen in der Tierproduktion auf die menschliche Ge-
sundheit weiterhin unzureichend ist.
Die Förderung weiterer Forschung zur Verbreitung von Resistenzen und möglichen Trans-
missionswegen ist auch wesentlicher Bestandteil der "Deutschen Antibiotika-
Resistenzstrategie" (DART 2020, Die Bundesregierung, 2011, 2015) und des "Global Ac-
tion Plan on Antimicrobial Resistance" der "World Health Organisation" (WHO, 2015). Im
Zuge dieser Initiativen wurde im Jahr 2010 der interdisziplinäre Forschungsverbund
RESET, gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), ge-
gründet.
Im Rahmen dieses Forschungsverbundes werden Erkenntnisse zur Epidemiologie, Moleku-
largenetik und Pharmakologie resistenter Bakterien gewonnen, die in ein Konzept zur Risi-
kobewertung einfließen sollen (www.reset-verbund.de). Dabei konzentrieren sich die Akti-
vitäten des Verbundes auf Escherichia (E.) coli, die Extended-Spektrum beta-Laktamasen
(ESBLs) und plasmidkodierte Cephamycinasen (pAmpCs) produzieren. Bei E. coli handelt
es sich sowohl um einen Erreger von Zoonosen als auch um einen Vertreter der Entereobac-
teriaceae, der weltweit als ein Indikator für das Auftreten von antimikrobiellen Resistenzen
2 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
angesehen wird. Bakterien, die ESBL/AmpC-Gene besitzen, können Penicilline mit erwei-
tertem Wirkspektrum bis hin zu Cephalosporinen der dritten und vierten Generation und
Monobactame hydrolysieren und sind dadurch gegen diese Antibiotika resistent. Zu Beginn
des 21. Jahrhunderts nahm der Einsatz von Cephalosporinen der dritten und vierten Genera-
tion in der Tierproduktion zu und damit auch das Auftreten von entsprechenden Resistenzen
(ECDC, 2011). Bereits Aarestrup et al. (2008) und andere Experten wiesen auf potentielle
Risiken Cephalosporin-resistenter Bakterien sowohl für die menschliche, als auch für die
tierische Gesundheit hin.
Die derzeit zum Thema publizierten Untersuchungen können - aus epidemiologischer
Sicht - in zwei Arten von Studien unterschieden werden. Beobachtungsstudien, die eine
definierte Studienpopulation, also eine bestimmte Anzahl von Betrieben oder Tieren, unter-
suchen, stellen eine erste Gruppe von Untersuchungen dar. Aus den Ergebnissen derartiger
Studien kann in Abhängigkeit vom Studiendesign in der Regel eine Prävalenz zum Vor-
kommen resistenter Bakterien abgeleitet werden. Dies gilt z. B. bei Querschnittsstudien oder
Surveys, bei denen die Untersuchungspopulation zufällig aus einer interessierenden Zielpo-
pulation entnommen wird. Eine zweite Gruppe von Untersuchungen bilden Studien, die
einen (beliebigen) Pool von Isolaten analysieren. Dabei kann häufig nicht angegeben wer-
den, wie viele Tiere oder Betriebe ursprünglich beprobt wurden und nach welchen Kriterien
diese Probenentnahme stattgefunden hat. Beispiele hierfür sind Untersuchungen von Samm-
lungen klinischer Isolate oder Einsendungen an Labore, bei denen durch die Art der Akqui-
se der Isolate die zu Grunde liegende Gesamtheit nicht charakterisiert werden kann. Daher
sind auf Grundlagen dieser Untersuchungen Angaben von Prävalenzen meist nicht möglich.
Sie können jedoch wichtige Ergebnisse zu spezifischen Eigenschaften der ausgewählten
Isolate liefern.
1.1 Methoden der übergreifenden Beurteilung von Studienergebnissen
Jedes Jahr gibt es eine große Zahl neuer wissenschaftlicher Veröffentlichungen zum Thema
ESBL-produzierende Enterobacteriaceae. Um einen Überblick zum Kenntnisstand zu ei-
nem Themenbereich bzw. einer Fragestellung zu bekommen, ist es sinnvoll, die Ergebnisse
publizierter Studien zusammenzufassen. Solche Zusammenfassungen des vorhandenen Wis-
sens bilden auch ein Grundprinzip der Evidenz basierten (Veterinär-) Medizin (Eb(V)M;
Cockcroft und Holmes, 2008). In der Humanmedizin ist das Konzept der Evidenz basierten
Medizin seit Ende des 20. Jahrhunderts etabliert (Shah und Chung, 2009).
1 Einleitung 3
Dort werden in erster Linie die Ergebnisse von relativ gut standardisierten klinischen- bzw.
Interventionsstudien zusammengefasst. Bei veterinärepidemiologischen Untersuchungen
handelt es sich bislang jedoch meist um weniger standardisierte Beobachtungsstudien, deren
Heterogenität in den Studiendesigns und der Art und Weise der Ergebnispräsentation, eine
Zusammenfassung der Ergebnisse erschweren. Daher hat die EbM lange keinen Eingang in
die Veterinärmedizin gefunden. Dies hat sich in den letzten Jahren, unter anderem durch
Aktivitäten des "Royal College of Veterinary Surgeons (RCVS) Knowledge"
(http://knowledge.rcvs.org.uk/home/), jedoch geändert. Zur Zusammenfassung von Studien-
ergebnissen im Sinne der Eb(V)M stehen im Wesentlichen vier Methoden zur Verfügung:
narrative Revies, systematisches Reviews, Metaanalysen und gepoolte Analysen.
Das narrative Review gibt einen ersten Überblick über vorhandene wissenschaftliche Er-
gebnisse. Es werden die Ergebnisse publizierter Studien beschrieben und diskutiert. Die
Auswahl der eingeschlossenen Studien erfolgt nach deren Verfügbarkeit und der persönli-
chen Beurteilung des Autors des Reviews. Dem narrativen Review muss keine systemati-
sche Such- und Auswahlstrategie zugrunde liegen. Diese (subjektive) Auswahl von Studien
kann daher zu einer verzerrten Darstellung von Ergebnissen, einem Selektionsbias führen
(Green et al., 2006).
Wenn es etwa um die klinische Entscheidungsfindung zur Behandlung von Patienten geht,
wird daher die Erstellung eines systematischen Reviews empfohlen. Ziel eines systemati-
schen Reviews ist es, alle zu einer Fragestellung verfügbaren Ergebnisse zusammenzufassen
(Waters et al., 2003). Hierzu wird zuerst eine genaue Fragestellung definiert und eine Such-
strategie entwickelt, die alle für die Fragestellung relevanten Begriffe umfasst. Die Suche
soll möglichst mehrere Literaturdatenbanken sowie weitere Quellen, z. B. Studienregister,
einbeziehen, um alle relevanten Studien zu identifizieren. Anschließend erfolgt die Auswahl
der Studien anhand definierter Ein- und Ausschlusskriterien. Um ein möglichst objektives
Vorgehen zu gewährleisten, sollte diese Auswahl unabhängig von mindestens zwei Perso-
nen oder Gruppen durchgeführt werden. Sämtliche recherchierten Ergebnisse werden dann
gemeinsam beurteilt.
Wenn nach der Auswahl der Studien innerhalb eines systematischen Reviews konkrete Da-
ten bzw. Ergebnisse in einem gleichen Format extrahiert werden können, ist dies eine Vo-
raussetzung für die quantitative Zusammenfassung von Ergebnisse im Rahmen einer soge-
nannten Metaanalyse. Dazu müssen jedoch bestimmte Kriterien, die Heterogenität der ur-
sprünglichen Studien und Daten betreffend, erfüllt sein (Higgins et al., 2011).
4 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Die große Heterogenität bei der Durchführung, Datenerfassung und Analyse von Beobach-
tungsstudien erschwert häufig die übergreifende Beurteilung von Untersuchungen.
Eine weitere Möglichkeit der übergreifenden Auswertung von Studienergebnissen stellt die
gepoolte Analyse dar (Friedenreich, 1993). Dabei werden die Rohdaten vorangegangener
Studien genutzt, um auf der Ebene individueller Datensätze einen neuen, kombinierten Da-
tensatz zu erhalten. Da gepoolte Analysen nur bei Studien mit harmonisiertem Studiende-
sign durchgeführt werden können, findet diese Methode, insbesondere in der Veterinärepi-
demiologie, nur selten Anwendung.
1.2 Möglichkeiten der Charakterisierung von Isolaten
Ein wesentliches Ziel der populationsübergreifenden Betrachtung von Studien zu ESBL-
produzierenden Enterobacteriaceae ist neben der Beschreibung von Prävalenzen auch die
Aufklärung von Transmissionswegen zwischen Menschen und Tieren. Um diese Transmis-
sionswege zu untersuchen, ist die Kenntnis der spezifischen Isolateigenschaften erforder-
lich. Für den Vergleich von ESBL-produzierenden Isolaten aus unterschiedlichen Populati-
onen, können verschiedene Isolateigenschaften herangezogen werden. Dabei können Eigen-
schaften, die den Bakterienstamm charakterisieren, zur Untersuchung des vertikalen Trans-
fers genutzt werden. Die gleichzeitige Charakterisierung von mobilen genetischen Elemen-
ten kann dagegen Hinweise auf einen horizontalen Transfer von Resistenzen liefern.
Traditionell werden die phänotypischen Resistenzmuster der Isolate betrachtet. Dabei gibt
es zwischen einzelnen Studien jedoch zahlreiche Unterschiede, z. B. bei den verwendeten
Antibiotika, der Art der Testung (z. B. MHK, "disk diffusion"), den verwendeten Richtli-
nien zur Interpretation der Ergebnisse (z. B. EUCAST, CLSI) und der Analyse der Ergeb-
nisse (Ruddat et al., 2014). Hinzu kommt, dass phänotypische Resistenzen sowohl chromo-
somal als auch auf mobilen genetischen Elementen codiert sein können und somit entweder
nur vertikal oder zusätzlich auch horizontal übertragen werden können.
Zur Untersuchung der vertikalen Übertragung von Bakterienstämmen sind mehrere Isola-
teigenschaften geeignet, unter anderem die Phylogruppe, der Sequenztyp oder das Profil
nach Puls-Feld-Gelelektrophorese (PFGE). Anhand von phylogenetischen Analysen werden
E. coli Stämme in die vier Hauptgruppen Phylogruppe A, B1, B2 und D unterteilt (Clermont
et al., 2000). Damit ermöglicht diese Eigenschaft nur eine sehr grobe Einteilung. Bei der
Methode des "Multilocus Sequence Typing" (MLST) werden Fragmente von sieben
"House-keeping" Genen (mittlerweile zum Teil auch wesentlich mehr, z. B. mittels
1 Einleitung 5
core genome MLST), die in allen Stämmen vorkommen, sequenziert. Anhand des Allelpro-
fils kann man dann Sequenztypen (STs) zuordnen (Urwin und Maiden, 2003). Die Sequenz-
typen werden chronologisch nach ihrer Beschreibung nummeriert. Bisher wurden über
7.000 Sequenztypen beschrieben (The University of Warwick Medical School, 2017). Eine
noch genauere Methode zur Unterscheidung von E. coli Stämmen ist die Puls-Feld-
Gelelektrophorese (PFGE). Da die Ergebnisse dieser Methode jedoch von vielen Faktoren
abhängen und damit nur schwer zwischen Laboren vergleichbar sind, wird die PFGE eher
für Ausbruchsuntersuchungen eingesetzt.
Mobile Resistenzdeterminanten, meist Plasmide, können ESBL-Gene tragen und zwi-
schen Bakterienstämmen der gleichen oder unterschiedlicher Spezies ausgetauscht werden.
Diese horizontale Übertragung kann, z. B. durch die Sequenzierung und genaue Bestim-
mung von ESBL-Genen untersucht werden. Die verbreitetsten beta-Laktamase-Gene in Eu-
ropa sind die Typen CTX-M, TEM und SHV. Im Gegensatz zur Phylogruppe und dem Se-
quenztyp kann ein Bakterium auch mehrere ESBL-Gene auf einem oder mehreren Plasmi-
den besitzen. Zur weiteren Charakterisierung von Plasmiden, die Resistenzgene tragen,
können Plasmidgröße und Plasmidtyp bestimmt oder auch das ganze Plasmid sequenziert
werden.
Zum Vergleich von Isolaten steht auch die Ganzgenomsequenzierung ("Whole Genome
Sequencing", WGS) zur Verfügung. Je nach Fragestellung können bestimmte Gene oder
Genabschnitte miteinander verglichen werden oder es werden Nukleotidaustausche im ge-
meinsamen "Core-Genom" verschiedener Stämme gezählt. Prinzipiell können Genomanaly-
sen auch genutzt werden, um die oben genannten Isolateigenschaften zu bestimmen. An-
ders, als beispielsweise bei phänotypischen Untersuchungen, können bei der Genomanalyse
jedoch meist nur DNA-Abschnitte, z. B. Gene, identifiziert werden, die zuvor bereits be-
schrieben wurden. Da es sich bei diesen Analyseverfahren um relativ neue, teilweise auf-
wändige und bis heute wenig standardisierte Methoden mit unterschiedlichen Fehlerwahr-
scheinlichkeiten handelt, ist eine Zusammenfassung dieser Ergebnisse über verschiedene
Untersuchungen meist nur dann möglich, wenn die verwendeten Analyseprotokolle im Vor-
hinein harmonisiert wurden.
1.3 Aufbau der Arbeit
Die hier vorliegende Arbeit wurde im Rahmen des Forschungsverbundes RESET durchge-
führt. Im ersten Teil der Arbeit sollte ein Überblick über das Vorkommen (die Prävalenz
6 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
und die Eigenschaften) ESBL-produzierender E. coli in unterschiedlichen Nutztierpopulati-
onen durch ein Review publizierter Studien gewonnen werden (Abschnitt 2, Publikation I).
Dafür wurde die Durchführung eines systematischen Reviews angestrebt. Alle Schritte eines
systematischen Reviews bis einschließlich der Auswahl von Studien, welche die Ein- und
Ausschlusskriterien erfüllen, wurden durchgeführt. Aufgrund der Heterogenität der Studien
konzentriert sich Publikation I (Abschnitt 2) auf Studien mit möglichst vergleichbarem De-
sign. Publizierte Ergebnisse zur Prävalenz auf Betriebs- und Einzeltierebene werden in Pub-
likation I in Form eines narrativen Reviews zusammengefasst. Da sich die Haltungsbedin-
gungen von Nutztieren, der Antibiotikaeinsatz, aber auch die Verteilung bestimmter Bakte-
rienstämme regional stark unterscheiden, wurden nur Studien aus Europa in das Review
eingeschlossen.
Um Maßnahmen gegen die Verbreitung und den Transfer ESBL-produzierender Enterobak-
teriaceae zu entwickeln, ist neben der Kenntnis des Vorkommens, also der Prävalenz dieser
Bakterien, auch die Analyse potentieller Risikofaktoren wichtig. Im Rahmen des For-
schungsverbundes RESET wurden zwei Querschnittsstudien bei Rindern, in jeweils unter-
schiedlichen Regionen, durchgeführt. Das Studiendesign beider Studien wurde vorab har-
monisiert, was eine gepoolte Analyse der Rohdaten beider Studien zum Vorkommen ESBL-
produzierender E. coli und potentiellen Risikofaktoren ermöglichte. Die Ergebnisse dieser
gepoolten Analyse sind Gegenstand von Publikation II (Abschnitt 2).
Im ersten Teil der übergreifenden Diskussion (Abschnitt 3.1) wird noch einmal auf die Prä-
valenzen ESBL-produzierender E. coli in menschlichen und tierischen Populationen einge-
gangen. Die Heterogenität der publizierten Studien erschwert eine Zusammenfassung der
Ergebnisse zu Isolateigenschaften. Daher sind diese Eigenschaften nicht Gegenstand von
Publikation I und II. Dennoch liefern Untersuchungen zu Isolateigenschaften einen wichti-
gen Beitrag zum Verständnis zum vertikalen und horizontalen Transfer von Resistenzde-
terminanten. Daher wird das Vorkommen bestimmter Isolateigenschaften in menschlichen
und tierischen Populationen in Abschnitt 3.2 kurz dargestellt. Die daraus resultierenden
Rückschlüsse zur Relevanz verschiedener Transmissionswege werden in Abschnitt 3.3 dis-
kutiert.
Die Erfahrungen aus den Arbeiten an Publikation I haben zur Entwicklung einer strukturier-
ten Erfassungstabelle geführt, welche die Beurteilung und Zusammenfassung von Studien-
ergebnissen (Prävalenzen und Isolateigenschaften) erleichtern soll. Dazu mussten zuerst
relevante Informationen für populationsübergreifende Analysen definiert werden
1 Einleitung 7
(Abschnitt 3.4). Die Erfassung von phäno- und genotypischen Isolateigenschaften wird in
Abschnitt 3.4.1 diskutiert. Rückschlüsse auf Transmissionswege können jedoch nicht nur
auf Grundlage dieser Eigenschaften gezogen werden. Gleiche Isolateigenschaften allein
lassen grundsätzlich keine eindeutigen Rückschlüsse auf Transferwege zu. Deshalb, müssen
zusätzlich auch epidemiologische Informationen gesammelt werden (Abschnitt 3.4.2). In
Abschnitt 3.4.3 wird die hierfür entwickelte Erfassungstabelle zur strukturierten Extraktion,
der in den vorhergehenden Abschnitten diskutierten Informationen, genauer beschrieben.
Den Abschluss der Arbeit bilden ein Fazit und eine Zusammenfassung über die gewonnenen
Erkenntnisse.
2 Publikationen 9
Publikationen 2
2.1 Publikation I
Zum Vorkommen von Extended-Spektrum- und AmpC-Beta-Laktamase-
produzierenden Escherichia coli in Nutztierbeständen:
Ergebnisse ausgewählter europäischer Studien
Berliner und Münchener Tierärztliche Wochenschrift 127, Heft 9/10 (2014), Seiten 403-411
10 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
2 Publikationen 11
12 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
2 Publikationen 13
14 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
2 Publikationen 15
16 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
2 Publikationen 17
18 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
2 Publikationen 19
2.2 Publikation II
Cefotaxime-resistant E. coli in dairy and beef cattle farms – Joint analyses of two
cross-sectional investigations in Germany
Preventive Veterinary Medicine 142 (2017), Seiten 39-45
doi.org/10.1016/j.prevetmed.2017.05.003
Katja Hillea, Inga Ruddat
a, Annette Schmid
b,c, Johanna Hering
a, Maria Hartmann
a,
Christiane von Münchhausena, Bettina Schneider
a, Ute Messelhäusser
b, Anika Friese
d, Rolf
Mansfeldc, Annemarie Käsbohrer
e, Stefan Hörmansdorfer
b, Roesler U
e, Lothar Kreienbrock
a
a Department of Biometry, Epidemiology and Information Processing, WHO-CC for Re-
search and Training for Health at the Human-Animal-Environment Interface, University
of Veterinary Medicine Hannover, Germany
b Bavarian Health and Food Safety Authority, Oberschleissheim, Germany
c Clinic for Ruminants, LMU Munich, Oberschleissheim, Germany
d Institute for Animal Hygiene and Environmental Health, Freie Universität Berlin,
Germany
e Federal Institute for Risk Assessment, Department Biological Safety, Berlin, Germany
Abstract
Resistance to third-generation cephalosporins and other beta-lactam antibiotics is of major
concern for animal and human health. Knowledge of the prevalence of resistant bacteria in
primary production is an important element to estimate transmission along the following
stages in the food production chain and the exposure of the human population. The primary
objective of this study was to determine the prevalence of cefotaxime-resistant commensal
E. coli in dairy and beef cattle production units throughout Germany. Secondarily, the asso-
ciation between management factors and the presence of cefotaxime resistance was investi-
gated.
In total, 60 beef cattle and 52 dairy cattle production units all over Germany were included.
Cefotaxime-resistant E. coli were isolated from at least one sample in 70%
(95% CI: 58-83%) of the farms keeping beef cattle and 85% (95% CI: 75-94%) of the farms
keeping dairy cattle. The sample prevalence was 35% (161/455; 95% CI: 31-40%) and 48%
20 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
(156/323; 95% CI: 43-54%), respectively. Most factors associated with resistance to cefo-
taxime indicate that less intensive production results in a lower number of positive samples.
For beef cattle, antimicrobial treatment of the whole animal group was significantly associ-
ated with an increased proportion of samples containing cefotaxime resistant E. coli. In ad-
dition, our results indicate that better hygiene management could improve the resistance
situation on cattle farms.
3 Übergreifende Diskussion 21
Übergreifende Diskussion 3
3.1 Prävalenzen ESBL-produzierender E. coli in menschlichen und
tierischen Populationen
Die Prävalenzen von ESBL-produzierenden E. coli aus verschiedenen Studien sind in Pub-
likation I zusammengefasst. Da sich sowohl die Haltungsbedingungen und der Antibiotika-
einsatz als auch die Isolateigenschaften regional sehr unterscheiden, konzentrierte sich die
Recherche auf europäische Studien, um somit eine gewisse Grundhomogenität der betrach-
teten Nutztierpopulationen sicherzustellen. In Tabelle 1 und 2 sind die Daten aus Publikati-
on I zu Studien an Rinderpopulationen aktualisiert und um die Methodik der Isolation er-
weitert (Stand: 10. Januar 2017).
Trotz der Einschränkung auf Studien in Europa zeigen diese Darstellungen eine große Hete-
rogenität der publizierten Untersuchungen. Dies betrifft, unabhängig von den unterschiedli-
chen Populationen, sowohl das Studiendesign und die labordiagnostischen Methoden als
auch die Art und die Darstellung der Ergebnisse. Hier zeigt sich somit eine wenig harmoni-
sierte Vorgehensweise, so dass gefordert werden kann, die Informationen zum Studiende-
sign und den Ergebnissen von Studien zu ESBL-produzierenden E. coli einheitlicher zu er-
fassen. Hierauf wird in Abschnitt 3.4 noch genauer eingegangen.
Grundsätzlich sind Studien an verschiedenen Tierarten aufgrund der unterschiedlichen Hal-
tungsbedingungen nur schlecht miteinander vergleichbar. Bei den im Rahmen des RESET
Verbundes durchgeführten Querschnittsstudien wurden daher im Vorfeld das Studiendesign
und die Laborprotokolle harmonisiert. Dadurch können grundsätzliche Rückschlüsse auf
Prävalenzen bei den untersuchten Nutztieren gezogen werden.
Es wurden Betriebe untersucht, die Masthühner, Mastschweine, Milchrinder oder Mastrin-
der halten. Die höchste Betriebsprävalenz hatten mit 100 % (34/34) die Masthühner halten-
den Betriebe. Bei Milchrinder und Mastschweine haltenden Betrieben lag die Betriebsprä-
valenz bei 85 % und am niedrigsten bei Mastrinder haltenden Betrieben mit 70 %. Die Pro-
benprävalenz von Sammelkotproben und Sockentupfern lag bei ca. 80 % bei Masthähnchen
und ca. 50 % bei den anderen Tierarten. Deutliche Unterschiede gab es in der Prävalenz der
Staubproben. Diese lag bei ca. 60 % bei den Masthühnern, aber nur bei ca. 10 % bei den
anderen Tierarten. Daher sollte der Austrag über Staub bei Masthühnern besonders berück-
sichtigt werden (siehe auch Abschnitt 3.3.3).
22 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Die Prävalenz beim Menschen liegt sowohl in der Allgemeinbevölkerung als auch bei Men-
schen mit direktem Umgang mit Nutztieren bei ca. 6 % (Deutschland; Valenza et al., 2014;
Fischer at al., 2017).
Die Untersuchungen zum Vorkommen ESBL-produzierender Enterobacteriaceae zeigen
eine teilweise sehr hohe Prävalenz bei Nutztieren (siehe Publikation I). Im Vergleich dazu
ist die Prävalenz beim Mensch noch relativ niedrig. Daraus wird deutlich, dass Daten zur
Prävalenz ESBL-produzierender Enterobacteriaceae noch keine Rückschlüsse auf die Über-
tragung dieser Bakterien zulassen. Dazu sind weitere Informationen zu den Isolateigen-
schaften und epidemiologischen Zusammenhängen notwendig, die im Folgenden diskutiert
werden sollen.
3 Übergreifende Diskussion 23
24 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
3 Übergreifende Diskussion 25
3.2 Vorkommen bestimmter Isolateigenschaften
In Publikation I und II wird die Prävalenz cefotaximresistenter E. coli in unterschiedlichen
Nutzierpopulationen berichtet. Zum besseren Verständnis der Verbreitung ESBL-
produzierender Enterobacteriaceae sind auch Analysen weiterer Isolateigenschaften hilf-
reich. Wie in Abschnitt 1.2 bereits aufgeführt, werden neben klassischen phänotypischen
Resistenzmustern eine Vielzahl weiterer phäno- und genotypischer Isolateigenschaften un-
tersucht, die auch aus der Entwicklung moderner molekularbiologischer Methoden resultie-
ren. Hierbei zeigt sich eine sehr heterogene Dokumentation in den jeweils untersuchten Kol-
lektiven, die einen zusammenfassenden Vergleich erschwert. Daher soll im Folgenden die
Verteilung der Isolateigenschaften in unterschiedlichen Populationen beschrieben werden.
Grundsätzlich sollte dabei zwischen Charakteristika des Bakterienstammes und Charakteris-
tika, die zwischen Bakterienstämmen ausgetauscht werden können, unterschieden werden,
da diese jeweils Anhaltspunkte für einen vertikalen bzw. horizontalen Transfer liefern (siehe
Abschnitt 1.2). Eigenschaften, die den Bakterienstamm charakterisieren, wie die Phylogrup-
pe und der Sequenztyp, zeigen je nach Population eine unterschiedliche Verteilung, die
nicht unbedingt damit zusammenhängt ob es sich um einen ESBL-produzierenden Stamm
handelt oder nicht (Nielsen et al, 2013).
3.2.1 Phylogruppen
Die vier Phylogruppen (A, B1, B2, D; Clermont et al., 2000) bieten nur eine sehr grobe Un-
terteilung von E. coli-Stämmen. In Kombination mit weiteren Isolateigenschaften kann die
Phylogruppe dennoch einen wichtigen Beitrag zur Charakterisierung von Isolaten liefern
(Valentin et al., 2014). Als Eigenschaft des Bakterienstammes ist die Phylogruppe ein Indi-
kator für einen vertikalen Transfer. Bisherige Untersuchungen zeigen zudem, dass die Phy-
logruppe mit der Virulenz von E. coli-Stämmen zusammenhängt.
Bis Anfang 2017 wurden nur wenige repräsentative Untersuchungen zur Phylogruppe veröf-
fentlicht. Meist stammten die untersuchten Isolate aus Blutproben oder Harnwegsinfektio-
nen (Clermont et al., 2016, Pietsch et al., 2017) oder von Isolaten aus Proben von Bewoh-
nern von Pflegeeinrichtungen (Arvand et al., 2013). In Schweden müssen ESBL-
produzierende Enterobacteriaceae gemeldet werden (Brolund et al., 2014). Die überwie-
gend humanpathogenen Isolate aus diesen Kollektiven gehören zu ca. 50 % zur Phylogruppe
B2. Die zweithäufigste Phylogruppe war Phylogruppe D (Clermont et al., 2016, Pietsch et
al., 2017; Brolund et al., 2014; Arvand et al., 2013). In Untersuchungen an Proben aus der
26 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Allgemeinbevölkerung waren Stämme der Phylogruppe A häufiger (Clermont et al., 2016;
Valenza et al., 2014).
Für die Untersuchung der Phylogruppe bei Stämmen tierischer Herkunft wurden von Ramos
et al. (2013) Kotproben von gesunden Tieren am Schlachthof genommen. Valentin et al.
(2014) konnten Isolate aus mehreren Studien, überwiegend Querschnittsuntersuchungen an
gesunden Tieren, in ihre Analysen einschließen. Beide Studien haben gezeigt, dass bei ge-
sunden Tieren Phylogruppe A und B1 dominieren (Ramos et al., 2013; Valentin et al.,
2014).
Für Isolate sowohl menschlicher als auch tierischer Herkunft gilt, dass E. coli-Stämme un-
terschiedlicher Phylogruppen sich in ihrer Virulenz unterscheiden. Gleichzeitig können
Stämme aller vier Phylogruppen ESBL-Gene tragen (van Hoek et al., 2016).
3.2.2 Sequenztypen
Ebenso wie die Phylogruppe ist der Sequenztyp eine Eigenschaft, die der Charakterisierung
von Bakterienstämmen dient und eine wichtige Information zur Charakterisierung klinischer
Isolate und für Ausbruchsuntersuchungen darstellt (Gerhold et a., 2016; Ludden et al.,
2015). Der Sequenztyp wird auch als ein Indikator für eine vertikale Übertragung angese-
hen.
Obwohl insgesamt eine große Zahl verschiedener E. coli Sequenztypen existiert (>7.000),
gibt es in unterschiedlichen Populationen jeweils dominierende Sequenztypen. ESBL-
produzierende E. coli-Stämme, die bei Querschnittsuntersuchungen in schweinehaltenden
Betrieben isoliert wurden, gehörten überwiegend zum Sequenztypen ST10 und ST453 (Fi-
scher et al., 2016; García-Cobos et al., 2015; Hammerum et al., 2014). Für andere Tierarten
gibt es bisher nur wenige publizierte Ergebnisse zu Sequenztypen (Fischer et al., 2014).
Bei menschlichen Isolaten wurde ST131 am häufigsten beschrieben. Bei ESBL-
produzierenden klinischen Isolaten aus dem schwedischen Surveillance-Programm aber
auch bei klinischen Isolaten aus deutschen Querschnitts- und Fall-Kontroll-Studien lag der
Anteil von ST131 bei ca. 30 % (Brolund et al., 2014; Leistner et al., 2013; Pietsch et al.,
2017). Bei Isolaten aus der Allgemeinbevölkerung lag der Anteil von ST131 mit ca. 15 %
wesentlich niedriger (Valenza et al., 2017). ST131 scheint hauptsächlich mit humanpatho-
genen Isolaten assoziiert zu sein und bei Isolaten von gesunden Nutztieren bisher keine Rol-
le zu spielen. Die bei Schweinen beschriebenen ST10 und ST453 konnten jedoch auch bei
3 Übergreifende Diskussion 27
Isolaten von Menschen nachgewiesen werden. Diese STs sind damit nicht tierspezifisch. In
Anhang A.1 sind Sequenztypen aufgelistet, die in den verschiedenen Populationen nachge-
wiesen wurden. Eine Studie an Isolaten aus dem schwedischen Surveillance-Programm aus
den Jahren 2007 bis 2011 zeigte, dass die Zusammensetzung der Sequenztypen stabil über
die Zeit war (Brolund et al., 2014).
Da in den meisten Studien entweder nur ein bestimmter ST untersucht wurde, z. B. der hu-
manpathogene ST131, oder nur wenige Isolate charakterisiert wurden, gibt es bisher keine
Analysen zur Assoziation zwischen dem Sequenztyp und potentiellen Risikofaktoren (vgl.
Publikation II).
3.2.3 Phänotypische Resistenzen
Die phänotypische Resistenztestung ist eine klassische Methode zur Charakterisierung von
Isolaten. Sie hat besondere Relevanz bei der Identifikation klinisch relevanter antimikrobiel-
ler Resistenzen und der Identifikation wirksamer Antibiotika zur Behandlung von Infektio-
nen. In Monitoringprogrammen wird diese Methode angewendet, um zu untersuchen, ob
Bakterienstämme im Vergleich zum Wildtyp eine veränderte Empfindlichkeit gegenüber
Antibiotika haben. Resistenzprofile können auch für "Source attribution-Modelle", also für
Modelle zur Analyse des Beitrags unterschiedlicher Übertragungsquellen genutzt werden
(Valentin et al., 2014).
Eine Aussage zur Prävalenz bestimmter phänotypischer Resistenzen ist nur auf Grundlage
von Ergebnissen aktiver Surveillance-Programme oder aus Studien an gut definierten Popu-
lationen möglich. Bei der überwiegenden Zahl der Publikationen zu phänotypischen Resis-
tenzen, ist dies nicht der Fall, so dass Prävalenzaussagen selten sind (siehe z.B. BVL, 2016).
Mehr als die Hälfte der ESBL-produzierenden Isolate aus klinischen Proben von Menschen
aus Deutschland ist auch resistent gegen Fluorchinolon-Antibiotika (Pietsch et al., 2017;
Schaumburg et al., 2016). Für ESBL-produzierende tierische Isolate werden unterschiedli-
che Anteile für zusätzliche Resistenz gegen Fluorchinolon-Antibiotika berichtet. Isolate aus
einer Querschnittsuntersuchung bei deutschen mastschweinehaltenden Betrieben ergab, dass
33 % (35/105) der ESBL-produzierenden Isolate resistent gegen Ciprofloxacin waren (Fi-
scher et al., 2017). Bei ESBL-produzierenden Isolaten aus deutschen milchrinderhaltenden
Betrieben lag dieser Anteil bei 60 % (100/170), bei Isolaten aus mastrinderhaltenden Bett-
rieben bei 15 % (4/26; Schmid et al., 2013). Zudem sind viele ESBL-produzierende E. coli
resistent gegen drei oder mehr Antibiotikaklassen (ECDC, 2015), was beim Einsatz eines
28 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
der betreffenden Antibiotika zur Ko-Selektion von ESBL-produzierenden Stämmen führen
kann. Resistenzen gegen Carbapenemasen sind sowohl in menschlichen als auch tierischen
Proben in Mitteleuropa im Moment noch selten (García-Cobos et al., 2015; Pietsch et al.,
2017; Schmid et al., 2013).
Die Ergebnisse einzelner phänotypischer Resistenztestungen sind für die Untersuchung von
Transmissionswegen allerdings nur bedingt geeignet. Hierzu sind immer zusätzliche Infor-
mationen, z. B. zum Antibiotikaeinsatz (siebe Publikation II) erforderlich. Dies wird z. B.
am Beispiel mcr-1 deutlich. Ende 2015 wurde erstmals über das plasmidvermittelte Colis-
tinresistenzgen mcr-1 berichtet (Liu et al., 2016). Colistin wurde in den vergangen Jahrzehn-
ten, aufgrund seiner starken Nebenwirkungen beim Menschen nur in Einzelfällen, in der
Tierhaltung aber durchaus häufig (siehe Merle et al., 2014; van Rennings et al., 2015) ein-
gesetzt. Dieses (epidemiologische) Wissen lässt in diesem speziellen Fall den Rückschluss
zu, dass mcr-1 bei Nutztieren entstanden ist und sich von dort bis zum Menschen verbreitet
hat. Solche klaren Zusammenhänge gibt es bei den meisten anderen antimikrobiellen Resis-
tenzen allerdings nicht, da die phänotypische Resistenztestung zwar sowohl aus klinischer
als auch aus epidemiologischer Sicht einen wichtigen Charakterisierungsschritt darstellt,
aber meist die epidemiologische Information fehlt, um eine Transmission zu belegen.
3.2.4 ESBL-Gene
Ergebnisse zum Vorkommen bestimmter ESBL-Gene und Genvarianten sind, neben der
phänotypischen Resistenztestung, ein wichtiges Element zur Beschreibung der Resistenz-
problematik und des Resistenztransfers. Daher finden sie vermehrt Verwendung z. B. in
mathematischen Modellen der "Source Attribution" oder der Expositionsabschätzung (Sharp
et al., 2014).
Im Rahmen von Publikation I und II wurden Proben auf das Vorhandensein CTX-resistenter
E. coli untersucht. CTX-Resistenz ist ein wichtiger Hinweis auf das Vorhandensein von
ESBL-Genen. Bei etwa 90 % der CTX-resistenten Isolate können mittels PCR ESBL-Gene
nachgewiesen werden (Horton et al., 2011; Laube et al., 2013).
In den letzten Jahren wurde eine Vielzahl von Untersuchungen durchgeführt, die das Auftre-
ten unterschiedlicher ESBL-Gene dokumentieren. Tabelle 1 gibt eine Übersicht zum Vor-
kommen der unterschiedlichen Genvarianten. Beim größten Teil der in Tabelle 3 aufgeführ-
ten Studien handelt es sich um Querschnittstudien, teilweise aber auch um Untersuchungen
an Isolatsammlungen. Daher sind jeweils keine prozentualen Anteile angegeben.
3 Übergreifende Diskussion 29
Um zu verdeutlichen, welche Genvariante in einer Studie die häufigste war, ist die Referenz
in der jeweiligen Zeile fett formatiert.
Tabelle 1: Europäische Studien, in denen ESBL-Gene bei E. coli berichtet wurden, nach Population; Referenz
fett: häufigstes ESBL-Gen in der betreffenden Studie
blaESBL-
Gen Broiler Schwein Rind
Mensch
(Allgemeinbev.)
Mensch
(Patienten)1
CTX-M-1
Blanc et al., 2006;
Dierikx et al., 2010;
Dierikx et al., 2013;
Endimiani et al.,
2012; Geser et al.,
2012; Leverstein-
van Hall et al.,
2011; Machado et
al., 2008; Randall et
al., 2011; Smet et
al., 2008
Agersø et al., 2012;
Blanc et al., 2006;
Cavaco et al., 2008;
Dohmen et al.,
2015; Endimiani et
al., 2012; Fischer et
al., 2017; García-
Cobos et al., 2015;
Geser et al., 2012;
Hammerum et al.,
2014; Horton et al.,
2011; Jørgensen et
al., 2007; Ramos et
al., 2013; Rodrigues
et al., 2013; Schink
et al., 2013; Wu et
al., 2008
Dahms et al., 2015;
Endimiani et al.,
2012; Gonggrijp et
al., 2016; Hart-
mann et al., 2012
Madec et al., 2008; Schink et al., 2013;
Snow et al., 2012;
Watson et al., 2012
Valenza et al., 2014;
van Hoek et al.,
2016; Wielders et
al., 2016
Agersø et al., 2012;
Brolund et al., 2014;
Gerhold et al.,
2016; Leverstein-
van Hall et al.,
2011; Pietsch et al.,
2017; Schaumburg et
al., 2016; Valenza et
al., 2017; Valenza et al., 2015; van Hoek
et al., 2016; Voets et
al., 2012
CTX-M-2
Dierikx et al., 2010;
Dierikx et al., 2013;
Leverstein-van Hall
et al., 2011, Smet et al., 2008
Agersø et al., 2012;
Gonggrijp et al.,
2016; Schink et al., 2013; Snow et al.,
2012
van Hoek et al.,
2016;
Agersø et al., 2012;
Brolund et al., 2014;
Leverstein-van Hall
et al., 2011, Pietsch et al., 2017
CTX-M-3 Randall et al., 2011; Endimiani et al.,
2012; Schink et al., 2013;
Valenza et al., 2014;
van Hoek et al., 2016;
Brolund et al., 2014;
Pietsch et al., 2017
CTX-M-8 Pietsch et al., 2017;
CTX-M-9 Blanc et al., 2006 Ramos et al., 2013; Snow et al., 2012
Brolund et al., 2014;
Pietsch et al., 2017;
Voets et al., 2012
CTX-M-13 Brolund et al., 2014;
CTX-M-14 Blanc et al., 2006;
Smet et al., 2008
Agersø et al., 2012;
Cavaco et al., 2008; Dohmen et al., 2015;
García-Cobos et al.,
2015; Geser et al., 2012; Hammerum et
al., 2014; Ramos et
al., 2013;
Gonggrijp et al.,
2016; Horton et al., 2011; Madec et al.,
2008; Snow et al.,
2012
Valenza et al., 2014,
van Hoek et al.,
2016; Wielders et al., 2016
Brolund et al., 2014;
Gerhold et al., 2016;
Pietsch et al., 2017; Valenza et al., 2015,
van Hoek et al.,
2016; Voets et al., 2012
CTX-M-15
Endimiani et al.,
2012; Randall et al., 2011; Smet et al.,
2008
Agersø et al., 2012;
Dohmen et al., 2015; García-Cobos et al.,
2015
Endimiani et al.,
2012; Gonggrijp et al., 2016; Horton et
al., 2011; Schink et
al., 2013; Snow et
al., 2012; Watson et
al., 2012;
Valenza et al., 2014;
van Hoek et al.,
2016; Wielders et
al., 2016
Agersø et al., 2012;
Brolund et al.,
2014; Gerhold et al.,
2016; Pietsch et al.,
2017; Schaumburg
et al., 2016; Valenza
et al., 2017; Valenza
et al., 2015; van
Hoek et al., 2016;
Voets et al., 2012
CTX-M-16 Brolund et al., 2014;
CTX-M-17 Voets et al., 2012
CTX-M-33 Voets et al., 2012
CTX-M-24
Valenza et al., 2014,
van Hoek et al.,
2016;
Brolund et al., 2014;
Pietsch et al., 2017;
30 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Tabelle 1: Europäische Studien, in denen ESBL-Gene bei E. coli berichtet wurden, nach Population; Referenz
fett: häufigstes ESBL-Gen in der betreffenden Studie
blaESBL-
Gen Broiler Schwein Rind
Mensch
(Allgemeinbev.)
Mensch
(Patienten)1
CTX-M-27 Snow et al., 2012 van Hoek et al.,
2016;
Brolund et al., 2014;
Gerhold et al., 2016;
Pietsch et al., 2017;
Schaumburg et al., 2016, Valenza et al.,
2015; Voets et al.,
2012
CTX-M-32 Blanc et al., 2006 Rodrigues et al.,
2013
Gonggrijp et al.,
2016; Snow et al.,
2012
van Hoek et al.,
2016; Brolund et al., 2014;
Pietsch et al., 2017;
CTX-M-55
Gonggrijp et al.,
2016; Snow et al., 2012
Valenza et al., 2014 Brolund et al., 2014;
Pietsch et al., 2017
CTX-M-57 Brolund et al., 2014;
CTX-M-65 Brolund et al., 2014
CTX-M-79 Voets et al., 2012
CTX-M-96 Brolund et al., 2014
CTX-M-97 Hammerum et al.,
2014;
CTX-M-
104
Pietsch et al., 2017;
TEM-12 Pietsch et al., 2017;
TEM-19 Voets et al., 2012
TEM-20 Leverstein-van Hall
et al., 2011 Agersø et al., 2012; Leverstein-van Hall
et al., 2011
TEM-32 Ramos et al., 2013;
TEM-35
TEM-52
Blanc et al., 2006;
Dierikx et al., 2010;
Dierikx et al., 2013;
Endimiani et al.,
2012; Geser et al., 2012; Leverstein-van
Hall et al., 2011,
Machado et al.,
2008;
Dohmen et al., 2015;
Fischer et al., 2017;
Rodrigues et al.,
2013
Gonggrijp et al., 2016
Valenza et al., 2014
Leverstein-van Hall
et al., 2011, Pietsch et al., 2017
TEM-55 Smet et al., 2008
TEM-71 Hartmann et al.,
2012
TEM-106 Smet et al., 2008
TEM-135 Dierikx et al., 2010;
SHV-1 Brolund et al., 2014
SHV-2 Dierikx et al., 2010;
Leverstein-van Hall
et al., 2011
Leverstein-van Hall et al., 2011; Voets et
al., 2012
SHV-5 Blanc et al., 2006 Brolund et al., 2014;
Voets et al., 2012
SHV-12
Blanc et al., 2006;
Dierikx et al., 2013; Endimiani et al.,
2012; Geser et al.,
2012
Agersø et al., 2012;
Blanc et al., 2006; Hammerum et al.,
2014; Ramos et al.,
2013;
Madec et al., 2008;
Valenza et al., 2014,
van Hoek et al.,
2016;
Brolund et al., 2014;
Leverstein-van Hall
et al., 2011, Pietsch et al., 2017; Voets et
al., 2012
Anzahl der
Referenzen 9 15 9 3 10
1 Isolate von stationären, ambulanten Patienten sowie von Bewohnern von Pflegeeinrichtungen
3 Übergreifende Diskussion 31
Die am häufigsten dokumentierten ESBL-Gene in menschlichen und tierischen Populatio-
nen in Europa sind die Gene blaCTX-M-1, -15 und -14, wobei in tierischen Populationen das Gen
blaCTX-M-1 vermehrt vorkommt und in menschlichen Populationen das Gen blaCTX-M-15 (siehe
Tabelle 3). Die Gene blaTEM-52 und blaSHV-12 wurden häufiger bei Isolaten von Schweinen
und Broilern beschrieben als bei Isolaten von Rindern und Menschen. Wie Tabelle 3 zeigt,
wurden einige Genvarianten bisher nur für menschliche bzw. tierische Populationen berich-
tet. So wurden blaCTX-M-16, blaCTX-M-17 und blaCTX-M-33 bisher nur aus Untersuchungen an
Proben vom Menschen berichtet, blaTEM-106 und blaTEM-135 nur aus Untersuchungen an Pro-
ben von Broilern.
Valentin et al. (2014) konnten ESBL-Gene bzw. Kombinationen von ESBL-Genen identifi-
zieren, die innerhalb der untersuchten Isolatsammlung spezifisch für einzelne Populationen
waren (gesunde Schweine: blaCTX-M-24, blaCTX-M-24 + blaTEM; blaCTX-M-9; Rinder klinisch:
blaCTX-M-3 + blaTEM; Pferde klinisch: blaCTX-M-97 + blaTEM). Allerdings wurden diese Gene in
weiteren Studien auch in jeweils anderen Populationen nachgewiesen (siehe Tabelle 3).
AmpC-produzierende Isolate machen 1-20 % der Cefotaximresistenten Isolate aus (Gong-
grijp et al., 2016; Pietsch et l., 2015; Brolund et al., 2014; Schmiedel et. al., 2014). Viele
ESBL-produzierende Isolate besitzen mehrere Resistenzgene gleichzeitig und sind phänoty-
pisch resistent gegen drei oder mehr Antibiotikaklassen (Smet et al., 2008; Costa et al.,
2009; Schmid et al., 2014;). Das führt beim Einsatz einzelner dieser Antibiotika zur Ko-
Selektion der zusätzlich im Genom des Bakteriums vorhandenen Resistenzgene (Cantón et
al., 2012; Coque et al., 2008; Abgottspon et al., 2014).
3.2.5 Plasmidtypen
ESBL-Gene liegen zumeist auf Plasmiden und können mit diesen zwischen Bakterienstäm-
men übertragen werden. Die Charakterisierung von Plasmiden kann daher zur Aufklärung
von Transmissionswegen beitragen.
Die Plasmidtypen IncI1, IncN und IncF kommen sowohl bei Isolaten aus Nutztieren als
auch bei Isolaten aus Menschen häufig vor (Schink et al., 2013; Jakobsen et al., 2016; Doh-
men et al., 2015; Hammerum et al., 2014). Damit bietet das Merkmal Plasmidtyp allein kei-
ne Möglichkeit zur Unterscheidung der Quelle bzw. der Identifikation möglicher Übertra-
gungen. Die Analyse der Plasmidsequenz ermöglicht einen genaueren Vergleich von Plas-
miden. Untersuchungen zu ESBL-tragenden Plasmiden aus Isolaten unterschiedlicher Her-
kunft können zusätzliche Hinweise auf einen horizontalen Transfer von
Resistenzdeterminaten liefern. Zum tatsächlichen Verständnis von Transferwegen sind je-
doch immer zusätzliche epidemiologische Informationen erforderlich (siehe 3.4.2).
32 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
3.2.6 Bedeutung der Isolateigenschaften
Wie in Abschnitt 1.2 und hier beschrieben, können Isolateigenschaften Hinweise auf einen
vertikalen oder horizontalen Transfer von Resistenzen liefern oder in Modelle zur "Source
Attribution" oder der Expositionsabschätzung einfließen (Sharp et al., 2014; Valentin et al,.
2014). Dennoch können definierte ESBL-produzierende E. coli-Stämme nicht eindeutig
bestimmten Quellen zugeordnet werden. Im Gegensatz dazu ist z. B. beim Methicillin-
resistenten Staphylococcus aureus (MRSA) eine Einordnung in "hospital acquired" (HA-),
"community acquired" (CA-) und "livestock acquired" (LA-MRSA) möglich. Daher sind
zum Verständnis der Übertragungswege und der Richtung der Übertragung von ESBL-
produzierenden Enterobacteriaceae zusätzliche epidemiologische Informationen besonders
wichtig.
Eine generelle Problematik beim Vergleich von Isolateigenschaften ist zudem die Definition
der "Gleichheit" von Isolaten. So wurden z.B. bei Leverstein-van Hall et al. (2011) Isolate,
die aus Proben unabhängiger Kollektive (Geflügel und Mensch) stammten, untersucht. Zum
Vergleich der Isolate wurden Daten zu ESBL-Genen, Plasmidtyp und ST herangezogen. Da
die häufigsten Typen dieser Eigenschaften in beiden Populationen vorkommen und die un-
tersuchten Isolate bereits auf Grundlage der vordefinierten Eigenschaften ausgewählt wur-
den, sind die in der Publikation gezogenen Rückschlüsse zur Übertragung zwischen Geflü-
gel und Mensch aus meiner Perspektive eher zweifelhaft.
Je mehr Eigenschaften in den Vergleich von Isolaten einbezogen werden, dazu zählt auch
die DNA-Sequenz des ganzen Genoms, desto kleiner wird der Anteil der untersuchten Isola-
te mit identischen Eigenschaften (Valentin et al., 2014). Mit Hilfe von phylogenetischen
Analysen können Ähnlichkeiten quantifiziert und visualisiert werden. Dennoch sind, trotz
tiefgehender Charakterisierung von Isolaten, auch epidemiologische Informationen für das
richtige Verständnis von Transmissionswegen zwingend erforderlich.
3.3 Diskussion der Relevanz verschiedener Transmissionswege
Vergleiche der Eigenschaften von Isolaten aus unterschiedlichen Populationen stellen eine
grundlegende Basis zur Identifikation von Übertragungswegen zwischen diesen Populatio-
nen dar. Bei vergleichenden Studien zu Isolateigenschaften kann man folgende Typen von
Untersuchungen unterscheiden:
3 Übergreifende Diskussion 33
1. Untersuchungen an Isolaten unabhängiger Kollektive
2. Untersuchungen an Isolaten abhängiger Kollektive (z. B. Nutztiere und betreuende
Personen; longitudinale Studien)
3. Ausbruchsuntersuchungen
Wenn Isolaten, die aus unabhängigen Kollektiven z. B. aus Isolatsammlungen oder diagnos-
tischen Proben stammen, die gleichen Eigenschaften aufweisen, können keine eindeutigen
Rückschlüsse auf unmittelbare Zusammenhänge gezogen werden. Dies ist nur möglich,
wenn zusätzliche Informationen zu epidemiologischen Zusammenhängen zur Verfügung
stehen, wie dies bei Untersuchungen an Isolaten aus abhängigen Kollektiven oder Aus-
bruchsuntersuchungen der Fall ist.
Eine andere Möglichkeit Ursachen für das Auftreten ESBL-produzierender Enterobacteri-
aceae zu untersuchen, ist die Erfassung und Analyse möglicher Einflussfaktoren im Rah-
men einer Risikofaktorenanalyse. Diese Methode wurde in Publikation II (Abschnitt 2) an-
gewendet, um Einflussfaktoren für das Auftreten ESBL-produzierender E. coli in Rinderbe-
ständen zu identifizieren.
Abbildung 1: Schematische Darstellung wesentlicher Kontaktpfade für die Allgemeinbevölkerung mit ESBL-
produzierenden Enterobacteriaceae; Abbildung angepasst nach Hamscher und Mohring et al. (2012); LM:
Lebensmittel; LW: landwirtschaftlich
34 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Abbildung 1 zeigt eine schematische Darstellung wesentlicher Kontaktpfade. Im Folgenden
werden die bisherigen Erkenntnisse zu den am meisten diskutierten Übertragungswegen
zusammengefasst.
3.3.1 Direkte Übertragung zwischen Menschen und Nutztieren
Bisher existieren nur wenige wissenschaftliche Untersuchungen, die sachlich wie zeitlich
bei Menschen und Tieren gleichzeitige Beprobungen vorgenommen haben. In einigen Fäl-
len konnte der "gleiche E. coli Klon" (= mindestens gleicher Sequenztyp und gleiches Re-
sistenzgen) bei Nutztieren und Personen mit direktem Umgang mit diesen Tieren identifi-
ziert werden (Dahms et al., 2015; Dierikx et al., 2013; Dohmen et al., 2015; Fischer et al.,
2017). Dies war jedoch nur bei jeweils sehr wenigen der untersuchten Betriebe der Fall. So
wurden z.B. in einer Untersuchung an 49 mastschweinehaltenden Betrieben bei nur fünf von
84 untersuchten Menschen ESBL-positive Isolate identifiziert und nur in einem Betrieb ein
identisches Isolat auch bei Schweinen gefunden (Fischer et al., 2017). In einer Studie aus
den Niederlanden wurden Informationen zu ESBL/pAmpC-Genen, Virulenzprofilen und der
phylogenetischen Gruppe verwendet, um Isolate zu vergleichen. Dabei wurde festgestellt,
dass Isolate von Broilern und Isolate von Personen mit Kontakt zu Broilern Cluster bildeten
(van Hoek et al., 2016).
Häufiger als zu einem Transfer von Stämmen, gemeinsam mit ihren Plasmiden, scheint es
zu einem Transfer mobiler genetischer Elemente (meist Plasmiden) und den darin enthal-
tenden Resistenzgenen zu kommen (Lazarus et al., 2015; Smet et al., 2008). Gleiche ESBL-
Gene (nach Sequenzierung) wurden mehrfach bei Isolaten von Nutztieren und Mensch vom
jeweils selben Betrieb identifiziert (Dahms et al., 2015; Dierikx et al., 2013; Dohmen et al.,
2015; Fischer et al., 2017).
Zusammenfassend kann man feststellen, dass eine Reihe von Studien die Möglichkeit der
direkten Übertragung von ESBL-produzierenden Enterobacteriaceae zwischen Nutztieren
und Menschen gezeigt hat. Dennoch liegt die Prävalenz der Kolonisation mit ESBL-
produzierenden E. coli bei Menschen mit direktem Umgang mit Nutztieren und der Allge-
meinbevölkerung etwa gleich hoch (in Deutschland bei ca. 6 %, Valenza et al., 2014; Fi-
scher at al., 2017), was derzeit darauf hindeutet, dass der direkte Kontakt zu Nutztieren kei-
nen wesentlichen Risikofaktor für eine erhöhte Prävalenz von ESBL-produzierenden E. coli
beim Menschen darstellt (Karanika et al., 2016). Im Gegensatz dazu liegt die Prävalenz von
MRSA bei Menschen mit direktem Umgang mit Nutztieren deutlich höher als in der
3 Übergreifende Diskussion 35
Allgemeinbevölkerung, da bei Hautkeimen der direkte Umgang mit den Tieren die Besiede-
lung des Menschen mit diesen Keimen fördert. Fischer et al. (2017) stellten z. B. bei Perso-
nen mit beruflichem Kontakt zu Mastschweinen eine nasale Besiedlung mit MRSA von
85 % (72/85) fest, während die Prävalenz in der Allgemeinbevölkerung in Deutschland bei
weniger als1 % liegt (Köck et al., 2016).
In der Bevölkerung Mittel- und Nordeuropas betrifft die Möglichkeit des direkten Transfers
durch Nutztiere nur eine sehr spezifische und eher kleine Gruppe von Personen (u. a. Land-
wirte, Tierärzte und Schlachthofmitarbeiter). Für die Allgemeinbevölkerung ist daher die
Relevanz der direkten Übertragung als eher gering einzuschätzen. In anderen Regionen,
z. B. Afrikas oder Asiens, wo Nutztiere in der direkten Umgebung von Menschen gehalten
werden ("backyard farming") oder lebende Tiere auf Märkten direkt an den Endverbraucher
verkauft werden, spielt dieser Übertragungsweg, bezogen auf die Gesamtbevölkerung, eine
größere Rolle (Aliyu et al., 2016).
3.3.2 Indirekte Übertragung zwischen Menschen und Nutztieren über Lebensmittel
Als wesentlicher Expositionspfad der Übertragung von ESBL-produzierenden Enterobacte-
riaceae von Nutztieren auf den Menschen muss der Verzehr tierischer Lebensmittel angese-
hen werden. Da der Einfluss des Verzehrs von kontaminierten Lebensmitteln auf die Be-
siedlung des menschlichen Darms mit ESBL-produzierenden Enterobacteriaceae aus ethi-
schen Gründen nicht experimentell zu untersuchen ist, gibt es hierzu keine direkten Studien.
Es wurden jedoch Isolate aus unterschiedlichen Quellen (Nutztier, Lebensmittel, Mensch)
parallel charakterisiert und verglichen. Wie in anderen Zusammenhängen (siehe oben) be-
reits ausgeführt, ist eine Limitation solcher Studien zu Isolateigenschaften, dass die Isolate
aus den jeweiligen Quellen meist unabhängig voneinander gesammelt wurden. Daher sind
Rückschlüsse auf Übertragungswege ohne Kenntnisse direkter epidemiologischer Zusam-
menhänge nur selten möglich. Zudem ist die tiefgehende Charakterisierung und Analyse
von Isolateigenschaften immer noch relativ aufwändig. Daher wurden in den bisher publi-
zierten Studien meist nur relativ wenige Isolate parallel untersucht (Belmar Campos et al.,
2014; Overdevest et al., 2011).
Eine deutsche Studie an Mastschweinen, die im Betrieb und im Schlachthof beprobt wur-
den, gibt Hinweise auf die Rolle der Übertragung von Enterobakterien oder Resistenzdeter-
minanten im Schlachthof. Zu Übertragungen kann es sowohl zwischen den Tieren oder Tie-
ren und ihrer Umgebung im Wartebereich kommen, als auch zwischen dem Schweinefleisch
36 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
und den Schlachthofmitarbeitern (Schmithausen et al., 2015). Grundsätzlich ist bei Lebens-
mitteln der konkrete Ursprung der Kontamination meist unklar. Die isolierten Bakterien
können vom Tier, von Menschen, die das Lebensmittel verarbeitet habe, oder von kontami-
nierten Oberflächen stammen.
In Proben von Gemüse, Milchprodukten und Fleisch konnten ESBL-produzierende E. coli
gefunden werden (Agersø et al., 2012; Odenthal et al., 2016; Reuland et al., 2014, Zogg et
al., 2016). Die höchsten Probenprävalenzen werden dabei bei Fleischproben beobachtet.
Eine Abschätzung der Exposition durch den Verzehr von Hähnchenfleisch ergab, dass die
größte Exposition durch Kreuzkontamination in der Küche besteht (Depoorter et al., 2012).
Wenn Hygienemaßnahmen bei der Zubereitung von Lebensmitteln nicht eingehalten wer-
den, kann es zu einer direkten Übertragung auf den Menschen oder Kreuzkontamination von
roh verzehrten Lebensmitteln kommen (Fetsch et al., 2015). Ob der Verzehr kontaminierter
Lebensmittel ein Risiko für die menschliche Gesundheit darstellt, bleibt jedoch unklar.
Evers et al. (2017) veröffentlichten eine Studie zur Abschätzung der Exposition mit ESBL-
produzierenden E. coli durch Fleischkonsum. Die Autoren weisen darauf hin, dass eine Ab-
schätzung des relativen Risikos nicht möglich ist, solange Studien zu anderen Übertra-
gungswegen, speziell zur Mensch zu Mensch-Übertragung in der Allgemeinbevölkerung
und in medizinischen Einrichtungen, fehlen.
3.3.3 Weitere Quellen für ESBL-produzierende Enterobacteriaceae
Für die Exposition des Menschen mit ESBL-produzierenden Enterobacteriaceae kommen
weitere Quellen in Frage, die in Publikation I und II nicht oder nur am Rande diskutiert
wurden, z. B. Vektoren wie Fliegen, Luft, Wasser und Boden (siehe Abbildung 1). Im Sinne
einer übergreifenden Diskussion unter Berücksichtigung von "One Health-Aspekten" wer-
den publizierte Ergebnisse zu diesen Quellen hier kurz zusammengefasst.
ESBL-produzierende Enterobacteriaceae wurden in Fliegen sowohl in nutztierhaltenden
Betrieben, als auch in Fliegen aus der ländlichen und städtischen Umwelt nachgewiesen
(Blaak et al., 2014; Dolejska et al., 2011; Schaumburg et al., 2016). Ein solcher Nachweis
war auch in Proben unterschiedlicher Wildtiere möglich (Review: Guenther et al., 2011).
Fliegen und Wildtiere könnten zur Verbreitung von Resistenzdeterminanten beitragen. Die
Relevanz für die menschliche Gesundheit ist jedoch unklar.
Zur luftgetragenen Übertragung ESBL-produzierender Enterobacteriaceae von Nutztieren
auf Menschen gibt es bisher nur wenige Untersuchungen. Eine Studie bei
3 Übergreifende Diskussion 37
schweinehaltenden Betrieben in Deutschland konnte in ca. 7 % der Luftproben außerhalb
des Stalles ESBL-produzierende Enterobacteriaceae nachweisen (Laube et al, 2014). Auch
wurden in der Umgebung nutztierhaltender Betriebe ESBL-produzierende Enterobacteri-
aceae gefunden (Blaak et al., 2015; Friese et al., 2013, Laube et al., 2014). Zur Prävalenz
der Kolonisation mit ESBL-produzierender Enterobacteriaceae von Bewohnern aus Gebie-
ten mit einer hohen Dichte nutztierhaltender Betriebe gibt es widersprüchliche Ergebnisse,
die allerdings wegen des Fehlens weiterer epidemiologischer Daten nur schwer interpretier-
bar sind. Eine Assoziation der Prävalenz von ESBL-produzierenden E. coli mit der Be-
triebsdichte konnte in einer niederländischen Studie von Wielders et al. (2016) nicht festge-
stellt werden. Eine andere niederländische Studie ergab dagegen, dass die Kolonisation mit
ESBL-produzierenden Enterobacteriaceae von Menschen mit der Dichte von broilerhalten-
den Betrieben in der menschlichen Umgebung assoziiert ist (Huijbers et al., 2013).
Im Vergleich zu Studien bei Menschen und Tieren wird aus Studien an Wasser- und Boden-
proben eine größere Vielfalt an ESBL-produzierenden Bakterienspezies berichtet. Dies kann
zu einem vielfältigen horizontalen Austausch von Resistenzdeterminanten führen. Eine
Schweizer Studie konnte in 21 von 58 (36 %) untersuchten Gewässern ESBL-produzierende
Enterobacteriaceae nachweisen. Neben E. coli (n=60) wurden folgende Bakterienspezies
identifiziert: sieben Klebsiella pneumoniae Stämme, fünf Raoultella planticola Stämme, ein
Enterobacter cloacae Stamm und ein Enterobacter amnigenus Stamm (Zurfluh et al., 2013).
Viele der ESBL-produzierenden E. coli Isolate aus Wasserproben weisen Resistenzen gegen
drei oder mehr Antibiotikaklassen auf (Franz et al., 2015; Kittinger et al., 2016). Die Se-
quenztypen dieser Isolate sind vielfältig, wobei auch der humanpathogene ST131 in mehre-
ren Studien identifiziert wurde (Kittinger et al., 2016; Müller et al., 2016; Zurfluh et al.,
2013). Eine französische Studie zeigte, dass ESBL-produzierende E. coli etwa achtmal häu-
figer in menschlichen Abwässern als im Abwasser eines Schlachthofes nachzuweisen waren
(Diallo et al., 2013). Der Vergleich von E. coli Isolaten aus städtischen und Krankenhaus-
abwässern ergab, dass trotz vorhergehender Reinigung Isolate aus Krankenhausabwässern
etwa doppelt so häufig ESBLs-produzierten, wie die Isolate aus städtischen Abwässern
(Korzeniewska et al., 2013). In einer Schweizer Studie wurden ESBL-produzierende E. coli
aus unterschiedlichen Quellen (Wasser, Fisch, Nutztiere, Fleisch, Patienten und gesunde
Menschen) untersucht. Dabei wurde festgestellt, dass 20 von 60 Isolaten (33 %) aus Proben
von Oberflächengewässern Virulenzfaktoren trugen, die typisch für uropathogene Stämme
sind. Von den 28 Isolaten von Nutztieren trugen nur 3 (11 %) die entsprechenden Virulenz-
faktoren (Müller et al., 2016). Auch in Meerwasser und Bodenproben konnten
38 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
ESBL-produzierende Enterobacteriaceae nachgewiesen werden (Hartmann et al., 2012,
Jones-Dias et al., 2016, Maravić et al., 2015). Jones-Dias et al. (2016) fanden einen
Zusammenhang zwischen dem Vorkommen ESBL-produzierender Enterobacteriaceae und
der Intensität der Bewirtschaftung des Bodens, wobei die in dieser Studie untersuchten Iso-
late andere Resistenzmuster aufwiesen als klinische Isolate (Jones-Dias et al., 2016). Zu-
sammenfassend zeigen diese Untersuchungen eine relativ hohe Prävalenz ESBL-
produzierender Enterobacteriaceae in Oberflächengewässern und im Boden, doch auch hier
muss die Relevanz für die menschliche Gesundheit noch geklärt werden.
Als Träger von ESBL-produzierenden Enterobacteriaceae in der menschlichen Umgebung
kommen auch Haustiere in Frage (Ewers et al., 2012). Da der Kontakt zwischen Menschen
und ihren Haustieren sehr eng ist, besteht hier die Möglichkeit einer Transmission (Chomel
und Sun, 2011). Eine niederländische Studie zu Risikofaktoren der Kolonisation mit ESBL-
produzierenden Enterobacteriaceae von Menschen ergab eine Assoziation mit dem Kontakt
zu Pferden (Huijbers et al., 2013). Auch weisen klinische Isolate von Haustieren ähnliche
Isolateigenschaften wie humane klinische Isolate auf (Bogaerts et al., 2015; Wieler et al.,
2011). Valentin et al. (2014) stellten fest, dass eine Untergruppe aus 1.329 untersuchten
Isolaten nur bei Haustieren und Menschen, nicht jedoch bei Nutztieren vorkam. Eine Asso-
ziation der Behandlung mit Antibiotika und dem Auftreten ESBL-produzierender E. coli bei
Hunden und Katzen konnte nachgewiesen werden (Belas et al., 2014; Gandolfi-
Decristophoris et al., 2013). Diese Ergebnisse weisen auf die Bedeutung der Übertragung
ESBL-produzierender Enterobacteriaceae zwischen Haustieren und Menschen hin. Um die
Häufigkeit und die Richtung der Übertragung ESBL-produzierender E. coli genauer zu un-
tersuchen, fehlen jedoch parallele, im Idealfall longitudinale, Studien bei Haustieren und
ihren Haltern.
Eine wesentliche Rolle beim Erwerb ESBL-produzierender Enterobacteriaceae spielt wahr-
scheinlich die direkte oder indirekte Übertragung von Mensch zu Mensch, z. B. über kon-
taminierte Oberflächen. Insbesondere innerhalb von medizinischen Einrichtungen scheint es
häufiger zu einer Übertragung von ESBL-produzierenden Enterobacteriaceae zu kommen:
In mehreren Studien wurde eine Assoziation zwischen dem Vorkommen ESBL-
produzierender E. coli und dem Kontakt zu medizinischen Einrichtungen, Hospitalisation
und der Behandlung mit Antibiotika festgestellt (Ludden et al., 2015; Valenza et al., 2015,
van der Mee-Marquet et al., 2015). Adler et al. (2012) konnten die meisten der untersuchten
nosokomial erworbenen ESBL-produzierenden E. coli Stämme auf solche Stämme zurück-
führen, die parallel auch bei anderen Patienten in der selben medizinischen Einrichtung
3 Übergreifende Diskussion 39
nachgewiesen wurden. Das deutet auf eine Zirkulation von Stämmen innerhalb einer Ein-
richtung hin. Auch auf Stationen ohne Patienten mit Infektion durch ESBL-produzierende
Enterobacteriaceae wurden diese Bakterien nachgewiesen. Orte, an denen diese Bakterien
besonders häufig gefunden wurden, waren Handwaschbecken und der Fußboden
(Muzslay et al., 2017). Als Risikofaktoren für den Erwerb von ESBL-produzierenden E. coli
bei hospitalisierten Patienten wurden Immobilität, Wunden und Behandlung mittels Blasen-
katheter identifiziert (Gruber et al., 2013).
Ob und wie häufig es zu einer Übertragung von ESBL-produzierenden Enterobacteriaceae
zwischen gesunden Personen im Alltag kommt, muss noch weiter untersucht werden. Gene-
rell und insbesondere in medizinischen Einrichtungen gilt, dass Hygienemaßnahmen sorg-
fältig eingehalten und durchgeführt werden sollten.
3.4 Definition relevanter Informationen für populationsübergreifende
Analysen
3.4.1 Erfassung phäno- und genotypischer Isolateigenschaften
Bisher werden Rückschlüsse auf mögliche Übertragungswege primär auf Grundlage von
Isolateigenschaften getroffen. Wie schon eingangs beschrieben, gibt es bei ESBL-
produzierenden E. coli, anders als bei MRSA, keine "… acquired"–Typen die einer be-
stimmten Herkunft zugeschrieben werden können. Bisherige Untersuchungen zeigten zu-
dem eine sehr große Vielfalt an Isolaten (Costa et al., 2009 VM; Schmid et al., 2014). Daher
ist es für ESBL-produzierende E. coli derzeit nicht möglich, anhand von Kombination von
Isolateigenschaften, allgemeine, populationsspezifische Subtypen zu identifizieren. Valentin
et al. (2014) zeigten in einer ausschließlich auf Isolateigenschaften basierenden Analyse in
der die Eigenschaften von 1.329 Isolaten verglichen wurden, dass durchaus populationsspe-
zifische Subtypen gefunden werden können. Diese machten aber nur einen kleinen Teil der
jeweiligen Isolate aus (2,6 % der Isolate aus Tierproben, 7,3 % der Isolate aus humanen
Proben). Daher ist derzeit davon auszugehen, dass eine Transmissionsanalyse nur gelingen
kann, wenn zusätzlich epidemiologische Informationen zur Verfügung gestellt werden kön-
nen. Im Rahmen der im Forschungsverbund RESET durchgeführten harmonisierten Labor-
analysen wurde auch die Art und Weise der Datenerfassung vereinheitlicht. Da es sich bei
den untersuchten Populationen jedoch überwiegend um unabhängige Kollektive handelt und
nur sehr wenige epidemiologische Informationen zur Verfügung stehen, reichen auch diese
40 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
umfangreichen Daten (Valentin et al., 2014) nicht aus, um eine eindeutige Transmission
zwischen den untersuchten Populationen zu belegen.
Bei der Erfassung von Isolateigenschaften zur Bewertung der antimikrobiellen Resistenz in
zukünftigen Studien sollten daher generell folgende Punkte berücksichtigt werden:
- Je tiefer Isolate charakterisiert werden, desto weniger Gemeinsamkeiten lassen sich
bei Vergleichen feststellen.
- Die Tiefe der Isolatcharakterisierung ist abhängig von der jeweiligen Fragestellung.
- Daher sollte in Abhängigkeit von der Fragestellung immer angegeben werden, wann
zwei Isolate als gleich definiert werden.
- Bei der Auswahl von Isolaten sollten epidemiologische Gesichtspunkte berücksichtigt
werden, um Rückschlüsse auf die relative Verteilung von Isolateigenschaften in Popu-
lationen ziehen zu können.
Insgesamt sollten Laboranalyseprotokolle für die Untersuchung von Proben und Isolaten aus
unterschiedlichen Quellen (z. B. Menschen, Tieren, Lebensmitteln) stärker harmonisiert
werden. Dazu zählen auch die Methoden der Genomsequenzierung. Im interdisziplinären
Forschungsverbund RESET wurden bei der Harmonisierung der Protokolle für Isolation und
Charakterisierung von ESBL-produzierenden E. coli wesentliche Fortschritte erzielt
(www.reset-verbund.de), die auch in die von der EFSA empfohlenen Protokolle eingegan-
gen sind (EFSA, 2012; http://eurl-ar.eu/233-protocols.htm).
3.4.2 Epidemiologische Information zur Transmission
Um beurteilen zu können, ob ein Zusammenhang zwischen zwei Isolaten mit gleichen Ei-
genschaften besteht (z. B. durch direkte Übertragung oder externe Kontaminationsquelle),
sind epidemiologische Informationen zur Probenherkunft zwingend erforderlich.
Bei der Beprobung von Menschen kann bei der Erfassung epidemiologischer Informationen
auf Erfahrungen aus Ausbruchsuntersuchungen oder größeren Beobachtungsstudien zurück-
gegriffen werden (Untersuchungen in Deutschland siehe z. B. German National Cohort
Consortium, 2014; EPIC: Slimani et al., 2007; KORA: Holle et al., 2005). In der Tiermedi-
zin gibt es bisher keine validierten Fragebögen für Bestandsuntersuchungen, so dass hier auf
einschlägige Erfahrungen von veterinärepidemiologischen Studien im Rahmen diverser
Zoonoseforschungsverbünde (u. A. FBI-Zoo (siehe http://www.fbi-zoo.net/), RESET (siehe
http://www.reset-verbund.de/)) sowie Erfahrungen am Institut für Biometrie, Epidemiologie
3 Übergreifende Diskussion 41
und Informationsverarbeitung der Tierärztlichen Hochschule Hannover zurückgegriffen
werden soll.
Nach Möglichkeit sollten folgende epidemiologische Informationen erfasst werden:
- Art der Probengenerierung (aktiv: z. B. durch wissenschaftliche Studie oder Monito-
ring; passiv: z. B. aus Untersuchungen in Labor / Klinik)
Die Art der Probengenerierung sollte erfasst werden, um beurteilen zu können, ob es
sich dabei um eine repräsentative Stichprobe handelt oder nicht.
- Ort (geographisch) der Probennahme
Als Ort der Probennahme sollte mindestens das entsprechende Land angegeben wer-
den, da es sowohl bei epidemiologischen Faktoren wie den Haltungs- bzw. Lebensbe-
dingungen von Tieren und Menschen oder dem Antibiotikaeinsatz als auch bei den
Isolateigenschaften erhebliche regionale Unterschiede geben kann.
- Lokalisation der Probennahme (z. B. Krankenhaus, Betrieb, Schlachthof …)
Die Lokalisation der Probennahme ist entscheidend für die Bewertung von Expositi-
ons- und Transmissionspfaden.
- Datum der Probennahme
Da es zeitliche Trends, z. B. beim Antibiotikaeinsatz oder der Ausbreitung bestimmter
Bakterienstämme gibt, muss das Datum der Probennahme erfasst werden.
- epidemiologische Einheit (z. B. Mensch, Lebensmittel, Tier, Umwelt, …)
Die epidemiologische Einheit, z. B. Patienten von Intensivstationen, Fleischproben
oder mastschweinehaltende Betriebe, ist entscheidend für die Analyse der Ergebnisse.
- Alter der epidemiologischen Einheit (bei Mensch, Tier)
Die Art der Erfassung des Alters hängt von der Art der epidemiologischen Einheit
hab. Bei Broilern ist es sinnvoll das Alter in Tagen zu erfassen, bei Menschen eher in
Jahren. Bei einigen Nutztieren ist es üblich Altersstufen, z. B. Ferkel, Läufer, Mast-
schwein etc., zu unterscheiden.
- Nutzungsrichtung (bei Tieren)
Die Nutzungsrichtung gibt bei lebensmittelliefernden Tieren Auskunft über die Art
der Haltung.
- Art der Erkrankung (nur bei Proben von Patienten)
Aus der Art der Erkrankung, zusammen mit der Information zum Probenmaterial kann
man schließen, ob das Isolat mit der Erkrankung in Zusammenhang steht oder die Be-
probung unabhängig von der Erkrankung erfolgte.
42 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
- Probenmaterial (z. B. Blut, Urin, Kot / Stuhl, Abstriche von Oberflächen, Lebensmit-
tel, …)
Da die Prävalenz ESBL-produzierender Enterobacteriaceae von der Art des Proben-
materials abhängt (siehe Publikation II) und sich auch die Bakterienstämme in unter-
schiedlichen Probenmaterialien unterscheiden, ist es wichtig, diese Information mit zu
erfassen.
- Behandlung mit Antibiotika (bei Mensch, Tier)
Da die Behandlung mit Antibiotika zu den bedeutendsten Einflussfaktoren für das
Auftreten von Resistenzen gehört, sollten auch Informationen hierzu mit erfasst wer-
den.
- Ernährungs-/Fütterungsgewohnheiten (bei Mensch, Tier)
- Tierkontakte (bei Mensch, Tier)
Ernährung bzw. Fütterung und Tierkontakte stellten Expositionspfade mit ESBL-
produzierender Enterobacteriaceae dar (siehe Abbildung 1). Darüber hinaus hat die
Ernährung Auswirkungen auf die Zusammensetzung der Darmflora und sollte daher
mit erfasst werden.
- Reisetätigkeit (bei Menschen)
- Kontakt zu oder Behandlung in medizinischen Einrichtungen (bei Menschen, Tieren)
- Handelsbeziehungen (bei landwirtschaftlichen Betrieben oder Schlachthöfen)
- Herkunftsbetrieb, ggf. Informationen zu Verarbeitung und Vertrieb (bei Lebensmit-
teln, Tieren).
Informationen zu Reisetätigkeiten, Kontakten zu medizinischen Einrichtungen, Han-
delsbeziehungen und Herkunftsbetrieben geben Aufschluss über epidemiologische
Zusammenhänge, Übertragungswege und Übertragungsrichtung.
3.4.3 Beschreibung der Erfassungstabelle zur strukturierten Extraktion von Daten
aus publizierten Studien
Aus der Bewertung der Relevanz verschiedener Transmissionswege (siehe Abschnitt 3.3)
wird deutlich, dass die relativen Risiken, die unterschiedliche Expositionsquellen zum Vor-
kommen von ESBL-produzierenden Enterobacteriaceae beim Menschen beitragen, immer
noch unklar sind. Um publizierte Studien besser vergleichen und übergreifend beurteilen zu
können, ist eine standardisierte Datenextraktion notwendig. Im Rahmen des für Publikati-
on I durchgeführten Reviews wurde eine strukturierte Erfassungstabelle entwickelt, mit de-
ren Hilfe alle relevanten Informationen aus publizierten Studien zu ESBL-produzierenden
3 Übergreifende Diskussion 43
Enterobacteriaceae extrahiert werden können (siehe Anhang A.2). Diese Erfassungstabelle
ist für die Extraktion von Daten aus Beobachtungsstudien an unterschiedlichen Populatio-
nen, aber auch unterschiedlichen Bakterienspezies oder Resistenzen anwendbar.
Zur strukturierten Extraktion von Daten aus publizierten Studien enthält die Erfassungsta-
belle 119 Felder aus acht Bereichen (siehe Tabelle 2), die im Folgenden näher beschrieben
werden.
Tabelle 2: Aufteilung der Datenfelder in der Erfassungstabelle auf verschiedene inhaltliche Abschnitte
Bewertungsbereich Anzahl Felder
Charakteristika der Studie 33
Angaben zur untersuchten Population 14
Isolation von Bakterienstämmen 12
ESBL Bestätigung 10
Phänotypische Resistenztestung 14
Tiefergehende Charakterisierung von Isolaten 19
Anzahl untersuchter und positiver (Proben, Individuen, Settings) 11
Status der Datenextraktion 6
Anzahl Felder 119
Zu Beginn der Datenextraktion werden Charakteristika der Studie erfasst, darunter Jahr der
Publikation, Erstautor und URL. Diese Informationen dienen der eindeutigen Identifikation
einer Publikation. In diesem Abschnitt kann, unter anderem, auch erfasst werden, was das
Ziel der Studie war, ob eine Stichprobenplanung durchgeführt wurde, oder um welches Stu-
diendesign es sich handelte (Abbildung 2).
Der nächste Abschnitt der Erfassungstabelle befasst sich mit Angaben zur untersuchten Po-
pulation. Da die Datenextraktion dem Vergleich von ESBL-produzierenden Enterobacteri-
aceae in unterschiedlichen Populationen dient, ist dies auch die Ebene, die einen Datensatz
definiert. Werden in einer Studie mehrere Populationen, z. B. Schweine und Schweinehalter
oder unterschiedliche Tierarten, untersucht, soll für jede Population ein Datensatz angelegt
werden, so dass pro Publikationen mehrere Untersuchungen dokumentiert werden können.
Bei der Studienpopulation wird dazu zuerst grob unterteilt, ob es sich um Tiere, Menschen,
ein bestimmtes "Setting" (z. B. Betriebe oder Krankenhäuser) oder Lebensmittel handelt.
Anschließend kann die Population genauer definiert werden, z. B. durch die Eingabe, um
welche Tierart es sich handelt, Nutzungsrichtung, ob Landwirte, Patienten oder Familien-
mitglieder beprobt wurden oder um welches Lebensmittel es sich handelt. Weiterhin kann
hier auch erfasst werden, welche Arten von Proben genommen wurden. Für die meisten
44 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
dieser Angaben stehen dazu vorgebebene Auswahllisten (Kataloge) zur Verfügung, um eine
standardisierte und gut auswertbare Datenerfassung zu gewährleisten.
In den anschließenden Datenfeldern können Informationen zur Isolation der Bakterien-
stämme aus dem Probenmaterial erfasst werden. Wesentliche Informationen sind hier, ob es
eine Anreicherung gab, wie diese erfolgte (selektiv oder nicht selektiv), und welcher Agar,
ggf. mit Zusätzen, verwendet wurde. Weiterhin kann hier festgehalten werden, Isolate wel-
cher Bakterienspezies in der jeweiligen Studie genauer untersucht wurden und mit welcher
Methode die Bakterienspezies bestimmt wurden.
Im folgenden Abschnitt kann erfasst werden, mit welchen Methoden die ESBL-Produktion
bestätigt wurde und welche ESBL-Gene untersucht und gefunden wurden. Anschließend
können Details zur phänotypischen Resistenztestung, den verwendeten Antibiotika und den
entsprechenden Ergebnissen eingegeben werden. Darüber hinaus kann erfasst werden, mit
welchen Methoden die Isolate tiefergehend charakterisiert wurden (siehe Abschnitt 1.2).
Weitere Kerninformationen, die in der Erfassungstabelle festgehalten werden können, sind
die Anzahl der untersuchten und positiven Settings (z.B. Betriebe), der einzelnen Individuen
(z.B. Tiere) und der Proben. Daraus werden automatisch die entsprechenden Prävalenzen
ermittelt (Abbildung 3).
Im letzten Abschnitt der Tabelle werden noch Informationen zur Datenextraktion erfasst.
Hierzu zählen, ob die Daten bereits vollständig extrahiert wurden, oder ob eine Rückfrage
an den Autor der jeweiligen Studie gestellt wurde. Die einzelnen Felder der Erfassungsta-
belle werden in Tabelle A.2 im Anhang im Detail beschrieben. Zur Veranschaulichung ist in
den Abbildung 2 und Abbildung 3 jeweils ein Ausschnitt aus der Erfassungstabelle darge-
stellt.
3 Übergreifende Diskussion 45
Abbildung 2: Ausschnitt aus der Erfassungstabelle zur Extraktion von Informationen aus publizierten Studien
(hier: Erfassungsbereich 'Charakteristika der Studie')
Abbildung 3: Ausschnitt aus der Erfassungstabelle zur Extraktion von Informationen aus publizierten Studien
(hier: Erfassungsbereich 'Anzahl untersuchter und positiver (Proben, Individuen, Settings)')
46 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
3.5 Fazit und abschließende Bemerkungen
Aus den Erfahrungen, die im Rahmen dieser Arbeit bei der populationsübergreifenden Be-
urteilung von Studienergebnissen gesammelt wurden, lassen sich folgende Schlussfolgerun-
gen ziehen.
Die aktuellen methodischen Fortschritte, speziell neueste Sequenzierungstechniken wie
"Next Generation Sequencing" und "Third Generation Sequencing" erlauben die umfassen-
de Charakterisierung von Isolaten. Dennoch ermöglicht erst die standardisierte Erfassung
und Integration mikrobiologischer und epidemiologischer Daten im Rahmen von epidemio-
logischen Studien ein umfassendes Verständnis der Transmissionswege ESBL-
produzierender Enterobacteriaceae. Daraus ergeben sich Forderungen, die trotz gegenwär-
tiger interdisziplinärer Forschung, z. B. im Rahmen des Forschungsverbundes RESET, noch
nicht vollständig erfüllt sind:
- Die Protokolle für die Untersuchung von Proben und Isolaten aus unterschiedlichen
Quellen sollten stärker harmonisiert werden. Dies umfasst sowohl die Protokolle für
Laboranalysen als auch die strukturierte bioinformatorische und statistische Analyse.
- Neben den Isolateigenschaften sollten auch epidemiologische Informationen zur Pro-
benherkunft gesammelt werden.
- Die Art und Weise der Datenerfassung und Berichterstattung in Publikationen sollte,
besonders bei Beobachtungsstudien, stärker standardisiert werden.
In der Eb(V)M werden bisher überwiegend klinische bzw. Interventionsstudien in übergrei-
fenden Analysen berücksichtigt (www.cochrane.de/de). In der veterinärepidemiologischen
Forschung überwiegen Beobachtungsstudien, bei denen Studienprotokolle und Berichter-
stattung wenig standardisiert sind. Eine stärkere Strukturierung und Standardisierung könnte
durch die Einführung eines Studienregisters für Beobachtungsstudien erreicht werden. Für
humanmedizinische klinische Studien ist eine Registrierung, z. B. über ClinicalTrials.gov,
schon seit über 15 Jahren Standard und vermehrt Voraussetzung für eine Publikation der
Ergebnisse. In einem Register für Beobachtungsstudien könnten Basisdaten zum Studiende-
sign, zur untersuchten Population, zur Laboranalyse, zur Definition des Outcomes und der
statistischen Analyse schon bei Studienbeginn festgehalten werden. Darüber hinaus würde
ein solches Register die Suche nach nicht publizierten Studien erleichtern und dadurch den
Selektionsbias in systematischen Reviews reduzieren. In der Humanmedizin gibt es seit
etwa 2010 Bestrebungen ein Register für Beobachtungsstudien einzuführen (Williams et.
al., 2010). Diese haben jedoch bisher zu keinem Ergebnis geführt, dass auch für veterinär-
3 Übergreifende Diskussion 47
epidemiologische Beobachtungsstudien anwendbar wäre. Damit sich ein Register für Be-
obachtungsstudien durchsetzt, müsste die Registrierung Voraussetzung für eine Publikation
der Studienergebnisse sein. Darüber hinaus sollten Editoren und Gutachter von wissen-
schaftlichen Zeitschriften noch stärker auf die Einhaltung von "Reportingstandards" achten
(von Elm et al., 2008).
Ein (passives) Register für Beobachtungsstudien mit einheitlichen Standards der Datener-
fassung könnte auch die Basis für ein aktives, populationsübergreifendes One-Health-
Monitoring darstellen. Im Rahmen einer WHO Projektgruppe (Advisory Group on In-
tegrated Surveillance of Antimicrobial Resistance, AGISAR) wird derzeit an der Entwick-
lung eines Protokolls zur integrierten Surveillance antibiotikaresistenter Bakterien gearbei-
tet. Darin sollen Minimalkriterien festgelegt werden, welche die übergreifende Beurteilung
internationaler Untersuchungen ermöglichen (AGISAR, 2016). Die von der AGISAR erar-
beiteten Elemente zur integrierten Surveillance entsprechen grundsätzlich den in Abschnitt
3.4 dieser Arbeit diskutierten Punkten.
Entsprechend AGISAR sollten folgende Elemente bei einer integrierten Surveillance antibi-
otikaresistenter Bakterien berücksichtig werden:
A Studienpopulation bzw. Probenquelle
B Untersuchte Bakterienspezies
C Stichprobenplan
D Methoden der Laboranalyse
E Datenmanagement, -analyse, -berichterstattung
Die populationsübergreifende Integration von Informationen ist essentiell für die Überwa-
chung der Verbreitung ESBL-produzierender Enterobacteriaceae und damit schlussendlich
für die Reduktion dieser Erreger und dem Schutz der menschlichen und tierischen Gesund-
heit.
4 Zusammenfassung 49
Zusammenfassung 4
Kaja Hille (2017)
Übergreifende Datenanalysen zum Vorkommen von Zoonoseerregern bei Tieren,
Lebensmitteln und Menschen unter Einbeziehung von epidemiologischen Faktoren
sowie phäno- und genotypischen Isolateigenschaften
Im Zentrum dieser Arbeit stehen Extended-Spektrum beta-Laktamase- (ESBL-) produzie-
rende Enterobacteriaceae, die zur großen Vielfalt der zoonotischen Erreger gehören. Bakte-
rien, die in der Lage sind Extended-Spektrum beta-Laktamasen zu produzieren, können Pe-
nicilline mit erweitertem Wirkspektrum bis hin zu Cephalosporinen der dritten und vierten
Generation und Monobactame hydrolysieren und sind dadurch gegen diese Antibiotika re-
sistent, was die Behandlungsmöglichkeiten bei Infektionen mit diesen Bakterien erheblich
reduziert. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Ergebnisse zu ESBL-produzierenden Entero-
bacteriacea aus verschiedenen Studien zusammengeführt.
Zum besseren Verständnis ESBL-produzierender Escherichia (E.) coli bei Nutztieren wur-
den zuerst ausgewählte europäische Studien, zum Vorkommen und den Risikofaktoren für
das Auftreten dieser Resistenzen in einem narrativen Review zusammengefasst. Insgesamt
konnte eine sehr hohe Prävalenz feststellt werden. Am höchsten waren die Prävalenzen bei
Broilern. Die Betriebssprävalenz lag bei 25-100 % und die Einzeltierprävalenz bei ca. 40 %.
Für schweinehaltende Betriebe schwanken die Ergebnisse zur Prävalenz sehr stark. So wur-
den Betriebsprävalenzen von 1 % bis 80 % und Einzeltierprävalenzen von 15 % bis 100 %
berichtet.
Die Prävalenzen Cefotaxim-resistenter E. coli in rinderhaltenden Betrieben in Deutschland
wurden im Rahmen einer gepoolten Analyse genauer untersucht. Dabei wurden die Daten
aus zwei Querschnittsstudien gemeinsam analysiert. Insgesamt wurden 60 Mastrinderhal-
tungen und 52 Milchrinderhaltungen untersucht. In 70 % bzw. 85 % dieser Betriebe wurden
Cefotaxim-resistente E. coli gefunden. Die Analyse potentieller Risikofaktoren ergab eine
Assoziation eines niedrigeren Anteils positiver Proben mit Faktoren, die auf eine weniger
intensive Haltung hindeuten. Faktoren, die für ein gutes Hygienemanagement stehen, waren
ebenfalls mit einem geringeren Anteil positiver Proben assoziiert. Bei mastrinderhaltenden
50 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Betrieben war eine Behandlung der gesamten untersuchten Tiergruppe mit einem höheren
Anteil positiver Proben assoziiert.
Aus den Erfahrungen, die im Rahmen dieser Arbeit bei der populationsübergreifenden Be-
urteilung von Studienergebnissen gesammelt wurden, lassen sich drei wesentliche Schluss-
folgerungen ziehen: (1) Die Protokolle für die Untersuchung von Proben und Isolaten aus
unterschiedlichen Quellen sollten stärker harmonisiert werden. Dies umfasst Protokolle für
Laboranalyse sowie bioinformatorische und statistische Analyse. (2) Neben den Isolateigen-
schaften sollten auch epidemiologische Informationen zur Probenherkunft gesammelt
werden. (3) Die Art und Weise der Datenerfassung und Berichterstattung in Publikationen
sollte, besonders bei Beobachtungsstudien, stärker standardisiert werden. Die Umsetzung
dieser drei Punkte würde die Möglichkeiten der übergreifenden Analysen von Studiener-
gebnissen verbessern und damit der Erkenntnisgewinn vergrößert.
5 Summary 51
Summary 5
Kaja Hille (2017)
Comprehensive data analyses on the occurrence of zoonotic agents in animals, food,
and humans taking into consideration epidemiological factors as well as genotypic and
phenotypic isolate characteristics
This work focusses on extended spectrum beta-lactamase (ESBL)-producing Enterobacteri-
aceae which belong to the broad spectrum of zoonotic germs. Extended-spectrum β-
lactamases (ESBLs) are able to hydrolyse penicillins up to third- and fourth-generation
cephalosporins and monobactams and therefore confer resistance to these β-lactam antibiot-
ics. In this way, the treatment options are reduced when infections with ESBL-producing
bacteria occur. The objective of this thesis is to consolidate results of epidemiological stud-
ies on ESBL-producing Enterobacteriaceae in livestock.
To gain a better understanding of the ESBL epidemiology in livestock (poultry, cattle and
pig), selected European studies on the occurrence of ESBL-producing Escherichia (E.) coli
isolates and on the risk factors associated to the occurrence of such isolates were summa-
rised in a narrative review. In general, a high prevalence of ESBL-producing E. coli has
been reported in the different livestock. The highest prevalences were observed in broilers.
Prevalences of 25-100 % were reported in broiler farms, while individual animal prevalenc-
es were about 40 %. The reported prevalences for pig farms vary. In pig farms prevalences
of 1-80 % were reported, where as individual animal prevalences of 15-100% were found.
Prevalences of cefotaxime-resistant E. coli in cattle farms in Germany were examined more
closely within the framework of a pooled analysis. For this approach, data from two cross
sectional studies were jointly analysed. In total, 60 farms keeping beef cattle and 52 farms
keeping dairy cattle were investigated. Cefotaxim-resistant E. coli were found on 70 % and,
respectively, 85 % of these farms. The analyses of potential risk factors for the occurrence
of cefotaxim-resistant E. coli in the farms showed an association of a low proportion of pos-
itive samples with factors that indicate a less intense farming. Moreover, factors pointing
toward a good hygiene management were also associated with a lower proportion of posi-
tive samples. In farms keeping beef cattle, the antimicrobial treatment of groups of animals
was associated with a higher proportion of positive samples.
52 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Three main conclusions can be drawn from the experiences gained by the comprehensive
evaluation of study results: (1) The protocols for the investigation of samples and isolates
from different sources need stronger harmonisation. This includes laboratory protocols as
well as bioinformatical and statistical analysis. (2) In addition to the characterisation of iso-
lates, also epidemiologic information on the origin of the samples should be collected as
well. (3) Data acquisition and reporting in publications, especially in case of observational
studies, should be more standardised. The implementation of these three points would facili-
tate the comprehensive evaluation of study results and thus increase the knowledge gain.
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rivers and lakes in switzerland. Applied and Environmental Microbiology. 2013; 79 (9):
3021–6.
Anhang 65
Anhang
A.1 Sequenztypen
Anhang Tabelle 1: Europäische Studien (von 2013-2016), in denen Sequenztypen bei ESBL-produzierenden
Isolaten von Schweinen und Menschen beschrieben wurden (Referenz fett: häufigster Sequenztyp in der be-
treffenden Studie)
Sequenztyp Schweine Mensch (Patienten)
ST1 García-Cobos et al., 2015
ST8 García-Cobos et al., 2015
ST10 Fischer et al., 2017; García-Cobos et al., 2015; Ham-
merum et al., 2014; Ramos et al., 2013; Rodrigues et
al., 2013
Brolund et al., 2014, Gerhold et al., 2016; Leistner et
al., 2013; Nielsen et al., 2013; Pietsch et al., 2017
ST12 Brolund et al., 2014, Nielsen et al., 2013; Pietsch et al.,
2017
ST23 Ramos et al., 2013 Leistner et al., 2013
ST34 Rodrigues et al., 2013
ST38 García-Cobos et al., 2015 Brolund et al., 2014; Gerhold et al., 2016; Leistner et
al., 2013; Nielsen et al., 2013
ST46 Leistner et al., 2013
ST48 García-Cobos et al., 2015; Ramos et al., 2013 Leistner et al., 2013; Pietsch et al., 2017
ST56 Ramos et al., 2013
ST58 Hammerum et al., 2014; Ramos et al., 2013 Brolund et al., 2014, Gerhold et al., 2016
ST59 Nielsen et al., 2013
ST62 Brolund et al., 2014
ST68 Brolund et al., 2014; Pietsch et al., 2017
ST69 Brolund et al., 2014, Leistner et al., 2013; Nielsen et al.,
2013; Pietsch et al., 2017
ST73 Brolund et al., 2014, Leistner et al., 2013; Pietsch et al.,
2017
ST74 Brolund et al., 2014
ST86 García-Cobos et al., 2015; Hammerum et al., 2014
ST88 García-Cobos et al., 2015 Leistner et al., 2013; Nielsen et al., 2013; Pietsch et al.,
2017
ST90 Brolund et al., 2014
ST93 García-Cobos et al., 2015 Leistner et al., 2013; Pietsch et al., 2017
ST95 Pietsch et al., 2017
ST101 Ramos et al., 2013 Gerhold et al., 2016; Nielsen et al., 2013; Pietsch et al.,
2017
ST106 Pietsch et al., 2017
ST111 Pietsch et al., 2017
ST117 García-Cobos et al., 2015
ST127 Brolund et al., 2014
ST131
Brolund et al., 2014; Gerhold et al., 2016;
Leistner et al., 2013; Nielsen et al., 2013; Pietsch et
al., 2017;
ST141 Nielsen et al., 2013; Pietsch et al., 2017
ST155 Pietsch et al., 2017
ST162 García-Cobos et al., 2015
ST165 Dohmen et al., 2015
ST167 Fischer et al., 2014; García-Cobos et al., 2015 Brolund et al., 2014; Nielsen et al., 2013
ST189 Hammerum et al., 2014
ST193 García-Cobos et al., 2015
ST196 Fischer et al., 2017
66 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Sequenztyp Schweine Mensch (Patienten)
ST206 Hammerum et al., 2014
ST218 Ramos et al., 2013
ST219 Pietsch et al., 2017
ST224 García-Cobos et al., 2015
ST227 Rodrigues et al., 2013
ST278 Fischer et al., 2017
ST349 Brolund et al., 2014
ST351 Brolund et al., 2014
ST354 Ramos et al., 2013 Pietsch et al., 2017
ST357 García-Cobos et al., 2015
ST361 Brolund et al., 2014, Leistner et al., 2013; Pietsch et al.,
2017
ST362 Brolund et al., 2014
ST363 Leistner et al., 2013
ST372 Brolund et al., 2014; Leistner et al., 2013
ST393 Leistner et al., 2013; Pietsch et al., 2017
ST394 Nielsen et al., 2013
ST398 Ramos et al., 2013
ST401 Nielsen et al., 2013
ST404 Brolund et al., 2014
ST405 Brolund et al., 2014, Leistner et al., 2013; Nielsen et al.,
2013; Pietsch et al., 2017
ST410 Fischer et al., 2014; Fischer et al., 2017; García-Cobos
et al., 2015
Brolund et al., 2014; Gerhold et al., 2016; Leistner et
al., 2013; Nielsen et al., 2013; Pietsch et al., 2017
ST428 Pietsch et al., 2017
ST443 Nielsen et al., 2013; Pietsch et al., 2017
ST448 Nielsen et al., 2013
ST453 Dohmen et al., 2015; Fischer et al., 2017; García-Cobos
et al., 2015; Hammerum et al., 2014
Gerhold et al., 2016; Leistner et al., 2013; Pietsch et al.,
2017
ST500 Brolund et al., 2014
ST517 Nielsen et al., 2013
ST538 Nielsen et al., 2013
ST540 Ramos et al., 2013 Pietsch et al., 2017
ST542 Hammerum et al., 2014
ST545 Pietsch et al., 2017
ST617 Fischer et al., 2014 Brolund et al., 2014, Leistner et al., 2013; Pietsch et al.,
2017
ST624 Leistner et al., 2013; Nielsen et al., 2013
ST641 Hammerum et al., 2014
ST648 Brolund et al., 2014; Nielsen et al., 2013; Pietsch et al.,
2017
ST650
ST657 Nielsen et al., 2013
ST744 Dohmen et al., 2015; Hammerum et al., 2014
ST711 Dohmen et al., 2015
ST778 Brolund et al., 2014
ST795
ST827 Brolund et al., 2014
ST877 Ramos et al., 2013
ST910 Hammerum et al., 2014
ST977 Brolund et al., 2014
ST998 Brolund et al., 2014; Nielsen et al., 2013
Anhang 67
Sequenztyp Schweine Mensch (Patienten)
ST1011 Leistner et al., 2013; Pietsch et al., 2017
ST1079 García-Cobos et al., 2015
ST1126 Pietsch et al., 2017
ST1170 Pietsch et al., 2017
ST1193 Nielsen et al., 2013
ST1266 Leistner et al., 2013; Pietsch et al., 2017
ST1284 Pietsch et al., 2017
ST1303 Leistner et al., 2013
ST1397 Ramos et al., 2013 Pietsch et al., 2017
ST1431 Pietsch et al., 2017
ST1464 Leistner et al., 2013
ST1508 Ramos et al., 2013
ST1603 Brolund et al., 2014
ST1684 Hammerum et al., 2014
ST1727 Leistner et al., 2013
ST1790 Ramos et al., 2013
ST1832 Ramos et al., 2013
ST2003 Pietsch et al., 2017
ST2020 Brolund et al., 2014
ST2079 Leistner et al., 2013
ST2524 Ramos et al., 2013
ST2525 Ramos et al., 2013
SST2528 Ramos et al., 2013
ST2574 Nielsen et al., 2013
ST2624
ST2673 Nielsen et al., 2013
ST2739 Hammerum et al., 2014
ST3171 Pietsch et al., 2017;
ST3321 Dohmen et al., 2015
ST3322 Hammerum et al., 2014
ST3664 Brolund et al., 2014
ST3665 Brolund et al., 2014
ST4048 Hammerum et al., 2014
ST4051 Hammerum et al., 2014
ST4052 Hammerum et al., 2014
ST4053 Hammerum et al., 2014
ST4056 Hammerum et al., 2014
ST5128 Pietsch et al., 2017
ST5129 Pietsch et al., 2017
ST5130 Pietsch et al., 2017
Anzahl
Referenzen 7 6
68 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
A.2 Beschreibung der Felder zur Extraktion von Daten aus publizier-
ten Studien
Anhang Tabelle 2: Beschreibung der Felder für ein strukturiertes Erfassungstabelle zur Extraktion von Daten
aus publizierten Studien
Section Field name Specifi-cation
Comment, conditi-on Notes
stu
dy
char
acte
rist
ics
ID <integer> Format: number (keine dez)
for the clear identification of the data set
year_publication <integer> Format: Date YYYY
1st_author <string> Format: Text
URL <string> Format: Text
language selection list List: language (German; English)
date_o_entry <datum> Format: Date 15. Jul. 2014
lit_database selection list List: lit_database optional
journal selection list List: journal
reference_type selection list List: reference_type
aim <string> Format: Text to deternine the primary outcome
prev_mentioned_as_outcome selection list List: ment_outcome study / reporting quality
sample_size_calculation <y/n> List: y_n study / reporting quality
response_reported <y/n> List: y_n study / reporting quality
response_rate <integer> Format: number XX.XX%
study / reporting quality
continent selection list List: continent
country selection list List: country (ISO alpha-3)
country in which samples were taken
region <string> Format: Text sampling regions within country
year_study_start <integer> Format: Date YYYY sart of sampling
year_study_end <integer> Format: Date YYYY end of sampling
study_design selection list List: study_design
sampling_method selection list List: sampli-nig_method
sampling_details <string> Format: Text e.g.: routine antimicrobial resistance monitoring (ARM)
risk_factors_collected <string> Format: Text
risk_factors_identified <string> Format: Text
sam
ple
(p
op
ula
tio
n)
sample source selection list List: sample_soure animal, human, set-ting/environment, food
species_type_animal selection list List: animal_species
animal_use selection list List: animal_use "Nutzungsrichtung"
human_population selection list List: human_ population
e.g. Farm worker, Family members, Pet owner, Slaugh-terhouse worker, Veterinari-an
contact to animals selection list List: animal_species To which animals has the population under study con-tact?
farm_type_o_setting selection list List: farm_setting e.g. farm, vet practice, slaughterhouse
age_stage selection list List: age_stage
Anhang 69
Section Field name Specifi-cation
Comment, conditi-on Notes
sex selection list List: sex
farm details <string> Format: Text
e.g.: single-sited farrow-to-finish production system; all-in all-out system; number of animals; …
food selection list List: food
donor_status selection list List: donor_status dead or alive
donor_health selection list List: donor_health healthy or diseased
sample_material selection list List: samp-le_material
notes_sample <string> Format: Text
Iso
lati
on
pooling of samples <y/n> List: y_n
pooling description <string> Format: Text
enrichment <y/n> List: y_n
enrichment_culture_medium <string> List: media
enrich_description <string> Format: Text
volume_applied <string> Format: Text
1st_agar selection list List: media
1st_agar_additives <string> Format: Text
culture_conditions <string> Format: Text
notes isolation <string> Format: Text
species_confirmation selection list List: species_conf method for bacterial species confirmation
bacterial_species selection list List: bac_species
iden
tifi
cati
on
ESB
L
ESBL_screening <string> Format: Text
definition_pos <string> Format: Text What does the number of positive findings refere to?
ESBL_confirmation selection list List: ESBL_conf
notes_ESBL_conf <string> Format: Text e.g.: selected isolates, …
control strains selection list List: control_strains
No_isolates_res_genes count Format: number (keine dez)
number of Isolates which have been tested for re-sistance genes
resistance_genes_tested selection list List: res_genes
method_resistance_gene_test selection list List: ESBL_conf
resi_genes_present <string> Format: Text
notes_resistance_genes <string> Format: Text e.g.: selected isolates, …
susc
epti
bili
ty t
esti
ng
No_isolates_suscept_test count Format: number (keine dez)
number of Isolates which have been tested antimicro-bial sysceptibility
method_susceptibility_testing selection list List: me-thod_susceptibility
cut-off_o_breakpoint selection list List: cut-of_bp which criteria where applied
notes_breakpoint <string> Format: Text
notes_suscept_testing <string> Format: Text further details
AMs_tested_concentration <string> Format: Text; Name AMs: see list: AM_abbr; AM_name; AM_class
AM_concentration selection list List: AM_concentr
notes_AM_concentration <string> Format: Text which concentrations were applied
70 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Section Field name Specifi-cation
Comment, conditi-on Notes
resistances <string> Format: Text which resistances were ob-served
MICs_tested <y/n> List: y_n were minimum inhibitory concentrations (MIC) testet
MICs given <y/n> List: y_n were minimum inhibitory concentrations (MIC) report-ed
SIR given <y/n> List: y_n were interpretations (suscep-tible, intermediate, resistant) reported
MDR <string> Format: Text Was multi drug resistance reported
notes_res_test <y/n> List: y_n
iso
late
ch
arac
teri
sati
on
No_isolates_trans_plasmidcharac
count Format: number (keine dez)
number of isolates which have been characterised
phylogenetic_group_tested selection list List: phylo_group was phylogenetic group tested
me-thod_phylogenetic_group_testing
selection list List: ESBL_conf which method was applied to test the phylogenetic group
Ecoli_phylogroup <string> Format: Text which phylogenetic groups were identified
serogroupe <string> Format: Text
ST_type <string> Format: Text
clonality_tested <y/n> List: y_n
integrons_tested <y/n> List: y_n
plasmid_replicon_typing <y/n> List: y_n
reuslts_plasmid_replicon_type <string> Format: Text
transformation_tested <y/n> List: y_n
result_transf <string> Format: Text
conjugation_tested <y/n> List: y_n
plasmid_characterisation <y/n> List: y_n
hybridisation_tested <y/n> List: y_n
virulence_genes_tested <y/n> List: y_n
methods_virulence_genes selection list List: ESBL_conf
result_virulence_genes <string> Format: Text
notes_character <string> Format: Text details strain characterisation
resu
lts
pre
vale
nce
samp-led_settings_environments
count Format: number (keine dez)
settings (environment)
pos_settings_environments count Format: number (keine dez)
settings (environment)
samples_per_setting count Format: number (keine dez)
settings (environment)
prevalence_settings formula Format: number (keine dez)
settings (environment)
sampled_indiv count Format: number (keine dez)
individuals e.g.: animals, humans, …
pos_indiv count Format: number (keine dez)
individuals e.g.: animals, humans, …
prevalence_indiv formula Format: number (keine dez)
individuals e.g.: animals, humans, …
other_samples count Format: number sample level
Anhang 71
Section Field name Specifi-cation
Comment, conditi-on Notes
(keine dez)
pos_other_samples count Format: number (keine dez)
sample level
prevalence_other_samples formula Format: number (keine dez)
sample level
germ_concentration <string> Format: Text
stu
dy
char
acte
rist
ics
notes_results <string> Format: Text
stat_methods <string> Format: Text
limitations_reported <string> Format: Text
limitations_not_reported <string> Format: Text
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A.2.1 Verwendete Auswahllisten
72 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Anhang 73
74 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Anhang 75
76 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
A.2.2 Mehrfachauswahl in MS Excel
Um bei der Verwendung von Klapplisten in MS Excel eine Mehrfachauswahl zu ermögli-
chen, muss unter Excel Entwicklertools "Visual Basic for Applications" ein entsprechender
Code eingefügt werden. Zur Eingabe des Codes gelangt man über die Registerkarte "Ent-
wicklertools"/"Code". Die Registerkarte "Entwicklertools" muss zuvor über Datei/Optionen
aktiviert werden.
Anhang 77
78 Dissertation Katja Hille (Version: 25. Mai 2017)
Danksagung
An erster Stelle gilt mein ganz besonderer Dank Herrn Prof. Dr. Lothar Kreienbrock für die
hervorragende Begleitung und Betreuung auf meinem langen und teilweise verschlungenen
Weg zur Fertigstellung meiner Doktorarbeit. Darüber hinaus möchte ich ihm besonders
dafür danken, dass es immer möglich war eigene Ideen einzubringen und offene Diskussion
zu führen.
Herrn Prof. Dr. Blaha und Herrn Prof. Dr. Rösler Danke ich für die fachliche Betreuung
und Begutachtung meiner Doktorarbeit.
Ein extra großer Dank geht an all meinen Kolleginnen und Kollegen am Institut für
Biometrie, Epidemiologie und Informationsverarbeitung dafür, dass sie mir immer mit Rat
und Tat zur Seite gestanden und durch die abwechslungsreichen Gespräche in unseren Mit-
tagsrunden immer wieder neue Kraft verliehen haben.
Beim Bundesministerium für Bildung und Forschung bedanke ich mich für die finanzielle
Unterstützung im Rahmen des Forschungsverbundes RESET (Förderkennzeichen, 2010-
2013: 01KI1313A; 2014-2016: 01KI131A).
Die Projektpartner im Forschungsverbund RESET sind in den vergangenen sechs Jahren
nicht nur zu Kollegen sondern zum Teil auch zu Freunden geworden. Neben ihrem wissen-
schaftlichen Beitrag zu meiner Doktorarbeit hatten diese Kollegen immer ein offenes Ohr
für fachliche Fragen. Die vielen positiven Erfahrungen, die ich in dieser Kooperation
gesammelt habe, werden auch zukünftige Projekte beeinflussen.
Diese Arbeit wäre ohne den konstanten Rückhalt, den ich durch meine Familie erfahren
habe, nicht möglich gewesen. Mein besonderer Dank gilt dabei meinem Freund
Joachim Plank dafür, dass er unserem Sohn Severin ein so liebevoller und fürsorglicher
Vater ist und ich so die Zeit für meine wissenschaftliche Arbeit hatte.
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