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Wanderungsgeschwindigkeit von uropathogenen Erregern

Bestimmung im Ureterkatheter im praxisnahen In-vitro-Modell

Migration speed of uropathogens

Determination in the ureteral splint in a practice-like in vitro model

Zusammenfassung

Hintergrund

Bei den verschiedenen Urostomien wie dem Ileumconduit und der Ureterhautfistel besteht ein hohes Infektionsrisiko für die Nieren und das harnableitende System des Patienten. Deshalb ist das Vermeiden des Aufsteigens von Bakterien im künstlichen Abfluss (Splintkatheter) durch z. B. kontaminierten Harn wichtigstes Ziel der hygienischen Maßnahmen. Es sollte in vitro nachgewiesen werden, wie schnell klinisch relevante Prüfbakterien diese Splintkatheter besiedeln können.

Methode

Es wurde die Wanderungsgeschwindigkeit von Bakterien in einem handelsüblichen Splintkatheter in einem praxisnahen In-vitro-Modell untersucht. Hierzu wurde ein Vorratsgefäß mit Splintkathetern mit einem zweiten Vorratsgefäß verbunden, in dem eine Bakteriensuspension der Prüfbakterien Escherichia coli, Proteus mirabilis und Staphylococcus aureus in künstlichem Harn vorgelegt wurde. Die beiden Vorratsgefäße wurden bei 36 °C bis zu 72 h inkubiert. Die Keimzahl in den Splintkathetern wurde nach 24 h, 48 h und 72 h bestimmt, um die Besiedlungsstrecke nachzuweisen.

Ergebnisse

Die durchschnittliche Wanderungsgeschwindigkeit lag bei 0,63 cm/h für E. coli, 0,80 cm/h für S. aureus und 0,94 cm/h für P. mirabilis. Dies ergibt eine gemittelte Besiedlungsstrecke von 80 cm in ca. 3 Tagen.

Schlussfolgerungen

Aus den Ergebnissen im In-vitro-Modell lässt sich eine hohe Wanderungsgeschwindigkeit der Bakterien ableiten. In vivo würde es bedeuten, dass innerhalb der üblichen Liegedauer der Splintkatheter beim Urostoma von 10–14 Tagen vollständig besiedelt wird.

Abstract

Background

A urostomy with an ileum conduit or a skin fistula leads to a high infection risk for the kidneys and the ureter of the patient. Therefore, the prevention of retrograde colonization of the artificial drain (splint) with e. g. contaminated urine is the most important objective of infection prevention measurements. We performed an in vitro experiment to determine the migration speed of clinically relevant bacteria in a commercially available splint catheter system.

Methods

The migration speed of bacteria in commonly used splint catheters was determined in a practice-like in vitro model. Two storage vessels were connected with splints. The second vessel contained a bacterial suspension of the test bacteria Escherichia coli, Proteus mirabilis, and Staphylococcus aureus in artificial urine. The two vessels were incubated at 36 °C for 24–72 h. The microbial count in the catheters was determined after each experiment to investigate the migration distance.

Results

The average migration speed was 0.63 cm/h for E. coli, 0.80 cm/h for S. aureus, and 0.94 cm/h for P. aeruginosa. This results in a colonization distance of approximately 80 cm in 3 days.

Conclusion

If the system, e. g., the stoma pouch is contaminated, it can be expected that during the common application time of a splint of 10–14 days, the complete splint will be contaminated due to the high bacteria migration speed. Consequently there is a high infection risk for kidneys and ureters. A return stop feature in the stoma pouch should minimize this risk. However, it is of upmost importance to not applying the splint through the return stop to prevent any contact with potentially contaminated urine.

Einleitung

Bei Dauerableitung von Harnmittels Splintkatheter besteht ein erhöhtes Infektionsrisiko für die betroffenen Patienten [6, 12]. Ein Anlass für eine dauerhafte künstliche Harnableitung ist die Entfernung der Harnblase und/oder dauerhafte Schädigung des Harntraktes z. B. durch einen Tumor. In diesem Fall ist eine chirurgische Maßnahme, wie die Herstellung eines Ileumconduit aus einem Dünndarmabschnitt, eine wichtige Technik, um den Harntransport zu gewährleisten. Dieses Ileumconduit ist in Deutschland mit 33–63 % und weltweit die derzeit häufigste Form der Harnableitung nach operativer Entfernung der Harnblase. In den Fällen, in denen die Anlage eines Ileumconduit nicht durchgeführt werden kann, erfolgt in den meisten Fällen die Ableitung des Harns über die Ureterhautfistel [9]. Für 10–14 Tage wird nach diesen Operationen in der Heilungsphase der Harn über Splintkatheter in einen Urinbeutel abgeführt. Diese Splintkatheter werden dann bei komplikationslosem Verlauf entfernt [2]. Bei Auftreten von Komplikationen kann dieser Zeitraum verlängert werden. Das Einlegen von Splintkathetern während der Operation ist die übliche Vorgehensweise und der Nutzen durch Studien ausreichend belegt [3]. Es ist nicht auszuschließen, dass in der Praxis die Splintkatheter länger als 10–14 Tage liegen und mit ggf. kontaminiertem Harn im Beutel in Kontakt kommen können, z. B. beim Durchstoßen der Rücklaufsperre. Außerdem werden nicht nur bei Ileumconduits, sondern auch bei anderen Formen der supravesikalen Harnableitung temporär Harnleiterschienen eingelegt. Da diese auch durch das für die Harnableitung verwendete Darmstück gezogen werden, ist eine Kontamination auch bei intakter Rücklaufsperre die Regel.

Ziel unserer In-vitro-Untersuchungen war es, die Wanderungs- bzw. Wachstumsgeschwindigkeit von klinisch relevanten Bakterien durch das harnableitende System zu untersuchen. Hiermit sollte geprüft werden, wie wahrscheinlich es ist, dass Bakterien aufgrund einer Kontamination, z. B. aus einem kontaminierten Urinbeutel oder Katheter die Niere innerhalb der Liegedauer der Splintkatheter von bis zu 14 Tagen erreichen, um dort evtl. eine Infektion auslösen zu können.

Material und Methoden

Alle Versuche wurden unter einer Reinraumwerkbank durchgeführt, um Kontaminationen über die Luft auszuschließen. Ein Vorratsgefäß wurde über die bei der Harnleiterimplantation üblichen Splintkatheter (Splints Coloplast Porges ACA107, Ch/Fr07/2.3 mm Vortek single loop ureteral stent, open renal tip drainage, Länge 90 cm), die vorher einmalig mit künstlichem Harn gespült wurden, mit einem zweiten Vorratsgefäß verbunden, in dem eine Bakteriensuspension der Testbakterien in künstlichem sterilen Harn vorgelegt wurde. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 1 dargestellt. Die beiden Vorratsgefäße wurden in einem Brutschrank bei 36 °C, 24, 48 oder 72 h unter leichtem Schütteln bebrütet. Der künstliche Harn entsprach in seiner Zusammensetzung der DIN EN 1616:2003 [1].

Abb. 1
figure1

Versuchsaufbau: Ein Vorratsgefäß wurde über die bei der Urostomaversorgung üblichen Katheter (Splints, Länge 90 cm), die vorher einmalig mit künstlichem Harn gespült wurden, mit einem zweiten Vorratsgefäß verbunden. Im Vorratsgefäß wurde die Bakteriensuspension in künstlichem Harn vorgelegt. Die beiden Vorratsgefäße wurden in einem Brutschrank bei 36 °C, 24–72 h unter leichtem Schütteln bebrütet

Als Testbakterien wurden Escherichia coli K12 (E. coli, NCTC 10538), Methicillin-resistenter Staphylococcus aureus (MRSA, S. aureus, ATCC 33592) und Proteus mirabilis (P. mirabilis, ATCC 14153) verwendet. Alle Testkeime gehören zu häufigsten Erregern der unkomplizierten Harnwegsinfektionen die zu 80 % auf E.coli zurückzuführen sind [4]. Die Ausgangskeimzahlen betrugen ca. 104 koloniebildende Einheiten (KBE)/ml (bei 24 und 48 h Bebrütung) bzw. 103 KBE/ml (bei 72 h Bebrütung).

Nach 24, 48 und 72 h wurden die Splintkatheter in ganzer Länge in je 5 cm lange Abschnitte zerteilt und die Abschnitte auf Caseinpepton-Sojamehlpepon-Agar (CSA) für 24 h bei 36 °C bebrütet und anschließend die KBE ausgezählt. Als Maß für die Wanderungsstrecke diente der am weitesten vom Vorratsgefäß entfernte noch kolonisierte 5 cm Abschnitt des Splintkatheters. Jeder Versuch wurde neunmal durchgeführt. Aus den neun Versuchen wurden der arithmetische Mittelwert und die Standardabweichungen bestimmt. Die Prüfung der Mittelwerte auf statistische Unterschiede erfolgte im t‑Test.

Ergebnisse

Die Ergebnisse der Wanderungsgeschwindigkeiten für E. coli, S. aureus und P. mirabilis im Splintkatheter sind in Tab. 1 und Abb. 2 dargestellt. Die durchschnittliche Wanderungsstrecke liegt umgerechnet auf eine Stunde auf Basis der bewachsenen Strecken nach 72 h bei 0,63 cm für E. coli, 0,80 cm für S. aureus und 0,94 cm für P. mirabilis.

Tab. 1 Mittelwerte und Standardabweichungen der Wanderungsstrecken von E. coli, S. aureus und P. mirabilis nach 24, 48 und 72 h im Splint
Abb. 2
figure2

Die mittlere Wanderungsstrecke in cm nach 24, 48 und 72 h von E. coli, S. aureus und P. mirabilis: Angegeben sind die Mittelwerte und Standardabweichung aus je 9 Versuchen

Der Vergleich der Wanderungsstrecken ergibt im t‑Test bei E. coli eine statistische Signifikanz im Vergleich der Daten von 48 und 72 h (p = 0,03) und bei den Daten von 24 und 72 h (p = 0,02; Tab. 2). Bei S. aureus sind die Unterschiede der Wanderungsstrecken von S. aureus 48 und 72 h signifikant (p < 0,001) und 24 und 72 h (p < 0,001). Bei P. mirabilis sind alle Datensätze statistisch signifikant unterschiedlich (24 und 48 h, p = 0,01; 48 und 72 h, p = 0,01 und 24 und 72 h, p < 0,001; Tab. 2). Nach 72 h ist nur die Wanderungsstrecke von E. coli im Vergleich zu P. mirabilis statistisch signifikant unterschiedlich (Tab. 3).

Tab. 2 Ergebnis der statistischen Prüfung auf Unterschiede der Mittelwerte der Wanderungsstrecken von E. coli, S. aureus und P. mirabilis im t‑Test. Angegeben sind die p-Werte, signifikante statistische Unterschiede sind fett hervorgehoben
Tab. 3 Ergebnis der statistischen Prüfung auf Unterschiede der Mittelwerte der Wanderungsstrecken von E. coli, S. aureus und P. mirabilis nach 24, 48 und 72 h im t‑Test. Angegeben sind die p-Werte, signifikante statistische Unterschiede sind fett hervorgehoben

Diskussion

Die Ergebnisse zeigen, dass die Testbakterien P. mirabilis, S. aureus und E. coli im Splintkatheter innerhalb kurzer Zeit relativ weite Strecken wandern bzw. wachsen können. Erwartungsgemäß nimmt die Strecke mit zunehmender Zeit bei allen geprüften Bakterien zu. Die weiteste Strecke legte P. mirabilis nach 72 h zurück. Im t‑Test sind nach 72 h (Tab. 3) die Wanderungsstrecken von P. mirabilis und E. coli statistisch signifikant unterschiedlich, nicht jedoch die von P. mirabilis und S. aureus (bzw. S. aureus und E. coli). Dies spricht dafür, dass sowohl begeißelte und damit in Flüssigkeit mobile Bakterien wie P. mirabilis und E. coli als auch nicht begeißelte Bakterien wie S. aureus relativ schnell mit 0,63–0,94 cm/h durch den Splintkatheter wachsen können. Die Ergebnisse deuten jedoch auch darauf hin, dass für eine Besiedlung des Splintkatheters eine Begeißelung nicht notwendig ist und dies zumindest in unserem Versuchsaufbau nicht entscheidend für die Besiedlungsgeschwindigkeit und Wanderungsstrecke ist. Aus Tests an biologischen Systemen ist eine oftmals größere Streubreite der Messwerte trotz einer Standardisierung bekannt, die sich auch in unserem Versuchsansatz trotz der 9‑maligen Wiederholungen findet. Die Ursache hierfür ist nicht klar, doch könnten hierfür Inhomogenitäten im Kathetermaterial, die Einfluss auf das Bakterienwachstum haben, verantwortlich sein. Solche Materialinhomogenitäten können auch innerhalb einer Charge auftreten. Aufgrund der vorliegenden Daten kann dies jedoch nicht abschließend bewertet werden.

Die unterschiedlichen Wachstumsbedingungen in vitro (Bebrütung bei 36oC) und in vivo werden oftmals als limitierender Faktor für die Übertragbarkeiten der Ergebnissen aus In-vitro-Untersuchungen in den klinischen Alltag diskutiert. In unserem Versuchsaufbau wurde er kontinuierliche Harnfluss, der beim Urostoma auftritt, nicht nachgestellt, so dass die im Versuch nachgewiesenen intraluminale Wanderungsstrecken nicht unkritisch auf den klinischen Alltag übertragen werden können. Es wurden jedoch an geschlossenen harnableitenden Systemen vergleichbare Ergebnisse erzielt [8]. Bakterien können in diesem System im Harnwegkatheter intraluminal etwa 3‑ bis 4‑mal schneller in die Harnblase wandern als extraluminal, wie frühere Untersuchungen zeigten [8, 10]: Für die Ausbreitung eines Pseudomonas-Films wurde dabei eine Wanderungsgeschwindigkeit von 1–2 cm/h entgegen dem Harnfluss nachgewiesen. Auch wenn diese Ergebnisse nicht auf unseren Versuchsansatz kritiklos übertragen werden können, stützen diese Ergebnisse jedoch unsere Interpretation, dass die fehlende Simulation des Harnflusses kein limitierender Faktor ist. Die Autoren konnten zudem zeigen, dass eine Antibiotikagabe die Wanderung der Bakterien nicht vollständig verhinderte, aber auf ca. 1/10 verringerte [8, 10]. Im vorgestellten Prüfmodell wird bei der geringsten Besiedlungsgeschwindigkeit von 0,63 cm/h bereits in etwas mehr als 3 Tagen eine Gesamtstrecke von 80 cm bewachsen. Bei einer Liegedauer der Splintkatheter von 10–14 Tagen kann davon ausgegangen werden, dass Bakterien aus dem Urostomabeutel in die Niere gelangen, wenn der Harn kontaminiert ist, da hier nur eine Strecke von <40 cm zurückgelegt werden muss.

Entwickelt sich bei Menschen mit einer solchen Urostomie eine Harnwegsinfektion, so ist die Gefahr einer aufsteigenden Infektion der Nieren besonders groß. Die chronischen Harnwegsinfektionen beim Ileumconduit werden in der Literatur mit ca. 23 % angegeben, wobei nicht klar unterschieden wird zwischen den Urostomien mit und ohne liegende Splintkatheter [2].

Eine effektive Infektionsprävention und ein schnelles Erkennen und Behandeln einer sich entwickelnden Infektion sind wichtig. Unsere Ergebnisse stützen besonders den Infektionspräventionsgedanken, der zum Grundsatz hat, jeglichen zusätzlichen vermeidbaren Keimeintrag auch in bereits keimbelastete Areale zu vermeiden. In diesem Fall das in der Praxis durchaus zu beobachtende Durchstoßen der Rücklaufsperre im Urostomiebeutel.

Schlussfolgerung

Bakterien können in harnableiteten Systemen bis zu 1 cm/h voranwachsen. Es muss davon ausgegangen werden, dass innerhalb der vorgesehenen Liegedauer eines Splintkatheters von 10–14 Tagen, die aufsteigenden Bakterien durch die ca. 30–40 cm langen Splintkatheter die Nieren erreichen.

Abb. 3
figure3

Urostomabeutel am Bauch: Die Splintkatheter im Beutel müssen auf eine Länge deutlich oberhalb der Rücklaufsperre gekürzt werden, wie hier im Bild gezeigt. Die Rücklaufsperre ist in der Abbildung nicht sichtbar verläuft oberhalb der weißen rechteckigen Strukturen

Fazit für die Praxis

Bei einer bakteriellen Kontamination des aufgefangenen Urins können aufgrund der Wanderungsgeschwindigkeit der Bakterien diese nach wenigen Tagen über den Ureter in die Nieren aufsteigen. Die nicht unübliche Praxis, die Rücklaufsperre aufgrund der besseren Fixierung der Splinte zu durchstoßen, muss daher unbedingt vermieden werden (Abb. 3).

Literatur

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Braunwarth, H., Brill, F.H.H., Steinmann, J. et al. Wanderungsgeschwindigkeit von uropathogenen Erregern. Urologe 56, 180–185 (2017). https://doi.org/10.1007/s00120-016-0271-6

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Schlüsselwörter

  • Urostoma
  • Splint
  • Bakterien
  • Hygiene
  • Bakterienwanderung

Keywords

  • Urostomy
  • Splint
  • Bacteria
  • Hygiene
  • Bacteria migration speed