Die Produktion von Katalase gilt als Virulenzdeterminante bei Staphylococcus aureus, die es den Bakterien ermöglicht, der intra- und extrazellulären Abtötung durch Wasserstoffperoxid besser zu widerstehen (4, 5). Staphylococcus-Arten sind katalasepositiv und fakultativ anaerob, mit Ausnahme von S. aureus subsp. anaerobius und S. saccharolyticus, die katalase-negativ und anaerob sind. Letzterer gilt im Allgemeinen als apathogen. Die Katalase von S. aureus wird durch das katA-Gen kodiert, das einen offenen Leserahmen von 1.518 bp aufweist und für ein Protein mit 505 Aminosäuren kodiert (9). S. aureus subsp. anaerobius besitzt ein mutiertes Gen mit der Bezeichnung katB, das 1 368 bp lang ist und für ein Polypeptid mit 455 Aminosäuren kodiert. Im Vergleich zur Nukleotidsequenz von katA wies die von katB sechs Fehlmutationen und eine Deletion mit einem Basenpaar auf, die sich an bp 1338 stromaufwärts vom Initiationscodon befindet und eine Verschiebung des Nukleotidleserahmens und eine vorzeitige Translationstermination an bp 1368 verursacht (9).

Fakultativ anaerobe, katalase-negative S. aureus-Stämme wurden bereits beschrieben. Keiner von ihnen wurde jedoch mit molekularen Methoden charakterisiert (1, 2, 7, 10, 12). Wir beschreiben hier ein katalase-negatives Methicillin-resistentes S. aureus (MRSA)-Isolat, das durch Amplifikation und Sequenzierung des putativen Katalase-Gens charakterisiert wurde. Unseres Wissens ist dies die erste molekulare Beschreibung eines katalase-negativen S. aureus subsp. aureus-Stammes.

Ein 65-jähriger Mann wurde auf der Intensivstation der Chirurgischen Klinik der Universitätsklinik Mainz aufgenommen. Er war multimorbid und litt an einer alkoholtoxischen Leberzirrhose, arterieller Hypertonie, koronarer Herzkrankheit, Herzinsuffizienz (Klasse II nach der Klassifikation der New York Heart Association), Diabetes mellitus und chronisch obstruktiver Lungenerkrankung. Zur mikrobiologischen Routineuntersuchung wurde eine Trachealsekretprobe entnommen, ohne dass zu diesem Zeitpunkt Anzeichen einer Infektion erkennbar waren.

Die Trachealsekretprobe wurde konventionell aufbereitet, und auf 5%igem Schafsblutagar wurden cremige beta-hämolytische Kolonien beobachtet, die typisch für S. aureus waren. Das Isolat wurde wiederholt negativ auf Katalase getestet, sowohl nach aerober als auch nach anaerober Inkubation, selbst bei der fünften Subkultur. Es wuchs sowohl aerob als auch anaerob gut. Die Ergebnisse des Objektträger-Koagulase-Tests und des DNase-Tests waren stark positiv. Das BBL CRYSTAL System für grampositive Bakterien (Becton Dickinson Company, Sparks, MD) und das API Staph System (bioMérieux, Marcy l′Etoile, Frankreich) identifizierten das Isolat mit 98,6 % bzw. 97,8 % Wahrscheinlichkeit als S. aureus (Profilcodes 0064773465 und 6736153). Eine DNA-Sequenzanalyse des 16S rRNA-Gens bestätigte den Stamm als S. aureus subsp. aureus. Dieser Stamm wurde in der DSMZ (Deutsche Sammlung von Mikroorganismen und Zellkulturen) unter der Nummer DSM 18827 hinterlegt.

Die Antibiotika-Empfindlichkeit wurde durch Scheibendiffusion auf Mueller-Hinton-Agar gemäß den Richtlinien des CLSI (Clinical and Laboratory Standards Institute) bestimmt. Der Stamm war resistent gegen Penicillin, Oxacillin, Cefaclor, Cefuroxim, Erythromycin, Clindamycin und Ciprofloxacin, aber empfindlich gegen Gentamicin, Rifampin, Sulfamethoxazol-Trimethoprim, Vancomycin, Teicoplanin und Linezolid. Dies entspricht dem typischen Phänotyp der endemischen MRSA-Stämme, die in unserem Institut beobachtet werden. Die Nukleotidsequenz des Katalase-Gens von S. aureus in dem Katalase-negativen MRSA-Stamm wurde durch PCR unter Verwendung von Primern amplifiziert, die zuvor beschrieben wurden (9), und beide Stränge wurden unter Verwendung von Farbstoffterminatorchemie mit einem ABI PRISM 3700 DNA-Analysegerät sequenziert. Die Sequenzanalyse ergab eine 99,60%ige Identität mit dem Katalasegen katA des MRSA-Stamms Mu50 oder N315 (Genbank-Zugangsnummer BA000017 bzw. BA000018), mit einem Unterschied von 6 Nukleotiden an den Positionen 1152 und 1388 bis 1392 stromaufwärts vom Initiationscodon. Die Einbasen-Substitution (T) an bp 1152 stromaufwärts vom Initiationscodon stellte eine stille Mutation dar. Die Deletion von fünf Basen (AAACG) (bp 1388 bis 1392 stromaufwärts vom Initiationscodon) führte jedoch zu einer Verschiebung des Nukleotidleserasters mit der Folge, dass aufeinanderfolgende Aminosäuren ersetzt wurden und die Translation bei bp 1418 vorzeitig beendet wurde. In ähnlicher Weise war unsere Katalasegensequenz zu 99,54 % identisch mit den katA-Sequenzen der S. aureus subsp. aureus-Stämme MSSA476, COL, NCTC 8325, USA300 und MW2, deren vollständige Genome ebenfalls sequenziert wurden, wobei die gleiche 5-Basen-Deletion wiederholt bestätigt wurde.

Diese Mutation unterschied sich damit grundlegend von Mutationen, die für das Katalase-Gen katB von katalase-negativen S. aureus subsp. anaerobius-Stämmen (GenBank-Zugangsnummer AJ000471) beschrieben wurden (9). Die Folgen einer Deletion in der C-terminalen Region der Katalase scheinen jedoch die gleichen zu sein, d.h. eine Verschiebung des Nukleotid-Leserasters, ein frühes Terminationscodon und ein Verlust der enzymatischen Aktivität.

Zwei Staphylococcus-Arten, S. aureus subsp. anaerobius und S. saccharolyticus, sind dafür bekannt, dass sie keine Katalase produzieren. Unser Stamm unterscheidet sich von diesen Spezies durch seine Fähigkeit, unter aeroben Bedingungen gut zu wachsen, durch die Expression des Klumpenfaktors, durch die Produktion von Säure aus Trehalose und Laktose und durch seine 16S rRNA-Sequenz.

Katalasen, oder besser gesagt, Hydroperoxidasen, sind Enzyme, die am Abbau von Wasserstoffperoxid (das während des Zellstoffwechsels entsteht oder während der Infektion des Wirts auftritt) zu Wasser und molekularem Sauerstoff beteiligt sind. Katalase wird seit langem als Virulenzdeterminante bei S. aureus angesehen. Die Bedeutung der In-vivo-Expression der oxidativen Stressenzyme Katalase und Superoxiddismutase wurde durch die Analyse klinischer Isolate mit reduzierter Expression dieser Enzyme aufgezeigt (4, 5). S. aureus subsp. anaerobius ist sehr eng mit S. aureus sensu stricto verwandt und teilt mit ihm die Fähigkeit, extrazelluläre Toxine und Enzyme zu produzieren, verfügt aber über ein viel geringeres pathogenes Potenzial als S. aureus (9). Sowohl das intrazelluläre Überleben als auch die extrazelluläre Vermehrung spielen bei der Pathogenese von S. aureus-Infektionen eine wichtige Rolle. Das intrazelluläre Überleben von S. aureus in Neutrophilen, Endothelzellen, Epithelzellen und Osteoblasten ist beschrieben worden und setzt voraus, dass die Bakterien oxidativem Stress widerstehen können (3). Katalase ist eine entscheidende Komponente für die Aufrechterhaltung der Lebensfähigkeit bei langfristiger Hungersnot, eine Fähigkeit, die für die nosokomiale Übertragung von S. aureus oder MRSA wichtig ist (11). Schließlich ist die Produktion von Katalase ein wichtiger Mechanismus, der es S. aureus ermöglicht, mit Mikroorganismen zu koexistieren, die in einer aeroben Umgebung wie dem oberen Atemtrakt Wasserstoffperoxid erzeugen. Die bakterizide Aktivität von Streptococcus pneumoniae gegenüber S. aureus wird offenbar durch Wasserstoffperoxid vermittelt, was eine mögliche mechanistische Erklärung für die in epidemiologischen Studien beobachtete Interferenz zwischen den Spezies darstellt (8).

Die klinische Relevanz von katalase-negativen S. aureus-Stämmen muss untersucht werden. In früheren Berichten wurden die Katalase-negativen S. aureus-Stämme aus Blutproben, Kathetern, Bronchialsekretproben, Geschwüren und anderen Wunden isoliert, die mit Infektionen oder nosokomialen Endemiten assoziiert waren (1, 2, 7, 10, 12). Auch wenn es nur wenige dieser Berichte gibt, so belegen sie doch, dass Katalase keine absolute Voraussetzung für Pathogenität ist. Es ist jedoch möglich, dass die Pathogenität oder die Übertragungseffizienz verringert wird. In unserem Fall wurde der katalase-negative MRSA-Stamm wiederholt von demselben Patienten isoliert, jedoch nie von anderen Patienten der Intensivstation oder des Universitätsklinikums. Es gab keine Hinweise darauf, dass der Stamm eine Infektion verursacht hatte. Das Antibiotikaresistenzmuster deutete auf einen gemeinsamen Ursprung des Katalase-negativen MRSA-Stammes und anderer lokaler MRSA-Stämme hin. Es gibt, wenn überhaupt, nur wenige Berichte über katalase-negative MRSA, die von einem Patienten isoliert wurden, ohne dass das Isolat eine offensichtliche Erkrankung verursacht hätte. Dieser Bericht ist in dieser Hinsicht einzigartig. Dies ist auch der erste Bericht über einen Katalase-negativen S. aureus subsp. aureus-Stamm, der mit molekularen Methoden charakterisiert wurde.