Prophylaxe enteraler Infektionen in der
pädiatrischen Onkologie:
Orale Dekontamination versus anti-adhäsiver Prophylaxe mit Oligosacchariden aus der Karotte

U. Kastner*, B. Keck*, S. Matthes*, J.P. Guggenbichler**, C. Peters*, H. Gadner*
* St. Anna Kinderspital, Wien, Österreich
(Vorstand: Univ.-Prof. Dr. H. Gadner)
** Univ.-Klinik für Kinder und Jugendliche der Universität Erlangen/Nürnberg, Deutschland
(Vorstand: Univ.-Prof. Dr. W. Rascher)

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• Zusammenfassung
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• Summary
• Einleitung
• Mikrobielle Adhärenz in der Pathogenese von gastrointestinalen Infektionen
• Ansätze zur Blockierung der Adhärenz
• Klinische Studie
• Zusammenfassung
• Literatur

Zusammenfassung

Die über Kohlenhydratstrukturen vermittelte Haftung von Keimen an der Oberfläche der Darmmukosa ist ein wesentlicher initialer Schritt in der Pathogenese von gastrointestinalen Infektionen. Wässerige Zubereitungen aus der Karotte enthalten saure Oligosaccharide, die als Rezeptoranaloga in vitro die Anhaftung von unterschiedlichen darmpathogenen Keimen blockieren. In einer Pilotstudie an immunsupprimierten pädiatrischen Patienten hat sich gezeigt, dass durch den Einsatz eines Karottendekokts Schwere und Häufigkeit von enteralen Infektionen im Vergleich zur bislang eingesetzten selektiven oralen Darmdekontamination positiv beeinflusst werden können.

Summary

Adherence of microorganisms to the intestinal mucosa mediated by carbohydrate structures is an important and initial step in the pathogenesis of gastrointestinal infections. Aqueous extracts from carrots contain acidic oligosaccharides, which act as receptor analogues and block the adherence of various enteropathogenic microorganisms. A preliminary study showed a positive effect of aqueous carrot extracts on the incidence and severity of enteral infections in immunocompromised paediatric patients in comparison to the traditional selective oral decontamination.

Prophylaxe und Therapie enteraler Infektionen stellen ein großes Problem im Rahmen der pädiatrischen Onkologie, wie auch der Stammzelltransplantation (SZT) dar. Die Schädigung der Darmschleimhaut durch Zytostatika, insbesondere im Rahmen der Konditionierung, und die mangelhafte enterale Ernährung fördern das Auftreten von invasiven enteralen Infektionen, die auch eine Graft-versus-Host-Erkrankung (GvHD) des Darmes hervorrufen können. Zur Prophylaxe dieser schwerwiegenden Komplikationen hat sich in den vergangenen Jahrzehnten weltweit die selektive Darmdekontamination mit oralen Antibiotika und Antimykotika durchgesetzt, welche allerdings in Kombination mit der zumeist erforderlichen systemischen antimikrobiellen Therapie zu einer Zunahme multiresistenter Keime und enteraler Candidaüberwucherung geführt hat. Eine Alternative zur Minimierung der enteralen Besiedelung stellt die Blockierung der Keimadhäsion durch antiadhäsiv wirksame Oligosaccharide dar. Im Rahmen einer Anwendungsbeobachtung wurde die Effizienz von Oligosaccharid-reichen Zubereitungen aus der Karotte bei Kindern im Rahmen einer allogenen SZT geprüft und retrospektiv den Erfahrungen mit der selektiven oralen Darmdekontamination gegenübergestellt.

Die Adhärenz von Mikroorganismen an Epithelzellen des Darmtraktes ist ein wesentlicher initialer Schritt einer Magen-Darm-Infektion. Erst wenn Keime (Bakterien, Viren, Pilze u.a.) an der Schleimhaut haften und durch unspezifische Abwehrmechanismen (Schleim, Peristaltik, Epithelabschilferungen) nicht mechanisch entfernt werden können, entwickeln sie die Fähigkeit zur lokalisierten Proliferation, was zur Besiedelung des Darmabschnittes führt. Bakterien, die an der intestinalen Mukosa adhärieren, können über Signalproteine die Degeneration der angrenzenden Schleimhaut zur Folge haben oder durch Freisetzung von Toxinen zu einer lokalen und systemischen Entzündungsreaktion führen. Eine bereits toxische oder degenerativ vorgeschädigte Schleimhaut verliert die Barrierefunktion, was zum Eindringen der Keime in den Organismus führt (Translokation). Bei entsprechender Abwehrlage des Wirtes kommt es letztlich zu systemischen Entzündungsreaktionen und Krankheitssymptomen. Somit stellt die mikrobielle Adhärenz an der Schleimhaut einen wesentlichen initialen Schritt in der Pathogenese von Infektionen im Gastrointestinaltrakt dar [3].

Der Vorgang der mikrobiellen Adhärenz ist ein komplexer und zeichnet sich durch Gewebetropismus (Keime haften an spezifischen Rezeptoren, die nur an bestimmten Epitheloberflächen exprimiert werden), Speziesspezifität (tierpathogene, menschenpathogene Stämme), Altersspezifität (unterschiedliche Ausprägung von Adhärenzrezeptoren in unterschiedlichen Lebensaltern) und genetische Spezifität aus [13, 14].

Escherichia coli und andere Enterobacteriaceae haften über Fimbrien und membranständige Adhäsine an der Darmschleimhaut und anderen Organstrukturen. Fimbrien sind fingerartige Fortsätze an der Bakterienoberfläche mit einer terminalen Lektin(artigen)-Domäne, welche an distinkten mukosaständigen Oligosaccharid-Epitopen (Glykokonjugaten) binden. Typ-1-Fimbrien werden von den meisten Enterobakterien gebildet und erkennen die alpha-Mannose als Oberflächenrezeptor. P-Fimbrien nützen Gal alpha 1-4 Gal-Sequenzen als Bindungsstelle, während Bakterien mit S-Fimbrien bevorzugt an NeuAc-Resten binden. Darüber hinaus sind noch zahlreiche weitere speziesspezifische Oberflächenproteine bekannt, die für die Adhärenz verantwortlich gemacht und als Virulenzfaktoren gewertet werden [7, 8, 10, 11, 12].

Von großem therapeutischem, aber auch prophylaktischem Interesse ist die Möglichkeit, die Adhärenz als wesentlichen Bestandteil der Virulenz eines Keimes an der Darmschleimhaut zu blockieren.

In der Muttermilch sind zahlreiche Oligosaccharide mit Adhärenz-blockierender Wirkung beschrieben, die nicht nur prophylaktische Wirkung besitzen, sondern auch wesentlich für die Steuerung der bakteriellen Besiedelung des Neugeborenen verantwortlich sind [1, 8]. Diesem von der Natur vorgegebenen Modell nachgehend, wurden in letzter Zeit Rezeptoranaloga der Epithelzellen definiert, die in vitro eine Blockierung mikrobieller Adhärenz zeigten [2, 15]. Mannose, alpha-Methyl-Mannopyranosid und Mannitol erwiesen sich als wirksam in der Blockierung der Anhaftung von E. coli mit Typ-1-Fimbrien ebenso wie Glykopeptide vom Oligomannosid-Typ aus der Sojabohne und anderen Leguminosen [10].

Auf der Suche nach dem Wirkprinzip wässeriger Zubereitungen aus der Karotte (in Anlehnung an die von E. Moro 1905 eingeführte Karottensuppe zur Behandlung von Durchfallerkrankungen im Säuglingsalter [9]) konnten in einem Wirkstoff-orientierten Fraktionierungsverfahren (Biological Assay Guided Isolation) am Institut für Pharmakognosie der Universität Wien aktive Kohlenhydratfraktionen isoliert werden. Zunächst handelte es sich um ein komplexes Gemisch aus Spaltprodukten der Karottenpektine mit einem Molekulargewicht zwischen 20.000 und 24.000 Dalton, die in einer Konzentration von 1% (v/v) eine nahezu vollständige Blockierung der Haftung von uropathogenen Escherichia coli an frisch isolierten humanen Uroepithelien zeigten [4]. Nach wiederholter Auftrennung dieser wässerigen Fraktionen erwiesen sich Oligogalakturonide, welche auch aus Pektinen anderer natürlicher Quellen (z.B. Apfel, Orangen) durch enzymatische und/oder saure Spaltung gewonnen werden können, als besonders wirksam [5, 6]. Mittlerweile ist es an verschiedenen Testmodellen (Adhärenz von enteropathogenen E. coli und enterotoxischen E. coli an HEp-2, Caco-Zellen und an Gefrierschnitten humaner Darmabschnitte) gelungen, die Hemmwirkung semiquantitativ zu erfassen und dem Polymerisationsgrad der Galakturonsäuren zuzuordnen. Lösungen von aufgereinigten Oligosacchariden von 0,005% führen zu den folgenden Adhäsionsreduktionen, was unter Berücksichtigung der molaren Wechselwirkungen eine maximale Wirksamkeit der Trigalakturonsäure bedeutet (Abbildung 1).

- Penta-, Hexagalakturonsäuren: 23,8% Hemmung
- Tetragalakturonsäure: 52,7% Hemmung
- Trigalakturonsäure: 84,6% Hemmung
- Digalakturonsäure: 91,7% Hemmung
- Galakturonsäure (mono): keine Hemmung

Abbildung 1: Antiadhäsiv wirksames Trigalakturonid und Teilstruktur aus Pektin

In Anlehnung an die Erfahrungen bei immunkompetenten Kindern mit Magen-Darm-Infektionen und mit dem Wissen um die Adhärenz-blockierende Wirkung von Oligosacchariden aus natürlichen Quellen wurde im St. Anna Kinderspital ein Pilotprojekt induziert, welches den klinischen Benefit wässeriger Karottenzubereitungen im Vergleich zur bislang durchgeführten selektiven Darmdekontamination (SOD: Paromomycin 30 mg/kg tägl. p.o., Vancomycin 20 mg/kg tägl. p.o.) bei einem gut monitorisierten Patientenkollektiv (Abteilung für Stammzelltransplantation nach Zustimmung der Ethikkommission und „informed consent“) prüfen sollte (Abbildung 2, Abbildung 3).

Abbildung 2: Selektive orale Darmdekontamination in der Stammzelltransplantation – Rationale

Abbildung 3: Antiadhäsive Wirkung von sauren Oligosacchariden aus der Karotte im Gefrierschnittmodell

Die Karottensuppe nach Moro wurde zur besseren Verträglichkeit und Akzeptanz der Patienten modifiziert („Moro-Saft“), wobei durch 90-minütiges Kochen der geschälten und geraspelten Karotten ein ausreichend hoher Gehalt an Oligosacchariden in dem Dekokt erzielt und die primär unerwünschte obstipierende Wirkung der Pektine vermieden werden konnte. In der noch laufenden Pilotstudie sind bislang 27 Patienten auswertbar, welche einer allogenen Knochenmark- bzw. Stammzelltransplantation unterzogen wurden und „Moro-Saft“ anstatt der üblichen selektiven oralen Darmdekontamination mit dem Zeitpunkt der „Dekontamination“, 10 Tage vor Beginn der Konditionierung, in einer Dosierung von 10 ml/kg/die (bei guter Akzeptanz bis zu 15-20 ml/kg/die) bis zum Tag +28 nach Transplantation und/oder Anzahl der mononukleären Zellen ANC>500/µl und adäquater oraler Ernährung erhielten. Der Beginn der „Moro-Saft“-Gabe ist bewusst noch vor der Schädigung der Darmschleimhaut durch Chemo- und/oder Radiotherapie festgesetzt, um das Anhaften der potenziell pathogenen Mikroorganismen bereits in einem sehr frühen Stadium zu reduzieren, die Dosierung wurde empirisch gewählt.

Survival und Inzidenz von Enteroseptitiden wurden mit 25 Patienten mit konventioneller SOD-Prophylaxe verglichen. Beide Gruppen waren bezüglich Alter, Grunderkrankung (maligne vs. nichtmaligne), Anzahl der Zweittransplantationen, Dauer der Aplasie und Konditionierungsschemata vergleichbar (Leukämie n=30, inborn errors/Schwere Aplastische Anämie (SAA) n=22, Spender: Geschwisterspender (MSD) n=16, haploidenter Spender n=7, Fremdspender (MUD) n=29, T-cell-Depletion: 19/52, Tabelle 1). Neben der Erfassung von Schwere und Verlauf von enteralen Septitiden werden zusätzlich Daten über das Keimspektrum der Stuhlkulturen mit entsprechendem Antibiogramm sowie über Anzahl und Schweregrad entstehender Darm-GvHD erhoben und einem entsprechenden, mit SOD geführten Patientengut gegenübergestellt. Bezüglich der Anzahl der fieberhaften Episoden während der Aplasie bestand kein signifikanter Unterschied zwischen den beiden Gruppen. Enteroseptitiden traten bei 2/27 (7%) Patienten mit antiadhäsiver Prophylaxe versus 2/25 (8%) Patienten mit SOD auf. Die Transplantations-assoziierte Mortalität war 18,5%, bei Patienten mit antiadhäsiver Prophylaxe versus 32% bei Patienten mit SOD (Tabelle 2).

Tabelle 1: Patientendaten zur Pilotstudie (selektive orale Dekontamination (SOD) versus „Moro-Saft“) Patientendaten 25 Patienten mit konventioneller SOD versus 27 Pilot-Patienten mit „Moro-Saft“ (MORO) Exklusion: - Patienten mit schwerem Immundefekt (SCID)       - Patienten nach „mini“-Konditionierung   SOD MORO p      Alter (median) 8,28 9,73 n.s.      Tage bis >500 ANC   17,5 16 n.s.      maligne Grunderkrankung   60% 76% n.s.      T-cell Depletion   52% 22% p=0,026      alternative Spender   76% 65% n.s.      reduzierte Konditionierung   44% 33% n.s.      GvHD > Gr II   16% 33% n.s.      Darm-GvHD 8% 4% n.s.

Für eine statistische Auswertung ist das bislang überblickbare Patientengut noch zu gering, ebenso kann noch keine klare Aussage bezüglich einer Prophylaxe von Transplantations-assoziierten Komplikationen wie z.B. der GvHD des Darmes gegeben werden, da der Beobachtungszeitraum zu gering ist.

Während der Einsatz von „Moro-Saft“ auf der Transplantationsstation des St. Anna Kinderspitals unter kontrollierten Studienbedingungen erfolgt, wird der „Moro-Saft“ auch fallweise an den onkologischen Basisstationen bei Auftreten von schweren enteralen Infektionen bei neutropenischen Patienten und bei Problemen mit dem Nahrungsaufbau bei durch Chemotherapie vorgeschädigter Darmschleimhaut eingesetzt. „Moro-Saft“ wurde hier erst bei Auftreten von klinischen Krankheitszeichen mit der Dosierung von 15-20 ml/kg/die und bis zum Abklingen der Symptome, wenn erforderlich, auch per nasogastraler Sonde verabreicht. Die Erfahrungen, welche sich bislang nur auf Einzelbeobachtungen stützen, zeigen eine gute Verträglichkeit und ein rasches Abheilen der Infektionen, was für die Zukunft einen breiteren Einsatz der Karottenzubereitung versprechen lässt.

Fallbericht

3-jährige Patientin (13 kg) mit pleuropulmonalem Blastom, Therapie gemäß MAKEI-98-Protokoll, Chemotherapie-induzierte Aplasie, Bauchschmerzen, Fieber und Diarrhoe mit sonographisch massiv verdickten Darmwänden im Bereich von Rektum, Sigma und Colon descendens und positivem Nachweis von Clostridium difficile im Stuhl. Bei oraler Nahrungskarenz enterale Zufuhr von „Moro-Saft“ (10 ml/kg KG/die), parenterale Ernährung und breite systemische antibiotische Therapie (Ceftazidim, Amikacin, Teicoplanin, Metronidazol); Steigerung von „Moro-Saft“ auf 20 ml/kg/die nach 2 Tagen, Verringerung der Stuhlfrequenz und Besserung der Stuhlkonsistenz sowie deutlicher Rückgang der Darmwandverdickungen innerhalb von 48 Stunden, nach weiteren 2 Tagen enterale Zufuhr von Pregomin 15%ig und „Moro-Saft“ mit täglicher Mengensteigerung bei guter Toleranz.

Zusammenfassend erscheint der klinische Einsatz von wässeriger Karottenzubereitung nicht nur im internen pädiatrischen Bereich sinnvoll. In der Prophylaxe und Therapie von gastrointestinalen Komplikationen bei immunsupprimierten Patienten mit hämato-onkologischer Grunderkrankung hat sich in ersten Pilotstudien gezeigt, dass Schwere und Häufigkeit der enteralen Infektionen positiv beeinflusst werden können, obgleich die Anzahl der bislang mit „Moro-Saft“ behandelten Patienten keinesfalls noch eine definitive Aussage rechtfertigt. Es bleibt somit weiteren prospektiven Studien vorbehalten, ob die Oligosaccharide aus der Karotte oder anderen natürlichen Quellen generell die mikrobielle Fehlbesiedelung des Magen-Darm-Traktes, die sehr häufig als klinisches Problem nach langfristigen Antibiotikagaben, Chemotherapie oder Radiatio gesehen wird, verhindern und somit als Alternative zur bislang durchgeführten selektiven Darmdekontamination gesehen werden können.

Literatur:

Anschrift der Verfasserin:
Univ.-Doz. DDr. Ulrike Kastner
St. Anna Kinderspital
A-1090 Wien, Kinderspitalgasse 6

E-Mail: ulrike.kastner@stanna.at