Bakterien bestehen aus nur einer Zelle. Sie haben keinen von einer Membran umschlossenen Zellkern; ihr Erbgut liegt frei im Zellinneren. Der Aufbau ihrer Zellhülle bestimmt mit, welche Farbe sie bei der Gram-Färbung annehmen.
Bei einer Untersuchung zeigt die Färbung schnell, ob Bakterien im Präparat zu sehen sind und ob sie grampositiv oder gramnegativ erscheinen. Um die Bakterien genau zu bestimmen und eine Behandlung auszuwählen, braucht es meist weitere Befunde, etwa eine Kultur oder einen gezielten molekularen Test.
So ist eine Bakterienzelle aufgebaut
Das Erbgut liegt in einem Bereich der Bakterienzelle, der Nukleoid heißt. Manche Bakterien besitzen zusätzlich kleine, ringförmige Erbgutstücke, sogenannte Plasmide. Manche Plasmide tragen Gene für Antibiotikaresistenzen. Ribosomen lesen die genetischen Bauanleitungen und stellen danach Eiweiße her.
Die Zellmembran grenzt das Zellinnere von der Umgebung ab. Bei den meisten Bakterien liegt außen eine Zellwand, die vor allem aus Peptidoglycan besteht. Dieses feste Netz besteht aus Zuckerbausteinen und kurzen Eiweißketten. Es gibt der Zelle Form und Halt. Mycoplasmen sind eine wichtige Ausnahme: Sie besitzen keine Zellwand.
Bei der Gram-Färbung kommt es auf den Aufbau der Zellhülle an. Grampositive Bakterien haben eine dicke Peptidoglycan-Schicht. Bei gramnegativen Bakterien ist diese Schicht dünner; zusätzlich besitzen sie eine äußere Membran. Diese enthält unter anderem Lipopolysaccharid, kurz LPS. Wegen dieser Unterschiede halten die beiden Gruppen den violetten Farbstoff unterschiedlich gut fest.
| Merkmal | Grampositive Bakterien | Gramnegative Bakterien |
|---|---|---|
| Peptidoglycan-Schicht | Dick | Dünn |
| Äußere Membran | Keine | Vorhanden |
| Typische Farbe nach der Gram-Färbung | Violett bis blau | Rosa bis rot |
Weitere Strukturen kommen je nach Bakterienart hinzu. Eine Kapsel oder Schleimschicht kann das Anhaften an Oberflächen unterstützen. Fimbrien helfen bei der Anheftung. Bestimmte Pili übertragen Erbgut zwischen Bakterien; Flagellen ermöglichen Bewegung. Keine dieser Strukturen findet sich bei allen Bakterien.
Auch die Form hilft bei der ersten Einordnung. Bakterien erscheinen beispielsweise kugelig, stäbchenförmig oder spiralig. Kugelförmige Bakterien können einzeln, paarweise, in Ketten oder Haufen liegen; Form und Anordnung grenzen mögliche Gruppen ein, bestimmen aber keine Art eindeutig.
Welche Verfahren Bakterien nachweisen
Welcher Test passt, hängt von der vermuteten Infektion und der untersuchten Probe ab. Die Probe kann ein Abstrich sein; auch Blut und Urin kommen infrage, ebenso andere Proben. Sie enthalten nicht zwangsläufig dieselben Erreger oder dieselbe Erregermenge. Auch die Frage, wonach gesucht wird, beeinflusst die Wahl des Verfahrens: nach den Bakterien selbst, ihren Bestandteilen oder der Immunreaktion des Körpers.
Die Mikroskopie zeigt sichtbare Bakterien und erste Merkmale wie Form und Anordnung. Eine Gram-Färbung ergänzt diese Betrachtung um das Färbeverhalten. Beide Verfahren geben schnell erste Hinweise. Ein negatives Präparat schließt eine Infektion aber nicht sicher aus. Wenn nur wenige Bakterien vorhanden sind oder die Probe ungeeignet ist, bleiben die Bakterien möglicherweise unsichtbar.
Für eine Bakterienkultur wird geeignetes Probenmaterial auf Nährmedien gegeben. Dort wachsen die lebensfähigen Bakterien. An den gewachsenen Bakterien lässt sich weiter untersuchen, um welche es sich handelt. Anschließend kann ein Antibiogramm bestimmen, auf welche Antibiotika der Erreger empfindlich reagiert. Die Gram-Färbung allein bestimmt die Bakterien nicht genau. Sie zeigt auch nicht zuverlässig, auf welche Antibiotika sie empfindlich reagieren.
Molekulare Tests wie die Polymerase-Kettenreaktion (PCR) suchen nach bestimmten Abschnitten des Erbguts eines Erregers. Antigentests weisen ausgewählte bakterielle Bestandteile nach. Beide Verfahren richten sich auf konkrete Zielmerkmale; welcher Erreger erfasst wird, hängt vom jeweiligen Test ab. Serologische Tests untersuchen dagegen Antikörper, also Abwehrstoffe, die der Körper als Reaktion auf einen Erreger bildet. Sie weisen damit die Immunantwort nach und nicht auf dieselbe Weise die Bakterien selbst.
Was die Gram-Färbung zeigt
Bei der Gram-Färbung wird zunächst ein auf einem Objektträger fixierter Bakterienausstrich mit Kristallviolett gefärbt. Danach kommt Iod hinzu. Es verbindet sich mit dem violetten Farbstoff zu einem Komplex. Beim Entfärben mit Alkohol, Aceton oder einer Mischung daraus zeigt sich der Unterschied zwischen den Zellhüllen. Grampositive Bakterien halten den Farbstoffkomplex typischerweise fest. Gramnegative Bakterien verlieren ihn und nehmen bei der abschließenden Gegenfärbung, zum Beispiel mit Safranin, eine rosa bis rote Farbe an.
Bei der Auswertung zählen auch die Form und die Anordnung der Bakterien. Gramnegative Diplokokken, also paarweise angeordnete kugelförmige Bakterien, können bei einer Gonorrhoe-Verdachtsdiagnostik ein Hinweis sein. Gramnegative Diplokokken im Nervenwasser können die Abklärung eines Meningokokkenverdachts unterstützen. Grampositive Diplokokken im Sputum können zu einem Pneumokokkenverdacht passen. Solche Muster weisen auf eine mögliche Ursache hin, reichen allein aber nicht für eine Diagnose.
Die Färbung hilft bei einer schnellen ersten Einschätzung. Sie kann zeigen, ob im untersuchten Material Bakterien sichtbar sind und zu welcher groben Gruppe sie passen. Ärztinnen und Ärzte sowie das Labor beurteilen den Befund zusammen mit der Probenart, den Beschwerden und den Ergebnissen weiterer Tests.
Grenzen der Gram-Färbung
Ein sichtbares Bakterium verursacht nicht zwangsläufig die Beschwerden. Manche Proben enthalten Bakterien, die den Körper besiedeln, ohne die aktuelle Erkrankung auszulösen. Verunreinigungen bei der Entnahme können das Bild ebenfalls beeinflussen. Bei einer Sputumprobe kann die Gram-Färbung zum Beispiel Hinweise darauf geben, ob die Probe stark mit Speichel vermischt ist.
Die Durchführung und Auswertung beeinflussen das Ergebnis: Ein zu dicker Ausstrich oder eine unpassende Entfärbungsdauer kann das Färbeergebnis verfälschen. Übermäßiges Entfärben lässt grampositive Bakterien unter Umständen gramnegativ erscheinen; zu kurzes Entfärben kann gramnegative Bakterien violett zurücklassen. Geübtes Personal und eine geeignete Probe machen das Ergebnis verlässlicher.
Nicht jedes Bakterium lässt sich mit dem üblichen Gram-Verfahren zuverlässig beurteilen. Mycoplasmen haben keine Zellwand, auf der das Färbeprinzip beruht. Auch bei kleinen Bakterien wie Chlamydien und Rickettsien hilft die Gram-Färbung nur eingeschränkt. Für säurefeste Bakterien, zu denen etwa bestimmte Mykobakterien gehören, sind besondere Färbeverfahren nötig. Zudem können ältere Bakterienkulturen ihr typisches Färbeverhalten verlieren und gramvariabel erscheinen.
Eine Studie verglich Gram-Färbungen mit Kulturergebnissen aus 6.115 Proben, die nicht aus Blut stammten. Bei fünf Prozent der Proben stimmten die Befunde nicht überein. Diese Zahl gilt nur für die untersuchten Proben und die beteiligten medizinischen Zentren. Sie sagt nicht allgemein aus, wie genau jede Gram-Färbung ist. Abweichende Befunde können an der Probe, der Durchführung oder der Auswertung liegen. Auch eine Kultur ist kein fehlerfreier Maßstab.
Wie Befunde zusammenwirken
Die Gram-Färbung zeigt bestimmte sichtbare Merkmale der Bakterien in der Probe. Eine Kultur kann lebensfähige Bakterien vermehren und damit eine genauere Identifizierung sowie ein Antibiogramm ermöglichen. PCR und Antigentests suchen gezielt nach bestimmten Erregermerkmalen. Serologische Tests helfen bei Fragen zur Immunreaktion.
Für die Diagnose müssen alle Befunde zusammen betrachtet werden. Ein negativer Gram-Befund schließt eine Infektion nicht aus. Ein positiver Befund muss zur Probe und zum klinischen Zusammenhang passen. Wenn eine genaue Erregerbestimmung oder eine Entscheidung über Antibiotika nötig ist, braucht es je nach Fragestellung zusätzliche Tests.