Medizinische Mikrobiologie

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1 Was sind Krankheitserreger? Unter Krankheitserreger verstehen wir heute Mikroorganismen und kleinere biologisch aktive Einheiten (Viren, Virusoide, Viroide, Prionen), die unter bestimmten Bedingungen einen höher entwickelten Organismus (Wirt) infizieren und eine Krankheit erzeugen können. Die Koch-Henleschen Postulate (1878) Krankheitserreger sind aus Patientenmaterial isolierbar und in Reinkultur zu züchten Sie lösen in Versuchstieren entsprechende Krankheitssymptome aus Sie sind aus den erkrankten Versuchstieren wieder (re)isolierbar Das Patientenserum agglutiniert den verantwortlichen Erreger (K. Shiga, 1898) Auf molekularer Ebene (nach Falkow, 1988): Ein bestimmtes Gen (oder Merkmal) kommt bei pathogenen Mikroorganismen vor Eine Inaktivierung des korrespondierenden Gens muss zu einer Reduktion der Virulenz führen Eine Rückführung des Gens in die avirulente Mutante stellt das ursprüngliche Virulenzpotential wieder her 1

2 Dilemma der Infektionsbiologie Auch die molekularbiologische Variante der Koch-Henleschen Postulate berücksichtigt nicht, dass 1. Pathogenität auch eine Empfänglichkeit des Wirtes voraussetzt (Abwehrschwäche) 2. durch ökologischen Anpassungsdruck u.u. neue Infektionskrankheiten entstehen 3. immer wieder neue Krankheitserreger auftauchen (z.b. Legionärskrankheit, disease of human progress) es neue Typen bekannter Infektionserreger (horizontaler Gentransfer, EHEC), neue Resistenzen bei der Bekämpfung von Infektionskrankheiten (MRSA, evolution under the microscope), 6. ein Defizit in der Untersuchung von in vivo exprimierten Pathogenitätsgenen und einen Zusammenhang von Infektionsbiologie und sozialer Entwicklung gibt (Hygiene, Ernährung, Krieg) Eine Infektion ist an bestimmte Erregereigenschaften gebunden Eine Infektion bedeutet das Haften (Adhäsion), das Einringen (Invasion), die Ansiedlung (Kontamination), das Wachstum, die Vermehrung und die Ausbreitung (Organotropie) von Mikroorganismen in einem Makroorganismus, einschließlich der Überwindung der lokalen Abwehr. 2

3 Die Pathogenitätsdeterminanten Infektionserreger müssen daher in der Lage sein, in den Wirt einzudringen (Invasion: Adhäsine, Invasine) die spezifische Immunabwehr zu unterlaufen (Subversion/Evasion: Impedine, Moduline) die Zellen/den Wirt zu schädigen (Toxine, Aggressine) sich im Wirt zu vermehren Übersicht verschiedener Pathogenitätsmechanismen Anheftung Wirtszelle Adhäsine Eindringen Invasine Toxine, Aggressine Zellschädigungen Moduline Veränderungen im Zytokinmuster V e r s o r g u n g m i t Bakterium Inhibition der Immunantwort Siderophore Siderophilin- Bindungsproteine, Reduktasen Zytotoxische T-Zelle Impedine B-Zelle 3

4 Pathogenitätsfaktoren Offensive, defensive und unspezifische Pathogenitätsfaktoren. Offensive Pathogenitätsfaktoren: Adhäsine Sie werden sowohl von Bakterien als auch von Viren, Parasiten und Pilzen gebildet. Meistens sind Adhäsine Proteine, die mit Kohlenhydratrezeptoren der Wirtszelle spezifisch interagieren. Fimbrienadhäsine (Pili): major, minor subunits; tip structures Fimbrillen: feinere Strukturen als Fimbrienadhäsine Nicht-Fimbrienadhäsine (NFA) oder A-Fimbrienadhäsine (AFA): sind immer integrale Membranproteine Mikrobielle Saccharide: Lipopolysaccharide (LPS), Lipooligosaccharide (LOSs), Exopolysaccharide (EPS) Lipoteichonsäuren (LTAs): Gram-positive Bakterien 4

5 Biologische Bedeutung der Adhärenz Bildung von Mikroorganismen und Biofilmen (Schleimsubstanzen, Dauerkatheter) Oberflächenvariation zur Umgehung der Immunantwort (antigene Variabilität) Bindung an extrazelluläre Matrix und Plasminogenaktivierung (Gewebsauflösung) Signaltransduktion in Wirtszellen (Apoptose) Induktion von Invasionsvorgängen (nicht phagozytierende Zellen) Induktion von bakteriellen Signaltransduktionsvorgängen (Induktion von Fe-Aufnahme) Aufnahme von Toxin codierenden Bakteriophagen (z.b. Choleratoxin) Synthetische Anti-Adhäsine als mögliche Strategie zur Verhinderung der Kolonisierung von Krankheitserregern? Rezeptoranaloge Moleküle; Eingriff in die Biogenese der Fimbrien. Offensive Pathogenitätsfaktoren: Invasine Invasion (Eindringen): Überwindung von Epithelien Eindringen und Überleben in Phagozyten Obligat intrazelluläre Bakterien Chlamydien Coxiella burnetii Ehrlichien Rickettsien Mycobakterium leprae Fakultativ intrazelluläre Bakterien Mycobakterium tuberculosis Legionellen Salmonellen Shigellen Yersinien 5

6 Invasine: Trigger- und Zipper-Mechanismus Bakterielle Liganden: Invasin, Internalin, Opa/Opc Die Bakterien bilden an der Oberfläche Invasionsproteine, die mit Rezeptormolekülen auf der Wirtszelle interagieren. Es kommt zum direkten Kontakt, Die Wirtszelle bildet faltenförmige Ausstülpungen, die die Bakterien umschließen (Yersinia). Bindung an Wirtszellrezeptor: Integrine, E-Cadherin Die Bakterienzelle hat keinen Kontakt mit der Wirtszelle. Sezernierte Invasionsproteine (Ipa) führen zur faltenförmigen Ausstülpung bei der Wirtszelle und zum Einschluss der Bakterien (Shigella). Zipper-Mechanismus: Internalisierung eines Bakterium Trigger-Mechanismus: Signalkette wird aktiviert Umbau der Zellmembran Membranpermeabilität steigt Die anfängliche Bindung von EPEC* an die Zellen des Darmepithels erfolgt über Pili. EPEC Bindungsmechanismus Tir Danach scheidet EPEC einen eigenen translozierten Intimin-Rezeptor (Tir) aus, der in die Zelloberfläche des Darmepithels eingelagert wird. An diesen bindet spezifisch das bakterielle Intimin. *(EPEC = Enteropathogene E. coli) 6

7 Offensive Pathogenitätsfaktoren: Toxine Einteilung bakterieller Toxine Endotoxine Exotoxine Gram (-), hitzestabile Lipopolysaccharide entstammen abgestorbenen Bakterien funktionelle Zellwandbestandteile (essentiell!) Pathogenitätsfaktor (O-Antigene) induzieren unspezifische Immunantworten Endotoxinschock Infektion Gram (+) und (-) hitzelabile Proteine intrabakterielle Synthese Phagen oder Plasmid codiert werden aktiv sezerniert sind übertragbar aber nicht essentiell (!) erkennen spezifische Rezeptoren spezifische Symptomatik Intoxikation Offensive Pathogenitätsfaktoren: Toxine extrazelluläre Gifte: Bakterielle Exotoxine wirken als: intrazelluläre (A-B) Gifte: Porenbildner (Lysine) ADP-Ribosyltransferasen α-toxin aus Staph. aureus Diphtherietoxin Streptolysin O Pertussistoxin Pneumolysin Choleratoxin Tetanolysin Botulinumtoxin Typ C 2 indirekt wirkende Gifte Glykosidasen Enterotoxine aus Staph. areus Shigatoxin (= Exotoxine) Shiga-like Toxine (Verotoxine) neurotoxische Proteasen (= Neurotoxine) Tetanustoxin Botulinum-Neurotoxine der Typen A - G 7

8 Defensive Pathogenitätsfaktoren: Kapseln und Schleime Kapsel und Schleime dienen zum Schutz des Erregers, weil ihre negative Oberflächenladung die Aufnahme durch Phagocyten verhindert (Phagozytenresistenz) die komplementvermittelten Lyse (C3b wird nicht angelagert) verhindert wird und somit keine Opsonierung durch Komplement und Antikörper geben kann es in einigen Fällen zu einer Nachahmung wirtseigener Oberflächenstrukturen kommt (molekulares Mimikry) sie zur Bildung starker Biofilme führen Defensive Pathogenitätsfaktoren: Impedine Die mikrobiellen Pathogenitätsfaktoren, die eine Wirtsabwehr erfolgreich umgehen oder verhindern, werden auch Impedine genannt. Unter Molekularem Mimikry versteht man die Eigenschaft bestimmter Erreger, wirtseigene Antigene nachzuahmen, um so der Immunantwort zu entgehen. Eine Immunantwort gegen eigene Antigene unterbleibt meist oder kann zu schweren Autoimmunkrankheiten führen, wie z.b. bei: Coxsackieviren und Herzmuskelantigen (Myocarditis) Yersinien und HLA-B27 Antigen (Arthtritis) 8

9 Defensive Pathogenitätsfaktoren: Moduline Moduline verändern das Zytokinmuster des Wirtes, indem sie bestimmte Enzymfunktionen nachahmen Moduline: Lipopolysaccharid Lipid A Peptidoglykane Zytokine: Interleukine Interferone zytotoxische Zytokine Wachstumsfaktoren Chemokine Kolonie-stimulierende Faktoren Wirkungen: Septischer Schock Inaktivierung von Komplementfaktoren Apoptose Weitere Defensive Pathogenitätsfaktoren Membranproteine zum Schutz gegen Komplement und antimikrobieller Peptide Surface-(S)-Layer schützen physikalisch gegen Bakteriophagen und Proteasen IgA-Proteasen spalten die zur Abwehr gebildeten IgA Antikörper SOD (Superoxid-Dismutasen) zur Abwehr von ROS M-Proteine von Streptokokken 9

10 Das M-Protein der Streptokokken Streptokokken der Gruppe A besitzen lange, haarähnliche Filamente aus M-Protein. Das M-Protein ermöglicht den Bakterien, die Immunabwehr des Menschen zu unterlaufen. Die negativen Ladungen am Aminoende des M-Proteins stoßen gleichartig geladene Fresszellen ab. Durch die Bindung des Faktors H, eines regulatorischen menschlichen Proteins, schützt das M-Protein sich vor Antikörpern sowie vor Enzymen des Komplementsystems. (aus Fischetti, Spektrum der Wissenschaft, August 1991) Unspezifische Pathogenitätsfaktoren: Siderophoren Eisenaufnahmesysteme (Siderophoren) Eisen stellt ein Schlüsselelement dar, das für zahlreiche essentielle Prozesse benötigt wird Sauerstoff-Transport Mitochondrien-Energie-Metabolismus Elektronentransport Nucleinsäuresynthese Viele Mikroorganismen haben solche Aufnahmesysteme. Sie sind daher nicht per se als Pathogenitätsfaktoren zu sehen und entwickelt worden. Es gibt zwei Grundtypen der Aufnahme: Catecholverbindungen und Hydroxamatverbindungen 10

11 Unspezifische Pathogenitätsfaktoren: extrazelluläre Enzyme Zn-Metalloproteasen (Abbau von Proteinen, N-Versorgung) Kollagenase Hyaluronidase Neuraminidase (Influenzaviren bzw. bakterielle) Urease (Helicobacter pylori, Alkalisierung des Milieus) SOD (Superoxid-Dismutase) Katalase Unspezifische Pathogenitätsfaktoren: Quorum sensing Systeme Quorum sensing-systeme dienen der Kommunikation zwischen Zellen. Bei Gram negativen Bakterien beruht diese auf der Bildung von Acyl-Homoserin-Lactonen. Sie wirken als Autoinduktoren und werden frei in die Umgebung abgegeben. Gram positive Bakterien verwenden Peptide als Autoinduktoren. Die biologische Bedeutung liegt in der gleichzeitigen Expression bestimmter Virulenzfaktoren und dem damit verbundenen größten Effekt. 11

12 Intrazelluläres Überleben Bakterien verbleiben in Endosomen und werden über diese in benachbarte Zellen transportiert (Transcytose). Charakteristisch für Salmonella typhi und E. coli verursachende Neugeborenenmeningitis. Oder: Bakterien verlassen die Endosomen und leben frei im Cytoplasma. Durch die Synthese von Actinfilamenten, Bewegung durch die Zelle und in benachbarte Zellen möglich (Shigellen, Listerien, Rickettsien). 12