Escherichia coli: Pathogenität und Eigenschaften

Todesfälle durch Infektionskrankheiten in den USA

• Mortalitätsrate pro 100 000 Menschen
• Abnahme der Sterblichkeitsrate im Laufe der Zeit
• Influenzapandemie 1918/19 führte zu einem starken Anstieg der Todesfälle
• Im Zeitraum 1900-1990 grosse Schwankungen in der Sterblichkeit
• Im 20ten Jahrhundert deutliche Abnahme der Todesfälle durch Infektionskrankheiten.

Definition von Infektionskrankheit

• Eine Infektionskrankheit ist eine Erkrankung, die durch das Eindringen und die Vermehrung von Mikroorganismen (z.B. Bakterien, Viren, Pilze oder Protozoen) im menschlichen Körper hervorgerufen wird.
• Viele, aber nicht alle Infektionskrankheiten sind ansteckend (infektiös) und werden von Mensch zu Mensch übertragen.

Klassifizierung von Krankheiten nach Häufigkeit

• Endemie: andauernd gehäuftes Auftreten einer Infektionskrankheit in einer begrenzten Region oder Population.
• Epidemie: Auftreten einer Krankheit in ungewöhnlich hohen Fallzahlen in einer örtlich begrenzten Population.
• Pandemie: weltumspannende Epidemie.

Todesursachen im Jahr 2001

• Weltweit waren Infektionskrankheiten die häufigste Todesursache (ca. 35%)
• In Afrika 2002: 10,7 Millionen Todesfälle durch Infektionskrankheiten
• In Nord- und Südamerika 2002: 6,0 Millionen Todesfälle durch Infektionskrankheiten

Infektionskrankheiten in den USA

• 3 von 10 Todesfällen sind auf Infektionskrankheiten zurückzuführen
• 25% aller Arztbesuche sind Infektionskrankheits-bezogen
• Die Gesamtkosten für Infektionskrankheiten in den USA belaufen sich auf 120 Mrd. US-Dollar (15% der Gesundheitskosten)
• Nosokomiale Infektionen (Krankenhausinfektionen) verursachen 2 Millionen Todesfälle pro Jahr.
• Kosten für nosokomiale Infektionen in den USA: 9,5 Mia US-Dollar
• Kosten für die Behandlung resistenter Keime: 4 Mia US-Dollar

Todesursachen weltweit

• Akute Atemwegsinfektionen (inkl. Influenza, Pneumonie): 3,5 Mio. Todesfälle
• HIV/AIDS: 2,3 Mio. Todesfälle
• Durchfallerkrankungen: 2,2 Mio. Todesfälle
• Tuberkulose: 1,5 Mio. Todesfälle
• Malaria: 1,1 Mio. Todesfälle
• Masern: 0,9 Mio. Todesfälle

Begriffe

• Parasiten: Organismen, die auf Kosten eines Wirts leben
• Obligat pathogene Keime: Krankheitserreger, die bei fast jedem nicht-immunen Individuum krankheitserregend sind.
• Fakultativ pathogene Keime: Krankheitserreger, die nur bei Abwehrschwäche zu Infektionen führen.

Weitere Begriffe

• Lokale Infektion: beschränkt sich auf die Eintrittspforte des Erregers (z.B. Wundinfektion)
• Generalisierte Infektion: Erreger dringen ins Gefäßsystem ein und befallen den gesamten Organismus.
• Sepsis: Systemerkrankung, die durch Mikroorganismen bzw. deren toxische Bestandteile verursacht wird.
• Infektionsdosis: minimale Anzahl an Mikroorganismen, die eine Infektion verursachen.

Nosokomiale Infektion

• Krankenhausinfektion.
• Jede durch Mikroorganismen verursachte Infektion im Krankenhausaufenthalt, die nicht im Zusammenhang mit der Grunderkrankung steht.
• Häufigkeit: Harnwegsinfektionen, postoperative Wundinfektionen, Atemwegsinfektionen, Bakteriämien und Sepsis

Erreger nosokomialer Infektionen

• Eschericia coli (19%)
• Koagulase-negative Staphylokokken (18%)
• Candida spp. (15%)
• Enterococcus faecium (13%)
• Pseudomonas aeruginosa (10%)

Pathogenitätsstrategien

• verschiedene Mechanismen, um in den Wirt einzudringen
• Anhaftung
• Invasion
• Ausbreitung
• Transzytose
• Transmigration

Pathogenitätsstrategien (Habitat, Verlauf)

• intrazellulär: Chlamydien, Rickettsien
• fakultativ intrazellulär: Legionella, Salmonella, Helicobacter pylori, Staphylokokken, E. coli
• extrazellulär: Vibrio cholerae, Rhinoviren
• akut (hit-and-run): Vibrio cholerae, Rhinoviren
• chronisch-persistierend: Mykobakterien, Treponema pallidum, Helicobacter pylori

Koch'schen Postulate

• vier Kriterien, um einen Mikroorganismus als Ursache einer Krankheit zu identifizieren
• Optischer Nachweis
• Kultureller Nachweis
• Pathogenitätsnachweis
• Mikrob muss aus infizierten Organismus erneut kultivierbar sein

Streptococcus

• Kettenbildende Kokken
• Gram-positiv
• Beta-hämolysierend: löst Erythrozyten auf
• Ursachen: Scharlach, Mittelohrentzündung, usw.

Bacillus anthracis

• Stäbchen
• Gram-positiv
• Sporenbildend: Bildung von Endosporen verbessert Überlebensfähigkeit in der Umwelt
• Milzbrand: erhöhte Überlebensfähigkeit durch Sporen

Bacillus anthracis (Infektionswege, Symptome, Sterblichkeitsrate)

• Einatmen, Verzehr von kontaminierten Materialien
• Symptome: Schnupfen, hohes Fieber, Schock, blutige Durchfälle, Geschwüre
• Hohe Sterblichkeitsrate (5-20% bei Hautmilzbrand)

Seuchen und ihre Erreger

• Liste von Seuchen und ihre Erreger (inkl. Erregername und Entdeckungsjahr)

Neue Pathogene

• Liste neuer Krankheitserreger und das Jahr ihrer Entdeckung

Bovine Meat and Milk Factors (BMMF)

• unbekannter Erreger in Kuhmilch und Rindfleisch
• einzelsträngige, ringförmige DNA
• Ähnlichkeit zu Acinetobacter baumannii und Gemycircular Virus

Übertragungswege

• Horizontale, direkte Übertragungswege (Kontakt, Sexualkontakte, Aerogen, Aerosol)
• Horizontale, indirekte Übertragungswege (Vehikel, Vektor)
• Vertikale Übertragungswege (Pränatal, Perinatal)

Pathogenität

• Stumme/manifeste Infektion?
• Inkubationszeit?
• Infektionsdosis?
• Lokale/Allgemeine Infektion?
• Endogene/Exogene Infektion?
• Nosokomiale Infektion?

Begriffe (stumm, Inkubationszeit, endogen, exogen)

• Stumme Infektion: Infektion ohne klinische Symptome
• Inkubationszeit: Zeit zwischen Infektion und Auftreten von Krankheitssymptomen
• Endogene Infektion: Infektion, die von einem Erreger ausgeht, der schon im Körper vorhanden ist
• Exogene Infektion: Infektion, die durch einen Erreger von ausserhalb des Körpers hervorgerufen wird.

Begriffe (Pathogenität, Virulenz)

• Pathogenität: Fähigkeit eines Keims, Krankheiten hervorzurufen
• Virulenz: Grad der Pathogenität einer pathogenen Spezies auf eine Population bezogen

Eintrittspforten

• Kleinste Wunden der Haut oder Schleimhaut
• Insektenstiche
• Eindringen durch intakte Schleimhaut
• Aktives Eindringen durch intakte Haut
• Vor der Geburt diaplazentar

Mikrobielle Virulenz

• hoch virulente Organismen (z.B. Streptococcus pneumoniae) benötigen eine deutlich geringere Anzahl an Zellen, um einen Wirt zu töten, im Vergleich zu mäßig virulente Organismen (z.B. Salmonella typhimurium).

Pathogenitätsfaktor/Virulenzfaktor

• Ist ein gegebenes Molekül (Enzym, Toksin etc.) kausal für die Krankheit wichtig?
• Ist es ein Pathogenitätsfaktor? (ja/nein)
• Ist es ein Virulenzfaktor? (quantitativ wichtig, ja/nein)
• Ist es ein (unwichtiges) Begleitprodukt?

Virulenz- und Pathogenitätsfaktoren (Kodierung)

• Plasmide
• Transposons
• Chromosom
• Phagen

Übertragung medizinisch wichtiger Eigenschaften zwischen Bakterien

• Antibiotika-Resistenz (z.B. NDM-1)
• Pathogenitäts- und Virulenzfaktoren

Pathogenitätsfaktoren von E. coli

• Liste von Pathogenitätsfaktoren von E. coli (z.B. Enterotoxine, Virulenzplasmid, O-Antigene, Eisenaufnahmesysteme, Fimbrien)

Pathogenitätsfaktoren

• Ziel: Kolonisierung, Schädigung des Gewebes u./oder Zell-Verbreitung
• Fitnessfaktoren
• Siderophore
• Adhäsine
• Invasine
• Exotoxine/Aggressine
• Endotoxin
• Kapsel
• Impedine
• Moduline

Escherichia coli

• 1919 entdeckt
• Gram-negativer Bakterientyp
• Peritriche Begeißelung
• Über 100 Serotypen
• Teil der Darmflora
• Fakultativ pathogene Enterobakterien verursachen Infektionen im Darm

Escherichia coli - intestinale Infektionen

• EPEC (Epitheladhärenz)
• EAggEC (enteroaggregativ)
• ETEC (enterotoxisch)
• EIEC (enteroinvasiv)
• EHEC (hämolytisch)

EHEC im Jahr 2011

• Daten über Fälle, die mit EHEC zusammenhängen

Escherichia coli

• E. coli K-12 ist typischer Darmbewohner
• Erregerreservoir Mensch
• Kann septisch werden
• Nichtpathogene E. coli vs. Pathogene E. coli (Intestinale Infektionen, Extraintestinale Infektionen)

Das Pathogenitätspotential steckt im Genotyp

• E. coli K-12
• EPEC
• EHEC
• EAggEC
• ETEC
• EIEC

Pathogenitätsinseln

• identifizierbare Gene-Cluster im Bakteriengenom
• Funktionen (adherence, toxins, iron uptake systems, type III secretion, invasion determinants etc)

Aufbau von Pathogenitätsinseln

• Träger von Virulenzgenen
• Sind häufig in pathogenen Stämmen, aber nicht in nicht-pathogenen Stämmen
• Große DNA-Fragmente (10-200 kb)
• Unterschiedliche G+C-Gehalte und „Codon Usage“ zum Restgenom
• Beweglich, flankiert von Wiederholungssequenzen

Die Komponenten der Infektionsabwehr

• Angeborene Immunantwort
• Physikalische Barrieren (Haut, Mukosa)
• Zelluläre Abwehr (Granulozyten, Makrophagen, NK-Zellen)
• Chemische Barrieren (pH, Lipide, Enzyme)
• Erworbene (spezifische) Immunantwort
• Zelluläre Abwehr
• Humorale Abwehr

Abwehrstrategien (Natürliche Barrieren)

• Haut (trocken, verhornt, saurer pH, Fettsäuren, Normalflora)
• Schleimhaut (Schleim, Normalflora auf Epithelzellen)
• Respirationstrakt (Ziliarbewegung, Flimmerepithel)
• Magen (Salzsäure)
• Darm (Peristaltik, Normalflora)
• Harntrakt (Harnstrom)

Pathogene des Verdauungsweges des Menschen

• Übersicht über häufige pathogene Bakterien im Verdauungstrakt des Menschen.

Pathogene der Atemwege des Menschen

• Übersicht über häufige pathogene Bakterien/Viren im Respirationstrakt
• verschiedene Regionen u. Pathogene

Adhärenz

• Adhärenz ist selektiv (Schlüssel-Schloss-Prinzip)
• Bakterien-Adhäsin und Zell-Rezeptor
• Spezifische Gewebe- und Zelldurchlässigkeit

Pathogene E. coli– intestinale Infektionen

• EPEC, EAggEC, ETEC, EIEC, EHEC
• pathogene Mechanismen

Adaptive Immunsystem

• zwei Teilsysteme (humoral, zellulär)
• adaptiv: lernen auf neue Erreger spezifisch zu reagieren
• Entwicklung der adaptiven Antwort dauert länger
• Verbindet angeborene und erworbene Immunantwort

Zellen der erworbenen Immunantwort

• B-Zellen, T-Zellen (Helfer-, zytotoxische, regulatorische; Gedächtniszellen)
• Plasmazellen, Antikörper

Antigen-Antikörper-Komplex

• Proteine der Klasse der Globuline reagieren auf Antigene
• Antikörper werden durch eine Klasse von weißen Blutzellen erzeugt
• Antigene sind Stoffe, die Antikörper und bestimmte Lymphozyten-Rezeptoren binden können

Was passiert in einer Schnittwunde?

• Zusammenfassung der Abwehrmechanismen, sowohl unspezifisch (z.B. Phagozytose) als auch spezifisch (z.B. Antikörper).

NETs als Mechanismus der Erregerabwehr

• Neutrophilen Extracelluläre Fallen
• Extrazelluläre Strukturen, die zur Abtötung von Bakterien beitragen
• Ein Mechanismus der angeborenen Immunantwort

Antigenpräsentierende Zellen

• Makrophagen, Monozyten
• charakteristische Fragmente übrig nach Verdauung von Bakterien
• Präsentation von Antigenen auf der Oberfläche (MHC-Komplex), aktivieren weitere Immunzellen.

Die pro-inflammatorische Antwort

• LPS, LBP, CD14, TLR4
• Zytokine, ihre Funktion und Rolle bei Entzündungsreaktionen
• (z.B. IL-1, IL-8, TNF-α, IL-6, IL-12)

Phagozytose

• Aufnahme von Nahrungspartikeln durch Fresszellen bis hin zu kleineren Zellen.
• Intracelluläre Verdauung der Erreger.

Mikroorganismen (und Pathogenese)

• Der Verlauf einer Infektion.
• Kontakte mit Pathogenen
• Adhäsion an Zielen
• Eindringen
• Besiedelung, Wachstum
• Toxizität
• Invasivität
• Schädigung des Gewebes, Krankheit

Testen Sie Ihr Wissen über Escherichia coli, einschließlich der verschiedenen Typen, die mit hämorrhagischer Kolitis und HUS assoziiert sind. Der Quiz behandelt auch die Eigenschaften enterotoxischer Escherichia coli (ETEC) und deren Pathogenitätspotential. Ideal für Studenten der Mikrobiologie und verwandter Fächer.