Medizinische Mikrobiologie

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⊙ A-2.1
19
2.2 Mikroorganismen als Nützlinge bzw. Schädlinge
Genetic tree of life
Universeller phylogenetischer Stammbaum nach Carl Woese, basierend auf Sequenzvergleichen der 16(18)S r-RNA-Gene. Bakterien bilden einen eigenen Zweig, während Pilze und Parasiten näher bei den Tieren stehen.
Indirekt tragen Mikroorganismen ganz wesentlich zur Erhaltung und – auch – zur
Gefährdung der Gesundheit bei, z. B. durch ihren Einfluss auf die Nahrungsmittelproduktion. Einerseits sind manche Mikroorganismen pflanzen- bzw. tierpathogen
und durch ihr Wirken kommt es zu erheblichen Ernte- und Ertragsausfällen oder zu
einer Verminderung der Qualität der Nahrungsmittel; Mikroorganismen sind also in
vielen Fällen Ursache von Hungersnöten und Unterernährung, der größten Geißel
der Menschheit. Andererseits sind manche Mikroorganismen entscheidend für die
Produktion, Verbesserung und Verfeinerung von Nahrungsmitteln.
Sie können aber auch indirekt schädlich auf
die menschliche Gesundheit wirken. Beispiele
hierfür sind eine Minderung der Nahrungsmittelqualität oder auch der -quantität (durch
Ernteausfälle).
2.2.2 Körpereigene Flora
2.2.2
Harmlose Keime kommen aber nicht nur außerhalb des Menschen vor. Eine natürliche Flora von mehreren hundert verschiedenen Arten, welche die Mediziner nicht
alle kennen, besiedelt den Menschen. Auf der Haut und auf manchen Schleimhäuten
findet man ca. 1015 Bakterienzellen, während der menschliche Körper selbst nur aus
ca. 1012 humanen Zellen besteht (Abb. A-2.2)! Die große Masse (⅓ des Stuhls beste-
Auch der Mensch selber beherbergt in seiner
sog. natürlichen Flora meist apathogene
Keime (Abb. A-2.2). Vor allem die große Masse und Vielzahl der Bakterien im Darm stellen
regelrecht ein eigenes Organ (Mikrobiom)
Körpereigene Flora
20
⊙ A-2.2
A
2 Allgemeine Infektionslehre
⊙ A-2.2
Keimbesiedlung im Mund bis in den Darm
Bacteroidetes
Firmicutes
– Enterococcus
– Peptostreptococcus
– Bacillus
– Clostridium
– Lactobacillus
– Bifidobacterium
Proteobakterien
– Escherichia
– Klebsiella
– Enterobacter
– Proteus
dar. Sie dienen der Gesundheit z. B. durch Absenkung des pH auf der Haut, durch die Produktion antimikrobieller Wirkstoffe oder auch
durch den Entzug von Nährstoffen, welche
von pathogenen Keimen benötigt werden,
oder durch Stimulierung des Immunsystems.
Manche Keime dieser autochthonen Flora
sind fakultativ pathogen, sodass endogene
Infektionen möglich sind.
Probiotika, z. B. Milchsäurebakterien, haben
einen gesundheitsfördernden Einfluss auf den
Wirt.
Präbiotika, z. B. unverdaubare Zucker wie
Lactulose, haben eine wachstumsfördernde
Wirkung auf die autochthone Darmflora.
hen aus Bakterien) und die Vielzahl der Mikroorganismen im Darm werden sogar
als ein eigenes mikrobielles Organ (Mikrobiom) aufgefasst, welches in den Wirt implantiert ist. Jedes Individuum beherbergt seine ureigensten Kommensalen. Im Laufe des Lebens gibt es kontinuierliche Verschiebungen der Zusammensetzung. So gibt
es gewaltige Unterschiede in der Flora des Kleinkindes bzw. im höheren Lebensalter.
Einige dieser Besiedler sind zwar potenziell pathogen und warten auf ihre „Chance“,
eine endogene Infektion zu erzeugen. Die überwiegende Mehrzahl ist jedoch völlig
apathogen, also harmlos. Aber sie sind nicht unwichtig. Manche haben eine Stellvertreterfunktion, d. h. sie verdrängen pathogene Keime durch Entzug der Nährstoffe,
durch Absenken des pH bzw. durch Produktion antimikrobieller Wirkstoffe (Bacteriocine oder Peroxide). Sie spielen also eine erhebliche Rolle bei der Homöostase der
Flora und bei der Unterdrückung von fremden Eindringlingen.
Diese Symbionten haben auch Einfluss auf einige Funktionen des Wirtsorganismus.
So sind sie für die Entwicklung und Stimulierung des Immunsystems und darüber
hinaus auch für die Funktion des Gehirns, z. B. durch Produktion von Serotonin, von
Bedeutung. Auch das metabolische Syndrom und damit das Körpergewicht werden
durch diese Darmbakterien gesteuert. Beim Abbau der Nährstoffe können Enzyme
einiger Bakterien nämlich eine Reihe von Stoffen bilden, wie etwa kurzkettige Fettsäuren (z. B. Butyrat), welche gut resorbiert werden und einen zusätzlichen energetischen Gewinn ergeben, aber auch antientzündliche Wirkung entfalten.
Ilja Metschnikow (Abb. A-2.3) wies Lactobacillus bulgaricus (heute: Lactobacillus
delbrueckii subspecies bulgaricus) in der Darmflora nach. Er empfahl, dieses Bakterium in großen Mengen in Milchgetränken (z. B. Joghurt, Kefir) aufzunehmen, um
mithilfe solcher Probiotika ein längeres Leben zu erreichen. Heute werden Bakterien
dieser Art und auch andere wie Lactobacillus helveticus in der Lebensmittelindustrie verwendet.
Heute wird angenommen, dass durch eine gezielte Auswahl bestimmter Nahrungsmittel, den sog. Präbiotika, die Darmflora so gesteuert werden kann, dass die möglicherweise „guten“ Darmbakterien begünstigt werden. So sollen z. B. nicht resorbierbare Zucker, wie Lactulose, das Wachstum der autochthonen Darmbakterien fördern.
Manche Tiere sind essenziell angewiesen auf die Flora, z. B. die Rinder, die im Pansen
Keime enthalten, welche Pflanzenfasern spalten können, wozu der animalische Kör-
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⊙ A-2.3
21
2.3 Mikroorganismen als Krankheitserreger
Ilja Metschnikow: Nobelpreis 1908 für Medizin in Anerkennung seiner Arbeiten über die Immunologie, speziell über die
Phagozytose
Metschnikow isolierte aus dem Stuhl eines 100-jährigen Bulgaren
Lactobacillus bulgaricus (heute: Lactobacillus delbrueckii subspecies bulgaricus) als nützliches Bakterium der Darmflora.
(Fotografie von Félix Nadar)
per gar nicht in der Lage wäre. Bakterien der Gattung Wolbachia leben seit vielen
Millionen von Jahren als Endosymbionten in Mikrofilarien von Onchocerca volvulus,
dem Erreger der Flussblindheit. Ohne diese Gäste können sich die Wirte nicht mehr
vermehren.
Auch der Mensch profitiert in vielerlei Hinsicht von seiner Flora (Tab. A-2.1). Diese
Aspekte der Bedeutung von Mikroorganismen kommen in der Lehre der medizinischen Mikrobiologie oft zu kurz.
≡ A-2.1
Der Nutzen der natürlichen Keimflora für den
Menschen ist in Tab. A-2.1 am Beispiel der
Darmflora dargestellt.
Auswirkung der Darmflora
■
Anaerobier im Dickdarm produzieren Vitamin K.
■
Bakterielle Metaboliten ernähren die Enterozyten, die sonst verkümmern würden.
■
Bakterielle Enzyme helfen, den Energiegehalt mancher Nährstoffe besser auszunützen; damit wird z. B. das Körpergewicht beeinflusst.
■
Das Immunsystem wird stimuliert.
■
Die Hirnfunktion wird beeinflusst.
■
Bakterien entgiften Lebensmittel, z. B. kanzerogene Stoffe.
■
Bakterien modifizieren aber auch Stoffe, sodass aus Präkanzerogenen toxische Derivate entstehen.
■
Glucuronidasen, die massenhaft von den zahlreichen Darmbakterien produziert werden, beeinflussen die Pharmakologie von
Medikamenten, wie Östrogene und Herzglykoside, die in der Leber glukuronisiert wurden und in der Galle ausgeschieden würden. Nur wenn
die bakteriellen Glucuronidasen die Konjugate abspalten, kann die freie Substanz wieder enteral rückresorbiert werden. Ohne diesen
enteralen Kreislauf gäbe es keine wirksamen Serumspiegel.
2.3
Mikroorganismen als Krankheitserreger
Für den Mediziner steht die Pathogenität der Mikroorganismen im Vordergrund.
Dabei sind unter den Millionen von Keimen nur einige Hunderte gefährlich. Einige
davon besiedeln den menschlichen Körper ständig und schädigen diesen erst bei
einer für den Erreger „günstigen“ Gelegenheit („Opportunisten“). Andere werden
von außen auf den Menschen übertragen und können ihn entweder vorübergehend
kolonisieren oder sofort infizieren. Im Prinzip lösen pathogene Keime drei verschiedene Reaktionen aus:
■ Intoxikation: Einige Mikroorganismen führen zur Erkrankung, ohne dass sie selbst
in den Wirtsorganismus eindringen bzw. eine Entzündung hervorrufen. Hier wird
der menschliche Organismus durch die Aufnahme von sezernierten Toxinen (Giften) gestört und geschädigt.
■ Infektion: Diese kann also sowohl durch exogene als auch durch endogene Mikroorganismen ausgelöst werden. Ausmaß und Folgen einer Infektionskrankheit hängen von der Suszeptibilität (Empfänglichkeit bzw. Abwehrbereitschaft) des Patienten und vom Grad der Pathogenität (Schädlichkeit) des Erregers ab.
■ Allergie: Die ständige Auseinandersetzung des Immunsystems mit den pathogenen, aber auch apathogenen Keimen aus der Umwelt bzw. der körpereigenen Flo-
2.3
Mikroorganismen als
Krankheitserreger
Aus Sicht des Mediziners ist vor allem die
Pathogenität eines Mikroorganismus wichtig.
Manche können auch Allergien und Intoxikation auslösen.
Auch apathogene Mikroorganismen der Umgebung können eine allergische Wirkung haben.
22
Keime haben verschiedene Virulenzfaktoren
wie Enzyme, Toxine oder Adhäsionsfaktoren.
Sie sind entscheidend dafür, wie schnell und
wie stark sich ein Erreger im Wirtsorganismus
ausbreitet.
▶ Exkurs.
Die Kontagiosität beschreibt die Fähigkeit
eines Keimes, eine Infektion hervorzurufen
(Tab. A-2.2).
≡ A-2.2
A
2 Allgemeine Infektionslehre
ra, fordert das angeborene und das erworbene Immunsystem des Menschen zu
einer andauernden Leistungsbereitschaft heraus. Das eigentliche Ziel ist zwar, die
Infektion zu verhindern, aber gelegentlich kann diese Reaktion auch überschießend oder fehlerhaft sein, sodass sich keine protektive Immunität, sondern eine
allergische Reaktion entwickelt.
Wie schnell und wie stark sich ein Erreger im Wirtsorganismus ausbreitet, hängt
neben der Abwehrlage des Wirtes ganz entscheidend von der Aggressivität des Erregers ab. Dazu haben Keime verschiedene Virulenzfaktoren, die je nach genetischer
Ausstattung und Situation in unterschiedlicher Menge produziert werden können.
Dies können Enzyme, Toxine oder Adhäsionsfaktoren sein, die in einer konzertierten
Aktion je nach Bedarf zum Zuge kommen.
Die Folgen einer Infektion für Gesundheit und Leben eines Menschen sind in starkem Maße von Wirtsfaktoren abhängig. So ist z. B. die Prognose einer Infektion mit
dem Pilz Scedosporium bei Vorliegen einer Abwehrschwäche äußerst schlecht, die
Mortalität liegt mit > 90 % sehr hoch, obwohl der Pilz nicht sehr pathogen ist. Dieser
fast harmlose Umweltkeim kann deswegen als typischer Opportunist bezeichnet
werden.
▶ Exkurs. Manche Mikroorganismen sind mit vielen Virulenzfaktoren ausgerüstet. Wenn solche Erreger (z. B. Yersinia pestis) in einen menschlichen Organismus gelangen, können sie sich
trotz heftiger Gegenwehr des Wirtes vermehren und eine Infektion verursachen. In diesen Fällen sind dann auch junge, gesunde Menschen gefährdet. Solche Keime nennt man obligat pathogen.
Andere Keime dagegen sind fakultativ pathogen, d. h. sie können nur dann eine Erkrankung
auslösen, wenn die Bedingungen für sie geeignet sind. So besiedeln bei vielen gesunden Menschen Pilze der Art Candida albicans den Mund, ohne dass dadurch Krankheitssymptome entstehen. Ändert sich jedoch das Milieu (z. B. duch ein schlecht sitzendes Gebiss, welches die
Schleimhaut reizt oder wenn sich die lokale Immunität der Schleimhaut reduziert, z. B. durch
Infektion mit HIV), können die Pilze in die Schleimhaut eindringen und einen Soor hervorrufen,
der mit einem flächenhaft weißen Belag und eine schmerzhaften, entzündlichen Reaktion des
umliegenden Gewebes einhergeht. Man nennt solche Erreger, die eine günstige Gelegenheit abpassen, Opportunisten.
Sogar eigentlich ziemlich harmlose Umweltkeime, wie etwa Schimmelpilze der Arten Aspergillus fumigatus oder Rhizopus pusillus, können z. B. bei Leukämiepatienten, die wegen einer zytostatischen Therapie in eine lang anhaltende Neutropeniephase geraten, eine Infektion der
Lunge oder auch des Gehirns bedingen. Solche Mikroorganismen mit wenig Aggressivität können sich demnach bei entsprechend schwerer Schädigung der Abwehrlage als Opportunisten
entpuppen.
Die Kontagiosität beschreibt die Fähigkeit eines Keimes, bei Kontakt auch die „Chance“ zu nutzen und eine Infektion hervorzurufen. Im Einzelfall sind dafür viele verschiedene Eigenschaften verantwortlich. Bei hoch kontagiösen Keimen reicht oft
schon eine kurze Expositionszeit gegenüber einer geringen Keimmenge aus, um
eine Krankheit auszulösen. Ein Maß für die Gefährlichkeit von Keimen ist die minimale Infektionsdosis (Tab. A-2.2).
≡ A-2.2
Minimale Infektionsdosen, die für die Auslösung einer manifesten Infektion
eines Erwachsenen notwendig sind
Salmonella
> 108 Keime
Shigella
> 102 Keime
Lamblien
> 102 Keime
3
Diagnostik
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
Anamnese. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Klinische Zeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Klinisch-chemische Merkmale . . . . . . . . . . . . . . . .
Histologische Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Bildgebende Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mikrobiologische Diagnostik . . . . . . . . . . . . . . . . .
Umgang mit potenziell pathogenen Mikroorganismen
3.1
Anamnese
A
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23
24
26
27
27
52
Fragen zu beruflicher Exposition, sozialem Status, Reiseanamnese, Alter („Kinderkrankheiten“), Kontakt mit Erkrankten, vorangegangene Aufenthalte im Krankenhaus oder im Altenheim, genetische oder erworbene Prädisposition und Impfstatus
können hilfreiche Hinweise für oder wider das Vorliegen einer bestimmten Infektionskrankheit bieten. Der bisherige Verlauf der Krankheit – akut oder chronisch –
und subjektiv empfundene Beschwerden sind weitere wichtige Anhaltspunkte.
3.2
Klinische Zeichen
Einige Infektionskrankheiten gehen mit ganz charakteristischen Symptomen einher,
sodass der Arzt ohne Weiteres eine ziemlich sichere Diagnose stellen kann. Bei Röteln, Masern, Windpocken, u. a. bestehen typische Hauteffloreszenzen (Abb. A-3.1).
Dagegen ist z. B. das Auftreten eines Ikterus zwar ein starkes Verdachtsmoment für
das Vorliegen einer Hepatitis, aber kein endgültiger Beweis, da auch andere Ursachen dieses Symptom hervorrufen können.
Der stakkatoartige Husten bei Infektion mit Bordetella pertussis erlaubt zumindest
eine annähernde Diagnose, vor allem, wenn ein solcher Fall während einer Epidemie auftritt. Allerdings gibt es auch Fälle, die nicht klassisch verlaufen, daneben
können auch manche Viren ganz ähnliche Symptome induzieren, wobei aber die
Konsequenzen ganz unterschiedlich wären. Deshalb ist in vielen Fällen eine Bestätigung der Verdachtsdiagnose durch eine eingehende Labordiagnostik sinnvoll.
Die Schwellung von peripheren, drainierenden Lymphknoten und der Milz, dem
drainierenden Lymphknoten des Blutes, beobachtet man bei vielen Infektionen.
Plötzlich einsetzende Übelkeit und schwallartiges Erbrechen, gefolgt von Durchfall,
sind deutliche Hinweise auf eine Norovirusinfektion (S. 194), vor allem in den Wintermonaten („winter vomiting disease“).
Bei Durchfall kann die Beschaffenheit des Stuhles auf die Ätiologie hinweisen. So ist
der Stuhl bei Cholera (S. 413) und bei ETEC (S. 400) typischerweise wässrig, bei Shigellainfektion (S. 397) dagegen blutig.
Fieber ist für viele Infektionskrankheiten ein Leitsymptom, wobei neben der Höhe
der erreichten Temperaturen auch der Verlauf der Fieberkurve (Fiebertypen) bewertet werden muss: Während bei den meisten Fieberreaktionen ein abendlicher Temperaturanstieg erwartet wird, entsteht beim Typhus, einer zyklischen Infektion mit
kontinuierlicher Freisetzung von Endotoxin, über 1–2 Wochen eine Kontinua auf
hohem Niveau (Abb. A-3.2). Ein undulierendes Fieber, welches abfällt, um nach Tagen wieder anzusteigen, ist typisch für die Brucellose. Allgemein bekannt ist auch
der zyklische Fieberanfall bei Malaria, nämlich an jedem 3. Tag (Malaria tertiana)
oder 4. Tag (Malaria quartana).
▶ Merke. Das Warnsignal Fieber kann fehlen, z. B. im Alter oder unter antipyreti-
© motorlk -Fotolia.com
3.1
Anamnese
Berufliche Exposition, sozialer Status, Reiseanamnese, Alter („Kinderkrankheiten“), Kontakt mit Erkrankten, vorangegangene Aufenthalte im Krankenhaus oder im Altenheim, genetische oder erworbene Prädisposition,
Impfstatus, bisheriger Verlauf der Krankheit.
3.2
Klinische Zeichen
Einige Infektionskrankheiten gehen mit ganz
charakteristischen Symptomen einher, sodass
der Arzt ohne Weiteres eine ziemlich sichere
Diagnose stellen kann (Abb. A-3.1). Allerdings
gibt es auch Fälle, die nicht klassisch verlaufen.
Fieber ist ein Leitsymptom für viele Infektionen, wobei neben der Höhe der erreichten
Temperaturen auch der Verlauf der Fieberkurve bewertet werden muss (Abb. A-3.2).
▶ Merke.
scher Therapie.
Vor 2000 Jahren von Celsus beschrieben und später von Galen ergänzt, gelten Rubor, Calor, Tumor, Dolor und Functio laesa als Kardinalzeichen der Entzündung, hervorgerufen durch mikrobielle Erreger:
■ Durch Freisetzung von Entzündungsmediatoren (Prostaglandine, Kinine u. a.) werden die Gefäße weit gestellt, sodass diese Areale besser durchblutet werden, was
Rubor und Calor zur Folge hat.
Die Kardinalzeichen der Entzündung sind:
■ Rubor (Rötung)
■ Calor (Überwärmung)
■ Tumor (Schwellung)
■ Dolor (Schmerz)
■ Functio laesa (Funktionseinschränkung).