Medizinische Mikrobiologie rki.de - Karl-Franzens
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Allgemeine Mikrobiologie und Hygiene für Studierende der Pharmazie Franz Mascher / Franz Reinthaler Institut für Hygiene, Mikrobiologie und Umweltmedizin Medizinische Universität Graz [email protected] [email protected] Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Medizinische Mikrobiologie F.H. Kaiser u.a. Thieme Verlag, 2010 rki.de Homepage des Robert-Koch-Institutes Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 1 Geschichte der medizinischen Mikrobiologie Generatio spontanea: Lebewesen können spontan und direkt aus totem Material entstehen. Aus Käse entstehen Maden; aus eitrigen Wunden Fliegen; aus faulendem Weizen Mäuse usw. Diese Theorie wurde erst endgültig durch Louis Pasteur (1822-1895) widerlegt ("Pasteurisierungsversuche")---> "Leben kann nur weitergegeben werden, aber nicht de novo entstehen". Pasteur lieferte die Grundlagen der modernen, experimentellen Mikrobiologie. Pasteur hat sich intensiv mit der Frage beschäftigt, ob man, in Analogie zu den Vorgängen der Gärung und der Fäulnis, die übertragbaren Krankheiten als Folge einer Besiedelung des Organismus mit Bakterien erklären könne. Der endgültige Beweis gelang Robert Koch (1843-1910) mit der Entdeckung, dass der Milzbrand bei Haustieren nur durch Infektion mit bestimmten Bakterien entsteht. Koch identifizierte weiters die Erreger der Tuberkulose und der Cholera. Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Geschichte der medizinischen Mikrobiologie Die Frage, ob seuchenhaft auftretende Krankheiten durch ein übertragbares, vermehrungsfähiges Agens verursacht werden, ist schon vor R. Koch diskutiert worden. Auf Grund der verschiedenartigen Verbreitungsmodi wurden aber auch unbelebte Kausalfaktoren z.B. in Form von Miasmen (Miasma, gr. Verunreinigung) angenommen. Als Miasmen bezeichnete man krankheitserzeugende, quasi immaterielle Ausdünstungen aus dem Boden, aus Sümpfen oder von Leichen (Malaria = mala aria it. schlechte Luft). Auch Ignaz Semmelweis (1818-1865) hatte schon vor Kochs Arbeiten erkannt, dass das Kindbettfieber von verstorbenen Wöchnerinnen auf gesunde Gebärende über die Hände des Arztes übertragen wurde ---> Wegbereiter der modernen Infektionsprophylaxe. Milzbrand 1876; Gonorrhöe 1879, Typhus 1880, Tuberkulose 1882, Cholera 1883, Diphtherie 1884, Tetanus 1884, Gasbrand 1892, Pest 1894, Syphilis 1905, Keuchhusten 1906, …… Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 2 Viren * ultramikroskopische, obligate Zellparasiten * nur ein Typ von Nukleinsäure; DNA oder RNA * keine Enzymsysteme zur Energiegewinnung * infizierte Wirtszelle wird zur Synthese von Virusbausteinen gezwungen * Strukturelemente: nukleinsäurehältiger Innenkörper + Proteinmantel (Kapsid) + Hülle Bakteriophagen: befallen nur (spezifisch) Bakterien "Prionen": keine Nukleinsäure; nur Proteine Viroide: nackte Nukleinsäuren niedrigen Molekulargewichts (Hepatitis D) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 3 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 4 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 5 Pathogenese der Virusinfektionen Reaktion der Wirtszelle Zytozide Infektion: Virusvermehrung und daraus resultierendem Tod der Wirtszelle (zytopathischer Effekt) Nichtzytozide Infektion: keine Zerstörung der Wirtszelle; diese wird durch immunologische Reaktionen zerstört Latente Infektion: Virusgenom in Wirtszelle vorhanden, aber weder Virusvermehrung noch Zellzerstörung Tumortransformation: Virusinfektion wandelt Wirtszelle in Krebszelle um. Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Pathogenese Infektion parenteral oder über eine Mukosa. Eintrittspforten sind Schleimhäute des Respirations- und Gastrointestinaltraktes. Lokale Infektion: Virusvermehrung nur an der Eintrittspforte (Rhinoviren/Schnupfen) Generalisierende Infektion: Hämatogen, lymphogen oder über Nervenbahnen in das Zielorgan virusinduzierte Zellzerstörung (Polio, HAV, Tollwut, Herpes). Prophylaxe: aktive Schutzimpfungen, Expositionsprophylaxe, passive Immunisierung (Immunglobuline, Postexpositionsprophylaxe) Chemotherapie: Hemmung der Virusreplikation; Therapie möglichst früh im Krankheitsverlauf beginnen; Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 6 BSE (bovine spongioforme Enzephalopathie) TSE, vCJK 1985 in GB erste Fälle bei Rindern Erreger: Prionen (extrem hitzeresistentes Protein) Übertragung: Verfütterung von kontaminiertem Tiermehl Auf andere Tierarten und auf den Menschen übertragbar vCJK: va GB, vereinzelt in Frankreich, Irland... Verhütung und Bekämpfung: Verbot der Verfütterung von Tiermehl, Entfernung von Risikomaterial bei geschlachteten Rindern (Hirn, Rückenmark, Darm...) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene HSV (Herpes Simplex Virus) Erreger von bläschenförmigen Exanthemen: Herpes labialis, Herpes genitalis Erstinfektion im Kindesalter (Kontakt- oder Schmierinfektion der Mundschleimhaut); über Axone ins ZNS; bei Reaktivierung auf gleichem Weg wieder in die Peripherie; Rezidiva trotz Immunität (V. wandern entlang d. Nervenbahnen) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 7 HBV (Hepatitis-B-Virus) Reservoir: Mensch Übertragung: parenteral (Blut...); Bluttransfusionen, Dialyse, Spritzennadeln, Ohrstecher, Tätovierungsinstrumente IZ: 4-12 Wo.; Leberschädigung durch Immunreaktion gegen virusinduzierte Membranantigene auf Oberfläche infizierter Hepatozoen; 0,5-1% letal; 5-10% chronisch (Leberzirrhose, hepatozelluläres Karzinom), 80-90% vollständige Ausheilung; Diagnose: Antigen- oder Antikörpernachweis im Serum Prophylaxe: aktive Immunisierung (Risikogruppen) Superinfektion mit Hepatitis-D-Virus: kann sich nur in HBVinfizierten Menschen replizieren. Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene HAV (Hepatitis-A-Virus) Epidemische oder infektiöse Hepatitis Übertragung: Lebensmittel/Wasser; Schmutz- und Schmierinfektion; Vermehrung im Darm; befällt als Zielorgan die Leber; klinisch ähnlich der Hepatitis B aber meist gutartig uns nicht chronisch; Süd-Nord-Gefälle (wichtige Reisekrankheit); Diagnose: Antikörpernachweis im Serum Prophylaxe: aktive Immunisierung Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 8 HCV (Hepatitis-C-Virus) Übertragung durch Blut und Blutprodukte (Bluttransfusionen, Dialyse...) Klinisch ähnlich der HB mit häufig chronischem Verlauf, (Leberzirrhose, Karzinom); keine spezifische Prophylaxe; HEV (Hepatitis-E-Virus) Asien, Mittelamerika, Afrika: Reisekrankheit Fäkal-orale Übertragung (Wasser!); Keine spezifische Prophylaxe Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Pockenviren Größte Viren (350 nm); komplex; DNA; Bocken (Variola) durch weltweite Kampagne der WHO im Laufe der 70er Jahre verschwunden; Aerogene Übertragung auf Schleimhäute des oberen Respirationstraktes; über lymphatischen Organe in die Haut mit typischen Eruptionen; Letalität bis 40%; Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 9 Enteroviren RNA; Aufnahme per os, Vermehrung im lymphatischen Gewebe des Rachenraumes und später in der Darmwand, über den Blutweg ins Zielorgan; Polioviren: Poliomyelitis (Kinderlähmung); Meningitis, Enzephalitis; Schmierinfektion, IZ: 7-12d; aktive Immunisierung (Schluckimpfung) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Rhinoviren Schnupfen, Tröpfchen- oder Kontaktinfektion von Mensch zu Mensch; häufig bakterielle Superinfektionen; Rotaviren Häufigster Erreger von Diarrhöen bei Kindern (0,5 - 2 Jahre) und auch bei Immunsupprimierten (zB Transplantpatienten); Aufnahme per os; Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 10 Rötelviren (Rubiviren) Kontaktinfektion mit harmlosen Verlauf (Exanthem) für Kinder und Jugendliche; Bei Schwangeren in den 3 ersten Schwangerschaftsmonaten diaplazentare Übertragung auf den Embryo mit Missbildungen oder Fruchttod. Impfprophylaxe vor der Pubertät! Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Flavoviren (Dengue-Fieber, Gelbfieber, japanische B-Enzephalitis, West-NilFieber, FSME) Durch Arthropoden übertragen; 1.Phase: Fieber- Kopf- und Muskelschmerzen; relativ harmlos 2.Phase: hämorrhagisches Fieber; Organschädigungen, hohe Letalität FSME: Zecken, IZ: 7-10d; uncharakteristische Symptome (grippeartig) - symptomlose Phase - akute Phase (Fieber, Nackensteifheit...); Aktive Immunisierung; Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 11 Influenzavirus Klassischer Grippeerreger; Übertragung aerogen, Tröpfcheninfektion; Schleimhäute des oberen Respirationstraktes, bakterielle Superinfektionen; Epidemien, Pandemien; Influenza A Viren sind genetisch sehr variabel (antigenic shift), Impfprophylaxe für beruflich Exponierte, Ältere, Herz-KreislaufVorgeschädigte Parainfluenza Va. bei Kleinkindern grippeartige Erkrankungen; bakterielle Superinfektionen Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Mumpsvirus Befall von Drüsen (Ohrspeicheldrüsen) und manchmal auch Meningitis, Impfprophylaxe Masernvirus Primäre Vermehrung im lymphatischen Gewebe und hämatogene Verteilung; Exantheme zuerst auf der Zunge und dann auf der Haut; Impfprophylaxe Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 12 Rabies- oder Lyssavirus Erreger der Tollwut; Zoonose, Übertragung durch Biss eines infizierten Tieres (Wild- oder Haustier); Virusvermehrung im Binde- und Muskelgewebe an Eintrittspforte - über Nervenbahnen ins ZNS mit weiterer Virusvermehrung – auf gleichem Weg in periphere Organe (Speicheldrüse, Niere...); Enzephalitis mit hoher Letalität. Klinik: 1. Phase: Kribbeln und Brennen an Eintrittspforte, Übelkeit, melancholische Stimmung 2. Phase: Krämpfe und Spasmen des Larynx und Pharynx Hydrophobie; Krampf- und Wutanfälle; 3. Phase: Lähmung Inkubationszeit mehrere Wochen bis Monate; Prä- oder postexpositionelle Prophylaxe; Wundtoilette Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene HIV Erreger von AIDS = Aquired Immune Deficiency Syndrom (erworbenes Immun-Mangel-Syndrom); Übertragung durch Blut- und Blutprodukte und Geschlechtsverkehr; Risikogruppen: Homosexuelle, Drogenabhängige, Medizinpersonal... Inkubationszeit > 10 Jahre Nachweis: Antigennachweis („2 Wochen-Fenster“) Prophylaxe: Expositionsprophylaxe Therapie:Azidothymidin Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 13 EBOLA Hämorrhagisches Fieber: Erreger vermehrt sich in den Endothelzellen der Blutgefäße nekrotische Schäden erhöhte Gefäßpermeabilität und Störung der Blutgerinnung; hohe Letalität! Klinik: Kopf- Muskelschmerzen, Fieber, Übelkeit, Erbrechen, Durchfälle, Blutungen der inneren Organe und der Haut! Blut und sämtliche Ausscheidungen sind hoch infektiös; Prophylaxe: Expositionsprophylaxe; krankheitsverdächtige Personen müssen isoliert werden; Keine spezifische Therapie; Nachweis: Antigennachweis (Immunoassay) oder virales Genom (PCR) in Hochsicherheits labors (L-4) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene PROKARYONTEN + Prokaryonte Zelle: kein von einer Membran umgebener Zellkern, keine Zellorganellen Bakterien * Nukleoid = Kernäquivalent * Zytoplasma * Zytoplasmamembran * Zellwand Blaualgen EUKARYONTEN + Eukaryonte Zelle: Franz Mascher Zellkern mit Kernmembran, Zellorganellen Protozoen, Algen, Pilze V15 MUG- Institut für Hygiene 14 Protozoen frei oder parasitisch lebende, eukaryonte Mikroorganismen wechselnder Gestalt; Vermehrung vegetativ, sexuell Pilze Pilze stellen pflanzenähnliche Mikroorganismen dar, die kohlenstoffheterotroph und nicht zur Photosynthese befähigt, eukaryontische, zumeist unbeweglich sind und eine dicke, der Pflanzenzelle ähnliche Zellwand aufweisen. - Sproßpilze: Einzelzellen, asexuelle Vermehrung durch knospenartige Ausstülpungen ("Sproße") oder sexuell; - Fadenpilze: Hyphe - Myzel Vermehrung: vegetativ: HypheMyzel; SproßSproßkolonie fruktikativ: Bildung von Reproduktionsorganen asexuelle Sporen (Sporen, Konidien, Sporangien...) oder sexuell (Oosporen, Zygosporen, Basidiosporen) Lebensmittelindustrie: Wein, Bier, Käse. Proteine... Pharmaindustrie: Antibiotika, Enzyme, Citronensäure, Gluconsäure... Lebensmittelverderber, Krankheitserreger Helminthen: parasitisch lebende Würmer Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 15 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 16 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Feinstruktur - Prokaryontes Kernäquivalent: Nukleoid = "nacktes" DNA-Molekül. Dieses prokaryonte Kernäquivalent entspricht funktionell dem eukaryonten Zellkern. Bei der Vermehrung der Bakterien steht am Anfang immer die Reduplikation des Nukleoids. - Plasmide: extrachromosomale, ringförmige, doppelsträngige DNAStruktur: Pathogenitäts- Resistenzplasmide und metabolische Plasmide - Zytoplasma: große Zahl von in Wasser gelösten nieder- und hochmolekularen Stoffen, RNS, und viele Ribosomen (70S; Proteinbiosynthese), Reservestoffe in unlöslicher Form - Zytoplasmamembran = "unit membrane": Phospholipiddoppelschicht mit eingebetteten Polypeptidmolekülen. * semipermeabel * aktiver Transport von außen nach innen (spezif. Permeasen) * ausschleusen von Proteinen (Exoenzyme, Exotoxine) nach außen * Sitz zahlreicher Enzyme für die Biosynthese von Zellwandstrukturelementen (+Ribosomen) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 17 Biomembranen und das „innere Milieu“ der Zelle Die Zellmembran fungiert als Barriere, selektive Schleuse und Kommunikation mit der Umwelt und dient somit als Barriere zur Wahrung des inneren Milieus. + Bildung von Biomembranen durch selbsttätigen Zusammenbau aus Phospholipid-Molekülen. + Einbau von Proteinen als membran-assoziierte (angelagerte) und membran-integrierte (eingelagerte) Proteine. + Sowohl Proteine als auch Lipidkomponenten können glykosyliert sein. + äußerer „Zuckerguss“ durch Polysaccharide der Glykokalyx. Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 18 Eigenschaften: stabil semipermeabel, selektiv fluid (flüssig) elastisch Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Glykokalyx: • Schutz: Chemikalien… • Adhäsion, Agglutination • Erkennung, Unterscheidung v. Zellen Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 19 Passiver Transport: * kleine, apolare Moleküle über Konz. Gradienten H2O, O2, CO2, N2….. Aktiver Transport: •Ionen u. Makromoleküle entgegen dem Konz.gradienten mittels „Pumpen“ oder Carrier; • Energieverbrauch Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 20 Zellwand + Schutz des Protoplasten vor äußeren Noxen + Abbau der osmotischen Druckdifferenz + Formgebung der Zelle Mureinschicht: (verantw. für die Rigidität d. Zellwand): - Polysaccharidketten (abwechselnd N-Acetylmuraminsäure[MUR] und N-Acetylglucosamin [GLU]);durch Peptide miteinander verbunden. Grampos. Bakterien: bis 40 Mureinschichten; 30% der Trockenmasse der Zellwand. gramneg. Bakterien: 10% der Trockenmasse der Zellwand. Äußere Membran: (nur bei gramnegativen Bakterien vorhanden): "unit membrane" über Lipoproteine mit dem Murein verbunden. Die äußere Membran enthält Porinproteine, die Kanäle oder Poren bilden. Weiters ist an die äußere Membran das Lipopolysaccharid (LPS) angelagert, das auch als Endotoxin!!! bezeichnet wird (Lipid A - Kernpolysacch.(Core) - O-spezifischen Ketten Typisierung). Endotoxin stimuliert Makrophagen zur Produktion des endogenen, hitzestabilen Pyrogens Interleukin 1. Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 21 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 22 Kapseln: Schleim aus Polysacchariden: Schutz vor Phagocytose, lytischen Enzymen, Phagen, Antigenstruktur (K-Antigene; ca 80 Serotypen bei Pneumokokken). Geißeln: Beweglichkeit; Protein Flagellin; Geißelproteine sind gute Antigene (H-Antigen der Enterobakterien). Sie dienen zusammen mit dem O-Antigen (O-spez. Kette d. LPS) der Typisierung dieser Bakterien. Pili, Fimbrien, Glykokalix: oberflächliche Anhangsgebilde, die kürzer sind als Geißeln. Fimbrien und Pili sind zarte Proteinfäden, die für adhäsive Vorgänge (Kolonisierung von Schleimhäuten) verantwortlich sind (Adhäsine). Konjugationspili sind fädige Proteinhohlrohre, welche die Konjugation ermöglichen. Als Glykokalix werden Polysaccharidfäden bezeichnet, die das "Kleben" an Zellen oder glatten Oberflächen ermöglichen. Bakteriensporen: Dauerformen, die das bakterielle Genom bei "ungünstigen äußeren Bedingungen" schützen. Zytoplasmamembran stülpt sich ein, wächst um das Nukleoid herum, schnürt sich ab und bildet einer doppelwandige Endospore. Sporen weisen erhebliche Resistenzen gegenüber chemischen und physikalischen Noxen auf. Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 23 Physiologie: Bakterienstoffwechsel (Gesamtheit d. chemischen Reaktionen in der Bakterienzelle) - anabol oder synthetisch: endergonisch (unter Energieverbrauch) * photosynthetisch * chemosynthetisch Aus einfachsten Nährstoffen können Bakterien in kurzer Zeit hochkomplizierte organische Moleküle synthetisieren. Anwendung in der technischen Mikrobiologie: z.B. Gewinnung von Antibiotika, Aminosäuren, Vitaminen - katabol: exergonisch (liefern Energie durch Nährstoffabbau) * lithotroph = anorganische Nährstoffe * organotroph = organische Nährstoffe Humanpathogene Bakterien sind chemosynthetisch - organotroph! + Energiequelle in Form von oxidierbaren organischen Substraten + C- und N-Quellen zur Synthese zahlreicher organischer Verbindungen + Mineralien (P, Ca, Mg..) als Aktivatoren von Enzymen + organische Verbindungen, die Bakterien nicht selbst synthetisieren Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Als Nährstoffe kommen praktisch alle in der Natur vorkommenden organischen Stoffe in Frage. Die Verarbeitung dieser Stoffe erfolgt über eine vielfältige Reihe enzymatischer Prozesse, die in 4 Phasen abläuft: 1) Verdauung: Spaltung organischer Energiequellen außerhalb der Zelle durch Exoenzyme (manchmal wichtige Pathogenitätsfaktoren!). 2) Aufnahme niedermolekularer Nährstoffe durch passive Diffusion oder aktiven Transport. 3) Vorbereitung zur Oxidation: z.B. Abspaltung von Carboxyl- oder Aminogruppen, Phosphorilierung... 4) Oxidation: Entzug von Elektronen und H2-Ionen. Je nach H2-Akzeptor unterscheidet man die Respiration oder Atmung: H2-Akzeptor ist der Sauerstoff anaerobe Respiration: H2-Akzeptor ist Sauerstoff als Bestandteil eines anorganischen Salzes Fermentation oder Gärung: H2-Akzeptor ist organische Verbindung Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 24 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 25 CHEMOTHERAPEUTIKA: chemisch-synthetisch hergestellte, antimikrobiell wirksame Substanzen, wie z.B. Sulfonamide ANTIBIOTIKA: biosynthetisch gewonnene, antimikrobiell wirksame Naturstoffe, wie z.B. Penicillin Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene BAKTERIOSTASE: reversible antibiotische Hemmung des Wachstums bzw. der Vermehrung einer Bakterienpopulation z.B. Sulfonamide, Tetracycline... BAKTERIZIDIE: irreversible Schädigung und Abtötung einer Bakterienpopulation z.B. Penicilline, Cephalosporine... Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 26 Resistenz Bakterielle Eigenschaft, Antibiotikakonzentrationen, die im Makroorganismus erreicht werden können, zu tolerieren („klinische Resistenz“)! 1. natürliche Resistenz: stets vorhandene Unempfindlichkeit, d.h. Lücke im Wirkungsspektrum des Antibiotikums 2a. erworbene (chromosomale) Resistenz (primär oder sekundär): Mutation im Chromosom lokalisiertere Gene; nur unter Selektionsdruck kann sich eine resistente Population entwickeln! 2b. extrachromosomale ("infektiöse") Resistenz: extrachromosomale Gene als Träger von Resistenzfaktoren (Plasmide) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Resistenzeigenschaften können durch parasexuelle Prozesse übertragen werden: + Konjugation: Übertragung von DNA über Plasmabrücken + Transformation: Übertragung von DNA von lysierten Zellen auf spezifische Akzeptoren + Transduktion: Übertragung von Bakterien-DNA durch Phagen (versehentliches "Miteinpacken" von Bakterien-DNA) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 27 RESISTENZMECHANISMEN Veränderung des Arzneimittelrezeptors Antibiotika haben verschiedene Angriffspunkte in der Bakterienzelle. Wird durch Mutation die Struktur dieser Angriffspunkte verändert, so kann das Antibiotikum keine Bindung mehr eingehen und wird wirkungslos. Beispiel: Streptomycin-Resistenz: beruht auf einer Veränderung der 30-S-Ribosomen-Untereinheiten Veränderung der Penetration des Antibiotikums Bevor der Wirkstoff seinen Rezeptor erreicht, muss er durch die Zellwand penetrieren. Durch Veränderungen im aktiven Transportgeschehen oder durch eine herabgesetzte Permeabilität der äußeren Membran kann das Antibiotikum nicht mehr in die Bakterienzelle gelangen. Inaktivierung des Antibiotikums Je nach Antibiotikum sind unterschiedliche Enzyme dafür verantwortlich. Beispiel: Franz Mascher β-Lactamasen: bewirken hydrolytische Spaltung des β-Lactam-Rings von Penicillinen und Cephalosporinen V15 MUG- Institut für Hygiene Resistenzmechanismen Inaktivierende Enzyme: Hydrolyse oder Modifikation des Antibiotikums z.B. Betalactamase (hydrolysiert Betalactamring) Resistente Zielmoleküle: Durch Mutation werden GenProdukte gebildet, die eine geringere Affinität zum Antibiotikum aufweisen. Permeabilitätsmechanismen: Reduzierter Influx bzw. Efflux Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 28 Chemotherapeutika: Antimikrobielle Wirkstoffe! * Wirkungsspektrum: (natürliche Resistenz) Schmalspektrum - Breitspektrum * Wirkungsweise: bakteriostatisch - bakterizid * Wirkungsmechanismen (Pharmakodynamik): Angriffspunkt ist Zellwand, Zytoplasmamembran oder Proteinsynthese * Pharmakokinetik: Resorption, Bindung an Serumeiweiß, Verteilung, Gewebsdiffusion, Umbau, Abbau, Metabolisierung und Ausscheidung * chemisch-physikalische Eigenschaften pH-Optimum, Stabilität, Löslichkeit * Nebenerscheinungen Toxizität, Allergie, Eliminierung der Normalflora * Resistenzlage Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Virulenzfaktoren + als Strukturelemente der Bakterienzelle (nicht toxisch) + als Stoffwechselprodukte (extrazellulär bzw. toxisch) Biologische Funktion der Virulenzfaktoren - Adhäsion: zur Kolonisation mittels wirtspezifischer Adhäsine (z.B. Fimbrien, Pili) - Invasion/Ausbreitung: gewebsschädigende Exoenzyme (z.B. Streptokinase, Hyaluronidase, Kollagenase, Proteasen...) - Toxine: Franz Mascher Endotoxine (werden bei Zelltod frei; z.B. LPS) Exotoxine (Eiweißstoffe, die von Bakterium nach Außen abgegeben werden) Zytotoxine, Neurotoxine, Enterotoxine V15 MUG- Institut für Hygiene 29 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 30 Strategien gegen Infektabwehr des Wirtes: - Antiphagocytose: Kapseln, Phagocytentoxine ... - Immuntoleranz: Molekulare Mimikry (das Immunsystem erkennt Bakterien nicht als fremd) - Antigenvariation: Variabilität der Antigenproteine (z.B. Pili..) - IgA-Proteasen: Bakterien zerstören spez. Antikörper Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Epidemiologie Lehre über Ursache, Entstehung und Verbreitung von Krankheiten! Infektionskette: a) Infektionsquelle: primäre Qu. (Ort, an dem sich Erreger aufhält oder vermehrt; Mensch, Tier=Zoonosen), Inkubationsausscheider, Rekonvaleszenzausscheider, Dauerausscheider sekundäre Quellen (Wasser, Boden, Luft) b) Übertragungsweg: Tröpfcheninfektion (z.B. Erkältungskrankheiten) Kontakt- und Schmierinfektion (z.B. Geschlechtskrankheiten) c) empfindliches Individuum: Eigenschaften der Erregers (z.B. Virulenz) und des Makroorganismus (z.B. Abwehrvermögen) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 31 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 32 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 33 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 34 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 35 Staphylococcus (+ Kokken) In regelmäßigen Haufen gelagerte, kugelige Bakterien; aerob und anaerob (ca 1µm]; unbeweglich, nicht sporenbildend; katalasebildend; Gegen physikalische und chemische Noxen sehr resistente Vegetativformen (60°C 15 - 30`; Salztoleranz 10%) Habitat: Haut und Schleimhäute St. aureus: (koagulasepositiv), extrazelluläre Substanzen (Koagulase, Staphylokinase,Hämolysine, Kapsel) Enterotoxin (TSST1 Lebensmittelintoxikation) Bedeutung: lokale Infekte (Abszess, Furunkel, Wundinfektionen), Otitis media, Sepsis, Hospitalismus, Endocarditis, Pneumonie, Lebensmittelintoxikationen (TSST1), Indikatorbakterium; St.epidermidis, St.saprophyticus...(coagulasenegativ) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 36 Streptococcus (+ Kokken) kugelig bis oval; in Ketten oder paarweise; unbeweglich, nicht sporenbildend; nicht katalasebildend; Normalflora, Krankheitserreger, Milchsäure-, Diacetylbildung; Habitat: Normalflora d. Schleimhäute, Darmflora, Krankheitserreger Klassifikation: Hämolysevermögen (Alpha-H. = teilweise H.; Beta-H. = totale H.; Gamma-H. = „keine“ H.) Antigenstruktur (Polysaccharide in Zellwand; Lancefield-Gruppierung: Antigengruppen A bis V) Str.pyogenes: (betahämolysierend, Gruppe A), Scharlach (Streptokinase) Str.agalacticae (betahämolysierend, Gruppe B), Meningitis uns Sepsis bei Neugeborenen; Str.faecium/faecalis: Enterokokken, (betahämolysierend, Gruppe D), Darmflora; Alphahämolysierende Str.: Viridans-Gruppe; oft kein definiertes Gruppenantigen; Mundflora; Str.pneumoniae: Pneumokokken, meist paarförmig von dicker Kapsel umgeben (Polysaccharid-Polymere, über 80 Serotypen, antiphagocytär) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 37 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 38 Neisseria (- Kokken) aerob/fakultativ anerob, unbeweglich, nicht sporenbildend, N.gonnorrhoeae: Gonokokken (Gonorrhöe, Tripper), paarweise (semmelförmig) auftretende Kokken; teilweise mit Kapseln, Pili zur Anheftung an die Schleimhautzellen; Augenbindehauteiterung bei Neugeborenen; N.meningitidis: Meningokokken, paarweise (semmelförmig) auftretende Kokken mit Kapseln; Differenzierung mittels unterschiedlicher Kapsel-Serogruppen; in 3.Welt-Ländern; aktive Immunisierung bei Fernreisen in Endemiegebiete; N.(Branhamella, Moraxella) catarrhalis: Schleimhautflora im oberen Respirationstrakt; Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 39 Corynebacterium (+ Stb) Corynebacterium diphtheriae: grampositive, schlanke, an den Enden oft verdickte Stäbchen; fakultativ anaerob, unbeweglich, nicht sporenbildend; mit Spezialfärbungen (Neisser-Färbung) können endständig gelagerte Polyphosphate (Polkörperchen) dargestellt werden. Exotoxinblockiert irreversibel d. Proteinbiosynthese Viele Corynebacterium-Arten besiedeln Haut und Schleimhäute! Listeria (+ Stb) Listeria monocytogenes: peritrich begeißelte, zarte Stäbchen; vermehren sich noch bei 5°CKälteanreicherung; Listeriose Lactobacillus (+ Stb) grampositiv, nicht sporenbildend, unbeweglich,zart, oft Kettenbildung; Normalflora d. Menschen; Milchsäure, Milchprodukte, Silage; Lactobacillus acidophilus: Döderlein`sche Stäbchen, Vaginalflora; Bifidobacterium sp.: Bifidus-Flora im Säuglingsdarm Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Bacillus (+ Stb) aerob, sporenbildend, groß und breit, ubiquitär, Krankheitserreger, Antibiotika, Enzyme; B.anthracis: Milzbranderreger, Exotoxin; B.stearothermophilus: Sporen sehr hitzeresistentTest von Sterilisatoren Clostridium (+ Stb) anaerob, sporenbildend, beweglich, groß und breit, Erdboden und Darmdrakt, Krankheitserreger (starke Exotoxine), Butanol, Aceton, Buttersäure; Cl.perfringens: Gasbranderreger, Cl.tetani: Wundstarrkrampf, Cl.botulinum: Lebensmittelintoxikation; Cl.difficile: antibiotikaassozierte Kolitis Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 40 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Actinomycetes (+ Stb) meist anaerob, myzelartiges Wachstum (früher zu Pilzen gezählt, aber prokaryont, Murein in Zellwand), Aktinomykosen, Bildung sehr vieler Antibiotika, Enzyme, Vitamine Mycobacterium (+ Stb) grampositive, zarte Stäbchen, unbeweglich, nicht sporenbildend, durch lipidreiche und wachshältige Zellwand schwer färbbar, ZiehlNeelsen-Färbung säurefeste Stäbchen, M.tuberculosis: Tuberkulose (R.Koch, 1882), keine Toxine M.leprae: Lepraerreger, Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 41 Enterobacteriaceae (-Stb) nicht sporenbildend, teils begeißelt, fakultativ anaerob, Darmflora, Krankheitserreger; Indikatorbakterium; Antigenstrukturen: O-Antigene (Polysaccharide der LPS), H-Antigene (Geißelproteine), K-Antigene (Kapselantigene);Endotoxine: Lipid A des LPS. Escherichia coli, Klebsiella sp., Enterobacter sp., Serratia sp., Proteus sp., Citrobacter sp., Salmonella sp., Yersinia pestis, Y.enterocolitica, Shigella dysenteriae (Darmflora, Eiter- und Entzündungserreger, Harnwegsinfekte, Gastroenteritis, Typhus, Pest, ua.) E.coli: physiologischer Darmbewohner, Indikatorbakterium, häufigster Erreger bakterieller Infekte des Menschen; extraindestinal: Harnwegsinfekte, nosokomiale Sepsis, Wundinfekte... intestinal:EPEC (enteropathogener E.coli) – Säuglingsdiarrhoe ETEC (enterotoxischer E.coli) – Reisediarrhoe EIEC (enteroinvasiver E.coli) – penetrieren Schleimhaut des Dickdarms EHEC (eterohämorrhagischer E.coli) – hämorrhagische Kolitis Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 42 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Salmonellen S.typhi, S.paratyphi: per os, Intestinaltrakt – lymphatisches Gewebe – lymphogene und hämatogene Streuung – Milz, Leber, Knochenmark... S.enteritidis u.a.: per os, Mukosa des Darms, akute Brechdurchfälle, keine spezifische Therapie, bei massiven Diarrhöen Wasser-und Elektrolytverlust. Pseudomonas polar begeißelt, strikt aerob, Cytochromoxidase, geringe Nährstoffansprüche, „Naßkeime“; „Nonfermenter“; P.aeruginosa: Hospitalismuserreger, manchmal kapselbildend, Exotoxin A, Wundinfekte, Otits media, Harnwegsinfekte, ua., Indikatorbakterium; Vibrionaceae gekrümmte Stäbchen, natürliches Habitat sind Oberflächengewässer; Vibrio cholerae: (Choleraerreger) per os, (>108 Zellen), 2-5Tage, Choleratoxin – Sekretion von Elektrolyten Aeromonas/Plesiomonas: Oberflächengewässer, Infektionen bei Fischen, Amphibien, Reptilien; Hospitalismuserreger, Gastrenteritis; Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 43 L.pneumophila: Legionellose (1976 im Zuge eines Kongresses amerikanischer Legionäre entdeckt) Inhalation keimhaltiger Aerosole (Klimaanlagen, Luftbefeuchter, Beatmungsgeräte...), Inkubationszeit 2-10 Tage, atypische Pneumonien; (selten Pontiac Fieber: selbstlimitierende fieberhafte Erkrankung); Spirochaeten spiralig gekrümmt, meist beweglich, anaerob/fakultativ anaerob; Campylobacter: Enteritiserreger Helicibacter: chronische Gastritis Treponema pallidum: Syphiliserreger (Lues) Borrelia burgdorferi: Erreger der Lyme Borreliose 1977 vermehrtes Auftreten von akuten Arthritiden bei Jugendlichen im Bezirk Lyme (Connecticut);1981 Beschreibung des Erregers. Zoonose durch Zeckenbiß übertragbar, Inkubationszeit 3-30 Tage, 3 Stadien (Erythema chronicum migrans – auffällige Hautveränderung). Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Borrelia burgdorferi: Erreger der Lyme Borreliose 1977 vermehrtes Auftreten von akuten Arthritiden bei Jugendlichen im Bezirk Lyme (Connecticut); 1981 Beschreibung des Erregers. Zoonose durch Zeckenbiss übertragbar, Inkubationszeit 3-30 Tage, 3 Stadien (Erythema chronicum migrans – auffällige Hautveränderung). Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 44 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Züchtung oder Kultivierung von Bakterien Bakterien außerhalb ihres natürlichen Standortes zur Vermehrung bringen. Inokulation: Verbringung bakterienhältigen Materials in ein Kulturmedium Inkubation: "Bebrütung" der beimpften Kulturmedien Kultur: die durch Vermehrung entstandene Bakterienpopulation flüssige Kulturmedien: Nährbouillon (Fleischextrakt, Pepton, Glucose) feste Kulturmedien: Nährbouillon + 2% Agar (Polysaccharid aus Seetang) - Minimalmedium: "Existenzminimum" - Optimalmedium: Substrate im Überfluss - Selektivmedium: selektiv für einzelne Keimgruppen wachstumshemmend; zur Anreicherung "interessanter" Keime um sie von Begleitflora zu trennen - Differentialmedium: enthalten Stoffe, welche von einzelnen Bakterienarten metabolisiert werden --> Stoffwechselprodukte werden z.B. durch Farbindikatoren angezeigt ("Bunte Reihe") Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 45 Direkter Nachweis von Bakterien oder deren Produkten * Mikroskop: nativ - Einfachfärbungen - Differentialfärbungen Form- und Größe der Zellen, Flagellen, Kapseln, Sporen usw., Pseudozellverbände, Färbeverhalten * Kultivierung: auf festen und flüssigen Nährmedien - Makroskopisch-morphologische Merkmale der Kolonien Physiologische Merkmale - Wachstumsbedingungen (t°C, pH, pO2, pCO2, osmot.Druck, Nährstoffe,Mineralien ) - Stoffwechseleigenschaften (Verwertung von C- und N-Quellen, Nachweis von Stoffwechselprodukten und Enzymen) - Chemische Merkmale (DNA-Struktur, Antigen-Struktur) Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 46 KATALASEREAKTION Schnelltest zur Unterscheidung von Staphylokokken und Streptokokken positiv negativ Durchführung: Bakterienkolonie wird mit einem Tropfen 3%iger H2O2-Lösung beträufelt. Aufsteigende Gasblasen zeigen die Anwesenheit des Atmungskettenenzyms Katalase an. Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene PLASMACOAGULASE • Schnelltest zur Unterscheidung von: • Staphylococcus aureus positiv Staph. epidermidis negativ • Durchführung: Bakterienkolonie wird auf einen Objektträger aufgebracht und mit einem Tropfen Latexsuspension verrührt. Die Latexteilchen sind mit Humanfibrinogen und IgG beschichtet. Bei positiver Reaktion kommt es zur Klumpenbildung. Prinzip: Zur Agglutination kommt es durch Bindung des IgG an das an der Zelloberfläche von Staph. aureus-Stämmen lokalisierte Protein A und durch den Clumping-Faktor, der mit Fibrinogen reagiert. Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene 47 BUNTE REIHE Identifizierung von Enterobacteriaceae Kligler Dextrose Lactose H2SBildung Franz Mascher Zuckerspaltung Indol Harnstoff Citrat Nitrat Beweglichkeit Glucose Tryptophan Harnstoff Kohlenstoff- Nitrat Lactose zu Ammonium- quelle ⇒ Saccarose carbonat Nitrit V15 beweglich unbeweglich MUG- Institut für Hygiene BUNTE REIHE Farbumschläge bei positiven Reaktionen und Zusatz von Reagenzien Harnstoffreagenz: Indolreagenz: Phenolphtalein p-Dimethylaminobenzaldahyd Franz Mascher V15 Nitratreagenzien: Sulfanilsäure α-Naphthylamin Essigsäure MUG- Institut für Hygiene 48 Franz Mascher V15 MUG- Institut für Hygiene Das Testsystem beruht auf dem Prinzip der Bunten Reihe : In einem Teststreifen mit 20 Mikroröhrchen befinden sich verschiedene dehydrierte Testsubstanzen, die mit einer Bakteriensuspension in Aqua dest. befüllt werden. Der Test wird anschließend bei 37°C ca. 24 Std. bebrütet. Ein meist indikatorbedingter Farbumschlag zeigt an, ob die getesteten Substanzen von Bakterien umgesetzt wurden. Anhand der positiven Reaktionen lässt sich ein Zahlencode erstellen, der zur Identifizierung der Keime führt. + + + QNPG ADH LDC 5 + + + ODC ‚CIT H2S 1 URE TDA IND 4 VP GEL GLU MAN IND 4 + + + SOR RHA SAC MEL AMY ARA OX 5 1 2 Kodierungsprinzip des API-Systems z.B.: Escherichia coli 49 URICULT: Eintauchmedium für Harnkulturen Gelbe Seite : Anreicherungsmedium für alle Bakterien Rote Seite: Selektivmedium für gram-neg. Bakterien Weiße Seite: Selektivmedium für Enterokokken Häufigste Erreger bakterieller Harnwegsinfektionen: akute Infektionen, nicht hospitalisierte Patienten Escherichia coli chronische Infektionen hospitalisierte, kathederisierte Patienten Proteus, Pseudomonaden, Klebsiella Enterobacter, Enterococci, Staphylococci Franz Mascher Franz Mascher V15 V15 MUG- Institut für Hygiene MUG- Institut für Hygiene 50
