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In Abhängigkeit von der Schädigungsstrategie werden pathogene E. coli in sog. „Pathotypen“ eingeteilt (HACKER & HEESEMANN, 2000) [Abb. 12]. Pathogene E.-coli-Varianten sind durch das Vorkommen verschiedener Virulenzfaktoren, wie z. B. verschiedenen Toxinen, besonderen Fimbrien- Adhäsinen, Invasinen oder Sekretionssystemen, gekennzeichnet [Abb. 13]. Sie können sowohl plasmid- oder phagen- als auch chromosomal kodiert im Bakteriengenom vorliegen. Darmpathogene E. coli werden aufgrund ihrer in den letzten Jahren aufgedeckten Virulenzfaktoren in derzeit 6 Klassen unterteilt, die Durchfallerkrankungen mit unterschiedlichen klinischen Erscheinungsformen verursachen (KAPER et al., 2004). Dabei werden die klinische Symptomatik sowie die von den Stämmen gebildeten Virulenzmerkmale, die Adhäsionsfaktoren und Toxine, als Einteilungskriterien verwendet. Die in früheren Jahren vor allem angewandte Serotypisierung zur Identifizierung und Klassifizierung klinischer Isolate wird heute immer mehr durch den molekulargenetischen Nachweis der jetzt bekannten bakteriellen Virulenz- und Pathogenitätsgene ersetzt, unterstützt durch den Nachweis spezifischer pathogener Merkmale. EPEC EIEC EHEC Toxinbildung Toxinbildung Toxinbildung ETEC Toxinbildung EAggEC UPEC SEPEC MENEC Abb. 12 Pathotypen und Pathogenitätsmechanismen humanpathogener E. coli (nach HACKER & HEESEMANN, 2000). Enteropathogene E. coli (EPEC) wurden erstmals in den 40er Jahren des vergangenen Jahrhunderts als Erreger der Säuglingsenteritis während eines massiven Ausbruchs in Großbritannien isoliert. Enteropathogene E. coli nutzen zum Andocken an die Darmschleimhaut spezifische Fimbrien-Adhäsine Virulenzmerkmale ● ● ● ● Adhäsine (CFA I/II-, P-, M-, S-Fimbrien) Toxine (Shiga-Toxine, hitzestabile und hitzelabile Toxine, Hämolysin, CNF) Invasine Typ-III-Sekretionsapparat (biologische „Injektionsspritze“) Abb. 13 Beispiele für Virulenzfaktoren pathogener E.-coli-Stämme. (bundle-forming pili, Bfp) und injizieren über ein Typ-III-Sekretionssystem bakterielle Signalproteine in die Epithelzelle, was zu Veränderungen des Aktingerüsts führt und letztlich zu einer Destruktion der Mikrovilli. Sie gelten heute vor allem in Entwicklungsländern als Verursacher von wässrigen Durchfallerkrankungen mit Fieber und Erbrechen bei Säuglingen und Kleinkindern unter 2 Jahren (LEVINE & EDELMAN, 1984; CRAVIOTO et al., 1991). EPEC sind auch für Tiere pathogen und verursachen z.B. beim Kaninchen große Verluste in der Jungtieraufzucht. Infektionen durch enterohämorrhagische E. coli (EHEC) traten erstmals 1982 in den USA auf. Sie sind im Gegensatz zu anderen darmpathogenen E.-coli-Stämmen, die sich nur beim Menschen finden und deren Übertragung durch fäkal kontaminiertes Gemüse oder durch Schmierinfektionen erfolgt, als Zoonoseerreger einzustufen (BALJER & WIELER, 1999). Sie repräsentieren eine Untergruppe der auch als Shiga-Toxin-produzierende (STEC) bzw. Vero- Toxin-produzierende (VTEC) bezeichneten E. coli und kommen in der Natur relativ häufig vor. E. coli dieses Typs sind Auslöser meist blutiger Diarrhöen (MACDONALD et al., 1988). Bei 10 -20 % der Erkrankten entwickelt sich als schwere Verlaufsform eine hämorrhagische Kolitis. Enterohämorrhagische E. coli schleusen nach der Anheftung Enterohämolysin und weitere Toxine in die Mukosazelle ein, was zu blutigen Läsionen im Darm führen kann. Da die Toxine auch in andere Organe gelangen können, kommt es u.U. zu fatalen Schäden im Nierengewebe (Hämolytisch-urämisches Syndrom, HUS) sowie zur Thrombotisch-Thrombozytopenischen Purpura (TTP) (MACDONALD et al., 1988; KARMALI, 1989). Nach heutiger Kenntnis sind landwirtschaftliche Nutztiere in Massentierhaltung, vor allem Rinder, die wichtigsten Erregerreservoire für Infektionen des Menschen (BEUTIN et al., 1995). Durch enterotoxische E. coli (ETEC) bedingte Infektionen sind eine weit verbreitete Ursache von Darmerkrankungen bei Kleinkindern sowie bei Reisenden in tropischen und subtropischen Ländern (Reisediarrhö). ETEC besitzen typische Adhäsine und schädigen die Enterozyten über zwei Toxine 20 21
(hitzelabile und/oder hitzestabile Enterotoxine). ETEC-Infektionen äußern sich in einem Cholera-ähnlichen Krankheitsbild. Es kommt zu wässrigen Durchfällen, abdominalen Krämpfen, Fieber und Erbrechen (LEVINE, 1987). Beim Tier sind vor allem neugeborene Lämmer, Kälber und Ferkel betroffen (KENNAN & MONCKTON, 1990; TZIPORI et al., 1981). Enteroaggregative E. coli (EAggEC) wurden bisher vor allem bei Kindern als Infektionserreger nachgewiesen und verursachen wässrige, oft persistierende Durchfälle. EAggEC haften an den Enterozyten des Dünndarms und lagern sich in typischer Weise zu Aggregaten zusammen (NATARO & KAPER, 1998). Sie schädigen durch Bildung eines besonderen Toxins (EAST I), das dem hitzestabilen Enterotoxin der ETEC ähnelt. Enteroinvasive E. coli (EIEC) besitzen die Fähigkeit, in die Darmwand einzudringen. Sie sind bezüglich ihrer pathogenen Eigenschaften den Ruhrbakterien (Shigellen) vergleichbar und verursachen beim Menschen Ruhr-ähnliche Symptome, wie anhaltende Bauchkrämpfe (Tenesmen) und breiige, blutige und blutig-schleimige Diarrhöen (FORMAL, 1983). Es kommt zu lokalen Entzündungen mit Bildung von Geschwüren durch Einwandern der Erreger in die Dickdarmwand. Eine Tierpathogenität ist nicht bekannt. Diffus adhärente E. coli (DAEC) wurden als Infektionsauslöser vor allem bei Kindern mit wässrigen Durchfällen nachgewiesen (NATARO & KAPER, 1998). Über ihre Pathogenitätsmechanismen ist noch wenig bekannt. Nekrotoxische E. coli (NTEC) zeichnen sich durch die Bildung eines bestimmten Typs von Toxinen, den Cytonekrose-Faktoren (CNF) aus (DE RYCKE et al., 1990). CNF1-bildende NTEC sind vor allem beim Menschen mit extraintestinalen Koli-Infektionen nachgewiesen worden, während CNF2-bildende NTEC bei Kälbern sowohl mit Durchfall als auch mit Septikämien in Verbindung gebracht werden (CAPRIOLI et al., 1987). Extraintestinale Infektionen entstehen durch das Vordringen von Kolibakterien, die sich z.T. aus der eigenen Darmflora rekrutieren, in ansonsten sterile oder spärlich besiedelte Bereiche des Organismus, in denen eine Vermehrung begünstigt wird. Bei extraintestinalen Infektionen spielt E. coli vor allem als Erreger von Harnwegsinfekten (UPEC = uropathogene E. coli) eine wichtige Rolle (JOHNSON & STAMM, 1989). Uropathogene E. coli heften sich mit spezifischen Adhäsinen (z. B. P-Fimbrien, S-Fimbrien) an uroepitheliale Zellen und setzen zur Schädigung des Epithels ein cytolytisch wirkendes Toxin (α-Hämolysin) ein. Gleichzeitig entziehen sie sich den Attacken der Immunabwehr durch Kapselbildung. UPEC können die Harnwege von Menschen, Affen und Hunden infizieren. Ein wesentlich selteneres Krankheitsbild ist die Sepsis oder Meningitis bei Neugeborenen, die durch Sepsis/Meningitis-assoziierte E. coli (SEPEC, MENEC) hervorgerufen werden kann (DAWSON et al., 1999). Sepsisauslösende E. coli nutzen ähnliche Pathogenitätsfaktoren wie die UPEC. Durch E. coli ausgelöste Sepsis kommt bei Mensch, Rind, Schaf, Schwein und Geflügel vor. SEPEC schützen sich vor der Attacke durch das Komplementsystem durch Besitz bestimmter Kapseltypen und langkettiger Lipopolysaccharide. Dies ermöglicht ihnen, längerfristig im Blutserum zu überleben. SEPEC werden daher als „serumresistent“ bezeichnet. Meningitisauslösende E. coli (MENEC) sind E.-coli-Varianten, die auch Harnwegsinfektionen verursachen können. Sie werden beim Menschen während der Geburt von der Mutter auf das Neugeborene übertragen, bei dem sie eine Meningitis auslösen können. MENEC schützen sich ebenfalls durch Bildung einer Kapsel (oft vom K1-Serotyp). Sie docken mit pathogenen S-Fimbrien-Adhäsinen an Epithel- und Endothelzellen an und können diese Gewebsbarrieren durchdringen. Nach der vollständigen Genom-Sequenzierung des E. coli K-12-Stammes MG 1655 im Jahr 1997 folgte die Entschlüsselung weiterer Genome von apathogenen wie auch pathogenen Varianten der Spezies. Durch Vergleiche der jeweiligen Genomsequenzen konnten Unterschiede in der genetischen Organisation aufgezeigt und Hinweise auf die phylogenetische Entwicklung von Bakterienstämmen gegeben werden. Die Analyse der Sequenzdaten hat zu der Erkenntnis geführt, dass bakterielle Genome häufig aus einem Kerngenom bestehen, aber daneben zusätzliche DNA-Sequenzen besitzen, die möglicherweise über horizontalen Gentransfer in das Genom integriert wurden [Abb. 14]. Kerngenom Phagen Plasmide Genom-Inseln Pathogenität Resistenz Sekretion Metabolismus Degradation Symbiose Abb. 14 Genomstruktur von Bakterien (nach HACKER et al., 2001) 22 23
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