Block 5 W19

Die Normalflora des GIT zeigt eine sehr hohe Variabilität:

- Zeitachse = Etablierung einer residenten Flora nach erster Besiedelung durch mütterliche Flora

- Kranio-kaudale Achse (vertikal) = Hohe Speziesdichte in Mund und Rachen, sowie im Kolon und Rektum, geringere Dichten im Magen und Dünndarm (allerdings eine vollständige Besiedelung)

- Lumen-Epithel-Achse (horizontal) = Anaerobier stark mit Epithelseite assoziiert

- Krypten-Zotten-Achse = Dichtere Besiedelung der Zotten

(1) Erregerspezifische Virulenzeigenschaften (sowohl bei fremden oder eigenen Mikroben)

- Motilität (Bewegungsorganellen)

- Adhäsion (Adhäsine)

- Invasion (Invasine)

- Toxine

(2) Intraluminale Erreger (fremde Mikroben)

- Intraluminale Infektion

- Intestinale Manifestation

(3) Extraluminale Erreger (fremde Mikroben)

- GIT als Eintrittspforte

- Extraintestinale Manifestation

(4) Verlagerung der Normalflora (eigene Mikroben)

- Ektopische Normalflora (intestinale Verschiebung)

- Extraintestinale Transmigration (bei Ischämie)

- Extraintestinale Translokation (Trauma)

- Intestinale Entzündung

(5) Gestörte Balance der Normalflora

- Überwiegen bestimmter Erreger

- Schädigung bestimmter Erreger

Verschiedene Erreger können über unterschiedliche Mechanismen zu Durchfall-Symptomatik führen. Verschiedene Mechanismen bewirken dabei eine Störung von Sekretion und Absorption im GIT.

Wichtige Mechanismen von Sekretion und Absorption im GIT (pathogenetischer Ansatz):

- Chlor-Sekretion

- Na-Absorption (Verschiedene Anti- und Symporter)

- Parazelluläre Permeabilität (osmotische Wasser- und Elektrolytenverschiebung)

- Chlorabsorption (Cl/Bikarbonat-Antiporter)

- Wasserabsorption (AQP)

- Na/Gluc-Absorption (Symporter)

Luminale Erreger (= kein direkter Kontakt)

Parazelluläre Erreger (= Kontakt zu apikaler Membran etc.)

Intrazelluläre Erreger (= Anlagerung und Eindringen)

Transzelluläre Erreger (= Anlagern, Eindringen, Durchdringen)

(1) Direkte Modulation von Transportern durch Toxine

(2) Indirekte Modulation von Transportern durch Schädigung des Epithels

(3) Indirekte Modulation von Transportern durch Entzündungsreaktionen

(4) Indirekte Modulation von Transportern durch Ausscheidung von Neuropeptiden und Beeinflussung des NS

(1) Nicht-Entzündliche Erreger, welche "lediglich" zur Störung von Sekretions- und Absorptionsmechanismen führen

- Toxine (V. cholerae)

- Adhärenz

(2) Entzündliche Erreger, welche zur Zerstörung der Mukosa führen (unterschiedlicher Schweregrad)

- Invasion

- Zytotoxine

(3) Invasive Erreger

- Penetration des GIT

- Systemische Infektionen

(4) Nischen, also Infektion in speziellen Habitaten

- H. pylori (Gastritis --> Ulkus --> Neoplasie)

(5) Eintrittspforte, also Infektionen anderer Organsysteme, bei denen Erreger aber über GIT eintreten

- Extraintestinale Pathologie

(1) Parabakterielle Toxine

(2) Intrazelluläre Toxine (Inokulation bzw. Injektion)

(3) Fernwirkung (hämatogene oder neurogene Verteilung von Toxinen)

Keine echten Infektionen, sondern Aufnahme von präformierten Toxinen über kontaminierten Lebensmitteln, wobei Toxine teils hitzestabil sein können. Bei Intoxikation kommt es innert 30 min. und 6 h (durchschnittlich in ca. 4 h) zur symptomatischen Manifestation (sofortige Wirkung), charakteristischerweise mit Erbrechen, wässrigem Durchfall etc. Wichtig ist, dass keine fäko-orale Infektion stattfinden kann, weil keine Infektionserreger ausgeschieden werden.

Enterotoxine des Staph. aureus

Emetisches Toxin (Cereulid) des Bac. cereus

Hitze- und säurestabiles Toxin, welches von Bacillus cereus produziert wird. Die Sporenbildner können in Nahrungsmitteln bei 5 - 60°C Wachsen und mit ihren Toxinen Lebensmittel kontaminieren (insbesondere Reis, Getreideprodukte, Rohmilch, Gewürze, Pilze, etc.)

Aufgrund Hitze- und Säureresistenz übersteht das Toxin das Kochen und die Magenpassage, gelangt so in den Dünndarm, wo es an 5-HT3-Rezeptoren binden kann und über Vagusafferenzen das Brechzentrum stimulieren kann!

Vibrio cholerae scheidet Choleratoxin aus und induziert dadurch die Cholera. Toxin bindet an Gangliosidrezeptor der Epithelzellen im Darm, wobei ein Teil des Toxins in die Zelle gelangen kann und dort die Alpha-UE eines stimulierenden G-Proteins im aktivierten Zustand blockiert, was einen massiven Anstieg von cAMP bewirkt und so den CFTR Cl-Kanal zur Cl-Ausscheidung stimuliert.

Durch Cl Efflux wird parazellulär ein osmotischer Wassersog ins Lumen erzeugt! Symptomatisch manifestiert sich Cholera durch massiven, wässrigen (sekretorischen) Durchfall von bis zu 15l (durch Muzinreste zu sog. Reiswasserstühlen).

Wichtig ist, dass im Darm keine Entzündung entsteht und V. cholerae keine Zytotoxizität ausübt (Toxin-vermittelte, nicht-entzündliche Infektion)! Das Vibrio cholerae besitzt kein besonderes Programm zum Überleben im GIT (keine speziellen Virulenzfaktoren), weshalb der Durchfall mögl. Teil der Überlebensstrategie darstellt (Ausscheidung in Umwelt zur Weiterverbreitung)

Nach Aufnahme bewegen sich die ETEC zum Darmepithel (Motilität), durchdringen Schleimschicht und binden mit Fimbrien an Epithelzellen (Adhäsion). Anschliessend werden Enterotoxine sezerniert, in die Zelle Aufgenommen und bewirken (analog zum Choleratoxin, d.h. über Steigerung cAMP-Spiegel und Öffnung des CFTR Cl-Kanals) einen wässrigen Durchfall (sog. Reisedurchfall, travellers diarrhoe), der aber im Vergleich zu V. cholerae wesentlich schwächer ausgeprägt ist.

Enterotoxine:

- Hitzelabil Toxine LT

- Hitzestabile Toxine ST

Wichtig ist, dass es sich um nicht-entzündliche, Toxin-vermittelte Erkrankung handelt! Weil Besserung innert wenigen Tagen eintritt, hat eine Antibiotikagabe keinen Benefit und sollten nicht verabreicht werden.

"Toxin-vermittelte" nicht-entzündliche Infektion

Rotaviren binden an Bürstensaum villöser Enterozyten (oberer Dünndarm) und dringen schliesslich in diese ein. Im weiteren Verlauf kommt es über mehrere Mechanismen zur Entstehung einer Durchfall-Symptomatik:

- NSP4 (wirkt wie ein Enterotoxin) und führt via Aktivierung PLC zur Steigerung des IC Ca-Gehalts, was u.a. eine Öffnung der Cl-Kanäle bewirkt (Cl-Efflux mit parazellulärem Wasser-Efflux)

- Intrazelluläre Virusreplikation führt zur Atrophie und Involution des Bürstensaums, durch die Oberflächenverkleinerung kommt es zu Sekretions- und Absorptions-Einbusse, sowie zu eingeschränkter Disaccharidase-Aktivität (osmotische Diarrhö durch KH)

Wichtig

RV-Infektion ist häufigste Infektion vorschulpflichtiger Kinder weltweit (ca. 3 Mio. Krankheitsfälle pro Jahr), häufigste Ursache von Durchfall-bedingten Hospitalisationen bei Kleinkindern (60% der Kinder < 36 Monaten, die mit akuter Diarrhö hospitalisiert werden)

Nicht-entzündliche Infektionen:

Vibrio cholerae (Choleratoxin)

Enterotoxigener E. coli ETEC (Enterotoxine)

Rotavirus (NSP4 + IC Virusreplikation)

Nicht-entzündliche Intoxikationen:

Bacillus cereus (Cereulid, emetisches Toxin)

Staph. aureus (Enterotoxin)

Entzündliche Infektion

Nach Aufnahme erfolgt Adhäsion an Epithelzellen und Aggregierung durch spezielle Pili. Anschliessend werden bestimmte Toxine mittels Sekretionssystem Typ 3 in die Wirtszelle injiziert.

Die Toxine bewirken:

- Eigener Rezeptors, sog. TIR (Translocated Intimin Rezeptor) wird auf der Wirtszelloberfläche exprimiert und bindet an das Adhäsin Intimin auf der Mikrobenoberfläche

- Zytoskelett wird verändert, so dass es zur typischen Sockelbildung kommt (Pedestal)

Symptomatisch manifestiert sich die Infektion als Diarrhö:

- Durch Verkleinerung der apikalen Oberfläche kommt es zur Störung des Elektrolytenflusses

- Durch Veränderung der IC Signalvermittelung kommt es zur Störung von Elektrolytentransportern

- Veränderung des Zytoskeletts induziert eine Entzündung

Entzündliche Infektion

Nach Aufnahme kommt es zur Adhäsion an apikalen Membran der Enterozyten. Genau wie EPEC sind EHEC in der Lage einen Rezeptor zu induzieren und das Zytoskelett zu verändern (Pedestalbildung)

Im Gegensatz zum EPEC sind EHEC in der Lage Shiga-like-Toxin zu sezernieren (durch Pathogenitätsinsel erworben). Stx hat in den Enterozyten keine direkte Wirkung, sondern gelangt über diese in den systemische Kreislauf, wo es nun Auswirkungen auf verschiedene Organsysteme hat (insbesondere die Nieren):

- Bindung an Endothel in den Glomeruli

- Bindung an tubuläres Epithel

Das Stx ist in der Lage rRNA zu schneiden und so die Proteinsynthese zu unterbrechen und Zelltod zu induzieren (zytotoxisches Toxin). Durch Zerstörung des Epithels und Gerinnung kommt es zum Hämolytisch-urämischen Syndrom HUS

Durch Clostridium difficile verursachte, Toxin-vermittelte, entzündliche Infektion. Die Infektion ist in der Regel eine Komplikation von Antibiotika-Behandlungen (Störung der Normalflora, bei der C. difficile Überhand nehmen kann)

C. Difficile scheidet Exotoxin A und B aus (sog. binäres Toxin):

- Toxin A dringt in Zelle ein und löst die Tight Junctions auf (keine parazellulären Barrieren)

- Toxin B kann sekundär über parazellulärem Weg in die Lamina propria eindringen und eine massive Entzündungsreaktion auslösen

Durch Entzündung:

- Zelltod

- Immunaktivierung

- Endothelaktivierung

- Neurostimulation

- Steigerung der Cl-Sekretion

Wichtig ist, dass durch Epithelschädigung und Immunologische Reaktionen eine Pseudomembran gebildet wird, welche sich auf Darmoberfläche ablagert!

Diagnostisch werden Toxine nachgewiesen!

Komplikationen:

- Toxisches Megacolon

- Darmperforation

Entzündliche, u.U. invasive Infektion

Weit verbreitet, Übertragung meist durch Lebensmittel (Geflügel)

Symptomatik: Wassriger oder blutiger Durchfall, abdominelle Schmerzen, Arthritis.

Eintritt in Epithelzellen erfolgt über M. Zellen, Campylobacter können aber anschliessend in die Submukosa vordringen, wo die Replikation erfolgt. Instesamt können die Erreger zur Destruktion von Epithel und subepithelialen Strukturen führen. Die Durchfallsymptomatik steht dabei nicht zwingend im Vordergrund, denn ausgehend von Submukosa können die Erreger auch disseminieren und zu einer systemischen infektion führen (Darm als Eintrittspforte).

Entzündliche, invasive Infektionen

Nach Aufnahme erfolgt Adhäsion an Epithelien, anschliessend werden (via. Typ 3 Sekretionsapparat) Effektorproteine injiziert, wodurch es zu Signaltransduktion und zur Reorganisation des Zytoskeletts kommt (sog .Membran ruffling), so, dass durch "Fangarme der Wirtszellen" eine starke Interaktion zwischen Erreger und Wirtszelle und später auch eine Einverleibung entsteht (ähnlicher Mechanismus wie bei Salmonellen)

Shigellen sind in Lage in Submukosa vorzudringen und sich lateral auszubreiten. Mit verschiedenen Effektorproteinen können Shigellen Apoptose induzieren und proinflammatorische Zytokine freisetzen was zu einer massiven Entzündungsreaktion des unteren GIT (insbesondere Colon), mit starker Neutrophilen-Invasion und Gewebsdestruktion (Ulzeration) führt.

Entzündliche, invasive Infektionen

Nach Aufnahme erfolgt Adhäsion an Epithelien, anschliessend werden (via. Typ 3 Sekretionsapparat) Effektorproteine injiziert, wodurch es zu Signaltransduktion und zur Reorganisation des Zytoskeletts kommt (sog .Membran ruffling), so, dass durch "Fangarme der Wirtszellen" eine starke Interaktion zwischen Erreger und Wirtszelle und später auch eine Einverleibung entsteht (ähnlicher Mechanismus wie bei Shigellen)

Enteritische Salomonellen dringen über M-Zellen ein und können diese schädigen. Zur Replikation wandern die Erreger in Submukosa, wo sie teils phagozytiert werden. Erreger sind in der Lage nach Phagozytose in Makrophagen zu persistieren, indem sie die intraphagosomalen mikrobiziden Aktivitäten hemmen. Insgesamt kommt es zur Zerstörung der intestinalen Barriere und zu einer lokalen Entzündung und evtl. zu einer Dissemination und systemischen Entzündung (abhängig von Serovar und Wirt).

Symptomatik: Diarrhö, Erbrechen, Schmerzen

E. Coli (EPEC, EHEC, EIEC)

Shigella spp.

Salmonella enteritidis

Campylobacter jejuni

Clostridium difficile

Salmonella typhi

Yersinia enterocolitica

Primär invasive Infektion

Hochinfektiöser Erreger, welcher nach oraler Aufnahme durch Chemotaxis und Motilität Schleimschicht durchdringt und zum Epithel gelangt, wo er sich mit Adhäsinen an M-Zellen anheftet und mittels Invasinen in diese eindringt.

Von M-Zellen aus erfolgt Invasion (Invasine) in Makrophagen, wo sie persistieren. Via Makrophagen erfolgt Aussaat ins Blut bzw. eine Dissemination über Lymphe und Blut.

Mittels neuen Adhäsinen kann von hier aus ein Anheften an verschiedene Organsysteme (Leber, Milz, Knochenmark) erfolgen. Insbesondere über Leber erfolgt eine Rezyklierung in den Darm (Leber --> Galle --> Darm) und zu einer Persistenz bzw. Dauerausscheidung von Erregern

Vielfältige Symptome:

- Fieber (!!!), teilweise ohne weitere (abdominale) Symptome

- Abdominale Schmerzen, Psychische Störungen etc.

Komplikationen:

- Darmblutung und Perforation

- Entzündung ZNS, Lunge, Myokard

- Abszesse in Leber, Gallenblase

H. pyori = Gram negatives Stäbchen, welches zu chronischen Infektion in Nische führt

30 - 100% der Menschen infiziert. H. pylori führen in 10 - 20% der Fälle zu chronischen Gastritis und können Magen- und Duodenalulcera bewirken. Ausserdem Beteiligung an Adenokarzinom (Antrum, Fundus), sowie Lymphomen (Lymphgewebstumore) beim Magen

Erreger siedeln sich im Magen an und benötigen deshalb Vielzahl von Virulenzfaktoren:

- Motilität (Flagellen)

- Eindringen in Mucosa (Flagellen, Spiralform) entlang dem zunehmenden pH-Wert

- Überleben im Milieu (Urease)

- Molekulares Mimikry (Expression von Blutgruppenantigenen Lewis x und y)

- Adhäsion durch Pedestalbildung (Injektionsapparat und modulierende Proteine)

- Mikrobielle Produkte:

-- Neutrophil activating Protein = Freisetzung ROI bei Mikro- und Makrophagen (Entzündungsantwort)

-- Vacuolisierendes Ag = Funktionshemmung und Zytotoxizität

-- Cytotoxin-assoziiertes Ag = Synthese proinflammatorischer Zytokine (IL8)

GIT als Eintrittspforte

(1) Listerien binden nach oraler Aufnahme an Epithelzellen des Dünndarms und induzieren eine Rezeptor-vermittelte Endozytose

(2) Anschliessend sind sie in der Lage aus den Phagolysosomen zu entkommen und von Epithelzellen in Submukosa zu penetrieren.

(3) Von dort erfolgt Invasion von Mikro- und Makrophagen und eine hämatogene Dissemination

(4) Schliesslich kommt es zur Ablagerung im Gehirn (Meningitis und Enzephalitis) und zur Ablagerung in Plazenta (Fetale Schädigung)

- Beim Gehirn liegt transendotheliale leukozytäre Migration vor (wichtiger Mechanismus zur Überwindung der BHS)