Block 5 W18

Gewisse Genprodukte sind nur in bestimmten Situationen nützlich, in anderen störend, weshalb es für Bakterien nützlich ist, gezielt Gene zu exprimieren oder nicht zu exprimieren.

Durch ungleiche homologe Rekombination können Bakterien die Expression von Genen regulieren. Dadurch, dass die Gene von springenden Genen flankiert sind, kann bei der Replikation eine gesamte Gensequenz auf die Tochterzelle übertragen werden oder eben nicht übertragen werden.

Je nachdem ob eine Amplifikation eines Gens (Transposon auf Tocherzelle übertragen), eine partielle Deletion (teilweise Übertragung von Transposon von Tocherzelle auf Mutterzelle) oder eine komplette Deletion (komplette Übertragong von Transposons von Tocherzelle auf Mutterzelle) vorliegt wird die Expression gesteigert, vermindert, komplett inhibiert

Bsp. Polysaccharidkapsel des Haemophilus influenza Typ b

Transformation (= Aufnahme und Rekombination von freien DNS-Fragmenten)

- Von lysierten Bakterien

- Durch DNS-Bindungsproteine (zur Aufnahme)

Transduktion (= Aufnahme und Übertragung von DNS durch Bakteriophagen)

Konjugation (= Austausch und Rekombination von Plasmid-DNS)

Wichtig: Unterschiedliche Bakterien besitzen unterschiedliche Mechanismen zur Aufnahme von DNS. Die Rekombination ist aber in jedem Fall davon abhängig, ob entsprechende Enzyme vorhanden sind (RecA-Enzyme)

Grampositive Bakterien (bsp. Gen für Kapselsynthese bei Pneumokokken)

(1) Bindung durch DNS-Bindungsproteine

(2) Spaltung durch peripheres Nuclease Enzym

(3) Einschleusung der DNS-Fragmente als Einzelstrang DNS

Gramnegative Bakterien

(1) Spezielle DNS-Bindungsproteine an Zellperipherie

(2) Aufnahme kurzer homologer doppelstrang DNS-Fragmente

(3) Intrazellulärer nucleolytischer Abbau eines Stranges und Inkorporation des anderen Stranges

Durch Transformation können Mosaikgene entstehen (Kombination aus Fremd und Eigen DNS)!

Virulente bzw. lytische Phagen verursachen eine lytische Infektion, d.h. nach Injektion kommt es direkt zur viralen Replikation und zur Fragmentierung. Während der Replikation werden so rein zufällig Fragmente der bakteriellen DNS aufgenommen, wobei sog. transduzierende Viren entstehen, die (wegen fremd DNS) keine Replikation mehr ausführen können. Da transduzierende Viren immer noch an bakterielle Rezeptoren binden und DNS injizieren können kommt es zu einer völlig zufälligen (generalisierten) Transduktion

Temperente Phagen verursachen eine lysogene Infektion, d.h. nach Injektion bauen sie ihr Genom ins bakterielle Genom ein und können dort als sog. Prophagen verweilen. Durch eine Reaktivierung kann es zu einer unpräzisen Phagen-Exzision kommen, d.h. das aus dem bakt. Genom entfernte virale Genom ist von bakterieller DNS flankiert. Durch Phagen-Replikation entstehen replikationsfähige transduzierende Virione (Unterschied zu lytischen Phagen, welche nicht reproduktionsfähig sind).

Durch Neuinfektion von Bakterien kommt es zu spezialisierten oder restriktiven Transduktion, d.h. insgesamt werde nur wenige Gene transduziert, dafür mit einer hohen Effizienz

Plasmid-DNS-Transfer: Plasmid kann als ringförmige, autonome DNS vorliegen und über Konjugations-Pili als Einzelstrang übertragen werden.

- Bsp. F-Plus-Zellen (Fertility, d.h. Bakterien mit Konjugations-Plasmiden)

Plasmid-DNS und Chromosomen-DNS Transfer: Liegt das Plasmid nicht als isolierte DNS, sondern integriert im Genom vor, so kann es zu einem Transfer von Plasmid- und Chromosomen-Einzelstrang kommen

- Bsp. Hfr-Zellen (high frequency recombination)

Wichtig ist, dass in jedem Fall nur Einzelstrang DNS übertragen wird und der komplementäre Strang in der Akzeptor-Zelle gebildet wird!

Pai sind 30 - 200 kb grosse Block aus integrierten DNS Regionen fremdne Ursprungs mit vielen Virulenzgenen, also ein Cluster von chromosomalen Virulenzgenen. Charakteristika:

- Insertionsstellen mit tRNA-Loci assoziiert (hochkonserviert)

- Meist mit direct repeats DR flankiert

- Viele mobile genetische Elemente (springende Gene, Transposons, Phagen-Integrations- und Replikationssequenzen etc.)

Die Übertragung von Pai (bei E. Coli charakteristische Pai 1 und 2) kann ein apathogener Keim zu einem pathogenen Keim machen (bsp. E. coli zu uropatogener E. coli), weil sich auf den Pai sehr viele Viruelnzfaktoren befinden, welche mit einer einzigen Genomerweiterung aufgenommen werden und das Bakterium weiterentwickeln

Ansammlung von Vielzahl sog. Fitnessgene fremden Ursprungs in einem spezifischen Zentrum des bakteriellen Chromosoms. Charakteristika:

- Enthalten Gene für metabolische Leistungen

- Enthalten Gene für Sekretionssysteme

- Enthalten Gene für Symbiosefaktoren

Entstehung durch Vereinigung mobiler DNS-Module zu komplexen Informationsträgern!

Klinisch: Erreger spricht nicht auf Antibiotikum an (unzuverlässig, da andere Ursachen für nicht-Ansprechen)

Klinische Mikrobiologie (in Vitro): Bestimmung MHK (Konzentration, welche in einem Medium benötigt wird, damit das entsprechende Target im Bakterium gehemmt wird)

Genetisch: Nachweis von Resistenz-Genen

Biochemisch: Nachweis von Resistenzfaktoren

Mechanismen der Resistenz:

- Verändertes Target, so dass Antibiotikum nicht mehr binden kann

- Inaktivierung des Antibiotikums

- Verminderung Konzentration des Antibiotikum

Resistenzen entstehen durch genetische Elemente, welche konstitutiv oder induzierbar exprimiert werden können:

- Genetische Veränderung von zellulären Proteinen (Punktmuation, Rearrangements)

- Akquisition von fremder DNS (Konjugation, Transformation, Transfer)

Genetische Veränderung Targets damit keine Bindung (durch Punktmutation)

Mosaik-Gen-Bildung damit keine Bindung bei erhaltener Funktion (durch Import fremder Gen-Fragmente)

- Strept. pneumoniae (Veränderung PBP unter funktioneller Erhaltung)

Enzyme als Ersatz für gehemmtes Target (durch Akquirierung von fremden Genen)

- Methicillin-resistenter Staph. aureus (Import von fremdem Gen mecA, welches für PBP2a codiert und damit gehemmte Transpeptidase ersetzt)

Enzyme zur Modifikation des Targets, damit keine Bindung (durch Akquirierung von fremden Genen)

- Vancomycin-resistente Enterokokken (Import Transposons mit 5 essentiellen Genen, welche Syntheseweg von Peptidoglykan verändert und terminalen D-Ala-D-Lactat Rest anhängt, damit PBP aber nicht Vancomycin binden können)

Überproduktion des Targets, damit Kompetition gegen Antibiotikum möglich

Punktmutationen, also Veränderung des Targets, damit keine Bindung durch Antibiotika mehr möglich ist praktisch einzige Möglichkeit zur Resistenzentwicklung bei Viren (praktisch keine anderen Mechanismen möglich)

Die Resistenzentwicklung über kumulative Punktmutationen ist allerdings limitiert, da das Target nur soweit durch Mutationen verändert werden kann, dass es nicht seine Funktion verliert (ohne funktionelles Target kann auch Virus nicht "überleben")

Barrierenaufbau (insbesondere gram-positive Bakterien), d.h. Mutation von Poren, durch welche Antibiotikum hindurch tritt

Effluxpumpen mit breiter Spezifität pumpen verschiedenste Subsstanzklassen (insbesondere eben auch Antibiotika aus dem Zytoplasma bzw. aus der Zelle)

- Übertragbarkeit über Plasmide

Enzyme zur Inaktivierung des Antibiotikums, damit Konzentration sinkt

- Beta-Laktamasen

- Aminoglycosid modifizierende Enzyme (reduzierte Bindung Antibiotika an Ribosome)

- Chloramphenicol Acetyltransferase (Inaktivierung Antibiotikum durch Acetylierung)

- Erythromycin Esterasen (Hydrolyse Lactonring)

- Esterasen gegen Makrolide, Lincosamide, Streptogramine

Durch Inhibitoren der inaktivierenden Enzyme kann Wirkungsspektrum von Antibiotika erweitert werden (bsp. Beta-Lactamase Inhibitoren). Medikamente funktionieren im Sinne eines Suizid-Programms, bedingt durch Ähnlichkeit mit dem eigentlichen Antibiotikum

Verschiedene Bakterien haben u.a. über transmembranöse Sensoren die Möglichkeit Resistenzfaktoren zum richtigen Zeitpunkt zu exprimieren. Eine Bindung von Antibiotika an den Sensor führt zur Abspaltung einer intrazellulären Domäne (Auto-Protolyse). Die intrazelluläre Domäne ist in der Lage Inhibitoren von der Bindung am Resistenzfaktor abzuhalten, so dass dieser vermehrt exprimiert wird.

Streptococcus pneumoniae 40%

Haemophilus influenzae 25%

Moraxella catarrhalis 10%

Otitis media ist häufigste Ursache für Antibiotika-Therapie in ersten 2 Lebensjahren

Auftragen von Antibiotikakonzentration im Körper, Therapiezeit und in vitro MHK ergibt Diagramm, welches wichtige Aussage über Pharmakodynamik gibt:

- Für erfolgreiche (wirksame Therapie) muss die Konzentration des Antibiotikums ca. 50% der Zeit über der MHK liegen (Zeit über MHK)

- Teilweise auch Berechnung der AUC (area under the curve) über der MHK

Antibiotische Therapie vor mikrobiologischer Bestätigung und Kenntnis der Infektion, sondern aufgrund

- Verdachtsdiagnose

- Wahrscheinlichkeit des Erregers aufgrund Art der Infektion

- Schweregrad der Erkrankung

Durch Aminopenicillin + Clavulansäure werden die 3 häufigsten bakteriellen Erreger (40% Strept. pneumoniae, 25% Hämophilus influenzae, 10% Moraxella catarrhalis) abgedeckt

Wahl des Antibiotikums anhand der Wirkungsbreite und des Erregers!

Umstellung der empirischen Therapie auf ein Erreger-orientierte Therapie, nachdem die mikrobiologischen Resultate (inkl. Empfindlichkeitsspektrum) vorliegen

Wahl des Antibiotikums:

- starke Wirkung gegen Erreger

- schmales (gezieltes) Wirkungsspektrum zur Schonung der endogenen Flora

- Niedrige Toxizität

- Geringes Potential zur Resistenzentwicklung

- Schonen von Reserve-Antibiotika, damit diese für multiresistente Keime eingesetzt werden können

Hauptsächlich im Zusammenhang mit Operationen (sog. perioperative Prophylaxe) mit dem Hintergedanken, dass die Antibiotika-Konzentration im Gewebe zum Zeitpunkt des Eingriffs sehr hoch ist! Zusätzlich dazu erfolgen Massnahmen zur Verringerung der Keimdichte wie Sterilisation und Desinfektion

1. Dosis 30 min vor Schnitt!

Beginn einer anti-infektiösen Therapie nach Nachweis der stattgefundenen Infektion, jedoch vor Beginn der Symptome (zum Schutz des Patienten)

- Tuberkulose (Nachweis mit Hauttest, anschliessend Behandlung mit Isoniazid)

- CMV Infektion (Nachweis mit Blutscreening,anschliessend Behandlung mit Gancyclovir)

Allergie (häufigster Toxizitätsmechanismus)

- Hautausschlag (häufig)

- Fieber

- Anaphylaxie: Typ 1 IgE-vermittelte Sofortreaktion (sehr selten)

Organspezifische Toxizität

- Haut (meistens im Sinne einer allergischen Reaktion)

- Nieren

- Leber

- Knochenmark (Zytopenien)

- ZNS (insbesondere Innenohr)

Störung der endogenen Flora (unerwünschte Wirkung)

- GIT (Diarrhö, Pseudomembranöse Colitis durch Clostridium difficile)

- Urogenitaltrakt (Urethritis, Vaginitis)

- Systemische Superinfektion (Sepsis)

Antibiotika induzieren keine Resistenz, sondern sie selektionieren lediglich die resistenten Erreger!

temperente Phagen können in verschiedenen Formen latent in Bakterienzelle verweilen

- Episom = zirkuläres, geschlossenes Replikon, welches losgelöst vom Genom vorliegt (im Gegensatz zu Plasmiden aber Chromosomen-synchrone Replikation) und in Chromosom insertiert oder exzisiert werden können

- Prophage = Ins Bakteriengenom integriertes Virusgenom (Chromosomen-synchrone Replikation)

Wichtig ist, dass latente Phagengenome teilweise durch Bakterien exprimiert werden und neue bakterielle Funktionen ermöglichen können (bsp. Exotoxin-Produktion)

- Choleratoxin (V. cholerae)

- Shiga-like Toxin (EHEC)

- Botulinum-Toxin (C. botulinum)

- Diphtherie-Toxin (C. diphtheriae)

- Scharlach-Toxin (S. pyogenes)

- Exotoxin A (P. aeruginosa)

60 - 80 % Hepatozyten

20 - 40% Nicht-Hepatozyten

- 50% Endothelzellen

- 25% Lymphozyten

- 20% Kupffer-Zellen (Makrophagen)

- 5% Gallenzellen

- < 1% Sternzellen

Stoffwechsel (Intermediärmechanismus)

- Proteinstoffwechsel

- Kohlenhydratstoffwechsel

- Fettstoffwechsel

- Eisenstoffwechel (Hepcidin)

Entgiftung

- Medikamente (Phase 1 und 2 Reaktionen)

- Ethanol

- Ammoniak (periportale Harnstoffsynthese, pericentrale Glutamin-Synthese)

Speicherung

- Glykogen

- FFS

- Vitamine

- Eisen

Synthese

- Albumin

- Gerinnungsfaktoren

- Komplementfaktoren

- Apolipoproteine

- Akutphasenproteine (CRP, SAA, Haptoglobin, Fibrinogen, etc.)

Gallenbildung und Ausscheidung

- Phospholipide

- Cholesterin und Gallensalze

- Kupfer (biliäre Ausscheidung, Morbus Wilson)

- Bilirubin

Aspartat Aminotransferase AST (zytoplasmatische und mitochondriale Isoformen)

Alanin Aminotransferase ALT (zytoplasmatischer Typ)

Wichtig ist, dass (obwohl AST und ALT zentrale Enzyme der Leber sind) bei erhöhten Werten von AST und ALT nicht nur an Leberproblematik, sondern auch an Schädigung anderer Organe gedacht werden sollte!

- AST Aktivität ist auch in Herz, quergestreiften Muskulatur, Niere und Pankreas hoch

- ALT Aktivität ist auch in Niere, Herz, quergestreifter Muskulatur und Pankreas sehr hoch

In der Leber wird Glukose über Citratzyklus zu Citrat umgebaut, welches wiederum zu Malonyl-CoA und weiter zu FFS umgebaut werden kann. Nebst der Produktion in der Leber gelangen FFS auch vom peripheren Fettgewebe in die Leber, wo die fFS weiterverwendet werden:

- Beta-Oxidation

- Umbau zu TG

TG können wiederum mit Apolipoproteinen zu VLDL umgewandelt werden und über Blutbahn ins periphere Gewebe exportiert und aufgenommen werden.

Bei zu hoher Glukose-Zufuhr und Hyperinsulinämie (bsp. durch Fettleibigkeit bzw. periphere Insulinresistenz) kommt es einerseits durch Aktivierung von verschiedenen Transkriptionsfaktoren (Ch-REBP, SREBP-1c) und andererseits durch erhöhte Substratzufuhr aus Peripherie (Glukose, FFS etc.) zu einer steigerung der endogenen TG-Synthese und TG-Ablagerung in der Leber (sog. Steatose, Fettleber)

Zwischen Phospholipiden, Cholesterin und Gallensäuren besteht ein eng abgestimmtes Verhältnis, damit es zu keiner Ausfällung von Kristallen kommt. Die Ausschüttung der Substanzen wird durch verschiedene Transporter reguliert

Phase-1-Enzyme

- CYP3A (4, 5, 7) = ca. 40%

- CYP2C (9) = ca.13%

- CYP2D (6) = ca. 20%

Phase-2-Enzyme

- UGT (Uridin-5-diphospho-Glucuronosyltransferase bzw. UDP-Glucuronosyltransferase für Glukuronisierungsreaktion) = ca. 40%

- ST (Sulfotransferase für Sulfatierungsreaktionen) = ca. 20 %

- GST (Glutathion-S-Transferasen, verschiedene Arten) = ca. 15%

Chronische Lebererkrankungen führen immer zu Fibrose

Verschiedene Stimuli können zu einer Aktivierung der Sternzellen führen, wodurch sich diese zu Myofibroblasten umwandeln und mit Kollagensythese beginnen.

Wichtig ist, dass die Aktivierung von Sternzellen der initiale Trigger der Fibrose ist und keine anderen Zellen die Fibrose starten. Allerdings können eine Vielzahl von Zellen zur Aktivierung der Sternzellen führen und sind daher indirekt am initialen Schritt beteiligt!

Die aktivierten Sternzellen bewirken, in Zusammenarbeit mit den Kupffer-Zellen eine Fibrosierung (in Portalfeldern und Sinusoiden)