Was ist der unterschied zwischen einer kolonisation und einer infektion

Letzte Aktualisierung: 4.10.2022

Abstract

Grundlagen der mikrobiologischen Ökologie und der Infektionen

Die Ökologie beschäftigt sich mit dem Zusammenspiel zwischen Lebewesen und Umwelt und den Lebewesen untereinander. Die Infektiologie ist eine fächerübergreifende Disziplin, die sich mit dem Verlauf und den Auswirkungen von Erkrankungen durch Mikroorganismen (Bakterien, Pilzen, Parasiten, Viren und Prionen) beschäftigt.

Zelltypen

• Prokaryotische Zellen: Einzeller ohne Zellkern
  • Vorkommen: Bakterien, Blaualgen
• Eukaryotische Zellen: Meist mehrzellig und im Besitz von Zellkern, Chromosomen usw.
  • Vorkommen: Tiere, Pflanzen, Pilze

Energiekreislauf innerhalb eines Ökosystems

• Ökosystem: Gemeinschaft aller Mikroorganismen und abiotischen Faktoren eines Biotops
• Energiekreislauf zwischen den verschiedenen Elementen des Ökosystems
  • Produzenten: Pflanzen produzieren unter Verbrauch von Sonnenenergie organische Verbindungen
  • Primärkonsumenten: Verwerter von Pflanzen und deren Produkten ("Pflanzenfresser", Herbivoren)
  • Sekundärkonsumenten: Ernähren sich von Primärkonsumenten ("Fleischfresser", Carnivoren)
  • Destruenten: Wandeln organische Substanzen wieder in anorganische Substanzen um
    • Bakterien und Pilze verwerten Abfallprodukte aller Produzenten und Konsumenten
    • Anorganische Substanzen stehen den Produzenten wieder zur Verfügung
• Nahrungskette
  • Hierarchie der o.g. Teile des Energiekreislaufs (Pflanzlicher Produzent → Pflanzenfresser → Fleischfresser → Destruent)
  • Eingebrachte Schadstoffe werden an die nächsten Glieder der Nahrungskette weitergegeben

Quecksilbervergiftung
Durch die Ableitung industrieller Abwässer kann Quecksilber in Flüsse und Meere gelangen. In den Fischen reichert es sich als Methylquecksilber an. Der häufige Verzehr von mit Methylquecksilber vergifteten Fischen kann beim Menschen zur chronischen Quecksilbervergiftung führen, die sich u.a. durch Schädigungen des zentralen Nervensystems und der Niere äußert. Das Quecksilber hat in diesem Fall den Menschen nicht direkt, sondern über die Nahrungskette erreicht.

Wechselbeziehungen zwischen artverschiedenen Organismen

• Symbiose: Zusammenleben zweier Arten in gegenseitigem Nutzen
  • Beispiel: Döderlein-Bakterien der Vaginalflora setzen das Glykogen der abgeschilferten Vaginalzellen zu Milchsäure um
    • Nutzen für die Döderlein-Bakterien: Bezug von Energie aus dem Glykogen
    • Nutzen für menschlichen Körper:
      • Aufrechterhaltung eines sauren Milieus
      • Schutz vor Fehlbesiedlung durch pathogene Keime, die im sauren Milieu nicht leben können
• Kommensalismus: Nutzung eines Wirtsorganismus ohne Nutzen oder Schaden für diesen
  • Beispiele:
    • Besiedelung der Haut mit zahlreichen Keimen, die sich von Abschilferungen ernähren, für den Menschen aber keinen besonderen Nutzen darstellen
    • Löwen hinterlassen Nahrungsreste für Geier, die diese verzehren
• Parasitismus: Nutzung eines Wirtsorganismus mit gleichzeitigem Schaden für diesen
  • Beispiel: Die weibliche Anopheles-Mücke saugt das Blut ihres Wirts, wobei die Malaria übertragen werden und so sogar zum Tode des Wirts führen kann

Infektion und Pathogenität

Das Aufeinandertreffen von Mikroorganismus und Mensch kann unterschiedlich verlaufen.

• Kolonisation: Besiedlung von Haut und Schleimhäuten mit Mikroorganismen ohne klinische Symptome oder Invasion des Körpers
  • Diese "natürliche Flora" kommt bei jedem Menschen vor, ist in ihrer Zusammensetzung aber individuell
    • Zwar lassen sich hier z.T. auch pathogene Erreger finden, die Mikroorganismen der "natürlichen Flora" hindern diese jedoch am Wachstum und damit an der Infektion des Organismus
• Invasion: Aktives Eindringen in Gewebe und Zellen
• Infektion: Eindringen und Vermehrung von pathogenen Erregern in einem Wirtsorganismus, was typischerweise eine Abwehrreaktion und/oder Schädigung mit Zeichen der Entzündung hervorruft
  • Fakultativ pathogene Mikroorganismen: Führen nur unter bestimmten Bedingungen (wie z.B. einer Immunschwäche oder in bestimmten Organen ) zu einer Infektion
  • Obligat pathogene Keime: Können auch einen immunkompetenten Wirt befallen und führen regelhaft zu einer Infektion
• Opportunistische Infektion
• Nosokomiale Infektion: Infektion, die in zeitlichem Zusammenhang mit einem Krankenhausaufenthalt oder einer ambulanten/stationären medizinischen Maßnahme (z.B. auch Pflegeeinrichtungen, Altenheim) steht
• Zoonose
• Virulenz: Ausmaß der Pathogenität

Ablauf von Infektionen

Je nachdem, wie weit eine Infektion in der Bevölkerung verbreitet ist, spricht man von einer Endemie, Epidemie und/oder einer Pandemie. Infektionserkrankungen zeigen dabei einen heterogenen, jedoch typischen Verlauf.

1. Kontakt mit einem Erreger in ausreichender Menge (sogenannte Infektionsdosis )
   • Die Aufnahme erfolgt meistens über natürliche Körperöffnungen (z.B. über Atemwege oder fäkal-oral)
2. Nach Ablauf der Inkubationszeit kommt es zur Erkrankung
3. Die Erkrankung kann ausheilen, persistieren oder zum Tod führen
4. Heilt die Erkrankung aus, ist bei manchen Erregern eine lebenslange Immunität möglich (z.B. Mumps oder Röteln)

Händedesinfektion

• Hygienische Händedesinfektion
  • Ziel: Reduktion der Keimzahl der transienten Hautflora
  • Indikation
    • Vor und nach jedem Patientenkontakt
    • Vor aseptischer Tätigkeit (z.B. Legen eines intravenösen Zugangs)
    • Nach Kontakt mit Körperflüssigkeiten des Patienten
    • Nach Kontakt mit der Umgebung des Patienten
  • Substanzen: Alkohol- und Phenolmischungen
  • Durchführung
    • Ausreichend Desinfektionsmittel auf die trockene(!) Haut auftragen
    • Benetzung von Innen- und Außenflächen der Hände sowie von Fingerkuppen, Daumen und Fingerzwischenräumen
    • Dauer: Mind. 30 Sekunden
• Chirurgische Händedesinfektion
  • Ziel: Elimination der transienten und größtmögliche Reduktion der residenten Hautflora
  • Indikation: Vor jedem chirurgischen Eingriff
  • Substanzen: Alkohol- und Phenolmischungen
  • Durchführung (Unterschiede zur hygienischen Händedesinfektion)
    • Neben den Händen muss bei der chirurgischen Händedesinfektion auch der Unterarmbereich komplett einbezogen werden
    • Desinfektion wird i.d.R. mit dem Benetzen der Hände begonnen und zu den Unterarmen fortgeführt
    • Dauer: Mind. 3 Minuten

Viren

Viren bestehen nur aus einer Nukleinsäure (DNA oder RNA), besitzen keine Ausstattung für Stoffwechsel, Replikation und Proteinbiosynthese und sind daher abhängig von Wirtszellen: Sie befallen diese, vermehren sich mit deren Ausstattung und werden anschließend freigesetzt, wobei sie die Wirtszelle zerstören. Sie gehören demnach zu den Parasiten.

Virusbegriff

• Obligate Parasiten: Für Replikation und Proteinbiosynthese vollständig auf eine Wirtszelle angewiesen
• Mögliche Wirtszellen
  • Eukaryotische Zellen, z.B. von
    • Menschen
    • Tieren
    • Pflanzen: Infizierung durch sog. "Viroide"
      • Viroide: Kleine RNA-Moleküle
        • Ringförmige RNA
        • Kein Kapsid
        • Keine Virushülle
  • Prokaryotische Zellen: Viren, die speziell Bakterien infizieren, nennen sich "Bakteriophagen"
• Virion: Extrazelluläres (d.h. außerhalb einer Wirtszelle vorliegendes) Viruspartikel, das meist infektiös ist

Viren sind Parasiten, die zur Vermehrung Wirtszellen benötigen!

Aufbau von Viren

• Nukleinsäure: Enthält genetische Information des Virus in verschiedenen möglichen Formen
  • Einzelsträngig (single stranded=ss) oder doppelsträngig (double stranded=ds)
  • DNA oder RNA
• Kapsid: Die virale Nukleinsäure umgebende Proteinhülle
• Nukleokapsid: Nukleinsäure und Kapsid eines Virus
• Virushülle
  • Aufbau aus Lipiden und Glykoproteinen
  • Nicht bei allen Viren vorhanden: Unterscheidungsmerkmal zwischen behüllten Viren (z.B. Influenza-Virus, HI-Virus) und nackten Viren (z.B. Adenovirus, humanes Papillomavirus)
• Kriterien zur Einteilung von Viren
  • DNA oder RNA
  • Einzelsträngiges (ss) oder doppelsträngiges (ds) Genom
  • Unbehüllt oder behüllt
  • Form des Kapsids: Ikosaedrisch oder helikal
  • Empfindlichkeit gegenüber chemischen oder physikalischen Einflüssen

Ein Virus enthält entweder DNA oder RNA!

Viraler Lebenszyklus

Der Vermehrungszyklus von Bakteriophagen und der von Viren eukaryotischer Zellen unterscheidet sich. Hier wird nur auf den Vermehrungszyklus letzterer eingegangen. Viren gelangen nach der Infektion in ihr entsprechendes Wirtsorgan; dort durchlaufen sie einen langen Replikationszyklus, an dessen Ende die Zusammenlagerung der einzelnen Bestandteile steht.

1. Anheften (Adsorption) an der Wirtszelle: Die Infektion mit Viren ist von Oberflächenmerkmalen der Wirtszellen abhängig (z.B. infiziert das HI-Virus alle Zellen mit CD4-Oberflächenmerkmal)
2. Eindringen (Penetration) in die Wirtszelle
   • Bei unbehüllten Viren durch Endozytose oder Transmembrantransport
   • Behüllte Viren fusionieren entweder mit der Hülle der potenziellen Wirtszelle oder dringen ebenfalls mittels Endozytose ein
3. Freisetzung (Uncoating) der Nukleinsäure
4. Vermehrung (Replikation) der Nukleinsäure und Bildung von Virusproteinen und Zerschneiden von Vorläuferproteinen durch virale Proteasen
5. Zusammenbau (Assembly) der Viruskomponenten im Anschluss an Translation und Transkription
6. Freisetzung der Viren: Bei behüllten Viren durch Knospung, bei unbehüllten Viren mittels Wirtszelllyse
   • Der Zeitraum zwischen Uncoating in der Wirtszelle und der Produktion erkennbarer Viruspartikel wird „Eklipse“ genannt

Translation und Replikation des viralen Genoms

• DNA-Viren: Direkte Integration der viralen DNA in die DNA der Wirtszelle, anschließend Transkription und Translation mit der Ausstattung der Wirtszelle
• RNA-Viren: Je nach Polarität der viralen RNA direkte Translation in Polypeptide oder Umschreibung in eine mRNA durch eine eigene RNA-abhängige RNA-Polymerase
  • RNA-abhängige RNA-Polymerasen benötigen Ribonukleotide als Substrat
  • Sonderfall Retroviren
    • Immer einzelsträngige RNA enthält genetische Information
    • Reverse Transkriptasetranskribiert RNA in eine doppelsträngige sog. "provirale DNA" (die reverse Transkriptase ist eine DNA-Polymerase, die sowohl RNA als auch DNA als Matrize verwenden kann)
    • Enthalten virale Onkogene(s.u.)
    • Wichtiger Vertreter: Humanes Immundefizienzvirus (HIV)

Retroviren erhalten ihren Namen durch ihre charakteristischen Bestandteile: Reverse Transkriptase und Onkogene!

Tumorentstehung durch Viren

Sowohl DNA- als auch RNA-Viren können zur Tumorentstehung beitragen. Dabei unterscheiden sie sich in den Mechanismen.

• Onkogene DNA-Viren: Verändern die DNA der Wirtszelle, sodass Protoonkogene, Tumorsuppressorgene und die regulierenden Gene der Apoptose nicht mehr richtig abgelesen werden können → Inaktivierung der wirtseigenen Zellzyklusregulation
  • Humanes Papillomavirus (HPV): Zervix-, Vulva-, Vaginalkarzinom
  • Epstein-Barr-Virus (EBV): Burkitt-Lymphom und nasopharyngeale Karzinome
  • Hepatitis-B-Virus (HBV): Hepatozelluläres Karzinom
  • Zytomegalievirus (Humanes Herpesvirus 5=HHV-5, CMV) und humanes Herpesvirus-8 (HHV-8) Infektion → Kaposi-Sarkom
• Onkogene RNA-Viren: Besitzen virale Onkogene, die für die Synthese transformationsaktiver Proteine codieren
  • Humanes T-lymphotropes Virus (HTLV 1 ): T-Zell-Lymphom
  • Hepatitis-C-Virus (HCV): Hepatozelluläres Karzinom

Genetische Variabilität am Beispiels des Influenzavirus

Das virale Genom wird durch verschiedene Mechanismen variiert. Durch die Veränderung der viralen Antigene oder sogar der Virussubtypen wird die Ausbreitung der Viren unterstützt, da noch keine Abwehrmechanismen gegen diese Form existieren.

• Antigendrift: Geringfügige Veränderung der Antigenstruktur (Hämagglutinin und/oder Neuraminidase) durch Punktmutationen
  • Die Bezeichnung des Subtyps verändert sich dadurch nicht (z.B. H5N1 "Vogelgrippe" bleibt H5N1)
• Antigenshift
  • Bei einer Co-Infektion zweier Influenzasubtypen können durch Austausch ganzer Genabschnitte (Reassortment) zwischen Viren neue Influenzasubtypen entstehen (z.B. H3N1 → H2N1)
  • Dieser Prozess wird durch den Kontakt von humanpathogenen und xenogenen Influenzaviren begünstigt

Übertragungswege

Humanpathogene Viren können auf diverse Weisen übertragen werden. Die wichtigsten Übertragungswege sind hier dargestellt.

• Oral
• Fäkal-Oral
• Blut
• Sperma/Vaginalsekret
• Tröpfcheninfektion
• Vektoren

Der häufigste Übertragungsweg für HIV in Deutschland ist ungeschützter Geschlechtsverkehr!

Therapie und Prävention

Die Infektion einer Zelle durch ein Virus bzw. die Integration des viralen Genoms in das der Zelle ist irreversibel. Therapeutische Ansätze bestehen in der Verhinderung der weiteren Vermehrung der Viren durch sog. Virostatika oder in der Prävention einer Infektion (z.B. durch Impfungen, Desinfektionsmittel).

Virostatika
Virostatika hemmen die Ausbreitung von Viren, indem sie den viralen Vermehrungszyklus an verschiedenen Stellen unterbrechen. Da der Höhepunkt der viralen Vermehrung meist mit Einsetzen der klinischen Symptomatik schon erreicht ist, muss eine rasche Diagnostik erfolgen, um die Virostatika rechtzeitig einsetzen zu können.

Einteilung der Wirkungsbereiche von Desinfektionsmitteln nach dem Robert-Koch-Institut

• „Begrenzt viruzid“: Nur wirksam gegen behüllte Viren
• „Begrenzt viruzid PLUS“: Wirksam gegen behüllte und bestimmte unbehüllte Viren wie Adenoviren, Noroviren oder Rotaviren
• „Viruzid“: Wirksam gegen behüllte und unbehüllte Viren

Für weiterführende Informationen zur Virologie und zur Virusdiagnostik siehe: Allgemeine Virologie.

Pilze

Überblick

• Pilze: Eukaryotische Lebewesen, die als Ein- oder Vielzeller auftreten
• Heterotrophe Ernährung: D.h. Notwendigkeit organischer Substanzen als Energiequellen
• Mykosen: Durch Pilze ausgelöste Infektionskrankheiten
  • Bei immunkompetenten Patienten: Oft nur lokale Infektionen
  • Bei immunsupprimierten Patienten (z.B. HIV-Patienten oder Patienten nach Knochenmarkstransplantation): Beteiligung innerer Organe und des Systems
• Drei Typen humanpathogener Pilze
  • Dermatophyten (Fadenpilze): Befallen vorwiegend Haut, Haare und Nägel
  • Hefen (Sprosspilze): Befall von Haut, Schleimhaut und inneren Organen möglich
  • Schimmelpilze: Bilden makroskopisch sichtbare "Schimmel" auf Nahrungsmitteln aus und können im Körper u.a. zu Allergien führen

Pilze gehören nicht zu den Pflanzen. Sie können keine Photosynthese betreiben!

Aufbau und Charakteristika von Pilzen

Es gibt viele Merkmale zur Differenzierung von Pilzen; der Großteil leitet sich aber von den vier hier aufgeführten Grundelementen ab.

• Vor allem Dermatophyten und Schimmelpilze
  • Hyphe: Vielzelliger Verband von Pilzzellen, die durch porenhaltige Septen miteinander verbunden sind
  • Mycel: Hyphengeflecht, das durch asexuelle Vermehrung entsteht
• Vor allem Hefen
  • Sprosszellen: Bei einzelligen Pilzen durch Sprossung entstandene Tochterzellen
  • Pseudomycel: Ketten von Sprosszellen, die hyphenartig gestreckt sind, aber durch vollständige Septen getrennt werden

Vermehrung

Pilze können sich sowohl sexuell als auch asexuell fortpflanzen.

• Asexuelle (= ungeschlechtliche) Fortpflanzung
  • Sporenbildung: Dauerformen von Pilzen, die v.a. ihrer Verbreitung dienen
  • Sprossung: „Abschnüren“ von Tochterzellen
  • Zerfall von Hyphen
• Sexuelle (= geschlechtliche) Fortpflanzung: Verschmelzung zweier Zellen führt zur Entstehung einer diploiden Zygote

Besonderheiten der Pilzzelle

• Zellwand: Besteht meist aus Chitin, selten aus Cellulose
• Zellmembran: Enthält das pflanzliche Steroid Ergosterol

Azol-Antimykotika
Die Ergosterolsynthese der Zellmembran der Pilze kann als Angriffspunkt für die Therapie mit Antimykotika verwendet werden. Die Azol-Antimykotika erzielen ihre Wirkung über die Hemmung der Ergosterolsynthese und haben so ein breites Wirkspektrum bei der Behandlung von Mykosen.

Von Pilzen synthetisierte Stoffe

Verschiedene Stoffe werden durch Pilze produziert, die für den Menschen klinische Bedeutung besitzen:

• Antibiotika: Werden teilweise von bestimmten Pilzen synthetisiert
  • Z.B. Penicillin
    • Bildung durch Penicillium notatum
    • Bakterizide Wirkung v.a. gegen grampositive Erreger
• Toxine
  • Aflatoxine
    • Bildung durch Schimmelpilze, die sich oft auf Nüssen, Getreideprodukten etc. befinden (z.B. Aspergillus flavus)
    • Karzinogene Wirkung
  • Amanitin und Phalloidin
    • Gifte des Knollenblätterpilzes
      • Amanitin: Hemmung der Transkription und Proteinbiosynthese → Im Verlauf Organschäden v.a. von Leber und Niere
      • Phalloidin: Irreversible Bindung an F-Aktin → Hemmung von zellulären Transportvorgängen
    • Verzehr eines einzelnen Pilzes kann bereits tödlich sein
  • Ergotamin (Mutterkornalkaloid)
    • Bildung durch den Mutterkornpilz (Claviceps purpurea) auf Getreiden und Gräsern
    • Bindung an α-Adrenorezeptoren des Sympathikus → Vasokonstriktion

Knollenblätterpilzvergiftung
Eine Vergiftung mit Amanitin, dem Gift des Knollenblätterpilzes, führt nach ca. 12 Stunden zu gastrointestinalen Symptomen wie Erbrechen und Durchfällen. Im Verlauf kann es zu toxischem Versagen von Leber und Nieren kommen. Wird die Vergiftung rechtzeitig erkannt, sollte mittels Magenspülung und/oder der Gabe von Aktivkohle die Resorption des Giftes verhindert werden. Das Antidot Silibinin kann die Wirkung abfangen. Bis zu 15% der Betroffenen versterben allerdings.

Mutterkornvergiftung
Eine Vergiftung mit dem Gift des Mutterkornpilzes (Ergotamin) führt neben Kopfschmerzen und Übelkeit zu weiteren Symptomen, die sich durch die stimulierende Wirkung des Ergotamins an α-Adrenorezeptoren erklären. Die hervorgerufene Vasokonstriktion kann zu Gefühllosigkeit bis hin zum Absterben von Armen und Beinen führen. Bei Schwangeren kommt es durch Kontraktionen des Uterus zu Fruchtabgängen. Im Mittelalter wurde Ergotamin aus diesem Grunde als Abtreibungsmittel genutzt.

Wiederholungsfragen zum Kapitel Grundlagen der Mikrobiologie und Virologie

Grundlagen der mikrobiologischen Ökologie und der Infektionen

Der häufige Verzehr von Fischen geht mit dem Risiko einer Vergiftung mit welchem Schwermetall einher und weshalb?

Definiere Symbiose und nenne ein Beispiel im menschlichen Körper!

Definiere Parasitismus! Welche parasitäre Tropenkrankheit wird von Mücken der Gattung Anopheles übertragen?

Viren

Beschreibe den allgemeinen Aufbau von Viren und den speziellen Aufbau des Influenzavirus!

Was bedeutet Reassortment von viralen Genabschnitten und welche Folgen hat dies? Welches Virus ist für sein häufiges Reassortment bekannt?

Zu welcher Virusspezies gehört das Humane Immundefizienzvirus (HIV)? Welche Besonderheit weist diese Spezies bezüglich ihres Vermehrungszyklus auf und inwiefern ist dies ein Ansatzpunkt für eine medikamentöse Therapie?

Wie vermehren sich DNA-Viren in ihren Wirtszellen?

Pilze

Was sind Aflatoxine?

Was sind Auswirkungen einer Vergiftung mit dem Mutterkornpilz?

Eine Sammlung von allgemeineren und offeneren Fragen zu den verschiedenen prüfungsrelevanten Themen findest du im Kapitel Beispielfragen aus dem mündlichen Physikum.

Meditricks

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Bakterien

Bakterien 1: Grundlagen

Bakterien 2: Systematik und Virulenzfaktoren

Bakterien 3: Vermehrung und Genetik

Pilze

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Quellen