Cholera - Ursachen und Pathogenese

Ursachen der Cholera

Der Erreger der Cholera ist Vibrio cholerae, ein Erreger der Gattung Vibrio innerhalb der Familie Vibrionaceae.

Das Cholera-Vibrio wird durch zwei Biovare repräsentiert, die in ihren morphologischen und färberischen Eigenschaften ähnlich sind (das Cholera-Biovar und das El-Tor-Biovar).

Die Erreger der Cholera sind Vibrionen der Serogruppen 01 und 0139 der Art Vibrio cholerae, die zur Gattung Vibrio, Familie Vibrionaceae, gehört. Innerhalb der Art Vibrio cholerae werden zwei Hauptbiovare unterschieden: Biovar cholerae classic, entdeckt von R. Koch im Jahr 1883, und Biovar El Tor, isoliert 1906 in Ägypten in der Quarantänestation El Tor von F. und E. Gotshlich.

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Kulturgüter

Vibrionen sind fakultativ anaerob, bevorzugen jedoch aerobe Wachstumsbedingungen und bilden daher einen Film auf der Oberfläche des flüssigen Nährmediums. Die optimale Wachstumstemperatur liegt bei 37 °C bei einem pH-Wert von 8,5–9,0. Für optimales Wachstum benötigen Mikroorganismen 0,5 % Natriumchlorid im Medium. Als Anreicherungsmedium dient 1 % alkalisches Peptonwasser, auf dem sie innerhalb von 6–8 Stunden einen Film bilden. Choleravibrionen sind anspruchslos und können auf einfachen Medien wachsen. Als Wahlmedium dient TCBS (Thiosulfat-Citrat-Saccharose-Galle-Agar). Zur Subkultivierung werden alkalischer Agar und Trypton-Soja-Agar (TSA) verwendet.

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Biochemische Eigenschaften

Die Erreger der Cholera sind biochemisch aktiv und oxidasepositiv, haben proteolytische und saccharolytische Eigenschaften: produzieren Indol, Lysindecarboxylase, verflüssigen Gelatine in trichterförmiger Form, produzieren keinen Schwefelwasserstoff. Fermentieren Glucose, Mannose, Saccharose, Laktose (langsam), Stärke, fermentieren jedoch nicht Rhamnose, Arabinose, Dulcitol, Inositol, Inulin. Besitzen Nitratreduktase-Aktivität.

Choleravibrios unterscheiden sich in ihrer Empfindlichkeit gegenüber Bakteriophagen. Das klassische Choleravibrio wird nach Mukerjee von Bakteriophagen der Gruppe IV lysiert, das El-Tor-Biovarvibrio von Bakteriophagen der Gruppe V. Die Differenzierung der Cholera-Erreger erfolgt anhand biochemischer Eigenschaften, der Fähigkeit zur Hämolyse von Widdererythrozyten, Agglutination von Hühnererythrozyten sowie der Empfindlichkeit gegenüber Polymyxin und Bakteriophagen. Das Biovar El Tor ist polymyxinresistent, agglutiniert Hühnererythrozyten und hämolysiert Widdererythrozyten, weist eine positive Voges-Proskauer-Reaktion und einen positiven Hexamintest auf. V. cholerae 0139 gehört phänotypisch zum El-Tor-Biovar.

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Antigene Struktur

Choleravibrionen besitzen O- und H-Antigene. Abhängig von der Struktur des O-Antigens werden über 150 Serogruppen unterschieden, darunter die Erreger der Cholera, die Serogruppen 01 und 0139. Innerhalb der Serogruppe 01 erfolgt, abhängig von der Kombination der A-, B- und C-Untereinheiten, eine Unterteilung in die Serovare: Ogawa (AB), Inaba (AC) und Hikoshima (ABC). Vibrionen der Serogruppe 0139 werden nur durch Serum 0139 agglutiniert. Das H-Antigen ist ein generisches Antigen.

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Einstellung zu Umweltfaktoren

Die Erreger der Cholera reagieren empfindlich auf UV-Strahlung, Austrocknung, Desinfektionsmittel (außer quartären Aminen), saure pH-Werte und Erhitzung. Die Erreger der Cholera, insbesondere das El-Tor-Biovar, können in Symbiose mit Hydrobionten und Algen im Wasser existieren und sich unter ungünstigen Bedingungen in eine unkultivierte Form umwandeln. Diese Eigenschaften ermöglichen es uns, Cholera als Anthroposapronosen-Infektion zu klassifizieren.

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Pathogenitätsfaktoren

Das Genom von V. cholerae besteht aus zwei ringförmigen Chromosomen: einem großen und einem kleinen. Alle lebensnotwendigen Gene und die Umsetzung des pathogenen Prinzips sind auf dem großen Chromosom lokalisiert. Das kleine Chromosom enthält ein Integron, das Antibiotikaresistenzkassetten einfängt und exprimiert.

Der Hauptpathogenitätsfaktor ist das Cholera-Enterotoxin (CT). Das Gen, das die Synthese dieses Toxins vermittelt, befindet sich in der Toxigenitätskassette im Genom des filamentösen Bakteriophagen CTX. Neben dem Enterotoxin-Gen befinden sich die Zot- und Ace-Gene auf derselben Kassette. Das Zot-Gen produziert ein Toxin (Zonula-occludens-Toxin), während das Ace-Gen die Synthese eines weiteren Enterotoxins (akzessorisches Cholera-Enterotoxin) bestimmt. Beide Toxine tragen zur Erhöhung der Permeabilität der Darmwand bei. Das Phagengenom enthält außerdem das Ser-Adhäsin-Gen und die RS2-Sequenz, die die Phagenreplikation und deren Integration in das Chromosom kodiert.

Der Rezeptor für den CTX-Phagen sind die toxinregulierten Pili (Ter). Es handelt sich um Pili vom Typ 4, die nicht nur Rezeptoren für den CTX-Phagen sind, sondern auch für die Besiedlung der Mikrovilli des Dünndarms notwendig sind und auch an der Bildung von Biofilmen, insbesondere auf der Oberfläche der Schalen von Wasserorganismen, beteiligt sind.

Ter werden koordiniert mit dem CT-Gen exprimiert. Das große Chromosom enthält außerdem das pap-Gen, das die Synthese der Neuraminidase steuert, die die Toxinwirkung ermöglicht, und das hap-Gen, das die Synthese der löslichen Hämallutinin-Protease steuert, die aufgrund ihrer zerstörerischen Wirkung auf die mit Vibrionen assoziierten Rezeptoren des Darmepithels eine wichtige Rolle bei der Entfernung des Erregers aus dem Darm in die Umwelt spielt.

Die Besiedlung des Dünndarms durch toxinregulierte Pili schafft eine Plattform für die Wirkung des Cholera-Enterotoxins, eines Proteins mit einem Molekulargewicht von 84.000 D, das aus 1 Untereinheit A und 5 Untereinheiten B besteht. Untereinheit A besteht aus zwei Polypeptidketten A1 und A2, die durch Disulfidbrücken miteinander verbunden sind. Im Komplex der Untereinheit B sind fünf identische Polypeptide durch eine nichtkovalente Bindung in Form eines Rings miteinander verbunden. Der Komplex der Untereinheit B ist für die Bindung des gesamten Toxinmoleküls an den zellulären Rezeptor verantwortlich - das Monosialsäuregangliosid GM1, das in Epithelzellen der Dünndarmschleimhaut sehr reich ist. Damit der Untereinheitenkomplex mit GM1 interagieren kann, muss Sialinsäure von ihm abgespalten werden, was durch das Enzym Neuraminidase durchgeführt wird, das die Wirkung des Toxins erleichtert. Nach der Anheftung an 5 Ganglioside auf der Darmepithelmembran ändert der Untereinheitenkomplex B seine Konfiguration, sodass sich A1 vom A1B5-Komplex lösen und in die Zelle eindringen kann. Nach dem Eindringen in die Zelle aktiviert das A1-Peptid die Adenylatcyclase. Dies geschieht durch die Interaktion von AI mit NAD, wodurch ADP-Ribose gebildet wird, die auf das GTP-bindende Protein der regulatorischen Untereinheit der Adenylatcyclase übertragen wird. Dadurch wird die funktionell notwendige Hydrolyse von GTP gehemmt, was zur Ansammlung von GTP in der regulatorischen Untereinheit der Adenylatcyclase führt, wodurch der aktive Zustand des Enzyms bestimmt wird und infolgedessen eine erhöhte Synthese von c-AMP erfolgt. Unter dem Einfluss von c-AMP im Darm verändert sich der aktive Ionentransport. Im Kryptenbereich setzen Epithelzellen intensiv Cl--Ionen frei, im Zottenbereich wird die Aufnahme von Na+ und Cl- behindert, was die osmotische Grundlage für die Wasserabgabe in das Darmlumen bildet.

Cholera-Vibrionen überleben gut bei niedrigen Temperaturen; sie überleben im Eis bis zu 1 Monat, im Meerwasser bis zu 47 Tage, im Flusswasser 3-5 Tage bis mehrere Wochen, im Boden 8 Tage bis 3 Monate, im Kot bis zu 3 Tage, auf rohem Gemüse 2-4 Tage, auf Obst 1-2 Tage. Cholera-Vibrionen sterben bei 80 °C innerhalb von 5 Minuten ab, bei 100 °C sofort; sie sind sehr empfindlich gegenüber Säuren, Austrocknung und direkter Sonneneinstrahlung, unter dem Einfluss vonChloramin und andere Desinfektionsmittel sterben innerhalb von 5–15 Minuten ab, bleiben lange und gut bestehen und vermehren sich sogar in offenen Gewässern und Abwässern, die reich an organischen Stoffen sind.

Pathogenese der Cholera

Eintrittspforte für Infektionen ist der Verdauungstrakt. Die Krankheit entwickelt sich erst, wenn die Erreger die Magenschranke überwinden (üblicherweise geschieht dies während der Basalsekretion, wenn der pH-Wert des Mageninhalts nahe 7 liegt) und den Dünndarm erreichen, wo sie sich intensiv vermehren und Exotoxin ausschütten. Enterotoxin oder Choleragen bestimmt das Auftreten der wichtigsten Manifestationen der Cholera. Das Cholerasyndrom ist mit dem Vorhandensein zweier Substanzen in diesem Vibrio verbunden: Protein-Enterotoxin - Choleragen (Exotoxin) und Neuraminidase. Choleragen bindet an ein spezifischesEnterozytenrezeptor – Gangliosid. Unter Einwirkung von Neuraminidase bildet sich aus Gangliosiden ein spezifischer Rezeptor. Der choleraspezifische Rezeptorkomplex aktiviert die Adenylatcyclase, die die Synthese von cAMP initiiert. Adenosintriphosphat reguliert mittels einer Ionenpumpe die Sekretion von Wasser und Elektrolyten aus der Zelle in das Darmlumen. Infolgedessen beginnt die Dünndarmschleimhaut, eine große Menge isotonischer Flüssigkeit abzusondern, die im Dickdarm keine Zeit hat, resorbiert zu werden – es entsteht isotonischer Durchfall. Mit 1 Liter Kot verliert der Körper 5 g Natriumchlorid, 4 g Natriumbicarbonat, 1 g Kaliumchlorid. Zusätzliches Erbrechen erhöht den Flüssigkeitsverlust.

Infolgedessen verringert sich das Plasmavolumen, das zirkulierende Blutvolumen nimmt ab und es verdickt sich. Die Flüssigkeit wird vom Interstitium in den intravaskulären Raum umverteilt. Es treten hämodynamische Störungen und Mikrozirkulationsstörungen auf, die zu Dehydrationsschock und akutem Nierenversagen führen. Es entwickelt sich eine metabolische Azidose, die von Krämpfen begleitet wird. Hypokaliämie verursacht Arrhythmie, Hypotonie, Myokardveränderungen und Darmatonie.