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14.6: Pathogenität und andere Mikroben - Biologie


14.6: Pathogenität und andere Mikroben

Echtzeit-Mikroskopie und physikalische Störung bakterieller Pili mit Maleimid-konjugierten Molekülen

Bakterien verwenden oberflächenexponierte, proteinhaltige Fasern, die Pili genannt werden, für verschiedene Verhaltensweisen, einschließlich horizontalem Gentransfer, Oberflächensensorik, Motilität und Pathogenität. Die Visualisierung dieser filamentösen Nanomaschinen und ihrer Aktivität in lebenden Zellen hat sich vor allem aufgrund ihrer geringen Größe als schwierig erwiesen. Hier beschreiben wir eine breit anwendbare Methode zur Markierung und Abbildung von Pili und anderen oberflächenexponierten Nanomaschinen in lebenden Zellen. Diese Technik verwendet eine Kombination aus Genetik und Maleinimid-basierter Klick-Chemie, bei der eine Cystein-Substitution in der Haupt-Pilin-Untereinheit für die anschließende Markierung mit Thiol-reaktiven Maleinimid-Farbstoffen vorgenommen wird. Große Maleimid-konjugierte Moleküle können auch verwendet werden, um die dynamische Aktivität von filamentösen Nanomaschinen physikalisch zu stören. Wir beschreiben Parameter zur Auswahl von Cystein-Substitutionspositionen, optimierte Markierungsbedingungen für die Epifluoreszenz-Bildgebung von Pilusfasern und Methoden zur Hemmung der Pilusaktivität. Nachdem Cystein-Knock-in-Stämme erzeugt wurden, kann dieses Protokoll je nach Spezies und gewähltem Experiment innerhalb von 30 Minuten bis wenigen Stunden abgeschlossen werden. Die Visualisierung extrazellulärer Nanomaschinen wie Pili mit diesem Ansatz kann ein umfassenderes Verständnis der Rolle dieser Strukturen bei unterschiedlichen bakteriellen Verhaltensweisen liefern.

Interessenkonflikt-Erklärung

Die Autoren erklären keine konkurrierenden Interessen.

Figuren

Pili kann visualisiert werden durch…

Pili kann durch Maleimid-reaktive Fluoreszenzfarbstoffe sichtbar gemacht werden. Eine Kultur eines PilA-Cysteins…

Zugängliche Rückstände sind einzigartig für…

Zugängliche Reste sind für jedes Pilin-Gen einzigartig. Strukturen wurden aus individuellen,…

Cystein-Substitution und fluoreszierendes Maleimid…

Cystein-Substitution und fluoreszierende Maleimid-Markierung ermöglichen die Visualisierung verschiedener Pili-Klassen.…

Pilusretraktion kann blockiert werden…

Die Pilusretraktion kann mit verschiedenen Maleimid-Konjugaten blockiert werden. (a) Zeitrafferbilder von…

Die Pili-Beobachtung ist betroffen…

Die Beobachtung von Pili wird von mehreren Variablen beeinflusst. (a) Helle Beschriftung mit allen…


Unterschied zwischen pathogenen und nicht pathogenen Bakterien

Die Hauptunterschied zwischen pathogenen und nicht-pathogenen Bakterien ist, dass die pathogene Bakterien können Krankheiten verursachen, während die nicht-pathogenen Bakterien harmlos sind. Darüber hinaus besitzen pathogene Bakterien mehrere Gene, die die Fähigkeit verleihen, Krankheiten zu verursachen, während nicht-pathogenen Bakterien solche Gene fehlen. Ein weiterer Unterschied zwischen pathogenen und nicht-pathogenen Bakterien besteht darin, dass die pathogenen Bakterien in die Körperzellen eindringen, während nicht-pathogene Bakterien außerhalb der Körperzellen leben.

Pathogene und nicht-pathogene Bakterien sind die beiden Haupttypen von Bakterien, mit denen andere Organismen in Kontakt kommen. Die Unterscheidung zwischen den beiden kann basierend auf den Postulaten von Koch gemacht werden. Einige pathogene Bakterien können jedoch bei normalen Personen vorhanden sein, ohne eine Krankheit zu verursachen. Darüber hinaus können auch nicht-pathogene Bakterien Krankheiten verursachen und in einem immungeschwächten Wirt zu opportunistischen Krankheitserregern werden.

Abgedeckte Schlüsselbereiche

Schlüsselbegriffe

Bakterielle Erkrankungen, nicht pathogene Bakterien, pathogene Bakterien, pathogene Faktoren, nützliche Bakterien


Pathogenität und Übertragbarkeit von 2019-nCoV – Ein schneller Überblick und Vergleich mit anderen neu auftretenden Viren

Ein zoonotisches Coronavirus, das von der Weltgesundheitsorganisation (WHO) als 2019-nCoV bezeichnet wurde, wurde als Erreger des Ausbruchs der viralen Lungenentzündung in Wuhan, China, Ende 2019 identifiziert. Obwohl 2019-nCoV eine schwere Atemwegserkrankung verursachen kann Krankheit wie SARS und MERS deuteten Hinweise aus Kliniken darauf hin, dass 2019-nCoV im Allgemeinen weniger pathogen ist als SARS-CoV und viel weniger als MERS-CoV. Die Übertragbarkeit von 2019-nCoV wird noch diskutiert und muss weiter bewertet werden. Um zu verhindern, dass der Ausbruch von 2019-nCoV zu einer Epidemie oder sogar einer Pandemie wird, und um die Sterblichkeitsrate zu minimieren, hat China Notfallmaßnahmen eingeleitet, aber es bleibt noch viel über die Merkmale des Virus zu lernen, um die Risikobewertung und -reaktion zu verfeinern. Hier wird der aktuelle Wissensstand zur Pathogenität und Übertragbarkeit von 2019-nCoV im Vergleich zu mehreren allgemein bekannten neu auftretenden Viren zusammengefasst und dringend benötigte Informationen für eine bessere Kontrolle der Krankheit aufgezeigt.


Mikroben mit Mikroben bekämpfen

Amy Coombs
1. Januar 2013

KAPSEL &kopieren JORG GREUEL/GETTY IMAGES BAKTERIEN &kopieren JEZPERKLAUZEN/ISTOCKPHOTO.COM Wie der Mensch sind Pflanzen mit ihrer Vielzahl an Mikroben, die von der Immunantwort bis zur Ernährung allesamt unterstützen, auf eine Vielzahl von Bakterien und Pilzen für Gesundheit und Verteidigung angewiesen. In den letzten zehn Jahren hat die Forschung viele neue funktionelle Aspekte des Crosstalks zwischen dem Menschen assoziierten Mikroben und menschlichen Zellen aufgedeckt, aber Pflanzenbiologen beginnen erst an der Oberfläche der oft überraschenden Art und Weise zu kratzen, wie Bodenmikrobiota Pflanzen durch unterirdische Pilze beeinflussen Alarmsysteme auf Bodenbakterien, die ein Abwehrverhalten von Pflanzen auslösen oder sogar als eine Art Impfstoff wirken können. Aber trotz dieser Vorteile werden Mikroben immer noch in erster Linie als Vorboten von Krankheiten angesehen.

&bdquoDie medizinische Forschung wird seit der Entdeckung der Antibiotika von einer „Bazooka-Mentalität&rdquo beherrscht, ebenso wie die Agrarforschung, sagt Alexandre Jousset, Pflanzenwissenschaftler an der Georg-August-Universität in Göttingen. &bdquoTraditionell haben Mikroben.

Während das Human Microbiome Project herausgefunden hat, dass etwa 10.000 Arten von Mikroorganismen im und auf dem menschlichen Körper leben, die unsere eigenen Zellen um zehn zu eins übertreffen, haben Pflanzenwissenschaftler herausgefunden, dass jede Bodenprobe mehr als 30.000 taxonomische Arten von Mikroben enthält. Die Mikroflora des Bodens liefert nicht nur Nährstoffe für Pflanzen, sondern unterdrückt auch Krankheiten. Im Gegenzug geben Wurzeln festen Kohlenstoff in den Boden ab und ernähren ihre bakteriellen Symbionten.

Pflanzenwissenschaftler haben herausgefunden, dass jede gegebene Bodenprobe
enthält mehr als 30.000 taxonomische Arten von Mikroben.

Obwohl die medizinische Fachwelt jetzt davor warnt, dass eine Überdosierung von Antibiotika Nützlinge abtötet und die Bildung resistenter Stämme fördert, hat es in der Landwirtschaft keinen ähnlichen Meinungswandel gegeben, wo ein Ansatz, der Pflanzenpathogene abtötet, Biozide hervorgebracht hat, die wahllos die nützlich zusammen mit dem pathogenen. „Biozide können den Boden zerstören, aber sie töten nie alles“, sagt Mike Cohen, Biologe an der Sonoma State University in Kalifornien. „Dadurch entsteht ein biologisches Vakuum, das von opportunistischen Überlebenden und Organismen aus dem umgebenden Boden gefüllt wird.“ Biozide erzeugen einen starken Selektionsdruck: Die wenigen überlebenden Krankheitserreger sind kaum konkurrenzfähig und vermehren sich, so dass Krankheitserregergemeinschaften entstehen, die sich Standardbehandlungen entziehen können.

Nützliche Bodenorganismen können Pflanzen jedoch selektiver schützen als Biozide. Sie verdrängen Krankheitserreger und produzieren Toxine, die pathogene Mikroben abtöten, und lösen pflanzeneigene Abwehrmechanismen aus. „Native Bakterien sind die erste und stärkste Barriere, um die Etablierung von Krankheitserregern zu verhindern“, sagt Jousset. „Eine vielfältige Gemeinschaft ist besonders wichtig, um Krankheitserreger fernzuhalten – das gilt im menschlichen Darm und im Boden.“

„Die Idee ist, dass wir den Einsatz von Pestiziden und Fungiziden reduzieren können, indem wir das Mikrobiom nutzen“, sagt Harsh Bais, Pflanzenbiologe an der University of Delaware in Newark. „Aber wir müssen mehr über die Wirkmechanismen wissen. Beziehungen zwischen Mikroben und Pflanzen sind sehr komplex.“

Leben im Untergrund

Laut einer kürzlich in PLOS One veröffentlichten Studie helfen unterirdische Pilznetzwerke Tomatenpflanzen dabei, die Alarmsignale ihrer Nachbarn zu „abhören“. 1 Auch wenn Pflanzen nicht mit chemischen Signalen kommunizieren können, die durch ihre Blätter freigesetzt werden, können sie sich verbinden und wichtige Informationen unter der Erde austauschen.

Forscher der South China Agricultural University in Guangzhou inokulierten Tomatenpflanzenblätter mit dem Krautfäule-Pilz Alternaria solani, die braune und tote Flecken auf den Blättern erzeugt und die Tomatenfrucht verrotten kann. Anschließend bedeckten sie alle Forschungsanlagen mit luftdichten Plastiktüten, die die Übertragung von Luftsignalen verhinderten. Trotz Abdeckung konnten die Tomatenpflanzen kommunizieren. Ungeimpfte Pflanzen, die mehrere Meter entfernt wuchsen, aktivierten Abwehrgene und begannen, krankheitsbekämpfende Enzyme herzustellen.

Forscher haben die Kommunikation auf den Pilz zurückgeführt Glomus mosseae, das eine symbiotische Beziehung mit Pflanzenwurzelhaaren eingeht, bekannt als Mykorrhiza-Netzwerk, indem es sich in die Membran der Wurzelzelle einfügt. Tomatenpflanzen in Säcken, die in Erde angebaut wurden, denen dieses unterirdische Netzwerk fehlte, waren nicht in der Lage, die "Aktivierungsabwehr!" Signal von infizierten Nachbarn und produzierte keine krankheitsbekämpfenden Verbindungen. Im Gegensatz dazu erkannten nicht infizierte Pflanzen in Böden mit Glomus mosseae die Warnzeichen einer Krankheit und produzierten höhere Konzentrationen von sechs verteidigungsbezogenen Enzymen, darunter Peroxidase (POD), Polyphenoloxidase (PPO), Chitinase, β-1,3-Glucanase, Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (PAL) und Lipoxygenase (LOX). (Siehe Diagramm unten.)

Da sich das Mykorrhiza-Netzwerk von einem Satz Pflanzenwurzeln zum anderen erstrecken kann, ist es möglich, dass das Netzwerk der Pilzmyzelien wie Telefonkabel wirkt und es den Pflanzen ermöglicht, unter der Erde zu kommunizieren. Wenn diese Hypothese durch die Identifizierung von Verbindungen bestätigt wird, die das chemische Signal durch die Pilze weiterleiten, könnte es möglich sein, Pflanzenkrankheiten durch die Kultivierung einer geeigneten Mischung von Mikroben im Boden zu verhindern. „Das Problem ist, dass wir nicht wissen, wie sich Pflanzen und Mikroben gegenseitig auswählen“, sagt Bais.

Um diese Frage zu beantworten, wandten sich Bais und seine Kollegen an Arabidopsis thaliana Pflanzen und Bacillus subtilis, ein Bakterium, von dem bekannt ist, dass es die Pflanzengesundheit verbessert. Trotz der antimikrobiellen Abwehrkräfte der Pflanze B. subtilis wird sich irgendwie im Boden festsetzen. Das hat das Team gefunden B. subtilis sondert ein antimikrobielles Peptid ab, das von der Wurzel abgesonderte Toxine vorübergehend unterdrückt und es dem nützlichen Bakterium ermöglicht, den Boden um die Wurzeln herum zu besiedeln. 2 Das von . sezernierte Peptid B. subtilis kann auch dazu beitragen, bodenbürtige Krankheitserreger abzuwehren, während die Abwehrkräfte der Pflanze beeinträchtigt sind, sagt Bais.

Auch nach dem Schwinden einer Bakteriengemeinschaft bleiben die biochemischen Wege, die die Pflanzen als Reaktion auf die bakterielle Besiedlung entwickelt haben, intakt.

In einer früheren Studie fanden Bais und seine Kollegen heraus, dass Pflanzen die nützlichen Bakterienarten auswählen können, die während eines Angriffs von Krankheitserregern rekrutiert werden. 3 Das Team infiziert Arabidopsis Sämlinge mit dem Bakterium Pseudomonas syringae pv. Tomate, das Bakterienflecken verursacht – eine Hauptkrankheit von Tomatenkulturen. Pflanzenwurzeln begannen bald, L-Äpfelsäure abzusondern, eine Nahrungsquelle für B. subtilis. Als Ergebnis, B. subtilis besiedelten die Wurzeln, was wiederum die Produktion der Abwehrchemikalie der Pflanze, Salicylsäure, auslöste und ihr bei der Bekämpfung der bakteriellen Infektion half. „Das ist keine typische symbiotische Beziehung“, sagt Bais, „aber hier gibt es eine interessante Wechselseitigkeit.“ (Siehe Diagramm unten.)

Pflanzen können sogar in der Lage sein, verschiedene Bakterienarten zu rekrutieren, wenn sich ihr Bedarf an Nahrung und Wasser ändert. Forscher der Ain Shams University in Kairo, Ägypten, haben kürzlich die Wurzelsysteme von trockenheitsempfindlichen Pfefferpflanzen seziert (Paprika annuum) mit unterschiedlichen Wassermengen angebaut. 4 Nach dem Vergleich der Struktur und Diversität von Bakteriengemeinschaften in der Rhizosphäre stellte das Team fest, dass Pflanzen, die in der Wüste mit wenig Wasser angebaut werden, größere Populationen von pflanzenwachstumsfördernden (PGB) Bakterien aufweisen, die die Photosynthese und Biomassesynthese um bis zu 40 . steigern können Prozent unter Trockenstress. Obwohl der Wirkmechanismus von PGB noch nicht geklärt ist, ist bekannt, dass die Bakterien Salzstress lindern, indem sie die Ethylenproduktion in Tomatensämlingen reduzieren.

Überraschenderweise gibt es einige Hinweise darauf, dass die Wirkung nützlicher Bakterien über Generationen hinweg anhalten kann. Auch nach dem Schwinden einer Bakteriengemeinschaft bleiben die biochemischen Wege, die die Pflanzen als Reaktion auf die bakterielle Besiedlung entwickelt haben, intakt. „Dies deutet darauf hin, dass die Bakterien als eine Art Impfstoff fungieren“, sagt Bais. Diese verstärkte Krankheitsreaktion kann dann an die nächste Pflanzengeneration weitergegeben werden. Zum Beispiel, auch wenn die Nachkommen keinen B. subtilis, können sie Krankheiten besser bekämpfen, wenn die Elternpflanzen eine Beziehung zu dem Bakterium pflegen. „Die Bakterien helfen der Pflanze, schneller auf Krankheiten zu reagieren, und sie geben diese Erinnerung an die nächste Generation weiter“, sagt Bais. Die Wirkung scheint die Lebenszeit der Nachkommen zu halten, wird aber nicht an eine dritte Generation weitergegeben.

Ein Blick auf das Bodenmikrobiom JPG in Originalgröße anzeigen | PDF © CATHERINE DELPHIA Obwohl die meisten für Pflanzen nützlichen Mikroorganismen im Boden leben, sind ihre Wirkungen nicht immer an den Wurzeln lokalisiert. In einer dritten Studie, veröffentlicht in Das Pflanzenjournal, 5 Bais und seine Kollegen zeigten, dass nützliche Bodenmikroben das Schließen der Stomataporen in den Blättern von . fördern Arabidopsis Pflanzen. Die Spaltöffnungen lassen Kohlendioxid in das Blatt diffundieren und geben ausgeatmeten Sauerstoff und Wasser an die Luft ab. Es ist bekannt, dass heiße und trockene Bedingungen den Verschluss der Stomata auslösen, um das Wasser einer Pflanze zu erhalten, aber Bais war der erste, der zeigte, dass Bodenbakterien die Reaktion auslösen können – ein wichtiger Befund, da einige pathogene Bakterien, wie z P. spritzen pv. Tomate, durch die Spaltöffnungen in die Pflanze eintreten.

Um zu sehen, ob Wurzelmikroben helfen könnten, bereits etablierten Pflanzeninfektionen entgegenzuwirken, züchteten Bais und seine Kollegen Pflanzen, die mit befallen waren P. spritzen und dann den Boden mit dem Nützlichen geimpft B. subtilis. Als die Wurzeln neue Kolonien von rekrutierten B. subtilis, begannen die Pflanzen mit der Produktion von Abscisinsäure – einer Chemikalie, die dafür bekannt ist, den Verschluss der Stomata zu regulieren. Nach drei Stunden waren nur noch 43 Prozent der Spaltöffnungen geöffnet B. subtilis-behandelte Pflanzen. In Kontrollgruppen blieben 56 Prozent der Stomata offen. „Dieser Unterschied war signifikant und half, Krankheiten zu reduzieren“, sagt Bais.

Den Wirkmechanismus aufdecken

Es ist viel schwieriger für Krankheitserreger, den menschlichen Darm zu besiedeln, wenn eine nützliche Mikroflora seine Oberfläche bedeckt. Ein ähnlicher Mechanismus ist im Boden im Spiel. Wenn es um die Vorbeugung von Pflanzenkrankheiten geht, töten einige Mikroben Krankheitserreger direkt ab, andere verbrauchen Ressourcen und besetzen die Nischen, die eindringende Bakterien sonst bewohnen könnten.

„Wenn eine Gemeinschaft aus Arten besteht, die unterschiedliche Ressourcen nutzen, gibt es weniger Platz für eindringende Arten“, sagt Jousset. Er und seine Kollegen wollten herausfinden, ob eine größere genetische Vielfalt nützlicher Bakterienstämme wichtiger ist als die einfache Kultivierung einer großen Vielfalt von Bakterien, unabhängig von ihrer genetischen Ausstattung.

Wir könnten in der Lage sein, krankheitsbekämpfende Bakteriengemeinschaften zu fördern, indem wir die richtige Anzahl und Kombination von Arten auswählen. —Alexandre Jousset, Georg-August-Universität,
Göttingen, Deutschland

Die Forscher züchteten 95 mikrobielle Gemeinschaften, von denen jede zwischen einem und acht Stämmen von Pseudomonas fluorescens Bakterien – eine weitere Spezies, von der bekannt ist, dass sie die Pflanzengesundheit verbessert. Jede Gruppe hatte unterschiedliche Grade an genetischer Ähnlichkeit. Das Team setzte die Kolonien dann den eindringenden Bakterienarten aus Serratia liquefaciens, das Boden, Wasser und sogar den menschlichen Darm und die Harnwege besiedelt, wo pathogene Stämme Infektionen verursachen. Nach 36 Stunden, S. liquefaciens konnte in Gemeinschaften eindringen, die genetisch ähnliche Arten enthielten, aber es war nicht in der Lage, in genetisch vielfältigeren Gemeinschaften Fuß zu fassen. In der Tat, als sich die genotypische Unähnlichkeit verdreifachte, sahen die Forscher eine lineare Abnahme der Kolonisation um S. liquefaciens. 6

Die Zahl der nützlichen Arten im Boden war jedoch fast ebenso wichtig wie der Grad der genetischen Unähnlichkeit zwischen ihnen. Gemeinschaften mit vier bis sechs Arten konnten die Invasion besser abwehren. Interessanterweise waren Gemeinden anfälliger für Invasionen durch S. liquefaciens wenn eine niedrigere oder höhere Anzahl von Bakterienarten vorhanden war. Dies liegt höchstwahrscheinlich an der Vielfalt der produzierten Toxine, sagt Jousset. Die Kolonien mit zu vielen Arten produzierten eine große Menge an Toxinen, von denen einige auch nützliche Bakterienstämme schädigten, während Gemeinschaften mit zu wenigen Arten eine geringe Toxinproduktion aufwiesen, was eine Invasion wahrscheinlicher machte.

RAPSSAMENBLUME © KNAUPE/ISTOCKPHOTO.COM „Dies deutet darauf hin, dass wir möglicherweise in der Lage sind, krankheitsbekämpfende Bakteriengemeinschaften zu fördern, indem wir die richtige Anzahl und Kombination von Arten auswählen“, sagt Jousset. Wie der Darm ist der Boden ein offenes System, das Bakterien das Kommen und Gehen ermöglicht, und der Wettbewerb um Nahrung und Nährstoffe bestimmt die Gemeinschaftsstruktur. Durch die Manipulation von Nahrungsquellen und Wachstumsbedingungen im Boden kann es möglich sein, auf genetisch unterschiedliche Gemeinschaften zu selektieren. In einer kürzlich durchgeführten Feldstudie hat Jousset die im Boden gefundenen krankheitsbekämpfenden Gene untersucht und festgestellt, dass eine vielfältige Mischung aus gepflanzten Kräutern und Gräsern das beste Verhältnis von krankheitsbekämpfenden Genen hervorbringt und dazu beiträgt, bodenbürtige Krankheitserreger zu unterdrücken. (Siehe „Nieder und schmutzig“, Der Wissenschaftler, September 2012.)

Gesunden Boden schaffen

So wie Antibiotika wahllos sowohl gute als auch schlechte Bakterien im Darm abtöten, hemmen Fungizide und Biozide die angeborenen Abwehrkräfte des Bodens. Studien haben gezeigt, dass schonendere Praktiken wie Fruchtfolge, Bodenbearbeitung und Düngung ökologische Prozesse im Boden beeinflussen und die Bildung mikrobieller Gemeinschaften fördern können, die Krankheiten unterdrücken können.

Auf der Suche nach einer Möglichkeit, den Boden zu ergänzen, der das Wachstum nützlicher Bakterien fördert, hat Mike Cohen von der Sonoma State University zusammen mit Kollegen des US-Landwirtschaftsministeriums Rapssaat getestet (Brassica napus) Schrot – ein Abfallprodukt bei der Verarbeitung von Raps zu Speiseöl oder Biodiesel.

Die Forscher spalten die Wurzeln eines Apfelbaumsetzlings, sodass die Pflanze Wurzeln in zwei verschiedenen Behältern eingetopft hatte. Dann haben sie den Erreger eingeführt Rhizoctonia solani, die Wurzelfäule verursacht, in einen Behälter. Rapsschrot wurde mit etwa 0,5 Prozent des Gesamtvolumens in den Boden des anderen Behälters eingearbeitet, während der mit dem Erreger beimpfte Boden unbehandelt blieb.„Damit konnten wir die indirekten Auswirkungen von Saatmehl auf die Pflanze testen“, sagt Cohen. 7

Das Rapsschrot reduzierte die Wurzelfäule um etwa 50 Prozent im Vergleich zu Kontrollgruppen, die ohne die Behandlung angebaut wurden. Tatsächlich beobachteten die Forscher, dass die gesamte Pflanze vom Rapsschrot profitierte, obwohl nur die Hälfte der Wurzeln freigelegt war. Cohen und Kollegen glauben, dass Rapsschrot die Besiedlung durch nützliche Streptomyces-Arten fördert, von denen bekannt ist, dass sie systemische Abwehrkräfte bei Pflanzen auslösen. Es waren 10 mal so viele Streptomyces Bakterien in durch Rapsschrot veränderten Böden, ein Befund, der später durch Feldversuche bestätigt wurde.

DER GUTE STREP: Streptomyces sp. Anzucht auf Agar für die Antibiotikaforschung © CHARLOTTE RAYMOND/SCIENCE SOURCE Als die Forscher die Spaltwurzelerde direkt mit Streptomyces anstelle von Rapsschrot beimpften, stellten sie fest, dass Streptomyces förderte die Pflanzenabwehr ähnlich wie das Samenmehl. „Wir können nicht genau sagen, wie Streptomyces der Pflanze zugute kommen“, sagt Cohen, „aber einige Hinweise deuten darauf hin, dass es mit der Induktion des Jasmonsäure-Signalwegs zusammenhängt“, einem hormonellen Signalsystem, das die Pflanzenabwehr auslöst. (Siehe „Wie Pflanzen sich anfühlen“, Der Wissenschaftler, Dezember 2012.)

Leider kann Samenmehl auch pathogene Organismen ernähren. In einigen Studien vermehrten sich krankheitserregende Mikroben in Böden, die mit Samenmehl behandelt wurden. Die Kombination von Samenmehlen aus Senf, Raps und anderen Pflanzen kann jedoch dazu beitragen, das Wachstum pathogener Mikroben zu minimieren, sagt Cohen. Dies liegt daran, dass Samenmehle Glucosinolate enthalten – Chemikalien, die beim Abbau im Wasser krankheitserregende Begasungsmittel freisetzen. Da sich die von Raps freigesetzten Chemikalien leicht von denen von Senfsaat unterscheiden können, „sind Samenmehle in Kombination vielversprechender“, sagt Cohen. „Eine Samenmahlzeit könnte auf einen Krankheitserreger abzielen, während eine andere dazu beiträgt, nützliche Gemeinschaften von . aufzubauen Streptomyces.”

Da Gastroenterologen nun über die Wirksamkeit der Transplantation von Darmbakterien von gesunden Personen in menschliche Patienten mit Darmentzündungen und -infektionen berichten, könnten Pflanzenforscher auch feststellen, dass mehrere Behandlungen mit verschiedenen Mischungen nützlicher Mikroorganismen einen großen Einfluss auf die Bodenökologie haben werden. Selbst wenn eine Art einen Krankheitserreger nicht eindämmt, könnte ein vollständiges Remake der mikrobiellen Gemeinschaft helfen, das Problem zu lösen. Ziel ist es, den Boden im Laufe der Zeit schrittweise aufzubauen, um ein günstiges mikrobielles Ökosystem zu etablieren. In reichen, gesunden Böden kann die mikrobielle Gemeinschaft resistenter gegen Krankheiten sein.

Forscher wenden sich nun Feldexperimenten zu, um die besten Artenkombinationen zu testen, und Behandlungen wie Samenmehl werden bereits auf Bio-Farmen in Nordkalifornien eingesetzt. Wenn eine größere mikrobielle Vielfalt in groß angelegten Feldversuchen die Pflanzengesundheit verbessert, könnte dies schließlich dazu beitragen, die Chemikalienbelastung in Industriebetrieben zu reduzieren. „Im Darm funktioniert es vielleicht nicht genau so, aber im Boden sind die Mechanismen sehr ähnlich“, sagt Jousset. „Wenn wir das Bodenmikrobiom schützen und kultivieren können, anstatt wichtige Arten zu töten, brauchen wir möglicherweise weniger Chemikalien auf dem Feld.“

Amy Coombs ist Wissenschaftsautorin und lebt in Chicago.

Verweise

1. J.J. Song et al., „Interplantäre Kommunikation von Tomatenpflanzen durch unterirdische gemeinsame Mykorrhiza-Netzwerke“, PLUS EINS, 5(10): e13324, 2010.

2. V. Lakshmannan et al., „Mikrobe-assoziierte molekulare Muster (MAMPs)-triggered root responses vermitteln eine vorteilhafte Rekrutierung von Rhizobakterien bei Arabidopsis“, Pflanzenphysiologie, 160:1642-61, 2012.

3. T. Rudrappa et al., „Wurzelsekretierte Apfelsäure rekrutiert nützliche Bodenbakterien“ Pflanzenphysiologie, 148:1547-56, 2008.

4. R. Marasco et al., „Ein Trockenresistenz-förderndes Mikrobiom wird durch das Wurzelsystem in der Wüstenwirtschaft selektiert.“ PLUS EINS, 7(10): e48479, 2012.

5. A. S. Kumar et al., „Rhizobacteria Bacillus subtilis schränkt den Eintritt von Blattpathogenen durch Spaltöffnungen ein“, Pflanze J, 72:694–706, 2012.

6. A. Jousset et al., „Intraspezifische genotypische Reichhaltigkeit und Verwandtschaft sagen die Invasibilität mikrobieller Gemeinschaften voraus“, ISME J, 5:1108–14, 2011.


Erregerübertragung

Eine Infektion beginnt mit der Exposition gegenüber einem Krankheitserreger. Der natürliche Standort oder Lebensraum für einen Krankheitserreger wird als a . bezeichnet Reservoir und kann entweder belebt (Mensch oder Tier) oder unbelebt (Wasser, Boden, Nahrung) sein. Ein Krankheitserreger kann aus seinem Reservoir aufgenommen und dann von einem infizierten Wirt auf einen anderen übertragen werden. Transportunternehmen spielen eine wichtige Rolle bei der Ausbreitung von Krankheiten, da sie den Erreger tragen, aber keine offensichtlichen Krankheitssymptome zeigen. Eine Krankheit, die hauptsächlich innerhalb von Tierpopulationen auftritt, aber auf den Menschen übertragen werden kann, wird als a . bezeichnet Zoonose, während eine im Krankenhaus erworbene Infektion als a . bekannt ist nosokomiale Infektion.

Der Mechanismus, durch den ein Krankheitserreger von einem Wirt aufgenommen wird, wird als . bezeichnet Übertragungsmodus, mit den unten aufgeführten Hauptmechanismen:

Direkten Kontakt

Direkten Kontakt umfasst den Kontakt von Wirt zu Wirt, z. B. durch Küssen oder Geschlechtsverkehr, bei dem eine Person mit der Haut oder Körperflüssigkeiten einer anderen Person in Kontakt kommen könnte. Vertikale Übertragung bezieht sich auf die Übertragung eines Krankheitserregers von der Mutter auf das Kind, entweder vor oder unmittelbar nach der Geburt. Eine werdende Mutter kann während der Schwangerschaft, während der Geburt oder beim Stillen einen Erreger über die Plazenta auf ihr Kind übertragen.

Tröpfchenübertragung

Tröpfchenübertragung wird oft auch als eine Form des direkten Kontakts angesehen. Es handelt sich um eine Übertragung durch Tröpfchen der Atemwege, bei denen ein infizierter Wirt den Erreger durch Husten oder Niesen in winzigen Tröpfchen ausstößt, die dann von einem in der Nähe befindlichen Wirt eingeatmet werden. Diese Tröpfchen werden nicht über weite Strecken durch die Luft übertragen und bleiben auch nicht sehr lange infektiös.

Indirekter Kontakt

Indirekter Kontakt beinhaltet die Übertragung des Infektionserregers durch irgendeine Art von Vermittler, wie zum Beispiel einen kontaminierten Gegenstand oder eine Person. Der Erreger könnte auf einem unbelebten Objekt abgelagert werden, das als a . bezeichnet wird fomite, die dann von einer anderen Person verwendet wird. Dies kann ein gemeinsam genutztes Spielzeug oder eine häufig berührte Oberfläche wie eine Türklinke oder eine Computertastatur sein. Alternativ könnte ein medizinisches Personal einen Krankheitserreger von einem Patienten auf einen anderen übertragen, wenn sie ihre Handschuhe zwischen den Patienten nicht wechselten.

Flugübertragung

Flugübertragung tritt aufgrund von Krankheitserregern auf, die sich in kleinen Partikeln oder Tröpfchen in der Umgebung befinden und über Zeit und Entfernung infektiös bleiben können. Ein Beispiel könnten Pilzsporen sein, die während eines Staubsturms eingeatmet werden.

Fäkal-orale Übertragung

fäkal-orale Übertragung tritt auf, wenn ein infizierter Wirt den Krankheitserreger mit seinem Kot ausscheidet, der Nahrung oder Wasser kontaminiert, das vom nächsten Wirt konsumiert wird.

Vektorgestützte Übertragung

Übertragung von Krankheitserregern.

Vektorgestützte Übertragung tritt auf, wenn ein Arthropodenvektor, wie Mücken, Fliegen, Zecken, an der Übertragung beteiligt sind. Manchmal nimmt der Vektor die Infektionserreger einfach an ihren äußeren Körperteilen auf und trägt sie zu einem anderen Wirt, aber typischerweise nimmt der Vektor den Infektionserreger auf, wenn er einen infizierten Wirt beißt. Der Erreger wird im Blut aufgenommen und dann auf den nächsten Wirt verteilt, wenn der Vektor weitergeht, um eine andere Person zu beißen.


Verweise

Locey, K. J. & Lennon, J. T. Skalierungsgesetze sagen die globale mikrobielle Vielfalt voraus. Proz. Natl Acad. Wissenschaft Vereinigte Staaten von Amerika 113, 5970–5975 (2016).

Chen, H. et al. Ein vorwärts gerichteter chemischer genetischer Screen enthüllt Darmmikrobiota-Metaboliten, die die Physiologie des Wirts modulieren. Zelle 177, 1217–1231.e1218 (2019).

Colosimo, D.A. et al. Kartierung der Interaktionen von mikrobiellen Metaboliten mit humanen G-Protein-gekoppelten Rezeptoren. Zellwirtsmikrobe 26, 273–282.e277 (2019).

Fox, K. Die ILLusion of Inclusion – das Forschungsprogramm „All of Us“ und die DNA der indigenen Völker. N. Engl. J. Med. 383, 411–413 (2020).

Danovaro, R. et al. Ein unterseeischer Vulkanausbruch führt zu einem neuartigen mikrobiellen Lebensraum. Nat. Öko. Entwicklung 1, https://doi.org/10.1038/s41559-017-0144 (2017).

Schulze-Makuch, D. et al. Vorübergehender mikrobieller Lebensraum in der hyperariden Atacama-Wüste. Proz. Natl Acad. Wissenschaft Vereinigte Staaten von Amerika 115, 2670–2675 (2018).

Al-Shayeb, B. et al. Kladen riesiger Phagen aus allen Ökosystemen der Erde. Natur 578, 425–431 (2020).

Thompson, L.R. et al. Ein kommunaler Katalog enthüllt die multiskalige mikrobielle Vielfalt der Erde. Natur 551, 457–463 (2017).

Moss, E. L., Maghini, D. G. & Bhatt, A. S. Vollständige, geschlossene Bakteriengenome aus Mikrobiomen unter Verwendung von Nanoporen-Sequenzierung. Nat. Biotechn. 38, 701–707 (2020).

Somerville, V. et al. Long-Read-basierte De-novo-Assemblierung von Metagenomproben mit geringer Komplexität führt zu fertigen Genomen und gibt Einblicke in die Stammdiversität und ein aktives Phagensystem. BMC Mikrobiol. 19, https://doi.org/10.1186/s12866-019-1500-0 (2019).

Bishara, A. et al. Hochwertige Genomsequenzen unkultivierter Mikroben durch Zusammenbau von Lesewolken. Nat. Biotechn. 36, 1067–1075 (2018).

Durrant, M. G., Li, M. M., Siranosian, B. A., Montgomery, S. B. & Bhatt, A. S. Eine bioinformatische Analyse integrativer mobiler genetischer Elemente unterstreicht ihre Rolle bei der bakteriellen Anpassung. Zellwirtsmikrobe 27, 140–153.e149 (2020).

Beitel, C.W. et al. Dekonvolution eines synthetischen Metagenoms auf Stamm- und Plasmidebene durch Sequenzierung von Proximity-Ligationsprodukten. PeerJ 2, e415 (2014).

Callaway, E. Revolutionäre Kryo-EM übernimmt die Strukturbiologie. Natur 578, 201–201 (2020).

Zhang, K. et al. Kryo-EM-Struktur einer 40 kDa SAM-IV Riboswitch-RNA bei 3,7 Auflösung. Nat. Komm. 10, https://doi.org/10.1038/s41467-019-13494-7 (2019).


Hintergrund

Akanthamöben ist ein opportunistischer Protist, der in der Umwelt allgegenwärtig ist. Akanthamöben hat zwei Stadien in ihrem Lebenszyklus, ein aktives Trophozoitenstadium, das vegetatives Wachstum zeigt, und ein ruhendes Zystenstadium mit minimaler metabolischer Aktivität. Es ist ein Erreger von Hautläsionen und Nebenhöhlenentzündungen, sehbedrohender Keratitis und einer seltenen, aber tödlichen Enzephalitis, der sogenannten granulomatösen Amöbenenzephalitis [1–3]. Die Fähigkeit von Akanthamöben um (i) schwere Infektionen beim Menschen hervorzurufen, die mit einem Anstieg der Zahl immungeschwächter Patienten und Kontaktlinsenträger verbunden sind, (ii) ihre potenzielle Rolle in Ökosystemen, (iii) die Fähigkeit, als Wirt/Reservoir für mikrobielle Krankheitserreger zu fungieren, und (iv .) ) Modellorganismus für Motilitätsstudien hat im Laufe der Jahre zu einem erheblichen Interesse an diesem Organismus geführt (Abbildung 1). Außerdem, Akanthamöben kann veterinärmedizinische Bedeutung haben, wie durch das Vorkommen von Amöben bei erkrankten oder toten Kühen, Hunden, Schweinen, Kaninchen, Tauben, Schafen, Reptilien, Fischen, Truthähnen, Kielschnabeltukanen, Ramphastos sulfuratus, Pferde [4–6].

Steigendes wissenschaftliches Interesse am Bereich der freilebenden Amöben, wie durch veröffentlichte Artikel der letzten fünf Jahrzehnte festgestellt. Eine Pubmed-Suche mit "Akanthamöben", "Balamuthia", Naegleria" oder "Sappinien" wurde rausgebracht.

Entdeckung der Amöben

Amöben gehören zu den frühesten Eukaryoten, die seit der Entdeckung des frühen Mikroskops untersucht wurden, z. Amöben-Proteus, oder eng verwandt Chaos das ist eine Gattung von Riesen-Amöben, die zwischen 1-5 mm lang sind. Basierend auf rRNA-Sequenzen wird geschätzt, dass Amöben von der Hauptlinie der eukaryotischen Abstammung abgewichen sind, manchmal zwischen der Divergenz von Hefe (

1,2 × 10 9 Jahren) und die Divergenz von Pflanzen und Tieren (

1 × 10 vor 9 Jahren). In den letzten Jahrzehnten haben diese Organismen aufgrund ihrer vielfältigen Funktionen im Ökosystem und insbesondere ihrer Rolle bei der Verursachung schwerer und manchmal tödlicher Infektionen beim Menschen zunehmende Aufmerksamkeit erlangt (Abbildung 2).

Die Klassifizierung von Protisten, basierend auf ribosomalen rRNA-Sequenzen (modifiziert von Khan NA Akanthamöben : Biologie und Pathogenese, Caister Academic Press, 2009, ISBN: 978-1-904455-43-1).

Entamoeba histolytica ist ein parasitärer Protist, der 1873 bei einem Patienten mit blutiger Ruhr entdeckt wurde [7, 8] und genannt E. histolytica 1903 [9, 10]. Diese Art wurde in eine pathogene (E. histolytica) und ein weiteres nicht-pathogenes (E. ungleich) [11], das auch experimentelle Läsionen erzeugen kann [12] und von einigen Autoren in Frage gestellt, ob es wirklich keine Krankheit beim Menschen verursachen kann [13].

Naegleria ist eine freilebende Amöbe, die erstmals 1899 von Schardinger entdeckt wurde und ihr den Namen "Amöbe gruberi". 1912 schlug Alexeieff seinen Gattungsnamen als Naegleria, und viel später in den 1970er Jahren identifizierte Carter Naegleria fowleri als Erreger tödlicher Infektionen des Menschen mit Beteiligung des Zentralnervensystems (ZNS) [14].

Sappinia diploidea ist eine freilebende Amöbe, die 1908-09 aus dem Kot von Eidechsen und aus dem Boden isoliert und dann 2001 als Erreger der granulomatösen Amöbenenzephalitis beschrieben wurde [15].

Balamuthia mandrillaris wurde 1986 aus dem Gehirn eines an Meningoenzephalitis verstorbenen Pavians entdeckt und als neue Gattung beschrieben, d.h. Balamuthia[3, 16]. Bisher wurde nur eine Art identifiziert, B. mandrillaris. Die Mehrheit der Isolate wurde aus Nekropsien isoliert, während organischer Boden als potenzielle Quelle vorgeschlagen wurde. Mögen Akanthamöben, ist bekannt, dass es Infektionen des zentralen Nervensystems, der Lunge, der Nebenhöhlen und der Haut hervorruft. Besorgniserregend ist eine granulomatöse Enzephalitis aufgrund von B. mandrillaris wurde bei immunkompetenten Personen berichtet, was auf eine potenzielle Bedrohung für die Gesundheit von Mensch und Tier hindeutet.

1930, Akanthamöben als Verunreinigung der Hefekultur entdeckt wurde, Cryptococcus pararoseus und wurde später in die Gattung eingeordnet Akanthamöben, und dann als Erreger von . beschrieben Akanthamöben Granulomatöse Enzephalitis (AGE) in den 1960er Jahren und Keratitis in den 1970er Jahren [17].

Biologie von Akanthamöben

Der Begriff Akanthe (griechisch "Akanthe" bedeutet "Stacheln") wurde "Amöbe" hinzugefügt, um das Vorhandensein von stachelartigen Strukturen (heute bekannt als Akanthopodien) auf seiner Oberfläche anzuzeigen. Es enthält eine oder mehrere prominente kontraktile Vakuolen, deren Funktion darin besteht, Wasser zur osmotischen Regulierung auszustoßen [18]. Andere Arten von Vakuolen im Zytoplasma umfassen Lysosomen, Verdauungsvakuolen und eine große Anzahl von glykogenhaltigen Vakuolen. Die Plasmamembran besteht aus Proteinen (33%), Phospholipiden (25%), Sterolen (13%) und Lipophosphonoglycan (29%) [19, 20]. Die wichtigsten Phospholipide in Akanthamöben sind Phosphatidylcholin (45%), Phosphatidylethanolamin (33%), Phosphatidylserin (10%), Phosphoinositid (6%), und Diphosphatidylglycerol (4%). Die wichtigsten Fettsäurenketten in Akanthamöben sind Ölsäuren (40–50 %) und längere mehrfach ungesättigte Fettsäuren (20–30 %) [21]. Akanthamöben enthält niedrige Glykolipide. Glucose macht etwa 60 % der Zucker der Glykolipide der ganzen Zellen und der Plasmamembranen aus. Unter den Sterolen ist der nicht verseifbare Anteil der Gesamtlipide, die aus den Trophozoiten pathogener Akanthamöben besitzt Ergosterol und 7-Dehydrostigmasterol [20]. Akanthamöben Es wurde gezeigt, dass es Prostaglandine produziert [22].

Akanthamöben Trophozoit besitzt eine große Anzahl von Mitochondrien (Abbildung 3). Die Genomgröße der mitochondrialen DNA von A. castellanii zum T4-Genotyp gehörend 41.591 bp [23]. Akanthamöben besitzt normalerweise einen einzelnen Kern, der ungefähr ein Sechstel der Größe von Trophozoiten hat (Abbildung 3), aber es wurden auch mehrkernige Amöben beobachtet. Die Genomgröße von A. castellanii Der Neff-Stamm, der zum T4-Genotyp gehört, ist ungefähr 45 Mb groß http://www.hgsc.bcm.tmc.edu/microbial-detail.xsp?project_id=163. Basierend auf der Analyse der kodierenden Sequenz (CDS-Features, Exon) von 200 Genen wurde berechnet, dass im Durchschnitt 3 Exons pro Gen vorhanden sind (zum Vergleich: E. histolytica 1,3 Exons pro Gen besitzen und Dictyostelium discoideum besitzen 2,3 Exons pro Gen) [24].

Die Transmissionselektronenmikroskopie von Akanthamöben Trophozoit. M ist Mitochondrien, N ist Nukleus, V ist Vakuole und der Pfeil zeigt die Plasmamembran an.

Akanthamöben wurde seit langem als eukaryontische Modellzelle mit besonderem Schwerpunkt auf der auf Aktin-Zytoskelett basierenden Motilität untersucht [25]. Akanthamöben bewegt sich im Vergleich zu anderen Zellen relativ schnell mit einer Fortbewegungsrate von etwa 0,8 µm/Sekunde. Die Bewegung beinhaltet die Bildung eines hyaline Pseudopodiums. Die Art und Weise Akanthamöben Die Bewegung ist sowohl an festen Substraten als auch an der Wasser-Luft-Grenzfläche ähnlich. Haftkräfte entwickelt zwischen Akanthamöben und die Wasser-Luft-Grenzfläche sind größer als die Schwerkraft, sodass Amöben auch passiv transportiert werden, ohne sich von der Wasseroberfläche abzulösen [26]. Aktin-Mikrofilamente sind am stärksten direkt unter der Plasmamembran konzentriert und dafür verantwortlich, Spannungen zu widerstehen und zytoplasmatische Vorsprünge zu bilden.

Lebenszyklus von Akanthamöben

Akanthamöben hat zwei Stadien in ihrem Lebenszyklus, ein vegetatives Trophozoitenstadium mit einem Durchmesser von 13-23 µm und ein ruhendes Zystenstadium von 13-23 µm (Abbildung 4). Während des Trophozoitenstadiums (griechisch "tropho" bedeutet "nähren"), Akanthamöben ernährt sich von organischen Partikeln sowie anderen Mikroben und teilt sich unter optimalen Bedingungen (Nahrungsversorgung, neutraler pH-Wert,

30 °C) und 50-80 mOsmol [27]. Die Exposition gegenüber harten Bedingungen führt zu einer zellulären Differenzierung in eine doppelwandige Zystenform [28]. Die Außenwände bestehen aus Proteinen und Polysacchariden, während die Innenwand aus Zellulose besteht [29–31]. Beide Wände sind normalerweise durch einen Zwischenraum getrennt, außer an bestimmten Stellen, an denen sie im Zentrum der Ostiolen Opercula bilden (Austrittspunkte für exzysierende Trophozoiten). Die Zusammensetzung der Zystenwand für A. castellanii Es wurde gezeigt, dass der T4-Genotyp 33 % Protein, 4 – 6 % Lipid, 35 % Kohlenhydrate (meist Cellulose), 8 % Asche und 20 % nicht identifizierte Materialien enthält [29–31]. Mittels Gaschromatographie in Kombination mit Massenspektrometrie zeigte die Kohlenhydratzusammensetzung der Zystenwände einen hohen Anteil an Galactose und Glucose sowie geringe Mengen an Mannose und Xylose [32]. Die Bindungsanalyse ergab mehrere Arten von glykosidischen Bindungen, einschließlich der 1,4-gebundenen Glucosyl-Konformation, die auf Cellulose hinweist (Tabelle 1).

Der Lebenszyklus von Akanthamöben spp. Unter günstigen Bedingungen, Akanthamöben verbleibt in der Trophozoitenform und teilt sich mitotisch ( EIN ) und produziert eine Infektion, während sich die Amöbe unter harten Bedingungen in eine ruhende Zystenform ( B ), das sehr widerstandsfähig gegen raue Bedingungen ist.

Verteilung in der Umwelt und im klinischen Umfeld

Akanthamöben wurde von verschiedenen natürlichen Umgebungen isoliert, darunter Meerwasser, Meeressedimente, Strände, Teichwasser, Boden, Süßwasserseen, Thermalbäder, Salzwasserseen, Antarktis, Wasser-Luft-Grenzflächen und sogar aus der Luft.Sie wurden isoliert aus abgefülltem Mineralwasser, Flaschen mit destilliertem Wasser, thermisch belasteten Fabrikabflüssen, Kühltürmen von Elektro- und Atomkraftwerken, Whirlpools, Lüftungskanälen, Luftbefeuchtern, Klimaanlagen, Duschköpfen, Küchensprühern, Abwasser, Kompost, Gemüse, chirurgische Instrumente, Kontaktlinsen und deren Etuis, Taubenkot, Süßwasserfische sowie andere gesunde, kranke und tote Tiere. Sie wurden aus Krankenhäusern, physiotherapeutischen Schwimmbädern, Dialyseeinheiten, tragbaren und stationären Augenspülstationen, menschlichen Nasenhöhlen, Rachen, Rachenabstrichen, Lungengewebe, Hautläsionen, menschlichem Kot, Hornhautbiopsien, Kieferhöhle, Unterkieferautotransplantaten, Stuhlproben geborgen , Urin von kritisch kranken Patienten, Gehirn-Rückenmarks-Flüssigkeiten und die Gehirn-Autopsien. Basierend auf den obigen Ausführungen wird akzeptiert, dass Akanthamöben in der Umwelt allgegenwärtig ist und wir diesem Organismus in unserem alltäglichen Leben häufig begegnen, was durch die Anwesenheit von Anti-Akanthamöben Antikörper in bis zu 100 % gesunden Bevölkerungen in Neuseeland und mehr als 85 % bei Personen aus London, die aus verschiedenen Ländern kamen [33, 34].

Rolle im Ökosystem

Im Boden haben Protisten wie Amöben, Flagellaten und Ciliaten zwei wichtige ökologische Rollen: (i) Beeinflussung der Struktur der mikrobiellen Gemeinschaft und (ii) Förderung des Nährstoffrecyclings. Beide Aktivitäten sind mit Bodenprotisten verbunden, die sich von Bakterien ernähren und so die Bakterienpopulationen im Boden regulieren. Unter den Protisten sind freilebende Amöben die dominanten Bakterienkonsumenten und für bis zu 60 % der Gesamtreduktion der Bakterienpopulation verantwortlich [35]. Die primären Zersetzer (Bakterien) zersetzen organische Materialien direkt, sind jedoch ineffizient bei der Freisetzung von Mineralien aus ihrer eigenen Masse. Die Sekundärzersetzer, wie freilebende Amöben, verzehren die Primärzersetzer und setzen mineralische Nährstoffe als Abfallprodukte frei, die in der Biomasse des Primärzersetzers gebunden sind. Auf diese Weise können Protisten wie Akanthamöben (wie auch andere Grasfresser) stellen Nährstoffe zur Verfügung, die sonst viel länger unzugänglich bleiben würden. Der Boden enthält Akanthamöben und Bakterien zeigten eine signifikant höhere Mineralisierung von Kohlenstoff, Stickstoff und Phosphor im Vergleich zu Böden, die Bakterien enthielten, jedoch ohne Akanthamöben [36, 37]. Neben der Aufnahme von Bakterien fördern Amöben die Bakterienpopulation im Boden. Die mineralische Regeneration durch die Sekundärzersetzer (Protisten wie Amöben) entlastet die Primärzersetzer von Nährstoffen. Dies wurde mit den Ergebnissen gezeigt, dass wenn Stickstoff limitierend war (aber Kohlenstoff vorhanden war), die Stickstoffmineralisierung um Akanthamöben erlaubt ein kontinuierliches Wachstum von Bakterien (Pseudomonas paucimobilis), was zu einer größeren Bakterienbiomasse führt [36, 37]. Und als Kohlenstoff begrenzt war, Akanthamöben war fast vollständig für die Stickstoffmineralisierung verantwortlich, mit Bakterien (Pseudomonas paucimobilis) wenig beitragen. Mit einem experimentellen Modellsystem werden die Auswirkungen der Beweidung durch Akanthamöben zur Zusammensetzung von Bakteriengemeinschaften in der Rhizosphäre von Arabidopsis thaliana zeigten eine Verringerung der Bakterienpopulation, die sich positiv auf das Pflanzenwachstum auswirkte [35–37]. Gesamt, Akanthamöben scheint eine wichtige Rolle bei der Regulierung von Bakterienpopulationen in der Umwelt und des Nährstoffkreislaufs zu spielen und trägt so zur Funktionsfähigkeit der Ökosysteme bei.

Genotypisierung

Basierend auf rRNA-Gensequenzen wird die Gattung Akanthamöben ist bisher in 17 verschiedene Genotypen unterteilt (T1 - T17) (Tabelle 2) [38–41]. Jeder Genotyp weist eine Sequenzdivergenz von 5 % oder mehr zwischen verschiedenen Genotypen auf. Die meisten Infektionen beim Menschen durch Akanthamöben wurden mit den Isolaten des T4-Genotyps in Verbindung gebracht. Zum Beispiel mehr als 90 % von Akanthamöben Fälle von Keratitis (AK) wurden mit diesem Genotyp in Verbindung gebracht. In ähnlicher Weise war T4 der Hauptgenotyp, der mit Nicht-Keratitis-Infektionen wie AGE und Hautinfektionen in Verbindung gebracht wird. Derzeit ist unklar, warum T4-Isolate bei menschlichen Infektionen am häufigsten vorkommen, wahrscheinlich liegt dies jedoch an ihrer höheren Virulenz und ihren Eigenschaften, die ihre Übertragbarkeit sowie ihre verringerte Anfälligkeit für Chemotherapeutika erhöhen. Zukünftige Studien werden Virulenzmerkmale und genetische Marker identifizieren, die nur auf bestimmte Genotypen beschränkt sind, was zur Klärung dieser Fragen beitragen kann. Eine aktuelle Liste der Genotypen und ihrer Assoziation mit den Infektionen beim Menschen ist in Tabelle 2 dargestellt.

Akanthamöben Keratitis

Obwohl es bei Trägern ohne Kontaktlinsen auftreten kann, wird es meistens mit der Verwendung von Kontaktlinsen in Verbindung gebracht. Insgesamt handelt es sich um einen multifaktoriellen Prozess, der (i) das Tragen von Kontaktlinsen über einen längeren Zeitraum, (ii) mangelnde persönliche Hygiene, (iii) unsachgemäße Reinigung von Kontaktlinsen, (iv) Biofilmbildung auf Kontaktlinsen und (v) Exposition . beinhaltet zu verunreinigtem Wasser [3]. Die Abfolge der Ereignisse bei AK umfasst den Zusammenbruch der Epithelbarriere, die Stroma-Invasion durch Amöben, die Verarmung der Keratozyten, die Induktion einer intensiven Entzündungsreaktion, die Photophobie und schließlich die Stroma-Nekrose mit Verblindungsfolgen (Abbildung 5) [42, 43]. Neuere Studien haben in den USA, Australien, Italien, Neuseeland und Brasilien einen signifikanten Anstieg der Zahl der AK-Patienten berichtet [44–48]. Dies wird durch 2 kürzliche Ausbrüche von AK weiter unterstützt, bei denen ein dramatischer Anstieg in tertiären Versorgungszentren in Singapur und den Vereinigten Staaten beobachtet wurde [49]. Gegenwärtig tragen weltweit mehr als 120 Millionen Menschen Kontaktlinsen, daher besteht ein wachsendes Bedürfnis, sich der damit verbundenen Risiken bewusst zu sein. Dies ist im Hinblick auf die Unwirksamkeit von Reinigungslösungen einiger Kontaktlinsenprodukte besonders wichtig. So hat Bausch & Lomb (USA) im Jahr 2006 ihre Kontaktlinsenlösung „ReNu with MoistureLoc contact lens solution“ freiwillig vom Markt genommen. Dies war das Ergebnis eines Ausbruchs einer Augeninfektion bei Kontaktlinsenträgern http://www.drugattorneys.com/fda-reports/fusariumkeratitis-051906.cfm, was zu Hunderten von Klagen gegen Bausch & Lomb führte. Das Unternehmen erkannte das Problem und entfernte alle ReNu with MoistureLoc-Produkte weltweit. Dies ist kein Einzelfall. Seit der Entdeckung der ersten Hornhautlinsen im Jahr 1949 gab es weltweit mehrere Ausbrüche von Kontaktlinsen-assoziierten Infektionen, wobei mikrobielle Infektionen die schwerwiegendsten waren. Immer wieder wurde die Nachlässigkeit vieler Hersteller hervorgehoben. Zum Beispiel warnte Dr. Epstein im Jahr 2005 Bausch & Lomb über die Unwirksamkeit ihrer ReNu mit MoistureLoc Kontaktlinsenlösung zum Töten Fusarium, eine Behauptung, die vom Hersteller zurückgewiesen wurde. Auch 2007 gaben die Centers for Disease Control and Prevention (CDC) eine Warnung für die öffentliche Gesundheit über ein erhöhtes AK-Risiko heraus. Dieser Ausbruch wurde hauptsächlich mit der Kontaktlinsenlösung Complete Moisture Plus No-Rub in Verbindung gebracht. Der Hersteller Advanced Medical Optics (AMO) hatte die Lösung freiwillig zurückgerufen und forderte die Verbraucher auf, sie nicht zu verwenden, bis weitere Informationen vorliegen. Insgesamt besteht ein klarer Bedarf, sich der mit der Verwendung von Kontaktlinsen verbundenen Risiken bewusst zu sein, insbesondere in Entwicklungsländern, in denen eine Gesundheitsüberwachung möglicherweise nicht angemessen ist.

(A) normales Auge und (B) infiziertes Auge mit Rezidiv Akanthamöben Infektion nach Hornhauttransplantation mit schwerer Hornhautschädigung und Sehverlust.

Diagnose

Die Diagnose von AK ist problematisch und wird oft als bakterielle, virale oder pilzartige Keratitis fehldiagnostiziert. Die Verwendung von Kontaktlinsen durch den Patienten zusammen mit entsetzlichen Schmerzen weist stark auf diese Infektion hin. Die Verwendung von in vivo Die konfokale Mikroskopie hat sich als wertvolles nicht-invasives Werkzeug für die klinische Diagnostik bei schwerer infektiöser Keratitis mit hoher Sensitivität herausgestellt [50, 51]. Der bestätigende Beweis stammt aus dem Nachweis von Parasiten mit laborbasierten Assays. Der Anbau von Akanthamöben aus der Hornhautbiopsie oder aus Kontaktlinsen/-behältern ist nach wie vor der am häufigsten verwendete Assay. Auch Immunfluoreszenz-Assays und Multiplex-Real-Time-PCR-Methoden [52] wurden entwickelt. Der Multiplex-Assay ist für den simultanen Nachweis von pathogenen freilebenden Amöben in derselben Probe wertvoll. Der Einsatz von Real-Time Fast-Duplex TaqMan PCR zum gleichzeitigen Nachweis von 10 verschiedenen Genotypen von Akanthamöben können 0,1 Zysten/μl nachweisen [53]. Darüber hinaus haben sich die matrixunterstützte Laserdesorptions-Ionisations-Flugzeit-Massenspektrometrie und die 1 H-NMR-Spektroskopie als potenziell wertvoll für die schnelle Identifizierung von Akanthamöben in den klinischen Proben.

Behandlung

Eine frühzeitige Diagnose, gefolgt von einer aggressiven Behandlung, ist für eine erfolgreiche Prognose unerlässlich. Kein einzelner Wirkstoff ist gegen alle Isolate/Genotypen von . einheitlich wirksam Akanthamöben. Mehrere Faktoren, einschließlich unterschiedlicher klinischer Präsentation und Virulenz von Akanthamöben einen Mangel an Korrelation zwischen in vitro Aktivität und in vivo Wirksamkeit. Das Behandlungsschema umfasst Polyhexamethylenbiguanid oder Chlorhexidindigluconat zusammen mit Propamidinisethionat oder Hexamidin, ist wirksam. Sind zusätzlich Bakterien mit der Infektion assoziiert, wird die Zugabe von Antibiotika, z. B. Neomycin oder Chloramphenicol, empfohlen [54].

Akanthamöben Granulomatöse Enzephalitis

AGE ist eine seltene Infektion, die jedoch fast immer tödlich verläuft. Dies ist angesichts der zunehmenden Zahl von immungeschwächten Patienten, die empfängliche Wirte sind, Personen, die sich einer immunsuppressiven Therapie unterziehen, und einer übermäßigen Verwendung von Steroiden von großer Bedeutung. Gefährdet sind Personen mit lymphoproliferativen oder hämatologischen Erkrankungen, Diabetes mellitus, Pneumonitis, Nierenversagen, Leberzirrhose oder anderen Lebererkrankungen, Gamma-Globulinämie oder Patienten, die sich einer Organ-/Gewebetransplantation mit immunsuppressiver Therapie, Steroiden und übermäßigen Antibiotika unterziehen [55, 56]. Die grobe Pathologie der obduzierten Gehirne zeigt schwere Ödeme und hämorrhagische Nekrose. Die mikroskopischen Befunde der Obduktionen zeigen Amöbenzysten, vorwiegend in den perivaskulären Räumen des Parenchyms, was auf eine Beteiligung der Hirnkapillaren als Eintrittsstellen der Amöben in das ZNS hindeutet. Es ist allgemein anerkannt, dass der Einreiseweg für Akanthamöben umfassen die Atemwege, was zur Amöbeninvasion der alveolären Blutgefäße führt, gefolgt von der hämatogenen Ausbreitung. Akanthamöben der Eintritt in das ZNS erfolgt höchstwahrscheinlich über die Blut-Hirn-Schranke [55, 56]. Da AGE eine Sekundärinfektion ist, ist es schwierig, ihre wahre Belastung für die menschliche Gesundheit zu bestimmen. Die ungefähre Rate von AGE-assoziierten Todesfällen wurde mit 1,57 Todesfällen pro 10.000 HIV/AIDS-Todesfällen angegeben [3].

Diagnose

Die Symptome von AGE ähneln denen anderer ZNS-Infektionen, einschließlich Viren, Bakterien und Pilzen. Die neurologischen Manifestationen von AGE können variieren und umfassen Kopfschmerzen, Fieber, Verhaltensänderungen, Hemiparese, Lethargie, Nackensteifheit, Erregung, Aphasie, Ataxie, Erbrechen, Übelkeit, Hirnnervenlähmungen, erhöhten Hirndruck, Krampfanfälle und Koma [55, 56] . Die Magnetresonanztomographie oder Computertomographie des Gehirns zeigt ringverstärkende Läsionen, die eine einzelne oder mehrere raumfordernde Raumforderungen in der Großhirnrinde aufweisen, aber schwer immunsupprimierte Patienten können solche Läsionen nicht aufweisen. Die Liquorbefunde zeigen Pleozytose mit lymphozytärer Dominanz, erhöhten Proteinkonzentrationen, verminderten Glukosekonzentrationen und minimaler Trübung [2], jedoch kann der Liquor bei HIV-positiven Patienten zellfrei sein. Hohes Maß an Akanthamöben-spezifische Antikörper im Serum des Patienten weisen auf eine AGE-Infektion hin. Die Antikörperspiegel in normalen Populationen können im Bereich von 1:20 bis 1:60 liegen [33, 57], aber Patienten mit stark beeinträchtigtem Immunsystem entwickeln möglicherweise keinen hohen Titer. Der bestätigende Beweis stammt aus dem Nachweis von Amöben in den infizierten Geweben.

Behandlung

Es gibt keine empfohlene Behandlung und die meisten Fälle werden im postmortalen Stadium diagnostiziert. Ein Mangel an verfügbaren antiamöben Verbindungen zusammen mit der Selektivität der Blut-Hirn-Schranke hat zu einer Sterblichkeitsrate von über 90% geführt. In wenigen erfolgreichen Fällen wurden Ketoconazol, Fluconazol, Sulfadiazin, Pentamidinisethionat, Amphotericin B, Azithromycin, Itraconazol oder Rifampicin eingesetzt [1, 58, 59], aber insgesamt bleibt die Prognose schlecht.

Pathogenese

Die Adhäsion des Parasiten an die Wirtszelle ist ein primärer Schritt und wird durch ein 130 kDa Mannose-bindendes Protein (MBP) vermittelt, das auf der Oberfläche von Akanthamöben [60]. Akanthamöben mbp besteht aus 6 Exons und 5 Introns, die 3,6 kbp umfassen. Die 2,5 kbp cDNA kodiert für ein 833 Aminosäuren langes Vorläuferprotein mit einer Signalsequenz (Reste 1-21aa), und n-terminale extrazelluläre Domäne (Reste 22-733aa) mit fünf n- und drei Ö-Glycosylierungsstellen, eine Transmembrandomäne (Reste 734-755aa) und a C-terminale intrazelluläre Domäne (Reste 756-833aa). Andere Adhäsine umfassen ein Laminin-bindendes Protein mit einer vorhergesagten Molekularmasse von 28,2 kDa, ein 55 kDa Laminin-bindendes Protein und ein > 207 kDa Adhäsin [61, 62]. Die anfängliche Bindung führt zu sekundären Ereignissen wie Phagozytose und Toxinproduktion, die zum Tod der Wirtszelle in einer Phosphotidylinositol-3-kinase-abhängigen (PI3K) Weise führen [63]. Die nachgeschalteten Effektoren von PI3K beinhalten die Aktivierung der proapoptotischen Moleküle Bak und Bax, den Verlust des mitochondrialen Membranpotentials und die Freisetzung von Cytochrom C sowie Caspase-Aktivierung alle bekannten Mediatoren der Apoptose [64–66]. Unter den Wirtszellrezeptoren zeigte der Toll-like-Rezeptor 4 (TLR4) eine Beteiligung an Akanthamöben Erkennung und Wirkung durch Adapterprotein, Myeloide Differenzierung Primärantwort 88, die zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren führte, Kernfaktor-Kappa-B-Signalisierung durch extrazelluläre signalregulierte Kinasen (ERKs), die die Sekretion von Zytokinen einschließlich Interleukin-8 induzieren, Tumornekrose Faktor-alpha und Interferon-beta in menschlichen Hornhautzellen [67]. Unter Verwendung von mikrovaskulären Endothelzellen des menschlichen Gehirns (HBMEC), die die Blut-Hirn-Schranke bilden, wird gezeigt, dass Akanthamöben schafften den transendothelialen elektrischen Widerstand von HBMEC ab, indem sie Occludin- und Zonula-Occludens-1-Tight-Junction-Proteine ​​in einer Rho-Kinase-abhängigen Weise abbauen, was zu einer erhöhten Permeabilität führte [68].

Andere Faktoren, die zu beitragen können Akanthamöben Pathogenese umfassen Ekto-ATPasen mit ungefähren Molekulargewichten von 62, 100, 218, 272, > 300 kDa [66] und diese sind an der Caspase-3-Aktivierung beteiligt (Abbildung 6) [69]. Die Neuraminidase-Aktivitäten von Akanthamöben könnte für die Kolonisierung des Parasiten relevant sein und auch wichtig für die Schädigung des sialinsäurereichen Hornhautepithels und für die mit Meningoenzephalitis assoziierten Veränderungen von Glykolipiden sein. Interessanterweise sind die Neuraminidasen von Trypanosoma cruzi und Akanthamöben sind immunologisch verwandt, wie durch Antikörper gegen Neuraminidase von nachgewiesen wird Trypanosoma cruzi, die reagierte mit Akanthamöben [70]. Zwei Superoxid-Dismutasen wurden identifiziert in Akanthamöben: eine Eisensuperoxiddismutase (

50 kDa) und einer Kupfer-Zink-Superoxid-Dismutase (

38kDa). Die Superoxiddismutase katalysiert die Dismutation des Superoxids in Sauerstoff und Wasserstoffperoxid und spielt eine Rolle bei der antioxidativen Abwehr. Diese Enzyme können zusätzliche Angriffspunkte für die Chemotherapie und Immundiagnostik von Akanthamöben Infektionen. Akanthamöben Es wurde gezeigt, dass es Plasminogen-Aktivator-Aktivität zeigt, indem es die Spaltung von Wirts-Plasminogen unter Bildung von Plasmin katalysiert, das die Wirts-Matrix-Metalloproteinasen aktivieren kann, was zum Abbau der Basalmembranen führt.

Akanthamöben Pathogenese beinhaltet kontaktabhängige und -unabhängige Faktoren zusammen mit indirekten Virulenzmerkmalen (übernommen von Khan NA Akanthamöben : Biologie und Pathogenese, Caister Academic Press, 2009, ISBN: 978-1-904455-43-1).

Von kontaktunabhängigen Faktoren, Akanthamöben besitzen hydrolytische Enzyme, darunter Elastasen [71], Phospholipasen [72], Glykosidasen und eine Vielzahl von Serin-, Cystein- und Metalloproteasen (Abbildung 6) [2, 3, 42, 43]. Ihre genauen Wirkmechanismen auf molekularer Ebene zeichnen sich jedoch erst ab. Dass einige der obigen Proteasen nur von den klinischen Isolaten sezerniert werden, kann auf ihre Rolle als potente Virulenzfaktoren und/oder diagnostische Ziele hinweisen. Zukünftige Studien zur Rolle von Proteasen als Impfstoffziele, die Suche nach neuen Inhibitoren durch das Screening chemischer Bibliotheken oder die rationale Entwicklung von Medikamenten auf der Grundlage von Strukturstudien werden unsere Fähigkeit verbessern, dieses Pathogen zu bekämpfen. Insgesamt ist der Mechanismus, durch den Akanthamöben biologische Barrieren durchbricht, ist komplex und betrifft wahrscheinlich sowohl Parasiten (Adhäsine, Proteasen, Phospholipasen) als auch Wirtsdeterminanten [Interleukin-beta, Interleukin-alpha, Tumornekrosefaktor-alpha, Interferon-gamma, Wirtszell-Apoptose]. Zusätzlich zu den oben genannten potenziellen Virulenzfaktoren ist die Fähigkeit von Akanthamöben raue Umweltbedingungen zu überleben und seine Resistenz gegen Chemotherapeutika durch Differenzierung in Zysten trägt zu seiner Pathogenität bei.

Immunantwort auf Akanthamöben Infektionen

Das Wiederauftreten von AK-Infektionen ist häufig, was darauf hindeutet, dass die Hornhautinfektion allein keine schützende Immunität gegen die Parasiten-Antigene induziert. Versuchstiere, die oral mit immunisiert wurden Akanthamöben Antigene gemischt mit dem Cholera-Toxin zeigten signifikant niedrigere Infektionsraten im Vergleich zu den Kontrollgruppen (21,4 % gegen 72,6%) und der Schutz war mit höheren Spiegeln von parasitenspezifischem sIgA verbunden. Genauer gesagt verbesserte eine orale Immunisierung mit rekombinantem MBP die AK und der Schutz war mit dem Vorhandensein erhöhter Spiegel von Anti-MBP-sIgA in den Tränen der immunisierten Tiere verbunden [73]. Ebenso eine orale Immunisierung mit einer Serinprotease (

133 kDa) reduzierte die Schwere der Hornhautinfektion durch Modulation der MMP-2- und MMP-3-Expression [74]. Insgesamt wird vermutet, dass AK-Patienten verringerte Gesamtspiegel von sIgA sowie spezifische Anti-Akanthamöben sIgA, jedoch wurde die Rolle von sIgA in einer kürzlich durchgeführten Studie in Frage gestellt, in der weder normale Tränen noch AK-Tränen eine schützende Wirkung auf Akanthamöben-vermittelte Zytotoxizität von Hornhautepithelzellen. Tränenfaktoren, zusätzlich zu sIgA, wie Lysozym, Lactoferrin, Beta-Lysine, Prostoglandine und andere Verbindungen mit antimikrobiellen und immunologischen Eigenschaften haben ebenfalls keine signifikanten Auswirkungen auf Akanthamöben-vermittelte Bindung an und Zytotoxizität von humanen Hornhautepithelzellen [75]. Tränen enthalten auch Komplement, das kaskadenartig aus Serum-übertragenen Molekülen zusammengesetzt ist. Akanthamöben aktiviert das Komplementsystem direkt über den alternativen Weg, jedoch sind pathogene Amöben aufgrund der Expression von Komplementregulationsproteinen einschließlich des Decay Accelerator Factors resistent gegen eine Komplement-vermittelte Lyse [76]. Das Vorhandensein von Makrophagen in der Hornhaut, die den mit Parasiten beladenen Kontaktlinsen ausgesetzt waren, verhinderte die Entwicklung einer ausgewachsenen AK in vivo durch Induktion einer Entzündungsreaktion, insbesondere der Sekretion von Makrophagen-Entzündungsprotein-2 [77].

Bei AGE Impfung mit Akanthamöben Antigene mit intranasaler, intraperitonealer, intravenöser oder oraler Verabreichung hatten eine schützende Wirkung, die bestätigt, dass AGE auf Personen mit einer geschwächten Immunantwort beschränkt ist. Der Komplementweg und Antikörper in Gegenwart von Phagozyten zeigen eine starke lytische Aktivität gegen Akanthamöben kontaktabhängig. Diese Wechselwirkungen stimulieren auch die Sekretion von proinflammatorischen Zytokinen einschließlich Interleukin-1-beta, Interleukin-6 und Tumornekrosefaktor-alpha [76–79]. Andere Studien an Mäusen haben eine signifikant erhöhte Aktivität der natürlichen Killerzellen in gezeigt Akanthamöben-infizierte Tiere, was darauf hindeutet, dass auch natürliche Killerzellen eine Rolle bei der schützenden Immunität spielen können [80]. Insgesamt ist ein geschwächter Immunstatus des Wirts eine Voraussetzung für AGE, aber die zugrunde liegenden Mechanismen zusammen mit der Rolle der ethnischen Herkunft des Wirts (d. h. genetische Veranlagung) bleiben unvollständig verstanden. Pathogen Akanthamöben abbauen Chemokine und Zytokine, Antikörper, Komplementweg und Makrophagen [76, 81, 82].

Zukunftsaussichten für die Behandlung

Ein muriner monoklonaler anti-idiotypischer Antikörper und ein synthetisches Killer-Mimotop (ahmt ein Hefe-Killer-Toxin nach) zeigten ein breites Spektrum an anti-Amöben-Aktivitäten, was auf ihre potenzielle Verwendung bei der Prävention und Therapie von Akanthamöben Infektionen [83]. Das Fab-Fragment eines monoklonalen Antikörpers, der spezifisch gegen A. castellanii Zelloberfläche wurde kovalent an die A-Kette des Diphtherietoxins gebunden [84]. Dieses Immuntoxin hemmte die Zellteilung vollständig, was darauf hindeutet, dass spezifische Antikörper, die mit zytotoxischen Mitteln gekoppelt sind, eine nützliche Methode bei der Entwicklung therapeutischer Interventionen oder präventiver Maßnahmen sein könnten. Um die Wirksamkeit verfügbarer Medikamente zu erhöhen, erwies sich Propamidinisethionat in Kombination mit Dimethylsulfoxid als hochwirksam, was darauf hindeutet, dass die Verwendung eines Trägers für bekannte Anti-Amöben-Medikamente deren Penetration in die Zystenform des Organismus erhöhen kann, die normalerweise gegen eine medikamentöse Behandlung resistent ist. Zu diesem Zweck hat sich gezeigt, dass die Verwendung von Liposomen die Wirksamkeit von Pentamidinisethionat verbessert in vitro [85]. Ebenso verbesserte sich die Verwendung von Chitosan-Mikrosphären in vitro Anti-Amöben-Wirkung von Rokitamycin. Solche Verfahren werden beim Transportieren des Arzneimittels entweder zur okularen Anwendung zur Behandlung von AK oder zur nasalen Verabreichung als alternativer Weg zur Verabreichung des Arzneimittels an das Gehirn bei der AGE-Therapie nützlich sein. Small interfering RNAs (siRNAs) gegen die katalytischen Domänen extrazellulärer Serinproteasen und Glykogenphosphorylase waren vielversprechend für die rationale Entwicklung therapeutischer Interventionen [86]. Die photodynamische Chemotherapie durch Verknüpfung von amöbenspezifischen Antikörpern mit Photosensibilisatoren wie Phthalocyanin oder Hypocrellins B kann aufgrund ihrer lokalisierten Anwendung insbesondere bei Augeninfektionen gegenüber herkömmlichen Methoden vorteilhaft sein. Darüber hinaus hat sich der programmierte Zelltod bei Protisten zu einem faszinierenden Gebiet der Parasitenbiologie entwickelt und könnte als Grundlage für neue Anti-Akanthamöben-Medikamente dienen [87–89].

Akanthamöben: Trojanisches Pferd der mikrobiellen Welt

Die Mehrheit von Akanthamöben Isolate beherbergen Endosymbionten, zu denen Viren, Hefen, Protisten und Bakterien gehören können, von denen einige potenzielle Humanpathogene sind. Die genaue Art der Symbiose und der Nutzen, den sie für den Amöbenwirt darstellen, sind unbekannt. Es wird vermutet, dass solche Interaktionen dazu beitragen können, mikrobielle Endosymbionten auf die empfänglichen Wirte zu übertragen und/oder Endosymbionten zur Pathogenität von Akanthamöben [3, 90]. Zukünftige Studien zur Identifizierung von Virulenzfaktoren des Endosymbionten und des Wirts und ihrer genauen Rolle bei der Krankheit werden diese Fragen klären.

Akanthamöben ist bekannt dafür, das größte bekannte Virus, das Mimivirus, zu beherbergen, das ursprünglich für ein parasitäres Bakterium mit einer Partikelgröße von 400 nm und einer Genomgröße von 1,2 Millionen bp gehalten wurde [91]. Von den 911-Protein-kodierenden Genen weisen 10 % Ähnlichkeit mit Proteinen bekannter Funktionen auf, wodurch die etablierten Grenzen zwischen Viren und Archea/Bakterien verwischt werden, ein Befund, der enorme Auswirkungen auf unser Verständnis der evolutionären Prozesse haben könnte [3, 91].

Akanthamöben nachweislich eine Vielzahl von Viren beherbergen, einschließlich Coxsackieviren, Adenoviren, Polioviren, Echoviren, Enteroviren oder vesikulären Stomatitisviren und Hefe, Cryptococcus neoformans, Blastomyces dermatitidis, Sporothrix schenckii, Histoplasma capsulatum, Streptomyces californicus und Exophiala Dermatitidis, und Protisten einschließlich Kryptosporidie und Toxoplasma gondii [3, 91].

Unter bakteriellen Krankheitserregern, Akanthamöben werden als Host/Reservoir angezeigt für Aeromonas spp., Bacillus cereus, Bartonella spp., Burkholderia spp., Burkholderia pickettii, Campylobacter jejuni, Candidatus Odyssella thessalonicensis, Chlamydophila pneumoniae, Coxiella burnetii, Cytophaga spp., Escherichia coli O157, neuropathogen Escherichia coli K1, Flavobakterium spp., Francisella tularensis, Helicobacter pylori, Legionella pneumophila, Listeria monocytogenes, Staphylococcus aureus, Methicillin-resistent Staphylococcus aureus, Mykobakterien-Tuberkulose, M. avium, M. leprae, Parachlamydia Acanthamoebae, Pasteurella multocida, Prevotella intermedia, Porphyromonas gingivalis, Pseudomonas aeruginosa, Rickettsien, Salmonella typhimurium, Shigella-Dysenteriae, S. sonne, Simkania negevensis, Vibrio cholerae, V. parahaemolyticus, Wattestäbchen chondrophila sowie neuartige bakterielle Endosymbionten, die mit Caedibacter caryophilus, Holospora elegans und Holospora stumpf, die als 'Candidatus Caedibacter Acanthamoeba e', 'Candidatus Paracaedibacter Acanthamoeba e' und 'Candidatus Paracaedibacter symbiosus“, was auf die Nützlichkeit der Amöben-Kokultur zur Gewinnung neuer Chlamydien-Stämme hindeutet [3, 91]. Mit den bemerkenswerten Auswirkungen von Parasiten-Parasiten-Interaktionen, die zur Evolution eines (entweder Bakterien oder Akanthamöben) oder beide Parasiten zu erfolgreichen Human- und Tierpathogenen und zur Übertragung mikrobieller Krankheitserreger in die Umwelt zu entwickeln, kommt diesem Forschungsgebiet eine besondere Bedeutung zu.


Wenn pathogene Bakterien auf die Darmmikrobiota treffen

Die Darmmikrobiota ist eine große und vielfältige mikrobielle Gemeinschaft, die den Darmtrakt bewohnt und etwa 100 Billionen Bakterien aus 500 bis 1000 verschiedenen Arten enthält, die zusammengenommen dem Wirt mehrere Vorteile bieten. Die Darmmikrobiota trägt zur Nährstoffaufnahme und Reifung des Immunsystems bei und spielt auch eine zentrale Rolle beim Schutz des Wirts vor einer Darminfektion. Auf der anderen Seite haben viele Darmpathogene Strategien entwickelt, um die Darmgemeinschaft verdrängen zu können, was zu Infektionen und/oder chronischen Erkrankungen führt. Dieser Review fasst die Ergebnisse zusammen, die die komplexe Beziehung zwischen der Darmmikrobiota und enterischen Krankheitserregern beschreiben und wie zukünftige Therapien letztendlich von solchen Entdeckungen profitieren können.

Dieser Artikel ist Teil der Themenausgabe „Die neue Bakteriologie“.

1. Einleitung

Die intestinale Mikrobiota ist der Sammelbegriff für die große und vielfältige mikrobielle Gemeinschaft, die unseren Darm bewohnt. Beim Menschen enthält die Mikrobiota etwa 100 Billionen Bakterien aus 500 bis 1000 verschiedenen Arten, die dem Wirt mehrere Vorteile bieten. Unter diesen nützlichen Funktionen spielt die Darmmikrobiota eine zentrale Rolle bei (i) der Gestaltung des Darm-Immunsystems [1], indem sie zur Entwicklung und Reifung des Immunsystems beiträgt, und (ii) der Nährstoffaufnahme, indem sie die Stoffwechselkapazität des Darms stark verbessert, Dadurch wird eine Reihe von essentiellen Nährstoffen für den Wirt bereitgestellt [2]. Ein weiterer wichtiger Vorteil der Darmmikrobiota für den Wirtsdarm ist der Schutz vor der Besiedelung durch exogene Pathogene – ein Phänomen, das heute als Kolonisationsresistenz bezeichnet wird – und vor dem Überwachsen indigener Pathobionten (potentielle pathogene Symbionten der Mikrobiota) [3–5]. Die Kolonisationsresistenz, in den frühen 1980er Jahren als „mikrobielle Barriere“ bezeichnet [6], ist der Mechanismus, bei dem die Darmbakterien eine Barriere bilden, um das Eindringen neuer Bakterien anderer Arten oder anderer Stämme derselben Art zu verhindern. Diese Vorstellung wird durch das Spektrum der Infektionen, die aus der Verwendung von Antibiotika resultieren, gut veranschaulicht, wie z Clostridium difficile Infektion [7] sowie durch die Beobachtung, dass viele enterische Pathogene bei Mäusen unter keimfreien Bedingungen (ohne Darmmikrobiota) oder nach antibiotischer Behandlung eine stärkere Erkrankung induzieren [8–12] (Abbildung 1). Mechanismen, die die Fähigkeit der Mikrobiota regulieren, das Pathogenwachstum zu hemmen, sind komplex und umfassen kompetitive metabolische Interaktionen, die Lokalisation in Darmnischen und die Induktion von Immunantworten des Wirts [4]. Krankheitserreger wiederum haben Strategien entwickelt, um der von der Kommensalengemeinschaft verliehenen Kolonisierungsresistenz zu entkommen. Unerwarteterweise kann die Darmmikrobiota auch eine Rolle bei der Nährstoffversorgung einiger Darmpathogene spielen oder kann eine direkte Rolle bei der Aktivierung der Virulenz pathogener Bakterien spielen, die ansonsten avirulent bleiben würden. Darüber hinaus kann die Darmmikrobiota unter bestimmten Bedingungen tatsächlich Krankheiten auslösen, wie dies beispielsweise bei entzündlichen Darmerkrankungen der Fall ist. Dieser Review wird diese Konzepte zusammenfassen und die neuesten Erkenntnisse beschreiben, die die faszinierende Beziehung zwischen der Darmmikrobiota und enterischen Pathogenen aufklären. Wir werden diskutieren, wie das Verständnis von Mikrobiota-Erreger-Interaktionen letztendlich zu neuen therapeutischen Ansätzen zur Behandlung von Infektionskrankheiten führen kann.

Abbildung 1. Mikrobiota/Wirtshomöostase im Darm. (ein) Die Darmmikrobiota spielt eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung der Darmbarriere (Schleimproduktion und Aufrechterhaltung der intestinalen Tight Junctions) und der Reifung des Immunsystems (Lymphozytenentwicklung, Produktion von IgA und antimikrobiellen Peptiden). (B) In Abwesenheit einer Darmmikrobiota können enterische Krankheitserreger Epithelschäden induzieren und haben das Potenzial, sich zu verbreiten. AMP, antimikrobielles Peptid IgA, Immunglobulin A.

2. Rolle der Darmmikrobiota bei der Kolonisationsresistenz

Die Darmmikrobiota spielt über mehrere Mechanismen eine zentrale Rolle beim Schutz des Wirtsdarms vor der Besiedelung mit Krankheitserregern (Abbildungen 1 und 2).

Abbildung 2. Darmmikrobiota-vermittelte Kolonisierungsresistenz. Beispiele für Mikrobiota-vermittelte direkte Hemmung der Darmbesiedelung durch enterische Pathogene. Die Darmmikrobiota verhindert die Besiedlung durch Darmpathogene, indem sie um Nährstoffe konkurriert (ein) oder hemmende Substanzen wie Bakteriocin (B), sekundäre Gallensäuren (C) und kurzkettige Fettsäuren (D). EHEC, enterohämorrhagisch Escherichia coli SCFAs, kurzkettige Fettsäuren.

(a) Direkte Hemmung der Kolonisation durch enterische Pathogene

Das Konzept des Schutzes des Wirtsdarms vor Krankheitserregern durch kommensale Bakterien, auch Kolonisationsresistenz genannt, wurde erstmals als Ergebnis einer durch Mikroorganismen vermittelten direkten Hemmung beschrieben [13]. Tatsächlich hemmen viele Bakterien Darmpathogene direkt, indem sie um Nährstoffe konkurrieren oder die Produktion von Hemmstoffen induzieren. Ein Beispiel, das ersteres hervorhebt, ist die Feststellung, dass der Kommensale Bacteroidetes thetaiotaomicron verbraucht vom Erreger verwendete Kohlenhydrate Citrobacter rodentium, was zu einem kompetitiven Ausschluss des Erregers aus dem Darm führt [14] (Abbildung 2). Durch den Verbrauch gemeinsamer begrenzter Ressourcen induziert die Darmmikrobiota das Aushungern konkurrierender Krankheitserreger [4]. Durch die Produktion spezifischer Metaboliten kann die Darmmikrobiota auch die Umweltbedingungen des Wirts verändern und dann das Pathogenwachstum und/oder die Virulenz beeinträchtigen. Butyrat, eine kurzkettige Fettsäure (SCFA), die von der Darmmikrobiota produziert wird, kann die Expression mehrerer Virulenzgene von . herunterregulieren Salmonella enterica Serovar Enteritidis (S. Enteritidis) und Typhimurium (S. Typhimurium) [15] und hemmt nachweislich das Wachstum von enterohämorrhagischen Escherichia coli (EHEC) [16]. Etwas Bifidobakterien Stämme können durch die Produktion von Acetat auch vor einer EHEC-Infektion schützen [10].

Die intestinale Mikrobiota-Gemeinschaft ist auch in der Lage, eine große Anzahl von breit bioaktiven kleinen Molekülen zu produzieren, die gegenüber anderen Mitgliedern der intestinalen Mikrobiota und/oder gegenüber enterischen Pathogenen wirken. Bakteriocine zum Beispiel sind antimikrobielle Peptide, die ein enges bis breites Wirkungsspektrum aufweisen können und selektiv konkurrierende Bakterien abtöten und/oder deren Wachstum hemmen können [17]. Als Beispiel, Bacteroides thuringiensis ist in der Lage, ein Bakteriocin (Thuricin CD) zu sezernieren, das direkt auf sporenbildende Bacilli und Clostridien abzielt, einschließlich C. schwierig [18]. In ähnlicher Weise sind einige Stämme von E coli sind in der Lage, Bakteriocin zu produzieren, das das Wachstum des enterischen EHEC-Erregers direkt hemmen kann [19] und anti-Listerien Bakteriocine wurden exprimiert durch Enterococcus faecium und Pediococcus pentosaceus [20,21]. Kürzlich identifizierte eine Computervorhersage biosynthetischer Gencluster, die kleine Moleküle in der menschlichen Darmmikrobiota kodieren, fast 600 Kandidatencluster, darunter viele neu annotierte antimikrobielle Peptide, was darauf hindeutet, dass diese kleinen Moleküle kommensale-kommensale und kommensale-Pathogen-Wechselwirkungen vermitteln könnten [22]. Andere in silico Die Studie identifizierte 74 mutmaßlich kodierende Bakteriocin-Cluster im Magen-Darm-Trakt, basierend auf der Referenzgenomdatenbank des Human-Mikrobiom-Projekts [23,24].

Eine andere etwas direkte hemmende Wirkung der Darmmikrobiota gegenüber Krankheitserregern ist ein Mechanismus, der Gallensäuren einbezieht. In der Leber produziert und in den Zwölffingerdarm abgegeben, werden Gallensäuren anschließend von der Darmmikrobiota in eine Vielzahl sekundärer Gallensäuren umgewandelt, die als antibakterielle Faktoren wirken können. Die Rolle der Darmmikrobiota bei der sekundären Gallensäureproduktion wird durch die Beobachtung sehr niedriger oder nicht nachweisbarer Spiegel bei keimfreien Tieren [25] und einer dramatisch reduzierten Produktion nach einer Antibiotikabehandlung hervorgehoben [26]. Das beste Beispiel für einen Schutzmechanismus, der von aus Mikrobiota abgeleiteten sekundären Gallensäuren verliehen wird, ist die Beobachtung, dass die Erschöpfung mikrobieller Mitglieder, die an der Umwandlung von primären Gallensäuren in sekundäre Gallensäuren beteiligt sind, die Besiedlung des Magen-Darm-Trakts durch C. schwierig, der prominenteste Erreger, der eine antibiotikavermittelte Veränderung der Mikrobiota ausnutzt [7,26–30]. Wichtig ist die Verwaltung von Clostridium scindens (ein Gallensäure-7α-dehydroxylierendes Bakterium) reicht aus, um eine Resistenz gegen . zu verleihen C. schwierig eine sekundär gallensäureabhängige Infektion. Neuere Arbeiten haben beschrieben, dass die Darmmikrobiota auch durch andere Mechanismen indirekt enterische Krankheitserreger kontrollieren kann, etwa durch die Gestaltung des Immunsystems und der Entzündungsreaktion (immunvermittelte Kolonisationsresistenz).

(b) Reifung und Entzündungsprozess des Immunsystems

Die Mikrobiota spielt eine zentrale Rolle bei der Reifung des Darm-Immunsystems, wie die Beobachtung zeigt, dass keimfreie Mäuse stark immunsupprimiert sind. Tatsächlich fehlen im Darm keimfreier Tiere Peyer-Pflaster und es werden sowohl antimikrobielle Peptide als auch Immunglobulin A (IgA), Moleküle, die an der Darmimmunität beteiligt sind, reduziert [31–36]. Ein Beispiel für ein Mitglied der Mikrobiota, das zur Entwicklung des Immunsystems beiträgt, ist Bacteroides fragilis, mit dem Nachweis, dass die Monokolonisierung keimfreier Mäuse mit diesem Bakterium ausreicht, um die Entwicklung von CD4T-Lymphozyten zu fördern [37]. In ähnlicher Weise wurde beschrieben, dass segmentierte filamentöse Bakterien ausreichend sind, um die Differenzierung von CD4T-Zellen in Th17-Zellen voranzutreiben, die für den Schutz vor Darmpathogenen wichtig sind C. rodentium [38–41].

Die Darmmikrobiota ist auch eine unerschöpfliche Quelle von Liganden für das angeborene Immunsystem. Eine antibiotische Behandlung ist ausreichend, um die Anfälligkeit von Mäusen für Dextran-Natriumsulfat (DSS)-vermittelte Kolitis zu erhöhen, ein Phänomen, das durch die Verabreichung von Toll-like-Rezeptorliganden gerettet werden kann [42]. Ein solcher Befund leitete das Konzept ein, dass Mustererkennungsrezeptor-Signalgebung, die aus der Darmmikrobiota stammt, für den Steady-State-Schutz des Darms notwendig ist [42,43]. Dies wurde auch durch die Entdeckung veranschaulicht, dass bakterielles Flagellin aus der Darmmikrobiota in der Lage ist, eine Rotavirus-Infektion durch einen Mechanismus zu verhindern und zu heilen, der die Flagellinrezeptoren Toll-like Rezeptor 5 (TLR5) und NOD-like Rezeptor C4 (NLRC4) erfordert und Interleukin- 22 und Interleukin-18-Produktion [44]. Bakterien, die zu den Clostridium Gruppencluster XIVa sind in der Lage, die Entwicklung entzündungshemmender T-regulatorischer Zellen zu induzieren [45], und SCFAs, die aus der Darmmikrobiota stammen, spielen eine zentrale Rolle bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts zwischen entzündlichen und entzündungshemmenden T-Zell-Untergruppen [46–49]. Wichtig ist, dass einige TLR-Liganden, wie z Bakterienpopulation [50–52]. Alle diese Berichte sind gute Beispiele für die Rolle, die die Mikrobiota bei der Reifung des Darm-Immunsystems spielt, wobei die Darmbakterienpopulation entzündungsfördernde oder entzündungshemmende Reaktionen auslösen kann, die beide von zentraler Bedeutung sind, um eine Überaktivierung des Darm-Immunsystems zu vermeiden sondern bietet Schutz gegen enterische Krankheitserreger.

(c) Aufrechterhaltung der Darmbarriere

Ein weiterer Mechanismus, durch den die Darmmikrobiota den Darm vor einer Infektion mit enterischen Krankheitserregern schützt, besteht darin, dass sie auf die „Stärke“ der Darmbarriere einwirkt, wie die Dicke und Zusammensetzung der Schleimschicht sowie die Aufrechterhaltung der intestinalen Tight Junctions. Es ist in der Tat von grundlegender Bedeutung für den Wirt, die Darmmikrobiota in sicherer Entfernung vom Darmepithel zu halten, um das Auftreten von Gewebeschäden und Entzündungen zu minimieren [53]. Die Darmmikrobiota ist durch eine Schleimschicht, die das Epithel überlagert, auf das Darmlumen beschränkt. Die Behandlung von Mäusen mit Antibiotika reduziert die Schleimschichtdicke und führt zu einem erhöhten Kontakt der Bakterien mit der Monoschicht des Darmepithels, der im Rahmen einer enterischen Erregerinfektion hochgradig schädlich sein kann, wie am Beispiel von C. rodentium [54]. Darüber hinaus hält die Darmmikrobiota die Darmbarriere durch die Produktion von SCFAs aufrecht, die ein Hauptnährstoff für das Dickdarmepithel sind und zur Kontrolle der Muzinproduktion beitragen [55,56]. Somit kann eine Verringerung der Produktion von SCFAs zu einer Verringerung der Schleimdicke/einem Abbau der Schleimbarriere führen.

3. Wenn die Darmmikrobiota zu einer Virulenz von Darmpathogenen führt

Während alle oben beschriebenen Mechanismen zentral sind, um den Darm vor bakteriellen Infektionen und Krankheitserregern zu schützen, kann die Mikrobiota auch bakterielle Virulenz auslösen. Zum Beispiel kann die Darmmikrobiota auch Metaboliten produzieren, die unerwarteterweise die Virulenzexpression und die Kolonisation von Pathogenen im Darm verstärken könnten [57–61] (Abbildung 3 .).ein). Bacteroidetes thetaiotaomicron, führte zu einem Wettbewerbsausschluss von C. rodentium kann durch den Verzehr ähnlicher Kohlenhydrate [14] auch Sialinsäurereste von Mucin abspalten und hohe Succinatspiegel produzieren, die zu einer verstärkten Besiedelung durch C. schwierig [58,59]. Die Produktion von Fucose oder Succinat aus dem Mucin des Wirts durch kommensale Bakterien kann auch die Expression des Virulenzfaktors ler modulieren, einem Hauptregulator des Locus of Enterocyte Effacement (LEE)-Gens in EHEC [60,62] und somit zur EHEC-Virulenz beitragen . Andere Beispiele für Krankheitserreger, die die Darmmikrobiota nutzen, um ihre eigene Infektion zu erleichtern, sind: C. schwierig deren Sporen zum Keimen Nebenprodukte der Mikrobiota wie Gallensalze benötigen [63] und S. Typhimurium, das von der Mikrobiota erzeugten Diwasserstoff für sein Luminalwachstum verwendet [64]. Darüber hinaus wird von Mikrobiota produziertes Ethanolamin von EHEC als Stickstoffquelle und als Regulator von Virulenzgenen verwendet. S. Typhimurium und Listeria monocytogenes [65–68]. Akkermansia muciniphila, ein muzinabbauendes kommensales Bakterium, das sich in der Schleimschicht befindet und das vor Fettleibigkeit und Stoffwechselstörungen schützen kann [69,70], kann ebenfalls die Krankheit verschlimmern S. Typhimurium-induzierte Darmentzündung durch seine Fähigkeit, die Homöostase des Wirtsschleims zu stören [71].

Abbildung 3. Pathogenstrategien zur Überwindung der durch Mikrobiota vermittelten Kolonisierungsresistenz. (ein) Die Produktion von Metaboliten durch kommensale Bakterien kann das Wachstum und die Expression von Virulenzgenen durch enterische Pathogene modulieren. (B) Enterische Pathogene können mit der Mikrobiota konkurrieren, indem sie alternative Nährstoffe und/oder Nischen nutzen. (C) Die Förderung einer Darmentzündung durch enterische Pathogene hemmt das Wachstum kommensaler Bakterien, was den enterischen Pathogenen einen Vorteil verschafft. (D) Enterische Pathogene produzieren Toxine, die direkt und spezifisch auf Kommensale abzielen können. EHEC, enterohämorrhagisch Escherichia coli.

4. Wenn die Veränderung der Darmmikrobiota durch einen Krankheitserreger zu chronischen Krankheiten führt

Während frühere Beispiele veranschaulichten, wie die Darmmikrobiota eine Infektion durch enterische Pathogene fördern kann, haben einige Ergebnisse auch gezeigt, dass eine Veränderung der Darmmikrobiota durch einen Pathogen oder einen Pathobionten zu chronischen Krankheiten führen kann. Als Beispiel wurde gezeigt, dass die Besiedlung von adhärent-invasiven E coli (AIEC, ein Pathovar von E coli an der Pathogenese von Morbus Crohn beteiligt) während des Erwerbs von Mikrobiota führte zu chronischer Kolitis bei Mäusen, denen der Flagellinrezeptor TLR5 fehlte [72]. Die Beobachtung, dass eine solche Kolitis weit über die AIEC-Clearance hinaus persistiert, führt zu dem Schluss, dass AIEC-Bakterien eine chronische Entzündung auslösen, indem sie die Zusammensetzung der Darmmikrobiota so verändern, dass ihr proinflammatorisches Potenzial erhöht wird [73]. Diese Daten legen nahe, dass AIEC und möglicherweise andere Pathobionten chronische Entzündungen bei anfälligen Wirten auslösen können, indem sie die Zusammensetzung der Darmmikrobiota verändern, um ihr eine von Natur aus größere Fähigkeit zu verleihen, die angeborene Immunität/pro-inflammatorische Genexpression zu aktivieren [73], was zu Konzept des Pathobioms [74]. Ähnlich, Yersinia enterolitica Eine Infektion von Mäusen, denen der Rezeptor TLR1 fehlt, führt zu einer Veränderung der Mikrobiota-Zusammensetzung und zur Bildung einer anti-kommensalen Immunität, die schließlich zur Entwicklung einer chronischen Darmentzündung führt [75]. Somit beschreiben diese beiden Ergebnisse, dass eine akute Infektion langfristige Immun- und Mikrobiota-Veränderungen auslösen kann, die bei einem genetisch prädisponierten Wirt zu einer chronischen entzündlichen Erkrankung führen.

5. Wie sich bakterielle Krankheitserreger von der Darmmikrobiota emanzipieren

Wie oben diskutiert, spielt die Darmmikrobiota über mehrere Mechanismen eine zentrale Rolle bei der Resistenz gegen die Kolonisation von Pathogenen. Allerdings haben Krankheitserreger ihrerseits Strategien entwickelt, um einigen dieser Mechanismen zu entkommen (Abbildung 3 .).BD).

(a) Die Verwendung alternativer Nährstoffe oder Nischen

Auch wenn das Darmmilieu qualitativ und quantitativ reich an Nährstoffen ist, führt die große Bakterienbelastung letztlich zur Konkurrenz. Ein Mechanismus, durch den ein enterisches Pathogen mit der Mikrobiota konkurrieren kann, besteht darin, ein bestimmtes metabolisches Repertoire zu verwenden. Ethanolamin, das während des epithelialen Zellumsatzes in den Darm freigesetzt wird, wird beispielsweise von einigen Krankheitserregern genutzt [76], und Gene, die an der Verwendung von Ethanolamin beteiligt sind, finden sich bevorzugt in den Genomen von Darmpathogenen [77]. Der lebensmittelbedingte Krankheitserreger EHEC kann Galactose, Hexuronat, Mannose und Ribose als Kohlenstoffquellen nutzen, während kommensale E coli können solche Zucker nicht verwenden [78,79]. Darüber hinaus nutzen einige Krankheitserreger gemeinsame Ressourcen wie Eisen effizienter. Eisen ist für das Bakterienwachstum essentiell, und viele Bakterien produzieren Siderophore, um Eisen(III) aufzunehmen [80]. Als Schutzmechanismus sekretieren die Wirtszellen Lipocalin-2, das in der Lage ist, den Siderophor Enterobactin in zu blockieren E coli, verhindert die Eisenaufnahme und die Vermehrung von Kommensalen E coli im Darm [81,82]. Jedoch, Salmonellen und einige pathogene E coli exprimieren modifizierte Enterobactine, sogenannte Salmocheline, die Lipocalin-2-resistent sind und einen wichtigen Vorteil von Pathogenen gegenüber Kommensalen bieten [4,81,82]. Krankheitserreger können sich auch in einer anderen Nische von der Mikrobiota aufhalten. Pathogen E coli können sich beispielsweise nahe der Darmepitheloberfläche, normalerweise ohne kommensale Mikrobiota, durch die Expression von Molekülen wie Intimin, einem LEE-kodierten Adhäsionsmolekül, lokalisieren [14].

Chemotaxis und Mobilität durch Flagellen ermöglichen Salmonellen ernährungsphysiologisch nützliche Nischen zu identifizieren und zu schwimmen. Tatsächlich wurde beobachtet, dass die Methyl-akzeptierenden Chemotaxis-Rezeptoren Aer und Tsr ansprechen in vivo zu Tetrathionat bzw. Nitrat, um einen Fitnessvorteil zu verleihen S. Typhimurium während einer Entzündung, indem es den Bakterien ermöglicht, günstige räumliche Nischen zu suchen, die vom Wirt stammende Elektronenakzeptoren enthalten, die ihr Luminalwachstum fördern [83]. Pathogene Bakterien können auch von Darmentzündungen und/oder Nebenprodukten der Entzündungsreaktion profitieren. Beispielsweise reagieren reaktive Sauerstoffspezies, die von Neutrophilen während einer Entzündung produziert werden, mit luminalen Schwefelverbindungen (Thiosulfat, ), um einen neuen respiratorischen Elektronenakzeptor, Tetranat ( ), zu bilden. Im Gegensatz zu Kommensalen, Salmonellen enthält das Operon ttrSR ttrBCA die die Verwendung von ermöglicht und einen Wachstumsvorteil für Salmonellen über kommensale Mikroben in einer entzündeten Umgebung [84]. In ähnlicher Weise verlieh Nitrat, das als Nebenprodukt der Entzündungsreaktion erzeugt wurde, dem kommensalen Bakterium einen Wachstumsvorteil E coli über Firmicutes und Bacteroidetes im Dickdarm von Mäusen [85]. Obwohl dieser Mechanismus von E coli Überwucherung des entzündeten Darms involviert kommensale-kommensale Konkurrenz, pathogene E coli Stämme, die Nitratreduktase-Gene haben, wie z NarZ in ihrem Genom einen ähnlichen Mechanismus nutzen können, um einen Wachstumsvorteil gegenüber der konkurrierenden Kommensalengemeinschaft zu erlangen.

(b) Förderung einer Wirtsentzündung

Ein weiterer Mechanismus, durch den Darmpathogene einen Wachstumsvorteil gegenüber der kommensalen Population erlangen, besteht in der Förderung von Darmentzündungen, die das Überleben der Kommensale verändern. Tatsächlich führt die Expression von Virulenzfaktoren durch pathogene Bakterien wie Toxine zu einer Darmentzündung, die wiederum die Zusammensetzung und den Reichtum der Darmmikrobiota dramatisch verändert [86]. Beispielsweise werden während einer Darmentzündung Neutrophile und Makrophagen rekrutiert, die induzierbare Stickstoffmonoxid-Synthetase (iNOS) exprimieren, was zu einer erhöhten Nitratkonzentration im Darm führt, die einen Vorteil für Enterobakterien im Vergleich zu obligaten Anaerobiern wie Bacteroidetes oder Firmicutes [85]. Viele E coli Pathovare sind in der Tat in der Lage, Nitrat als Elektronenakzeptor zu nutzen, wie AIEC im Zusammenhang mit entzündlichen Darmerkrankungen, und können von einem solchen Wachstumsvorteil gegenüber der kommensalen Population profitieren, um den Darm effizienter zu besiedeln [87–90].

Darüber hinaus kann die entzündliche Umgebung des Wirts die Expression von Virulenzfaktoren verstärken, was das Wachstum pathogener Bakterien im Wirtsgewebe fördert. Zum Beispiel erhöhte Interferon-ɤ die Expression von Typ-I-Lectin um Pseudomonas aeruginosa, was eine Adhäsion der Bakterien an Lungenepithelzellen ermöglicht [91]. Daher kann die entzündliche Umgebung des Darms auch die Expression des Virulenzfaktors durch Darmbakterien fördern.

(c) Toxinproduktion

Krankheitserreger sind in der Lage, hemmende Substanzen/Toxine zu produzieren, die direkt auf die Darmmikrobiota abzielen. Durch sein Typ VI Sekretionssystem, Vibrio cholerae ist in der Lage, toxische Effektoren direkt an E coli [92,93]. Darüber hinaus wurde über die Produktion von Bacteriocin berichtet für Salmonellen [94] und pathogene Shigella Stämme [95–99], aber seine Rolle bei der Virulenz oder als Mechanismus zur Verdrängung der Mikrobiota ist noch nicht bekannt.

Bedenkt man, dass Bakteriocine eine wichtige Rolle in bakteriellen Beziehungen spielen, ist es sehr wahrscheinlich, dass sie zur erfolgreichen Besiedlung des Darms durch pathogene Bakterien beitragen können, indem sie auf bestimmte Kommensalen abzielen und damit die Barriereerhaltung verändern, die Immunüberwachung verändern und/oder den Darmstoffwechsel, um ihre Besiedelung zu fördern. Die Untersuchung der Rolle von Bakteriocinen, die von pathogenen Stämmen produziert werden, auf die Mikrobiota und die Virulenz könnte neue Pathogenitätsmechanismen aufdecken und helfen, die komplexe Beziehung zwischen der Darmmikrobiota und einigen Darmpathogenen zu entschlüsseln.

6. Fazit und Perspektiven

Mit der jüngsten Anerkennung der wichtigen Rolle der Darmmikrobiota für Gesundheit und Krankheiten haben eine Reihe von Studien ihre besondere Rolle beim Schutz vor einer Infektion mit Darmpathogenen hervorgehoben. Es ist hier wichtig anzumerken, dass die meisten in diesem Review vorgestellten Mechanismen aus Tiermodellen und/oder . entdeckt wurden in vitro funktioniert. Eine Extrapolation auf die menschliche Situation ist vor dem Hintergrund unterschiedlicher Ernährungsgewohnheiten, Darmarchitektur, Mikrobiotazusammensetzung, Umwelt, Immunsystem und genetischem Hintergrund mit Vorsicht zu betrachten. Neue therapeutische Ansätze können jedoch letztendlich davon profitieren, die wichtige hemmende Rolle der Darmmikrobiota gegen die Virulenz von Pathogenen zu verstehen [100], wie am Beispiel der jüngsten Verwendung von fäkalen Mikrobiota-Transplantaten zur Behandlung von rezidivierenden C. schwierig Infektion, die eine Wirksamkeit von mehr als 90 % hat, verglichen mit nur 30 % bei einer antibiotischen Behandlung [101]. Die gezielte Manipulation der Darmmikrobiota durch Bakteriozine und/oder andere antimikrobielle Mittel hat das Potenzial, ein therapeutisches Instrument zur Prävention oder Behandlung von Dysbiose-assoziierten Erkrankungen zu sein [102]. Aufgrund ihrer sehr hohen Spezifität (zumindest für einige von ihnen) könnten Bakteriocine ideale Kandidaten im Hinblick auf das Targeting nur von unerwünschten Populationen darstellen. Wichtig ist, dass es bereits einige Proof-of-Concept-Studien gibt, wie z. B. die Verwendung von Thuricin CD zur spezifischen Hemmung von C. schwierig in einem distalen Kolonmodell [103]. In ähnlicher Weise wird die Bakteriocin-Produktion durch das Probiotikum Lactobacillus salivarius Es wurde gezeigt, dass UCC118 Mäuse signifikant schützt vor L. monocytogenes [104]. Darüber hinaus wurde kürzlich gezeigt, dass eine Darmbesiedelung mit einem Bakteriocin-produzierenden Enteroccocus faecalis führt zur Beseitigung von Vancomycin-resistenten Enterokokken und stärkt das Konzept, dass Bakteriocine ein wirksamer therapeutischer Ansatz sein können, um die Darmbesiedelung durch mehrfach resistente Bakterien gezielt zu eliminieren, ohne die kommensale Population tiefgreifend zu stören [104]. Bei der Identifizierung oder Auswahl eines Bakteriocins als therapeutischer Ansatz sollte jedoch die vermeintliche Breitenwirkung auf die Darmmikrobiota berücksichtigt werden, wenn auch weniger drastisch als die Verwendung von Antibiotika. Zum Beispiel wurde gefunden, dass Thuricin CD auch stark Lactobacillus fermentum [18].

Darüber hinaus kann die Phagentherapie möglicherweise positive Auswirkungen auf die menschliche Mikrobiota und die damit verbundene Gesundheit des Wirts haben [105]. Bakteriophagen sind Viruspartikel, die Bakterien auf natürliche Weise mit hoher Spezifität infizieren, und die Phagentherapie besteht darin, diese Bakteriophagen als antimikrobielle Wirkstoffe zu verwenden [106,107]. Einige Gruppen untersuchen derzeit ihre Eignung als therapeutische Strategie gegen einige enterische Pathogene, beispielsweise gegen AIEC im Zusammenhang mit chronisch entzündlichen Darmerkrankungen [108].

Schließlich synthetisieren Bakterien (sowohl nicht-pathogene als auch pathogene) kleine diffuse Signalmoleküle, sogenannte Autoinduktoren, damit sie die Genexpression der gesamten Gemeinschaft als Reaktion auf Veränderungen der Zelldichte koordiniert steuern können [109]. Dieser als Quorum Sensing bezeichnete Prozess kann universell oder hochspezifisch sein und es Bakterien ermöglichen, innerhalb und zwischen Arten zu kommunizieren. Daher kann Quorum Sensing einen großen Einfluss auf die Zusammensetzung mikrobieller Gemeinschaften haben und ist auch an der Regulation der Virulenzgenexpression durch viele pathogene Bakterien beteiligt [110]. Daher wird die Identifizierung chemischer Signale, Rezeptoren und gezielter Gene wesentlich für unser Verständnis davon sein, wie die Bakterien-Bakterien-Kommunikation zur Verhinderung der Besiedlung durch pathogene Bakterien genutzt werden kann [100].

Zusätzliche Studien sind erforderlich, um die komplexe Beziehung zwischen der Darmmikrobiota und pathogenen Bakterien zu entschlüsseln, die letztendlich dazu beitragen wird, ein „gesundes“ Mikrobiom zu definieren und möglicherweise zu entwickeln.


Wissenschaftler entdecken Funktion von Mikroben, die in Austern leben

Wissenschaftler der University of Rhode Island haben die ersten Schritte unternommen, um die Funktion von Mikroben zu verstehen, die auf und in östlichen Austern leben, was Auswirkungen auf die Gesundheit der Austern und das Management von Austernriffen und Aquakulturanlagen haben kann.

"Marine Wirbellose wie Austern, Korallen und Schwämme haben ein sehr aktives Mikrobiom, das möglicherweise eine Rolle bei der Funktion des Organismus selbst spielen könnte", sagte Ying Zhang, außerordentliche Professorin für Zell- und Molekularbiologie am URI. "Wir wissen sehr wenig darüber, ob es in Austern ansässige Mikroben gibt und wenn ja, welche Funktion sie haben oder wie sie der Auster helfen oder sie schädigen können."

Zhang und Doktorand Zachary Pimentel extrahierten die DNA von Mikroben, die in oder auf dem Darm, der Kieme, der inneren Schale, dem Mantel und anderen Geweben von Austern leben, um die dort lebenden Mikroben zu identifizieren. Anschließend wandten sie eine Metagenomik-Technologie an, um das Genom der am häufigsten vorkommenden Mikroben zu rekonstruieren, um die Natur des Austernmikrobioms und die Funktion einiger der Mikroben besser zu verstehen.

„Dies war der erste Überblick darüber, welche Mikroben in bestimmten Teilen der östlichen Austern leben“, sagte Pimentel, der Hauptautor eines Artikels über die im Mai von der American Society for Microbiology veröffentlichte Studie. „Beim Menschen wissen wir, dass die Mikroben, die im Darm leben, ganz anders sind als in der Haut. Aber wir wussten nicht, wie bestimmte Mikroben in bestimmte Austerngewebe unterteilt sind.“

Die Forscher identifizierten eine Mikrobe, ein Bakterium der Klasse Mollicutes, das Energie aus dem Verzehr von Chitin gewinnt, einer Substanz, die in der gesamten Meeresumwelt vorkommt. Es war am häufigsten im Darm der Austern vorhanden und scheint ein Indikator für eine gesunde Auster zu sein, aber wenn es in anderen Geweben gefunden wird, kann es mit Infektionen korreliert werden.

"Wenn sie im Darm gesunder Austern reichlich vorhanden sind, kann dies darauf hindeuten, dass die Austern glücklich sind, sie zu haben", sagte Zhang. "Aber wenn die Mikrobe in anderen Geweben an Überfluss gewinnt, kann dies ein Zeichen dafür sein, dass es der Auster nicht gut geht, vielleicht weil das Immunsystem ausgeflippt ist."

Es wurde auch entdeckt, dass dieselbe Mikrobe Arginin konsumiert, eine Aminosäure, die in allen Organismen vorkommt und zur Herstellung von Proteinen verwendet wird.

"Wir sind wirklich daran interessiert, weil es potenzielle Auswirkungen auf das Immunsystem von Austern hat", sagte Pimentel. „Austern sind für ihre Immunantwort auf Arginin angewiesen. Es wurde festgestellt, dass ein Krankheitserreger das Arginin stiehlt, um sich vor dem Immunsystem der Auster zu verstecken.

Nachdem die Forscher die Funktion wichtiger nützlicher Mikroben identifiziert haben, besteht der nächste Schritt darin, zu erfahren, wann und wo die Mikroben erworben werden.

"Eine Mikrobe wurde in ausgewachsenen Austern reichlich gefunden, aber in Larvenproben sehr selten", sagte Zhang. „Sie könnten also irgendwann in ihrem Wachstum erworben werden, aber wann und wie sie erworben werden, ist eine große Frage. Wenn wir wissen, dass sie wichtig sind und wir die Quelle ihrer Herkunft identifizieren können, können wir vielleicht helfen, sie zu erhalten Population dieser speziellen Mikrobe."

Laut Zhang und Pimentel spielen Austern eine wichtige Rolle beim Bau von Riffen, beim Filtern von Wasser und bei anderen ökologischen Funktionen, zusätzlich zu ihrer Rolle bei der Unterstützung der Aquakulturindustrie.Weitere Forschungen zum Mikrobiom von Austern könnten von Vorteil sein, um mehr über die Gesundheit von Austern und die Gesundheit ihres Ökosystems zu erfahren.

„Wir wissen, dass das Mikrobiom für andere Organismen ein wirklich wichtiger Faktor ist, wenn es um Gesundheit und Krankheit geht. Daher legen wir den Grundstein für zukünftige Forschungen, die bestimmte Mikroben in wichtige Prozesse im Zusammenhang mit Gesundheit und Krankheit einbeziehen könnten“, sagte Pimentel.

„Je mehr wir über Austern und ihre Wechselwirkungen mit Mikroben wissen, desto besser werden wir verstehen, wie man sie konserviert“, fügte Zhang hinzu.


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