Mikrobiologie

Epidemiologie, Taxonomie, Physiologe

• Infektionskrankheiten: 3 der 10 führenden Todesursachen, 25% der Arztbesuche
• Idee der belebten eigenen Krankheit seit 1546 (Fracastoro)
• Infektionsquellen:
  • Kranker, Inkubationsausscheider (~Virus), Rekonvalenzausscheider (~enteritische Salmonellosen), Dauerausscheider (~typhöse Salmonellosen)
  • Keimträger (wird nicht krank)
  • Tiere, Umwelt (Erdboden, Pflanzen, Wasser)
• Epidemiologische Begriffe:
  • Sporadisches Auftreten, Epidemisches Auftretten, Pandemie, Endemisches Vorkommen
  • Morbidität, Inzidenz, Prävalenz, Mortalität, Letalität
  • Manifestationsindex, Inkubationszeit
• Sozialefaktoren und Verhaltensweisen:
  • Wohnbedingungen, Essen, Medizinische Versorgung, Sex, Wasser, Haustiere, Reisen
• Hauptgrund für Rückgang der IK: Hygiene + Impfungen
• Nosokomiale Infektionen:
  • Teuer, Multiresistente Keime
  • Endogen, exogen oder aus Umwelt
  • HWI > chirurgische Wunden > untere Atemwege > Bakterämie
  • Inzidenz: 10%, Letalität: 1%
  • RF: Alter, Immunität, Comorbidität, Medikamente, Trauma
  • RF für postoperative Infektionen: Preoperative Spital Aufenthalt, Infisziertes Gewebe, Dauer, Art der Operation, Fremdkörper, Zustand des Gewebes
• Prophylaxe:
  • Sinkt vorallem Inzidenz
  • Expositionsprophylaxe: Isolierung, Quarantäne, Desinfektion (Erreger), Sterilisation (alles)
  • Dispositionsprophylaxe: Immunisierung, Chemoprophylaxe
  • Keimtötung: Hitze, Strahlung, Chemisch (Denaturierung von Proteinen oder Nukleinsäuren, Zerstörung von Membranen)
  • Konservieren: Im zusammenhang mit Lebensmittel
  • Kinetik: 1. Ordnung (D-Wert, Ausgangkeimzahl)
  • Substanzen:
    • Alkohole: 1 min, Haut
    • Jodophore: 5 min, färbt, Haut
    • Quaternäre Ammoniumverb.: inaktiviert durch Seifem, nur G+, Flächen
    • Diguanide: 5 min, Haut
    • Chlorverb.: 15min, Korosiv, Wasser
    • Gluatralaldehyd: 15min, toxisch, instabil, Instrumente
    • Formaldehyd: 60min, toxisch, Flächen und Geräte
    • Phenel-verb.: 20min, Korosiv, Flächen und Geräte
  • Verfahren:
    • Autoklav (Dampf): 15min, Hitze, Gut
    • Heissluft: 2h, Hitze
    • Ionisierende Strahlung: Sicherheitsproblem, Verbandsmaterial und Kunststoffe
    • Ethylenoxid-Gas: 2h, Toxisch, für Hitzlabile Gegenstände
    • Formaldehyd-Wasserdampf: 1h, Toxisch, anstellen von Ethylenoxid-Gas
    • Glutaraldehyd: 10h, toxisch, anstellen von Ethylenoxid-Gas
  • Impfungen:
    • Erste Impfung um 1800 durch Edward Jenner mit Kuhpockenvirus
    • Aktive Immunisierung
      • Abgetötete Erreger (Cholera, Polio)
      • Lebende, abgeschwächte Erreger (Polio, Gelbfieber, Masern, Röteln, Mumps; TB, Typhus)
      • Gereinigte Antigene: Proteine (HepB), Polysaccharide (Strept. pneumoniae, Haem. infl. b, Neiss. men.), Toxoide (Diphterie, Tetanus, Pertusis, keine Beeinflussung der Infektion)
    • Passive Immunisierung
      • Abgabe von AK (von Mensch oder Pferd)
      • Diphterie, Tetanus, Varicella-Zoster, Gas gangrene, Botulismus, Tollwut, Hep B
• Aufbau und Morphologie von Bakterienzellen (Prokaryonten)
  • Kein Kern, Zellwand, keine Mitochondrien, Zweiteilige Vermehrung (exponentiell), Plasmide, 1-5 μm, 1e6-1e7 bp
  • Zellwand: Peptidoglykan (= Murein), Vernetzung über Seitenketten
  • G- haben zusätzlich eine äussere Membran (mit vielen Proteinen und Lipopolysaccharide)
  • Morphologische unterschiede:
    • Kokken: Traube (Staphylokokken), Ketten (Streptokokken), Diplokokken (Pneumokokken (G+), Neisserien (G-))
    • Stäbchen: ohne/mit Geisseln
  • Stoffwechsel:
    • Kohlenstoffquellen: Autotroph (aus CO2), heterotroph
    • Energiequellen: Phototroph, Chemotroph
    • Wasserstoffdonator: litotroph (anorganische Quellen), organotroph
    • Verhaltengegenüber Luftsauerstoff: obligat aerob, fakultativ aerob, obligat anaerob
    • Anaerobe Baktieren:
      • Alternative terminalen Sauerstoffakzeptor -> oft fermentierung zu organischen Säuren oder Alkohol
      • Keinen Schutz gegen Sauerstoff (e.g. Superoxid dismutase, Katalase, Peroxidase)
      • Speziellen Orten: Abszesse, devitalisiertes Gewebe, Fremdkörper -> evtl chirurgische Sanierung
      • Geringe Invasivität/Virulenz -> Oft Mischinfektionen, orständige Toxine
  • Taxonomie:
    • Beschreiben und ordnen
    • Phänotypische Eigenschaften: Färbeverhalten, Zellmorphologie, Wachstumsbedingungen, Stoffwechselleistungen
    • Problem der Defintion: keine Paarung
    • Spezieskonzept: Genomähnlichkeit über 70%
    • Ribosomale RNA: konserviert, universell, unterschiedlich variable Regionen, spezifisch für jeden Mikroorgansimus
      • Evolutionäre Verwandschaft in Drei Domänen: Archaen, Eukarionten, Bakterien
    • Klassifikation:
      • G+
        • Aerob
          • Kokken
            • Haufen
              • Staphylokokken
            • Ketten
              • Streptokokken
          • Stäbchen
            • Sporen
              • Bacillus
            • keine Sporen
              • Listerien
        • Anaerob
          • Stäbchen
            • Sporen
              • Clostridien
      • G-
        • Aerob
          • Kokken
            • keine Sporen
              • Neisserien
        • Fakultativ anaerob
          • Stäbchen
            • keine Sporen
              • Enterobacteriaceae

Genetik, Pathogenitätsfaktoren, Virulenzmechanismen, Toxine

• Austausch von genetischem Material:
  • Transformation: Aufnahme aus Umwelt, Rekombination
  • Transduktion: Aufname von Phagen-DNA, Rekombination
  • Konjugation: Plasmidübertratung über F+ Pili, evtl. Transposition auf Chromosomen
• Plamid Aufbau: Replikation (Replikationsursprung), Konjugation (Gen für Pili), Insertion und Exzision (Transposition), Pathogenitätsgene
• Rekombination: Generelle (homologe Rekombination), speziell (ortspezifisch mittels Integrase, ortsunspezifisch mittels Transposase)
• Schnelle anpassung and veränderte Umweltsbedingungen:
  • Kurze Generationszeit: erhöhte Mutationsrate
  • Plastizität des Genoms (e.g. Genomumlagerung, Rekombination, Deletion, Leserastermutation, parasexuelle Mechanismen)
• Evolution und Selektion auf allen Ebenen (e.g. Mysomatosis bei Kaninchen in Australien)
• Pathogenität: Eigenschaft Krankheit auszulösen; Virulenz: Ausprägungsgrad
• Henle-Koch-Postulate: Optischer Nachweis, Kultureller Nachweis, Pathogenitätsnachweis, Erneute Anzüchtung
• Symptome einer Infektionskrankheit: Calor, Rubor, Tumor, Dolor, Functio laesa (oft durch körpereigene Substanzen)
• Determinanten der Pathogenität und Virulenzmechanismen:
  • Infektion: Adhärenz und Kolonisierung (Toxine, Pili, Adäsine, Matrixbildung)
  • Invasion des Gewebes (Toxine, Endozytose)
  • Adaptation und Vermehrung im Wirtsorganismus (Siderophore (Fe), Stoffwechseladaptation)
  • Interferenz mit den Abwehrvorgänge (Kapsel, Antigenvariation, Toxin, Immunglobulinprotease, Antigenverwandschaft, Oberflächenproteine)
  • Schädigung des Wirtes (Toxine, Endotoxin (Lipid A))
• Sezerniert Pathogenitätsfaktoren:
  • Wirkort: local, fernab
  • Aufnahme: Ingestion von Toxin, Schleimhautkolonisation und Toxinbildung, Wundinfektion und Toxinbildung
  • Wirkmechanismen:
    • Extrazellulärsubstanz: Kollagenasen, Hyaluronidasen, Streptokinase, Fibrinolysen, Koagulasen
    • Zellmembran: S. Aureus α-Toxin, C. perfringens α-Toxin, Hämolysine, Leukozidine, Streptolysine
    • Intrazellulär: Tetanustoxin, Botulismustoxin, Diphterietoxin, Enterotoxin
• Biofilme: Anheftung and Oberflächen und Ausbildung eines Biobelag
  • Oft Fremdkörperassoziert
  • EPS: extrazelluläre Polymersubstanz (durch Bakterien sezerniert)
  • Schutz vor Immunsystem -> Infektionsherde
  • Karies: Zahnbelag, Plaque, katabole Stoffwechsel Produktion sauerer Metabolite
• Bakterien-Wirt-Interaktion:
  • Extrazellulär: Bindung an Oberflächenrezpetoren von Bakterien und Toxine (TLR, Manose Rezeptor, Fc-Rezeptor, Complement-Rezeptor)
  • Intrazellulär: Ähnlich, Manipulation von Wirtsabwerhmechanismen (Inhibition von Phagosomenreifung, Austritt aus Phagosom, Abbau von toxisischen Produkte, Interferzen mit Antigenpresentation)
  • Aufnahme kann induziert oder vermieden werden
  • Normalflora (Kommensalen)
    • Verändert sich andauernd, wird nach Geburt aufgebaut
    • Wird durch AB beschädigt
    • Positiv: Aufschluss von Nahrungsbestandteile, Produktion von Vitamine (e.g. K), Schutz vor Pathogene, Produktion schützender Substanzen
    • Negativ: Können oportunistisch sein, Können Resistenzen ausbilden, Gerüche
  • Opportunisten: werden zu Erreger falls sich Gelegenheit ergibt
• LPS (= Endotoxin): Freisetzung bei Autolyse gramnegativer Bakterien
  • Salmonellen, Shigellen, E. coli, Neisserien
  • Makrophagenaktivierung, Komplementaktivierung
  • Wirkung auf Kinin- und das Gerinnungssystem (Vasodilatation, Permeabilitätsstörung, Verbauchskoagulopathie) -> Waterhouse-Friedrichsen-Syndrom (NN), Herxheimer Reaktion (nach AB)
• Superantigene:
  • Aktivierung von T-Zellen unabhängig von APC -> Starke Reaktion
  • E.g. TSS Toxin von Staphylococcus aureus
• Defekte des Immunsystems und Immunsupression:
  • A-,Hypogammaglobulinämie: Respirationstrakt, Otitis, sinusitis
  • Komplementdefekt C1,2,3,4: Respirationstrakt, Spesis, Meningitis
  • Komplementdefekt C5,6,7,8: Meningitis, systemisch
  • A-,Hyposplenie: Sepsis, Respirationsorgane
  • Defekte der neutrophilen Granulozyten:
    • Störung der Chemotaxis: Kutan/Subkutan
    • Störung der Mikrobizidie: Chronische Granulomatose
    • Agranulozytose/Granulozytonpenie: Respirationstrakt, Perianalregion, Haut, Sepsis
  • Defekte der zellulären Immunität: Respirationsorgane, ZNS, GIT, Haut, Sepsis
• Begriffe:
  • Saprophyten: Leben auf totem organischem Material
  • Inkubationszeit, Infektionsspektrum, Infektionsdosis, Infektionsmodus
  • Kontamination (Gegenstände, Umwelt, Untersuchungsproben), Kolonisation (Haut, Schleimhaut, kein Eindringen), Infektion (eindringen)
  • Lokalinfektion, Allgemeininfektion (lymphogen und/oder hämatogen), organotropie, sepsis (systemerkrankung)
• Anpassung der Mikroorganismen auf Verteidigung:
  • Feste Bindung an die Epitheloberfläche
  • Wechselwirking mit Zilienaktivität (RT)
  • Endozytose
  • Störung/Hemmung der Phagozytose
  • Hemmung der Phagosomen Reifung
  • Austritt aus Phagosom
  • Bindung von Eisen
  • Störung der Komplementaktivierung
  • Hemmung der Komplementkomponenten
  • Störung der synthese pro-inflammatorischer Signale
  • Zerstörung von AK
  • Antigenvariation
  • Ausnützen von Immuntoleranz
• Populationen ohne vorangehender Kontakt mit Erreger sind sehr anfällig

Chemotherapie

• Antibiotika: Substanz die Wachstum von Mikroorganismen hemmt oder diese abtötet
• Einsatz: Behandlung, Prophylaxe (Disposition, Perioperativ, KMT)
• Kalkulierte (mutmasslich, resistenzlage) vs gezielte (Isolierung unf Antibiogramm) Chemotherapie
• Denke an: Herde, Beschädigte anatomische Barrieren, Beschädigung von Normalflora, Immundeffizienz
• Bakteriostatisch vs Bakterizid (Antagonsimus bei Kombination kann vorkommen)
• Selektivität: dürfen Wirt nich zu stark schädigen
  • Bakterielle Ribosome sehr ähnlich zu Mitochondrialen Ribosomen in Menschen (Resistent kann bei Mutation einfach erworben werden)
  • Gewissen AB sind auch mehr oder weniger toxisch (zb Hygromycin)
• Angriffspunkte von AB
  • Zellwandbiosynthese
    • Beta-Lactame
      • Penicilline (-cillin):
        • Derivate von Penicillin G, 6-Aminopenicillansäure, β-Lactam-Ring, kann durch lactamse gespalten werde (R)
        • Hemmt Transpeptidase = PBP (strukturelle ähnlichkeit mit Substrat, kann mutieren aber dann weniger effizient (R)), vorallem G+ (G- haben resistenzen indem sie Zugang verhindern), Bakterizid bei Wachstum, Gut verträglich, Allergie (5% der behandelten), über Niere ausgeschieden (organisches Anion, gehemmt durch Probenecid)
        • Verbesserungen: Säuresfestigkeit erlaubt orale Zufuhr, β-Lactamase-Festigkeit, erweitertes Wirkspektrum
          • Ampicillin: säurefest, erhöhtes Spektrum (aber schlechte Aufnahme)
          • Amoxicillin: säurefest, erhöhter Spektrum
          • Acylaminopeniciline: erhöhtes Spektrum gegen G-
      • Cephalosporine:
        • Ähnlich zu penicillin, Cefalexin anstatt 6-APS, säurestabil, teilweise schlechte resorption, penicillinase-stabil
        • 1. und 3. Generation (sehr breites Spektrum)
      • Carbapenem (-nem): Reservemedikament, sehr hohes Spektrum
      • Clavulansäure: kein Penicillin, hemmt penicillinase
    • Vancomyzine und Bacitracine: Beeinträchtigen Transport der Zellwandbestandteile, G+, VM vorallem peroral gegen Darmentzündung, Achtung Höhrverlust
  • Zytoplasmamembran
    • Daptomycin: Porenbildung, G+, bei schweren Haut- und Weichteilinfektionen
    • Polymyxin: nur local, toxisch, G-
  • Stoffwechsel
    • Sulfonamide: falsches Substrat, hemmt DHF-synthese, breites Spektrum, kombination mit Trimethoprim (hemmt DHF-Reduktase -> Cotrimoxazol), hohe Resistenzen, nicht mehr oft verwendet
  • Proteinbiosynthese:
    • Oxazolidinone: Verhindert Start-Komplex, G+, evtl. Konchenmarksupression, hemmt MAO, Bakteriostatisch
    • Tetracycline (-cyclin): Hemmt Analgerung der tRNA-AS-Komplex, breites Spektrum, unterschiedliche aufnahme im GIT, UNW (GIT-Störungen, Bindung an Zähne und Knochem -> nicht Schwangere und Kleinkinder, Lichtempfindlichkeit, Leberschädigung), Bakteriostatisch
    • Aminoglycoside (-mycin): Fördert Anlagerung von falschen tRNA-AS-Komplexe, G-, nur parenteral, Nephrotoxisch, Ototoxizität
    • Chloramphenicol: Hemmt Peptidsynthetase, Bakteriostatisch, breites Spektrum, oral, Knochenmarkschädigung -> selten gebraucht
    • Makrolide (-mycin): Unterdürcken weiterrücken des Ribosoms, Bakteriostatisch, auch intrazelluläre Keime (Chlamydien, Mycoplasmen), peroral, gute verträglichkeit, Gefahr von Herzrythmusstörungen (Hemmung der Erregungsrückbildung), Hemmung von CYP3A4 (Arzneimittelinterferenzen), erm gen: verursacht methylierung von 23S rRNA (induzierbare R (AB wird durch Bakterium entdeckt))
      • Ketolide: neueste Generation, weniger Resistenzen,
    • Lincosamide (Clindamycin): G+, ähnlich zu Makrolide, Resistenz kann durch Makrolide induziert werden (problem falls constituv wird)
  • DNA:
    • Chinolone (-axin): hemmt bakterielle Gyrase, Bakterizid (besonders verschluss), oral, Relativ viele UNW (Allergien, GIT-Störungen, ZNS-Syptome, Knorpelzellschädigung -> nicht bei Kindern/Schwangeren), Gyrase kann mutieren (R) oder Eflux mechanismus (R)
    • Nitroimidazol (-azol): Schädigung der DNA in obligat anaeroben Bakterien, auch gegen Protozoen Trichomonas und Enamoeba histolytica, möglicherweise auch beim Menschen leicht DNA-Schädigens -> nicht für Schwangere
  • RNA:
    • Rifampicin: hemmt RNA-Polymerase, auch gegen Mykobakterien, vorallem Lepra und TBc
• Resistenzen:
  • Minimale Hemmkonzentration (MHK) vs Minimale bakterizide Konzentration (MBK, weniger gebraucht)
  • Bakterien können sich aktiv anpassen
  • Antibiogramm: Messung der Empfindlichkeit (über Verdünnungsreihe oder mittels Hemmzonen)
  • Unterschiede zwischen Labor und Klinik!
  • Clinical breakpoints: S,I,R (Chance auf Therapie Erfolg, mikrobiologisch und klinisch bestimmt)
  • ECOFF: Untere MHK oder Hemmhofdurchmesser des Wildtyp
  • Mechanismen: Enzymatisch veränderung des Antibiotikums, Veränderung der Zielstruktur, Verhinderung der Aufnahme
  • Bei Mutationen: Einschrittmuster vs Mehrschrittmuster
  • Achtung vor Multiresistenzplasmide
  • Resistenzen-mechanismen von einem Erreger können anderen Erreger schützen
  • Achtung in Randgebiete (e.g. Mehrschrittmuster zur Chinolon Resistenz von E. coli)
  • Massnahmen: Strenge Indikation (Rezepte!), Richtige Anwendung (kalkuliert/gezielt, Dauer), Impfungen, Hygiene, Infektionsmanagement (Spitäler), Kombinationstherapie
  • AB für Praktiker: Cotrimoxazol, Penicillin-V, Amoxicillin, Ampicillin/Clavulansäure, Cefuroxim-Azetil, Levofloxacin, Doxycylin, Roxithromycin
  • Achtung vor Kompartimentierung

Labordiagnose

• Merkmale: Phänotypische (Morphologie, Metabolismus), Biochemische (Proteine, Fettsäuren, Antigene), Genetische Merkmale
• Diagnostische Nachweisverfahren:
  • Direkt
    • Nachweis des Erregers
      • Mikroskopie: Nativpräparat, Spezielle Färbungen (Gram, Methylenblau, Ziehl-Neelsen), Immunfluoreszenz
      • Kultur
        • Basismedien (Blut, Kochblut)
        • Selektive Nährboden (bestimmte Eigenschaften, MacConkey Agar (Enterobakterien), Telluritagar (Diphteriebakterien), Bierwürzagar (Pilze), Löwenstein-Jensen Agar (Mykobakterien))
        • Spezialnährboden (besondere Anforderungen, e.g. Brucellen oder Chlamydien)
      • Molekularbiologisch Verfahren: unterschiedliche Zielstrukturen (rRNA, Toxingene)
        • MALDI-TOF: Binden in Matrix, bestrahlen und sprengen, Massenspektrum der Teile, Fingerprint vergleichen mit DB
        • rRNA-Sequenzanalyse: ausgehend von Reinkultur, variable und konstante Abschnitte
    • Nachweis von Erregerbestandteile
      • Antigene -> Nachweis mittels AK
      • Toxine -> Immunologisch, Tierversuch, Zellkultur
  • Indirekt
    • Nachweis einer erregerspzifischen Immunreaktion -> AK (meist nur indirekte Nachweise, oft ungeeignet)
• Aufklärung von Infektketten
• 4-Feldertafel
  • Treffsicherheit: Sensitivität, Spezifität
  • Wertigkeit: Positiver und negativer Prädiktivwert (abhängigkeit von Prävalenz)

Infektiöse Endokarditis

• Allgemeinsymptome, Periphere Hautmanifestationen (Petechien, Splitterhemorrhagien), Neurologische Komplikationen, Embolien
• Fieber + Pathologisches Herzgeräusch (> 85%)
• RF: Rheumatische/kongenitale Herzerkrankungen, degenrative Herzklappenerkrankung, Herzchirurgie, intravenöser Drogenmissbrauch
• Oft verzögerte Diagnose, Bedrohlich
• Ultraschalluntersuchung + Mikrobiologische Diagnsotik (3 Blutkulturen, vor AB, unterschiedliche Entnahmestellen, Achtung vor Hautkontaminationen)
• Behandlung je nach Bedingung (Akut, Penicillinallergie, Klappenprothesen)