Mykobakterien

• Klasse: Actinomycetia
• Ordnung: Mycobacteriales
• Familie: Mycobacteriaceae
• Gattung: Mycobacterium
• Spezies:
  Wichtige humanpathogene Vertreter:
  • Mycobacterium-tuberculosis-Komplex:
    • Mb. tuberculosis
    • Mb. africanum
    • Mb. bovis
  • Mycobacterium leprae
  • Atypische Mykobakterien (auch: Non-Tuberculosis Mycobacterium complex (NTM) / Mycobacteria other than tuberculosis (MOTT))
    • Mycobacterium-avium-Komplex
      • Mb. avium
      • Mb. intracellulare
    • Mb. marinum

 Info

Abkürzung “Mb.”

“Mycobacterium” wird im weiteren mit “Mb.” abgekürzt. Dies dient der Unterscheidung von “Mp.” für “Mycoplasma”, da es einige namensgleiche Erreger, z.B. Mycoplasma bovis und Mycobacterium bovis, in beiden Gattungen gibt.

Übersicht

• Morphologie: Stäbchen
• Größe: Länge ca. 2-10 µm, Breite ca. 0,2-0,6 µm
• Beweglichkeit: unbeweglich aufgrund fehlender Geiseln
• Gram-Färbung: schwach-positiv bis keine Färbung aufgrund Mykolsäuren in Zellwand (verhindert Farbaufnahme); zum Nachweis stattdessen Ziehl-Neelsen-Färbung
• Verkapselung: kapselähnliche Schicht aus Polysacchariden und Proteinen
• Sporenbildung: nein
• Sauerstoffbedarf: obligat aerob
• Zellinvasion: je nach Spezies
  • Pathogene Mykobakterien: intrazellulär, bevorzugt in Makrophagen
  • Nicht-tuberkulöse Mykobakterien (NMT): sowohl intra- als auch extrazellulär

Zellaufbau

Der grundlegende Zellaufbau von Mykobakterien entspricht dem anderer Bakterienzellen.

Charakteristisch ist jedoch ihr Zellwandaufbau, der strukturell dem von grampositiven Bakterien ähnelt, sich jedoch zusätzlich durch einen hohen Gehalt an Mykolsäuren, sowie anderen Fettsäuren auszeichnet, welche den Mykobakterien ihre Säurefestigkeit verleihen. Diese Eigenschaften sind auch dafür verantwortlich, dass sich Mykobakterien nur schwer oder gar nicht mittels Gramfärbung anfärben lassen (mehr Infos im Abschnitt “Gram-Verhalten”).

Zellwandaufbau:

Beschrieben ist der Zellwandaufbau von außen nach innen:

Kapsel:

• Mykobakterien besitzen eine kapselähnliche, äußere Schicht auf ihrer Zellwand
• Erscheint im Elektronenmikroskop durchsichtig, daher auch genannt: elektronentransparente Zone
• Besteht hauptsächlich aus Polysacchariden (Glykanen) und Proteinen
• Variiert in Dicke und Zusammensetzung
• Vermutlich beteiligt an erster Interaktion mit Wirts-Makrophagen

Zellwand:

Aufbau von außen nach innen:

• Dicke, mehrschichtige Zellwand mit einer ungewöhnlich hohen Menge an Lipiden:
  • Mykolsäuren: Lange Fettsäuren (C60–90), haben wachsartige Eigenschaften, machen Zellwand hydrophob
    → Tragen zur Säurefestigkeit bei
  • Arabinogalaktan-Schicht: Polysaccharid, das die Peptidoglykan-Schicht mit Mykolsäuren verbindet
  • Peptidoglykan-Schicht (ähnlich zu Gram-positiven Bakterien)
• Innere Membran (Zellmembran, gewöhnliche Doppelllipidmembran)

DNA:

• Einzelnes, zirkuläres Chromosom
• Frei im Zytoplasma

Stoffwechsel

Als allgemeine Stoffwechselmerkmale zeichnen sich Mykobakterien durch ihren aeroben Stoffwechsel, sowie ihr langsames Wachstum aus.

Durch ihren umfassenden Energiestoffwechsel sind Mykobakterien weitgehend unabhängig von ihrer Wirtszelle. Folgende metabolische Kreisläufe machen das möglich:

1. Atmungskette:
   1. Eigene, flexible Atmungskette; somit auch eigene ATP-Gewinnung → gute Anpassung in hypoxischen Umgebungen möglich (z.B. Granulome)
2. Synthese und Stoffwechsel der Makronährstoffe:
   • Kohlenhydratstoffwechsel:
     • Glykolyse
     • Gluconeogenese aus Fett- und Aminosäuren in Phasen fehlender Zuckerquellen
   • Fettsäuremetabolismus:
     • ß-Oxidation, Lipidspeicherung
     • Lipidsynthese: komplexe Lipide und Glykolipide, wie der Cord-Faktor, können selbst synthetisiert werden → Schlüsselrolle in der Virulenz

Gramverhalten

Obwohl Mykobakterien strukturell grampositive Eigenschaften aufweisen, zeigen sie ein atypisches Gramverhalten, beziehungsweise keine Färbung bei der Gram-Methode. Grund dafür ist ihre dicke Zellwandstruktur, die reich an Mykolsäuren und anderen lipophilen Substanzen ist, welche die Aufnahme des Farbstoffes verhindern.

Statt der Gram-Färbung wird zum Nachweis von Mykobakterien die Ziehl-Neelsen-Färbung verwendet. Sie überprüft nicht nur die Aufnahme des Farbstoffs, sondern auch die Säurefestigkeit eines Erregers und kann Mykobakterien somit sehr gezielt identifizieren.

Das grobe Prinzip der Ziehl-Neelsen-Färbung:

• Karbolfuchsin wird durch Erhitzen in die Zellwand des Erregers eingelagert
• Danach wird Farbstoff mit Lösung aus Säure-Alkohol wieder aus Präparat entfernt

• Anschließend Gegenfärbung mit Methylenblau

  Interpretation: 

  • Säurefeste Bakterien: behalten Karbolfuchsin trotz der Behandlung mit Säure-Alkohol; nehmen den Gegenfarbstoff anschließend nicht auf
  • Nicht-säurefeste Bakterien: verlieren Karbolfuchsin während Säure-Waschung; nehmen den Gegenfarbstoff danach auf

 Info

Nachweis von Mykobakterien

Die WHO empfiehlt zum Nachweis von Mykobakterien, die Fluoreszenzmikroskopie der Ziehl-Neelsen-Färbung vorzuziehen, da der Nachweis durch eine kürzere Einwirkzeit schneller erfolgen kann, sowie die Befundung durch die leuchtenden Stäbchen auf schwarzem Hintergrund einfacher und genauer ist.

Für die Befundung mittels Fluoreszenzmikroskopie erfolgt vorausgehend eine Färbung mit dem Farbstoff “Auramin O”, welcher analog der Ziehl-Neelsen-Färbung nach einer 20-minütigen Einwirkzeit mittels einer Säure-Alkohol-Lösung “ausgewaschen” wird (bei Mykobakterien findet die Auswaschung durch die Säurefestigkeit nicht statt). Anschließend erfolgt eine Gegenfärbung, diese ist mittels verschiedener Farbstoffe, z.B. Methylenblau, möglich.

 Info

Zusatzwissen: Gram-Charakterisierung von Mykobakterien

Die Zuteilung zu den grampositiven Bakterien erfolgte bei den Mykobakterien auf Basis einer genetischen Analyse.

Aufgrund des hohen “GC”-Basen-Gehaltes in ihrer DNA werden sie zu den Actinobacteriae gezählt, eine Klasse der grampositiven Bakterien.

Mykobakterien, insbesondere das Mycobacterium tuberculosis, besitzen eine Vielzahl von Virulenzfaktoren. Die Pathogenität von Mykobakterien beruht auf einer einzigartigen Kombination von Zellwandkomponenten, intrazellulären Überlebensstrategien und der Manipulation der Immunantwort. Diese Faktoren ermöglichen es ihnen, im Wirt zu persistieren, chronische Infektionen zu verursachen und der Behandlung sowie Immunabwehr zu widerstehen.

Die wichtigsten Mechanismen ihrer Pathogenität umfassen folgende Qualitäten:

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Pathogenitätsmerkmal	Merkmal	Funktionsmechanismus
Resistente Zellwand	Mykolsäuren	Verleihen der Zellwand wachsartige Struktur → Sorgen für extreme Resistenz gegenüber chemischen Substanzen Schützen vor Phagozytose durch Immunzellen Verlangsamen Nährstofftransport und Zellwachstum → Begünstigt Chronifizierung
	Lipoarabinomannan (LAM)	Glycolipid in Zellwand pathogener Mykobakterien Hemmt Aktivierung von Makrophagen und fängt reaktive Sauerstoffspezies
Persistenz	Langsames Wachstum	Teilung alle 12–24 Stunden macht Mykobakterien schwer erkennbar und erschwert Immunabwehr
	Cord-Faktor (Glycolipid in Zellwand pathogener Mykobakterien)	Granulombildung und Entzündung Aktiviert Makrophagen, fördert Freisetzung proinflammatorischer Zytokine, z.B. TNF-α .→ Fördert granulomatöse Entzündung
Gewebeschädigung		Zytokinfreisetzung durch Aktivierung von Makrophagen Fördert Freisetzung von Zytokinen, v.a. TNF-α, IFN-γ → Hyperinflammation und Gewebeschädigung
Intrazelluläres Überleben		Intrazelluläres Überleben in Makrophagen Hemmt die Phagosomen-Lysosomen-Fusion
	Antioxidative Enzyme	Resistenz gegen oxidativen Stress durch antioxidative Enzyme → Ermöglicht Überleben in aktivierten Makrophagen

Im Folgenden werden die relevantesten humanpathogenen Spezies der Gattung der Mykobakterien näher beschrieben.

Mycobacterium-tuberculosis-Komplex

Unter dem Mycobacterium-tuberculosis-Komplex werden verschiedene Mycobakterienspezies zusammengefasst, die obligat pathogen sind und bei Infektion eine Tuberkuloseerkrankung im Mensch oder Tier auslösen.
Zu den wichtigsten drei Vertretern gehören folgende Erregerspezies:

• Mycobacterium tuberculosis
• Mycobacterium africanum
• Mycobacterium bovis

Das Mycobacterium tuberculosis gilt als häufigster Erreger der Tuberkuloseerkrankung beim Menschen, der auch das primäre Erregerreservoir darstellt. Dennoch können ausgehend vom infizierten Mensch, bei engem Kontakt, Erreger über Aerosole an Tiere, v.a. Haustiere wie Hunde und Katzen, weitergegeben werden. Eine Rückübertragung vom Tier auf den Mensch ist äußerst selten.

Das Mycobacterium bovis ist der Erreger der Tuberkulose bei Rindern. Vor Einführung der standardmäßigen Pasteurisierung von Milch(-produkten) spielte Mb. bovis eine bedeutende Rolle als zoonotische Form der Tuberkulose. Seit Einführung der Pasteurisierung sowie strengen Tiergesundheitsprogrammen kam es, v.a. in westlichen Industrienationen, zu einer deutlichen Abnahme in Inzidenz und Prävalenz von Mb. bovis.

Zirkulierend ist der Erreger bis heute in Gebieten mit viel Tierzucht, enger Mensch-Tier-Interaktion, sowie in Ländern mit unzureichenden Tiergesundheitsprogrammen. Dazu zählen: Afrika, Asien, Lateinamerika und die Mittelmeerregion.

Die klinische Manifestation einer Mb. bovis-Infektion ähnelt einer klassischen Tuberkulose durch Mb. tuberculosis.

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Erregergruppe	Erreger	Krankheitsbild	Geographische Verteilung	Reservoir	Infektionsweg	Risikofaktoren
Mb.-tuberculosis-Komplex	Mb. tuberculosis	Tuberkulose	Weltweit, in verschiedener Krankheitslast: Hoch: Afrika, Südostasien, Westpazifik Mittel: Osteuropa, Zentralasien, Südamerika Niedrig: Westeuropa, Nordamerika, Australien	Mensch	Tröpfcheninfektion	Armut Hohe Bevölkerungsdichte bei niedrigem sozioökonomischen Status Chronische Erkrankungen Immunsuppression z.B. medikamentös, HIV Prädisponierende Erkrankungen des respiratorischen Trakts z.B. COPD, Mukoviszidose
	Mb. africanum		Überwiegend Afrika
	Mb. bovis		Hohe Prävalenz in Gebieten mit viel Tierzucht/Mensch-Tier-Interaktion, schlechten Tiergesundheitsprogrammen: → Afrika, Asien, Lateinamerika, Mittelmeerregion Niedrige Prävalenz in westlicher Welt wegen strikter Tierhaltungsprogramme	Rind	Fäko-oral durch Aufnahme kontaminierter Lebensmittel (Milchprodukte)

Mycobacterium leprae

Mycobacterium leprae ist der Erreger der Lepra (Hansen-Krankheit), einer chronischen Infektionskrankheit, die Haut, periphere Nerven, obere Atemwege und Augen befällt. Das Bakterium lebt obligat intrazellulär, wächst langsam und bevorzugt kühle Körperregionen, was seine spezifischen Zielorgane erklärt.

Die Übertragung erfolgt hauptsächlich durch Tröpfcheninfektion bei engem Kontakt mit unbehandelten Patient:innen. Mit einer Inkubationszeit von meist 5–7 Jahren ist die Identifikation der Infektionsquelle schwierig. Diese Gegebenheit erklärt auch, dass vor allem asymptomatisch infizierte Patient:innen zur Verbreitung der Lepra-Erkrankung beitragen. 

Pathophysiologisch befällt Mb. leprae Schwann-Zellen und führt zu Nervenschäden, Sensibilitätsverlust und Muskelschwäche. Die klinische Ausprägung reicht von tuberkuloider (starke Immunantwort) bis lepromatöser Lepra (schwache Immunantwort). 

Dank moderner Therapieformen wie der multidrug therapy (MDT) ist Lepra heute behandelbar, bleibt jedoch in einigen Regionen ein Gesundheitsproblem.

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Erregergruppe	Erreger	Krankheitsbild	Geographische Verteilung	Reservoir	Infektionsweg	Risikofaktoren
Mb. leprae	Mb. leprae	Lepra	V.a. nicht-industrialisierte Länder: Teile Afrikas Süd-, Mittelamerika Südostasien Staaten im Westpazifik	Mensch Je nach Region: Gürteltier (V.a. Mittelamerika)	Tröpfcheninfektion, v.a. über Nasensekret Direkter Hautkontakt mit offenen Läsionen Zoonotisch über Blut/rohes Fleisch	Armut Hohe Bevölkerungsdichte bei niedrigem sozioökonomischen Status Chronische Erkrankungen Immunsuppression, z.B. medikamentös, HIV Prädisponierende Erkrankungen des respiratorischen Trakts, z.B. COPD, Mukoviszidose

Atypische Mykobakterien

Zu den “Atypischen Mykobakterien” werden alle Mykobakterien-Spezies gezählt, die bei einer Infektion weder eine Tuberkulose, noch eine Lepra auslösen. Aus diesem Grund werden sie auch zusammengefasst unter dem Begriff “Non-tuberculosis-mycobacteria” (NTM) oder “Mycobacteria-other-than-tuberculosis” (MOTT).

Die Gruppe umfasst mindestens 150 verschiedene Spezies, worunter die folgenden drei zu den wichtigsten Vertretern gehören:

• Mycobacterium-avium-Komplex
  • Mb. avium
  • Mb. intracellulare
• Mb. marinum

Atypische Mykobakterien finden sich ubiquitär in der Umwelt, z.B. im Grundwasser und Boden und besiedeln je nach Spezies weitere bestimmte Gebiete, z.B. findet sich das Mycobacterium marinum oft in belebten Gewässern, wie Schwimmbädern und Aquarien.

Sie gelten als fakultativ pathogen und stellen somit besonders bei immunsupprimierten Patient:innen eine Gefahr dar. Infektionen mit Erregern aus der Gruppe der “Atypischen Mykobakterien” gelten daher als opportunistische Infektionen und sind ein Kriterium für die AIDS-Diagnose.

Bei einer Infektion führen sie zumeist zu Entzündungen, die oft ein Tuberkulose-ähnliches Erkrankungsbild verursachen (Mycobacterium-avium-Komplex) oder zu Haut- und Weichteilinfektionen (Mb. marinum). 

Atypische Mykobakterien können in langsam- und schnell-wachsende Erregergruppen unterteilt werden. Aufgrund ihres ubiquitären Vorkommens sind sie oft extrem robust, was sowohl ihre Diagnostik als auch ihre Therapie erschwert. Letztere ist häufig langwierig (teils über mehrere Jahre) und erfordert die Kombination verschiedener Antibiotika. Das Outcome ist abhängig von der Grunderkrankung.

In den letzten Jahren konnten epidemiologische Studien einen weltweiten Anstieg in Inzidenz und Prävalenz von NTM-Infektionen verzeichnen. NTM-Infektionen sind weitaus häufiger als die klassische Tuberkulose.

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Erregergruppe	Erreger	Krankheitsbild	Geographische Verteilung	Reservoir	Infektionsweg	Risikofaktoren
Mb.-avium-Komplex	Mb. avium	Atypische Tuberkulose / chronische Entzündungen   Befällt v.a. Lungen, Darm, Nieren, Gelenke	Ubiquitär in der Umwelt (Boden, Wasser)	Mensch Geflügel	Inhalation von Aerosolen Kutan über kontaminiertes Wasser Fäko-oral über kontaminierte Lebensmittel	Immunsuppression, z.B. medikamentös, HIV Prädisponierende Erkrankungen des respiratorischen Trakts, z.B. COPD, Mukoviszidose
	Mb. intracellulare			Mensch
Weitere NTM/MOTT	Mb. marinum	Haut- und Weichteilinfektionen → "Schwimmbadgranulom"	Salz- und Süßwasser	Mensch Fisch	Kutan über kontaminiertes Wasser/Fische	Naher Kontakt zu Gewässern Berufsexposition, z.B. Fischer, Bademeister Aquarienbesitzer

Mykobakterien, insbesondere das Mycobacterium tuberculosis, besitzen eine Vielzahl von Virulenzfaktoren, die es ihnen ermöglichen, den Wirt zu infizieren, das Immunsystem zu umgehen und in einer chronischen Infektion zu persistieren. Hier sind die wichtigsten Virulenzfaktoren genauer abgebildet:

 Info

Prüfungsrelevanz

Der Inhalt der Tabelle übersteigt in der Regel das für die Prüfung relevante Wissen und dient damit eher der persönlichen Weiterbildung.

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Pathogenitätsmechanismus	Lokalisation	Virulenzfaktor	Funktion
Zellinvasion	Zellwand	Adhäsine, z.B. Heparin-bindende Hämagglutinin-Adhäsine (HBHA)	Fördern Bindung an Wirtszellen Ermöglichen Ausbreitung der Bakterien innerhalb des Körpers
Adhäsion
Immunevasion/ Immunmodulation		Lipoarabinomannan (LAM)	Glykolipid Produktion von reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies Hemmt Makrophagen-Aktivierung → Unterdrückt die Antigenpräsentation → Hemmt T-Zell-Aktivierung
		Cord-Faktor (Glycolipid in Zellwand pathogener Mykobakterien)	Lipide, v.a. Trehalos-Dimycolat Induzieren Granulombildung Hemmen Migration von Makrophagen
		Mykolsäuren	Wachsartige Lipide in der Zellwand Schützen vor Desinfektionsmitteln, Antibiotika und Immuneffekten Verhindern Fusion von Phagosom und Lysosom
Stressresistenz		Polysaccharide, z.B. Arabinogalactan und Peptidoglykan	Stärken die Zellwand → Fördern Resistenz gegen Lysozym
		Stressproteine, z.B. HspX (Hitze-Schock-Protein X)	Exprimiert bei Sauerstoffmangel Ermöglicht Überleben unter hypoxischen Bedingungen (z.B. in Granulomen) → Langzeitpersistenz
	Zellwand/-membran	Effluxpumpen	Entfernen toxische Substanzen und Antibiotika aus Zelle  → Erhöhen Antibiotikaresistenz → Fördern Überleben im Wirt
	Zytosol	Enzyme, z.B. KatG (Katalase-Peroxidase)	Neutralisiert reaktive Sauerstoffspezies → Schützt Zelle vor oxidativem Stress

Die Tabelle erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.