Spirochäten

Die Spirochäten umfassen mehrere Gattungen, wovon drei für den Menschen pathologisch und im Folgenden näher beschrieben sind:

• Borrelien
• Leptospiren
• Treponema

Morphologie

Die Spirochäten (Spirochaetales) bilden eine Gruppe gram-negativer Bakterien, die sich durch ihre einzigartige Morphologie und Motilität auszeichnen.

Ihre charakteristischen Merkmale sind die schrauben- bzw. korkenzieherartig gewundene Form, sowie die ungewöhnliche Länge von ca. 5-250 µm und ihr schmaler Durchmesser von 0,1-0,6 µm, wodurch sie oft schwer unter einem Standard-Lichtmikroskop darstellbar sind.

Zellaufbau

Der Zellaufbau der Spirochäten von innen nach außen ist wie folgt:

• Zytoplasma mit Organellen
• Zytoplasmamembran (= Zellmembran)
• Zellwand mit dünner Peptidoglykanschicht
• Periplasmatischer Spalt
• Flagellen
• Äußere Hüllmembran

Ihr Zellleib ist länglich, zylinderartig und erinnert an einen “Zytoplasmaschlauch”. Er ist in sich gewunden und beweglich, wodurch die Zelle eine hohe Flexibilität erhält.

Außerhalb der Zellmembran entspringen an den Zellpolen Flagellen, die sich von außen um das zylinderartige Zellgerüst legen und sich in der Mitte überlappen. Sie bilden somit ein Flagellenbündel, das vom einen zum anderen Zellpol reicht und als “Axialfilament” bezeichnet wird. Die Flagellen werden von einer zusätzlichen äußersten Hüllmembran umgeben und bleiben somit trotzdem “intrazellulär” - Spirochäten haben also, gegensätzlich zu den meisten anderen Bakterien, eine innenliegende Geisel. Die Flagellen werden deshalb auch als „Endoflagellen“ bezeichnet.

Beweglichkeit

Die charakteristische Beweglichkeit der Spirochäten ist ein wesentliches Merkmal ihrer Pathogenität.

Die Endoflagellen im Inneren der Leptospira ermöglichen durch Rotation eine korkenzieherartige, spiralige Fortbewegung. Die Art der Bewegung befähigt die Bakterien, in Gewebe einzudringen und sich durch komplexe Umgebungen wie Schleimhäute oder Kapillaren zu bewegen. Damit sind sie gegenüber dem Immunsystem schwerer angreifbar.

Gramverhalten

Spirochäten zeigen sich in der Gramfärbung als gramnegativ. Wegen ihres geringen Durchmessers nehmen sie die Färbung jedoch oft schlecht auf und sind zu dem unter dem Lichtmikroskop schwer darstellbar.

Alternative Färbe-/Darstellungsmethoden:

• Dunkelfeldmikroskopie: Spirochäten werden durch spezielle Beleuchtung dargestellt
• Silberimprägnation: mithilfe von Silber werden Bakterien deutlicher gefärbt und können unter dem Mikroskop besser dargestellt werden
• Giemsa-Färbung: v.a. zur Darstellung von Borrelien geeignet

Sauerstoffbedarf

Der Sauerstoffbedarf der Spirochäten unterscheidet sich je nach Gattung. Sie können anaerob, mikroaerophil oder aerob sein.

Sauerstoffbedarf	Beschreibung	Erreger
(Obligat) anaerob	Empfindlich gegenüber Sauerstoff Kann nur in Umgebungen mit sehr sehr niedriger bis keiner Sauerstoffkonzentrationen überleben	Treponema pallidum (teilweise auch mikroaerophil)
Mikroaerophil	Bevorzugt Umgebungen mit niedriger Sauerstoffkonzentration, ist jedoch nicht obligat anaerob Geringe Mengen Sauerstoff werden toleriert und für Wachstum benötigt Hohe Sauerstoffkonzentrationen sind für das Bakterium schädlich	Borrelia burgdorferi Treponema pallidum
(Obligat) aerob	Sauerstoff wird für Wachstum und Vermehrung benötigt Gutes Überleben in sauerstoffreichen Umgebungen	Leptospirans interrogans

Die klinische Relevanz wird in einem gesonderten Artikel über das Krankheitsbild genauer beleuchtet (Artikel im Abschnitt des jeweiligen Erregers verlinkt). Für eine grobe Übersicht der klinischen Relevanz der Spirochäten dient untenstehende Tabelle:

Zusammenfassung

Borrelia spp. sind gramnegative, spiral-/schraubenförmige Bakterien und gehören zur Ordnung der Spirochäten.

Sie leben obligat mikroaerophil und werden primär durch Vektoren wie Zecken oder Läuse auf den Menschen übertragen.

Zu den medizinisch wichtigsten Arten gehören Borrelia burgdorferi, der Erreger der Lyme-Borreliose, und Borrelia recurrentis, der Auslöser des Rückfallfiebers. Charakteristisch für Borrelia spp. ist ihre Fähigkeit, im menschlichen Körper zu persistieren und das Immunsystem zu umgehen, was zu chronischen Infektionen führen kann.

Die Diagnose erfolgt durch Klinik, Serologie oder PCR.

 Merke

Merkhilfe zu Borrelia spp.

In unserer Merkhilfe zu den Erregern mit atypischem Gramverhalten steht:

• Borris: für die Gattung der Borrelien
• Wandern: erinnert an die häufigste klinische Manifestation einer Borrelia burgdorferi Infektion: das Erythema migrans, auch Wanderröte genannt
• Tee: erinnert an den Rest des Merkspruchs: er schlürft leidenschaftlich Tee
  • Schlürfen: erinnert daran, dass die Borrelien eine Untergruppe der Spirochäten sind
  • Tee: erinnert an den nächsten Erreger im Merkspruch, die Treponema spp.

Taxonomie und Klassifikation

• Klasse: Spirochäten (Spirochaetia)
• Ordnung: Spirochaetales
• Familie: Spirochaetaceae
• Gattung: Borrelia
• Spezies:
  Wichtige humanpathogene Vertreter:
  • Borrelia burgdorferi spp.
  • B. duttoni
  • B. hermsii
  • B. afzelii
  • B. garinii
  • B. recurrentis

 Info

Abkürzung “B.”

Der Begriff “Borrelia” wird im weiteren Verlauf mit “B.” abgekürzt.

Morphologie und Charakteristik

• Morphologie: schraubenförmig (Spirochäten), periplasmatische Flagellen (= Endoflagellen)
• Größe: Länge zwischen 10–30 µm, Breite etwa 0,2–0,5 µm
• Beweglichkeit: korkenzieherartige, rotatorische Bewegung durch Endoflagellen, stark beweglich
• Gram-Färbung: gramnegativ (dünne Peptidoglykanschicht, aber schlecht anfärbbar mit Gram-Färbung, daher oft in Spezialfärbungen, z.B. Giemsa-Färbung, sichtbar)
• Verkapselung: keine Kapsel, jedoch zusätzliche äußere Hüllmembran
• Sauerstoffbedarf: mikroaerophil (wachsen am besten in sauerstoffarmen Umgebungen)
• Invasion: nein, extrazellulärer Erreger

Epidemiologie & klinische Relevanz

Borrelia spp. sind weltweit verbreitet, wobei verschiedene Spezies je nach geografischem Gebiet unterschiedliche Krankheitsbilder verursachen. Die beiden wichtigsten Erkrankungen, die durch Borrelia-Spezies verursacht werden, sind Lyme-Borreliose und Rückfallfieber.

In der folgenden Tabelle werden einige der wichtigsten Virulenzfaktoren sowie Pathogenitätsmechanismen der Gattung “Borrelia spp.” genauer beleuchtet.

Das Zusammenspiel der Virulenzfaktoren lässt Borrelia burgdorferi spp. besonders widerstandsfähig gegenüber der Immunantwort sein, und ermöglicht eine systemische und langanhaltende Infektion, die mit Lyme-Borreliose-assoziierten Komplikationen einhergehen kann.

 Info

Prüfungsrelevanz

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

Pathogenitätsmerkmal	Virulenzfaktor	Funktionsmechanismus
Motilität	Endoflagellen	Schraub-/rotationsartige Bewegung → Ermöglicht Eindringen in intakte Gewebe und Flüssigkeiten, sowie Erreichen von "Körpernieschen"
Adhäsion	Bindeproteine (=Adhäsine), Z.B. BBK32, Decorin	Ermöglichen: Bindung an Fibronektin (Strukturprotein der extrazellulären Matrix) → V.a. in Gelenken und Haut Bindung an Decorin, (reichlich in Bindegewebe vorhanden), unterstützt Persistenz in spezifischen Geweben, z.B. in Gelenken und Gehirn​ → Fördern Gewebeinvasion
Immunsuppression / Immunevasion	Antigenvariation, V.a. VlsE-Protein	Antigenvariation des VlsE-Proteins (Variable major protein-like sequence expressed) durch genetische Rekombination → Erschwert Immunsystem die Erkennung und Elimination von Borrelien​
	Tick-Speichelproteine	Borrelien nutzen Proteine des Zeckenspeichels Entzündungsmediatoren und Rekrutierung von Immunzellen (v.a. Makrophagen und Granulozyten) werden durch sie gehemmt → Erleichtertes Eindringen

Die Tabelle erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Zusammenfassung

Leptospira spp. sind dünne, gramnegative Bakterien, die zur Ordnung der Spirochäten gehören. Sie leben obligat aerob und finden sich in aquatischen Umgebungen sowie im Urin infizierter Tiere.

Die Übertragung auf den Mensch erfolgt häufig durch Kontakt mit kontaminiertem Wasser oder infizierten Tieren.

Zu den medizinisch relevanten Arten zählt Leptospira interrogans, der Erreger der Leptospirose, einer potenziell lebensbedrohlichen Erkrankung, die von grippeähnlichen Symptomen bis hin zu schwerem Organversagen reichen kann (Weil-Syndrom).

Die Diagnose erfolgt durch serologische Tests, PCR oder den direkten Nachweis im Blut oder Urin.

 Merke

Merkhilfe zu Leptospira spp.

In unserer Merkhilfe zu den Erregern mit atpyischem Gramverhalten steht:

• Herz: für die Leidenschaft, mit der Borris seinen Tee trinkt → Leidenschaft soll an “Leptospira” erinnern
• Welle: soll an (Tee-)Wasser erinnern und somit an das natürliche Reservoir der Leptospira: feuchte Gebiete und stehendes Gewässer

Taxonomie und Klassifikation

• Klasse: Spirochäten (Spirochaetes)
• Ordnung: Leptospirales
• Familie: Leptospiraceae
• Gattung: Leptospira
• Spezies:
  • Humanpathogene Spezies: Leptospira interrogans (verantwortlich für Leptospirose)
  • Saprophytische Spezies: Leptospira biflexa (leben frei in der Umwelt, nicht pathogen)

 Info

Was heißt eigentlich “saprophytisch”?

Als Saprophyten werden Organismen bezeichnet, die weder Photo- noch Chemosynthese betreiben. Sie ernähren sich rein heterotroph von toten, organischen Stoffen und sind somit auf andere Lebewesen angewiesen.

Morphologie und Charakteristik

• Morphologie: schraubenförmig (Spirochäten), periplasmatische Flagellen (= Endoflagellen)
• Größe: Länge 6-25 µm, Durchmesser ca. 0,1 µm
• Beweglichkeit: korkenzieherartige, rotatorische Bewegung durch Endoflagellen, stark beweglich
• Gram-Färbung: gramnegativ (dünne Peptidoglykanschicht, aber schlecht anfärbbar mit Gram-Färbung, daher oft in Spezialfärbungen wie der Giemsa-Färbung sichtbar)
• Verkapselung: keine Kapsel, jedoch zusätzliche äußere Hüllmembran
• Sauerstoffbedarf: aerob (Sauerstoff wird für das Wachstum benötigt)
• Zellinvasion: nein, extrazellulärer Erreger

•  Merke

  

  Unterscheidungsmerkmal Leptospira spp.

  Die Zellen der Leptospira spp. sind klassischerweise einseitig oder beidseitig hakenförmig gebogen. Ihr Aussehen erinnert daher manchmal an einen Kleiderbügel oder ein Fragezeichen.

  

  Letztere Assoziation hat der Spezies “Leptospira interrogans” auch ihren Namen verliehen: “interrogans” = lat. “fragen”.

  Diese charakteristische Biegung unterscheidet sie morphologisch von den anderen Spirochäten.

Epidemiologie & klinische Relevanz

•  Info

  

  Leptospira Reservoir

  Nagetiere gelten als weltweit bedeutenstes Reservoir für Leptospiren. Im Gegensatz zu Groß-Säugetieren, wie Rinder und Pferde, erkranken sie selbst nicht an Leptospirose, sondern scheiden den Erreger lediglich lebenslang aus.

  Leptospira sind im Salzwasser nur kurz überlebensfähig und zeigen eine hohe Empfindlichkeit gegenüber UV-Exposition.

In der folgenden Tabelle werden einige der wichtigsten Virulenzfaktoren sowie Pathogenitätsmechanismen der Gattung “Leptospira spp.” genauer beleuchtet.

 Info

Prüfungsrelevanz

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

Pathogenitätsmerkmal	Virulenzfaktor	Funktionsmechanismus
Motilität	Endoflagellen	Schraub-/rotationsartige Bewegung ermöglicht Eindringen in intakte Gewebe und Flüssigkeiten → Eindringen in Blutgefäße, fördert Verbreitung im Körper
Adhäsion	Oberflächenproteine, z.B. LipL32, LigA, LigB	Bindung an Wirtszellen Erleichtert Invasion in Gewebe und Kolonisation von Organen, z.B. Nieren und Leber
Gewebeinvasion	Hämolysine, z.B. Sphingomyelinase	Zerstörung roter Blutkörperchen, möglicherweise Zerstörung von Gewebe und Organen Potentielle Rolle bei Schädigung von Endothelzellen in Blutgefäßen → Blutungen
	Metalloproteinasen, z.B. Kollagenase	Enzyme bauen extrazelluläre Matrixproteine ab, ermöglicht Eindringen in Gewebe und Organe Fördern Gewebeinvasion, fördern Ausbreitung der Infektion
Immunevasion	Antigenvariation	Umgehung der Immunabwehr → Längere Persistenz im Wirt, chronische Infektion
	Info Lipopolysachharid (LPS) bei Leptospira spp. Leptospira spp. haben als eine der wenigen Spezies der Klasse der Spirochäten LPS auf ihrer Zelloberfläche.

Die Tabelle erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.

Zusammenfassung

Die Gattung Treponema spp. umfasst dünne, spiral- oder schraubenförmige Bakterien, die der Ordnung der Spirochäten zugehören.

Sie sind gramnegativ und wachsen in mikroaerophilen oder anaeroben Umgebungen. Weiterhin kennzeichnend sind ihre langsame Teilungsrate und die Fähigkeit zur Persistenz im Wirt.

Zu den klinisch wichtigsten Vertretern zählt Treponema pallidum, der Erreger der Syphilis, sowie weitere Arten, die für nicht-venerische Treponematosen (z. B. Yaws und Pinta) verantwortlich sind.

Die Übertragung erfolgt überwiegend durch direkten Kontakt, meist sexuell oder durch Hautkontakt.

Die Diagnose erfolgt serologisch (z. B. TPHA, FTA-ABS) oder molekularbiologisch, da die Anzucht im Labor schwierig ist.

 Merke

Merkhilfe zu Treponema spp.

In unserer Merkhilfe zu den Erregern mit atpyischem Gramverhalten steht:

• Tee: für die Gattung der Treponema
• Hitze (des Tees): kann daran erinnern, dass die in der westlichen Welt am häufigsten vorkommende Spezies “Treponema pallidum”, als Erreger der Syphillis, v.a. bei (heißem) Geschlechtsverkehr übertragen wird

Taxonomie und Klassifikation

• Klasse: Spirochäten (Spirochaetia)
• Familie: Spirochaetaceae
• Ordnung: Spirochaetales
• Gattung: Treponema
• Spezies: 
  Wichtige humanpathogene Vertreter:
  • Treponema pallidum subsp. pallidum (Erreger der Syphilis)
  • Treponema pallidum subsp. endemicum (Endemische Syphilis, Bejel)
  • Treponema pallidum subsp. pertenue (Frambösie)
  • Treponema pallidum subsp. carateum (Pinta)

Morphologie und Charakteristik

• Morphologie: schraubenförmig (Spirochäten), periplasmatische Flagellen (= Endoflagellen)
• Größe: Länge ca. 6-20 µm, Breite ca. 0,1–0,2 µm
• Beweglichkeit: Korkenzieherartige, rotatorische Bewegung durch Endoflagellen, stark beweglich
• Gramfärbung: gramnegativ (schlecht anfärbbar), oft nur mit speziellen Färbetechniken sichtbar (Silberimprägnation)
• Verkapselung: keine Kapsel, jedoch zusätzliche äußere Hüllmembran
• Sauerstoffbedarf: anaerob bis mikroaerophil (wachsen am besten in sauerstoffarmen Umgebungen)
• Zellinvasion: nein, extrazellulärer Erreger

Epidemiologie & klinische Relevanz

 Info

Krankheitsbilder durch Treponema spp.

Bei den durch Treponema spp. übertragenen Krankheitsbildern unterscheidet man venerische (durch Geschlechtsverkehr übertragen) und nicht-venerische (nicht durch Geschlechtsverkehr übertragen):

Venerische Erkrankungen:

• Syphilis (auch genannt: Lues, Harter Schanker, Morbus Schaudinn / Schaudinn-Krankheit)

Nicht-venerische Erkrankungen:

• Bejel
• Frambösie
• Pinta

Genauere Informationen zu den jeweiligen Krankheitsbildern finden sich im entsprechend verlinkten Artikel.

 Info

Übertragung der Syphilis

Die Infektionswahrscheinlichkeit bei Geschlechtsverkehr mit einer mit Syphilis infizierten Person beträgt ca. 30%.

In der folgenden Tabelle werden einige der wichtigsten Virulenzfaktoren sowie Pathogenitätsmechanismen der Gattung “Treponema spp.” genauer beleuchtet.

Die Virulenzfaktoren wirken synergistisch, um Treponema spp. vor dem Immunsystem zu schützen, Gewebeinfiltration zu ermöglichen und systemische Infektion zu verursachen. Die Umgehung des Immunsystems ist eine der Hauptursachen dafür, dass bspw. Syphilis ohne Behandlung schwerwiegende chronische Verläufe mit sich bringen kann.

 Info

Prüfungsrelevanz

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

Pathogenitätsmerkmal	Virulenzfaktor	Funktionsmechanismus
Adhäsion	Adhäsionsmoleküle	Spezielle Proteine auf Oberfläche des Bakteriums können an Rezeptoren der Wirtszellen binden → Ermöglichen Anhaftung an Endothelzellen in Blutgefäßen → Infektion (Genaue Mechanismen noch nicht vollständig geklärt)
Gewebeinvasion	Hyaluronidase	Bakterielles Enzym → Baut Hyaluronsäure in extrazellulärer Matrix des Wirts ab Hyaluronsäure als wichtiger Bestandteil des Bindegewebes: ermöglicht Zellzusammenhalt → Zerstörung ermöglicht T. pallidum leichtere Bewegung durch Gewebe und schnelleres Vordringen → Schnelle Ausbreitung im Körper des Wirts → Erhöht Invasivität und Pathogenität der Infektion
Immunsuppression/Immunevasion	Fehlendes LPS Wenige Antigene auf Zelloberfläche	Äußere Membran enthält nur wenige Proteine, vorhandene sind strukturell versteckt Lipopolysaccharid-Schicht (LPS), als fester Bestandteil der Zellwand gramnegativer Bakterien, fehlt bei T. pallidum → Bakterium für Wirts-Immunsystem schwer erkenntlich → Immunsystem reagiert nur langsam und ineffektiv CAVE: chronische Infektion Langfristig: teils irreversible Gewebeschäden durch chronisch entzündliche Reaktion des Wirts (Herz, Gehirn, Nerven, Knochen) CAVE: Schäden nicht durch bakterielles Toxin, sondern durch Reaktion des Wirts

Die Tabelle erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit.