Escherichia coli - Colibacillose

Definition | Erreger   | Anatomie | Fortpflanzung | Übertragung | Krankheit   | Diagnose   | Therapie   | Vorbeugung

Allgemeines

E. coli EMK ZellteilungEscherichia coli gehört zu der Familie der Enterobacteriaceae   (Darmbakterien). Dieses Bakterium   ist der am besten untersuchte Keim, den wir zurzeit kennen. Jonathan Beckwith gelang bereits 1969 die Isolierung eines einzelnen Gens aus dieser Bakterie. Das verhältnismäßig kleine Erbgut dieses Bakteriums enthält nur 4,65 x 106 Basenpaare, was etwa 5.000 Genen entspricht. 1997 konnte es vollständig entschlüsselt werden. In der modernen Genforschung wird E. coli auch wegen des schnellen Wachstums, einfacher Vermehrung und dem unkomplizierten Einbringen von Säuger-DNS-Sequenzen sehr geschätzt. Der Pharmaindustrie wird  ermöglicht, menschliches Insulin oder Interferon   von diesen Bakterien   produzieren zu lassen, um chemisch sehr komplexe Arzneimittel zur Therapie von Mensch und Tier zur Verfügung stellen zu können.

Dieses Bakterium besiedelt den menschlichen und tierischen Darm nach nur 40 Stunden post partum (nach der Geburt  ). Es lebt dort als Parasit   in Komensalismus (Fressgemeinschaft) mit dem Wirt. Da E. coli von der im Verdauungstrakt befindlichen Nahrung lebt, bildet es einen kleinen Teil der Darmflora. Im Verhältnis zu den zahlreich vorkommenden Bakteroides-Arten im Darm kommt Escherichia coli im Verhältnis von etwa 1:20 vor. Zur E.coli gehören über 700 unterschiedliche Serotypen, die durch ihre O-, H-, und K- Antigenstrukturen identifiziert werden können. Innerhalb der Darmflora veranlasst E.coli ein dauerndes Training   der Darmschleimhaut, die das Abwehreiweiß Immunglobulin A produziert und somit die Darmflora unter Kontrolle hält. Ein weiterer Nutzen dieser Bakterie liegt in der Umwandlung von pflanzlichem Vitamin K1 (Phytomenadion) in das vom Körper benötigte Vitamin K2, das eine wichtige Rolle bei der Blutgerinnung spielt. Vor allem Hund, Katze, Wiederkäuer   und Pferd erhalten ausreichend Vitamin K über die Darmflora. Bei Menschen kann es gelegentlich zu Engpässen kommen und bei Geflügel   sind Mangelzustände aufgrund des sehr kurzen Darms nicht selten. Escherichia coli ist in der Umwelt ein Indikator für mit Fäkalien verschmutztes Wasser. Das Bakterium reagiert auf Veränderungen der Umwelt, wie z. B. chemische Einflüsse, Temperaturänderungen, pH-Wert-Verschiebungen, Antibiotikaeinfluss; recht beachtliche Dinge für einen Organismus  , der aus nur einer einzigen Zelle   besteht.

Gelingt es E.coli, einen neuen Lebensraum zu erobern, kann dieser gute und nützliche Organismus sich in einen pathogenen (krankmachenden) Erreger verwandeln. Er kann die Fähigkeit erlangen, Giftstoffe zu produzieren oder gar Resistenzen gegen Antibiotika   entwickeln. Das Wissen der Resistenz gegenüber bakteriellen Hemmstoffen kann der Keim an andere Bakterien übermitteln, so dass diese Erreger, die vielleicht niemals Kontakt mit Antibiotika hatten, plötzlich immun gegen antibiotische Medikamente   werden.
Escherichia coli ist hauptsächlich für Darmerkrankungen und Harnwergserkrankungen verantwortlich, auch Atemwegsinfektionen, Wundinfektionen, Ohrentzündungen und Hirnhautentzündungen sind möglich. Die häufigste und bekannteste Erkrankung   ist die Reisekrankheit beim Menschen. Wenn während einer Fernreise Durchfallerkrankungen auftreten, steckt in den meisten Fällen E.coli dahinter.

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Erreger

E.coli lichtmikroskopischEscherichia coli stellt sich bei lichtmikroskopischer Betrachtung entweder als ein kurzes Stäbchen mit abgerundeten Ecken oder als kokkoides Bakterium dar. Die Größe variiert bei 1,1-1,5 x 2-6 µm. Einige Arten sind beweglich und verfügen zu diesem Zweck über Geißeln. Sie können einzeln oder paarweise auftreten. Die Bakterien sind häufig mit einer äußeren Schleimschicht bekapselt, die es ihnen ermöglicht, in der Umwelt besser zu überleben. Diese Keime bilden Säure und sind bei der Färbung nach Gram   negativ, also rot.

E. coli BlutagarE.coli kann auf den meisten Nährböden, die etwas Glukose enthalten, ohne Probleme angezüchtet werden. Es kann sich um feste, in Petrischalen gegossene Nährmedien wie auch flüssige Nährböden handeln. Dabei vermag die Bakterie sowohl unter aeroben Bedingungen (Sauerstoff 21 %, Stickstoff 79 %) als auch unter anaeroben Bedingungen ohne Sauerstoff in einer speziellen Atmosphäre (Wasserstoff 10 %, Kohlendioxid 10 % und Stickstoff 80 %) zu gedeihen. Da der Keim bei Bedarf auf Sauerstoff verzichten kann, wird er als fakultativ anaerob   bezeichnet.

 

Diff E.coliMithilfe von speziellen Nährböden können besondere Eigenschaften oder Wachstumscharakteristiken der Bakterien dargestellt werden. Auch kann der gesuchte Keim direkt durch einen Farbumschlag oder durch eine bestimmten Pigmentierung sichtbar gemacht werden. Auf dem roten Blutagar links ist um die Kolonien der Bakterien ein hellgelber Bereich erkennbar, der durch die blutzellenzerstörenden Eigenschaften (Hämolyse  ) der Keime verursacht wird. In der Mitte zeigt der bläuliche CLED-Agar schleimig wachsende Bakterien, die Kolonien verlaufen  ineinander. Der helle Urochromogen-Nährboden zeigt E. coli als rosa Punkte, die sich deutlich von der unterdrückten Begleitflora (weiße Punkte) unterscheiden.

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Anatomie eines Bakteriums

Bakterien sind Prokarionten und verfügen über keinen Zellkern mit einer Kernmembran. Sie sind mit wenigen Ausnahmen Einzeller. Im Zentrum des Zytoplasmas   befindet sich der Nukleusbereich (1), bei dem, im Gegensatz zu den Eukarionten (echte Zellen mit Zellkern), die Erbsubstanz lose im Kernbereich verteilt ist. Im Fall von E.coli handelt es sich um Desoxiribonukleinsäure (DNS), die mit etwa 5.000 Genen aufwarten kann. Die Ribosome (2) der Bakterien sind die Leseeinheiten für das Erbgut, mit deren Hilfe dann Stoffe, wie beispielsweise komplizierte Eiweißmoleküle, gebildet werden können. Die Ribosome der Bakterien unterscheiden sich deutlich von jenen der Säugetiere. So können einige Antibiotika (z. B. Streptomycin) die Ribosome blockieren und eine Synthese   von lebensnotwendigen Stoffen für das Bakterium unterbinden, was dann zweifelsohne zum Tod des Mikroorganismus   führt. Im Zytoplasma (4) eines Bakteriums sind dessen "Organe", die Organellen  , untergebracht. Die zytoplastische Membran (5) umhüllt das Zytoplasma und erlaubt das kontrollierte Eindringen von Nährstoffen in das Bakterium und hilft bei einer kontrollierten Ausscheidung von Stoffen. Durch die Bildung von Einstülpungen, die dann durch Abschnürung Vakuolen   (3) bilden, können auch größere Materialien in das Bakterium transportiert werden. Die Zellwand (7) ist ein für Bakterien typischer Zellbestandteil, der dem Bakterium seine Form und Stabilität verleiht. Einige Antibiotika (z. B. Penicillin) schädigen die Zellwand, so dass der Keim einfach zerplatzt. Bei vielen Keimen wird die Zellwand der Bakterie mit einem Schutzmantel verkleidet, z. B. einer Schleimschicht (8) -, die das Bakterium viel widerstandsfähiger macht. Das Kapsel-A-Antigen   befindet sich auf der Zellwand und kann mit Spezialfärbungen leicht nachgewiesen werden. Auf der Bakterienoberfläche befinden sich bei einigen Bakterien kleine, haarartige Strukturen, die Fimbrien oder Pili (9), die es der Bakterie ermöglichen, sich an die Wirtszelle anzuheften. Das Mesosom   (10) kommt nicht bei allen Bakterien vor, es wird postuliert, da es sich um eine Einstülpung der Plasmamembran handelt, die bei der Zellatmung eine Rolle spielt. Da die Mesosomen im Bereich der Kernregion gefunden werden, wird ihnen auch eine Rolle bei der Zellteilung und der DNS-Replikation zugeschrieben. Einige Autoren behaupten, dass es sich um ein Artefakt handelt, welches beim Schneiden der Bakterien auftritt. Die langen Geißeln (11) oder Flagellae dienen der Fortbewegung des Bakteriums, kommen aber nicht bei allen Bakterien vor. Sie enthalten die H-Antigene, die im Fall von E. coli unter anderem zur Identifizierung des Keimes genutzt werden können.

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Fortpflanzung der Bakterien - Konjugation

Bei dem Bakterium E. coli wurde 1946 von Lederberg und Tatum ein sexueller Genaustausch dokumentiert. Als Voraussetzung zur sexuellen Fortpflanzung gilt die Produktion eines

ecoli konjugationkonjugativen Pilus 6 (Sexpilus), der einen hohlen Schlauch zum genetischen Austausch ausbildet. Dabei stellt der Donor (Spender) 1 dem Rezipienten (Empfänger) 2 einen DNS-Strang, der durch den Pilus fließt, zur Verfügung. 3 sind die spezifischen Merkmale der Donorzelle, die der Erkennung dienen. Die Fimbrien 4 und die Flagellae 5 wurden in dem anatomischen Abschnitt bereits erwähnt. Die Donorbereitschaft ist genetisch vorgegeben. Das zirkuläre, extrachromosomale Stück einer Doppelstrang-DNS mit etwa 50-100 Genen, das selbsttätig vervielfältigt werden kann, wird als Plasmid bezeichnet. Mittels eines solchen Plasmids kann ein Bakterium die notwendige Information der Resistenzbildung gegenüber einem bestimmten Antibiotikum   übertragen, ohne dass der zweite Keim jemals Kontakt mit dem besagten Antibiotikum gehabt hat. Diese Eigenschaft stellt ein besonderes Problem für die Therapie mit Antibiotika dar. Diese Plasmide kontrollieren auch die Bildung von Haemolysinen (besitzen die Eigenschaft, rote Blutzellen zu zerstören) oder die Bildung von Enterotoxinen, wie z. B. Velotoxine, die auch an andere Keime weitergegeben werden können, was die Pathogenität   (krankmachende Eigenschaften) der Keime ausmacht.

Da von E.coli über 700 unterschiedliche Serotypen mit den Antigenen O, H, und K bekannt sind und diese Keime sehr anpassungsfähig sind, können nur spezielle Laboratorien, die über geeignete Untersuchungsverfahren verfügen, eine genaue Keimbestimmung durchführen. In den meisten Fällen genügt es aber, pathogene (krankmachende) Eigenschaften zu bestimmen. Dies gelingt z. B. durch den Nachweis von Haemolyse, shigelaähnlichen "Invasinen", die das Eindringen des Bakteriums in Zellen ermöglichen, Toxinbildung, die das Abwehrsystem unterdrückt sowie das Resistenzverhalten gegen Antibiotika.

Gelingt es E. coli, seine gewohnte Umgebung des Magendarmtraktes zu verlassen, erlangt dieses Bakterium fast immer pathogene Eigenschaften, die am Beispiel des Menschen aufgezeigt werden sollen:

Die häufigsten Infektionen   sind Harnwegsinfekte, bei denen Keime vom Analbereich in den Genitalbereich verschleppt werden. Dabei treten Infektionen bei Frauen 14 Mal häufiger als bei Männern auf. Mit der Hilfe von besonderen Stoffen heften die Keime sich an die Blasenwand an. In harnwegspathogenen E. coli sind die P-Fimbrien für diese Hafteigenschaften verantwortlich. Die Haemolysine sind nicht nur für die Zerstörung der roten Blutzellen verantwortlich. Alpha-Hämolysin zerstört die Lymphozyten   der weißen Blutkörperchen, die beta-Hämolysine   verhindern die Erkennung (Chemotaxis) und die Verdauung (Phagozytose) durch die neutrophilen weißen Blutkörperchen. Die Hirnhautentzündung bei Neugeborenen ensteht durch das Einbrechen von E. coli vom Darm oder durch den Nasenrachenraum in den Blutkreislauf. Die Bakterien besiedeln dann die Hirnhäute des Neugeborenen, wo sie sich einnisten und ihr Unwesen treiben. Eine solch schwere Erkrankung muss mit Antibiotika behandelt werden.

Darmerkrankungen, an denen E. coli überwiegend beteiligt ist, werden hauptsächlich durch Enterotoxine (Darmgifte) mit speziellen Hafteigenschaften und Ausschwärmverhalten verursacht. Die Bakterien der Gruppe Escherichia coli (E. coli) können wie folgt eingestuft werden:

Enterotoxogene E. coli (ETEC) - verursachen häufig die Durchfallerkrankungen bei Reisen in fremde Länder, speziell bei Kindern. Das Bakterium kann nicht in die Zellen eindringen, verursacht aber wässrigen Durchfall, der durch die Hilfe von Giftstoffen (Toxinen) ohne Entzündungsreaktionen und Fieber verläuft.
Enteropathogene E. coli - (EPEC) - sind Bakterien, die wässrigen Durchfall bei Kleinkindern verursachen. Die Erkrankung verläuft mit Entzündungssymptomen, aber ohne Fieber. Diese Bakterien zeigen eine geringradige Tendenz der Invasion in das Gewebe  .
Enteroagregative E. coli (EaggEC)- werden mit persistierenden (anhaltenden) Durchfällen bei Kleinkindern assoziiert. Es treten keine Entzündungssymptome und kein Fieber auf - durch die Bildung von Toxinen.
Enteroinvasive E. coli (EIEC - diese Bakterien sind mit ihrem Krankheitsbild dem der Shigellen sehr ähnlich. Sie dringen in die Zellen der Dickdarmschleimhaut ein und führen zu großflächigen Gewebeschäden. Das klinische Bild ist identisch mit dem der Shigellen: schwerste Durchfälle mit hohem Fieber.
Enterohaemoragische E. coli (EHEC)- werden durch einen einzigen Stamm repräsentiert, dem Serotyp O157:H7. Diese Bakterien führen zu schwerwiegenden blutigen Durchfällen ohne Fieber. Durch die Giftstoffe werden die Zellen der Dickdarmwand und der Blutgefäße zerstört. Sie können beim Verzehr von ungenügend erhitzten Frikadellen und Hamburgern aus Rindfleisch oder Hammelfleisch aufgenommen werden. Durch die Giftstoffe dieses Keimes kann ein hämolytisch  -urämisches Syndrom entstehen, das zu Nierenversagen führen kann. Bei 10-20 % der erkrankten Personen kann die Infektion   zum Tod des Patienten durch Nierenversagen führen. Die lebensbedrohliche Situation entsteht durch die Freisetzung eines dem Shiga-Toxin   sehr ähnlichen Giftstoffes, dem Velotoxin, das sehr heftige Entzündungsreaktionen in der Niere auslöst. Dieses Bakterium besitzt nur eine gering-invasive Eigenschaft.

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Übertragung

Eine Übertragung erfolgt durch Aufnahme von verschmutzter Nahrung und Trinkwasser, unhygienischer Unterbringung in Stallungen, Wurfkisten etc. Schmierinfektionen vom Afterbereich zum Urogenitalbereich sind besonders während Durchfallerkrankungen und Steinleiden wahrscheinlich.

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Krankheit

Wie bereits für den Menschen erläutert, sind die am häufigsten verursachten Erkrankungen, die durch E. coli-Infektionen des Verdauungsapparates vor allem bei Neugeborenen und Jungtieren auftreten, schwere Durchfälle mit Todesfolge. Diese gefürchteten Darmerkrankungen können bei allen Nutztieren auftreten, wie beispielsweise bei Kälbern, Schweinen und Geflügel, wo es zu großen wirtschaftlichen Bestandsverlusten kommen kann. Haustiere wie Hunde und Katzen sind etwas widerstandsfähiger, können aber auch betroffen sein. Heimtiere  , beispielsweise Kaninchen, Ratten, Chinchillas, Hamster etc. oder Reptilien   können der Coli  -Dysenterie (die sog. Ruhr) zum Opfer fallen. In den Harnwegen ist der Keim besonders häufig bei weiblichen Katzen und Kaninchen anzutreffen, aber auch andere Haustiere wie Hunde, Pferde   und Schweine   können betroffen sein.

Durch das Schwärmverhalten einiger E. coli sind oftmals Kälber und Lämmer betroffen als andere Tiere. Hier können Blutvergiftungen und Besiedlung von Organen folgen.

Infektionen des Genitaltraktes mit E. coli kommen häufiger bei Pferden vor.

Es kann abschließend gesagt werden, dass bei diesem doch so anpassungsfähigen Keim eine Vielzahl an Krankheitsbildern auftreten kann, dies wiederum bedarf einer guten Diagnostik und einer sorgfälltigen therapeutischen Behandlung  .

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Diagnose

Die Diagnose kann durch bakteriologische Isolierung, Anzüchtung und mittels biochemischer diagnostischer Verfahren durchgeführt werden. Dabei werden die Stoffwechseleigenschaften der Keime sowie die pathogenen Eigenschaften, z. B. Eigenschaft, Sorbitol zu verstoffwechseln, Hämolyse und Toxinbildung, überprüft. In speziellen Laboratorien kann der Keim auf seine Antigenstrukturen, wie Adhäsine, Schwärmeigenschaften etc. untersucht werden.

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Therapie

Bei leichten Krankheitsfällen ist keine antibiotische Behandlung notwendig, sondern lediglich ein Futterentzug. Für einen Zeitraum von etwa 24 Stunden ist nur eine Zufuhr von Flüssigkeit (siehe Rehydratation), gefolgt von einer leicht verdaulichen Magen- und Darm-Schonkost als Diät angezeigt.

Bei schwerwiegenden Erkrankungen, die durch E. coli verursacht werden, müssen Antibiotika verabreicht werden (zuvor sollte eine Resistenzprüfung erfolgt sein). Die Gabe von Kortikoiden, Infusionen und anderen therapeutischen Maßnahmen muss den Umständen entsprechend angepasst werden. Die Therapie sollte unter tierärztlicher Aufsicht in einer Tierklinik   erfolgen.

Schluckimpfungen sind sinnvoll bei wiederkehrenden Erkrankungen:

Uro-VaxomEinige pharmazeutische Unternehmen bieten bestimmte E.coli Stämme als Schluckimpfung an, um beim erkrankten Menschen oder Tier über den Darm das Abwehrsystem insoweit zu stärken, dass beispielsweise wiederkehrende Harnwegsinfektionen, die durch E. coli verursacht werden, von den körpereigenen Abwehrmechanismen erkannt und somit rechtzeitig bekämpft werden können. Bei diesen verschreibungspflichtigen Medikamenten ist eine kontrollierte Verabreichung durch den Tierarzt   unbedingt erforderlich! Eine Behandlung kann über einem Zeitraum von über neun Monaten erforderlich sein.

AutovaccineAutovaccine: Bei wiederkehrenden Harnwegsinfektionen mit E.coli kann der Tierarzt auch Keime aus dem Urin des erkrankten Tieres an ein Speziallabor einschicken, damit ein Autovaccin (Eigenimpfstoff) hergestellt werden kann, das als Schluckimpfung verabreicht wird. Dieses Medikament   wird vom Tierhalter selbst ein Mal täglich im Abstand von 24 Stunden über einen Zeitraum von zehn Tagen mit dem Futter verabreicht. Für den Erfolg ist darauf zu achten, dass der Tierhalter auf die vollständige Aufnahme der vom Tierarzt verschriebenen Dosis achtet. Die Behandlung erfolgt im Regelfall über einen Zeitraum von Tagen.

Bakterienpräparate zum Aufbau der Darmflora:

MutaflorBakterienpräparate zum Aufbau der Darmflora sind in den meisten Fällen rezeptfrei zu kaufen. Dennoch sollte der Einsatz vom Tierarzt genehmigt und die Verabreichung unter tierärztlicher Kontrolle erfolgen.

Diese Medikamente führen spezielle gute Darmbakterien der Darmflora zu, die schlechte, krankmachende Keime verdrängen (nicht jeder pathogene Keim kann verdrängt werden, eine bakteriologische Kotuntersuchung kann klären, ob probiotische Keime oder bestimmte E. coli- Stämme notwendig sind). Durch die Verstoffwechslung im Darm setzen diese Bakterien bestimmte Stoffe frei, die zur Regeneration der Darmflora beitragen und die erkrankte Darmschleimhaut abheilen lassen. Dies ist kein Allheilmittel, sondern ein Werkzeug, das bei einer guten Diagnose auch viel zur Heilung beitragen kann.

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Vorbeugung

Vor allem sind hygienische Maßnahmen von besonderer Bedeutung zur Vorbeugung der durch E. coli verursachten Infektionen. Krankheiten  , die vor allem Jungtiere betreffen und zu hohen wirtschaftlichen Bestandsverlusten führen, können durch entsprechende Impfprophylaxen eingedämmt werden. Für Rinder   und Schweine stehen Impfstoffe zur Verfügung.

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