Im Focus

EHEC-Infektionen – eine beherrschbare Gefahr?

Von Ilse Zündorf und Theodor Dingermann

Die stetig steigende Zahl von schweren, zum Teil tödlich verlaufenden Durchfallerkrankungen als Folge von EHEC-Infektionen sorgt für Beunruhigung. Fieberhaft wird nach der Quelle gesucht. Als Auslöser stehen mit EHEC kontaminiertes rohes Gemüse, Gurken, Tomaten oder Salat unter Verdacht, doch eine eindeutige Bestätigung lag bis zum Redaktionsschluss noch nicht vor. Was macht diesen inzwischen näher charakterisierten Erreger so gefährlich? Wie ist die Situation einzuschätzen? Wie läßt sich die Gefahr bannen?
Grafik: Zündorf
Abb. 1: Die Zellwand der gram-negativen Bakterien ist charakterisiert durch eine dünne Mureinschicht und eine äußere Membran. Der dabei entstehende Raum zwischen Cytoplasmamembran und der äußeren Membran wird als Periplasmatischer Raum bezeichnet.

Das Robert-Koch-Institut hat den momentan kursierenden EHEC-Erreger folgendermaßen charakterisiert: ein Shigatoxin 2 (vtx2a, EQA Nomenclatur 2011, WHO Center E.coli SSI Copenhagen) produzierender, Intimin (eae)-negativer Stamm von E. coli Serotyp O104, der kein Enterohämolysin bildet. Er wird vom Leiter des Konsiliarlabors für Hämolytisch-Urämisches Syndrom am Universitätsklinikum Münster, Prof. Dr. Dr. h.c. H. Karch, als "HUSEC041 ST678" bezeichnet.

Was bedeutet das? Zunächst einmal handelt es sich um ein Escherichia-coli-Bakterium, also ein gram-negatives Stäbchen, das in seiner harmlosen Form als ganz normales Darmbakterium in unserem Körper vorkommt. Als gram-negatives Bakterium hat es eine Zellwand, die aus einer dünnen Mureinschicht und einer äußeren Membran besteht (Abb. 1). Bestandteile dieser äußeren Lipidbilayerschicht sind sogenannte Lipopolysaccharide, komplex aufgebaute Zuckerstrukturen, die antigene Determinanten, die O-Antigene, darstellen und über den Lipid-A-Bereich in der äußeren Membran verankert sind (Abb. 2). Beim Zerfall eines Bakteriums wird das hitzestabile Lipid A freigesetzt und wirkt als Endotoxin. Mittlerweile sind ca. 200 verschiedene O-spezifische Antigene, die man entsprechend durchnummeriert; in diesem Fall als O104. Eine weitere Typisierung erfolgt über das H-Antigen, das sich auf den Flagellen, also den "Fortbewegungsorganellen" der Bakterien befindet. Auch hiervon kennt man inzwischen ca. 60 verschiedene Varianten. und der EHEC-Ausbruchsstamm weist das Antigen H4 auf. Im Konsiliarlabor für HUS in Münster ist eine Referenzstammsammlung aller HUS-induzierenden E.-coli-Bakterien-Isolate (HUSEC) angelegt, die bisher von HUSEC001 bis HUSEC042 reichen (zu finden unter http://www.ehec.org). Der Serotyp O104:H4 hat in dieser Sammlung die Nummer HUSEC041. Seit 1998 wird für eine eindeutige Identifizierung eines pathogenen Bakterienstammes das Multilocus Sequence Typing (MLST) propagiert. Bei dieser Methode werden DNA-Bereiche innerhalb von typischerweise 7 Genen für lebenswichtige Proteine eines Bakteriums sequenziert und mit einer Datenbank abgeglichen (http://mlst.ucc.ie/mlst/dbs/Ecoli). Das momentan kursierende EHEC-Bakterium hat hier die Nummer ST678 und kann auf diese Weise von allen untersuchenden Laboratorien gleichermaßen sicher nachgewiesen werden. 4 dieser Gene werden jetzt vermutlich für den EHEC-Schnelltest herangezogen.


Grafik: Zündorf
Abb. 2: Eine Besonderheit der äußeren Membran gram-negativer Bakterien sind die Lipopolysaccharide. Die genaue Chemie des Lipid-A- und des Polysaccharidanteils – hier vor allem der O-spezifischen Seitenketten – ist von Spezies zu Spezies und innerhalb einer Spezies von Serotyp zu Serotyp unterschiedlich.

Wenn E. coli virulent werden

Gegenüber den normalen, avirulenten Formen unterscheiden sich die virulenten Escherichia-coli-Bakterien dahingehend, dass sie zusätzliche genetische Elemente in Form von Plasmiden und/oder Bakteriophagen aufgenommen haben, die wiederum für bestimmte Virulenzfaktoren codieren. Derartige Proteine, die von den produzierenden Bakterien abgegeben werden und den infizierten Organismus schädigen, werden allgemein Exotoxine genannt. Beispiele sind das Botulinumtoxin oder auch das Tetanustoxin. Für Exotoxine der im Darm lebenden Enterobakterien wird häufig der Begriff Enterotoxine verwendet und beschreibt dann Toxine, die recht spezifisch die Darmwand des Wirts schädigen. Enterotoxin-produzierende E.-coli-Bakterien werden "ETEC" abgekürzt. Das Kürzel "EHEC" steht demgegenüber für enterohämorrhagische E.-coli-Stämme, die beispielsweise das gefürchtete hämolytischurämische Syndrom (HUS) auslösen können.

Warum E. coli Shigatoxine produzieren

Shigatoxine (stx), die auch als Verotoxine (vtx) bezeichnet werden, gehören zu einer Gruppe strukturell und funktionell sehr ähnlicher Exotoxine, die man zunächst im Bakterium Shigella dysenteriae entdeckt hat und die von Lambda-ähnlichen Bakteriophagen codiert werden. Diese Phagen sind sehr mobile genetische Elemente und sorgen einerseits für die Ausbreitung, andererseits aber auch für eine genetische Diversifikation der befallenen Bakterien. Das Toxin wird dabei vor allem im lytischen Infektionsverlauf der Phagen exprimiert und besteht aus zwei Untereinheiten A und B, die im Periplasmatischen Raum des gram-negativen Bakteriums gefaltet und assembliert werden. Das fertige Toxin besteht aus einer enzymatisch aktiven A-Untereinheit (StxA) mit einer Molekülmasse von 32 kDa, die nicht-kovalent mit der B-Untereinheit, einem Pentamer aus 7,7 kDa großen B-Fragmenten, verknüpft ist. Dieses Pentamer ist für das Andocken des Toxins an den zellulären Rezeptor, das neutrale Glycosphingolipid-globotriaosylceramid (Gb3; CD77), verantwortlich. Anschließend wird das Toxin über Endozytose in die Zelle aufgenommen. StxA weist eine hoch-spezifische RNA-N-Glycosidase-Aktivität auf, modifiziert dadurch die eukaryontischen Ribosomen und verhindert so die Proteinbiosynthese. Daneben werden aber noch weitere zelluläre Prozesse beeinflusst, die beispielsweise in einer verstärkten Freisetzung von proinflammatorischen Zytokinen resultieren. Man konnte feststellen, dass Shigatoxine für viele Zellen toxisch sind, erstaunlicherweise jedoch nicht für Blutzellen; stattdessen stimulieren sie Thrombozyten, Monozyten und Neutrophile.

Grafik: Zürndorf
Abb. 3: Wirkmechanismus von Eculizumab Das Komplementsystem stellt eine wichtige Komponente des angeborenen Immunsystems dar. Je nach auslösendem Agens lassen sich verschiedene Wege unterscheiden. Als Komponenten sind verschiedene Proteine beteiligt, die z. T. als Zymogene wirken und mit C1 bis C9 abgekürzt werden. Nach einer initialen Aktivierung des Komplement-C1-Komplexes oder über einen Komplex aus dem Mannose-bindenden Lektin (MBL) mit den beiden Serinproteasen MASP-1 und MASP-2 wird zunächst C4 geschnitten und membranständiges C4b kann einen Komplex mit C2a eingehen. C4b2a wirkt als C3-Konvertase, spaltet C3 und bildet zusammen mit C3b die C5-Konvertase. Die Bildung von C5b führt schließlich zur Ausbildung des membrane attack complex (MAC). Beide initialen Aktivierungsschritte sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Eculizumab bindet an C5, inhibiert die Komplementkaskade und verhindert die Entstehung des terminalen membrane attack complex und damit die Hämolyse.

Für die initiale Schädigung der Darmwand scheinen nicht die Shigatoxine, sondern andere bakterielle Proteine verantwortlich zu sein, da die Darmzellen nur wenig Gb3 exprimieren. Oft ist das Protein Intimin hier involviert. Intimin ist ein Protein, das in der äußeren Membran der gram-negativen Bakterien vorkommen kann und für eine attaching-and-effacing-Läsion der Zielzelle verantwortlich ist. Der aktuelle EHEC-Stamm ist jedoch als Intimin (eae)-negativer E. coli-Stamm charakterisiert. Eben so wenig scheint in diesem Fall Hämolysin beteiligt zu sein. Dieses Protein ist typischerweise auf einem Plasmid codiert und stanzt eine Pore in die Membran der Zielzelle, was dann zur Hämolyse führt.

Wie Shigatoxin zur Gefahr wird

In einer kürzlich in Blood veröffentlichten Arbeit wurde gezeigt, dass Shigatoxin zusammen mit dem Lipopolysaccharid eines bestimmten EHEC-Serotyps (O157) auf der Oberfläche von Blutzellen die Komplementkaskade aktiviert. Am Ende der Aktivierungskaskade bildet sich ein Membran-attackierender Komplex aus, der normalerweise ein wichtiger Abwehrmechanismus unseres Immunsystems gegen Pathogene ist (Abb. 3). In diesem Fall führt er allerdings zur Lyse der Blutzellen und damit zum gefürchteten hämolytischurämischen Syndrom.

Hoffnungsträger Eculizumab

Auf der Basis dieser Beobachtung wurden drei 3-jährige EHEC-infizierten Patienten, bei denen trotz Dialyse bereits das Zentralnervensystem angegriffen war, mit dem Komplement-Inhibitor Eculizumab behandelt. Dieser Antikörper ist zugelassen zur Therapie der paroxysmalen nächtlichen Hämoglobinurie, bindet an das Komplementprotein C5 und verhindert dadurch die Ausbildung des Membran-attackierenden Komplexes (Abb. 3). Bereits nach der ersten Eculizumab-Infusion ging es den kleinen Patienten deutlich besser. Und nach zwei bzw. vier Infusionen konnten sie als geheilt entlassen werden. Aufgrund dieses erfolgreichen Therapieversuchs, der letzte Woche im New England Journal of Medicine veröffentlicht wurde, wird mittlerweile Eculizumab bei schweren Verläufen der aktuellen EHEC-Infektion eingesetzt.

Kommentar: EHEC – Anlass zu Hysterie?


Die Öffentlichkeit hat einen neuen Aufreger. Eine spezielle E.-coli -Variante ist aufgetaucht, die sehr schwere Komplikationen verursachen kann. Dies wird auch dadurch unterstrichen, dass bereits Menschenleben zu beklagen sind. Wird hier nach BSE und der Schweinegrippe die nächste Sau durchs Land getrieben?

Das verbindende Glied zwischen BSE, Schweinegrippe und dem EHEC-Problem besteht darin, dass es sich in allen drei Fällen um Epidemien handelt, die durch infektiöse Agentien verursacht werden. Ferner können aus allen drei Infektionen schwerste Komplikationen resultieren, die auch zum Tod führen können. Und dennoch gibt es Unterschiede.

BSE war vor inzwischen gut 10 Jahren DAS große Thema. Die Jüngeren erinnern sich daran kaum noch. Hier war das infektiöse Agens ein Protein. Es war nur dann infektiös, wenn große Mengen an belastetem Fleisch verzehrt worden waren, wobei allerdings der Nachweis einer Belastung nur äußerst schwierig zu erbringen war. Als Konsequenz wurden ganze Tierherden getötet, um vorbeugend das kaum zu kalkulierende Risiko so gering wie möglich zu halten. Die Öffentlichkeit verstand dies alles nicht und fühlte sich alles andere als gut informiert.

Bei der Schweinegrippe war das infektiöse Agens ein Virus mit einem sich schnell verändernden RNA-Genom. Die Infektiosität war sehr hoch, so dass betroffene Patienten streng isoliert werden mussten, weil das Virus durch Tröpfcheninfektion übertragen wird und somit die Verbreitung des Krankheitserregers über die Luft erfolgt. Zudem war lange nicht bekannt, wie virulent das Virus war. Als sich herausstellte, dass sich die schlimmen Erwartungen Gott sei Dank nicht in dem Maße bestätigten, wie man das durchaus seriös befürchten konnte, war das Urteil "Panikmache" schnell gefällt.

EHECs sind, wie wir wissen, weder Prionen noch Viren sondern Bakterien – allerdings besonders gefährliche Bakterien, die schwere Komplikationen verursachen und nicht antibiotisch behandelt werden können (siehe oben). Sie werden allerdings weder durch "normale" Nahrung, wie im Falle von BSE, noch durch Aerosole, wie im Fall der Schweinegrippe, sondern durch fäkal verunreinigte Nahrung aufgenommen. Die Empfehlung hinsichtlich einer Infektionsprophylaxe lautet hier also, rohes Gemüse oder Obst nur nach sorgfältigem Waschen zu verzehren. Diese Empfehlung ist aber offensichtlich so trivial und selbstverständlich, dass sie nicht durchschlagend zu vermitteln ist. Stattdessen wird bereits wild spekuliert, dass die Bakterien vielleicht gar nicht allein durch Waschen entfernt werden könnten, sondern durch die sehr effiziente Schutzschicht der Cuticula und Epidermis intakten Pflanzenmaterials in tiefere Schichten der Gurken oder Tomaten eindringen würden.

So beginnt sich ein Apparat in Bewegung zu setzen, wie wir ihn aus den Zeiten der BSE- und Schweinegrippe-Epidemien kennen. Mit großer medialer Begleitung und unter Bekanntgabe sämtlicher nicht bestätigter Zwischenergebnisse wird nach dem Typ des infektiösen Agens gesucht, es wird nach der Infektionsquelle geforscht, es wird vor dem Verzehr jeglicher Frischkost gewarnt, vor allem wenn sie aus Norddeutschland kommt usw. All dies sind offensichtlich richtige und notwendige Maßnahmen, denn die so einfache Empfehlung, frisches Obst und Gemüse nur nach sorgfältigem Waschen zu verzehren, wird weder gehört noch verstanden. Sie ist einfach zu unspektakulär, zu selbstverständlich.

Und das ist dann auch die Chance für alte Bekannte. Unter der Überschrift "EHEC-Infektion: Cystus als ‚Phyto-Christo‘" lasen wir eine Pressemitteilung, in der eine Lösung des Problems mit Cystus052® erläutert wurde:

Zitat: "So wie der Künstler Christo den Reichstag verpackt hat, ummanteln diese besonders langkettigen und vernetzten Pflanzenstoffe (so genannte hochpolymere Polyphenole) Krankheitserreger wie Bakterien oder Viren und verhindern deren Andocken an Zellen oder Gewebe. Dies führt letztlich zu einer Entlastung des Immunsystems – nach dem Motto "Hilfe zur Selbsthilfe durch Pflanzenkraft" – Zitat Ende.

Ein merkwürdiger Vergleich, wie wir finden, der wohl darauf abzielt, dass man adstringierende Pflanzeninhaltsstoffe wie Gerbstoffe gern bei leichten Durchfallerkrankungen einsetzt. Aber wohlgemerkt: Bei leichten Durchfallerkrankungen! Dagegen erfordert eine manifeste EHEC-Infektion eine intensiv-medizinische Behandlung, um Schlimmstes zu vermeiden.

Wir sind uns aber sicher, dass die Kolleginnen und Kollegen in den Apotheken kompetent und richtig beraten, denn vor EHEC kann man sich wirksam schützen, ohne auf etwas verzichten zu müssen.


Dr. Ilse Zündorf und Prof. Dr. Theodor Dingermann


Literatur:

http://www.rki.de

Johannes L, Römer W: Shiga toxins: from cell biology to biomedical applications. Nat Rev Microbiol. 2010 Feb;8(2):105 – 16.

Cookson AL, et al.: Molecular Subtyping and Genetic Analysis of the Enterohemolysin Gene (ehxA) from Shiga Toxin-Producing Escherichia coli and Atypical Enteropathogenic E. coli. Appl Environ Microbiol. 2007 October; 73(20): 6360 – 6369.

Ståhl AI, et al.: Complement activation on platelet-leukocyte complexes and microparticles in enterohemorrhagic Escherichia coli– induced hemolytic uremic syndrome. Blood 2011; 117(20): 5503 – 13.

Lapeyraque Al, et al.: Complement Blockade in Severe Shiga-Toxin-Associated HUS. N Engl J Med. 2011 May 25. [Epub ahead of print]


Autoren

Dr. Ilse Zündorf, Prof. Dr. Theodor Dingermann, Institut für Pharmazeutische Biologie, Biozentrum, Max-von-Laue-Str. 9, 60438 Frankfurt/Main



DAZ 2011, Nr. 22, S. 46