Mykobakterien

Mykobakterien (Mycobacterium) sind Bakterien der Familie Mycobacteriaceae mit der einzigen Gattung Mycobacterium, welche um die 100 Arten umfasst. In dieser Gattung sind wichtige Krankheitserreger, wie Mycobacterium tuberculosis (Tuberkulose) und Mycobacterium leprae (Lepra) vertreten. Auch für Tiere gefährliche Arten, wie der Erreger der Rindertuberkulose (Mycobacterium bovis), sind in dieser Gattung zu finden.

Sie sind mit der Gram-Färbung schlecht anzufärben, ihr Zellwandaufbau entspricht aber weitgehend dem Wandaufbau grampositiver Bakterien, d.h. die Zellwand besitzt keine äußere Membran und besteht aus einen mehrschichtigen Peptidoglykan (Murein). Die Einordnung zu den grampositiven Bakterien wurde auch durch RNA-Analysen bestätigt. Aufgrund des hohen GC-Gehaltes in ihrer DNA werden sie zu den Actinobacteria, eine eigene Abteilung von grampositiven Bakterien gestellt.

Die Gattung wird in drei Gruppen unterteilt:

• Der Mycobacterium tuberculosis-Komplex, die Erreger der Tuberkulose (u.a. Mycobacterium tuberculosis, M. bovis, M. microti und M. africanum)
• Mycobacterium leprae, der Auslöser der Lepra
• Alle restlichen Arten werden zu den nichttuberkulösen Mykobakterien gestellt, auch als MOTT (mycobacterien other than tuberculose) bezeichnet. Es handelt sich um frei lebende Bakterien, die nur selten krankheitserregend wirken (fakultativ pathogen).

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Allgemeine Merkmale

Die Mykobakterien zählen zu der Ordnung Actinomycetales. Sie sind meist stäbchenförmig und bilden nur selten in älteren Kulturen Verzweigungen, die dann oft wieder in Kokken (Kugelbakterien) oder Stäbchen zerfallen. Im Gegensatz hierzu bildet die Mehrzahl der Aktinomyzeten fadenförmige, verzweigte Zellen, die den von Pilzen gebildeten Mycelien gleichen, man spricht von den filamentösen Aktinomyzeten. Auf dieser Eigenschaft beruht auch der Name, Aktinomyzeten bedeutet soviel wie "Strahlenpilze" (griechisch "aktis" für Strahl und "mykes" für Pilz).

Mykobakterien sind durchweg aerob, der Stoffwechsel ist chemoorganotroph, d.h. sie benötigen Sauerstoff und organische Stoffe zum Wachstum. Sie bilden keine Sporen und sind unbeweglich. Wichtige Merkmale sind die Säurefestigkeit, die durch die Ziehl-Neelsen-Färbung nachweisbar ist und das langsame Wachstum.

Viele der nichttuberkulösen Mykobakterien, wie z.B. Mycobacterium fortuitum leben als Saprophyten frei in der Umwelt (Boden, auch Süß- und Meerwasser). Die normalerweise freilebenden Bakterien können unter Umständen bei Menschen mit geschwächten Immunsystem Krankheiten verursachen (fakultativ pathogen). Einige sind auch gefährliche Krankheitserreger für Tiere und können in der Tierhaltung bzw. Landwirtschaft große Probleme verursachen. Mycobacterium avium zählt zu den nichttuberkulösen Mykobakterien und löst die Geflügeltuberkulose bei Vögeln aus, kann aber beim Menschen auch Lungenerkrankungen verursachen. Mycobacterium bovis zählt zu den Mycobacterium tuberculosis-Komplex und ist in erster Linie für Kühe als Tuberkuloseerreger gefährlich, kann aber auch auf den Menschen übertragen werden.

Die meisten Vertreter des obligat pathogenen Mycobacterium tuberculosis-Komplexes leben als obligat intrazellulärere Parasiten in Makrophagen. Virulenzfaktoren sind nicht bekannt, allerdings schützt ihr besonderer Wandaufbau, der wachsartige Substanzen und Mykolsäuren enthält, vor äußeren Einflüssen. Durch den Wandaufbau entsteht auch die charakteristische Säurefestigkeit.

Charakteristisch für alle Mykobakterien ist das, im Vergleich zu anderen Bakterien äußerst langsame Wachstum. In Bezug auf die Wachstumsgeschwinigkeit werden die Mykobakterien in zwei Gruppen unterteilt: Die "Slow growers" mit einer Generationszeit von 6 - 24 Stunden und die "Rapid growers" mit einer Generationszeit von 1 - 4 Stunden. Zum Vergleich beträgt die Generationszeit von Escherchia coli 20 Minuten. Schnell wachsende Mykobakterien bilden innerhalb einer Woche makroskopisch sichtbare Kulturen, langsam wachsende benötigen hierfür bis zu 8 Wochen. Unter den langsam wachsenden Mykobakterien sind die meisten (obligaten oder faklutativen) Krankheitserreger zu finden, viele der "rapid growers" sind apathogen. Die Unterteilung in langsam und schnell wachsende Mykobakterien ist auch phylogenetisch relevant^[1], sie spiegelt evolutionäre Verwandtschaftsverhältnisse wieder.

Zellwandaufbau

  Eines der Hauptmerkmale von Mykobakterien ist, dass ein Großteil der Zellwandbestandteile als Antigenkomponenten wirken. Sie rufen im Organismus eine Immunreaktion hervor und führen zu einer Allergie vom Spättyp (Typ IV). Die bekannteste Reaktion ist die Tuberkulinreaktion.

Charakteristisch ist der hohe Lipidgehalt der Zellwand, die Mykolsäuren und speziell bei Mycobacterium tuberculosis und Mycobacterium bovis der Cord-Faktor, die Verbindungen der Mykolsäuren mit dem Disaccharid Trehalose. Durch den Cord-Faktor kommt es zu dem schnur- oder zopfartigen Wachstum in älteren Kulturen.

Die sehr hohe Säurefestigkeit (engl.: acid-fast) kommt durch die langkettige Mykolsäuren zustande. An jeder 10ten N-Acetylmuraminsäure (welches zum Rückgrat des Peptidoglycan gehört) ist ein Arabinogalaktankomplex gebunden. Dieser besteht aus einem linearen Galaktose-Strang und ist verzweigt mit Arabinose-Ketten. An diese Komplexe sind wiederum Mykolsäuren gebunden. Die Zellwand der Mykobakterien hat demnach so etwas wie einen weiteren äußeren Bilayer.

Aufgrund dieses Zellwandaufbaus besitzen sie eine sehr hohe Widerstandsfähigkeit. Dies bewirkt, dass die obligat parasitären Mykobakterien auch in der freien Natur unter günstigen Bedingungen mehrere Monate infektionsfähig bleiben ^[2] und mit wenigen Ausnahmen (z.B. Streptomycin oder Kanamycin) gegen die meisten Antibiotika resistent sind. Auch gegen die meisten Laugen und Säuren sind sie widerstandsfähiger als andere Bakterien. Die Säurefestgkeit ist durch die Ziehl-Neelsen-Färbung nachweisbar. Die Bakterienzellen lassen sich nach Einfärbung mit Anilinfarbstoffen (z.B. Karbolfuchsin) mit Säure nicht mehr entfärben. Ein Effekt, den Paul Ehrlich in Zusammenarbeit mit Robert Koch im Jahre 1882 erstmals bemerkte. Die Säurefestigkeit tritt nur bei wenigen Bakterienarten, wie Nocardia, Rhodococcus und Corynebacterium, auf.

Vorkommen

Die Mehrzahl der nichttuberkulösen Mykobakterien (MOTT) ist im Gegensatz zu dem meist auf die Wirte angewiesenen Mycobacterium tuberculosis-Komplex ubiquitär, sie leben frei in der Umwelt. Man geht davon aus, das der größte Teil der Arten saprophytisch, d.h von sich zersetzenden organischen Stoffen, leben. Nur wenige der um 100 Arten sind als Parasiten auf den Wirt als Lebensort angewiesen. Sie wurden aus dem Boden und Grundwasser, Staub sowie Süß- und Meerwasser nachgewiesen^[3].

Beispiele für im Boden vorkommende Mykobakterien sind der Mycobacterium terrae-Komplex (M. terrae, M. triviale und M. nonchromogenicum^[3]) und M. fortuitum. Letzterer wurde auch aus Meerwasser isoliert, weitere im Meer gefundenen Arten sind Mycobacterium chelonae, M. marinum und M. gordonae. Einige Arten kommen in durch menschlichen Einfluss enstandende künstliche Umgebungen, wie Abwasser, Klärschlamm oder Trinkwasser vor^[3]. Im Trinkwasser wurden häufig Arten wie Mycobacterium gordonae, M. chelonae subsp. chelonae und M. flavescens nachgewiesen. Die im emglischen auch unter den Namen „tap water bacillus“ bekannte Art M. gordonae ist im Trinkwasser das wohl am häufigsten Mykobakterium. Einige Arten, wie M. kansasii und M. avium, sind sogar in der Lage sich in aufbereiteten (destilierten) Trinkwasser zu vermehren und lassen sich schlecht aus infizierten Leitungswassersystemen wieder entfernen, wodurch sie auch in Krankenhäusern eine erhebliche Gefahr darstellen^[3]. Im Abwasser fand man ähnliche Artenzusammensetzungen wie in Böden und Süßwasser. Wie oben schon erwähnt können die nur in den Wirtszellen Wachstum zeigende, obligat pathogene Arten des Mycobacterium tuberculosis-Komplexes können außerhalb des Wirtes eine Zeitlang überleben. Im Kot von Rindern soll Mycobacterium bovis noch nach bis zu 13 Tage wachstumsfähig sein^[2].

Systematik und Unterteilung

Ihrer Gestalt nach sind Mykobakterien zwischen den Corynebakterien und den Proactinomyceten (Aktinomyzeten die keine dauerhaften Mycel bilden wie z.B. Nocardia) einzuordnen, enge Verwandschaftsverhältnisse bestehen auch zu Rhodococcus und Caseobacter (jetzt zu Corynebacterium gestellt)^[1].

Mycobacterium tuberculosis-Komplex

Zu dem aufgrund von rRNA-Analysen erstellten Mycobacterium tuberculosis-Komplex zählen Mycobacterium tuberculosis , M. africanum, M. bovis, M. microti und M. canettii. In den letzten Jahren wurden weiterhin die Arten M. caprae (früher als die Unterart Mycobacterium tuberculosis subsp. caprae geführt) und M. pinnipedii zu dieser Gruppe gestellt^[4]. Auch der von M. bovis erzeugte Impfstamm Bacillus Calmette-Guérin (BCG) zählt zu dem Komplex.

Die Übertragung von Mycobacterium tuberculosis erfolgt durch Tröpfcheninfektion. Die Infektion mit Mycobacterium leprae erfolgt wahrscheinlich ebenso über Tröpfcheninfektion und benötigt einen engen, langdauernden Hautkontakt. Mycobacterium tuberculosis kann auch von dem Menschen auf Tiere übetragen werden. Neben Mycobacteriumn tuberculosis sind nur die Humaninfektionen von M. bovis und M. africanum von noch nennenswertiger Häufigkeit, die anderen Vetreter des Mycobacterium tuberculosis-Komplex lösen nur sehr selten Tuberkulosen beim Menschen aus.

Der Mensch ist bei dem Komplex nur für Mycobacterium tuberculose, M. africanum und M. canettii der primäre Hauptwirt ^[5]. Die anderen Bakterienarten des Komplexes sind primär für Tiere pathogen, können aber auch auf den Menschen übertragen werden und, vor allem wenn eine Immunschwäche vorliegt, humanpathogen wirken und eine Tuberkulose auslösen. Bei diesen Infektionen handelt es sich also um Zoonosen, auch eine sekundäre Übertragung von dem Menschen zum Tier ist möglich. Mycobacterium africanum ist ein in Afrika häufig auftretender Tuberkuloseerreger, eventuell ist diese Art jedoch eine Variante von Mycobacteirum tuberculosis. Mycobacterium bovis ist ein bei Rindern auftretender Parasit und Erreger der Rindertuberkulose, der Menschen kann sich z.B. durch Aufnahme von nicht pasteurisierte Milch anstecken. Mycobacterium microti ist der Verursacher der Tuberkulose bei Wühlmäusen und kann von hier aus auf den Menschen als Tuberkuloseerreger übertragen werden. Mycobacterium pinnepedii ist pathogen für Robben (Robbentuberkulose) und Mycobacterium caprae für Ziegen , eine Übertragung auf den Menschen ist selten^[5].

Nichttuberkulösen Mykobakterien

Die nichttuberkulösen Mykobakterien (MOTT) wirken nur selten (meist bei Patietenten mit stark geschwächten Immunsystem) krankheitserregend, sie gelten als fakultativ pathogen. Von einigen wurden bis jetzt noch keine ausgelösten Infektionen nachgewiesen, sie sind apathogen.

Den nichttuberkulösen Mykobakterien wurde erst lange Zeit nach der Beschreibung von Mycobacterium tuberculosis und M. leprae in der Medizin Beachtung geschenkt. Vor allem das in den letzten Jahren stark vermehrte Auftreten der durch AIDS verursachten Immunschwäche führte zu einer Häufung der Infektionen mit nichttuberkulösen Mykobakterien. Bei Infektionen erzeugen diese Arten zum größten Teil nicht-tuberkulöse Lungenentzündungen, Hauterkrankungen (z.B. Buruli-Ulkus durch die in den Tropen und Australien auftretende Art M. ulcerans) und Infektionen der Lymphknoten.

Weitere Bezeichnungen für diese Gruppe sind MOTT (mycobacterien other than tuberculose), Nontuberculous mycobacteria (NTM) und "atypische Mykobakterien". Da sie frei in der Umwelt vorkommen werden sie auch als "Potentiell pathogene Umwelt (environmental) Mykobakterien" (PPUM bzw. PPEM) bezeichnet.

Nach Runyon erfolgt die Unterteilung der nichttuberkulösen Mykobakterien nach Wachstumsgeschwindigkeit und Pigmentbildung bei Belichtung (sogenannte Photochromogenität). Das Pigmentverhalten ist allerdings phylogenetisch nicht relevant.

• Gruppe I: Photochromogene, langsam wachsende (slow growers) Mykobakterien: Sie bilden nur unter dem Einfluss von Licht gelbe Farbpigmente. Beispielarten: Mycobacterium kansasii, M. marinum, M. asiaticum und M. simiae.
• Gruppe II: Skotochromogene slow growers bilden auch im Dunklen Pigmente. Beispiele: Mycobacterium scrofulaceum, M. szulgae und M. xenopi.
• Gruppe III: Nichtchromogene slow growers bilden niemals Pigmente. Beispielarten: Mycobacterium ulcerans, der Erreger der Buruli-Ulkus und der Mycobacterium avium-Komplex (MAC), bestehend aus Mycobacterium intracellulare und Mycobacterium avium.
• Gruppe IV: Schnellwachsende Mykobakterien die schon innerhalb einer Woche gut sichtbare Kulturen bilden, z.B. Mycobacterium fortuitum.

Der gesamte Mycobacterium tuberculosis-Komplex und Mycobacterium leprae zählen zu der Gruppe III. Apathogene, nicht krankheitserregende Mykobakterien wie M. moriokaense stammen überwiegend aus der schnellwachsende Gruppe der nichttuberkulösen Mykobakterien (Gruppe IV)^[6].

Pathogene nichttuberkulöse Mykobakterien

Eine direkte Übertragung von Mensch zu Mensch ist in der Regel nicht möglich. Die Infektion erfolgt meist über infizierte Materalien oder aerogen (Tröpfcheninfektion). Die nichttuberkulösen Mykobakterien sind oft unempfindlich gegen den Medikamenten mit denen man die Tuberkulose behandelt (Antituberkulotika) und weisen generell eine hohe Resistenz gegenüber Fremdeinflüssen auf.

Einige pathogene Arten der Gruppe I: Mycobacterium kansasii kann nicht tuberkulöse Lungenkrankheiten hervorrufen, Humaninfektionen von Mycobacterium marinum können z.B. in Schwimmbädern erfolgen und verursachen Granulome (Schwimmbadgranulome).

Pathogene Arten der Gruppe II: Mycobacterium scrofulaceum ist ein weltweit verbreiteter Erreger der Lymphadenitis, M. szulgae

Arten der Gruppe III: Mykobakterium malmoense kann Erkrankungen der Lunge hervorrufen. Mycobacterium avium kann die Geflügeltuberkulose bei Hühner, Puten, Tauben und anderen Vögeln auslösen, selten infiziert das Bakterium auch Schweine, Rinder oder Pferde. Bei dem Menschen kann es Lungenerkrankungen auslösen. Mycobacterium avium ist das am häufigsten auftretende pathogenwirkende Mykobakterium bei AIDS-Patienten. Es wird zusammen mit Mycobacteirum intracellulare dem aufgrund von genetischen Untersuchungen gegründeten Mycobacterium avium-Komplex (MAC) zugeordnet. Bei dem Mycobacterium avium-intracellulare-scrofulaceum-Komplex (MAIS) wird zusätzlich die Art Mycobacterium scrofulaceum hinzugestellt. M. ulcerans ruft das Buruli-Ulkus aus, eine in den Tropen auftretende Hautkrankheit.

Pathogene Arten der Gruppe IV: Mycobacterium chelonae kann Haut- oder Weichteilinfektionen, Abszesse und auch Knochen-, Gelenkinfektionen hervorrufen. Wie M. fortuitum, ebenfalls zu der Gruppe IV zählend, besitzt es eine hohe Resitenz gegen Desinfektionslösungen und ist somit eine mögliche Infektionsgefahr in der Klinik bei Einsatz von Implantaten.

Arten

Der Mycobacterium tuberculosis-Komplex:

• Mycobacterium africanum Castets et al. 1969
• Mycobacterium bovis Karlson & Lessel 1970, Erreger der Tuberkulose der Rinder
• Mycobacteirum microti Reed 1957
• Mycobacterium pinnipedii Cousins et al. 2003
• Mycobacterium tuberculosis (Zopf 1883) Lehmann & Neumann 1896, Erreger der Tuberkulose
• Mycobacterium canettii

Einige nichttuberkulöse Mykobakterien (MOTT):

• Mycobacterium ulcerans; Erreger des Buruli-Ulkus
• Mycobacterium xenopi Schwabacher 1959
• Mycobacterium shottsii Rhodes et al. 2003
• Mycobacterium avium-Komplex
  • Mycobacterium avium Chester 1901, Erreger der Geflügeltuberkulose
  • Mycobacterium avium subsp. paratuberculosis (Bergey et al. 1923) Thorel et al. 1990 (Synonym: Mycobacterium paratuberculosis Bergey et al. 1923), Erreger der chronischen Enteritis beim Rind
  • Mycobacterium intracellulare (Cuttino and McCabe 1949) Runyon 1965
• Mycobacterium smegmatis (Trevisan 1889) Lehmann & Neumann 1899
• Mycobacterium kansasii Hauduroy 1955
• Mycobacterium terrae-Komplex: Die Arten dieses Komplexes gehören zu der Gruppe III (langsam wachsend, unpigmentiert) und werden mit Lungeninfektionne in Verbindung gebracht^[6].
  • Mycobacterium nonchromogenicum Tsukamura 1965
  • Mycobacterium terrae Wayne 1966
  • Mycobacterium triviale Kubica 1970

Folgende Arten gelten als apathogen, d. h. bis jetzt wurden sie noch nicht mit Krankheiten des Menschens in Verbindung gebracht. Alle hier aufgelisteten Arten zählen zu den schnellwachsenden Mykobakterien (Gruppe IV)^[6]:

• Mycobacterium brumae Luquin et al. 1993
• Mycobacterium chitae Tsukamura 1967
• Mycobacterium confluentis Kirschner et al. 1992
• Mycobacterium fallax Lévy-Frébault et al. 1983
• Mycobacterium moriokaense Tsukamura et al. 1986

Quellen

1. ↑ ^{a b} Sybe Hartmans, Jan de Bont, Erko Stackebrandt: The Genus Mycobacterium—Nonmedical In: The Prokaryotes, A Handbook of the Biology of Bacteria. 7 Bände, 3. Auflage, Springer-Verlag, New York u. a. O., 2006, Band 3: Archaea. Bacteria: Firmicutes, Actinomycetes. ISBN 0-387-25493-5
2. ↑ ^{a b} Michael Rolle, Anton Mayr (Hrsg.): Medizinische Mikrobiologie, Infektions- und Seuchenlehre. 7. Auflage. Enke Verlag, Stuttgart 1993, ISBN 3-432-84686-X
3. ↑ ^{a b c d} R. Schulze-Roebbecke (1993)
4. ↑ Mario C. Raviglione (Hrsg.): Reichman and Hershfield's tuberculosis: A comprehensive, international approach, Part B, Informa Healthcare, New York [u.a.] 2006, ISBN 0-8493-9271-3
5. ↑ ^{a b} Juan Carlos Palomino, Sylvia Cardoso Leão und Viviana Ritacco (2007) Online
6. ↑ ^{a b c} D. Schlossberg (2006)

Literatur

• Karl Bernhard Lehmann, Rudolf Otto Neumann: Atlas und Grundriss der Bakteriologie und Lehrbuch der speciellen bakteriologischen Diagnostik. Lehmann, München 1896
• R. Schulze-Roebbecke: Mykobakterien in der Umwelt In: Immunität und Infektion Band 21, Heft 5, 1993
• Martin Dworkin, Stanley Falkow, Eugene Rosenberg, Karl-Heinz Schleifer, Erko Stackebrandt (Hrsg.): The Prokaryotes, 3. Auflage, Bd. 3: Archaea. Bacteria: Firmicutes, Actinomycetes. Springer Verlag, New York 2006, ISBN 978-0-387-25493-7 (Print), ISBN 978-0-387-30743-5 (Online)
• Juan Carlos Palomino, Sylvia Cardoso Leão und Viviana Ritacco: Tuberculosis 2007 Online
• D. Schlossberg: Tuberculosis & Nontuberculous Mycobacterial Infections, 5. Auflage, McGraw-Hill Publishing Company, 2006 ISBN 0-07-143913-7