Bacillus anthracis-Definition, Geschichte, Klassifikation, Morphologie

Bacillus anthracis-Definition, Geschichte, Klassifikation, Morphologie

Bacillus anthracis Definition

Bacillus anthracis ist die einzige obligate pathogene Art von Bacillus und der Erreger von Anthrax, einer häufigen Tierkrankheit, die gelegentlich beim Menschen auftritt.

  • Anthrax wird als zoonotische Krankheit bezeichnet, da die Krankheit auf unterschiedliche Weise zwischen Tieren und Menschen übertragen werden kann.
  • Es ist ein grampositives sporenbildendes Bakterium, das häufig im Boden vorkommt, aber im Gegensatz zu anderen Bacillus-Arten zu unterschiedlichen Infektionsformen führen kann, wenn es beim Menschen die Atemwege, den Magen-Darm-Trakt oder die Hautregion erreicht.
  • Die wichtigste Art der Übertragung von B. anthracis erfolgt über Sporen. Diese Sporen keimen im Körper des Wirts in vegetative Zellen und verursachen Infektionen.
  • Die Sporen sind sehr resistent gegen widrige Umweltbedingungen, aber die vegetativen Zellen von B. anthracis überleben in einfachen Umgebungen wie Wasser und Boden schlecht.
  • B. anthracis gehört zur Gruppe der Bacillus-Arten von B. cereus, die aus anderen opportunistischen Krankheitserregern wie B. cereus und B. thuringiensis besteht.
  •  Das Potenzial von B. anthracis als Biowaffe oder Bioterrorismus-Mittel wurde lange Zeit nach der Verwendung dieses Bakteriums gegen Nutztiere im Ersten Weltkrieg diskutiert und befürchtet.
  • Es wurde jedoch festgestellt, dass Menschen gegenüber B. anthracis resistenter sind als Pflanzenfresser, und die infektiösen Dosen des Bakteriums beim Menschen sind ebenfalls sehr hoch.
  • Nichtsdestotrotz wurden Fälle von menschlichem Anthrax in der menschlichen Bevölkerung durch die enge berufliche Nähe zu infiziertem Vieh durch den Umgang mit infizierten Haustieren beobachtet.
  • B. anthracis wurde erstmals 1872 von Cohn aus infizierten Haustieren isoliert.
  • Der Artname „Anthracis“ leitet sich vom Namen der Krankheit Anthrax ab, der sich wiederum vom griechischen Wort für Kohle, Anthrakis, aufgrund der Bildung schwarzer, kohleähnlicher Hautschorf ableitet.
  • B. anthracis wurde aufgrund der Pathogenität der Art und ihres Potenzials als Bioterrorismus-Erreger eingehend untersucht.
Bacillus anthracis-Definition, Geschichte, Klassifikation, Morphologie
Bacillus anthracis-Definition, Geschichte, Klassifikation, Morphologie

Geschichte von Bacillus anthracis

1849 – Pollender – Es war das erste pathogene Bakterium, das unter gesehen wurde Mikroskop

Davaine 1850– ™ Anthrax war die erste übertragbare Krankheit, die nachweislich durch Inokulation von infiziertem Blut übertragen wurde

1876 -Robert Koch – Das erste Bakterium, das in Reinkultur isoliert wurde und nachweislich Sporen besitzt

Kochs Postulate basierten auf B. Anthracis

1881Louis Pasteur – Anthrax-Impfstoff war der erste abgeschwächte bakterielle Lebendimpfstoff, der hergestellt wurde

Der Nobelpreisträger Metchnikoff studierte virulent und abgeschwächt
Stämme von B.anthracis, in seiner Pionierarbeit über Phagozytose.

Klassifikation von Bacillus anthracis

  • Die Gattung Bacillus gehört zur Familie der Bacillaceae, die mehrere andere Gattungen enthält, die aufgrund ihrer phänotypischen und molekularen Eigenschaften klassifiziert wurden.
  • Es gibt mehr als 142 verschiedene Arten der Gattung Bacillus, die aufgrund ihrer 16S-rRNA-Sequenzen weiter in überschaubare Gruppen eingeteilt werden.
  • B. anthracis gehört zusammen mit anderen Krankheitserregern oder opportunistischen Krankheitserregern wie B. cereus und B. thuringiensis zur Gruppe der Bacillus-Arten von B. cereus.
  • Die Genome der Gruppe sind mit Größen von 5,2 bis 5,5 Mb hoch konserviert und weisen auch sehr ähnliche 16S-rRNA-Gensequenzen auf.
  • Die Klassifizierung und Unterscheidung von B. anthracis von anderen Mitgliedern der Gruppe kann durch Analyse des amplifizierten Fragmentlängenpolymorphismus erfolgen, da sie ähnliche 16S-rRNA-Gensequenzen gemeinsam haben.
  • Es gibt 89 verschiedene Stämme von B. anthracis, die aus verschiedenen Gebieten auf der ganzen Welt isoliert wurden und für verschiedene Zwecke verwendet werden.
  • B. anthracis ist monomorph und weist eine geringe genetische Vielfalt sowie das Fehlen eines messbaren lateralen DNA-Transfers auf.
  • Die Stämme dieser Art sind insgesamt genetisch und phänotypisch heterogen, aber einige der Stämme sind enger verwandt als andere, da einige auf Chromosomenebene phylogenetisch vermischt sind.
  • Einige Unterschiede können jedoch beobachtet werden, wenn sich der Lebenszyklus der Bakterien zwischen einem tierischen Wirt und der Umwelt dreht.

Das Folgende ist die taxonomische Klassifikation von B. anthracis:

Domain -Bakterien

Stamm– Firmicutes

Klasse– Bacilli

Bestellen– Bacillales

Familie – Bacillaceae

Gattung– Bazillus

Spezies– B. anthracis

Lebensraum von Bacillus anthracis

  • Bacillus anthracis ist ein aerobes endosporenbildendes Bakterium, das in einer Vielzahl natürlicher Umgebungen oder Ökosysteme vorkommt.
  • Es ist der einzige obligate Erreger von Tieren, einschließlich Menschen, Säugetieren und Insekten. Der Hauptlebensraum bleibt jedoch der Boden und kann in Form von Sporen auf andere Ökosysteme übertragen werden.
  • Obwohl die Bakterien aus verschiedenen Umgebungen isoliert wurden, werden alle diese Umgebungen nicht als ihre Lebensräume betrachtet.
  • B. anthracis gedeiht wie andere Bacillus-Arten im Boden sowohl unter sauren als auch unter alkalischen Bedingungen in einem weiten Temperaturbereich.
  • B. anthracis liegt in der natürlichen Umgebung außerhalb des Wirtskörpers in Form von Sporen vor, da die Umweltbedingungen schwierig werden.
  • Der Lebensraum und der Lebenszyklus von B. anthracis werden durch den Mikrozyklus der Bakterien im Boden mit seltenen Vermehrungsphasen bei Tieren beschrieben.
  • Obwohl es nicht viele Hinweise auf die Vermehrung von B. anthracis in Böden gibt, wird angenommen, dass die Sporen von B. anthracis in die vegetative Zelle keimen und sich bei günstigen Umweltbedingungen vermehren können.
  • Die Fähigkeit von B. anthracis, in solch unterschiedlichen Umgebungen zu existieren, ist das Ergebnis hochresistenter Endosporen. Diese Endosporen sind resistenter gegen widrige Bedingungen, einige Chemikalien und sogar antimikrobielle Mittel als vegetative Zellen.
  • Die Sporen sind im Allgemeinen leicht und können leicht durch Staub oder die Bildung von Aerosolen verteilt werden.
  • Die Sporen gelangen somit in den Körper des Wirts (meistens Pflanzenfresser), wo sie keimen und vegetative Zellen bilden. Die vegetativen Zellen könnten dann von den Tieren in neue Nischen wie den menschlichen Körper gelangen.
  • Außerdem gibt es andere Mechanismen wie die Toxinproduktion, die es den Bakterien ermöglichen, mit anderen Bakterien zu konkurrieren und neue Ökologien oder Nischen zu besetzen.
  • Das Auftreten von B. anthracis tritt häufiger in wärmeren Klimazonen auf, was vermutlich auf die Beziehung zwischen Temperatur und Wasseraktivität sowie auf die Sporulationsraten der aus dem Körper des infizierten Tieres abgestoßenen Bakterien zurückzuführen ist.
  • In ähnlicher Weise beeinflussen auch Temperatur und Wasseraktivität die Keimung von Sporen, wenn auch in geringerem Maße.
  • Eines der wesentlichen Merkmale für das Auftreten von B. anthracis in verschiedenen Umgebungen ist die Fähigkeit der Sporen, auch ohne Tierreservoire viele Jahre zu überleben.

Morphologie von Bacillus anthracis

  • Die Zellen von B. anthracis sind grampositive Stäbchen, die aerobe, fakultative Anaerobier sind, die eingekapselt sind und Sporen bilden können.
  • Die Zellen mit einer Größe im Bereich von 1,0 bis 1,2 um Breite und 3,0 bis 5,0 um Länge treten entweder einzeln oder paarweise auf. In den klinischen Proben können Zellen jedoch in kurzen Ketten auftreten.
  • Alle Zellen von B. anthracis enthalten ellipsoide oder zylindrische Sporen, die entweder subterminal oder parazentral in der vegetativen Zelle vorhanden sind.
  • Die Sporen führen nicht zu einer Schwellung der Sporangien, da sie normalerweise schräg darin liegen.
  • Phänotypisch ist B. anthracis anderen Bacillus-Arten wie B. cereus und B. thuringiensis sehr ähnlich, aber im Gegensatz zu ihnen hat B. anthracis keine Flagellen und ist daher nicht beweglich.
  • Die äußere Hülle von B. anthracis wird durch eine Kapsel, eine ausgedehnte Peptidoglycanschicht, Lipoteichonsäuren und kristalline Zelloberflächenproteine ​​(S-Schicht) definiert.
  • Die Kapsel in B. anthracis besteht aus Poly-γ-D-Glutaminsäure, die von drei verschiedenen Plasmidgenen codiert wird.
  • Die Kapsel von B. anthracis ist einer der Virulenzfaktoren, da die Stämme, die die Kapsel nicht haben, avirulent sind.
  • Die Kapsel an sich ist nicht toxisch und nicht immunogen, da sie das Immunsystem des Wirts nicht stimuliert.
  • Unter der Kapsel befindet sich die Oberflächenschicht oder S-Schicht aus Proteinen, die nicht glykosyliert sind.
  • Die auf der Zellwand vorhandenen Zellwandpolysaccharide verankern die Oberflächenschicht an der Zellwand. Die Zellwand besteht aus Polysacchariden wie Galactose, N-Acetylglucosamin und N-Acetylmuraminsäure.
  • Die in der Zellwand vorhandenen Bindungen bestehen aus der Meso-Diaminopimelinsäure, die die Diaminosäure einer Untereinheit mit der D-Alanin-Gruppe einer anderen Untereinheit verbindet.
  • Das Genom von B. anthracis ist dreigliedrig mit einem einzelnen zirkulären Chromosom und zwei zirkulären virulenten Plasmiden im Zytoplasma. Das Genom ist 5227293 bp lang mit 5508 Protein-kodierenden Sequenzen.
  • Das zusammengesetzte Genomnukleotid besteht aus etwa 60% Adenin- und Thymineinheiten und nur 40% Guanin und Cytosin.
  • Diese Zusammensetzung des Chromosoms führt zu einer höheren Auftriebsdichte und einem niedrigeren Schmelzpunkt der DNA-Einheiten.
  • Die Plasmide sind pXO1 und pXO2, die für viele verschiedene Gene zusammen mit Toxin- und Kapselproduktionsgenen kodieren.
  • Kulturelle Merkmale von Bacillus anthracis
  • Das künstliche Wachstum und die Kultur von B. anthracis werden häufig durch die Isolierung der Bakterien aus alten Schlachtkörpern, tierischen Produkten oder Umweltproben wie Boden, wo sie in Form von Sporen vorliegen, erreicht.
  • Die Isolierung von B. anthracis kann je nach Probenquelle auf Blut, Nährstoffen oder selektiven Agaren erreicht werden.
  • Es gibt kein effizientes Anreicherungsverfahren für die Isolierung von B. anthracis, aber eine beträchtliche selektive Isolierung kann mit Polymyxin-Lysozym-EDTA-Thallous-Acetat (PLET) -Agar durchgeführt werden.
  • Wie die meisten Bacillus-Arten ist auch der Nährstoffbedarf von B. anthracis einfach, so dass das Wachstum in einfachen Medien mit Glucose als Kohlenstoffquelle und einem Ammoniumsalz als Stickstoffquelle erreicht werden kann.
  • Hydrolysiertes Caseinmedium mit Glucose, Thiamin, Tryptophan und verschiedenen Salzen wird üblicherweise zur Analyse der Physiologie und Genexpression von B. anthracis verwendet.
  • Die Morphologie der Kolonien sowie das Wachstum werden von verschiedenen Faktoren wie der Keimung der Sporen, der Zusammensetzung des Mediums und den Inkubationsbedingungen beeinflusst.
  • Die Wärmebehandlung der Sporen vor dem Wachstum stimuliert die Keimung der Sporen und die Bildung vegetativer Zellen.
  • B. anthracis ist eine fakultative Anaerobe; Somit wird das beste Wachstum beobachtet, wenn über Nacht unter 5-7% CO 2 inkubiert wird.
  • Die Koloniemorphologie und die Oberfläche der Kolonien hängen auch von der Anwesenheit oder Abwesenheit von Kapseln ab, da eingekapselte Kolonien Schleimhautkolonien bilden.
  • Das Wachstum von B. anthracis kann je nach Bakterienquelle zwischen 5 ° C und 45 ° C mit optimalem Wachstum bei 37 ° C erfolgen.
  • Die Kolonien von B. anthracis ähneln anderen Bacillus-Arten und können anhand von Spikes oder Tailing entlang der Linien der Impfstreifen unterschieden werden und sind sehr hartnäckig.
  • Das Wachstum von B. anthracis kann schwärmerisch in allen Medien statt in einzelnen Kolonien auftreten. Dies kann vermieden werden, indem der Agargehalt des Mediums erhöht wird.
  • Im Fall von flüssigen Medien wächst B. anthracis im Allgemeinen als Planktonzellen, aber während der statischen Inkubation können sich Pellikel bilden, und es kann auch ein Anhaften an festen Oberflächen beobachtet werden.
  • Das Wachstum von B. anthracis auf einem künstlichen Medium erfolgt in zwei Phasen, beginnend mit vegetativem Wachstum, das mit zunehmendem Alter der Kultur zur Sporenbildung führt.

Im Folgenden sind einige kulturelle Merkmale von B. anthracis in verschiedenen Kulturmedien aufgeführt:

Bacillus anthracis auf Nähragar (NA)

  • Abhängig von der Probe kann B. anthracis auf verschiedenen Arten von Wachstumsmedium gezüchtet werden, von einem einfachen Medium wie Nähragar bis zu einem komplexeren und selektiveren Medium wie PLET-Agar.
  • Die Kolonien von B. anthracis ähneln denen anderer Mitglieder der B. cereus-Gruppe und erfordern möglicherweise eine zusätzliche Technik zur Identifizierung auf Artenebene.
  • Auf NA erscheinen Kolonien von B. anthracis kreisförmig bis unregelmäßig mit ganzen bis welligen Rändern und gekerbten oder fimbrierten Rändern.
  • Wenn die Wachstumsbedingungen der Kapselbildung nicht förderlich sind, haben die Kolonien unregelmäßige Kanten und ein rundes “Grundglas” -Look.
  • Die Kolonien sind weiß bis cremefarben mit großen Größen (2-7 mm Durchmesser), aber die Größe junger Kolonien kann kleiner sein.
  • Kolonien von B. anthracis unterscheiden sich von anderen Bacillus-Arten darin, dass sie entlang der Inokulationslinien Spikes oder Tailing bilden. Einige Kolonien können sogar stehende Gipfel bilden, wenn sie mit einer Schlaufe gezogen werden.
  • Die Oberfläche der Kolonien neigt dazu, matte oder körnige Texturen zu haben, aber es können auch glatte und feuchte Kolonien auftreten.
  • Kolonien auf festen Medien begünstigen die Kapselsynthese, was zu Schleimhautkolonien mit einer großen Kapsel führt, was zu dicken Kolonien (bis zu 3 um Dicke) führt.

Bacillus anthracis auf Blutagar

  • Der zur Isolierung von B. anthracis verwendete Blutagar wird durch Zugabe von 5% Schafblut zu Nähragar hergestellt.
  • Die Kolonien von B. anthracis sind nicht hämolytisch oder γ-hämolytisch, was bei der Differenzierung von B. anthracis von anderen Bacillus-Arten wie B. cereus und B. thuringiensis hilft.
  • Es werden flache oder leicht konvexe Kolonien mit unregelmäßigen Rändern und gemahlenem Glas beobachtet. Die Kolonien haben oft kommaförmige Vorsprünge vom Rand der Kolonien, was zu Medusakopfkolonien führt.
  • Die Größe der Kolonien ist vergleichsweise kleiner als die auf Nähragar. Die Größe liegt zwischen 2 und 4 mm, aber die Größe kann am zweiten Wachstumstag zunehmen.

Bacillus anthracis auf PLET-Agar

  • PLET-Agar ist der beste selektive Agar zur Isolierung von B. anthracis aus Umweltproben, tierischen Produkten sowie klinischen Proben.
  • Die erhöhte Konzentration von EDTA auf diesem Medium hemmt das Wachstum von Staphylococcus aureus sowie B. cereus.
  • Die Kolonien von B. anthracis sind ungefähr kreisförmig, cremeweiß mit einer Glasstruktur. Wenn die Kolonien von B. cereus gesehen werden, sind sie tendenziell kleiner als die von B. anthracis.
  • Die Kapsel kann nach etwa 48 Stunden Inkubation auf der Oberfläche sichtbar sein.

Biochemische Eigenschaften von Bacillus anthracis

Die biochemischen Eigenschaften von B. anthracis können wie folgt tabelliert werden:

SNBiochemische Eigenschaften B. anthracis
1.Kapsel Eingekapselt mit einer Poly-γ-Glutaminsäure-Kapsel.
2.Gestalten Stange 
3. Grammfärbung Grampositiv
4.KatalasePositiv (+) 
5.Oxidase Negativ (-) 
6.Zitrat Positiv (+)
7.Methylrot (MR)Negativ (-)
8.Voges Proskauer (VR)Positiv (+)
9. OF (oxidativ-fermentativ)Fakultative Heterofermentative
10.KoagulasePositiv (+)
11.DNaseNegativ (-)
12.UreaseNegativ (-)
13.GasNegativ (-)
14.H 2 S.Negativ (-)
15.HämolyseNicht hämolytisch
16.Motilität Nicht beweglich, da ihnen Flagellen fehlen.
17.Nitratreduktion Positiv (+)
18.GelatinehydrolysePositiv (+)
19.Pigmentherstellung Negativ (-)
20.Indole Positiv (+)
21.TSIA (Triple Sugar Iron Agar)Alkali / Alkali (Rot / Rot)
22.SporeEndosporenbildung
23.Penicillin-AnfälligkeitAnfällig

Fermentation

SNSubstrat B. anthracis
1.AdonitolNegativ (-)
2.Arabinose Negativ (-)
3.Cellobiose Negativ (-)
4.DulcitolNegativ (-)
5.Fruktose Positiv (+)
6.Galactose Negativ (-)
7.Glucose Positiv (+) Fakultativ heterofermentativ
8.Glycerin Negativ (-)
9.GlykogenPositiv (+)
10.HippurateNegativ (-)
11.Inulin Negativ (-)
12.Inosit Negativ (-)
13.Laktose Negativ (-)
14.MalonatePositiv (+)
15.Maltose Positiv (+)
16.Mannitol Negativ (-)
17. Mannose Positiv (+)
18.MelibioseNegativ (-)
19.Pyruvat Negativ (-)
20.Raffinose Negativ (-)
21.Rhamnose Negativ (-)
22.Ribose Positiv (+)
23.Salicin Negativ (-)
24.Sorbit Negativ (-)
25.Stärke Positiv (+)
26.Saccharose Positiv (+)
27.Trehalose Positiv (+)
28Xylose Negativ (-)

Enzymatische Reaktionen

SNEnzymeB. anthracis
1.Acetoin Positiv (+)
2.AcetatverwertungPositiv (+)
3.Tyrosinhydrolyse Negativ (-)
4.LecithinaseNegativ (-)
5.KaseinhydrolysePositiv (+)
6.EsculinhydrolysePositiv (+)
7.Lysin-DecarboxylasePositiv (+)
8.Ornithin-DecarboxylaseNegativ (-)
9.Phenylalanin-DesaminaseNegativ (-)

Virulenzfaktoren von Bacillus anthracis

Bacillus anthracis ist ein obligates pathogenes Bakterium, das den Erreger der Krankheit Anthrax darstellt und häufig bei Pflanzenfressern und seltener beim Menschen auftritt. Tiere wie Schweine, Hunde, Katzen, Ratten und Hühner sind jedoch gegen Anthrax resistent, aber die Bakterien können auf Vögel übertragen werden, nachdem sie Vögel wie Geier gefressen haben, die sich von infizierten toten Tieren ernähren. Der wichtigste Faktor, der es den Bakterien ermöglicht, zu überleben und Infektionen zu verursachen, ist die Fähigkeit der Bakterien, Sporen zu bilden. Die Sporen sind gegen verschiedene widrige Umweltbedingungen resistent. Neben den drei wichtigsten Virulenzfaktoren von B. anthracisEs gibt andere sekretierte und nicht sekretierte Faktoren, die die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Pathogen beeinflussen. Es gibt bestimmte Proteasen, die die Immunantwort durch Spaltung der antimikrobiellen Peptide stören. Andere Proteasen wie InhA1 können Wirtsgewebe abbauen, was zu einer erhöhten Barrierepermeabilität führt. B. anthracis hat eine außergewöhnliche Virulenz in Form von drei primären Virulenzfaktoren;

1. Kapsel

  • B. anthracis produziert eine Poly-γ-Glutaminsäure (PGA) -Kapsel, die das Bakterium wie bei vielen anderen pathogenen Bakterien vor Phagozytose schützt.
  • Das Vorhandensein einer negativen Ladung auf der Membran hemmt die Wirtsabwehr, indem es die Phagozytose der vegetativen Zellen durch Makrophagen und andere Immunzellen hemmt.
  • Die Kapsel wird durch Sporen hergestellt, die in Gegenwart von Serum und erhöhtem CO 2 durch Öffnungen auf der Sporenoberfläche in Form von Poren keimen, die vor dem Ablösen des Exosporiums und dem Auswachsen der eingekapselten vegetativen Zellen zusammenwachsen können.
  • Da die Kapsel außerhalb der S-Schicht vorhanden ist, benötigt sie die S-Schicht nicht für ihre Anhaftung an der Zelloberfläche.
  • Die Synthese der Kapsel wird durch drei membranassoziierte Enzyme erleichtert, die vom 60-MDa-pXO2-Plasmid codiert werden.
  • Die an der Enzymsynthese beteiligten Gene sind capB, capC und capA, die für 44-, 16- bzw. 46-kDa-Proteine ​​kodieren.
  • Die Kapsel von B. anthracis ist schwach immunogen und antiphagozytisch, wodurch die Bazillen vor der Immunüberwachung geschützt werden.
  • Die Kapsel aktiviert auch Caspase-1 und induziert die Freisetzung von Interleukin-1 & bgr; aus differenzierten T-Zellen und von menschlichen Monozyten abgeleiteten dendritischen Zellen.
  • Die Aktivität von Kapselproteinen wird durch andere Antigene, Proteine ​​und Plasmid-kodierte Toxine verstärkt.

2. Endotoxin 

  • Bacillus anthracis produziert zwei verschiedene Endotoxine, die in Form von drei Komponenten freigesetzt werden. Schutzantigen (PA), Ödemfaktor (EF) und letaler Faktor (LF).
  • Alle drei Proteine ​​werden vom Virulenzplasmid pXO1 kodiert, das Blutungen, Ödeme und Nekrosen verursacht.
  • Das schützende Antigen ist der zelluläre Bindungsteil der Toxine, während der letale Faktor und der Ödemfaktor die katalytischen Teile sind. 
  • Der Ödemfaktor ist ein reifes Protein mit 767 Resten mit einer Molekülmasse von 89 kDa, das eine Calmodulin-abhängige Adenylatcyclase ist, die intrazelluläres ATP in cAMP umwandelt.
  • Der aminoterminale Teil des Faktors wird als stabiles Polypeptid exprimiert, das die Fähigkeit besitzt, mit LF um die Bindung an das Schutzantigen zu konkurrieren.
  • Der letale Faktor ist auch ein reifes Protein mit 776 Residen und einer Molekülmasse von 85 kDa, einer Zinkmetalloprotease, die die stickstoffaktivierte Proteinkinase spaltet und inaktiviert.
  • Wie beim Ödemfaktor hat auch ein letaler Faktor einen aminoterminalen Teil, der die Bindung des Moleküls an PA ermöglicht.
  • Das PA wird nach seiner Freisetzung durch Furin oder furinähnliche Proteasen proteolytisch in zwei Fragmente gespalten; PA 63 und PA 20 . Die Entfernung von PA 20 beseitigt die sterische Hinderung und ermöglicht es PA 63 , eine LF / EF-Bindungskomponente zu bilden.
  • Die Spaltung führt zu Resten auf dem PA 63, die 3 oder 4 EF- und LF-Moleküle binden können, während die sterische Hinderungsstörung zwischen den Toxinmolekülen erhalten bleibt. Die Bindung führt schließlich zur Bildung von letalem Toxin (LT) und Ödemtoxin (ET).
  • Die Toxine spielen eine entscheidende Rolle bei der Reaktion auf eine Vielzahl von Stimuli wie Mitogene, proinflammatorische Zytokine und Hitzeschock.

Pathogenese von Bacillus anthracis

Der Infektionszyklus von B. anthracis beginnt mit der Aufnahme von Sporen, die bei Tieren aus dem Boden und beim Menschen nach häufiger Exposition von den Tieren übertragen werden. Die außergewöhnliche Virulenz der Bakterien beruht auf den Virulenzfaktoren, die das Überleben der Bakterien ermöglichen, sowie auf ihrer Fähigkeit, die Wirtszelle während ihres infektiösen Lebenszyklus zu zerstören. Die Gesamtpathogenese von B. anthracis kann in den folgenden Schritten beschrieben werden;

1. Eintrag 

  • Die primäre infektiöse Form von B. anthracis ist die Spore, die auf unterschiedliche Weise aus der Umwelt in den Körper des Wirts gelangt.
  • Die Sporen sind gegen verschiedene Umweltbedingungen resistent und können in vegetative Form keimen, sobald die günstigen Bedingungen vorliegen.
  • Makrophagen phagozytieren schnell die Sporen im Körper des Wirts, und einige der Sporen lysieren in den Makrophagen.
  • Andere Sporen, insbesondere solche, die durch Inhalation in den Körper gelangen, überleben die Phagozytose und werden vom Lymphsystem zu den mediastinalen Lymphknoten transportiert.
  • Die phagozytierten Sporen müssen vor der Keimung einige Tage inkubiert werden. Diese Latenz wird in der Atmungsform der Krankheit und nicht in der Hautform beobachtet.
  • Die Keimung wird durch erhöhte CO 2 -Spiegel und die Körpertemperatur des Wirts ausgelöst . 

2. Invasion

  • Auf die Keimung der Sporen in vegetative Zellen folgt die Aktivierung von Kapsel- und Toxingenen, die in den Plasmiden des Organismus vorhanden sind.
  • Die Kapsel ist aufgrund negativer Ladungen an der Resistenz gegen Phagozytose beteiligt.
  • Die Toxine werden auch in Form von drei verschiedenen Proteinkomponenten freigesetzt, die gespalten und gebunden werden, um schließlich die Toxine zu bilden.
  • Das Schutzantigen (PA) bindet an die Moleküle eines bestimmten Wirtszellmembranproteins, das in diesem Fall der Anthraxtoxinrezeptor (ATR) ist.
  • PA wird dann durch Proteasen in zwei Teile gespalten, von denen einer an einen der Toxinfaktoren oder an beide bindet.
  • Der so gebildete Komplex gelangt durch Rezeptor-vermittelte Endozytose in die Zelle und nach der Konformationsänderung am Toxinmolekül in ein angesäuertes Endosom.
  • Das Ödemtoxin interagiert mit dem Wirtsprotein Calmodulin und wird zu einer aktiven Adenylylcyclase. Das Enzym verursacht erhöhte cAMP-Spiegel und führt zu einem hypovolämischen Schock.
  • Das Ödemtoxin hat auch die Fähigkeit, die Anfälligkeit des Wirts für Infektionen durch Stimulierung der Chemotaxis bei menschlichen Neutrophilen zu erhöhen.
  • Das letale Toxin spaltet dann die Mitglieder der mitogenaktivierten Proteinkinase-Familie, die bestimmte Signalwege stören und die Spiegel schockinduzierender Zytokine wie TNFα und IL-1β erhöhen.
  • In den frühen Stadien der Infektion tritt aufgrund der synergistischen Wirkung beider Toxine eine Verringerung der Freisetzung entzündungsfördernder Zytokine auf, was eine signifikante bakterielle Proliferation im Wirt ermöglicht.
  • Tödliche und Ödemtoxine zusammen können ebenfalls einen Gefäßschock auslösen, die Art des Schocks kann jedoch unterschiedlich sein.
  • Letales Toxin induziert einen zytokinunabhängigen nicht hämorrhagischen Gefäßkollaps mit hypoxischer Nekrose, während Ödemtoxin eine generalisierte cAMP-Gefäßdysfunktion induziert.
  • Obwohl die Hauptziele von ET die Hepatozyten sind, werden Epithelzellen während der Hautform der Krankheit angegriffen, was zu dem charakteristischen Phänotyp der Läsionen führt.
  • Während die Infektion fortschreitet, gelangen die Bakterien in das Blut, wobei die terminalen Bakterienspiegel 10 7 bis 10 9 Zellen / ml in anfälligen Wirten erreichen.

Klinische Manifestation von Bacillus anthracis

Die durch B. anthracis verursachte Infektion wird als Anthrax bezeichnet, der je nach Eintrittsweg der Bakterien in drei verschiedenen Formen austritt. Die häufigste Form der Anthrax-Infektion ist der kutane Anthrax, der etwa 90% aller Fälle beim Menschen ausmacht. Die anderen beiden Formen von Anthrax sind gastrointestinaler Anthrax und pulmonaler oder inhalativer Anthrax. B. Anthrax ist auch mit Meningitis verbunden.

1. Haut Anthrax

  • Die Inkubationszeit in kutanem Anthrax beträgt ca. 2-3 Tage, was in einigen Fällen bis zu 2 Wochen dauern kann.
  • Der größte Teil der Exposition bei kutanem Anthrax erfolgt entweder beruflich oder durch den Umgang mit infizierten Tieren oder Labormaterial.
  • Die Sporen gelangen durch Hautbrüche in den Körper und innerhalb von 2-5 Tagen trägt die Haut die primären Läsionen.
  • Die primären Läsionen sind durch schmerzlose Läsionen mit juckender Papel gekennzeichnet, die sich innerhalb von 24 bis 36 Stunden mit begleitenden Vesikeln in ein Geschwür verwandeln.
  • Auf die Ulzeration folgt das Austrocknen, um einen klassischen schwarzen Schorf zu bilden, mit einer eventuellen Vergrößerung, um das trocknende Vesikel zu bedecken.
  • Einige der Läsionen können im Falle einer Sekundärinfektion mit pyogenen Bakterien wie Staphylococcus aureus mit Eiter gefüllt sein .
  • B. anthracis- Zellen bleiben bei unkompliziertem Anthrax in der Läsion lokalisiert, es kann jedoch auch zu einer Adenitis der umgebenden Lymphknoten kommen.
  • Der Schorf beginnt sich nach etwa zwei bis sechs Wochen nach Auftreten der ursprünglichen Läsion unabhängig von der Behandlung langsam aufzulösen.
  • Bei unbehandeltem Anthrax können 20% oder weniger der Patienten eine Septikämie entwickeln und sterben. Bei Verwendung geeigneter Antibiotika liegt die Sterblichkeitsrate jedoch unter 1%.

2. Magen-Darm-Anthrax

  • Gastrointestinaler Anthrax resultiert aus dem Eintritt von Bakteriensporen durch die Aufnahme von nicht gekochtem Fleisch von mit B. anthracis infizierten Tieren .
  • Die Inkubationszeit ähnelt einer Hautinfektion, und an der Wand des terminalen Ileums oder Caecums bildet sich ein ähnlicher charakteristischer Schorf.
  • Gastrointestinaler Anthrax kann zu zwei klinischen Formen führen; abdominaler und oroösophagealer Anthrax.
  • Bei abdominalem Anthrax werden häufige Symptome wie Übelkeit, Erbrechen, Anorexie und Fieber beobachtet. Mit fortschreitender Krankheit treten starke Bauchschmerzen mit Hämatemesis, blutiger Durchfall, der zu Septikämie und Tod führt.
  • Im Fall von oroösophagealem Anthrax sind Halsschmerzen, Dysphagie, Fieber und Ödeme Symptome.
  • Patienten können innerhalb von 2-4 Tagen nach dem Einsetzen von Bauchschmerzen massiven Aszites akkumulieren.

3. Lungen-Anthrax

  • Lungen-Anthrax macht etwa 2-5% aller Fälle von Anthrax aus. Der pulmonale Anthrax entsteht durch Inhalation von aerosolisierten Sporen.
  • Die Infektion beginnt mit grippeähnlichen Symptomen von leichtem Fieber, Müdigkeit und Unwohlsein, die 2-3 Tage nach der ersten Exposition anhalten.
  • Die anfängliche Prodromalphase dauert die ersten 48 Stunden und endet mit der Entwicklung einer akuten Infektion mit Fieber und Zyanose.
  • Das Lungensystem wird eher als Eintrittsart als als Ort der primären Pathologie angesehen. Daher wird es von Alveolarmakrophagen aufgenommen und zu mediastinalen Lymphknoten transportiert, anstatt eine Lungenentzündung zu verursachen.
  • Nach 1-3 Tagen des anfänglichen Ausbruchs schreitet die Krankheit zu einer systemischen Verbreitung mit Diaphorese, Fieber, Schüttelfrost und Schock fort.

4. Meningitis

  • Meningitis bei Anthrax tritt im Endstadium der anderen Formen von Anthrax auf. Die Symptome treten schnell mit Bewusstlosigkeit auf, aber das Fortschreiten ist ziemlich langsam.
  • Zu den klinischen Symptomen gehört das Auftreten von Blut in der Liquor cerebrospinalis mit einem möglichen Verlust des Schocks oder des Todes. 

Labordiagnose von Bacillus anthracis

Die klinische Diagnose von B. anthracis- Infektionen wird durch die Visualisierung und Kultur von B. anthracis aus den klinischen Proben bestätigt. Die Diagnose von Anthrax kann entweder mit herkömmlichen oder mit molekularen Methoden gestellt werden. Die zur Identifizierung von B. anthracis verwendeten Proben umfassen Tupfer zum Sammeln von vesikulärer Flüssigkeit im Fall von kutanem Anthrax.

1. Kulturelle und biochemische Identifizierung

  • Dieses Verfahren ist ein herkömmliches Verfahren zur Identifizierung von B. anthracis durch Wachstum auf selektiven Medien, Hämolysetest, Kapselfärbung, Motilitätstest und Empfindlichkeit gegenüber Penicillin.
  • Zur selektiven Isolierung von B. anthracis wird PLET-Agar verwendet, der bei der Identifizierung von B. anthrax durch kulturelle Merkmale hilft.
  •  Das Vorhandensein von eingekapselten Zellen kann auch als Identifizierungsmethode für B. anthracis durch M’Fadyean-Färbung mit polychromem Methylenblau verwendet werden.
  • Die herkömmliche Methode zur Diagnose von Anthrax weist aufgrund der phänotypischen und genetischen Ähnlichkeit mit anderen Bacillus- Arten einige Herausforderungen auf .
  • Der Hämolysetest kann durchgeführt werden, um B. anthracis von B. cereus zu unterscheiden , das β-hämolytisch ist.

2. Antigen-basierte Methoden

  • Der Antigennachweis durch Immunoassay ist ein alternativer Ansatz zur Diagnose von B. anthracis .
  • Übliche Antigene, die für diese Verfahren verwendet werden, sind Glykoprotein BclA des Exosporiums, extrazelluläres Antigen EA1 der S-Schicht, das Schutzantigen des Anthraxtoxins und die Poly-D-Glutamin-Kapsel.
  • Die Auswahl des Zielantigens hängt von der Art der zu testenden Probe ab, da verschiedene Antigene in den vegetativen Zellen und Sporen exprimiert werden.
  • Übliche Immunoassays, die zur Identifizierung von B. anthracis verwendet werden, sind Durchflusszytometrietests und Lumineszenzadenylatcyclasetests.

3. Molekulare Methoden

  • Molekulare Methoden wie die PCR mit der DNA-Amplifikationsmethode erleichtern den Nachweis von B. anthracis ohne die Kultur der Bakterien, wodurch sie sicherer sind als die herkömmlichen Methoden.
  • Die üblicherweise verwendeten genetischen Marker zur Identifizierung von B. anthracis sind auf den Virulenzplasmiden pXO1 und pXO2 vorhanden.
  • Die verwendeten Gene enthalten die kodierende Komponente der Anthraxtoxine und die Kapsel. Der Nachweis dieser Gene liefert auch Informationen über die Virulenz der Bakterien.
  • Es gibt jedoch einige Herausforderungen bei der Verwendung dieser Gene, da die Plasmide verloren gehen oder auf andere Bacillus- Arten übertragen werden können.

Behandlung von Bacillus anthracis- Infektionen

  • Die Behandlung von Anthrax ist nicht sehr kompliziert, da die Bakterien gegenüber vielen Antibiotika wie Ciprofloxacin, Erythromycin, Penicillin und Vancomycin empfindlich sind. Es ist resistent gegen Cephalosporine, Sulfonamide und Trimethoprim.
  • Penicillin ist das Medikament der Wahl, da bei natürlich vorkommenden Stämmen keine Resistenz gegen Penicillin gefunden wurde.
  • Der schnelle Krankheitsverlauf selbst unter Antibiotikatherapie hat jedoch zu hohen Sterblichkeitsraten für Lungen-Anthrax geführt.
  • Daher wurden Antitoxintherapien untersucht und eingesetzt, um das schnelle Fortschreiten der Krankheit und die Entfernung von Toxinen zu vermeiden.
  • Derzeit wird die Behandlung mit Ciprofloxacin, Amoxicillin und Doxycyclin bei leichten Fällen von kutanem Anthrax empfohlen.

Prävention von  Bacillus anthracis- Infektionen

  • Fälle von Ansteckung von Mensch zu Mensch wurden im Fall von Anthrax nicht berichtet, was darauf hindeutet, dass die primäre Form der Infektion die Spore ist.
  • Somit kann die Krankheit vermieden werden, indem beim Umgang mit infizierten Tieren die richtige Hygiene und der richtige Schutz aufrechterhalten werden.
  • Außerdem ist eine aktive Immunisierung bei der Vorbeugung von Anthrax vor der Exposition unerlässlich. Der einzige von der FDA zugelassene Impfstoff auf Toxinbasis für B. anthrax ist BioThrax.
  • Obwohl es vor der Exposition angewendet werden soll, ist es auch für die Prophylaxe nach der Exposition nützlich.
  • Bei Patienten mit Anthrax kontaminierte Instrumente und Materialien sollten wie üblich autoklaviert oder verbrannt werden.

B. Anthracis als Bioterrormittel

  • Die resistenten Sporen von B. anthracis mit der Möglichkeit, Aerosol zu erzeugen, können möglicherweise während des Krieges als Bioterrorwaffe eingesetzt werden.
  • Das Einatmen von Sporen ist gefährlich, da die ersten Symptome der Krankheit denen der Grippe ähneln, was die frühzeitige Diagnose schwierig macht.
  • Die Angst vor B. anthracis als Biowaffe hat zugenommen, da es für den Einsatz im Ersten und Zweiten Weltkrieg entwickelt werden sollte. Im Jahr 2001 wurden Umschläge von B. anthracis per Post an verschiedene Beamte in den Vereinigten Staaten verschickt, die ebenfalls als Akt des Bioterrorismus gelten.

Fakten, die Sie über Anthrax wissen sollten

  • Anthrax ist eine Infektion durch Bakterien, Bacillus anthracis , die normalerweise von Tieren übertragen wird.
  • Anthrax verursacht Haut-, Lungen- und Darmerkrankungen und kann tödlich sein.
  • Anthrax wird unter Verwendung von Bakterienkulturen aus infizierten Geweben diagnostiziert.
  • Es gibt vier Arten von Anthrax: Haut-, Inhalations- , Magen-Darm- und Injektionsarten.
  • Anthrax wird mit Antibiotika behandelt.
  • Lungen-Anthrax ist oft tödlich.
  • Es ist möglich, Anthrax zu verhindern.
  • Leider besteht die größte Bedrohung durch Anthrax heute in einem bioterroristischen Angriff.
  • Bundes-, Landes- und Kommunalbehörden arbeiten hart daran, diese bioterroristische Bedrohung zu bewältigen.

Bacillus anthracis-Definition, Geschichte, Klassifikation, Morphologie

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