Mikroorganismen als Krankenheitserreger (Wahl Mikrobiologie) - Exam.pdf

Aufgabe 1)

Angenommen, Du bist ein Mikrobiologe, der ein unbekanntes Pathogen in einer Klinik untersucht. Basierend auf Deinen Kenntnissen der Klassifikation von Mikroorganismen, entscheide, um welchen Typ es sich handelt und welche spezifischen Klassifikationsmerkmale Du verwendest, um diese Bestimmung vorzunehmen.

a)

Du stellst fest, dass das Pathogen eine runde, kokkenartige Form hat und sich blau nach der Gram-Färbung färbt. Welche Klasse von Mikroorganismen ist es und unter welcher spezifischen Einteilung fällt es?

Lösung:

• Formbestimmung: Das Pathogen hat eine runde, kokkenartige Form.
• Gram-Färbung: Das Pathogen färbt sich blau nach der Gram-Färbung. Dies deutet darauf hin, dass es Gram-positiv ist.
• Klassifikation: Da das Pathogen Gram-positiv und kokkenförmig ist, fällt es in die Klasse der Gram-positiven Kokken.

• Spezifische Einteilung: Gram-positive Kokken können weiter in verschiedene Gattungen eingeteilt werden, zwei der häufigsten sind Staphylococcus und Streptococcus. Eine detaillierte Analyse, wie z. B. Katalase-Test oder Hämolyseverhalten auf Blutagar, könnte helfen, die spezifische Gattung weiter einzugrenzen:
• Staphylococcus: Katalase-positiv, in Haufen angeordnet.
• Streptococcus: Katalase-negativ, in Ketten oder Paaren angeordnet.

b)

Das genannte Pathogen besitzt ein einzelsträngiges RNA-Genom und eine kugelförmige Kapsidform. Zusätzlich ist es von einer Lipidhülle umgeben. Bestimme den Typus des Pathogens und erläutere die Klassifikation.

Lösung:

• Genom: Das Pathogen besitzt ein einzelsträngiges RNA-Genom.
• Kapsidform: Das Pathogen hat eine kugelförmige Kapsidform.
• Lipidhülle: Das Pathogen ist von einer Lipidhülle umgeben.
• Klassifikation: Basierend auf diesen Merkmalen handelt es sich bei dem Pathogen um ein Virus. Genauer gesagt, gehört es zur Klasse der Einzelstrang-RNA-Viren (ssRNA-Viren).

• Spezifische Einteilung: Die Familie und ggf. die Gattung des Virus könnten durch weiterführende Analysen bestimmt werden. Typischerweise gehören solche Viren zu Familien wie Flaviviridae, Retroviridae, Coronaviridae oder Orthomyxoviridae:
• Flaviviridae: Beispiele sind das Dengue-Virus und das Hepatitis-C-Virus.
• Retroviridae: Beispiele sind das HIV und das HTLV.
• Coronaviridae: Beispiele sind das SARS-CoV-2 und andere Coronaviren.
• Orthomyxoviridae: Beispiele sind verschiedene Influenzaviren.

c)

Ein anderer Organismus, den Du untersuchst, wächst als flauschige, fadenartige Kolonie auf Deinem Kulturmedium. Er scheint eine asexuelle Reproduktionsmethode zu haben. Um welche Art von Mikroorganismus handelt es sich, und wie wird er weiter klassifiziert?

Lösung:

• Koloniecharakteristik: Der Organismus wächst als flauschige, fadenartige Kolonie auf dem Kulturmedium.
• Reproduktionsmethode: Der Organismus scheint sich asexuell zu vermehren.
• Klassifikation: Diese Merkmale deuten darauf hin, dass es sich um einen Pilz handelt, genauer gesagt um einen Schimmelpilz (Fadenpilz).

• Spezifische Einteilung: Schimmelpilze (Fadenpilze) können weiter in verschiedene Ordnungen und Familien eingeteilt werden. Eine detaillierte mikroskopische Analyse und/oder molekulare Techniken wie DNA-Sequenzierung können helfen, die spezifische Gattung und Art des Schimmelpilzes zu bestimmen. Beispielhafte Ordnungen und ihre charakteristischen Schimmelpilze sind:
• Ascomycota: Diese Abteilung umfasst viele bekannte Schimmelpilze wie Aspergillus und Penicillium.
• Zygomycota: Diese Abteilung umfasst Schimmelpilze wie Rhizopus, welche häufig auf Brot und anderen Lebensmitteln vorkommen.

d)

Du beobachtest ein neues Pathogen, das sich durch Zellbewegung mit Hilfe von Zilien fortbewegt. Es hat einen komplexen Lebenszyklus, der sowohl in direkter als auch indirekter Form auftritt. Klassifiziere diesen Mikroorganismus und erkläre den Unterschied zwischen direktem und indirektem Lebenszyklus.

Lösung:

• Bewegung: Das Pathogen bewegt sich mithilfe von Zilien.
• Lebenszyklus: Es hat einen komplexen Lebenszyklus, der sowohl in direkter als auch indirekter Form auftritt.
• Klassifikation: Diese Merkmale deuten darauf hin, dass es sich um einen Protozoen handelt, genauer gesagt um einen Ciliaten (Ciliophora).

• Lebenszyklus: Protozoen haben oftmals komplexe Lebenszyklen, die direkte und indirekte Phasen umfassen können.

• Direkter Lebenszyklus: Ein direkter Lebenszyklus bedeutet, dass der Organismus seinen gesamten Lebenszyklus in einem einzigen Wirtsorganismus durchläuft. Es gibt keine Zwischenwirte, und die Vermehrung erfolgt direkt im Wirt.
• Indirekter Lebenszyklus: Ein indirekter Lebenszyklus bedeutet, dass der Organismus mehrere Phasen in verschiedenen Wirten durchläuft. Dazu gehören Zwischenwirte und Endwirte. Der Organismus wechselt zwischen verschiedenen Wirten, um sich zu entwickeln und zu vermehren.

Aufgabe 2)

Virulenzfaktoren wie Toxine und EnzymeVirulenzfaktoren wie Toxine und Enzyme ermöglichen Mikroorganismen, Krankheiten zu verursachen, indem sie Wirtszellen schädigen, das Immunsystem umgehen oder Nährstoffe extrahieren.

• Toxine: Proteine oder Moleküle, die Wirtszellen direkt schädigen. Beispiele hierfür sind Endotoxine, die Lipopolysaccharide gram-negativer Bakterien umfassen und Exotoxine, die Proteine sind, die von Bakterien ausgeschieden werden.
• Enzyme: Biologische Katalysatoren, die Strukturen des Wirtsgewebes abbauen oder das Immunsystem stören. Beispiele hierfür sind Hyaluronidase (die Hyaluronsäure abbaut), Kollagenase (die Kollagen abbaut) und Coagulase (die Blutplasma koaguliert).

a)

Erkläre den Mechanismus, durch den Endotoxine eine entzündliche Reaktion im menschlichen Körper auslösen. Betrachte dabei die molekularen Abläufe und die spezifischen Rezeptoren und Signalwege, die involviert sind.

Lösung:

Mechanismus der Entzündungsreaktion durch EndotoxineEndotoxine, speziell Lipopolysaccharide (LPS) in der äußeren Membran von gram-negativen Bakterien, spielen eine bedeutende Rolle bei der Auslösung von Entzündungsreaktionen im menschlichen Körper. Der Mechanismus kann wie folgt beschrieben werden:

• Erkennung und Bindung: LPS wird von LPS-bindendem Protein (LBP) im Blutstrom gebunden und anschließend an den CD14-Rezeptor auf der Oberfläche von Immunzellen (wie Makrophagen) übertragen. LBP agiert dabei als Vermittler und erleichtert die Bindung von LPS an CD14.

• Signalübertragung: Der CD14-Rezeptor überträgt LPS an den Toll-like Rezeptor 4 (TLR4) auf der Zelloberfläche. Diese Bindung aktiviert eine Signalkaskade.

• Aktivierung der Signalkaskade: Die Bindung von LPS an TLR4 führt zu einer Konformationsänderung des Rezeptors, die dann zu einer Rekrutierung von Adapterproteinen wie MyD88 und TRIF führt. Diese Proteine initiieren weitere Signalkaskaden innerhalb der Zelle.

• Aktivierung von NF-κB und anderen Transkriptionsfaktoren: Die Signalkaskade führt zur Aktivierung des Transkriptionsfaktors NF-κB, der in den Zellkern transloziert. Infolgedessen aktiviert NF-κB die Transkription von Genen, die für proinflammatorische Zytokine (wie TNF-α, IL-1β und IL-6) kodieren.

• Freisetzung von proinflammatorischen Zytokinen: Diese Zytokine werden dann von den Immunzellen ausgeschüttet und lösen eine systemische Entzündungsreaktion aus. Sie erhöhen die Durchlässigkeit der Blutgefäße, fördern die Rekrutierung weiterer Immunzellen und verstärken die entzündliche Antwort.

b)

Ein Wissenschaftler entdeckt ein neues exotoxisches Protein, das die Fähigkeit hat, Zellmembranen zu durchdringen und Ionenkanäle zu blockieren. Formuliere eine Hypothese, wie dieses Protein zur Pathogenese beitragen könnte, und schlage experimentelle Ansätze vor, um Deine Hypothese zu testen.

Lösung:

Hypothese zur Rolle des neuen Exotoxins in der PathogeneseHypothese: Das neu entdeckte exotoxische Protein trägt zur Pathogenese bei, indem es die Zellmembranen von Wirtszellen durchdringt und Ionenkanäle blockiert. Dies führt zu einer Störung der Ionengleichgewichte und beeinträchtigt die Zellfunktion, was letztendlich zum Zelltod und eine geschwächte Immunreaktion führt.Vorschläge für experimentelle Ansätze:

• Isolierung und Charakterisierung des Proteins: Reinige das exotoxische Protein aus der Kultur der pathogenen Bakterien und charakterisiere es biochemisch, um seine physikalischen und chemischen Eigenschaften sowie seine Spezifität gegenüber verschiedenen Zelltypen zu bestimmen.

• Zellkulturexperimente: Kultiviere verschiedene menschliche Zelltypen (z.B. Epithelzellen, Immunzellen) und exponiere sie dem exotoxischen Protein. Untersuche die Zellviabilität, Ionenkanalaktivität (z.B. mit Patch-Clamp-Techniken) und zelluläre Ionenkonzentrationen (z.B. durch Fluo-3 AM-Bindung und Ionenchromatographie).

• Elektrophysiologische Studien: Verwende Elektrophysiologie, um die Auswirkungen des exotoxischen Proteins auf die Ionenkanäle spezifisch zu beurteilen. Analysiere die Veränderung der Membranpotentiale und den Ionenfluss in Gegenwart des exotoxischen Proteins.

• Tiermodell-Studien: Verwende geeignete Tiermodelle, um die Pathogenese in einem lebenden Organismus zu untersuchen. Administer das exotoxische Protein und bewerte die resultierenden pathologischen Veränderungen, Immunantworten und die Auswirkung auf das Überleben der Tiere.

• Genexpression-Analysen: Analysiere mithilfe von RNA-Sequenzierung oder qPCR die Veränderung der Genexpression in Wirtszellen nach Exposition gegenüber dem exotoxischen Protein. Identifiziere spezifische Gene, die an der Pathogenese beteiligt sind, und deren Signalwege.

• Mutationsanalysen: Stelle Mutanten-Stämme von Bakterien her, die das exotoxische Protein produzieren, aber nicht in die Zellmembran eindringen können oder die Ionenkanäle nicht blockieren. Vergleiche die Pathogenität dieser Mutanten mit dem Wildtyp-Stamm, um die Bedeutung dieser Funktionen für die Krankheit zu bestimmen.

c)

Bestimme die spezifische Aktivität der Enzyme Hyaluronidase und Kollagenase unter Laborbedingungen anhand der folgenden Daten. Wenn die Hyaluronidase in 2 Minuten 0,5 mg Hyaluronsäure und die Kollagenase in 5 Minuten 1,2 mg Kollagen abbaut, berechne die enzymatische Aktivität in Einheiten (U), wobei 1 U der Menge an Enzym entspricht, die 1 µmol Substrat pro Minute abbaut. Nutze die Information, dass die molekulare Masse von Hyaluronsäure 400 kDa und von Kollagen 300 kDa beträgt.

Lösung:

Berechnung der spezifischen Aktivität der Enzyme Hyaluronidase und KollagenaseHier sind die Schritte zur Berechnung der spezifischen Aktivität:1. Schritt: Bestimmung der Menge des abgebauten Substrats pro Minute

• Hyaluronidase: 0,5 mg in 2 Minuten\(\text{Menge pro Minute} = \frac{0,5 \text{ mg}}{2 \text{ Minuten}} = 0,25 \text{ mg/min}\)
• Kollagenase: 1,2 mg in 5 Minuten\(\text{Menge pro Minute} = \frac{1,2 \text{ mg}}{5 \text{ Minuten}} = 0,24 \text{ mg/min}\)

• Hyaluronsäure: Molekulare Masse = 400 kDa = 400,000 g/mol0,25 mg/min = 0,00025 g/min\(\text{Menge in µmol} = \frac{0,00025 \text{ g/min}}{400,000 \text{ g/mol}} = 6,25 \times 10^{-7} \text{ mol/min} = 0,625 \text{ µmol/min}\)
• Kollagen: Molekulare Masse = 300 kDa = 300,000 g/mol0,24 mg/min = 0,00024 g/min\(\text{Menge in µmol} = \frac{0,00024 \text{ g/min}}{300,000 \text{ g/mol}} = 8,00 \times 10^{-7} \text{ mol/min} = 0,800 \text{ µmol/min}\)

• Hyaluronidase: Enzymatische Aktivität = 0,625 U (da 1 U = 1 µmol Substrat pro Minute)
• Kollagenase: Enzymatische Aktivität = 0,800 U

• Die spezifische Aktivität der Hyaluronidase beträgt 0,625 U.
• Die spezifische Aktivität der Kollagenase beträgt 0,800 U.

Aufgabe 3)

Ein wichtiger Aspekt in der Pathogenität von Mikroorganismen ist ihr Vermögen, an Wirtszellen zu haften und in diese einzudringen. Dies wird durch eine Reihe von Mechanismen ermöglicht, darunter die Verwendung von Adhäsinen, Invasinen und Toxinen. Adhäsine sind Schlüsselproteine, die es Mikroorganismen ermöglichen, an spezifische Rezeptoren auf der Zelloberfläche des Wirts zu binden. Dieser Prozess kann durch die Bindungskonstante \( \textit{k\textsubscript{ad}} \) quantitativ beschrieben werden. Nach der Adhäsion können Mikroorganismen entweder durch Phagozytose oder durch die Sekretion von invasiven Proteinen, sogenannten Invasinen, in die Wirtszelle eindringen. Toxine, die von Mikroorganismen produziert werden, können ebenfalls die Zellfunktionen beeinträchtigen und die Invasion unterstützen.

a)

Beschreibe den Prozess der Adhäsion eines Mikroorganismus an die Wirtszelle. Gehe dabei auf die Rolle von Adhäsinen und Rezeptoren ein. Welche biochemischen Eigenschaften dieser Proteine sind für die spezifische Bindung ausschlaggebend?

Lösung:

Der Prozess der Adhäsion eines Mikroorganismus an eine Wirtszelle ist ein essenzieller Schritt in der Pathogenese, da er es dem Mikroorganismus ermöglicht, an der Oberfläche der Wirtszelle zu haften und eine enge Interaktion einzugehen. Hierbei spielen die Adhäsine und die spezifischen Rezeptoren auf der Zelloberfläche des Wirts eine entscheidende Rolle.

• Rolle von Adhäsinen: Adhäsine sind spezielle Proteine, die sich auf der Oberfläche von Mikroorganismen befinden. Ihre Hauptfunktion besteht darin, eine feste Bindung an die Wirtszelle zu ermöglichen, indem sie an spezifische Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle binden. Diese Bindungsverbindung ist hochspezifisch und oft durch molekulare Strukturen bestimmt, die wie ein Schlüssel-Schloss-System arbeiten.
• Rolle der Rezeptoren: Die Rezeptoren auf der Zelloberfläche des Wirts sind ebenfalls Proteine oder Glykopeptide, die spezifische Bindungsstellen für die Adhäsine bieten. Diese Bindungsstellen sind so gestaltet, dass die Adhäsine mit hoher Affinität binden können, was zu einer starken und spezifischen Adhäsion führt. Die Interaktion zwischen Adhäsinen und Rezeptoren ist oft das Ergebnis einer präzisen dreidimensionalen Konformationsübereinstimmung.
• Biochemische Eigenschaften: Die biochemischen Eigenschaften, die für die spezifische Bindung ausschlaggebend sind, umfassen:
• Spezifische Bindungsstellen: Die Aminosäuresequenz und die dreidimensionale Struktur der Adhäsine ermöglichen es ihnen, spezifisch an ihre Rezeptoren zu binden. Kleine Variationen in der Struktur können die Spezifität und Affinität der Bindung stark beeinflussen.
• Elektrostatische Interaktionen: Geladene Aminosäurereste in den Adhäsinen und den Rezeptoren können elektrostatische Wechselwirkungen eingehen, die die Bindung stabilisieren.
• Hydrophobe Interaktionen: Hydrophobe Bereiche in den Adhäsinen und den Rezeptoren können durch hydrophobe Wechselwirkungen zur Stabilität der Bindung beitragen.
• Wasserstoffbrückenbindungen: Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den funktionellen Gruppen der Aminosäuren in Adhäsinen und den Rezeptoren können ebenfalls eine starke und spezifische Bindung fördern.

Zusammengefasst ermöglichen die Kombination dieser biochemischen Eigenschaften eine hochspezifische und stabile Bindung zwischen den Adhäsinen der Mikroorganismen und den Rezeptoren der Wirtszelle, was den ersten Schritt für eine erfolgreiche Infektion darstellt.

b)

Erkläre, wie die Formel für die Bindungskonstante \( \textit{k\textsubscript{ad}} \) verwendet wird, um die Interaktion zwischen einem Adhäsin und einem Rezeptor quantitativ zu beschreiben. Berechne \( \textit{k\textsubscript{ad}} \), wenn die Konzentration des freien Adhäsins \( [A] = 2 \, \text{µM} \) und des freien Rezeptors \( [R] = 1 \, \text{µM} \) ist und die Konzentration des gebundenen Komplexes \( [AR] = 0,5 \, \text{µM} \).

Lösung:

Die Bindungskonstante \( \textit{k\textsubscript{ad}} \) dient zur quantitativen Beschreibung der Bindungsaffinität zwischen einem Adhäsin und einem Rezeptor. Diese Konstante gibt an, wie stark die Bindung zwischen den beiden Molekülen ist. Ein höherer Wert von \( \textit{k\textsubscript{ad}} \) zeigt eine stärkere Affinität an, während ein niedrigerer Wert auf eine schwächere Bindung hinweist.

Die Formel zur Berechnung der Bindungskonstante lautet:

\( k_{ad} = \frac{[AR]}{[A] \times [R]} \)

• \([A]\): Konzentration des freien Adhäsins
• \([R]\): Konzentration des freien Rezeptors
• \([AR]\): Konzentration des gebundenen Komplexes (Adhäsin-Rezeptor-Komplex)

Um \( \textit{k\textsubscript{ad}} \) zu berechnen, setzen wir die gegebenen Werte in die Formel ein:

 [A] = 2 \, \text{µM}  [R] = 1 \, \text{µM}  [AR] = 0,5 \, \text{µM}  

Setzen wir diese Werte in die Formel ein:

 k_{ad} = \frac{[AR]}{[A] \times [R]}  k_{ad} = \frac{0,5 \, \text{µM}}{2 \, \text{µM} \times 1 \, \text{µM}}  k_{ad} = \frac{0,5}{2}  k_{ad} = 0,25 \, \text{µM}^{-1} 

Die Bindungskonstante \( \textit{k\textsubscript{ad}} \) beträgt somit 0,25 \, \text{µM}^{-1}. Dies bedeutet, dass das Adhäsin eine moderate Affinität zum Rezeptor hat.

c)

Diskutiere den Mechanismus der Invasion eines Mikroorganismus nach der Adhäsion an die Wirtszelle. Welche Rolle spielen Invasine und verschiedene zelluläre Prozesse wie die Phagozytose dabei?

Lösung:

Nach der Adhäsion eines Mikroorganismus an die Wirtszelle durch Adhäsine, beginnt der Prozess der Invasion, bei dem der Mikroorganismus in die Wirtszelle eindringt. Dieser Mechanismus ist essenziell für die Etablierung einer Infektion und beinhaltet sowohl mikrobielle Faktoren wie Invasine als auch zelluläre Prozesse der Wirtszelle wie die Phagozytose.

• Rolle der Invasine: Invasine sind spezialisierte Proteine, die von Mikroorganismen sekretiert werden, um das Eindringen in die Wirtszelle zu erleichtern. Diese Proteine interagieren mit Zelloberflächenrezeptoren der Wirtszellen und induzieren zelluläre Signalwege, die zur Aufnahme des Mikroorganismus führen. Invasine können die zellulären Zytoskelettstrukturen der Wirtszelle modifizieren, was eine Umformung der Zellmembran und das Einschließen des Mikroorganismus ermöglicht.
• Phagozytose: Phagozytose ist ein zellulärer Prozess, bei dem die Wirtszelle extrazelluläres Material, einschließlich Mikroorganismen, aufnimmt. Dies geschieht durch das Einfalten der Zellmembran und das Bilden von Vesikeln, sogenannten Phagosomen. Nach der Adhäsion an die Wirtszelle können Mikroorganismen diesen Prozess ausnutzen, um in die Zelle aufgenommen zu werden. Einmal in der Zelle, können sie entweder in den Phagosomen verbleiben und deren Abwehrmechanismen umgehen oder durchbrechen die Phagosomenmembran und verteilen sich im Zytoplasma.
• Manipulation zellulärer Prozesse: Mikroorganismen nutzen verschiedene Strategien, um zelluläre Prozesse zu manipulieren und somit die Invasion und das Überleben in der Wirtszelle zu gewährleisten. Dies kann durch die Aktivierung oder Hemmung zellulärer Signalwege, die Veränderung der Zytoskelettstruktur oder das Ausschütten zytotoxischer Moleküle geschehen.

Zusammengefasst spielen Invasine und zelluläre Prozesse wie die Phagozytose eine zentrale Rolle im Mechanismus der Invasion. Durch die Interaktion und Manipulation dieser Prozesse können Mikroorganismen effektiv in die Wirtszellen eindringen und sich innerhalb des Wirtsgewebes ausbreiten, was zur fortschreitenden Infektion und Pathogenität beiträgt.

d)

Beschreibe die Funktion von Toxinen im Kontext der Adhäsion und Invasion von Mikroorganismen. Wie können Toxine die Zellfunktionen beeinträchtigen und dadurch die Aufnahme von Mikroorganismen erleichtern? Nenne konkrete Beispiele von Toxinen und deren Wirkungsweisen.

Lösung:

Toxine spielen eine entscheidende Rolle bei der Pathogenität von Mikroorganismen, indem sie die Zellfunktionen des Wirts beeinträchtigen und somit die Adhäsion und Invasion erleichtern. Diese Substanzen können auf verschiedene Weise wirken, um die Wirtszellen zu schädigen und die Aufnahme von Mikroorganismen zu fördern.

• Beeinträchtigung der Zellfunktionen: Toxine können direkt auf die Zellstrukturen und Signalwege einwirken, was zur Zerstörung von Zellen, zur Hemmung der Immunantwort oder zur Veränderung der Zellpermeabilität führt. Dies schafft eine Umgebung, die die Adhäsion und das Eindringen von Mikroorganismen begünstigt.
• Zytotoxische Wirkung: Einige Toxine zerstören direkt die Zellmembranen der Wirtszellen, was zu deren Lyse führt. Diese Zerstörung der Zellstrukturen kann die Barrierefunktion des Gewebes schwächen und den Mikroorganismen den Zugang erleichtern.
• Immunmodulation: Andere Toxine können die Immunantwort des Wirts beeinflussen, indem sie Immunzellen angreifen oder entzündungshemmende Signalwege aktivieren, was eine effektivere Invasion ermöglicht.
• Manipulation der Signalwege: Toxine können zelluläre Signalwege beeinflussen und somit die Aufnahmeprozesse von Mikroorganismen durch Endozytose oder Phagozytose fördern.
• Konkrete Beispiele: Es gibt eine Vielzahl von Toxinen mit spezifischen Wirkungsweisen. Hier sind einige Beispiele:
• Choleratoxin: Produziert von Vibrio cholerae, wirkt das Choleratoxin durch Aktivierung der Adenylatzyklase, was zu einem Anstieg des cAMP-Spiegels in den Darmepithelzellen führt. Dies resultiert in einer starken Wasser- und Elektrolytsekretion und letztendlich zu Durchfall. Diese Störung der normalen Zellfunktionen ermöglicht eine bessere Verbreitung des Bakteriums.
• Tetanustoxin: Produziert von Clostridium tetani, blockiert dieses Toxin die Freisetzung von inhibierenden Neurotransmittern wie Glycin und GABA in den Nervenzellen. Dies führt zu Muskelspasmen und Krämpfen. Obwohl es hauptsächlich nervenspezifisch wirkt, hindert die durch das Toxin verursachte Muskelkontraktion die normalen Abwehrmechanismen des Wirts und kann somit die Verbreitung des Bakteriums unterstützen.
• Diphtherietoxin: Produziert von Corynebacterium diphtheriae, hemmt dieses Toxin die Proteinbiosynthese in Wirtszellen, indem es den Elongationsfaktor EF-2 modifiziert. Dies führt zum Zelltod der betroffenen Zellen, schwächt das Gewebe und erleichtert den Bakterien die Invasion und Besiedlung des Wirts.

Zusammengefasst tragen Toxine durch die Beeinträchtigung der Zellfunktionen maßgeblich zur Pathogenität von Mikroorganismen bei. Sie schwächen die Abwehrmechanismen des Wirts, modifizieren zelluläre Prozesse und schaffen eine Umgebung, die die Adhäsion und Invasion von Mikroorganismen begünstigt.

Aufgabe 4)

Die horizontale und vertikale Transmission von Krankheitserregern sind entscheidende Mechanismen in der Epidemiologie. Horizontale Transmission bezieht sich auf die Übertragung von Erregern zwischen Individuen derselben Generation, während vertikale Transmission die Übertragung von Eltern auf Nachkommen beschreibt.

Die horizontale Transmission kann auf verschiedene Arten erfolgen: durch direkten Kontakt (z.B. Speichel, Blut), indirekten Kontakt (z.B. kontaminierte Oberflächen, Nahrungsmittel), Vektoren (z.B. Insekten) und aerogen (z.B. Tröpfcheninfektion). Die vertikale Transmission kann plazentar, perinatal (während der Geburt) oder laktogen (über Muttermilch) erfolgen.

Beispielhafte Erreger umfassen HIV (beide Übertragungswege), Influenzavirus (horizontal), und Rötelnvirus (vertikal).

a)

Erläutere den Unterschied zwischen der horizontalen und der vertikalen Transmission von Krankheitserregern und gib je zwei Beispiele für jeden Übertragungsweg an. Nenne dabei auch spezifische Erreger.

Lösung:

Unterschied zwischen horizontaler und vertikaler Transmission von Krankheitserregern:

• Horizontale Transmission: Hierbei erfolgt die Übertragung von Krankheitserregern zwischen Individuen derselben Generation. Das bedeutet, dass der Erreger von einer Person auf eine andere Person übertragen wird, die nicht seine Nachkommen sind. Diese Übertragungsart kann durch direkten Kontakt (z.B. durch Speichel oder Blut), indirekten Kontakt (z.B. durch kontaminierte Oberflächen oder Nahrungsmittel), Vektoren (z.B. Insekten) oder aerogen (z.B. durch Tröpfcheninfektion) erfolgen.
• Vertikale Transmission: Hier erfolgt die Übertragung von Krankheitserregern von Eltern auf ihre Nachkommen. Dies kann plazentar (während der Schwangerschaft), perinatal (während der Geburt) oder laktogen (durch Muttermilch) erfolgen.

Beispiele für horizontale Transmission:

• Influenza-Virus: Die Grippe wird durch Tröpfcheninfektion von Mensch zu Mensch übertragen.
• Norovirus: Wird häufig durch kontaminierte Nahrungsmittel oder Oberflächen übertragen und verursacht Magen-Darm-Erkrankungen.

Beispiele für vertikale Transmission:

• HIV: Kann während der Geburt oder durch Muttermilch von der Mutter auf das Kind übertragen werden.
• Rötelnvirus: Kann während der Schwangerschaft von der Mutter auf das ungeborene Kind übertragen werden, und schwere Komplikationen verursachen.

b)

Berechne die theoretische Ansteckungsrate (\textbf{R0}) eines Influenzavirus anhand der folgenden Daten: Bei der horizontalen Übertragung infiziert eine Person im Durchschnitt 1,8 weitere Personen innerhalb einer Woche. Wie viele Individuen sind nach vier Wochen infiziert, wenn von einer einzelnen infizierten Person ausgegangen wird, und wenn keine Maßnahmen zur Infektionskontrolle ergriffen werden? Gehe von einer exponentiellen Wachstumsrate aus.

Lösung:

Berechnung der theoretischen Ansteckungsrate R0 eines Influenzavirus:

Die Ansteckungsrate wird anhand eines exponentiellen Wachstumsmodells berechnet. Gegeben ist, dass eine Person im Durchschnitt 1,8 weitere Personen pro Woche infiziert.

Die Formel für exponentielles Wachstum lautet:

\[ N(t) = N_0 \times R0^t \]

Dabei sind:

• \(N(t)\): Die Anzahl der Infizierten nach \(t\) Wochen
• \(N_0\): Die anfängliche Anzahl der Infizierten (hier: 1)
• \(R0\): Die Basisreproduktionszahl (hier: 1,8)
• \(t\): Die Anzahl der Zeitperioden in Wochen (hier: 4)

Setzen wir die Werte in die Formel ein:

\[ N(4) = 1 \times 1.8^4 \]

Berechnen wir nun \(1.8^4\):

\[ 1.8^4 = 1.8 \times 1.8 \times 1.8 \times 1.8 \]

\[ 1.8^4 = 10.4976 \]

Also ergibt sich:

\[ N(4) = 1 \times 10.4976 = 10.4976 \]

Das bedeutet, dass nach vier Wochen, ohne Maßnahmen zur Infektionskontrolle, theoretisch etwa 10 bis 11 Individuen (gerundet) infiziert sein werden.

c)

Diskutiere die epidemiologischen und immunologischen Herausforderungen, die mit der plazentaren Übertragung von HIV verbunden sind. Berücksichtige dabei die potenziellen Auswirkungen auf den Fötus und mögliche Präventionsstrategien.

Lösung:

Epidemiologische und immunologische Herausforderungen bei der plazentaren Übertragung von HIV:

Die plazentare Übertragung von HIV stellt sowohl für Epidemiologen als auch für Immunologen erhebliche Herausforderungen dar. Diese Komplexität ergibt sich aus den folgenden Faktoren:

• Virusübertragung während der Schwangerschaft: HIV kann den Fötus während der Schwangerschaft über die Plazenta infizieren, was zu einer Vielzahl von gesundheitlichen Problemen führen kann. Diese Übertragungsroute wird als intrauterine Übertragung bezeichnet.
• Rolle des Immunsystems: Das Immunsystem der Mutter und des Fötus spielt eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der Virusvermehrung. Während der Schwangerschaft ist das Immunsystem der Mutter oft geschwächt, und der Fötus hat ein unreifes Immunsystem, was die Anfälligkeit für Infektionen erhöht.

Potenzielle Auswirkungen auf den Fötus:

• Kongenitale HIV-Infektion: Eine direkte Folge der plazentaren Übertragung ist eine kongenitale HIV-Infektion, bei der der Fötus mit HIV geboren wird. Dies kann zu einer schweren Immunsuppression und einer erhöhten Anfälligkeit für opportunistische Infektionen führen.
• Entwicklungsstörungen: HIV kann die Entwicklung des Fötus beeinträchtigen, was zu niedrigem Geburtsgewicht, Frühgeburt und anderen Entwicklungsstörungen führen kann.

Mögliche Präventionsstrategien:

• Antiretrovirale Therapie (ART): Schwangere Frauen, die mit HIV infiziert sind, sollten antiretrovirale Medikamente einnehmen, um die Viruslast zu reduzieren und das Risiko einer Übertragung auf den Fötus zu verringern. Studien haben gezeigt, dass eine wirksame ART das Risiko einer plazentaren Übertragung erheblich senken kann.
• Prä- und Postnatale Interventionen: Neben der pränatalen ART kann die Gabe von antiretroviralen Medikamenten an das Neugeborene kurz nach der Geburt helfen, das Risiko einer HIV-Übertragung weiter zu verringern.
• Kaiserschnitt: Ein geplanter Kaiserschnitt vor dem Einsetzen der Wehen kann ebenfalls das Risiko einer vertikalen Übertragung während der Geburt verringern, insbesondere wenn die Viruslast der Mutter hoch ist.
• Verzicht auf Stillen: Da HIV auch über die Muttermilch übertragen werden kann, wird häufig empfohlen, auf das Stillen zu verzichten und stattdessen sichere Alternativen zur Ernährung des Neugeborenen zu verwenden.

Zusammenfassend stellen die plazentare Übertragung von HIV und die damit verbundenen immunologischen und epidemiologischen Herausforderungen erhebliche Hürden dar, die jedoch durch eine Kombination von antiretroviraler Therapie, prä- und postnatalen Interventionen und sorgfältigem Management der Schwangerschaft und Geburt effektiv angegangen werden können.

d)

Entwirf ein Experiment, um die Effizienz der vertikalen Übertragung von Röteln durch die Muttermilch zu untersuchen. Beschreibe das experimentelle Design, die Kontrollgruppen und die notwendigen Messungen.

Lösung:

Entwurf eines Experiments zur Untersuchung der Effizienz der vertikalen Übertragung von Röteln durch die Muttermilch:

Um die Effizienz der vertikalen Übertragung von Röteln durch die Muttermilch zu untersuchen, schlagen wir folgendes experimentelles Design vor:

Experimentelles Design:

• Ziel: Bestimmen, ob und wie effizient das Rötelnvirus durch die Muttermilch von infizierten Müttern auf ihre Neugeborenen übertragen wird.
• Testsubjekte: Neugeborene, deren Mütter entweder mit dem Rötelnvirus infiziert sind oder nicht infiziert sind (Kontrollgruppen).
• Dauer des Experiments: 4 Wochen
• Ethikgenehmigung: Vor Beginn muss eine Ethikgenehmigung eingeholt werden, da menschliche Probanden involviert sind.

Kontrollgruppen:

• Gruppe A (Kontrollgruppe): Neugeborene, deren Mütter nicht mit dem Rötelnvirus infiziert sind und die Muttermilch erhalten.
• Gruppe B (Infizierte Mütter, keine Stillenden): Neugeborene, deren Mütter mit dem Rötelnvirus infiziert sind, aber auf eine Ersatznahrung umgestellt werden.
• Gruppe C (Infizierte Mütter, stillend): Neugeborene, deren Mütter mit dem Rötelnvirus infiziert sind und die Muttermilch erhalten.

Notwendige Messungen:

• Initialer Gesundheitszustand: Vor Beginn des Experiments wird der Gesundheitszustand der Neugeborenen und der Mütter dokumentiert.
• Viruslast in der Muttermilch: Regelmäßige Entnahme von Milchproben der Mütter zur Bestimmung der Viruslast mittels RT-PCR (Reverse-Transkriptase-Polymerase-Kettenreaktion).
• Neugeborenen-Untersuchungen: Regelmäßige Blutuntersuchungen der Neugeborenen (z.B. wöchentlich) um die Präsenz von Rötelnvirus- RNA und Antikörpern (IgM und IgG) zu testen.
• Symptommonitoring: Dokumentation von Symptomen oder Anzeichen einer Rötelninfektion bei sowohl Müttern als auch Neugeborenen.

Datenauswertung:

• Vergleiche die Viruslast in der Milchproben zwischen Gruppe B und Gruppe C.
• Analysiere die Prävalenz von Rötelnvirus- RNA und Antikörpern in den Blutproben der Neugeborenen zwischen Gruppe A, B und C.
• Bestimme die Rate der Übertragung und den Schweregrad der Symptome in den verschiedenen Gruppen.

Erwartete Ergebnisse und Interpretation:

• Wenn die vertikale Übertragung durch die Muttermilch effizient ist, sollten in Gruppe C mehr Neugeborene mit Rötelnvirus- RNA und entsprechenden Antikörpern nachgewiesen werden im Vergleich zu Gruppe A und B.
• Gruppenunterschiede in der Viruslast und der Antikörperprävalenz geben Hinweise auf die Übertragungsmechanismen und -effizienz.