Infektiologie, Immunologie - Exam

Aufgabe 1)

Du bist ein Arzt in einer Klinik und erhältst einen Patienten mit systemischen Symptomen und einer unbekannten Infektionskrankheit. Um die Diagnose zu stellen und die geeignete Therapie zu wählen, musst Du das vorliegende Wissen über Infektionserreger anwenden.

a)

Der Patient zeigt hohe Fieberwerte, und eine Erstuntersuchung deutet auf eine bakterielle Infektion hin. Beschreibe die wesentlichen Unterschiede zwischen gram-positiven und gram-negativen Bakterien. Welche Färbemethode würdest Du im Labor anwenden, um diese Unterscheidung zu treffen, und wie funktioniert diese Methode?

Lösung:

Unterschiede zwischen gram-positiven und gram-negativen Bakterien:

• Zellwandstruktur:
  • Gram-positive Bakterien: Diese Bakterien haben eine dicke Peptidoglykanschicht, die etwa 20-80 nm dick ist. Diese dicke Schicht ist für die Retention des Kristallviolettfarbstoffs im Gram-Färbeverfahren verantwortlich.
  • Gram-negative Bakterien: Diese Bakterien besitzen eine dünne Peptidoglykanschicht (etwa 2-7 nm) und eine äußere Membran, die aus Lipopolysacchariden besteht. Diese Struktur macht sie resistenter gegen bestimmte Antibiotika und andere chemische Substanzen.
• Färbeverhalten:
  • Gram-positive Bakterien: Diese Bakterien bleiben nach der Gram-Färbung blau-violett, da die Dicke ihrer Peptidoglykanschicht den Farbstoff fixiert.
  • Gram-negative Bakterien: Diese Bakterien färben sich rot oder pink, da die dünne Peptidoglykanschicht den Farbstoff nicht hält und nach einer Entfärbung mit Alkohol und einer Gegenfärbung sichtbar wird.
• Anfälligkeit gegenüber Antibiotika:
  • Gram-positive Bakterien: Diese sind oft empfindlicher gegenüber Antibiotika, die die Zellwandsynthese stören (z. B. Penicillin).
  • Gram-negative Bakterien: Diese Bakterien sind oft resistenter gegenüber Antibiotika aufgrund ihrer zusätzlichen äußeren Membran, die als Barriere wirkt.
• Lipopolysaccharide (LPS):
  • Gram-positive Bakterien: Diese haben keine Lipopolysaccharide.
  • Gram-negative Bakterien: Diese haben Lipopolysaccharide auf der äußeren Membran, die als Endotoxine wirken können und eine starke Immunantwort auslösen können.

• Schritt 1: Die Bakterien werden auf einem Objektträger fixiert.
• Schritt 2: Der Objektträger wird mit Kristallviolett gefärbt, einem violetten Farbstoff.
• Schritt 3: Ein Jod-Lösung, oft als Lugol'sche Lösung bezeichnet, wird aufgetragen, um den Farbstoff zu fixieren.
• Schritt 4: Der Objektträger wird mit Alkohol oder Aceton entfärbt. Gram-positive Bakterien behalten die violette Farbe, während gram-negative Bakterien entfärbt werden.
• Schritt 5: Eine Gegenfärbung mit Safranin oder Fuchsin wird aufgetragen. Gram-negative Bakterien nehmen die rote oder pinke Farbe an.
Die Gram-Färbung ermöglicht es somit, eine schnelle und effektive Differenzierung zwischen gram-positiven und gram-negativen Bakterien durchzuführen.

b)

Während einer weiteren Untersuchung stellst Du fest, dass der Patient Symptome aufweist, die typisch für eine virale Infektion sind. Erkläre den Vermehrungszyklus von Viren in Wirtszellen und beschreibe eine Methode, wie man eine virale Infektion im Labor nachweisen kann.

Lösung:

Vermehrungszyklus von Viren in Wirtszellen:

• Anheftung und Eindringen: Der Vermehrungszyklus beginnt, wenn ein Viruspartikel (Virion) an spezifische Rezeptoren auf der Oberfläche der Wirtszelle anhaftet. Diese Bindung ist oft sehr spezifisch, was bedeutet, dass ein Virus nur bestimmte Zelltypen infizieren kann. Nach der Anheftung dringt das Virus in die Zelle ein, entweder durch Membranfusion oder Endozytose.
• Uncoating (Freisetzung des viralen Genoms): Nach dem Eindringen wird das virale Genom (DNA oder RNA) aus der Proteinhülle (Capsid) freigesetzt, um verfügbar für die Replikation zu sein.
• Replikation des viralen Genoms: Das virale Genom wird durch die zelluläre Maschinerie der Wirtszelle repliziert. Bei DNA-Viren erfolgt dies im Zellkern, während RNA-Viren dies oft im Zytoplasma tun. Einige Viren nutzen ihre eigene virale Polymerase, um ihre RNA zu replizieren.
• Transkription und Translation viraler Proteine: Die mRNA des Virus wird von den Ribosomen der Wirtszelle abgelesen und in virale Proteine übersetzt. Diese Proteine sind notwendig für die Zusammenbau neuer Virionen.
• Zusammenbau (Assembly) und Reifung: Die neu synthetisierten viralen Genomkopien und Proteine werden zusammengebaut, um neue Virionen zu bilden. Bei manchen Viren erfolgt eine Reifung, bei der das Virus eine endgültige, infektiöse Form annimmt.
• Freisetzung: Die neuen Virionen werden aus der Wirtszelle freigesetzt. Dies kann durch Lyse der Wirtszelle erfolgen, wodurch die Zelle zerstört wird, oder durch Knospung (Budding), bei der das Virus von der Zellmembran abgeschnürt wird und die Zelle weiterleben kann.
Methode zum Nachweis einer viralen Infektion im Labor:
• Polymerase-Kettenreaktion (PCR): Eine häufig verwendete Methode zum Nachweis von viralen Infektionen ist die PCR. Mithilfe der PCR können spezifische DNA- oder RNA-Sequenzen eines Virus aus einer Patientenprobe amplifiziert (vervielfältigt) und nachgewiesen werden.
Funktionsweise der PCR:

1. Extraktion: Die virale DNA oder RNA wird zunächst aus der Patientenprobe (z.B. Blut, Speichel) extrahiert.
2. Reverse Transkription (falls nötig): Wenn es sich um ein RNA-Virus handelt, wird die virale RNA durch eine Reverse Transkriptase in komplementäre DNA (cDNA) umgeschrieben.
3. Denaturierung: Die doppelsträngige DNA wird durch Erhitzen bei hoher Temperatur (etwa 95°C) in Einzelstränge getrennt.
4. Annealing: Bei einer niedrigeren Temperatur (ca. 50-65°C) binden spezifische Primer an die DNA-Sequenzen.
5. Elongation: Bei etwa 72°C synthetisiert die DNA-Polymerase neue DNA-Stränge, indem sie komplementäre Nukleotide an die Einzelstränge anfügt.
6. Diese Schritte werden in mehreren Zyklen (typischerweise 30-40) wiederholt, wodurch die Zielsequenz exponentiell vervielfältigt wird.
7. Die amplifizierten DNA-Fragmente können dann durch Gelelektrophorese oder quantitative PCR (qPCR) nachgewiesen werden.

Die PCR ist eine sehr empfindliche und spezifische Methode, die es ermöglicht, auch sehr geringe Mengen an viraler Nukleinsäure nachzuweisen, und ist deshalb ein Standardverfahren im modernen diagnostischen Labor.

c)

Angenommen, ein anderer Patient kommt mit schweren Atemwegsproblemen zu Dir und es wird vermutet, dass ein Pilz die Infektion verursacht. Diskutiere den Unterschied zwischen Hefen und Schimmelpilzen in Bezug auf ihre Morphologie und Pathogenität. Welche diagnostischen Verfahren könntest Du verwenden, um eine Pilzinfektion nachzuweisen?

Lösung:

Unterschiede zwischen Hefen und Schimmelpilzen:

• Morphologie:
  • Hefen: Hefen sind einzellige Pilze, die sich hauptsächlich durch Knospung oder Spaltung vermehren. Sie haben eine ovale oder runde Form und bilden oft weiche, cremige Kolonien auf Agarplatten. Ein bekanntes Beispiel für eine pathogene Hefe ist Candida albicans.
  • Schimmelpilze: Schimmelpilze sind mehrzellig und bilden verzweigte, fadenförmige Strukturen, die als Hyphen bezeichnet werden. Diese Hyphen können zusammen ein dichtes Netzwerk bilden, das als Myzel bekannt ist. Schimmelpilze produzieren häufig Sporen, die in der Luft verbreitet werden können. Ein bekanntes Beispiel für pathogene Schimmelpilze ist Aspergillus fumigatus.
• Pathogenität:
  • Hefen: Hefen können opportunistische Infektionen verursachen, besonders bei immungeschwächten Patienten. Candida-Infektionen, zum Beispiel, betreffen häufig die Schleimhäute (Mund, Vagina) und können auch systemische Infektionen auslösen (Candidiasis).
  • Schimmelpilze: Schimmelpilze können sowohl opportunistische als auch pathogene Infektionen verursachen. Aspergillus-Arten können Erkrankungen wie Aspergillose hervorrufen, die besonders die Lungen betreffen. Auch hier sind immungeschwächte Patienten besonders gefährdet.
Diagnostische Verfahren zum Nachweis einer Pilzinfektion:
• Mikroskopie: Eine direkte mikroskopische Untersuchung von Proben (z.B. Sputum, Hautschuppen) kann Hinweise auf Pilzstrukturen geben. Dies kann durch spezielle Färbungen wie KOH-Präparat (Kalilauge) oder Gram-Färbung unterstützt werden.
• Kultur: Pilze können auf speziellen Nährmedien wie Sabouraud-Agar kultiviert werden. Hefen und Schimmelpilze wachsen oft unterschiedlich auf diesen Medien, was eine weitere Differenzierung ermöglicht.
• Serologische Tests: Diese Tests können Antikörper oder Antigene nachweisen, die als Reaktion auf eine Pilzinfektion im Körper vorhanden sind. Beispielsweise kann der Galaktomannan-Test zur Diagnose einer Aspergillose verwendet werden.
• Molekularbiologische Methoden: Techniken wie PCR (Polymerase-Kettenreaktion) können spezifische Pilz-DNA in Patientenproben amplifizieren und nachweisen, was eine schnelle und spezifische Diagnostik ermöglicht.
• Bildgebende Verfahren: Radiologische Untersuchungen wie Röntgen oder CT-Scans können verwendet werden, um das Ausmaß und die Lokalisation der Infektion zu beurteilen, insbesondere bei invasiven Pilzinfektionen der Lungen.
Diese diagnostischen Verfahren ermöglichen eine genaue Identifizierung und Differenzierung von Pilzinfektionen, was entscheidend für die Wahl der geeigneten Therapie ist.

d)

Ein dritter Patient zeigt neurodegenerative Symptome. Diskutiert die Möglichkeit, dass eine Prionenerkrankung vorliegt. Erkläre das Konzept von Prionen und wie sie sich von anderen Infektionserregern unterscheiden. Welche diagnostischen Herausforderungen sind mit Prionenerkrankungen verbunden?

Lösung:

Prionenerkrankungen:

• Was sind Prionen? Prionen sind fehlgefaltete Proteine, die neurodegenerative Erkrankungen verursachen können. Im Gegensatz zu herkömmlichen Infektionserregern wie Bakterien, Viren, Pilzen oder Parasiten enthalten Prionen keine DNA oder RNA. Prionen sind abnorme Formen eines normalerweise harmlosen Proteins, das Prionprotein (PrP), das im Nervensystem vorkommt. Diese Abnormalitäten führen dazu, dass sich Prionen unkontrolliert vermehren, indem sie normale Prionproteine dazu bringen, sich ebenfalls in die abnorme Form umzuwandeln.
• Unterschiede zwischen Prionen und anderen Infektionserregern:
  • Genom: Prionen enthalten keine genetische Information (DNA oder RNA), während andere Infektionserreger genetisches Material tragen.
  • Replikation: Die Vermehrung von Prionen beruht auf der Induktion von Fehlfaltungen in normalen Proteinen, ein Prozess, der von vorhandenen Prionen initiiert wird. Andere Infektionserreger vermehren sich durch Replikation ihres genetischen Materials, entweder in den Zellen des Wirts oder durch eigene Mechanismen.
  • Pathogenese: Prionenerkrankungen betreffen hauptsächlich das Nervensystem und führen zu degenerativen Veränderungen im Gehirn. Andere Infektionserreger können eine Vielzahl von Systemen und Organen betreffen.
  • Resistenz: Prionen sind extrem resistent gegenüber üblichen Sterilisationsverfahren, die gegen andere Mikroben wirksam sind, einschließlich Hitze, Strahlung und chemischen Desinfektionsmitteln.
• Beispiele für Prionenerkrankungen:
  • Kuru
  • Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (CJK)
  • Variante der Creutzfeldt-Jakob-Krankheit (vCJK)
  • Gerstmann-Sträussler-Scheinker-Syndrom (GSS)
  • Fetale familiale Insomnie (FFI)
  • Scrapie bei Schafen und Ziegen
  • Bovine spongiforme Enzephalopathie (BSE) bei Rindern
• Diagnostische Herausforderungen bei Prionenerkrankungen:
  • Früherkennung: Prionenerkrankungen haben oft lange Inkubationszeiten und die frühen Symptome können unspezifisch sein, was eine frühe Diagnose erschwert.
  • Endgültige Diagnose: Eine endgültige Diagnose kann oft erst post-mortem durch histopathologische Untersuchung des Gehirns gestellt werden. Typisch sind spongiforme Veränderungen, neuronaler Verlust und die Anwesenheit von Prion-Protein-Ablagerungen.
  • Biomarker: Aktuell gibt es keine zuverlässigen Biomarker im Blut oder in anderen Körperflüssigkeiten zur Diagnose von Prionenerkrankungen während des Lebens. Einige Untersuchungen wie die Proteinelektrophorese zur Detektion des 14-3-3-Proteins im Liquor cerebrospinalis können Anhaltspunkte liefern, sind jedoch nicht spezifisch.
  • Bildgebung: MRT-Scans des Gehirns können neuronale Veränderungen zeigen, die mit Prionenerkrankungen konsistent sind, aber sie sind nicht definitiv.
  • Genetische Tests: Bei familiären Formen von Prionenerkrankungen können genetische Tests Mutationen im PRNP-Gen nachweisen.
Angesichts dieser Herausforderungen ist eine umfassende und multidisziplinäre Herangehensweise erforderlich, die klinische, genetische, bildgebende und laborbasierte Methoden kombiniert, um zumindest eine vorläufige Diagnose zu stellen.

Aufgabe 2)

Erkläre die verschiedenen Mechanismen der Krankheitsübertragung, die in der Liste genannt wurden und beschreibe, wie sie dazu beitragen, bestimmte Infektionskrankheiten zu verbreiten.

a)

a) Tröpfcheninfektion und aerogene Übertragung: Diskutiere den Unterschied zwischen Tröpfcheninfektion und aerogener Übertragung. Nenne mindestens zwei Krankheiten für jede der beiden Übertragungsarten und erkläre, warum diese Übertragungswege für die jeweiligen Krankheiten typisch sind.

Lösung:

a) Tröpfcheninfektion und aerogene Übertragung:

• Tröpfcheninfektion: Bei der Tröpfcheninfektion werden Krankheitserreger durch Tröpfchen übertragen, die beim Husten, Niesen, Sprechen oder Atmen freigesetzt werden. Diese Tröpfchen sind meist größer als 5 Mikrometer und sinken schnell auf den Boden oder auf Oberflächen, wodurch die Übertragungsdistanz eher kurz ist, typischerweise weniger als einen Meter. Beispiele für Krankheiten, die durch Tröpfcheninfektion übertragen werden, sind:
  • Grippe (Influenza): Diese Krankheit wird durch Influenza-Viren verursacht und verbreitet sich leicht durch Niesen und Husten.
  • Keuchhusten (Pertussis): Der Erreger Bordetella pertussis wird durch die beim Husten entstehenden Tröpfchen verbreitet.
  Diese Übertragungsart ist typisch, weil die Erreger in den Sekreten der Atemwege präsent sind und leicht durch die genannten Aktivitäten verbreitet werden können.
• Aerogene Übertragung: Im Gegensatz zur Tröpfcheninfektion erfolgt die aerogene Übertragung durch viel kleinere Partikel (Aerosole), die kleiner als 5 Mikrometer sind. Diese Partikel können lange in der Luft schweben und über größere Distanzen transportiert werden. Beispiele für Krankheiten, die durch aerogene Übertragung verbreitet werden, sind:
  • Tuberkulose (TB): Der Erreger Mycobacterium tuberculosis kann durch winzige, luftgetragene Partikel verbreitet werden, die beim Atmen, Sprechen oder Husten entstehen.
  • Masern: Das Masernvirus kann ebenfalls durch aerosolierte Partikel verbreitet werden und ist äußerst ansteckend.
  Diese Übertragungswege sind typisch für die genannten Krankheiten, da ihre Erreger fähig sind, in der Luft zu überleben und über größere Entfernungen in die Atemwege von Menschen zu gelangen.

b)

b) Indirekte Übertragung und fäkal-orale Übertragung: Erkläre den Mechanismus der indirekten Übertragung und der fäkal-oralen Übertragung. Verwende Beispiele für spezifische Krankheiten, um diese Mechanismen zu illustrieren. Welchen Einfluss haben Hygienemaßnahmen auf die Vermeidung dieser Krankheitsübertragungswege?

Lösung:

b) Indirekte Übertragung und fäkal-orale Übertragung:

• Indirekte Übertragung: Bei der indirekten Übertragung gelangt der Krankheitserreger von einer infizierten Person oder einem infizierten Tier über einen Zwischenträger oder ein Medium zu einer anderen Person. Dies kann über kontaminierte Gegenstände, Nahrungsmittel, Wasser, oder durch Vektoren wie Insekten geschehen. Beispiele für Krankheiten, die durch indirekte Übertragung verbreitet werden, sind:
  • Hepatitis B: Kann durch kontaminierte Nadeln oder medizinische Geräte übertragen werden.
  • Malaria: Wird durch Moskitos (als Vektoren) übertragen, die den Erreger Plasmodium von infizierten Personen auf nicht infizierte Personen übertragen.
  Hygienemaßnahmen wie Sterilisation medizinischer Geräte, Verwendung von Schutzkleidung und Kontrolle von Vektoren können die Übertragung dieser Krankheiten verhindern.
• Fäkal-orale Übertragung: Dieser Übertragungsweg tritt auf, wenn Krankheitserreger aus dem Stuhl einer infizierten Person den Mund einer anderen Person erreichen, typischerweise über kontaminierte Hände, Lebensmittel oder Wasser. Beispiele für Krankheiten, die durch fäkal-orale Übertragung verbreitet werden, sind:
  • Cholera: Die Bakterien Vibrio cholerae verbreiten sich durch verunreinigtes Wasser oder Lebensmittel und führen zu schweren Durchfallerkrankungen.
  • Poliomyelitis (Polio): Das Poliovirus kann sich ebenfalls über kontaminiertes Wasser und Lebensmittel verbreiten.
  Hygienemaßnahmen wie regelmäßiges Händewaschen, saubere Trinkwasserquellen, gute sanitäre Einrichtungen und Lebensmittelhygiene sind entscheidend, um die Verbreitung dieser Krankheiten zu verhindern.

Aufgabe 3)

Du bist Assistenzarzt in einer Klinik und erstellst eine Übersicht zu verschiedenen Erregerarten und deren Charakteristika basierend auf biochemischen, strukturellen und funktionellen Merkmalen für eine Schulungsunterlage. Nutze dazu die folgenden Informationen:

• Erregerarten: Bakterien, Viren, Pilze, Parasiten
• Bakterien: Prokaryoten, gram-positiv/negativ
• Viren: DNA- oder RNA-Genome, Kapsid, Hüllen
• Pilze: Eukaryoten, Hefeformen oder filamentöse Formen
• Parasiten: Endo- und Ektoparasiten, Einzeller, Helminthen
• Pathogenitätsfaktoren: Adhäsine, Toxine, Enzyme
• Übertragungswege: Tröpfcheninfektion, fäkal-oral, Vektoren
• Wirt-Pathogen-Interaktionen: Immunantwort, Evasionstrategien

a)

Erstelle ein Diagramm, das die Klassifikation der Erregerarten (Bakterien, Viren, Pilze, Parasiten) basierend auf ihren biochemischen, strukturellen und funktionellen Merkmalen darstellt. Gehe detailliert auf die wesentlichen Unterschiede zwischen den Erregerarten ein und erläutere, welche Informationen für die Unterscheidung besonders wichtig sind.

Lösung:

Übersicht der Erregerarten und deren Charakteristika

• Bakterien
  • Biochemische Merkmale: Prokaryoten (kein Zellkern, einfache Zellstruktur)
  • Strukturelle Merkmale: Zellwand (gram-positiv mit dicker Peptidoglykanschicht, gram-negativ mit dünner Peptidoglykanschicht und äußerer Membran)
  • Funktionelle Merkmale: Reproduktion durch binäre Teilung, verschiedene Pathogenitätsfaktoren wie Adhäsine, Toxine, und Enzyme
• Viren
  • Biochemische Merkmale: DNA- oder RNA-Genome
  • Strukturelle Merkmale: Kapsid (Proteinhülle), einige haben eine zusätzliche Membranhülle (Hüllenviren)
  • Funktionelle Merkmale: Reproduktion nur innerhalb von Wirtszellen, benötigen zelluläre Maschinerie zur Vermehrung
• Pilze
  • Biochemische Merkmale: Eukaryoten (mit Zellkern und komplexer Zellstruktur)
  • Strukturelle Merkmale: Hefeformen (einzellige) oder filamentöse Formen (mehrzellige mit Hyphen)
  • Funktionelle Merkmale: Reproduktion durch Sporenbildung, verschiedene Pathogenitätsfaktoren wie Enzyme für die Gewebeinvasion
• Parasiten
  • Biochemische Merkmale: Eukaryoten
  • Strukturelle Merkmale: Einzeller (Protozoen) oder mehrzellige (Helminthen)
  • Funktionelle Merkmale: Verschiedene Lebenszyklen und Wirte, Pathogenitätsfaktoren wie Adhäsine und Enzyme

Wichtige Unterscheidungsmerkmale

• Bakterien vs. Viren: Bakterien sind unabhängige Zellen, während Viren zur Reproduktion Wirtszellen benötigen.
• Bakterien vs. Pilze: Bakterien sind Prokaryoten, während Pilze Eukaryoten sind.
• Pilze vs. Parasiten: Parasiten können einzellig (Protozoen) oder mehrzellig (Helminthen) sein, während Pilze typische Pilzmerkmale wie Hyphenstrukturen aufweisen können.
• Viren vs. Parasiten: Viren sind keine unabhängigen Lebewesen und benötigen Wirtszellen, während Parasiten eigenständige Organismen sind.

Zusatzinformationen für die Unterscheidung

• Pathogenitätsfaktoren: Adhäsine, Toxine und Enzyme können als wichtige Indikatoren dienen, um die Pathogenität der Erreger zu verstehen.
• Übertragungswege: Die Kenntnis der Übertragungswege (Tröpfcheninfektion, fäkal-oral, Vektoren) hilft, die Verbreitung und Infektionskontrolle zu planen.
• Wirt-Pathogen-Interaktionen: Wichtige Faktoren sind die Immunantwort des Wirts und die Evasionstrategien (wie Immunescape-Mechanismen) der Erreger.

b)

Diskutiere in einem kurzen Essay (ca. 400 Wörter) die verschiedenen Pathogenitätsfaktoren (Adhäsine, Toxine, Enzyme) und deren Rolle bei der Pathogenese. Gehe dabei auf konkrete Beispiele aus jeder Erregerart ein und beschreibe, wie diese Faktoren das Immunsystem des Wirts überwinden und zu Krankheiten führen.

Lösung:

Rolle der Pathogenitätsfaktoren bei der Pathogenese

Pathogenitätsfaktoren sind essenziell für das Verständnis der Mechanismen, mit denen Erreger Krankheiten verursachen. Dies sind spezifische Merkmale oder Produkte eines Pathogens, die seine Fähigkeit fördern, den Wirt zu infizieren und zu schädigen. Zu den wichtigsten Pathogenitätsfaktoren zählen Adhäsine, Toxine und Enzyme, die jeweils unterschiedliche Rollen bei der Überwindung der Abwehrmechanismen des Wirts und bei der Krankheitsentstehung spielen.

Adhäsine

Adhäsine sind spezielle Proteine, die Pathogene nutzen, um an die Zellen des Wirts anzudocken. Ein klassisches Beispiel sind die Fimbrien von Escherichia coli. Diese haarähnlichen Strukturen ermöglichen es den Bakterien, sich an die Harnröhrenzellen zu heften und dort Infektionen wie Harnwegsinfektionen zu verursachen. Ohne die Fähigkeit zur Adhäsion könnten viele Pathogene nicht effizient in den Wirt eindringen oder sich dort vermehren.

Virale Adhäsine sind oft Bestandteile der Virusoberfläche. Das Spike-Protein des SARS-CoV-2-Virus ist ein prominentes Beispiel. Es bindet an den ACE2-Rezeptor auf menschlichen Zellen, wodurch das Virus in die Zelle eindringen und sich vermehren kann.

Toxine

Toxine sind giftige Substanzen, die von vielen Erregern produziert werden, um die Zellen des Wirts direkt zu schädigen oder dessen Immunsystem zu beeinträchtigen. Clostridium botulinum produziert das Botulinumtoxin, eines der stärksten bekannten Gifte. Dieses Toxin blockiert die Freisetzung von Acetylcholin an den neuromuskulären Endplatten, was zu Lähmungen führt.

Bestimmte Viren, wie das HIV, nutzen indirekt toxische Mechanismen. Die vom Virus infizierten Zellen sezernieren Zytokine und andere Mediatoren, die zu einer Überaktivierung des Immunsystems und letztlich zu einer Immunschwächung führen.

Enzyme

Enzyme, die von Pathogenen produziert werden, spielen ebenfalls eine Schlüsselrolle bei der Pathogenese, indem sie das Gewebe des Wirts abbauen und die Verbreitung des Erregers erleichtern. Streptococcus pyogenes produziert das Enzym Hyaluronidase, das die Hyaluronsäure im Bindegewebe abbaut und den Bakterien das Eindringen in tiefere Gewebeschichten ermöglicht.

Parasitäre Würmer, wie Schistosoma-Arten, sezernieren Enzyme, die die Wirtgewebe zersetzen und es den Parasiten erlauben, durch die Haut zu dringen und sich im Kreislaufsystem des Wirts fortzubewegen.

Überwinden des Immunsystems

Die beschriebenen Pathogenitätsfaktoren helfen den Erregern nicht nur, in den Wirt einzudringen, sondern auch, das Immunsystem zu überwinden. Adhäsine ermöglichen das Andocken und Vermehren an spezifischen Zelltypen, während Toxine und Enzyme das Immunsystem schwächen oder umgehen. Infektionen und Krankheiten entstehen, wenn diese Faktoren zusammenwirken, um die natürlichen Abwehrmechanismen des Wirts zu unterlaufen.

Insgesamt zeigt die Vielfalt der Pathogenitätsfaktoren, wie unterschiedlich und angepasst die Mechanismen sind, mit denen Bakterien, Viren, Pilze und Parasiten Krankheiten verursachen. Ein besseres Verständnis dieser Faktoren kann zur Entwicklung neuer therapeutischer Ansätze und Präventionsstrategien beitragen.

Aufgabe 4)

Im Rahmen der Immunologie wird das angeborene (innate) und das erworbene (adaptive) Immunsystem unterschieden. Diese beiden Komponenten des Immunsystems unterscheiden sich in ihrer Reaktion, Geschwindigkeit und Spezifität:

• Die innate Immunantwort ist schnell, unspezifisch und führt nicht zur Gedächtnisbildung.
• Die adaptive Immunantwort ist langsamer, hochspezifisch und führt zur Gedächtnisbildung.
• Die wichtigen Zelltypen der innate Immunantwort sind Makrophagen, Neutrophile, dendritische Zellen und NK-Zellen (natürliche Killerzellen).
• Die wichtigen Zelltypen der adaptiven Immunantwort sind T-Zellen (CD4+ Helferzellen und CD8+ Killerzellen) und B-Zellen (verantwortlich für die Antikörperproduktion).
• Erkennungsmoleküle bei der innate Immunantwort umfassen PRRs (Pattern Recognition Receptors), wie z.B. Toll-like Rezeptoren (TLRs).
• Erkennungsmoleküle bei der adaptiven Immunantwort sind antigenspezifische Rezeptoren wie T-Zellrezeptoren und B-Zellrezeptoren.
• Die Interaktion zwischen den Systemen erfolgt über die Antigenpräsentation (über antigen-präsentierende Zellen, APCs) und Zytokine.

a)

Vergleiche das angeborene (innate) und das erworbene (adaptive) Immunsystem anhand folgender Kriterien:

• Reaktionsgeschwindigkeit
• Spezifität der Antwort
• Gedächtnisbildung
Diskutiere, wie diese Unterschiede in einer akuten Infektionssituation ihre jeweiligen Rollen beeinflussen könnten.

Lösung:

• Reaktionsgeschwindigkeit:Das angeborene Immunsystem reagiert schnell, oft innerhalb von Minuten bis Stunden nach dem Eindringen eines Pathogens. Im Gegensatz dazu benötigt das erworbene Immunsystem mehrere Tage bis Wochen, um eine vollständige Antwort zu entwickeln.
• Spezifität der Antwort:Die Antwort des angeborenen Immunsystems ist unspezifisch und erkennt gemeinsame Muster auf Pathogenen durch Pattern Recognition Receptors (PRRs). Die adaptive Immunantwort hingegen ist hochspezifisch und zielt auf spezifische Antigene, die durch T-Zell- und B-Zellrezeptoren erkannt werden.
• Gedächtnisbildung:Die gedächtnisbildende Funktion ist einzigartig für das adaptive Immunsystem. Nach einem ersten Kontakt mit einem Pathogen kann es bei einer erneuten Infektion schneller und effizienter reagieren. Das angeborene Immunsystem besitzt diese Fähigkeit zur Gedächtnisbildung nicht.
Diskussion:In einer akuten Infektionssituation spielt das angeborene Immunsystem die erste Verteidigungslinie. Es bietet sofortige, wenn auch unspezifische, Schutzmaßnahmen, die wichtig sind, um die Infektion frühzeitig unter Kontrolle zu halten. Makrophagen, Neutrophile und NK-Zellen eliminieren Pathogene schnell und verhindern deren Vermehrung.Währenddessen beginnt das adaptive Immunsystem, spezifische Abwehrmechanismen zu etablieren. Diese sind besonders nützlich für die Beseitigung von Pathogenen, die das anfängliche Abwehrsystem überwunden haben. T-Zellen und B-Zellen tragen hierbei die Hauptlast, indem sie gezielt infizierte Zellen zerstören oder Antikörper produzieren, die Pathogene neutralisieren.Die Gedächtnisbildung des adaptiven Immunsystems stellt sicher, dass der Körper bei einer erneuten Exposition gegenüber demselben Pathogen schneller und effizienter reagieren kann. Diese koordinierte Arbeit der beiden Systeme gewährleistet eine umfassende und effektive Immunantwort auf akute Infektionen.

b)

Eine bakterielle Infektion durch Salmonella typhi führt zu einer Immunantwort. Beschreibe die Rolle der dendritischen Zellen bei dieser Infektion.

• Wie tragen sie zur Aktivierung der T-Zellen bei?
• Welche Unterschiede bestehen in der Aktivierung von CD4+ Helferzellen und CD8+ Killerzellen?

Lösung:

Eine bakterielle Infektion durch Salmonella typhi führt zu einer komplexen Immunantwort, bei der dendritische Zellen (DZ) eine zentrale Rolle spielen. DZ sind wichtige Vermittler zwischen dem angeborenen und dem adaptiven Immunsystem.

Rolle der dendritischen Zellen:

• Dendritische Zellen nehmen Salmonella typhi auf und prozessieren deren Antigene. Sie erkennen Pathogene durch Pattern Recognition Receptors (PRRs), wie z.B. Toll-like Rezeptoren (TLRs), und phagozytieren sie.
• Nach der Phagozytose migrieren dendritische Zellen zu den nächstgelegenen Lymphknoten.
• In den Lymphknoten präsentieren sie die prozessierten Antigene auf ihrer Oberfläche mittels MHC-Molekülen (MHC-Klasse I und II) an T-Zellen.

Aktivierung der T-Zellen:

• CD4+ Helferzellen:
• Dendritische Zellen präsentieren Antigene an CD4+ T-Helferzellen über MHC-Klasse II Moleküle.
• Die Bindung des T-Zellrezeptors (TCR) zu MHC-II-Antigen-Komplexen aktiviert die CD4+ Helferzellen.
• Aktivierte CD4+ Helferzellen proliferieren und differenzieren sich in verschiedene Subtypen (Th1, Th2, Th17, usw.), die unterschiedliche Immunantworten fördern.
• Th1-Zellen sind besonders wichtig bei der Bekämpfung intrazellulärer Bakterien wie Salmonella typhi und helfen dabei, die Aktivität von Makrophagen zu verstärken.
• CD8+ Killerzellen:
• Dendritische Zellen präsentieren auch Antigene über MHC-Klasse I Moleküle an CD8+ T-Killerzellen.
• Die Bindung des T-Zellrezeptors (TCR) zu MHC-I-Antigen-Komplexen aktiviert die CD8+ Killerzellen.
• Aktivierte CD8+ Killerzellen proliferieren und differenzieren sich zu zytotoxischen T-Zellen, die infizierte Zellen gezielt abtöten.
• CD8+ Killerzellen spielen eine Schlüsselrolle bei der Eliminierung von körpereigenen Zellen, die durch Salmonella typhi infiziert wurden.

Zusammenfassung: Die dendritischen Zellen sind entscheidend für die Initiation und Regulation der adaptiven Immunantwort bei einer Infektion durch Salmonella typhi. Sie präsentieren Antigene an CD4+ und CD8+ T-Zellen, um deren Aktivierung und Differenzierung zu ermöglichen, was zu einer effektiven Beseitigung des Pathogens führt.