Die Assoziation von verotoxigenen Escherichia coli (VTEC) mit menschlichen Erkrankungen reicht über 30 Jahre zurück. Das Auftreten von VTEC-bedingten Ausbrüchen in den USA im Jahr 1982 lenkte die Aufmerksamkeit der Weltöffentlichkeit auf diese Erreger. Seit der Entdeckung des Verozytotoxins und der Veröffentlichung von Karmali et al. über Fälle des postdiarrhoischen hämolytisch-urämischen Syndroms (D+HUS), das durch VTEC, auch bekannt als Shiga-toxigene Escherichia coli (STEC), verursacht wurde, hat sich ein umfangreiches Wissen angesammelt, aber trotz dieser Informationen ist eine erfolgreiche Behandlung dieser Infektionen schwer zu erreichen.

Quellen und Pathogenese der VTEC-Infektion

Quellen und Verbreitung von VTEC

Die Darmkolonisierung von Nutztieren, insbesondere Wiederkäuern wie Rindern, Schafen und Ziegen, ist der wahrscheinliche Ursprung von VTEC/STEC. Von diesen Quellen geht eine Vielzahl von Übertragungswegen auf den Menschen aus, darunter viele verschiedene Lebensmittel tierischen oder pflanzlichen Ursprungs sowie Wasser, das zum Baden, Trinken und für den Anbau essbarer Pflanzen verwendet wird. Die fäkale Verunreinigung von Lebensmitteln und Saatgut durch den Menschen könnte ebenfalls eine Rolle spielen, insbesondere in Entwicklungsländern.

Das Potenzial für die Verbreitung von VTEC wird durch die Globalisierung der Lebensmittel noch verstärkt, die eine große Chance für eine rasche Verbreitung von VTEC in weiten Teilen der Bevölkerung darstellt. Der weltweite Vertrieb von Lebensmitteln birgt ein inhärentes Risiko und bereitet große Schwierigkeiten bei der Kontrolle lebensmittelbedingter Krankheitserreger und bei der Ermittlung der Quellen von Ausbrüchen, wie kürzlich in Europa zu beobachten war. Dies wird in dem Kommentar von Werber et al. weiter erörtert.

VTEC-Stämme

Es gibt verschiedene VTEC-Stämme, und wie in dem verlinkten Kommentar erörtert, sind O157-Klone, obwohl sie weniger verbreitet sind als Nicht-O157-Stämme, tendenziell virulenter. Obwohl also ursprünglich über Nicht-O157-VTEC-Stämme berichtet wurde und weiterhin berichtet wird, wenn auch nur von engagierten Mikrobiologen, wurden sie von den meisten Forschern auf diesem Gebiet weitgehend ignoriert. Die allgemein beobachtete Tatsache, dass es im menschlichen Darm zu jeder Zeit eine große Vielfalt an E. coli-Serotypen gibt, die auch bei Tieren, insbesondere bei Rindern, festgestellt wurde, scheint keine Beachtung gefunden zu haben. Die meisten Wiederkäuerkotproben enthalten eine Vielzahl von VTEC-Serotypen, von denen einige, wie z. B. O157 und auch O111, zwar selten und dann nur in geringer Zahl vorkommen, aber besonders virulent sind. Wichtig ist, dass immer mehr andere Serotypen beteiligt sein können, und eine Studie über einen Ausbruch hat gezeigt, dass der klinische Zustand umso schlimmer ist, je mehr VTEC-Serotypen ein Patient infiziert ist (obwohl der wichtigste VTEC-Serotyp O111 war). Während Isolierungen von VTEC O111 bei Rindern selten sind, kommen Nicht-VTEC-Stämme, die ansonsten nicht von den VTEC-Stämmen zu unterscheiden sind, häufig vor, insbesondere im Kot von kranken Rindern und Patienten.

Detaillierte Studien haben gezeigt, dass die Shiga-Toxine in eine Reihe von Subtypen unterteilt werden können und dass diese auch wirtsspezifisch sind. So gibt es eine „doppelte Wirtsspezifität“ unter den VTEC-Stämmen. Einige Klone sind spezifisch für Rinder, während andere spezifisch für Schafe sind. Die Toxin-Subtypen, die diese Stämme tragen, sind spezifisch für die VTEC-Typen, die in diesen Säugetierwirten vorkommen. Wenn bei einem Ausbruch nicht nach dem Vorhandensein aller VTEC-Serotypen gesucht wird, gehen daher viele epidemiologische Informationen verloren, und es werden keine Hinweise auf das Quelltier gefunden.

Pathogenese des postdiarrhoischen hämolytisch-urämischen Syndroms

VTEC/STEC/entero-hämorrhagische E. coli (EHEC) gehören zu Klonen zoonotischer E. coli verschiedener O-Serogruppen. Diese Serogruppen haben sich weiterentwickelt und spezifische Virulenzfaktoren erworben, die es den Bakterien ermöglichen, den menschlichen Dickdarm zu besiedeln und zu infizieren, in der Regel ohne in den Blutkreislauf einzudringen. Sobald sie aufgenommen wurden, verursachen STEC/VTEC/EHEC blutige Diarrhöe (BD), schwere Kolitis und HUS. Diese Bakterien werden als EHEC bezeichnet, wenn die Infektion mit einer schweren Dickdarm- und/oder Nierenerkrankung einhergeht. Die Produktion von Vero/Shiga-Toxinen wurde als Grundlage für ihre Pathogenität angesehen, aber auch andere Toxine wie das Subtilase-Zytotoxin (SubAB) und das zytotoxische Blähungstoxin und die sezernierte Protease des C1-Esterase-Inhibitors von EHEC (StcE) spielen wahrscheinlich eine Rolle.

Der jüngste Ausbruch von lebensmittelbedingten E. coli O104:H4 in Europa hat erneut die Aufmerksamkeit auf STEC- oder EHEC-Infektionen und ihre verheerenden Komplikationen wie Nierenversagen (durch HUS) und Schlaganfall durch intravaskuläre Koagulopathie und Vaskulopathie oder thrombotische Mikroangiopathie gelenkt. Die ungewöhnliche Virulenz und Letalität des O104:H4-Stammes ist das Ergebnis einer genetischen Vermischung von Virulenzfaktoren, einschließlich enteroaggregativer Eigenschaften und multipler Antibiotikaresistenz, und ist ein Lehrstück für die mikrobielle Evolution und die genomische Plastizität von E. coli . Der Stamm O104:H4 ist jetzt als enteroaggregativer und enterohämorrhagischer E. coli (EAHEC) bekannt.

Vor kurzem haben wir die kombinierten Eigenschaften der enteroaggregativen Fähigkeit (starke Anheftung über Fimbrien und Kolonisierung des Kolonepithels) mit der Produktion von Shiga-Toxin (Stx) in dem neuartigen und äußerst tödlichen europäischen E. coli-Stamm O104:H4 beobachtet. Inzwischen hat sich gezeigt, dass dieser Stamm zu einer enteroaggregativen E. coli-Linie gehört, die Gene für Shiga-Toxin 2 und Antibiotikaresistenz erworben hat.

Die Pathogenese der HUS-Erkrankung ist nach wie vor unvollständig geklärt; bemerkenswerterweise ist während des HUS Stx im Serum nicht nachweisbar. Es scheint, dass polymorphkernige Leukozyten (PMN) eine Schlüsselrolle beim Transport von Stx an kritische Stellen wie die Nieren spielen. Das Ausmaß der Nierenschädigung bei Kindern mit STEC-assoziiertem HUS könnte mit der Stx-Konzentration in den zirkulierenden PMN zusammenhängen. Paradoxerweise zeigten Patienten mit hohen Stx-Konzentrationen auf den PMN eine erhaltene oder leicht beeinträchtigte Nierenfunktion (unvollständige Form des HUS), wohingegen Fälle mit geringen PMN-Stx-Konzentrationen in der Regel ein akutes Nierenversagen aufwiesen. Darüber hinaus bewirken hohe PMN-Stx-Mengen eine geringere Freisetzung von Zytokinen durch das Nierenendothel, was mit einem geringeren Entzündungsgrad einhergeht, während niedrige Toxin-PMN-Mengen eine Zytokin-Kaskade auslösen, die eine Entzündung mit entsprechenden Gewebeschäden hervorruft. Das Mikrogefäßsystem spielt bei der Pathogenese eine wichtige Rolle: D+HUS ist mit Thrombozyten in der Mikrovaskulatur fast aller Gefäßbetten verbunden. Plasma von HUS-Patienten induziert die Apoptose von kultivierten mikrovaskulären Endothelzellen aus den meisten Organen. Zwei Schlüsselereignisse sind an der Pathogenese von D+HUS beteiligt: eine veränderte Aktivität des Von-Willebrand-Faktors (VWF) (z. B. bei einem Mangel an ADAMTS13, einer Desintegrin- und Metalloproteinase mit Thrombospondin-Motiv-13) und eine ortsspezifische Aktivierung und/oder Apoptose mikrovaskulärer Endothelzellen. Ein Mangel an ADAMTS13, das die proteolytische Verarbeitung neu freigesetzter proadhäsiver ultragroßer VWF-Multimere aus Endothelzellen vermittelt, spielt vermutlich ebenfalls eine Rolle bei der D+HUS-Koagulopathie. Die gezielte Unterbrechung dieser Prozesse lässt auf neue Behandlungsmöglichkeiten hoffen.

Bakterielle Darmpathogene greifen das Follikel-assoziierte Epithel an, das über den Peyerschen Flecken liegt. Die Mikroorganismen durchdringen die Darmbarriere über M-Zellen und werden von Schleimhautmakrophagen abgefangen. STEC/EHEC sind in der Lage, in vivo mit den Peyer’schen Pflastern zu interagieren und durch die Schleimhaut zu wandern. Nachdem sie von Makrophagen und M-Zellen aufgenommen wurden, produzieren die Bakterien Stx und induzieren die Apoptose dieser Wirtszellen und die Freisetzung von Stx. Diese Wechselwirkungen zwischen Mikroben und Wirtszellen könnten neue therapeutische Ziele darstellen.

Gegenwärtige Behandlungsstrategien: ein multizentrischer Ansatz

HUS umfasst akutes Nierenversagen und die daraus resultierende Störung des Flüssigkeits- und Elektrolythaushalts, Hämolyse, Störung der Gerinnungskaskade mit Thrombozytopenie, mit dem Risiko eines Schlaganfalls. Dieses Syndrom muss zusammen mit den weiteren Auswirkungen des Toxins und der Bildung von Komplementkomplexen dringend mit einem multizentrischen Ansatz behandelt werden. Dazu gehören allgemeine unterstützende Maßnahmen, Thrombozytenaggregationshemmer, Thrombolytika und Thrombininhibitoren, der selektive Einsatz von antimikrobiellen Mitteln, Probiotika, Toxin-Neutralisatoren (synthetische und natürliche Bindemittel, Antikörper usw.) sowie Antikörper gegen wichtige Elemente des pathogenetischen Weges zur Unterbrechung pathologischer Prozesse (z. B. Hemmung der terminalen Komplementkomplexbildung). Die gezielte Bekämpfung von PMNs, die Stx tragen, könnte eine produktive Strategie für die zukünftige Forschung sein, ebenso wie eine mögliche Gentherapie. Die Behandlung von D+HUS ist aufgrund der Art der Erkrankung und der Vielzahl der betroffenen Stoffwechselwege komplex. Tabelle 1 fasst den Behandlungsansatz zusammen und listet erprobte und experimentelle Behandlungen auf.

Allgemeine unterstützende Maßnahmen

Flüssigkeitsspiegel und Elektrolytgleichgewicht sind äußerst wichtig für die Verhinderung und das Management der Entwicklung von HUS (siehe Tabelle 1).

Eine akute Nierenersatztherapie (ARRT), z. B. Peritonealdialyse (PD) oder Hämodialyse) verbessert nachweislich die Ergebnisse. Bei Kindern mit D+HUS und akutem Nierenversagen kann eine frühzeitige PD die Ergebnisse verbessern, ohne dass bei Patienten mit niedriger Thrombozytenzahl ein Blutungsrisiko besteht. Darüber hinaus scheint das Verfahren sicher zu sein, insbesondere bei Patienten mit sehr niedrigen Thrombozytenzahlen, bei denen keine Blutungsepisoden aufgetreten sind. Alternativ dazu ist häufig eine Hämodialyse erforderlich. Gegebenenfalls ist auch eine antihypertensive Therapie bei Bluthochdruck erforderlich. Plasmainfusionen und Plasmaaustausch scheinen von Vorteil zu sein, der Nutzen der Apherese bleibt jedoch ungewiss.

Hämatologische Probleme und Koagulopathie behandeln

Die Überwachung von Hämoglobin, Hämatokrit und Thrombozytenzahl ist unerlässlich. Die Überwachung der Hämolyse mit Laktatdehydrogenase (LDH) und Haptoglobin ist ebenfalls hilfreich. Eine durch Hämolyse bedingte Anämie muss möglicherweise durch Transfusionen von Vollblut oder gepackten Erythrozyten korrigiert werden. Thrombozytentransfusionen sind selten erforderlich und werden in der Regel vermieden.

Vermeidung der weiteren Auswirkungen des Toxins

Antimikrobielle Mittel: verwenden oder vermeiden?

Aufgrund der möglichen unerwünschten Freisetzung von Verotoxin (VT)/Stx durch absterbende und tote Bakterienzellen werden Antibiotika in der Regel vermieden. Darüber hinaus könnte das Risiko einer Endotoxinfreisetzung die ohnehin schon potenziell tödliche Belastung des Patienten noch erhöhen. Subinhibitorische In-vitro-Konzentrationen von Antibiotika können die Produktion und Freisetzung von VT/Stx durch Induktion von Bakteriophagen erhöhen. Eine Studie an Mäusen und Ferkeln deutete darauf hin, dass Versuche mit Fosfomycin am Menschen gerechtfertigt sind. Die gepoolten prospektiven Daten zeigten jedoch keinen Nutzen von Antibiotika. Es wurde nur über eine Fosfomycin-Studie berichtet. Die Fosfomycin-Daten wurden jedoch in Frage gestellt (siehe Tabelle 1). Während viele Ärzte in Japan noch immer Antibiotika, einschließlich Fosfomycin, bei Patienten mit definitiven oder möglichen STEC-Infektionen einsetzen, wird andernorts allgemein davon ausgegangen, dass Antibiotika vermieden werden sollten. Neuere Erkenntnisse unterstützen dies insbesondere in Bezug auf β-Lactam- und andere bakterizide Antibiotika.

Lumenale Toxin-Neutralisatoren (synthetische und natürliche Bindemittel, Antikörper usw.)

Strategien, bei denen Liganden verwendet werden, die den Rezeptor für Stx, Globotriaosylceramid (Gb3), nachahmen und im Magen-Darm-Trakt an Stx binden, um die Ausbreitung des Toxins in extraintestinale Bereiche zu verhindern, wurden vorgeschlagen. In der klinischen Praxis ist der Schaden jedoch bereits angerichtet, bevor diese Liganden von Nutzen sein können. Es wurde nur eine klinische Studie (leider erfolglos) mit einem Wirkstoff, Synsorb PK, durchgeführt, die diese Tatsache bestätigte. Andere Wirkstoffe sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Intralumenale Neutralisatoren könnten die systemische Aufnahme des Toxins verringern, aber da das Toxin angeblich nicht im Serum vorkommt, wären Studien zur Untersuchung der Wirkung von Neutralisatoren auf die toxischen Wirkungen des mit polymorphkernigen Leukozyten assoziierten Toxins ein erster Schritt.

Antikörper

Neutralisierende Shiga-Toxin-spezifische Antikörper sind als therapeutische Wirkstoffe möglicherweise nützlich. Die Toxine sind AB-Toxine mit aktiven und bindenden Elementen und sind offensichtliche Ziele für die Neutralisierung durch Antikörper. Monoklonale Antikörper, die auf die Epitope der A-Untereinheit von Stx1 abzielen, haben sich als äußerst schützend erwiesen, wenn sie letal behandelten Tieren verabreicht wurden. Oral verabreichtes Immunglobulin wurde therapeutisch bei einer Reihe von Magen-Darm-Infektionen eingesetzt (z. B. Rotavirus; Gastrogard-R). Patienten mit Durchfall, der durch durchfallverursachende E. coli, insbesondere STEC und E. coli, die Intimin und HEC-Hämolysin exprimieren, verursacht wurde, wurden durch die Verabreichung von gepooltem Rinderkolostrum, das reich an Antikörpern gegen Shiga-Toxin und enterohämorrhagisches E. coli-Hämolysin ist, in einer placebokontrollierten, doppelblinden Studie behandelt. Das Abklingen der Symptome und die fäkale Ausscheidung der infektiösen Stämme wurden untersucht. Es konnte keine Auswirkung der Kolostrumtherapie auf die Verschleppung der Erreger oder auf Komplikationen der Infektion nachgewiesen werden, jedoch wurde die Stuhlhäufigkeit reduziert. Der Antikörper gegen E. coli-Lipopolysaccharid (LPS) könnte ebenfalls therapeutisch eingesetzt werden, da er die Anhaftung von STEC an die menschliche Darmepithelzelllinie (Henle 407) blockiert. Für den Nachweis der klinischen Wirksamkeit wären ebenfalls Versuche am Menschen erforderlich.

Andere Toxinbinder/Neutralisatoren

Die meisten dieser Wirkstoffe binden direkt an das Toxin und hemmen die Bindung an seinen Rezeptor auf den Zielzellen. Diese neuartigen Stx-Neutralisatoren bieten eine neue therapeutische Möglichkeit zur Bekämpfung von STEC/EHEC-Infektionen und sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Systemisch applizierte (intravenöse) Toxinbinder

Ein zellpermeables Peptid (TVP), das an Stx2 bindet, reduziert nachweislich den Schweregrad der Erkrankung und rettet jugendliche Paviane vor einer tödlichen Stx2-Dosis (50 ng/kg).

Blocker des Endosom-zu-Golgi-Transports von Stx

Kürzlich wurde gezeigt, dass das Metall Mangan (Mn2+) den Endosom-zu-Golgi-Transport von STx blockiert. Dies bietet einen möglichen kostengünstigen therapeutischen Ansatz. (Tabelle 1).

Blocker der Interaktion zwischen Bakterien und Wirtszellen: Probiotika

Darm-Pathogene verfügen über Oberflächenmoleküle, die es dem Organismus ermöglichen, an Rezeptoren der Wirtszellen zu binden. Auch bakterielle Toxine benötigen Wirtszellrezeptoren, um zu binden und in die Zelle einzudringen. Um die Interaktion zwischen Mikrobe und Wirtszelle zu blockieren, wurden „Designer“-Probiotika entwickelt. Die harmlosen rekombinanten Bakterien exprimieren auf ihrer Oberfläche Moleküle, die Wirtszellrezeptoren (z. B. Gb3) imitieren und so den Erreger dazu verleiten, sich an das Probiotikum und nicht an den Wirtszellrezeptor zu binden. Die probiotischen Bakterien müssen die Reise durch die Röhre überleben, wo sie auf Verdauungsenzyme und andere ungünstige Bedingungen treffen.

Ein anderer Ansatz hat den Überstand von Kulturen von Bifidobacterium longum HY8001 verwendet, der die Wirkung von VT/Stx durch Interferenz der B-Untereinheit von VTs bei der Bindung an Gb3 hemmen soll.

Hemmung der terminalen Komplementkomplexbildung

Ausgehend von dem Nachweis, dass Shiga-Toxin das Komplement aktiviert und den Faktor H bindet, und dem Nachweis einer aktiven Rolle des Komplements über den alternativen Weg beim Diarrhöe-assoziierten hämolytisch-urämischen Syndrom wurden einige anekdotische Berichte über eine erfolgreiche Behandlung des schweren Stx-assoziierten HUS mit dem monoklonalen Antikörper Eculizumab veröffentlicht. Der neurologische Zustand der drei Patienten verbesserte sich innerhalb von 24 Stunden nach der ersten Eculizumab-Infusion dramatisch. Die klinische Verbesserung ging mit einer schnellen Normalisierung der Marker für die Krankheitsaktivität einher. Diese ersten Ergebnisse sind äußerst vielversprechend, und die Ergebnisse groß angelegter randomisierter, placebokontrollierter Studien werden optimistisch erwartet.

Impfstoffe

In einer Reihe von Tiermodellen wurden verschiedene Impfstrategien mit unterschiedlichem Erfolg eingesetzt. Bei diesen Strategien wurden rekombinante Virulenzproteine wie Stx, Intimin und das von E. coli sekretierte Protein A (EspA) oder Peptide oder Fusionsproteine der Untereinheiten A und B von Stx2 und Stx1 wie Stx2Am-Stx1B oder avirulente Geisterzellen von EHEC O157:H7 verwendet. Die Verwendung von lebenden abgeschwächten Bakterien wie Salmonella als Träger für Impfstoffproteine gegen Schleimhautpathogene einschließlich EHEC hat offensichtliche Vorteile. Weitere Ansätze sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Antikörper, die bei Menschen mit HUS und bei Kaninchen, die mit sekretierten Proteinen vom Typ III (T3SP) aus vier STEC-Serotypen immunisiert wurden, sowie bei experimentell infizierten Rindern produziert wurden, zeigten Proteine, die mehreren HUS-Serotypen gemeinsam sind (Tabelle 1). Diese waren bei geimpften und natürlich infizierten Personen hoch immunogen und stellen künftige Kandidaten für einen STEC-Impfstoff dar (Tabelle 1).

Neben proteinbasierten Impfstoffen sind DNA-Impfstoffe eine neuere Entwicklung in der EHEC-Prävention, die in einem Mausmodell ermutigende Ergebnisse lieferten (Tabelle 1).

Die Art der Verabreichung (intramuskulär, intranasal, oral, intragastrisch usw.) hat bei einer Reihe dieser Impfstoffe nicht nur Auswirkungen auf die Immunogenität, sondern auch auf die Schutzwirkung bei einer Herausforderung. Die Impfung mit einem oralen Impfstoff auf Pflanzenbasis schützte Mäuse vor einer tödlichen systemischen Intoxikation mit Stx2. Dies wird als ermutigend angesehen. Es ist klar, dass es noch einige Zeit dauern wird, bis über Versuche am Menschen berichtet wird, aber die zahlreichen und häufigen Ausbrüche von EHEC-Erkrankungen erinnern uns ständig an die dringende Notwendigkeit, die Bevölkerung vor diesen neu auftretenden und oft verheerenden Zoonosen zu schützen.

Zukunftsrichtungen und Schlussfolgerungen

Es gibt weiterhin erhebliche Hindernisse für eine erfolgreiche Behandlung von HUS angesichts der Komplexität der Pathogenese von HUS, die eine Störung wichtiger homöostatischer Wege beinhaltet, an denen komplexe biochemische und physiologische Systeme beteiligt sind. Es ist unwahrscheinlich, dass die Beeinflussung eines einzelnen Stoffwechselwegs mit einer Behandlungsmethode ausreichend erfolgreich sein wird; ein zielgerichteter Ansatz scheint notwendig zu sein. In Anbetracht des offensichtlichen Erfolgs von Eculizumab, wenn auch mit sehr geringen Fallzahlen, könnte dies jedoch eine vielversprechende Behandlungsstrategie sein. Die Behandlung zielt darauf ab, die schwerwiegendsten Komplikationen einer STEC-Infektion zu verhindern (d. h. Nierenversagen und zentralnervöse Komplikationen wie z. B. Schlaganfall und Schock), die nach wie vor viel zu häufig auftreten. Es ist klar, dass ein besseres Verständnis der Pathogenese von HUS zu zusätzlichen und möglicherweise besseren Behandlungszielen führen wird. Die Entdeckung, dass Mn2+ den Transport von Endosomen zu den Golgi blockieren kann, wird zweifellos zu randomisierten kontrollierten Studien am Menschen führen. Diese werden mit großem Interesse erwartet. Was die Vorbeugung betrifft, so sollten wir die Globalisierung der Lebensmittelverteilung mit ihren inhärenten Gefahren und ihrem verschwenderischen Umgang mit Energieressourcen, der zu einem riesigen Kohlenstoff-Fußabdruck führt, hinterfragen.