Mikrobiologie

Die unspezifische angeborene Immunität kann als ein facettenreiches Abwehrsystem charakterisiert werden, das auf eindringende Krankheitserreger in einem unspezifischen Bereich abzielt Weise. In diesem Kapitel haben wir die zahlreichen Abwehrkräfte, aus denen dieses System besteht, in drei Kategorien unterteilt: physikalische Abwehrkräfte, chemische Abwehrkräfte und zelluläre Abwehrkräfte. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass diese Abwehrkräfte nicht unabhängig voneinander funktionieren und sich die Kategorien häufig überschneiden. Tabelle 1 bietet einen Überblick über die in diesem Kapitel behandelten unspezifischen Abwehrmechanismen.

Körperliche Abwehrkräfte bieten die grundlegendste Form der unspezifischen Abwehr des Körpers. Dazu gehören physische Barrieren für Mikroben wie Haut und Schleimhäute sowie mechanische Abwehrkräfte, die Mikroben und Ablagerungen physisch aus Bereichen des Körpers entfernen, in denen sie Schäden oder Infektionen verursachen können. Darüber hinaus bietet das Mikrobiom ein Maß für den physischen Schutz vor Krankheiten, da Mikroben der normalen Mikrobiota mit Krankheitserregern um Nährstoffe und zelluläre Bindungsstellen konkurrieren, die zur Verursachung einer Infektion erforderlich sind.

Physikalische Barrieren

Physikalische Barrieren spielen eine wichtige Rolle, um zu verhindern, dass Mikroben Gewebe erreichen, die anfällig für Infektionen sind. Auf zellulärer Ebene bestehen Barrieren aus Zellen, die eng miteinander verbunden sind, um zu verhindern, dass Eindringlinge in tieferes Gewebe gelangen. Zum Beispiel haben die Endothelzellen, die Blutgefäße auskleiden, sehr enge Zell-Zell-Verbindungen, wodurch Mikroben daran gehindert werden, Zugang zum Blutkreislauf zu erhalten. Zellkontakte bestehen im Allgemeinen aus Zellmembranproteinen, die sich mit der extrazellulären Matrix oder mit komplementären Proteinen benachbarter Zellen verbinden können. Gewebe in verschiedenen Körperteilen weisen unterschiedliche Arten von Zellkontakten auf. Dazu gehören enge Verbindungen, Desmosomen und Gap Junctions, wie in Abbildung 1 dargestellt. Eindringende Mikroorganismen können versuchen, diese Substanzen chemisch abzubauen, indem Enzyme wie Proteasen verwendet werden, die strukturelle Schäden verursachen können, um einen Eintrittspunkt für Krankheitserreger zu schaffen. P. >

Abbildung 1. Es gibt mehrere Arten von Zellkontakten im menschlichen Gewebe, von denen drei hier gezeigt werden. Enge Verbindungen vernieten zwei benachbarte Zellen miteinander und verhindern oder begrenzen den Materialaustausch durch die Zwischenräume zwischen ihnen. Desmosomen haben Zwischenfasern, die wie Schnürsenkel wirken und zwei Zellen zusammenbinden, sodass kleine Materialien durch die resultierenden Räume gelangen können. Gap Junctions sind Kanäle zwischen zwei Zellen, die ihre Kommunikation über Signale ermöglichen. (Kredit: Änderung der Arbeit von Mariana Ruiz Villareal)

Die Hautbarriere

Abbildung 2. Klicken Sie für ein größeres Bild. Die menschliche Haut besteht aus drei Schichten, der Epidermis, der Dermis und der Hypodermis, die eine dicke Barriere zwischen Mikroben außerhalb des Körpers und tieferen Geweben bilden. Abgestorbene Hautzellen auf der Oberfläche der Epidermis werden kontinuierlich abgestoßen und nehmen Mikroben auf der Hautoberfläche mit. (Kredit: Änderung der Arbeit durch National Institutes of Health)

Eine der wichtigsten physischen Barrieren des Körpers ist die Hautbarriere, die aus drei Schichten dicht gepackter Zellen besteht. Die dünne obere Schicht wird Epidermis genannt. Eine zweite, dickere Schicht, die Dermis genannt wird, enthält Haarfollikel, Schweißdrüsen, Nerven und Blutgefäße. Unter der Dermis liegt eine Schicht Fettgewebe, die als Hypodermis bezeichnet wird und Blut und Lymphgefäße enthält (Abbildung 2).

Die oberste Hautschicht, die Epidermis, besteht aus Zellen, die mit Keratin gefüllt sind. Diese toten Zellen verbleiben als eng verbundene, dichte Schicht proteingefüllter Zellschalen auf der Hautoberfläche. Das Keratin macht die Hautoberfläche mechanisch zäh und beständig gegen Abbau durch bakterielle Enzyme.Fettsäuren auf der Hautoberfläche schaffen eine trockene, salzige und saure Umgebung, die das Wachstum einiger Mikroben hemmt und sehr widerstandsfähig gegen den Abbau durch bakterielle Enzyme ist. Darüber hinaus werden die toten Zellen der Epidermis häufig zusammen mit eventuell an ihnen haftenden Mikroben abgestoßen. Abgelöste Hautzellen werden kontinuierlich durch neue Zellen von unten ersetzt, wodurch eine neue Barriere entsteht, die bald auf die gleiche Weise abgestoßen wird.

Infektionen können auftreten, wenn die Hautbarriere beeinträchtigt oder gebrochen ist. Eine Wunde kann als Eintrittspunkt für opportunistische Krankheitserreger dienen, die das die Wunde umgebende Hautgewebe infizieren und sich möglicherweise auf tiefere Gewebe ausbreiten können.

Jede Rose hat ihren Dorn

Mike, ein Gärtner aus Südkalifornien, bemerkte kürzlich eine kleine rote Beule an seinem linken Unterarm. Anfangs dachte er nicht viel darüber nach, aber bald wurde es größer und dann geschwürig (geöffnet), was zu einer schmerzhaften Läsion wurde, die sich über einen großen Teil seines Unterarms erstreckte (Abbildung 3). Er ging zu einer Notaufnahme, wo ein Arzt nach seinem Beruf fragte. Als er sagte, er sei ein Landschaftsgestalter, vermutete der Arzt sofort einen Fall von Sporotrichose, einer Art Pilzinfektion, die als Rosengärtnerkrankheit bekannt ist, da sie häufig Landschaftsgestalter und Gartenbegeisterte betrifft.

Abbildung 3. Die Rose Gardener-Krankheit kann auftreten, wenn der Pilz Sporothrix schenkii die Haut durch kleine Schnitte verletzt, die möglicherweise von Dornen verursacht werden. (Kredit links: Änderung der Arbeit durch Elisa Self; Kredit rechts: Änderung der Arbeit durch Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten)

Unter den meisten Bedingungen können Pilze bei gesunden Personen keine Hautinfektionen hervorrufen. Pilze züchten als Hyphen bekannte Filamente, die nicht besonders invasiv sind und durch die physischen Barrieren der Haut und der Schleimhäute leicht in Schach gehalten werden können. Kleine Wunden in der Haut, wie sie beispielsweise durch Dornen verursacht werden, können jedoch eine Öffnung für opportunistische Krankheitserreger wie Sporothrix schenkii bieten, einen bodenbewohnenden Pilz und den Erreger der Rosengärtnerkrankheit. Sobald S. schenkii die Hautbarriere durchbricht, kann er die Haut und das darunter liegende Gewebe infizieren und ulzerierte Läsionen wie die von Mike hervorrufen. Zusammengesetzte Substanzen, andere Krankheitserreger können in das infizierte Gewebe eindringen und sekundäre bakterielle Infektionen verursachen.

Glücklicherweise ist die Rosengärtnerkrankheit behandelbar. Mikes Arzt schrieb ihm ein Rezept für einige Antimykotika sowie eine Antibiotikakur zur Bekämpfung von sekundären bakteriellen Infektionen. Seine Läsionen heilten schließlich ab und Mike kehrte mit einer neuen Wertschätzung für Handschuhe und Schutzkleidung zur Arbeit zurück.

Schleimhäute

Die Schleimhäute, die Nase, Mund und Lunge auskleiden Harn- und Verdauungstrakte bieten eine weitere unspezifische Barriere gegen potenzielle Krankheitserreger. Schleimhäute bestehen aus einer Schicht von Epithelzellen, die durch enge Verbindungen gebunden sind. Die Epithelzellen scheiden eine feuchte, klebrige Substanz namens Schleim aus, die die zerbrechlicheren Zellschichten darunter bedeckt und schützt und Ablagerungen und Partikel, einschließlich Mikroben, einfängt. Schleimsekrete enthalten auch antimikrobielle Peptide.

Abbildung 4. Diese rasterelektronenmikroskopische Aufnahme zeigt ciliiertes und nicht ciliiertes Epithel Zellen aus der menschlichen Luftröhre. Die mukoziliäre Rolltreppe drückt den Schleim zusammen mit eventuell im klebrigen Schleim eingeschlossenen Ablagerungen oder Mikroorganismen von der Lunge weg, und der Schleim bewegt sich bis zur Speiseröhre, wo er durch Schlucken entfernt werden kann.

In vielen Regionen des Körpers dienen mechanische Einwirkungen dazu, Schleim (zusammen mit eingeschlossenen oder toten Mikroben) aus dem Körper oder von potenziellen Infektionsherden wegzuspülen. In den Atemwegen kann das Einatmen beispielsweise Mikroben, Staub, Schimmelpilzsporen und andere kleine Ablagerungen in der Luft in den Körper bringen. Diese Trümmer werden im Schleim der Atemwege eingeschlossen, einer Schicht, die als Schleimhautdecke bekannt ist. Die Epithelzellen, die die oberen Teile der Atemwege auskleiden, werden als Flimmerepithelzellen bezeichnet, da sie haarartige Anhänge aufweisen, die als Zilien bekannt sind. Die Bewegung der Zilien treibt mit Trümmern beladenen Schleim aus der Lunge heraus. Der ausgestoßene Schleim wird dann im Magen verschluckt und zerstört oder gehustet oder geniest (Abbildung 4). Dieses System der Entfernung wird oft als mukoziliäre Rolltreppe bezeichnet.

Die mukoziliäre Rolltreppe ist eine so wirksame Barriere gegen Mikroben, dass die Lunge, der unterste (und empfindlichste) Teil der Atemwege, lange Zeit als solche angesehen wurde eine sterile Umgebung bei gesunden Personen. Erst kürzlich haben Untersuchungen gezeigt, dass gesunde Lungen eine kleine normale Mikrobiota haben können.Eine Störung der mukoziliären Rolltreppe durch die schädlichen Auswirkungen des Rauchens oder durch Krankheiten wie Mukoviszidose kann zu einer verstärkten Besiedlung der unteren Atemwege mit Bakterien und häufigen Infektionen führen, was die Bedeutung dieser physischen Barriere für die Abwehr des Wirts unterstreicht.

Wie die Atemwege ist der Verdauungstrakt ein Eintrittsportal, durch das Mikroben in den Körper gelangen, und die den Verdauungstrakt auskleidenden Schleimhäute bilden eine unspezifische physikalische Barriere gegen aufgenommene Mikroben. Der Darmtrakt ist mit Epithelzellen ausgekleidet, die mit schleimsekretierenden Becherzellen durchsetzt sind (Abbildung 5). Dieser Schleim vermischt sich mit Material aus dem Magen und fängt lebensmittelbedingte Mikroben und Ablagerungen ein. Die mechanische Wirkung der Peristaltik, einer Reihe von Muskelkontraktionen im Verdauungstrakt, bewegt den abgelösten Schleim und anderes Material durch Darm, Rektum und Anus und scheidet das Material in den Kot aus.

Abbildung 5. Becherzellen produzieren und sezernieren Schleim. Die Pfeile in dieser mikroskopischen Aufnahme zeigen auf die schleimsekretierenden Becherzellen (Vergrößerung 1600⨯) im Darmepithel. (Kreditmikroskopische Aufnahme: Mikroskopische Aufnahme der Regenten der Medizinischen Fakultät der Universität von Michigan © 2012)

Endothelien

Die Epithelzellen, die den Urogenitaltrakt, die Blutgefäße und die Lymphgefäße auskleiden und bestimmte andere Gewebe sind als Endothelien bekannt. Diese dicht gepackten Zellen bieten eine besonders effektive Frontbarriere gegen Eindringlinge. Die Endothelien der Blut-Hirn-Schranke schützen beispielsweise das Zentralnervensystem (ZNS), das aus dem Gehirn und dem Rückenmark besteht. Das ZNS ist einer der empfindlichsten und wichtigsten Bereiche des Körpers, da eine mikrobielle Infektion des ZNS schnell zu schweren und oft tödlichen Entzündungen führen kann. Die Zellkontakte in den Blutgefäßen, die durch das ZNS wandern, gehören zu den engsten und härtesten im Körper und verhindern, dass vorübergehende Mikroben im Blutkreislauf in das ZNS gelangen. Dadurch bleibt die Cerebrospinalflüssigkeit, die das Gehirn und das Rückenmark umgibt und badet, unter normalen Bedingungen steril.

Mechanische Abwehrkräfte

Zusätzlich zu physischen Barrieren, die Mikroben fernhalten, den Körper hat eine Reihe von mechanischen Abwehrmechanismen, die Krankheitserreger physisch aus dem Körper entfernen und sie daran hindern, sich niederzulassen. Wir haben bereits einige Beispiele für mechanische Abwehrkräfte erörtert, darunter das Ablösen von Hautzellen, das Ausstoßen von Schleim über die mukoziliäre Rolltreppe und die Ausscheidung von Kot durch Darmperistaltik. Andere wichtige Beispiele für mechanische Abwehrkräfte sind die Spülwirkung von Urin und Tränen, die beide dazu dienen, Mikroben vom Körper wegzutragen. Die Spülwirkung des Urins ist weitgehend für die normalerweise sterile Umgebung des Harntrakts verantwortlich, zu der Nieren, Harnleiter und Harnblase gehören. Aus dem Körper austretender Urin wäscht vorübergehende Mikroorganismen aus und verhindert so, dass sie sich niederlassen. Die Augen haben auch physikalische Barrieren und mechanische Mechanismen zur Verhinderung von Infektionen. Die Wimpern und Augenlider verhindern, dass Staub und Mikroorganismen in der Luft die Augenoberfläche erreichen. Alle Mikroben oder Ablagerungen, die diese physischen Barrieren überwinden, können durch die mechanische Wirkung des Blinkens ausgespült werden, wodurch das Auge in Tränen gebadet wird und Ablagerungen weggewaschen werden (Abbildung 6).

Abbildung 6. Tränen spülen Mikroben von der Augenoberfläche weg. Der Urin wäscht beim Durchgang Mikroben aus den Harnwegen; Infolgedessen ist das Harnsystem normalerweise steril.

Mikrobiom

In verschiedenen Körperregionen dienen residente Mikrobiota als wichtige Erstlinienabwehr gegen eindringende Krankheitserreger. Durch die Besetzung zellulärer Bindungsstellen und die Konkurrenz um verfügbare Nährstoffe verhindern die ansässigen Mikrobiota die kritischen frühen Schritte der Bindung und Proliferation von Krankheitserregern, die für die Etablierung einer Infektion erforderlich sind. In der Vagina beispielsweise konkurrieren Mitglieder der ansässigen Mikrobiota mit opportunistischen Krankheitserregern wie der Hefe Candida. Diese Konkurrenz verhindert Infektionen, indem sie die Verfügbarkeit von Nährstoffen einschränkt und so das Wachstum von Candida hemmt und die Population in Schach hält. Ähnliche Wettbewerbe treten zwischen der Mikrobiota und potenziellen Krankheitserregern auf der Haut, in den oberen Atemwegen und im Magen-Darm-Trakt auf. Wie später in diesem Kapitel erläutert wird, tragen die ansässigen Mikrobiota auch zur chemischen Abwehr der angeborenen unspezifischen Wirtsabwehr bei.

Die Bedeutung der normalen Mikrobiota für die Abwehr des Wirts wird durch die erhöhte Anfälligkeit für Infektionskrankheiten unterstrichen, wenn die Mikrobiota zerstört oder beseitigt wird. Die Behandlung mit Antibiotika kann die normalen Mikrobiota des Magen-Darm-Trakts erheblich erschöpfen und den pathogenen Bakterien den Vorteil bieten, sich anzusiedeln und Durchfallinfektionen zu verursachen. Bei Durchfall durch Clostridium difficile kann die Infektion schwerwiegend und möglicherweise tödlich sein. Eine Strategie zur Behandlung von C. difficile-Infektionen ist die Fäkaltransplantation, bei der Fäkalien von einem Spender (auf potenzielle Krankheitserreger untersucht) in den Darm des Empfängerpatienten übertragen werden, um die normalen Mikrobiota wiederherzustellen und C. difficile-Infektionen zu bekämpfen.

Tabelle 2 enthält eine Zusammenfassung der in diesem Abschnitt beschriebenen physischen Abwehrkräfte.