Rinder als Quelle für EHEC-Infektionen des Menschen

Reservoirwirt Rind

von Prof. Dr. Christian Menge, Prof. Dr. Dr. Georg Baljer

Enterohämorrhagische Escherichia coli-Keime (EHEC), erstmals 1982 in den USA beschrieben, gehören zu den wichtigsten Erregern von Lebensmittelinfektionen [1]. Die Bezeichnung EHEC wurde für solche E. coli-Stämme gewählt, die eine hämorrhagische Colitis (HC) und/oder das hämolytisch-urämische Syndrom (HUS) beim Menschen verursacht haben. Allen Stämmen ist gemeinsam, dass sie potente Zytotoxine bilden, die aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit dem Toxin der Ruhrbakterien (Shigella sp.) als Shigatoxine (Stx) bezeichnet werden (Abb. 1, 2). EHEC sind deshalb – vor Kenntnis der durch sie ausgelösten klinischen Symptomatik – korrekterweise als Stx-produzierende E. coli (STEC) zu bezeichnen. STEC bilden eine Untergruppe der pathogenen intestinalen E. coli, die sich durch verschiedene Virulenzmerkmale untereinander sowie von Kommensalen und extraintestinalen E. coli unterscheiden.

Der Lebensraum

Für den EHEC-Ausbruch in Deutschland, bei dem zwischen Mai und Juli 2011 insgesamt 3469 Infizierte und 852 HUS-Erkrankte zu beklagen waren, wurden Bockshornkleesamen als wahrscheinliche Infektionsquelle identifiziert. Die Herkunft der Kontamination der Samen liegt bislang noch im Dunkeln [2]. Bei früheren EHECAusbrüchen haben sich Menschen meist durch den Verzehr von mit Rinderkot kontaminierten Lebensmitteln (Rohmilch, nicht durchgegartes Fleisch, Gemüse u.a.), direkten Kontakt zu Rindern, Rinderkot oder mit Rinderkot verschmutzten Gewässern [1] und seltener durch Kontakt zu bereits erkrankten Personen infiziert (Abb. 3). Obwohl auch andere Wiederkäuer wie Schafe, Ziegen und Wildwiederkäuer als Quelle humaner Infektionen beschrieben wurden, stellen Rinderbestände das Hauptreservoir für STEC dar. Die Tiere infizieren sich schon im Kälberalter durch geringste Infektionsdosen [9]. Nach initialer Vermehrung im Zäkum und Kolon kommt es zur Etablierung einer persistierenden Darminfektion mit monatelangem Ausscheidertum [3]. Weltweit scheiden bis zu 82 % der Rinder STEC mit dem Kot aus, in Europa liegt die Herdenprävalenz für STEC meist über 50 %. Eine erfolgreiche Prävention von EHECInfektionen des Menschen muss deshalb neben der Einhaltung der Lebensmittel- (v.a. ausreichendes Erhitzen, Pasteurisieren), Küchen- und Händehygiene die Reduktion der STEC-Ausscheidung beim Rind zum Ziel haben. Der Energie- und Rohfasergehalt der Futterrationen kann die Anzahl fäkal ausgeschiedener STEC beeinflussen. Bei Rindern, die energiearm und rohfaserreich (z.B. mit viel Heu) gefüttert werden, erhöht sich die Ausscheidungsrate von E. coli. Zur Auswirkung energiereicher Fütterung (z.B. mit viel Getreide) gibt es dagegen in der Literatur widersprüchliche Einschätzungen. Wichtiger als die absolute EHEC-Zahl im Kot ist möglicherweise, dass bei energiereicher Fütterung und dem daraus resultierenden niedrigen pH-Wert im Vormagen der Wiederkäuer mehr säureresistente E. coli ausgeschieden werden, die beim Menschen leichter die Säurebarriere im Magen überwinden können. Die Folge ist eine extrem erniedrigte Mindestinfektionsdosis bei oraler Infektion.

Die Virulenzmerkmale

Die Information für die Bildung der Stx, von denen es die Hauptgruppen Stx1 und 2 (mit verschiedenen Varianten) gibt, ist im Genom von Bakteriophagen kodiert. Ein STEC kann mit mehreren Phagen infiziert und somit fähig sein, verschiedene Stx zu produzieren. Schwere klinische Verlaufsformen werden überwiegend durch Stx2- (oder Stx2c-) bildende EHEC hervorgerufen [5]. Stx-kodierende Phagen, die zahlreich im Darmtrakt der Wiederkäuer vorkommen, verlassen auch ihre Wirtszelle wieder und infizieren andere E. coli-Zellen. Durch diesen horizontalen Gentransfer entstehen ständig neue STEC mit immer neuen Kombinationen an Genen. Eine Vorhersage, welcher bovine STEC-Stamm beim Menschen HC oder HUS auslösen könnte, ist bisher nicht möglich. Grundsätzlich ist jeder STEC als potenzieller EHEC anzusehen [8]. Aufgrund anderer Virulenzmerkmale kann man jedoch typische von untypischen EHEC unterscheiden (Abb. 4). Typische EHEC besitzen neben mindestens einem stx-Gen eine Pathogenitätsinsel, den sog. „Locus of Enterocyte Effacement“ (LEE).
Diese Gruppe chromosomal kodierter Gene stattet EHEC mit der Fähigkeit zur Bindung an Darmepithelzellen und zur Zerstörung des epithelialen Bürstensaums (attaching and effacing) aus. Ein Virulenzplasmid (90 kbp) kodiert für ein Hämolysin, eine Katalase- Peroxidase, ein Enterotoxin sowie eine Serinprotease. Untypische EHEC besitzen nur die Eigenschaft der Stx-Bildung, können aber von HUS- oder HC-Patienten isoliert werden. Der aktuelle Ausbruchstamm HUSEC 041 des Serotyps O104:H4 ist ein untypischer EHEC, der aber plasmidkodierte Fimbrien (sog. AAF) zur Anheftung und Aggregation besitzt, die bisher nur bei enteroaggregativen E. coli (EAEC) nachgewiesen wurden [2].

Der mögliche Ausweg

Wünschenswert wäre die Eliminierung der STEC aus dem Reservoirwirt „Rind“. Obwohl das Rind keine den Stx zuzuschreibenden histopathologisch oder klinisch erkennbaren Krankheitserscheinungen ausbildet, konnten wir die Expression von Stx–Rezeptoren bei verschiedenen Zellarten in den Tieren nachweisen (Abb. 5). Das wichtigste Zielorgan für Stx ist offensichtlich der adaptive Teil des mukosalen Immunsystems. Stx binden vor allem an intraepitheliale Lymphozyten in der Darmschleimhaut [6]. Im Gegensatz zu Zellen z.B. aus der menschlichen Niere [7] war die Wirkung bei bovinen Lymphozyten nicht letal, sondern Stx modulierte und supprimierte die Effektormechanismen der Zellen. In vivo verzögert Stx bei Kälbern die Entwicklung einer STEC-spezifischen zellulären Immunität [4]. Bemerkenswert ist, dass Stx keine bereits bestehende Immunität supprimiert, sondern nur in der Lage ist, eine sich gerade entwickelnde Immunantwort zu unterdrücken. Stx wirkt damit vor allem bei der Erstinfektion immunologisch naiver Kälber und bereitet als putativer Kolonisationsfaktor die Grundlage für die Entstehung persistenter STEC-Infektionen bei älteren Rindern. Auch bei Schafen ist die Fähigkeit der STEC zur Persistenz mit der Fähigkeit zur Stx-Bildung assoziiert. Die Akquisition Stxkonvertierender Phagen durch bestimmte E. coli-Klone kann damit als Teil der Adaptation dieser Keime an ihren Reservoirwirt angesehen werden.
Aufgrund der weiten Verbreitung haben Kälber bereits früh nach der Geburt Kontakt zu STEC [9]. Die erstmalige natürliche Infektion der Tiere fällt in einen Zeitraum, in dem ein Großteil der Tiere über keine oder nur geringe Mengen Stx-spezifischer Antikörper verfügt [3]. Eine Immunisierungsstrategie auf der Basis der Stx unter Einbeziehung hochträchtiger Kühe könnte bei neugeborenen Kälbern diese immunologische Lücke schließen und bovine Immunzellen zum Zeitpunkt der Erstinfektion vor den modulatorischen Wirkungen der Stx schützen. Diese von uns verfolgte Strategie wäre besonders effektiv, da, unabhängig vom Vorhandensein anderer Virulenzmerkmale, alle potenziell für den Menschen gefährlichen STEC-Isolate erfasst würden.

Literatur
[1] European Food Safety Authority (2010): The Community Summary Report on Trends and Sources of Zoonoses, Zoonotic Agents and food-borne outbreaks in the European Union in 2008, The EFSA Journal (2010), 1496
[2] European Food Safety Authority (2011): Tracing seeds, in particular fenugreek (Trigonella foenum-graecum) seeds, in relation to the Shiga toxin-producing E. coli (STEC) O104:H4 2011 Outbreaks in Germany and France, Technical Report of EFSA, 5. July 2011 (http://www.efsa.europa.eu/en/supporting/pub/176e.htm)
[3] Fröhlich, J., Baljer, G., and Menge, C. (2009): Maternally and naturally acquired antibodies to Shiga toxins in a cohort of calves shedding Shiga-toxigenic Escherichia coli, Appl Environ Microbiol. 75(11):3695 – 704
[4] Hoffman, M.A., Menge, C., Casey, T.A., Laegreid, W., Bosworth, B.T., and Dean-Nystrom, E.A. (2006): Bovine immune response to shiga-toxigenic Escherichia coli O157:H7, Clin Vaccine Immunol. 13(12):1322 – 7
[5] Karch, H., Tarr, P.I., and Bielaszewska, M. (2005): Enterohaemorrhagic Escherichia coli in human medicine, Int J Med Microbiol. 295(6– 7):405 – 18
[6] Menge, C., Blessenohl, M., Eisenberg, T., Stamm, I., and Baljer, G. (2004): Bovine ileal intraepithelial lymphocytes represent target cells for Shiga toxin 1 from Escherichia coli, Infect Immun. 72(4):1896 – 905
[7] Proulx, F., Seidman, E.G., and Karpman, D. (2001): Pathogenesis of Shiga toxin-associated hemolytic uremic syndrome, Pediatr Res. 50(2):163 – 71
[8] Robert-Koch-Institut (2008): Erkrankungen durch Enterohämorrhagische Escherichia coli (EHEC), Epid Bull (2008) 2: 11– 15
[9] Wieler, L.H., Sobjinski, G., Schlapp, T., Failing, K., Weiss, R., Menge, C., and Baljer G. (2007): Longitudinal prevalence study of diarrheagenic Escherichia coli in dairy calves, Berl Munch Tierarztl Wochenschr. 120(7– 8):296 – 306

Foto: © Prof. Dr. Christian Menge / Prof. Dr. Dr. Georg Baljer