Clostridium botulinum: Eigenschaften, Pathogenese und Labordiagnose

Clostridium botulinum ist ein gram-positiver, endosporenbildender Bazillus, der durch das Vorhandensein von Sporen am subterminalen Ende einem Tennisschläger ähnelt.

Es produziert ein extrem tödliches Neurotoxin namens Botulinumtoxin und verursacht Botulismus, eine seltene, lebensbedrohliche neuroparalytische Erkrankung. Botulismus äußert sich in verschiedenen klinischen Syndromen, die von Lebensmittelvergiftungen über Wundinfektionen bis hin zum Säuglingsbotulismus reichen.

Der Begriff Botulinum wurde vom lateinischen Wort „botulus“ abgeleitet, das Wurst bedeutet, da schlecht gekochte Würste früher mit Lebensmittelvergiftungen in Verbindung gebracht wurden. Botulinum wird auch von anderen Clostridien wie C. butyricum, C. baratti und C. argentinense produziert.

Die tödliche Dosis von Botulinumtoxin für einen Menschen beträgt 2 μg oder weniger, so dass C. botulinum das Potenzial hat, als biologische Waffe eingesetzt zu werden. Das CDC hat es als „Kategorie-A-Erreger“ aufgeführt, zusammen mit Bacillus anthracis, Yersinia pestis usw.

Pathogenese

Übertragung:

Es ist in der Natur allgegenwärtig und weit verbreitet als Saprophyt in Erde, Tierdung, Gemüse und Meeresschlamm. Hausgemachte Konserven, Gewürze und Fischprodukte sind die häufigsten Quellen für eine Infektion mit C. botulinum. Der Verzehr von kontaminiertem Honig ist die Hauptursache für Botulismus bei Säuglingen.

Unzureichende Kochtemperatur und anschließende Verpackung unter anaeroben Bedingungen erleichtern die Keimung der Sporen und die Synthese von Neurotoxinen.

Wirkungsmechanismus von Botulinumtoxin (BoNT)

Clostridium botulinum ist nicht invasiv. Seine Pathogenese beruht auf der Produktion des starken Neurotoxins „Botulinumtoxin“ (BoNT), der wahrscheinlich giftigsten Substanz, die für den Menschen tödlich sein kann. Es führt zu schlaffen Lähmungen. Es gibt 7 serologische Typen von Botulinum-Neurotoxin, die als Typ A, B, C, D, E, F und G bezeichnet werden. Der menschliche Botulismus wird hauptsächlich durch die Typen A, B, E und F (selten) verursacht.

C. Botulinumtoxin wird als potenzieller Bioterrorismus-Agent eingestuft, aber Botox wird zur Glättung von Gesichtsfalten verwendet.

Nach dem Eindringen (entweder durch Verschlucken, Einatmen oder in einer Wunde) wird Botulinumtoxin über das Blut zu peripheren cholinergen Nervenendigungen transportiert. Die häufigsten Nervenendigungen sind neuromuskuläre Knotenpunkte, postganglionäre parasympathische Nervenendigungen und periphere Ganglien. Das ZNS ist davon nicht betroffen.

Im Normalzustand: Bei Stimulation peripherer und kranialer Nerven wird Acetylcholin normalerweise aus Vesikeln an der neuralen Seite der motorischen Endplatte freigesetzt. Acetylcholin bindet dann an spezifische Rezeptoren im Muskel und löst eine Kontraktion aus.

Botulinumtoxin wirkt durch Bindung an synaptische Vesikel cholinerger Nerven, wodurch die Freisetzung von Acetylcholin (Ach) an den peripheren Nervenenden, einschließlich der neuromuskulären Verbindungen, verhindert wird. Dies führt zu einer Reizlosigkeit der Muskelfasern, einer irreversiblen Entspannung der Muskeln und einer schlaffen Lähmung.

Da Botulinumtoxin eine schlaffe Lähmung hervorruft, kann es therapeutisch zur Behandlung von krampfartigen Zuständen wie Strabismus (Schielen), Blepharospasmus (unkontrollierbares Blinzeln) und Myoklonus eingesetzt werden.

Klinische Manifestationen

Die Manifestationen des Botulismus sind auf eine Verminderung des Acetylcholins in den Hirnnerven und parasympathischen Nervenendigungen zurückzuführen. Häufige Symptome sind:

1. Diplopie (Doppeltsehen) oder verschwommenes Sehen
2. Dysphagie (Schluckbeschwerden)
3. Dysarthrie (Sprachschwierigkeiten) oder Lallen
4. Deszendierende symmetrische schlaffe Lähmung der willentlichen Muskeln.
5. Verminderte tiefe Sehnenreflexe
6. Müdigkeit
7. Schwindel
8. Brechreiz
9. Verstopfung
10. Atemmuskellähmung kann zum Tod führen.

Es gibt keine sensorischen oder kognitiven Defizite

Arten von Botulismus

Es gibt drei Haupttypen von Botulismus beim Menschen, basierend darauf, wie sie erworben werden:

1. Lebensmittelbedingter Botulismus: Er entsteht durch den Verzehr von Lebensmitteln, die mit vorgeformtem Botulinumtoxin verunreinigt sind, wie zum Beispiel hausgemachte Konserven.
2. Wundbotulismus: Es handelt sich um eine systemische Intoxikation, die durch das Wachstum von C. botulinum und die Toxinproduktion in den Wunden entsteht. Er ähnelt dem lebensmittelbedingten Botulismus mit Ausnahme des Fehlens gastrointestinaler Symptome.
3. Säuglingsbotulismus: Der Säuglingsbotulismus ist viel milder als die Erwachsenenversion. Er entsteht durch die Aufnahme von Lebensmitteln (in der Regel Honig), die mit Sporen von C. botulinum kontaminiert sind, durch Kinder im Alter von ≤1 Jahr. Die Sporen keimen im Darm aus, und die vegetativen Zellen sezernieren Botulinumtoxin. Zu den klinischen Manifestationen gehören die Unfähigkeit zu saugen und zu schlucken, eine geschwächte Stimme, Ptosis, ein schlaffer Nacken und extreme Schwäche, die als Floppy-Child-Syndrom bezeichnet wird. Es handelt sich um eine selbstlimitierende Krankheit; die Prognose ist ausgezeichnet, wenn sie durch unterstützende Pflege und Fütterung behandelt wird.

Sporen keimen normalerweise nicht im Darm von Erwachsenen, können jedoch im Darm von Säuglingen keimen.

Labordiagnose

Die Diagnose von Botulismus umfasst die Isolierung und Identifizierung der Bazillen durch konventionelle kulturelle biochemische Verfahren und den Nachweis von Botulinum-Neurotoxin in einer Patientenprobe oder in Lebensmitteln (bei der Untersuchung von Ausbrüchen) mit dem Toxin-Neutralisationstest

Der Nachweis von Botulinumtoxin (Maus-Neutralisationstest) in Serum oder Kot bestätigt die klinische Diagnose von Botulismus.

Probe

Serum, Fäkalien, Mageninhalt, Erbrochenes, Wundabstrich, Exsudat oder Gewebe je nach Art des Botulismus.

Direkte Mikroskopie

Die Gram-Färbung von Abstrichen aus verdächtigen Lebensmitteln oder Fäkalien zeigt gram-positive, nicht-verkapselte Bazillen mit subterminalen, ovalen, prallen Sporen.

Kultur

• Isolierung- die Kultur wird auf Blutagar oder Robertson’s cooked meat (RCM) Brühe durchgeführt.
• In RCM Brühe: Trübung tritt auf, wobei sich die Fleischpartikel:
  1. schwarz färben und einen üblen Geruch erzeugen-C. botulinum A, b, f (proteolytisch)
  2. Pink- C. botulinum C, D, E (saccharolytisch).
• In Blutagar: Die Kolonien sind groß, unregelmäßig, halbtransparent, hämolytisch und haben einen gefransten Rand.

Das Wachstum auf Nährböden kann durch Gram-Färbung, biochemische Tests oder molekulare Untersuchungen bestätigt werden. Die Serotypisierung erfolgt mit typspezifischen Antiseren.

Erkennungsmerkmale von Clostridium botulinum

• Motil durch peritriche Geißeln.
• Zeigt Lipase-Aktivität auf Eigelb-Agar.

Toxin-Neutralisationstest (Maus-Bioassay)

Der In-vivo-Maus-Bioassay ist der „Goldstandard“-Test zum Nachweis von aktivem Botulinumtoxin. Dieser Test beinhaltet die intraperitoneale Injektion von mutmaßlich kontaminierten Lebensmitteln in eine Maus und die Beobachtung über 4-6 Tage auf Krankheit/Tod.

Wenn diese tödliche Aktivität (in einer anderen Gruppe von Mäusen) durch Injektion von Antikörpern gegen einen der Botulinumtoxin-Serotypen neutralisiert werden kann, bestätigt dies das Vorhandensein von Botulinum-Neurotoxin.

Molekulare Diagnose

Molekulare Techniken wie die Polymerase-Kettenreaktion (PCR), die auf die Neurotoxin-Gene abzielt, sind ideal für den Nachweis und die Identifizierung von C. botulinum. Weitere Typisierungen (z. B. Toxin-Typisierung oder Gen-Typisierung) können mit Hilfe der Pulsfeld-Gelelektrophorese (PFGE) und des amplifizierten Fragmentlängen-Polymorphismus (AFLP) durchgeführt werden.

Referenzen und weiterführende Literatur

• Tille, P. (2017). Bailey & Scott’s Diagnostic Microbiology (14 edition). Mosby.
• Procop, G. W., & Koneman, E. W. (2016). Koneman’s Color Atlas and Textbook of Diagnostic Microbiology (Siebte, internationale Ausgabe). Lippincott Williams and Wilkins.
• Rasooly, R., & Do, P. M. (2008). Development of an In Vitro Activity Assay as an Alternative to the Mouse Bioassay for Clostridium botulinum Neurotoxin Type A. Applied and Environmental Microbiology, 74(14), 4309-4313.
• Lindström, M., & Korkeala, H. (2006). Laboratory Diagnostics of Botulism. Clinical Microbiology Reviews, 19(2), 298-314.