Escherichia coli

• Abteilung: Proteobacteria
  • Klasse: Gammaproteobacteria
    • Ordnung: Enterobacterales
      • Familie: Enterobacteriaceae
        • Gattung: Escherichia
          • Art: Escherichia coli

Escherichia coli sind gerade, zylindrische Stäbchen mit abgerundeten Enden. Der Durchmesser liegt zwischen 1,1 und 1,5 µm, die Länge schwankt zwischen 2 und 6 µm. Die Bakterien kommen in Paaren oder einzeln vor. Sie bilden keine Sporen. Mithilfe von peritrichen Geißeln (Flagellen) können sich die Erreger aktiv fortbewegen. Viele Escherichia-coli-Stämme haben zudem Fimbrien (Pili), die häufig als Virulenzfaktoren dienen.

Escherichia coli ist weltweit verbreitet und besiedelt als Kommensale den Darm von Menschen und zahlreichen warmblütigen Tieren. Es kommt hauptsächlich im Colon vor, wo es allerdings meist nur einen kleinen Teil des gesamten Darmmikrobioms ausmacht. Sie interagieren mit dem GALT und sind an der intestinalen Vitamin-K-Synthese beteiligt.

Außerhalb des Darms findet sich Escherichia coli unter physiologischen Bedingungen in der Regel nicht. Der Nachweis in Trinkwasser oder Lebensmitteln ist ein Hinweis auf eine fäkale Kontamination. Pathogene Stämme kommen beim Menschen sowie in tierischen Reservoiren – insbesondere bei Wiederkäuern – vor.

Das Genom von Escherichia coli besteht aus einem einzelnen, ringförmigen Chromosom mit einer Größe von etwa 4,5–5,5 Mbp. Darüber hinaus können zahlreiche Plasmide vorhanden sein, die unter anderem Gene für Virulenzfaktoren oder Antibiotikaresistenzen tragen. Durch horizontalen Gentransfer (insbesondere Konjugation, aber auch Transduktion und Transformation) kann Escherichia coli genetisches Material mit anderen Bakterien austauschen. Die hohe genetische Variabilität erklärt die Entstehung zahlreicher Pathotypen sowie die rasche Ausbreitung von Resistenzmechanismen.

Escherichia coli weist verschiedene Virulenzfaktoren auf:

• Kapsel
• Haftpili
• Lipopolysaccharid als Endotoxin
• Exotoxine

Man unterscheidet mikrobiologisch drei Gruppen von Serotypen: O-Antigene, H-Antigene und K-Antigene.

"O" steht dabei für die Oligosaccharidanteile der Lipopolysaccharide der bakteriellen Zellhülle, "H" für die Flagellen und "K" für die Kapsel. Es gibt etwa 180 "O"-Serogruppen, 56 "H"-Typen und rund 80 verschiedene K-Antigene bei Escherichia coli.

Die Fähigkeit zur Biofilmbildung ist ein weiterer wichtiger Virulenzfaktor. Biofilme fördern die Adhärenz an Oberflächen und schützen die Bakterien vor der Immunabwehr sowie vor Antibiotika. Sie spielen vor allem bei katheterassoziierten Harnwegsinfektionen, Implantatinfektionen und chronischen Infektionen eine wichtige Rolle.

Die zur residenten Darmflora gehörigen Escherichia-coli-Stämme sind fakultativ pathogen. Sie können zu Erregern von Harnwegsinfekten (hohes Risiko der Autoinokulation bei Frauen), Wundinfektionen, Pneumonie, Peritonitis und Cholezystitis, sowie Säuglingsmeningitiden (E. coli- Stamm vom Kapseltyp 1) werden.

Bei den obligat pathogenen Escherichia coli unterscheidet man grob in intestinal pathogene Escherichia coli (IPEC) und extraintestinal pathogene Escherichia coli (ExPEC).

Die Gruppe der IPECs unterteilt sich weiter in:

Enterotoxische Escherichia coli (ETEC) verursachen Krankheitsbilder wie

• leukozytenfreie Diarrhoen
• Reisediarrhoe

ETEC produzieren ein hitzelabiles und hitzestabiles Toxin, wobei das hitzelabile dem Choleratoxin und das hitzestabile dem Pertussistoxin ähnelt.

Das hitzelabile Toxin besteht aus zwei Untereinheiten, Unit A und B. Unit B bindet an eine Zellmembran, daraufhin senkt sich Unit A in die Zelle und wirkt in dieser als Enzym. Durch Ribosylisierung des Hemmproteins kommt es zur Enthemmung der Adenylatzyklase und einem Anstieg des cAMP. Folgend entstehen durch einen Ausstoß von Wasser und Ionen aus den Zellen wässrige Durchfälle.

Im Vordergrund stehen orale Rehydratationslösungen nach WHO-Empfehlung zum Ausgleich des Elektrolytverlusts. Stark zuckerhaltige Getränke wie Cola oder Fruchtsäfte werden heute aufgrund ihrer ungünstigen Osmolarität nicht mehr empfohlen.

EPEC steht für enteropathogene Escherichia coli. Dieser Erreger verursacht vor allem Dyspepsie und Diarrhö im Säuglingsalter.

Mithilfe des "EPEC-adhesion-factor" (EAF) kann sich der Erreger an Epithelzellen des Dünndarms anheften und über ein Typ-III-Sekretionssystem toxische Moleküle in die Enterozyten injizieren.

Die Therapie bei einer Erkrankung durch EPEC besteht ebenfalls in einer Rehydratation und ggf. Elektrolytsubstitution.

Enteroinvasive Escherichia coli (EIEC) stellen die dritte Gruppe der pathogenen Escherichia coli dar. Sie verursachen blutig-schleimige, leukozytenreiche Stühle.

Pathogenetisch kommt es zu einer Invasion der Darmepithelien. Als ein besonderes Merkmal kann man das Verlassen der Phagozytose-Vesikel auffassen (Endosom-Escape). Im Gegensatz zu ETEC tritt bei EIEC nach einer Infektion Fieber auf.

Als weitere Untergruppe muss das enterohämorrhagische Escherichia coli genannt werden. Es verursacht blutige Durchfälle und kann zu schweren, ggf. letalen Komplikationen führen (HUS).

EHEC bilden das Shigatoxin, auch als Verotoxin bezeichnet. Dieses wirkt intrazellulär und bewirkt ein Absterben der gesamten Epithelzelle.

EAEC steht für enteroaggregative Escherichia coli. EAEC ist ein weiterer Subtyp, der zu einer akuten oder chronifizierten, wässrig-schleimigen Diarrhö führen kann. Er stimuliert die Schleimproduktion mithilfe von Adhärenzfimbrien.

Diffus adhärierende Escherichia coli (DAEC) lösen ebenfalls eine intestinale Infektion aus. Dieser Erreger führt insbesondere bei Kindern zwischen 18 Monaten und fünf Jahren zu einer Diarrhö.

ExPECs verursachen Infektionen außerhalb des Gastrointestinaltrakts. Sie stammen häufig aus der physiologischen Darmflora und gelangen durch Translokation oder Aszension in normalerweise sterile Körperregionen. Zu den wichtigsten Subtypen zählen:

• UPEC: Uropathogene Escherichia coli sind die häufigsten Erreger unkomplizierter und komplizierter Harnwegsinfektionen sowie aufsteigender Pyelonephritiden.
• NMEC: Neonatale Meningitis-assoziierte Escherichia coli sind wichtige Erreger der neonatalen Meningitis und Sepsis. Meist handelt es sich um K1-positive Stämme.
• SEPEC: Sepsis-assoziierte Escherichia coli verursachen primäre oder sekundäre Bakteriämien und Sepsis.
• APEC: Aviär pathogene Escherichia coli verursachen Infektionen bei Vögeln und besitzen aufgrund genetischer Ähnlichkeiten Bedeutung als mögliches Reservoir humanpathogener ExPEC-Stämme.

Escherichia coli weist weltweit eine zunehmende Antibiotikaresistenz auf. Das Bakterium gehört zu den wichtigsten Erregern von Nosokomialinfektionen. Von besonderer klinischer Bedeutung sind ESBL-bildende Stämme, die gegen viele Betalaktamantibiotika resistent sind. Darüber hinaus kommen AmpC-Betalaktamase-bildende sowie Carbapenemase-produzierende Isolate vor, welche die Therapie erheblich erschweren. Die Resistenzentwicklung wird durch den Erwerb entsprechender Gene auf Plasmiden und deren Übertragung durch horizontalen Gentransfer begünstigt.

Escherichia coli ist als Krankheitserreger von hoher Bedeutung. Er ist einer der am häufigsten isolierten Erreger aus pathologischen Untersuchungsmaterialien.

Escherichia coli gilt als Indikatorkeim für fäkale Verunreinigungen von Trink-, Badewasser und Lebensmitteln. Laut Trinkwasserverordnung dürfen z.B. in 100 ml Trinkwasser keine Colibakterien vorhanden sein.

Der Nachweis von Escherichia coli erfolgt in der Regel durch kulturelle Anzucht aus geeignetem Untersuchungsmaterial, z.B. Urin, Blut, Stuhl oder Wundabstrichen. Die Identifizierung erfolgt heute meist mittels MALDI-TOF-Massenspektrometrie. Ergänzend können biochemische Verfahren oder molekularbiologische Methoden wie die PCR zum Nachweis von Virulenzgenen oder zur Charakterisierung pathogener Stämme eingesetzt werden.

Bei klinisch relevanten Isolaten wird eine Resistenztestung durchgeführt, um die antimikrobielle Therapie gezielt auswählen zu können. Bei Verdacht auf eine Infektion mit STEC bzw. EHEC sollte zusätzlich ein Nachweis der Shigatoxine bzw. der entsprechenden Toxingene erfolgen.

Die Empfehlungen zur antimikrobiellen Therapie einer Escherichia-coli-Infektion ändern sich aufgrund der dynamischen Resistenzentwicklung fortlaufend und können lokal unterschiedlich sein. Eine AWMF-Leitlinie aus dem Jahr 2024 schildert die Resistenzsituation bei Harnwegsinfekten gegenüber verschiedenen Antiinfektiva wie folgt:

• Fluorchinolone: Resistenzrate 15–20%, Trend zunehmend
• Cotrimoxazol: Resistenzrate 20–25%, Trend stabil hoch
• Ampicillin: Resistenzrate ca. 50%, Trend sehr hoch
• Fosfomycin: Resistenzrate < 5  %, Trend gering
• Nitrofurantoin: Resistenzrate < 5%, Trend gering, außer bei ESBL
• Pivmecillinam: < 5%, Trend gering
• ESBL-bildende Stämme: Resistenzrate 5–10% (ambulant), Trend zunehmend

Bei der Wahl des geeigneten Antibiotikums sind neben der Resistenz die Lokalisation und Ausbreitung der Infektion sowie individuelle Patientenfaktoren zu berücksichtigen.

• Bildquelle für Flexikon-Quiz: © Fernando Gonzales / Pexels

• Hof, Duale Reihe Mikrobiologie, 2019 Georg Thieme Verlag KG Stuttgart, S. 411
• Stein et al. Chronisch entzündliche Darmerkrankungen, Springer-Verlag, 2001
• S3-Leitlinie HWI 2024 (AWMF-Registernummer 043-044)
• EAU Guidelines 2023
• NICE Guidelines (NG109)