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Metazyklisch

Englisch: metacyclic

1 Definition

Mit dem Begriff metazyklisch bezeichnet man eine morphologische Subform der Morphe eines Trypanosomatiden, die in einem bestimmten Wirt (im Allgemeinen einem Arthropoden als Vektor) heranwächst und für einem anderen Wirt (im Allgemeinen für ein Wirbeltier oder den Menschen) infektiös ist.

2 Hintergrund

Die Übertragung heteroxener Parasiten zwischen zwei oder mehr, nicht eng miteinander verwandten Wirtsarten, z.B. einem Arthropodenwirt und einem Wirbeltierwirt, wird als zyklisch bezeichnet. Ein Beispiel ist der Zyklus Sandmücke-Wirbeltier-Sandmücke-Wirbeltier-usw. bei Leishmanien.

Die meisten Trypanosomatiden leben ausschließlich in ihren evolutionär ursprünglichen Wirtsarten, nämlich Insekten oder anderen Arthropoden. Einige Gattungen (z.B. Leishmania, Trypanosoma) oder Spezies der Trypanosomatiden haben sich in einer späteren evolutionären Phase zusätzlich andere Wirtsarten wie z.B. Wirbeltiere erschlossen. Hier wird der Begriff metazyklisch für die morphologische Subform der Morphe des jeweiligen Trypanosomatiden verwendet, die den Übergang vom phylogenetisch älteren Arthropodenwirt zum später erschlossenen Wirbeltierwirt gewährleistet.

3 Beispiele

Trypanosomatiden kennen die folgenden Morphen (morphologischen Formen): amastigot, promastigot, epimastigot, trypomastigot, choanomastigot und opisthomastigot, die hier genauer umschrieben sind.

Im Weiteren soll angenommen werden, dass sich der Lebenszyklus des Trypanosomatiden über einen (wechselwarmen) Arthropoden und ein gleichwarmes Wirbeltier erstreckt. Als einer der Gründe für die Umwandlung der Subformen beim Wirtswechsel wird der Temperaturunterschied zwischen beiden Wirten angesehen.

Trypanosomatiden leben in allen morphologischen Formen im Arthropodenkörper stets extrazellulär.

Trypomastigote Trypanosomen sind die einzigen Morphen von Trypanosomatiden, die den Blutkreislauf von Wirbeltieren bzw. des Menschen infizieren. Sie liegen dabei im Blut - wie im Arthropodenkörper - extrazellulär vor.

3.1 Leishmanien (metazyklische Promastigoten)

Die Leishmanien nehmen die beiden Formen amastigot und promastigot an. Während des Entwicklungsprozesses in der Sandmücke verwandeln sich die durch eine Blutmahlzahl bei einem Wirbeltier aufgesaugten amastigoten Leishmanien in Promastigoten, wobei während des Entwicklungsprozesses in der Sandmücke die folgenden Subformen durchlaufen werden: prozyklischer, nectomonader, leptomonader, haptomonader und metazyklischer Promastigot. Nur der metazyklische Promastigot ist beim nächsten Sandmückenstich bei einem Wirbeltier infektiös - zum Beispiel dem Menschen bei einem Stich mit einer durch Leishmania donovani infizierten Sandmücke der Spezies Phlebotomus argentipes.

Beim nächsten Stich der Sandmücke phagozytieren an den aufgesägten Pool von Blut und Lymphe angelockte Makrophagen die im Speichel und im PSG (promastigote secretory gel) der Sandmücke vorhandenen infektiösen metazyklischen Promastigoten. In den Makrophagen wandeln sich dann die Promastigoten wieder in Amastigoten um, die sich vermehren, die Zellen sprengen und dann wieder neue Makrophagen für ihre jetzt intrazelluläre Lebensweise befallen.[1]

3.2 Trypanosoma brucei (metazyklische Trypomastigoten)

Werden beim Stich eines infizierten Wirbeltiers oder Menschen von der Tsetse-Fliege die kurzen gedrungenen Subformen (englisch: short stumpy) der trypomastigoten Trypanosomen der Subspecies Trypanosoma brucei gambiense oder rhodesiense aufgenommen, treten die aufgesaugten Parasiten einen langen Marsch durch die Fliege an, der sie zweimal zum hinteren Teil des Insekts und wieder zurück führt (siehe [2] - Illustration b in Box 1). Der erste Weg führt sie mit der Blutmahlzeit zum Mitteldarm, wo sie zu prozyklischen Trypomastigoten differenzieren, unter denen ein Replikations­prozess einsetzt. Anschließend bewegen sie sich im Mitteldarm innerhalb der peritrophischen Hülle nach vorn, durchbrechen die Hülle und gelangen in den Proventriculus. Dort verwandeln sie sich in eine lange und eine kurze Form von Epimastigoten, die sich weiter bis zu den Mundwerkzeugen vorarbeiten. Die kurze Form wandert dann durch die Speichelgänge zu den im hinteren Körperteil der Fliege gelegenen Speicheldrüsen, wo sie sich am Speichel­drüsen­epithel anheften. Dort replizieren sie sich und wandeln sich in metazyklische Trypomastigoten um. Diese können sich vom Epithel losgelöst in Speicheldrüse und Speichelgängen frei bewegen und wandern erneut bis zu den Mundwerkzeugen nach vorn. Nur ausgewachsene metazyklische Trypomastigoten können bei nächsten Stich der Fliege ein geeignetes Wirbeltier infizieren.

Im Wirbeltier differenzieren die metazyklischen zu langen schlanken (englisch: long slender) Trypomastigoten, die sich replizieren und extrazellulär im Blutkreislauf zirkulieren. Schließlich befallen sie das Endothel der Blutgefäße und dringen ins extravaskuläre Gewebe einschließlich des zentralen Nervensystems ein. Ab einer bestimmten Trypomastigoten-Dichte im Blut wandelt sich mittels Quorum-sensing-Fähigkeiten ein bestimmter Teil der langen schlanken Trypomastigoten in kurze gedrungene um, die sich nicht weiter vermehren und in hautnahen Blutgefäßen auf den Stich einer Tsetse-Fliege warten. (Siehe [2], insbesondere Box 1.)

3.3 Trypanosoma cruzi (metazyklische Trypomastigoten)

Vektoren für Trypanosoma cruzi sind verschiedene Spezies der Unterfamilie Triatominae der Familie der Raubwanzen (Reduviidae), vor allem die Spezies Triatoma infestans und Rhodnius prolixus. Beim Stich eines infizierten Wirbeltiers (insbesondere auch des Menschen) werden mit einer Blutmahlzeit die im Blut des Wirbeltieres zirkulierenden Trypomastigoten der Spezies Trypanosoma cruzi aufgesaugt und in den Mitteldarm des Insekts weitertransportiert. Dort verwandeln sie sich in Epimastigoten, bei denen ein Replikationsprozess eingeleitet wird. Die Epimastigoten wandern nach mehreren Replikationen in den Enddarm und differenzieren dort zu metazyklischen Trypomastigoten. Diese werden mit dem Kot ausgeschieden.

Die Stiche der Raubwanzen erfolgen schmerzfrei in der Nacht, oft in der Nähe von Mund oder Augen. Weiter koten die Raubwanzen häufig nach einer Blutmahlzeit. Insbesondere durch nachträgliches Einkratzen des Kots in die Stichwunde oder anderweitiges Übertragen des Kots auf Schleimhäute, insbesondere auf die Bindehaut der Augen, werden die Parasiten in den Körper des Menschen (bzw. des Wirbeltiers) eingeschleust. Die metazyklischen Trypomastigoten befallen die Zellen verschiedener Gewebe, zunächst in der Umgebung der Einstich- oder der Kontaminierungsstelle, und wandeln sich in diesen Zellen in Amastigoten um, bei denen eine mehrfache Replikation einsetzt. Ebenfalls miteingeschleuste Epimastigoten werden durch die Immunabwehr des Wirbeltier-Körpers vernichtet. Diese Replikation endet nach ungefähr 4 Tagen, danach wandeln sich die Amastigoten wieder in Trypomastigoten um, die nach dem Bersten der Zelle extrazellulär in den Blutkreislauf eingeschleust werden und danach andere Zellen (vor allem von Muskeln, Milz, Leber und Lymphknoten) befallen, in denen sie wieder zu Amastigoten mutieren, bei denen der Prozess von neuem beginnt.[3][4]

4 Anmerkungen zur Definition

Die anfangs erfolgte Definition von "metazyklisch" entspricht ungefähr der, wie sie in verschiedenen biologischen Lexika auffindbar ist. In der Praxis wird der Begriff "metazyklisch" jedoch ausschließlich auf Leishmanien und Trypanosomen angewandt. Metazyklische Leishmania-Promastigoten und metazyklische Trypanosoma-Trypomastigoten weisen folgende Eigenschaften auf.[5]

  • Die metazyklische morphologische Subform ist in jeder Spezies die einzige Form, die den Übergang vom evolutionär ursprünglichen Arthropodenwirt zum später erschlossenen grundsätzlich verschiedenartigen, genetisch weit entfernten Wirt (bei Leishmanien und Trypanosomen: Wirbeltier-Wirt) gewährleisten kann.
  • Zur Ermöglichung des Übergangs exprimiert die allein infektiöse metazyklische Subform speziesabhängig spezielle Varianten von Glycoproteinen oder Glycolipiden auf der Zellmembran.
  • Die metazyklische Subform kann sich nicht replizieren. Z.B. ist auch keine in vitro-Replikation metazyklischer Leishmanien oder Trypanosomen möglich. Möchte man metazyklische Leishmanien oder Trypanosomen in vitro erzeugen, ist eine nachträgliche Metazyklogenese einer replizierten anderen Subform erforderlich.[5]

Würde man den Begriff "metazyklisch" für andere Trypanosomatiden heranziehen, so sollte man voraussetzen, dass ungefähr die gleichen Eigenschaften oder zumindest ein Teil davon erfüllt sind. Obwohl verschiedene Autoren für die für Pflanzen infektiöse Gattung Phytomonas den Begriff "metazyklisch" verwendet haben, so hat sich diese Bezeichnung letztendlich nicht durchgesetzt. Keine der 3 genannten Eigenschaften sind für Phytomonas tatsächlich belegt. Insbesondere kann man Pflanzen mit im Labor replizierten Vertretern von Spezies der Gattung Phytomonas unmittelbar infizieren.[5]

Dies schließt nicht aus, dass im Rahmen zukünftiger Forschung andere Trypanosomatida-Gattungen aufgefunden werden, für die der Begriff "metazyklisch" analog zu Eigenschaften bei Leishmanien und Trypanosomen angewendet werden kann.

5 Quellen

  1. DocCheck FlexiEssay Entwicklung von Leishmanien in der Sandmücke
  2. 2,0 2,1 Langousis/Hill Motility and more: the flagellum of Trypanosoma brucei Nat Rev Microbiol. Author manuscript; available in PMC 2014 Dec 29. Published in final edited form as: Nat Rev Microbiol. 2014 Jul; 12(7): 505–518.
  3. CDC American Trypanosomiasis abgerufen am 19.8.2018
  4. Mark F. Wiser American Trypanosomiasis abgerufen am 19.8.2018
  5. 5,0 5,1 5,2 Jaskowska et al. Phytomonas: Trypanosomatids Adapted to Plant Environments PLoS Pathog 11(5): e1004927, May 2015

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