Ökologie, Diversität und Pathogenität von Vibrio cholerae

Vibrio cholerae ist sowohl humanpathogen als auch ein natürliches Mitglied der Bakterienflora in Gewässern. Von mehr als 200 Serogruppen, sind nur die Serogruppen O1 und O139 mit Choleraepidemien assoziiert. In entwickelten Ländern sind nonO1/nonO139 Stämme für Durchfälle sowie diverse Entzündungen (Wunden, Ohren, Blut) verantwortlich. In den letzten Jahren wurden in Österreich 13 Fälle von V.cholerae nonO1/nonO139 Infektionen dokumentiert. Fünf Fälle (1 Fall davon mit tödlicher Sepsis) konnten eindeutig auf Badeaktivitäten im Neusiedler See zurückgeführt werden. Ähnliche Fälle wurden des öfteren auch in Schweden, Polen, Deutschland und Holland berichtet. Choleraepidemien hingegen sind heute hauptsächlich auf Entwicklungsländer in Afrika, Asien und Südamerika beschränkt, aber auch einige Länder in Europa waren in den 1990er Jahren von Cholera betroffen. Reisetätigkeit und Temperaturanstieg aufgrund der Klimaerwärmung erhöht die Wahrscheinlichkeit der Etablierung pathogener V.cholerae O1/O139 Stämme in Gewässern gemäßigter Breiten. Außerdem können Virulenzgene auf nonO1/nonO139 Stämme übertragen werden und einen gutartigen in einen pathogenen Stamm verwandeln. Als Basis für eine Risikoabschätzung ist es deshalb entscheidend, die Ökologie endemischer V.cholerae Stämme und das Etablierungspotenzial fremder O1/O139 Stämme in Gewässern entwickelter Länder zu verstehen. In vielen Untersuchungen wurde versucht, die potenziellen Nischen von V.cholerae in Gewässern zu beleuchten, dennoch ist dessen Ökologie immer noch zu wenig erfasst. V.cholerae lebt in Assoziation mit Zoo- und Phytoplankton, wo es polymere Substanzen abbaut, kann sich aber auch im Wasser freilebend rasch vermehren, sodass die Existenz von zumindest 2 Hauptlebensstrategien angenommen werden kann. Dies hat entscheidende Konsequenzen für die Mechanismen, die Populationsgröße und Wachstum kontrollieren. Das Verstehen der wichtigsten biotischen und abiotischen Einflüsse auf V.cholerae ist somit Grundvoraussetzung für die Prognose der Verbreitung dieses Krankheitserregers in Gewässern. In Ostösterreich gibt es etwa 40 alkalische Seen, darunter der Neusiedler See. Diese weisen steile abiotische und biotische Gradienten auf und sind deshalb ideale Ökosysteme, um ökologische Hypothesen zu testen. V. cholerae wurde in diesen Seen seit 2001 regelmäßig detektiert. Um die Ökologie von V. cholerae in diesen Seen zu untersuchen, sollen im geplanten Projekt 2 Strategien verfolgt werden. Erstens, soll die in situ Abundanz von V. cholerae über 17 Monate entlang der ökologischen Gradienten bestimmt und die Zusammenhänge statistisch erfasst werden. Zweitens soll der Einfluss ausgewählter Faktoren auf die endemischen V. cholerae Stämme in speziellen Labor-versuchen getestet werden. In ähnlichen Experimenten soll das Etablierungspotenzial von O1/O139 Stämmen in den Gewässern bestimmt werden, um eine Risikoabschätzung des Einwanderns pathogener Stämme in Österreich zu ermöglichen. Zusätzlich sollen die genetische Diversität und die Pathogenität der endemischen Stämme bestimmt werden, um Abhängigkeiten verschiedener V. cholerae Klone von variierenden Umweltbedingungen zu detektieren und um festzustellen, ob die gefundenen Umwelt- bzw. mit Vögeln eingeschleppte Stämme mit klinischen Stämmen von Patienten übereinstimmen. Das Projekt wird das Wissen über das Bedrohungspotenzial von V. cholerae für die menschliche Gesundheit signifikant erhöhen, und zwar nicht nur auf regionaler sondern auch auf globaler Ebene, da es generelle Prinzipien der Ökologie von V. cholerae sowie die Gefährlichkeit des Imports von Cholera-toxigenen Stämmen in entwickelte Länder und das Etablierungspotenzial in alkalinen Binnengewässern aufklären wird.

Aufgrund des Klimawandels stellen wiederauftauchende wasserübertragene Krankheitserreger wie Vibrio cholerae ein zunehmendes Public-Health Problem in Ländern gemäßigter Breiten dar. Seit Beginn dieses Jahrhunderts wurde eine deutliche Zunahme von Vibrio Infektionen bei Freizeitgästen von europäischen marinen und salinen Binnengewässern festgestellt. Für die Bestimmung des Gesundheitsrisikos ist es daher von entscheidender Bedeutung geeignete Werkzeuge und Strategien zu entwickeln, um die Anzahl, Verteilung und das Umweltverhalten von wasserübertragenen Krankheitserregern wie V.cholerae zu bestimmen. Der Neusiedler See und die Salzlacken des Seewinkels stellen dafür ideale Modellökosysteme dar, da sie eigene V.cholerae Populationen beherbergen und Hotspots des Imports von vogelübertragenen Mikroorganismen sind. Im vorliegenden Projekt wurden zwei neue kultivierungsunabhängige Methoden entwickelt, als Werkzeuge zur Bestimmung von V.cholerae Konzentrationen. Damit, sowie durch die Erfassung eines umfangreichen Datensatzes von Umweltparametern war es möglich, die Hauptlebensräume von V.cholerae zu bestimmen sowie die wichtigsten Vorhersageparameter. Wir konnten zeigen, dass für jeden Ökosystemtyp ein spezifisches Set von Umweltparametern für die Schwankungen der V.cholerae Konzentrationen verantwortlich ist. So existiert eine sehr spezifische Beziehung von V.cholerae mit den dominanten Krebstierchenarten. Diese Krebstierchen sind nur während einer kurzen Zeit im Sommer der Hauptlebensraum für V.cholerae. Während des Großteils des Jahres wurden V.cholerae überwiegend freilebend im Wasser gefunden, so auch im Winter, zu einer Zeit als die nicht kultiviert werden konnten, jedoch fähig waren Ohrinfektionen auszulösen. Die V.cholerae Populationen im See wiesen eine extrem hohe genetische Diversität auf, die im Schilfgürtel am höchsten war und im offenen See am geringsten. Erstaunlicherweise zeigten einige Isolate aus anderen europäischen Ländern (FRA, NED, ROM; SWE) dieselben genetischen Muster wie die Seeisolate. Diese Beobachtung weist auf einen regen inter- und interkontinentalen Transport von V.cholerae Stämmen hin, höchstwahrscheinlich durch Vögel. Tatsächlich gelang es, aus frischem Zugvogelkot V.cholerae Stämme zu isolieren, einschließlich eines Stammes der Serogruppe O1, der sich als nicht choleratoxigen herausstellte. Im Unterschied dazu wurde kein einziger V.cholerae der Serogruppen O1 bzw. O139 aus Wasser, Sediment oder Zooplankton isoliert (n > 3000). Wie Laborexperimente zeigten, konnte sich der Pandemien auslösende V.cholerae O1 ElTor auch unter optimalen Bedingungen im Seewasser nicht vermehren. Das Überleben und das Invasionspotenzial importierter V.cholerae dürften demnach sehr stammspezifisch sein, was für zukünftige Gefährdungsszenarien berücksichtigt werden sollte. Mit den entwickelten methodischen Werkzeugen und der gesamtheitlichen Strategie kann diese Studie als grundlegendes Modell dienen, pathogene Vibrios und andere wasserübertragene gesundheitsrelevante Bakterien in Gewässern zu untersuchen.