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12.4: Wie sich Krankheiten ausbreiten - Biologie

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Lernziele

  • Beschreiben Sie die verschiedenen Arten von Krankheitsreservoiren
  • Vergleichen Sie Kontakt-, Vektor- und Fahrzeugübertragungsmodi
  • Identifizieren Sie wichtige Krankheitsüberträger
  • Vergleichen Sie verschiedene Arten von Infektionskrankheiten, einschließlich iatrogener, nosokomialer und zoonotischer Krankheiten
  • Erklären Sie die Prävalenz nosokomialer Infektionen

Um Infektionskrankheiten vorzubeugen, ist es wichtig zu verstehen, wie sich infektiöse Krankheitserreger ausbreiten. Viele Krankheitserreger benötigen einen lebenden Wirt, um zu überleben, während andere außerhalb eines lebenden Wirts in einem ruhenden Zustand überleben können. Wenn jedoch ein Wirt infiziert ist, müssen alle Krankheitserreger auch einen Übertragungsmechanismus von einem Wirt auf einen anderen haben, sonst sterben sie, wenn ihr Wirt stirbt. Krankheitserreger haben oft ausgeklügelte Anpassungen, um die Biologie, das Verhalten und die Ökologie des Wirts zu nutzen, um in Wirten zu leben und sich zwischen ihnen zu bewegen. Wirte haben Abwehrmechanismen gegen Krankheitserreger entwickelt, aber da ihre Evolutionsrate typischerweise langsamer ist als die ihrer Krankheitserreger (weil ihre Generationszeiten länger sind), sind Wirte normalerweise evolutionär benachteiligt. In diesem Abschnitt wird untersucht, wo Krankheitserreger überleben – sowohl innerhalb als auch außerhalb von Wirten – und einige der vielen Möglichkeiten, wie sie von einem Wirt zum anderen gelangen.

Reservoirs und Träger

Damit Krankheitserreger über lange Zeiträume persistieren können, benötigen sie Reservoire, in denen sie sich normalerweise aufhalten. Reservoirs können lebende Organismen oder nicht lebende Orte sein. Unbelebte Reservoirs können Boden und Wasser in der Umwelt enthalten. Diese können den Organismus natürlich beherbergen, weil er in dieser Umgebung wachsen kann. Diese Umgebungen können auch mit Krankheitserregern im menschlichen Kot, Krankheitserregern, die von Zwischenwirten ausgeschieden werden, oder Krankheitserregern, die in den Überresten von Zwischenwirten enthalten sind, kontaminiert werden.

Krankheitserreger können über Ruhe- oder Widerstandsmechanismen verfügen, die es ihnen ermöglichen, für unterschiedliche Zeiträume in unbelebten Umgebungen zu überleben (aber sich normalerweise nicht zu vermehren). Zum Beispiel, Clostridium tetani überlebt im Boden und in Gegenwart von Sauerstoff als resistenter Endospor. Obwohl viele Viren bei Kontakt mit Luft, Wasser oder anderen unphysiologischen Bedingungen schnell zerstört werden, können bestimmte Typen für unterschiedliche Zeiträume außerhalb einer lebenden Zelle bestehen bleiben. So zeigte beispielsweise eine Studie, die die Fähigkeit von Influenzaviren untersuchte, eine Zellkultur nach unterschiedlich langer Zeit auf einer Banknote zu infizieren, Überlebenszeiten von 48 Stunden bis zu 17 Tagen, je nachdem, wie sie auf der Banknote hinterlegt wurden.1 Auf der anderen Seite sind Rhinoviren, die Erkältung verursachen, etwas zerbrechlich und überleben normalerweise weniger als einen Tag außerhalb von physiologischen Flüssigkeiten.

Ein Mensch, der als Erregerreservoir fungiert, kann je nach Infektionsstadium und Erreger in der Lage sein, den Erreger zu übertragen oder nicht. Um die Ausbreitung von Krankheiten unter Schulkindern zu verhindern, hat die CDC Richtlinien entwickelt, die auf dem Übertragungsrisiko im Verlauf der Krankheit basieren. Zum Beispiel gelten Kinder mit Windpocken ab Beginn des Ausschlags fünf Tage lang als ansteckend, während Kinder mit den meisten Magen-Darm-Erkrankungen nach dem Verschwinden der Symptome 24 Stunden zu Hause bleiben sollten.

Als Träger wird eine Person bezeichnet, die in der Lage ist, einen Krankheitserreger zu übertragen, ohne Symptome zu zeigen. Ein passiver Träger ist mit dem Erreger kontaminiert und kann ihn mechanisch auf einen anderen Wirt übertragen; ein passiver Träger ist jedoch nicht infiziert. Beispielsweise könnte ein Arzt, der sich nicht die Hände wäscht, nachdem er einen Patienten mit einem Infektionserreger gesehen hat, zu einem passiven Überträger werden und den Erreger auf einen anderen infizierten Patienten übertragen.

Im Gegensatz dazu ist ein aktiver Träger eine infizierte Person, die die Krankheit auf andere übertragen kann. Ein aktiver Träger kann Anzeichen oder Symptome einer Infektion aufweisen oder nicht. Beispielsweise können aktive Träger die Krankheit während der Inkubationszeit (bevor sie Anzeichen und Symptome zeigen) oder während der Rekonvaleszenz (nach Abklingen der Symptome) übertragen. Aktive Träger, die trotz Infektion keine Anzeichen oder Symptome einer Krankheit aufweisen, werden als asymptomatische Träger bezeichnet. Krankheitserreger wie Hepatitis-B-Virus, Herpes-Simplex-Virus und HIV werden häufig von asymptomatischen Trägern übertragen. Mary Mallon, besser bekannt als Typhus Mary, ist ein berühmtes historisches Beispiel für einen asymptomatischen Träger. Mallon, ein irischer Einwanderer, arbeitete zwischen 1900 und 1915 als Koch für Haushalte in und um New York City. In jedem Haushalt entwickelten die Bewohner Typhus (verursacht durch Salmonellen typhi) ein paar Wochen nachdem Mallon angefangen hatte zu arbeiten. Spätere Untersuchungen ergaben, dass Mallon für mindestens 122 Fälle von Typhus verantwortlich war, von denen fünf tödlich verliefen.2 Weitere Informationen zum Fall Mallon finden Sie unter Eye on Ethics: Typhus Mary.

Ein Krankheitserreger kann mehr als ein lebendes Reservoir haben. Bei Zoonosen fungieren Tiere als Reservoir für menschliche Krankheiten und übertragen den Infektionserreger durch direkten oder indirekten Kontakt auf den Menschen. In einigen Fällen betrifft die Krankheit auch das Tier, in anderen Fällen ist das Tier jedoch asymptomatisch.

Bei parasitären Infektionen wird der bevorzugte Wirt des Parasiten als Endwirt bezeichnet. Bei Parasiten mit komplexen Lebenszyklen ist der Endwirt der Wirt, in dem der Parasit die Geschlechtsreife erreicht. Einige Parasiten können auch einen oder mehrere Zwischenwirte infizieren, in denen der Parasit mehrere unreife Lebenszyklusstadien durchläuft oder sich ungeschlechtlich fortpflanzt.

George Soper, der Sanitäringenieur, der den Typhus-Ausbruch auf Mary Mallon zurückführte, berichtet in „The Curious Career of Typhoid Mary“ über seine Untersuchung, ein Beispiel für deskriptive Epidemiologie.

Übung (PageIndex{1})

  1. Nennen Sie einige nicht lebende Reservoire für Krankheitserreger.
  2. Erklären Sie den Unterschied zwischen einem passiven Träger und einem aktiven Träger.

Übertragung

Unabhängig vom Reservoir muss eine Übertragung erfolgen, damit sich eine Infektion ausbreiten kann. Zunächst muss die Übertragung vom Reservoir zum Individuum erfolgen. Dann muss die Person den Infektionserreger entweder direkt oder indirekt an andere anfällige Personen weitergeben. Pathogene Mikroorganismen nutzen verschiedene Übertragungsmechanismen.

Kontaktübertragung

Die Kontaktübertragung umfasst direkten Kontakt oder indirekten Kontakt. Die Übertragung von Mensch zu Mensch ist eine Form der direkten Kontaktübertragung. Hier wird der Erreger durch Körperkontakt zwischen zwei Personen (Abbildung (PageIndex{1})) durch Handlungen wie Berühren, Küssen, Geschlechtsverkehr oder Tröpfchenspray übertragen. Direkter Kontakt kann als vertikale, horizontale oder Tröpfchenübertragung kategorisiert werden. Vertikale Direktkontaktübertragung tritt auf, wenn Krankheitserreger während der Schwangerschaft, Geburt oder Stillzeit von der Mutter auf das Kind übertragen werden. Andere Arten der Direktkontaktübertragung werden als horizontale Direktkontaktübertragung bezeichnet. Oftmals ist für den Eintritt des Erregers in den neuen Wirt ein Schleimhautkontakt erforderlich, obwohl ein Haut-zu-Haut-Kontakt zu einem Schleimhautkontakt führen kann, wenn der neue Wirt anschließend eine Schleimhaut berührt. Die Kontaktübertragung kann auch standortspezifisch sein; zum Beispiel können einige Krankheiten durch sexuellen Kontakt übertragen werden, aber nicht durch andere Kontaktformen.

Wenn eine Person hustet oder niest, werden kleine Schleimtröpfchen, die Krankheitserreger enthalten können, ausgestoßen. Dies führt zu einer direkten Tröpfchenübertragung, d. h. Tröpfchenübertragung eines Krankheitserregers auf einen neuen Wirt über Entfernungen von einem Meter oder weniger. Durch Tröpfcheninfektion werden eine Vielzahl von Krankheiten übertragen, darunter Influenza und viele Formen der Lungenentzündung. Die Übertragung über Entfernungen von mehr als einem Meter wird als Flugübertragung bezeichnet.

Bei der indirekten Kontaktübertragung handelt es sich um unbelebte Objekte, die sogenannten fomites, die durch Krankheitserreger eines infizierten Individuums oder Reservoirs kontaminiert werden (Abbildung (PageIndex{2})). Zum Beispiel kann eine Person mit einer Erkältung niesen, wodurch Tröpfchen auf einem Gegenstand wie einer Tischdecke oder einem Teppich landen, oder die Person kann sich die Nase wischen und dann Schleim auf einen Gegenstand wie einen Türknauf oder ein Handtuch übertragen. Die Übertragung erfolgt indirekt, wenn ein neuer anfälliger Wirt später den Erreger berührt und das kontaminierte Material an eine anfällige Eintrittspforte überträgt. Fomites können auch Gegenstände umfassen, die in klinischen Umgebungen verwendet werden und nicht ordnungsgemäß sterilisiert sind, wie z. B. Spritzen, Nadeln, Katheter und chirurgische Ausrüstung. Indirekt über solche Erreger übertragene Krankheitserreger sind eine der Hauptursachen für therapieassoziierte Infektionen.

Klinischer Fokus: Auflösung

Aufgrund von Michaels gemeldeten Symptomen von Nackensteifigkeit und Hemiparese vermutet der Arzt, dass sich die Infektion auf sein Nervensystem ausgebreitet haben könnte. Der Arzt beschließt, eine Spinalpunktion anzuordnen, um nach Bakterien zu suchen, die möglicherweise in die Hirnhaut und den Liquor (CSF) eingedrungen sind, der normalerweise steril wäre. Um die Spinalpunktion durchzuführen, wird Michaels unterer Rücken mit einem Jod-Antiseptikum abgetupft und dann mit einem sterilen Tuch abgedeckt. Die Nadel wird mit den behandschuhten Händen des Arztes aseptisch aus der versiegelten Kunststoffverpackung des Herstellers entfernt. Die Nadel wird eingeführt und ein kleines Flüssigkeitsvolumen wird in ein angeschlossenes Probenröhrchen gezogen. Das Röhrchen wird entfernt, verschlossen und ein vorbereitetes Etikett mit Michaels Daten wird darauf geklebt. Diese STAT-Probe (dringende oder sofortige Analyse erforderlich) wird in drei separate sterile Röhrchen mit jeweils 1 ml Liquor aufgeteilt. Diese Röhrchen werden sofort ins Labor des Krankenhauses gebracht, wo sie in den Abteilungen Klinische Chemie, Hämatologie und Mikrobiologie analysiert werden. Die vorläufigen Ergebnisse aller drei Abteilungen deuten auf eine cerebrospinale Infektion hin, wobei die mikrobiologische Abteilung das Vorhandensein eines grampositiven Stäbchens in Michaels Liquor meldet.

Diese Ergebnisse bestätigen, was sein Arzt vermutet hatte: Michaels neue Symptome sind die Folge einer Meningitis, einer akuten Entzündung der Membranen, die das Gehirn und das Rückenmark schützen. Da eine Meningitis lebensbedrohlich sein kann und die erste Antibiotikatherapie die Ausbreitung der Infektion nicht verhindern konnte, wird Michael eine aggressive Behandlung mit zwei Antibiotika, Ampicillin und Gentamicin, verschrieben, die intravenös verabreicht werden. Michael bleibt mehrere Tage im Krankenhaus zur unterstützenden Versorgung und zur Beobachtung. Nach einer Woche darf er für Bettruhe und orale Antibiotika nach Hause zurückkehren. Nach 3 Wochen dieser Behandlung erholt er sich vollständig.

Fahrzeugübertragung

Der Begriff Fahrzeugübertragung bezieht sich auf die Übertragung von Krankheitserregern durch Fahrzeuge wie Wasser, Nahrung und Luft. Die Kontamination des Wassers durch schlechte Hygienemethoden führt zur Übertragung von Krankheiten über das Wasser. Durch Wasser übertragene Krankheiten bleiben in vielen Regionen der Welt ein ernstes Problem. Die Weltgesundheitsorganisation (WHO) schätzt, dass verunreinigtes Trinkwasser jedes Jahr für mehr als 500.000 Todesfälle verantwortlich ist.3 Ebenso können durch unsachgemäße Handhabung oder Lagerung kontaminierte Lebensmittel zu einer lebensmittelbedingten Krankheitsübertragung führen (Abbildung (PageIndex{3})).

Staub und feine Partikel, sogenannte Aerosole, die in der Luft schweben können, können Krankheitserreger transportieren und die Übertragung von Krankheiten durch die Luft erleichtern. Staubpartikel sind beispielsweise der dominierende Übertragungsweg des Hantavirus auf den Menschen. Hantavirus wird in Mäusekot, Urin und Speichel gefunden, aber wenn diese Substanzen trocknen, können sie in feine Partikel zerfallen, die bei Störungen in die Luft gelangen können; Das Einatmen dieser Partikel kann zu einer schweren und manchmal tödlichen Atemwegsinfektion führen.

Obwohl die Tröpfchenübertragung über kurze Distanzen wie oben diskutiert als Kontaktübertragung angesehen wird, wird die Übertragung von Tröpfchen durch die Luft über längere Distanzen als Fahrzeugübertragung betrachtet. Im Gegensatz zu größeren Partikeln, die schnell aus der Luftsäule fallen, können feine Schleimtröpfchen, die beim Husten oder Niesen entstehen, über längere Zeit in der Schwebe bleiben und beträchtliche Entfernungen zurücklegen. Unter bestimmten Bedingungen trocknen Tröpfchen schnell aus, um einen Tröpfchenkern zu bilden, der Krankheitserreger übertragen kann; Lufttemperatur und Luftfeuchtigkeit können einen Einfluss auf die Wirksamkeit der luftgetragenen Übertragung haben.

Tuberkulose wird oft über die Luft übertragen, wenn der Erreger, Mycobacterium tuberculosis, wird beim Husten in kleinen Partikeln freigesetzt. Da Tuberkulose bereits 10 Mikroben benötigt, um eine neue Infektion auszulösen, müssen Patienten mit Tuberkulose in Räumen mit spezieller Belüftung behandelt werden, und jeder, der den Raum betritt, sollte eine Maske tragen.

Vektorübertragung

Krankheiten können auch durch einen mechanischen oder biologischen Vektor übertragen werden, ein Tier (typischerweise ein Arthropode), das die Krankheit von einem Wirt auf einen anderen überträgt. Die mechanische Übertragung wird durch einen mechanischen Vektor erleichtert, ein Tier, das einen Krankheitserreger von einem Wirt zum anderen trägt, ohne selbst infiziert zu werden. Zum Beispiel kann eine Fliege auf Fäkalien landen und später Bakterien aus dem Kot auf die Nahrung übertragen, auf der sie landet; ein Mensch, der das Essen isst, kann sich dann mit den Bakterien infizieren, was zu Durchfall oder Ruhr führt (Abbildung (PageIndex{4})).

Eine biologische Übertragung findet statt, wenn sich der Erreger innerhalb eines biologischen Vektors vermehrt, der den Erreger von einem Wirt auf einen anderen überträgt (Abbildung (PageIndex{4})). Arthropoden sind die Hauptvektoren, die für die biologische Übertragung verantwortlich sind (Abbildung (PageIndex{5})). Die meisten Arthropoden-Vektoren übertragen den Erreger, indem sie den Wirt beißen, wodurch eine Wunde entsteht, die als Eintrittspforte dient. Der Erreger kann einen Teil seines Fortpflanzungszyklus im Darm oder in den Speicheldrüsen des Arthropoden durchlaufen, um seine Übertragung durch den Biss zu erleichtern. Zum Beispiel übertragen Hemipteren (genannt "Kissing Bugs" oder "Assassin Bugs") die Chagas-Krankheit auf den Menschen, indem sie beim Biss Kot absetzen. Danach kratzt oder reibt der Mensch den infizierten Kot in eine Schleimhaut oder bricht die Haut.

Biologische Insektenvektoren umfassen Mücken, die Malaria und andere Krankheiten übertragen, und Läuse, die Typhus übertragen. Andere Arthropoden-Vektoren können Spinnentiere umfassen, hauptsächlich Zecken, die Borreliose und andere Krankheiten übertragen, und Milben, die Gestrüpptyphus und Rickettsienpocken übertragen. Die biologische Übertragung verkompliziert die Biologie des Erregers und seine Übertragung, da sie das Überleben und die Fortpflanzung innerhalb eines parasitierten Vektors beinhaltet. Es gibt auch wichtige Krankheitsüberträger, die nicht zu Arthropoden gehören, darunter Säugetiere und Vögel. Verschiedene Säugetierarten können Tollwut auf den Menschen übertragen, meist durch einen Biss, der das Tollwutvirus überträgt. Hühner und anderes Hausgeflügel können die Vogelgrippe durch direkten oder indirekten Kontakt mit dem Vogelgrippevirus A, das im Speichel, Schleim und Kot der Vögel ausgeschieden wird, auf den Menschen übertragen.

Übung (PageIndex{2})

  1. Beschreiben Sie, wie Krankheiten über die Luft übertragen werden können.
  2. Erklären Sie den Unterschied zwischen einem mechanischen und einem biologischen Vektor.

Verwendung von GVO, um die Ausbreitung von Zika . zu stoppen

Im Jahr 2016 wurde eine Epidemie des Zika-Virus mit einer hohen Inzidenz von Geburtsfehlern in Südamerika und Mittelamerika in Verbindung gebracht. Als der Winter auf der nördlichen Hemisphäre zum Frühling wurde, sagten die Gesundheitsbehörden korrekt voraus, dass sich das Virus auf Nordamerika ausbreiten würde, was mit der Brutzeit seines Hauptvektors, der Aedes aegypti Moskito.

Die Reichweite der A. aegypti Mücke reicht bis weit in den Süden der Vereinigten Staaten (Abbildung (PageIndex{6})). Da dieselben Mücken als Vektoren für andere problematische Krankheiten (Dengue-Fieber, Gelbfieber und andere) dienen, wurden verschiedene Methoden zur Bekämpfung von Mücken als Lösungen vorgeschlagen. Chemische Pestizide wurden in der Vergangenheit effektiv eingesetzt und werden wahrscheinlich wieder verwendet werden; Da chemische Pestizide jedoch negative Auswirkungen auf die Umwelt haben können, haben einige Wissenschaftler eine Alternative vorgeschlagen, die Gentechnik beinhaltet A. aegypti damit es sich nicht reproduzieren kann. Diese Methode war jedoch Gegenstand einiger Kontroversen.

Eine Methode, die in der Vergangenheit funktioniert hat, um Schädlinge zu bekämpfen, mit wenig offensichtlichen Nachteilen, war die Einführung von sterilen Männchen. Diese Methode bekämpfte den Schraubenwurmfliegenschädling im Südwesten der Vereinigten Staaten und Fruchtfliegenschädlinge von Obstkulturen. Bei dieser Methode werden Männchen der Zielart im Labor aufgezogen, mit Strahlung sterilisiert und in die Umwelt entlassen, wo sie sich mit wilden Weibchen paaren, die anschließend keine lebenden Nachkommen gebären. Wiederholte Freisetzungen verkleinern die Schädlingspopulation.

Eine ähnliche Methode, die die rekombinante DNA-Technologie nutzt,4 führt ein dominantes letales Allel in männliche Mücken ein, das in Gegenwart von Tetracyclin (einem Antibiotikum) während der Laboraufzucht unterdrückt wird. Die Männchen werden in die Umwelt entlassen und paaren sich mit weiblichen Mücken. Anders als bei der sterilen männlichen Methode produzieren diese Paarungen Nachkommen, aber sie sterben als Larven an dem tödlichen Gen in Abwesenheit von Tetracyclin in der Umgebung. Ab 2016 muss diese Methode in den Vereinigten Staaten noch implementiert werden, aber ein britisches Unternehmen hat die Methode in Piracicaba, Brasilien, getestet und eine 82-prozentige Reduzierung der Wildbestände festgestellt A. aegypti Larven und eine 91%ige Verringerung der Dengue-Fälle im behandelten Bereich.5 Im August 2016, inmitten von Nachrichten über Zika-Infektionen in mehreren Gemeinden in Florida, erteilte die FDA dem britischen Unternehmen die Erlaubnis, dieselbe Methode zur Bekämpfung von Mücken in Key West, Florida, zu testen, bis die lokalen und staatlichen Vorschriften und ein Referendum in den betroffenen Gemeinden eingehalten werden.

Der Einsatz gentechnisch veränderter Organismen (GVO) zur Bekämpfung eines Krankheitsüberträgers hat seine Befürworter und Gegner. Theoretisch könnte das System verwendet werden, um die A. aegypti Moskitos ausgestorben – ein hehres Ziel für einige, angesichts des Schadens, den sie der menschlichen Bevölkerung zufügen.6 Gegner der Idee befürchten jedoch, dass das Gen der Artengrenze von entkommen könnte A. aegypti und Probleme bei anderen Arten verursachen, was zu unvorhergesehenen ökologischen Folgen führt. Gegner sind auch misstrauisch gegenüber dem Programm, weil es von einem gewinnorientierten Unternehmen verwaltet wird, was das Potenzial für Interessenkonflikte schafft, die streng reguliert werden müssten; und es ist nicht klar, wie unbeabsichtigte Folgen des Programms rückgängig gemacht werden könnten.

Es gibt auch andere epidemiologische Überlegungen. Aedes aegypti ist offenbar nicht der einzige Vektor für das Zika-Virus. Aedes albopictus, die asiatische Tigermücke, ist auch ein Überträger des Zika-Virus.7 A. albopictus ist mittlerweile auf der ganzen Welt verbreitet, einschließlich eines Großteils der Vereinigten Staaten (Abbildung (PageIndex{6})). Es wurde festgestellt, dass viele andere Mücken das Zika-Virus beherbergen, obwohl ihre Fähigkeit, als Vektoren zu fungieren, unbekannt ist.8 Gentechnisch veränderte Stämme von A. aegypti wird die anderen Arten von Vektoren nicht kontrollieren. Schließlich kann das Zika-Virus offenbar sexuell zwischen menschlichen Wirten, von der Mutter auf das Kind, und möglicherweise durch Bluttransfusionen übertragen werden. All diese Faktoren müssen bei jedem Ansatz zur Eindämmung der Ausbreitung des Virus berücksichtigt werden.

Offensichtlich gibt es Risiken und Unbekannte, die mit der Durchführung eines Experiments in einer offenen Umgebung mit einer noch wenig verstandenen Technologie verbunden sind. Aber auch die ungehinderte Ausbreitung des Zika-Virus ist riskant. Rechtfertigt die drohende Zika-Epidemie das ökologische Risiko gentechnischer Mücken? Sind die derzeitigen Methoden der Mückenbekämpfung ausreichend ineffektiv oder schädlich, dass wir ungetestete Alternativen ausprobieren müssen? Dies sind die Fragen, die jetzt an die Gesundheitsbehörden gestellt werden.

Quarantäne

Personen, bei denen der Verdacht besteht oder bekannt ist, dass sie bestimmten ansteckenden Krankheitserregern ausgesetzt waren, können unter Quarantäne gestellt oder isoliert werden, um eine Übertragung der Krankheit auf andere zu verhindern. Krankenhäuser und andere Gesundheitseinrichtungen richten in der Regel Sonderstationen ein, um Patienten mit besonders gefährlichen Erkrankungen wie Tuberkulose oder Ebola zu isolieren (Abbildung (PageIndex{7})). Je nach Einstellung können diese Stationen mit speziellen Luftbehandlungsmethoden ausgestattet sein und das Personal kann spezielle Protokolle zur Begrenzung des Übertragungsrisikos anwenden, wie zum Beispiel persönliche Schutzausrüstung oder die Verwendung chemischer Desinfektionssprays beim Betreten und Verlassen des medizinischen Personals.

Die Dauer der Quarantäne hängt von Faktoren wie der Inkubationszeit der Krankheit und den Hinweisen auf eine Infektion ab. Der Patient kann entlassen werden, wenn Anzeichen und Symptome nicht wie erwartet auftreten oder wenn eine vorbeugende Behandlung durchgeführt werden kann, um das Übertragungsrisiko zu begrenzen. Wenn die Infektion bestätigt wird, kann der Patient gezwungen werden, in Isolation zu bleiben, bis die Krankheit nicht mehr als ansteckend gilt.

In den Vereinigten Staaten dürfen die Gesundheitsbehörden Patienten nur für bestimmte Krankheiten wie Cholera, Diphtherie, infektiöse Tuberkulose und Grippestämme, die eine Pandemie auslösen können, unter Quarantäne stellen. Personen, die in die Vereinigten Staaten einreisen oder zwischen Staaten ziehen, können von der CDC unter Quarantäne gestellt werden, wenn der Verdacht besteht, dass sie einer dieser Krankheiten ausgesetzt waren. Obwohl die CDC routinemäßig Einreisepunkte in die Vereinigten Staaten von Besatzungsmitgliedern oder Passagieren überwacht, die eine Krankheit aufweisen, wird eine Quarantäne selten durchgeführt.

Klassifikationen von Krankheiten

Die Internationale Klassifikation der Krankheiten (ICD) der Weltgesundheitsorganisation (WHO) wird im klinischen Bereich verwendet, um Krankheiten zu klassifizieren und die Morbidität (die Zahl der Krankheitsfälle) und die Mortalität (die Zahl der Todesfälle aufgrund einer Krankheit) zu überwachen. In diesem Abschnitt stellen wir die Terminologie vor, die vom ICD (und in Gesundheitsberufen im Allgemeinen) verwendet wird, um verschiedene Arten von Krankheiten zu beschreiben und zu kategorisieren.

Ein ansteckende Krankheit ist jede Krankheit, die durch die direkte Wirkung eines Krankheitserregers verursacht wird. Ein Pathogen kann zellulär (Bakterien, Parasiten und Pilze) oder azellulär (Viren, Viroide und Prionen) sein. Einige Infektionskrankheiten sind auch übertragbar, d. h. sie können durch direkte oder indirekte Mechanismen von Mensch zu Mensch übertragen werden. Einige übertragbare Infektionskrankheiten gelten auch als ansteckende Krankheiten, was bedeutet, dass sie leicht von Mensch zu Mensch übertragen werden können. Nicht alle ansteckenden Krankheiten sind gleich; Wie ansteckend eine Krankheit ist, hängt in der Regel davon ab, wie der Erreger übertragen wird. Masern sind beispielsweise eine hoch ansteckende Viruserkrankung, die übertragen werden kann, wenn eine infizierte Person hustet oder niest und eine nicht infizierte Person Tröpfchen einatmet, die das Virus enthalten. Gonorrhoe ist nicht so ansteckend wie Masern, da der Erreger übertragen wird (Neisseria gonorrhoeae) erfordert einen engen intimen Kontakt (normalerweise sexuellen) zwischen einer infizierten Person und einer nicht infizierten Person.

Krankheiten, die sich als Folge eines medizinischen Eingriffs zugezogen haben, sind bekannt als iatrogene Erkrankungen. Iatrogene Erkrankungen können nach Eingriffen mit Wundbehandlungen, Katheterisierung oder Operation auftreten, wenn die Wunde oder die Operationsstelle kontaminiert wird. Zum Beispiel kann eine Person, die wegen einer Hautwunde behandelt wurde, eine nekrotisierende Fasziitis (eine aggressive, „fleischfressende“ Krankheit) bekommen, wenn Verbände oder andere Verbände durch Clostridium perfringens oder eines von mehreren anderen Bakterien, die diesen Zustand verursachen können.

Im Krankenhaus erworbene Krankheiten sind bekannt als nosokomiale Erkrankungen. Mehrere Faktoren tragen zur Prävalenz und Schwere nosokomialer Erkrankungen bei. Erstens bringen kranke Patienten zahlreiche Krankheitserreger in Krankenhäuser, und einige dieser Krankheitserreger können leicht über unsachgemäß sterilisierte medizinische Geräte, Bettlaken, Rufknöpfe, Türklinken oder durch Kliniker, Krankenschwestern oder Therapeuten übertragen werden, die sich vor dem Berühren nicht die Hände waschen ein Patient. Zweitens haben viele Krankenhauspatienten ein geschwächtes Immunsystem, was sie anfälliger für Infektionen macht. Hinzu kommt, dass die Prävalenz von Antibiotika in Krankenhäusern auf arzneimittelresistente Bakterien selektieren kann, die sehr schwere Infektionen verursachen können, die schwer zu behandeln sind.

Bestimmte Infektionskrankheiten werden nicht direkt zwischen Menschen übertragen, sondern können vom Tier auf den Menschen übertragen werden. Eine solche Krankheit heißt Zoonose (oder Zoonose). Laut WHO ist eine Zoonose eine Krankheit, die auftritt, wenn ein Krankheitserreger von einem Wirbeltier auf einen Menschen übertragen wird; manchmal wird der Begriff jedoch breiter definiert und umfasst Krankheiten, die von allen Tieren (einschließlich Wirbellosen) übertragen werden. Tollwut ist beispielsweise eine virale Zoonose, die durch Bisse und Kontakt mit infiziertem Speichel von Tieren auf den Menschen übertragen wird. Viele andere Zoonosekrankheiten sind zur Übertragung auf Insekten oder andere Arthropoden angewiesen. Beispiele hierfür sind Gelbfieber (übertragen durch den Stich von mit dem Gelbfiebervirus infizierten Mücken) und das Rocky-Mountain-Fleckfieber (übertragen durch den Stich von mit dem Gelbfiebervirus infizierten Mücken) Rickettsia rickettsii).

Im Gegensatz zu übertragbaren Infektionskrankheiten wird eine nicht übertragbare Infektionskrankheit nicht von Mensch zu Mensch übertragen. Ein Beispiel ist Tetanus, verursacht durch Clostridium tetani, ein Bakterium, das Endosporen produziert, die viele Jahre im Boden überleben können. Diese Krankheit wird typischerweise nur durch Kontakt mit einer Hautwunde übertragen; es kann nicht von einer infizierten Person auf eine andere Person übertragen werden. In ähnlicher Weise wird die Legionärskrankheit verursacht durch Legionella pneumophila, ein Bakterium, das in Amöben an feuchten Orten wie Wasserkühltürmen lebt. Eine Person kann durch Kontakt mit dem kontaminierten Wasser an der Legionärskrankheit erkranken, aber nach der Infektion kann die Person den Erreger nicht an andere Personen weitergeben.

Neben der Vielzahl nichtübertragbarer Infektionskrankheiten sind nichtinfektiöse (nicht durch Krankheitserreger verursachte) Krankheiten weltweit eine wichtige Ursache für Morbidität und Mortalität. Nichtinfektiöse Krankheiten können durch eine Vielzahl von Faktoren verursacht werden, darunter Genetik, Umwelt oder Funktionsstörungen des Immunsystems, um nur einige zu nennen. Die Sichelzellenanämie beispielsweise ist eine Erbkrankheit, die durch eine genetische Mutation verursacht wird und von den Eltern auf die Nachkommen übertragen werden kann (Abbildung (PageIndex{8})). Andere Arten nichtinfektiöser Krankheiten sind in Tabelle (PageIndex{2}) aufgeführt.

Tabelle (PageIndex{2}): Arten nichtinfektiöser Krankheiten
TypDefinitionBeispiel
VererbtEine genetische KrankheitSichelzellenanämie
AngeboreneKrankheit, die bei oder vor der Geburt vorhanden istDown-Syndrom
DegenerativProgressiver, irreversibler FunktionsverlustParkinson-Krankheit (betrifft das zentrale Nervensystem)
ErnährungsmangelBeeinträchtigung der Körperfunktion durch NährstoffmangelSkorbut (Vitamin-C-Mangel)
EndokrineKrankheit mit einer Fehlfunktion von Drüsen, die Hormone freisetzen, um die Körperfunktionen zu regulierenHypothyreose – Schilddrüse produziert zu wenig Schilddrüsenhormon, das für den Stoffwechsel wichtig ist
NeoplastischAbnormales Wachstum (gutartig oder bösartig)Einige Formen von Krebs
IdiopathischKrankheit, deren Ursache unbekannt istIdiopathische juxtafoveale retinale Teleangiektasien (erweiterte, verdrehte Blutgefäße in der Netzhaut des Auges)

Listen der häufigsten Infektionskrankheiten finden Sie auf den folgenden Websites der Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten (CDC), der Weltgesundheitsorganisation (WHO) und der Internationalen Klassifikation der Krankheiten.

Übung (PageIndex{3})

  1. Beschreiben Sie, wie eine Krankheit ansteckend, aber nicht ansteckend sein kann.
  2. Erklären Sie den Unterschied zwischen iatrogener und nosokomialer Erkrankung.

Healthcare-assoziierte (nosokomiale) Infektionen

Krankenhäuser, Altersheime und Gefängnisse ziehen die Aufmerksamkeit von Epidemiologen auf sich, da diese Umgebungen mit einer erhöhten Inzidenz bestimmter Krankheiten verbunden sind. Höhere Übertragungsraten können durch Merkmale der Umwelt selbst, Merkmale der Bevölkerung oder beides verursacht werden. Daher müssen besondere Anstrengungen unternommen werden, um das Infektionsrisiko in diesen Umgebungen zu begrenzen.

Infektionen, die in Gesundheitseinrichtungen, einschließlich Krankenhäusern, erworben wurden, werden als nosokomiale Infektionen oder Healthcare-assoziierte Infektionen (HAI) bezeichnet. HAIs sind häufig mit Operationen oder anderen invasiven Eingriffen verbunden, die dem Erreger Zugang zur Infektionspforte verschaffen. Damit eine Infektion als HAI eingestuft werden kann, muss der Patient aus einem anderen Grund als der Infektion in die Gesundheitseinrichtung aufgenommen worden sein. In diesen Situationen sind Patienten, die an einer Primärerkrankung leiden, häufig von einer geschwächten Immunität betroffen und anfälliger für Sekundärinfektionen und opportunistische Krankheitserreger.

Im Jahr 2011 traten laut CDC mehr als 720.000 HAIs in Krankenhäusern in den USA auf. Ungefähr 22 % dieser HAI traten an einer Operationsstelle auf, und weitere 22 % entfielen auf Lungenentzündungen; Weitere 13 % entfielen auf Harnwegsinfektionen und 10 % auf primäre Infektionen der Blutbahn.9 Solche HAI treten häufig auf, wenn Krankheitserreger durch kontaminierte chirurgische oder medizinische Geräte wie Katheter und Beatmungsgeräte in den Körper von Patienten eingebracht werden. Gesundheitseinrichtungen versuchen, nosokomiale Infektionen durch Schulungs- und Hygieneprotokolle, wie sie in den vorherigen Kapiteln beschrieben wurden, zu begrenzen.

Übung (PageIndex{4})

Nennen Sie einige Gründe, warum HAIs auftreten.

Schlüsselkonzepte und Zusammenfassung

  • Stauseen der menschlichen Krankheit kann die menschliche und tierische Bevölkerung, Boden, Wasser und unbelebte Gegenstände oder Materialien umfassen.
  • Kontaktübertragung kann sein Direkte oder indirekt durch physischen Kontakt mit einem infizierten Wirt (direkt) oder durch Kontakt mit einem Feind, mit dem ein infizierter Wirt zuvor Kontakt hatte (indirekt).
  • Eine Vektorübertragung tritt auf, wenn ein lebender Organismus einen Infektionserreger auf seinem Körper trägt (mechanisch) oder selbst als Infektionswirt (biologisch), zu einem neuen Host.
  • Fahrzeuggetriebe tritt auf, wenn eine Substanz wie Boden, Wasser oder Luft einen infektiösen Erreger auf einen neuen Wirt überträgt.
  • Healthcare-assoziierte Infektionen (HAI), oder nosokomiale Infektionen, werden in einem klinischen Umfeld erworben. Die Übertragung wird durch medizinische Eingriffe und die hohe Konzentration anfälliger, immungeschwächter Personen in klinischen Umgebungen erleichtert.

Fußnoten

  1. 1 Yves Thomas, Guido Vogel, Werner Wunderli, Patricia Suter, Mark Witschi, Daniel Koch, Caroline Tapparel und Laurent Kaiser. „Überleben des Influenzavirus auf Banknoten.“ Angewandte und Umweltmikrobiologie 74, Nr. 10 (2008): 3002–3007.
  2. 2 Filio Marineli, Gregory Tsoucalas, Marianna Karamanou und George Androutsos. „Mary Mallon (1869–1938) und die Geschichte des Typhus“. Annalen der Gastroenterologie 26 (2013): 132–134. www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/arti...rol-26-132.pdf.
  3. 3 Weltgesundheitsorganisation. Datenblatt Nr. 391-Wasser trinken. Juni 2005. www.who.int/mediacentre/factsheets/fs391/en.
  4. 4 Blandine Massonnet-Bruneel, Nicole Corre-Catelin, Renaud Lacroix, Rosemary S. Lees, Kim Phuc Hoang, Derric Nimmo, Luke Alphey und Paul Reiter. „Fitness transgener Mücken“ Aedes aegypti Männer, die ein dominantes tödliches genetisches System tragen.“ PLUS EINS 8, nein. 5 (2013): e62711.
  5. 5 Richard Levine. „Dengue-Fälle sinken um 91 Prozent aufgrund genetisch veränderter Mücken.“ Entomologie heute. entomologytoday.org/2016/07/...ied-mosquitoes.
  6. 6 Olivia Judson. "Der Tod eines Käfers." Die New York Times, 25. September 2003. www.nytimes.com/2003/09/25/op...g-s-death.html.
  7. Gilda Grard, Mélanie Caron, Illich Manfred Mombo, Dieudonné Nkoghe, Statiana Mboui Ondo, Davy Jiolle, Didier Fontenille, Christophe Paupy und Eric Maurice Leroy. „Zika-Virus in Gabun (Zentralafrika) – 2007: Eine neue Bedrohung von Aedes albopictus?” PLOS vernachlässigte Tropenkrankheiten 8, nein. 2 (2014): e2681.
  8. Constância F. J. Ayres. „Identifizierung von Zika-Virus-Vektoren und Implikationen für die Kontrolle.“ Die Lancet-Infektionskrankheiten 16, nein. 3 (2016): 278–279.
  9. Zentren für die Kontrolle und Prävention von Krankheiten. „HAI-Daten und -Statistiken.“ 2016. http://www.cdc.gov/hai/surveillance. Accessed Jan 2, 2016.

Lernziele

Humans play host to tons of disease-causing agents: viruses, bacteria, fungi, and other pathogens. The World Health Organization defines infectious disease as disease caused by pathogenic microorganisms that “can be spread, directly or indirectly, from one person to another.” The disease agents are simply using the host as a habitat for their own survival and reproduction, causing infection in the host. Infectious diseases include ringworm, the flu, HIV, and Zika.

Diseases spread through host-to-host contact or through vector-to-host contact. Imagine you have the flu, and you sneeze, making a sneeze cloud full of small droplets of liquid, each of which contains the flu virus. If those droplets make their way to the mucus membranes, like the nose or mouth, of another potential host, the disease can spread to them. Some diseases require exchange of bodily fluids (HIV, STIs), while others need direct contact with an individual or object that carries the disease agent (scabies, lice), and others can spread in droplets in the air (flu, cold).

Agencies like the CDC devote many research dollars and personnel to predicting infectious disease spread. They oversee three National Centers for:

  • Emerging and Zoonotic Infectious Diseases (NCEZID) – Zika, etc.
  • HIV/AIDS, Viral Hepatitis, STD, and TB Prevention (NCHHSTP) – blood-born and sexually transmitted diseases
  • Immunization and Respiratory Diseases (NCIRD) – influenza, etc.

At those agencies biologists who specialize in mathematical modeling use data and math to try to predict how a disease will spread. These predictions help public health agencies determine if they have an epidemic situation of disease spread, how many people will become sick, how fast the disease will spread, and what actions a local community might take to prevent that spread.


Inhalt

The roots of the basic reproduction concept can be traced through the work of Ronald Ross, Alfred Lotka and others, [30] but its first modern application in epidemiology was by George Macdonald in 1952, [31] who constructed population models of the spread of malaria. In his work he called the quantity basic reproduction rate and denoted it by Z 0 > . Calling the quantity a rate can be misleading, insofar as "rate" can then be misinterpreted as a number per unit of time. "Number" or "ratio" is now preferred. [ Zitat benötigt ]

Contact rate and infectious period Edit

With varying latent periods Edit

Latent period is the transition time between contagion event and disease manifestation. In cases of diseases with varying latent periods, the basic reproduction number can be calculated as the sum of the reproduction numbers for each transition time into the disease. An example of this is tuberculosis (TB). Blower and coauthors calculated from a simple model of TB the following reproduction number: [33]

Heterogeneous populations Edit

The basic reproduction number can be estimated through examining detailed transmission chains or through genomic sequencing. However, it is most frequently calculated using epidemiological models. [36] During an epidemic, typically the number of diagnosed infections N ( t ) over time t is known. In the early stages of an epidemic, growth is exponential, with a logarithmic growth rate

Simple model Edit

Latent infectious period, isolation after diagnosis Edit

In this model, an individual infection has the following stages:

  1. Exposed: an individual is infected, but has no symptoms and does not yet infect others. The average duration of the exposed state is τ E > .
  2. Latent infectious: an individual is infected, has no symptoms, but does infect others. The average duration of the latent infectious state is τ I > . The individual infects R 0 > other individuals during this period. after diagnosis: measures are taken to prevent further infections, for example by isolating the infected person.

Although R 0 > cannot be modified through vaccination or other changes in population susceptibility, it can vary based on a number of biological, sociobehavioral, and environmental factors. [28] It can also be modified by physical distancing and other public policy or social interventions, [43] [28] although some historical definitions exclude any deliberate intervention in reducing disease transmission, including nonpharmacological interventions. [24] And indeed, whether nonpharmacological interventions are included in R 0 > often depends on the paper, disease, and what if any intervention is being studied. [28] This creates some confusion, because R 0 > is not a constant whereas most mathematical parameters with "nought" subscripts are constants.

Methods used to calculate R 0 > include the survival function, rearranging the largest eigenvalue of the Jacobian matrix, the next-generation method, [46] calculations from the intrinsic growth rate, [47] existence of the endemic equilibrium, the number of susceptibles at the endemic equilibrium, the average age of infection [48] and the final size equation. Few of these methods agree with one another, even when starting with the same system of differential equations. [42] Even fewer actually calculate the average number of secondary infections. Since R 0 > is rarely observed in the field and is usually calculated via a mathematical model, this severely limits its usefulness. [49]


History of Germ Theory

Early Theories of Disease

In ancient Greece, it was thought that disease was spread not via direct contact with other infected individuals, but rather via infectious “seeds” in the air or food products. Furthermore, such seeds could reside within an individual’s body, causing a subsequent relapse of disease at a later time. This concept was later revisited by scholars in the Middle ages (e.g., Girolamo Fracastoro), who added that disease could be caused by direct or indirect contact, as well as via long distances. The idea that the disease-causing seeds could lie dormant was also further reaffirmed, and many diseases were categorized based on the length of dormancy.

  • Jar 1: Meatloaf and an egg exposed to the air without a lid.
    Results: Maggots covering the egg and meatloaf.
  • Jar 2: Meatloaf and an egg tightly sealed with a lid.
    Results: No maggots.
  • Jar 3: Meatloaf and an egg with no lid, but the jar was covered with gauze.
    Results: Maggots on top of the gauze.

Based on these findings, Redi concluded that the maggots were only found on accessible surfaces and thus, refuted spontaneous generation.

Another early microbiologist from the 1600’s was Anton van Leeuwenhoek, who was the first to directly observe the presence of microorganisms (which he referred to as “animalcules”) through his invention of the first microscope. The notion that disease was caused by creatures that could be visualized only with a microscope was later postulated by Richard Bradley in the 1700’s. This theory was later supported by Marcus Antonius von Plenciz, who wrote a book describing that the diseases caused by microscopic organisms could be further classified into those that were contagious but did not cause epidemics, and those that exhibited both qualities. Von Plenciz further described the ubiquitous presence of microscopic organisms.

Miasma Theory

The predominant theory until germ theory of disease was eventually accepted in the 19th century was termed “miasma theory”, meaning “pollution” or “bad air”. Miasma theory stipulated that disease originated from the decomposition of organic matter, causing a noxious vapor harboring disease-causing agents. Moreover, individuals could contract disease by inhaling foul-smelling air associated with contaminated drinking water, unsanitary conditions, and air pollution.


Non-Communicable Diseases and Communicable Diseases

Normally heart, lungs and diseases of central nervous system occur due to insufficient growth of organs.

(ii) Deficiency Diseases:

These occur due to malnutrition.

Allergies occur due to hypersensitivity to foreign substances.

It occurs due to uncontrolled growth of tissues.

(v) Diseases by Agents:

These diseases occur due to physical agents like, heat, cold etc.

(vi) Diseases by Mechanical Agents:

These diseases occur due to mechanical factors like injury, friction etc.

(vii) Metabolic Diseases:

They occur due to metabolic disorders.

According to Sir Francis Galton (1883, Father of Eugenics), it is the, “study of agencies under social control that may improve or impair the racial qualities of future generation either mentally or physically.”

Improvement of human race can be done either by:

(i) Encouraging desirable genetic qualities by breeding.

(ii) Suppressing harmful genes preventing such breeding.

It is the therapeutic treatment to suppress the genetic diseases. From amnio-centesis nearly 30 genetic disorders can be revealed. So these defective types of foetus can be aborted.

2. Communicable Diseases:

These diseases are mainly caused by different organisms. They spread in a society. So they are called as communicable or infectious diseases. These diseases spread through food, water, air, touch and blood. Some of these diseases are highly epidemic in nature. Therefore it is of great concern to the society.

The communicable diseases can be studied under three aspects:

Even before the invention of microscope the involvement of micro-organism in the disease was suspected. Louis Pasteur and Robert Koch put forwarded the germ theory of the diseases. Pasteur demonstrated that the micro-organisms are responsible for many diseases in animals. Later Robert Koch isolated the bacteria, causing the disease, anthrax. He identified a set of four conditions that had to be satisfied before a particular pathogen is attributed to a disease.

Koch’s Postulations:

1. The organisms must be regularly found in the animals that have the disease.

2. It must be isolated and grown in pure culture on artificial media.

3. When a healthy animal is inoculated with this culture, it must develop the disease and show the characteristic symptoms.

4. The same organism must be recovered from the inoculated animal.

Applying Koch’s postulations causative organisms of tuberculosis, cholera, typhoid and diphtheria were identified. Later diseases like chickenpox, small pox, and measles were found to be caused by viruses. Gradually other agents like, protozoa, helminthes, were identified as disease causing organisms. Parasitology was a boon to medical science. It helped to treat different diseases. Parasitology revealed the identification of causative organisms, life cycle, host range, and adaptation, which helped in control and eradication of the disease.

It deals with the cause of spread of infectious diseases in the society. John Snow for the first time traced the epidemiology of cholera. Later on epidemiology of other diseases were traced out. It helped to check the spread of disease in a society.

It deals with the self defence mechanism of the body. Edward Jenner (1742-1823), an English doctor noticed that dairymen and milk maids hardly suffer from small pox. He observed that they suffer from a mild disease called cow pox, infected from their cows.

Jenner collected some fluid from the sore, caused by cowpox and injected it to a healthy boy named James Phipps on 14th May, 1776. The boy suffered from cowpox and it healed after some days. After two months, Jenner boldly injected small pox fluid into James Phipps, and the germs could not induce the disease even after repeated inoculation. This led Jenner to prepare vaccines for small pox.

Immunity of our body is caused by the production of antibody developed in response to antigen. Any foreign germ when enters into the body produces antigen. The body produces specific antibodies to a particular antigen. The antibodies destroy the antigens. The understanding of immunity has helped the scientist s to prepare vaccines against many diseases.


Literaturverzeichnis

Berkow, R. The Merck Manual of Diagnosis and Therapy, 16th ed. Rahway, NJ: Merck Research Laboratories, 1992.

Carlson, K. J., S. A. Eisenstat, and T. Ziparyn. The Harvard Guide to Women's Health. Cambridge, MA: Harvard University Press, 1996.

Center for Disease Control, Division of Sexually Transmitted Diseases. <www.cdc.gov/nchstp/dstd/disease_info.htm> .

Madigan, Michael T., John M. Martinko, and Jack Parker. Brock Biology of Microorganisms, 9th ed. Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall, 2000.


Sharing Bodily Fluids

During this lab you will share “bodily fluids” with other students in the lab to simulate the spread of an infectious disease through a population.

Verfahren

  1. Obtain a numbered vial of solution and a plastic pipet from your instructor.
  2. Record your student name and vial number on the class data sheet.
  3. Share bodily fluids with another person in lab. Use the plastic pipet to withdraw solution from your vial and place 5 drops of your solution in another classmate’s vial. Your classmate will also share fluids with you in the same way. Return the cap to the vial and invert to mix.
  4. Record the name of the person you shared bodily fluids with in the table below.
  5. Exchange bodily fluids with another person following the directions above. Record the name of the person with whom you exchanged fluids.
  6. Exchange fluids with another student (different than the first two) and record his/her name below. You should complete three total fluid exchanges.

My vial #:_______________________

Record of Bodily Fluid Exchanges

Exchange 1: ______________________________
Exchange 2: ______________________________
Exchange 3: ______________________________

Your lab instructor will add a drop of the test reagent to determine if you are infected with the disease. If your sample turns pink then you are infected. If it turns yellow you are not infected. If you are positive for the disease you may have originally had the disease or you may have contracted the disease in lab today from sharing bodily fluids.

  • Are you infected?
  • Is it possible to determine if you were originally infected or did you contract the disease from someone during today’s lab?

As a class you will fill in Table 1 below. Include each person’s name. If your test result is positive put a plus sign (+) next to your name. If your result is negative put a negative sign (−) by your name. For those individuals that are positive, record whom they exchange fluids with and whether that person was positive or negative.

Fragen

  1. How many people in the class are infected?
  2. Can you determine who was originally infected?
  3. If you can, whom do you think was originally infected?
  4. What do the class results show about the spread of disease through activities in which bodily fluids are shared?

Fill out a table similar to Table 1 for all members of your class. Be sure to add as many tables as there are students!

Table 1. Class results for bodily fluid exchange activity
Student’s Name Test result (+/−) Exchange #1 (+/−) Exchange #2 (+/−) Exchange #3 (+/−)
1.
2.
3.
4.
5.

After you’ve completed Table 1, discuss with your lab group how this experiment simulates a real life infection through a population and answer the following questions.


Small-Bowel Neoplasms

The mucosa of the small intestine encompasses about 90% of the luminal surface area of the digestive system, but accounts for only 2% of GI malignant neoplasms. Neoplastic processes with a propensity for the ileum are adenocarcinoma, lymphoma, and carcinoid tumor. Small-bowel neoplasms may occur sporadically, in association with genetic diseases (familial adenomatous polyposis coli, hereditary nonpolyposis colorectal cancer, or Peutz–Jeghers syndrome), or in association with chronic intestinal inflammatory disorders (CD or celiac sprue).

The diagnosis is often made late because of their uncommon occurrence and nonspecific symptoms. The CT appearance of ileal adenocarcinoma is an annular and constricting lesion involving a short segment of bowel. For patients with carcinoid, CT reveals an ill-defined spiculated mass with a stellate pattern containing calcification. Lymphoma most commonly manifests as single or multiple segmental areas of markedly thickened (1.5𠄷 cm) circumferential thickening, or may ulcerate with formation of a fistulous tract to adjacent bowel loops, mimicking CD [34].

The risk of GI cancer is elevated in patients with IBD (eg, 60-fold higher compared to the general population). Small-bowel adenocarcinoma complicating CD is predominantly seen in men, in patients with excluded bowel loops, and at the distal ileum in an area of active disease [35]. Carcinoid tumors have also been described in association with CD, and these cases tend to be malignant and have a worse prognosis [36]. Ileal carcinoid tumor should be suspected in elderly CD patients presenting with obstructive symptoms. In general, the presence of suspected ileal CD refractory to medical therapy should alert clinicians to the possibility of a small-bowel neoplasm. When technically feasible, ileoscopy with biopsy may help distinguish between the two and guide early diagnosis and treatment.


Communicable Diseases

Overcrowding, poor ventilation, poor health, poor diets, homelessness and living and working with people who have migrated from areas where disease is more common, all may affect the likelihood of catching a disease.

Indirect Transmission

Some pathogens, like the protoctista plasmodium that causes malaria, use vectors for transmission.

Indirect transmission of plant pathogen occurs as a result of insect attack.

The fungus that causes Dutch elm disease is carried by the beetle Scolytus multistriatus

Plant Defences against pathogens

  • Physical Defences
  1. Cellulose cell wall – this acts as a physical barrier but also contains many chemical defences that can be activated when a pathogen is detected
  2. Thickening of the cell wall with lignin – lignin is a phenolic compound and completely waterproof as well as largely indigestible
  3. Waxy cuticles – these prevent water collecting on the cell surfaces which removes the water that the pathogenic cells need to survive
  4. Bark – most back also contains a variety of chemical defences as well as being a physical barrier to disease
  5. Stomatal closure- stomata are possible points of entry for pathogens and so the guard cells can close them when pathogenic organisms are detected
  6. Callose – callose is a large polysaccharide that is deposited in the sieve tubes at the end of the growing season around the sieve plates and blocks the flow in the tube. This can prevent a pathogen spreading around the plant
  7. Tylose formation – tylose is a balloon like swelling or projection that fills the xylem vessel, when fully formed it can completely block off that part of the xylem vessel. It also contains a high concentration of chemicals such as terpenes that are toxic to pathogens
  • Chemical Defences
  1. Plant tissues contain a variety of chemicals that have anti-pathogenic properties including terpenoids, phenols, alkaloids and hydrolytic enzymes.
  2. Some of these chemicals such as the terpenes in tyloses and the tannins in bark are present before infection. However, because the production of chemicals requires a lot of energy, many chemicals are not produce until after an infection is discovered.

  • Cell walls become thickened and strengthened with additional cellulose
  • Deposition of callose between the plant cell wall and cell membrane near the pathogen. Callose deposits impeded cellular penetration at site of infection, strengthen the cell wall and block of plasmodesmata.
  • Oxidative bursts that produce highly reactive oxygen molecules capable of damaging the cells of invading pathogens
  • An increase in the production of chemicals
  • Necrosis – deliberate cell suicide
  • Canker – a sunken necrotic lesion in the woody tissue such as the main stem or branch that causes the death of the cambium tissue in the bark.

Primary Defences against Disease

Primary defences are the defences in place that prevent pathogenic material from entering the body.

The skin is the main primary defence. The outer layer of skin is called the epidermis and consists of layers of keratinocytes. The keratinocytes are produces at the base of the epidermis and migrate out to the surface of the skin, slowly drying out and their cytoplasm in replaced by the protein keratin in the process of keratinisation. By the time the cells reach the surface they are dead. The layer of dead keratinised cells act as effective layer of disease prevention.

Blood Clotting and skin repair

  1. Abrasions or lacerations damage the skin and open the body to infection
  2. The body prevents excess blood loss by forming a clot and making a temporary seal to prevent infection
  3. Calcium ions and 12 clotting factors are released from the platelets and damaged tissue
  4. Damage to blood vessel exposes collagen
  5. Platelets bind to collagen fibres and release clotting factors, a temporary plug is formed
  6. Inactive thrombokinase in blood (factor X) is turned into active thrombokinase (an enzyme)
  7. Prothrombin in blood and thrombonkinase and Ca2+ ions make active thrombin
  8. Active thrombin turns the soluble fibrinogen in the plasma into insoluble fibrin which attach to the platelets in the plug and clot, trapping more red blood cells and platelets.
  9. As the skin grows and the scab shrinks the edges of the laceration are pulled together.

Mucous Membranes

The epithelial layer contains mucus-secreting cells called goblet cells and also mucus secreting glands under the epithelium.

The mucus traps any pathogens that may be in the air

The epithelium is also ciliated

Cilia are tiny hair-like organelles that can move in a coordinated fashion to waft the mucus along.

Coughing and sneezing – areas that are prone to microorganism attack are sensitive and respond to irritations by coughing sneezing and vomiting in the hope that the expulsion of air will propel the pathogen from the body.

Inflamation – the tissue may be hot and painful as the presence of harmful microorganisms has been detected by mast cells which release a cell signalling substance called histamine which causes vasodilation to make the capillary walls more permeable to white blood cells and proteins. The increased production of tissue fluid causes the swelling (oedema)

Eyes are protected by antibodies and enzymes in tear fluid

The ear canal is lined with wax

The female reproductive system is protected by a mucus plug in the cervix and by maintaining relatively acidic conditions in the vagina.

Specific Immune Response

Antikörper – specific proteins released by plasma cells that can attach to pathogenic antigens

Klonerweiterung – an increase in the number of cells by mitotic cell division

Interleukins – signalling molecules that are used to communicate

Specific immune response involves B lymphocytes (B cells) and T lymphocytes (T cells) which are white blood cells with specialised receptors on their cell surface membranes. Antibodies are produced by B lymphocytes, and these neutralise foreign antigens. Long term disease protection is provided. An immunological memory is produced as B memory cells are released and circulate in the body for a number of years.

  1. Pathogen enters the body
  2. The antigens on the pathogen are presented on the pathogens cell membrane as it travels in the body fluids, on infected cells, and on the plasma membrane of macrophages that have engulfed the pathogens during the secondary non-specific response.
  3. T cells (from thymus) and B cells (from bone marrow) must detect the antigen from one of these three sources
  4. The detection of the pathogenic antibodies triggers clonal expansion in both T and B cells.
  5. T helper cells release cytokines that further stimulate the development of B cells
  6. Proliferation occurs once the correct lymphocytes have been activated.
  7. Cells differentiate and T & B memory cells are produced to remain in the blood should the body ever come under attack from the same pathogen again.
  8. T killer cells attack infected host cells and plasma cells make antibodies (the differentiation for this is triggered by cytokines from the macrophages
  9. Finally T regulator cells end the immune response to prevent the attack of the body’s own cells.

T lymphocytes

Come from the bone marrow and develop in the thymus

T helper cells (Th) – release cell signalling molecules (cytokines) that stimulate the immune response of B cells to develop and stimulate phagocytosis by phagocytes

T killer cells (Tk) – attack and kill host-body cells that display the foreign antigen as well as infected body cells

T memory cells (Tm) – provide long term immunity by staying in the blood for a long time

T regulator cells (Tr) – inhibit and end the immune response, preventing autoimmunity

They are involved in cell-mediated response (combat microorganisms)

They are a complementary shape to the antigen of pathogens and once the T cell has found a complementary antigen clonal expansion takes place produced by mitosis

B-Lymphozyten

Grow completely in the bond marrow

Plasma cells – derived from the B lymphocytes, these cells manufacture antibodies

B memory cells – cells that remain in the blood for a long time, providing long-term immunity

They are involved in the humoral response (producing antibodies)

Cell signalling

Macrophages release monokines which attract neutrophils (by chemotaxis – the movement of cells towards a particular chemical) and stimulate differentiation of B cells (and the release of antibodies)

T cells and macrophages release interleukins which stimulate clonal expansion (proliferation) and the differentiation of B & T cells

Many cells release interferon which inhibits virus replication and stimulates T killer cells

Autoimmunerkrankungen

A disease that occurs when the immune system attacks a part of the body

Arthritis – a painful inflammation of a joint that starts with antibodies attacking the membranes around the joint

Lupus – swelling and pain in any part of the body, antibodies attack certain proteins in the nucleus of cells and affected tissue

Antigens are molecules that stimulate an immune response, usually proteins/glycoproteins in the pathogen’s plasma membrane, and when detected the production of antibodies is commenced.

Antibodies are specific to the antigen as antigens are specific to the organism. Our own antigens are recognised as ‘self’ by the immune system and do not provoke a response

Antibodies are immunoglobins (complex proteins produces by the plasma cells) and are released in response to an infection, they have a region with a specific shape to the antigen, antibodies attach to antigens and render them harmless

4x polypeptide chain, 2x light chains & 2x heavy chains

The tips of the y are the variable region but is the same for every type of antibody

A group of antibodies that bind to pathogen antigens and then act as binding sites for phagocytic cells

Some are produced as part of a specific immune response and bind to specific antigens

Antibodies flag up a pathogen for the phagocyte/attach to antigen which has a use to the pathogen, disabling it.

They also prevent the pathogen to enter the host cell.

Neutralise pathogens that use their antigens to bind to host cells etc.

By attaching onto the pathogen they make them easier to identify and easier for the phagocytes to bind to them/engluf them.

Antibodies that cause the pathogens to stick together (agglutinate) by making crosslinks between their antigens

This makes the pathogen non-effective and easily phagocytosed

Some antibodies bind to molecules that are release by pathogenic cells. These molecules may be toxic and the action of anti-toxins render them harmless.

Primary and Secondary Responses

Primary immune response – initial response caused by a first infection
Secondary immune response – more rapid and vigorous response caused by a second or subsequent infection by the same pathogen

  1. infection by pathogen
  2. lag phase
  3. antibodies produced
  4. antibody level rises to combat infections
  5. pathogen dealt with
  6. antibody level declines – short lived
  7. secondary immune response is much faster

Impfung

Vaccination – a way of stimulating an immune response so that immunity is achieved, provides immunity to specific disease by deliberate exposure to a weakened/dead strain of antigenic material

Antigenic material takes many forms:

  • Whole live microorganisms (usually not very harmful g. smallpox which prevents cowpox virus, a much nastier disease)
  • Harmless attenuated version of the pathogenic organism e.g. measles & TB
  • Dead pathogen e.g. Typhus-
  • Antigen preparations only, no actual pathogen e.g. hep B
  • Toxoids – harmless version of a toxin e.g. Tetanus
  • Herd vaccination – providing the vaccine to all or almost all of the population so that the pathogen cannot spread, it is necessary to vaccinate 80 – 95% of the population to completely immunise the population
  • In the UK young children are immunised against the following diseases: diphtheria, tetanus, whooping cough, polio, meningitis, measles, mumps and rubella.
  • Ring vaccination – used when a new disease case is reported, vaccinated all people in the immediate vicinity of the case, also used to control livestock disease
  • Epidemic – a rapid spread of disease through a high proportion of the population
  • Influenza – a killer disease caused by a virus, people aged 65+ are most at risk as well as people with respiratory tract problems, the swine flu pandemic is an example of this virus

Types of immunity

Active immunity – immune system activated and own antibodies manufactured

Artificial immunity – immunity achieved as a result of medical intervention

Natural immunity – immunity achieved through normal life processes
Passive immunity – immunity achieved when antibodies are passed to the individual through breast feeding or injection

Development of Drugs

Antibiotic – a chemical which prevents the growth of microorganisms, can be antibacterial or antifungal

Personalised medicine – development of designer medicines for individuals

Synthetic biology – re-engineering of biology, from the production of new molecules that mimic a natural process to the use of natural molecules to produce new biological systems that do not exist in nature

The antibiotic penicillin was discovered by Alexander Fleming accidentally.

Traditional remedies

Morphine originated in the use of sap from unripe poppy seed heads in Neolithic times, in the 12 th century the opium from poppies was used as an anaesthetic and by the 19 th century morphine and opium were used to reduce nervous action in the central nervous system

Willow bark is used to relieve pain and fever. Its active ingredient was found to reduce the side effect of stomach bleeding by adding an acetyl group which lead to the development of aspirin and ibuprofen

Wildlife remedies

Monkeys, bears and other animals rub citrus oils on their coats as insecticides and antiseptics to prevent insect bites and infection. Birds line their nests with medicinal leaves to protect young from blood sucking mites. Chimps swallow leaves folded in a particular way to remove parasites from the digestive tract

Further plant research

Scientists use the traditional plant medicines as a starting point for new medicines and then try to isolate their active ingredient.

Pharmaceutical companies also research the way that microorganisms cause disease so that they can model ideal proteins and glycoproteins to act as medicines on these drugs. Z.B. the HIV virus binds to the CD4 and CCR5 receptors on T helper cells. In order to cure this scientists are experimenting with blocking this binding with other similarly shaped proteins generated in computer models.

Overuse and misuse of antibiotics have enabled microorganisms to develop resistance which limits the effectiveness of current medicines.


Compare the adaptations of different pathogens that facilitate their entry into and transmission between hosts

PLASMODIUM FALCIPARUM → MALARIA

  • Adaptation: Parasite developed a mutation which made it resistant to chloroquine (antimalarial drug).
  • Adaptation: Uses a host (mosquitos) to penetrate skin (physical barrier) and transmit disease.

YERSINIA PESTIS → BUBONIC PLAGUE

  • Adaptation: Uses chemotaxis to move through mucus (barrier) and transmit disease.
  • Adaptation: Can change to pH of surrounding environment to survive in organism.


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