Bordetella bronchiseptica ist ein Bakterium aus der Gattung Bordetella, dem als Erreger verschiedener Tierkrankheiten große veterinärmedizinische Bedeutung zukommt. Es handelt sich um kleine, gramnegative Stäbchen, die sich nur schwer von den verwandten Arten Bordetella pertussis und Bordetella parapertussis (die Krankheitserreger des Keuchhustens) unterscheiden lassen. Die Zellen wachsen strikt aerob, benötigen also Sauerstoff für ihre Vermehrung. Bei der Kultivierung auf Nährmedien wird manchmal eine Veränderung des Aussehens der Kolonien beobachtet, die mit einer Veränderung des virulenten Verhaltens von Bordetella bronchiseptica einhergeht.
Bei der Entdeckung von Bordetella bronchiseptica wurde fälschlicherweise angenommen, sie sei der Krankheitserreger der Staupe beim Hund. Erst später wurde erkannt, dass durch sie bei mehreren Säugetieren (z. B. Hund, Katze und Schwein) eine bakterielle Infektionskrankheit des Atemtraktes hervorgerufen wird. An diesen Erkrankungen sind oft auch noch andere Bakterien oder Viren beteiligt. Von einer Übertragung auf den Menschen ist in Einzelfällen berichtet worden, dies betrifft jedoch vor allem Patienten mit einem geschwächten Immunsystem. Zur Vorbeugung ist bei Haus- und Nutztieren eine Impfung möglich.
Bordetella bronchiseptica wurde 1911 von Newell S. Ferry entdeckt und zunächst als Bacillus bronchicanis bezeichnet. Das Bakterium wurde auch als Bacillus bronchisepticus benannt und ist noch unter weiteren Synonymen bekannt. Das Genom des Bakterienstammes Bordetella bronchiseptica RB50 wurde 2003 vollständig sequenziert.
Merkmale Erscheinungsbild mini|Lichtmikroskopisches Bild von Bordetella bronchiseptica in einer Geißelfärbung nach Leifson (nachträglich digital eingefärbt). Die Zellen von Bordetella bronchiseptica sind kurze bis kokkoide Stäbchen. Sie sind gramnegativ. Die Art ist im Gegensatz zu Bordetella pertussis motil, sie kann sich mit Hilfe von peritrich angeordneten Geißeln selbständig bewegen. Endosporen als Überdauerungsformen werden nicht gebildet. Die Zellen tragen Pili (Fimbrien) auf ihrer Oberfläche und sind von einer Kapsel umgeben. Sie erscheinen wie andere Vertreter der Gattung Bordetella im lichtmikroskopischen Bild einzeln, in Paaren oder in Gruppen gelagert und lassen sich nur schwer von Haemophilus-Arten unterscheiden.
Auf festen Nährböden wachsen die Zellen zu sehr kleinen, transparenten Kolonien heran, deren Durchmesser 0,5–1,0 mm beträgt. Im Vergleich zu Bordetella parapertussis sind die Kolonien noch kleiner. Auf Blutagar findet eine Hämolyse statt, dies gilt auch für die verwandten Arten B. pertussis und B. parapertussis. Eine Pigmentbildung auf anderen Nährmedien tritt nicht auf. Die Kolonien unterliegen der vierphasigen S-R-Modulation, wobei die Veränderung von der S- zur R-Form spontan erfolgen kann. Die Abkürzungen S und R stehen für das Aussehen der Kolonien, von und (siehe Griffiths Experiment). Phase I: Die Kolonien wachsen in der S-Form, die Zellen bilden eine Kapsel aus, sind hämolysierend und virulent. Phase II: Übergangsform Phase III: Übergangsform, die Zellen bilden keine Kapsel aus. Phase IV: Die Kolonien bilden die R-Form aus, die Zellen sind nicht von einer Kapsel umgeben, sie sind nicht virulent.
Wachstum und Stoffwechsel Der Stoffwechsel von Bordetella bronchiseptica beruht auf der Atmung, die Art ist strikt aerob, benötigt also Sauerstoff zum Wachsen. Der Katalase-Test und der Oxidase-Test verlaufen positiv. Weiterhin ist der Stoffwechsel als chemoorganotroph und heterotroph zu kennzeichnen, B. bronchiseptica benutzt organische Verbindungen als Energiequelle und ebenso zum Aufbau zelleigener Stoffe. Dabei ist sie asaccharolytisch, d. h. sie kann keine Zucker (z. B. Glucose) verwerten, stattdessen gehören Aminosäuren zu den Substraten, die abgebaut werden. Dies muss bei der Wahl des passenden Nährmediums zur Kultivierung berücksichtigt werden, wobei B. bronchiseptica nicht so anspruchsvoll ist wie B. pertussis.
Die optimale Temperatur für das Wachstum liegt bei 35–37 °C. Wachstum erfolgt in einem Temperaturbereich von 15–37 °C. Bei Temperaturen darunter (10 °C) bzw. darüber (44 °C) ist das Wachstum variabel, das bedeutet, einige der untersuchten Bakterienstämme sind noch in der Lage, sich zu vermehren. Bei 15 °C dauert es etwa 10 Tage, bis Kolonien erkennbar sind, bei 35 °C wird üblicherweise 1–2 Tage inkubiert. B. bronchiseptica kann geringe Mengen Natriumchlorid (Kochsalz) im Nährmedium tolerieren. Wachstum ist bei einem Gehalt von 6 % Natriumchlorid möglich, erst bei einem Gehalt von 7,5 % NaCl oder mehr erfolgt kein Wachstum mehr. Sie ist nicht halophil, da sie sich auch in Abwesenheit von Natriumchlorid vermehren kann. Auch in der Anwesenheit von Gallensalzen erfolgt Wachstum, ein Gehalt von 10 % wird toleriert, und sogar bei einem Gehalt von 40 % Gallensalzen im Nährmedium erfolgt noch das Wachstum bei einigen der untersuchten Stämme.
Biochemische Merkmale, wie beispielsweise die vorhandenen Enzyme und die daraus resultierenden Stoffwechseleigenschaften können in einer Bunten Reihe zur Identifizierung von B. bronchiseptica verwendet werden. Neben dem positiven Katalase- und Oxidase-Test können folgende Merkmale herangezogen werden: Sie verhält sich positiv im Test auf Nitratreduktion, sie kann folglich Nitrat zu Nitrit reduzieren. Der Urease-Test fällt bei vielen Stämmen positiv aus, sie besitzen somit das Enzym Urease und sind in der Lage Harnstoff abzubauen. Allerdings gibt es mehrere Urease-negative Stämme, so dass das Testergebnis für die Art als variabel angegeben wird. Gelatine, Casein oder Stärke können nicht durch Hydrolyse abgebaut werden. Ebenso wenig ist sie zur Äskulinhydrolyse fähig. Sie verfügt über das Enzym Arginindihydrolase (ADH) und kann daher die Aminosäure Arginin abbauen, auch Tyrosin kann hydrolysiert werden. Außerdem kann sie die Aminosäuren L-Glutaminsäure und L-Prolin abbauen.
Weitere organische Verbindungen, die als Energiequelle und zum Aufbau zelleigener Stoffe verwertet werden können, sind Citrat, Pyruvat, Succinat, Acetat, Adipat und Itaconat. Schwefelwasserstoff (H2S) wird nicht gebildet. Der Voges-Proskauer-Test auf Acetoin-Bildung und der Indol-Test verlaufen negativ. Da keine Kohlenhydrate abgebaut werden, erfolgt auch keine Säurebildung, somit ist die Methylrot-Probe ebenfalls negativ. Die Abgrenzung zu B. parapertussis und B. pertussis ist schwierig, da die drei Arten in vielen stoffwechselphysiologischen und biochemischen Merkmalen Gemeinsamkeiten zeigen, sie können allerdings anhand einiger Merkmale unterschieden werden (vergleiche Übersicht).
Serologische Merkmale Bordetella bronchiseptica besitzt auf ihrer Zellwand aufgelagerte Lipopolysaccharide (LPS). Sie sind Bestandteil der äußeren Membran und typisch für gramnegative Bakterien. Die LPS bestehen aus fettähnlichen Bestandteilen, verbunden mit Oligosacchariden (Zuckerbestandteilen), die als Antigen wirken und serologisch für den Nachweis verwendet werden können, da sie sich von den LPS der verwandten Arten unterscheiden. Weiterhin sind auch Proteine ein Bestandteil der äußeren Membran, sie werden häufig als OMP abgekürzt, nach der englischen Bezeichnung outer membrane proteins. Sie wirken ebenfalls als Antigen und bewirken eine Agglutination, wenn sie mit den passenden Antikörpern zusammentreffen.
Die bereits beschriebene S-R-Modulation hat auch Auswirkungen auf das serologische Verhalten, da manche als Antigen wirkende Strukturen bei der R-Form nicht mehr vorhanden sind. Auch die Virulenzfaktoren werden von der R-Form nicht mehr ausgebildet, daher ist sie nicht mehr virulent. Ein ähnlicher Effekt kann durch die Veränderung der Umweltbedingungen hervorgerufen werden, so überwiegt beim Wachstum bei niedrigen Temperaturen eine Form mit veränderten Antigenen, die ebenfalls nicht mehr virulent ist. Sowohl die S-R-Modulation als auch die Antigen-Modulation sind reversibel und werden durch einen Genlocus gesteuert. Die virulenten Stämme werden auch als Bvg+ bezeichnet, die avirulenten als Bvg−.
Genetik Das Genom des Bakterienstammes Bordetella bronchiseptica RB50 (auch unter der Bezeichnung ATCC BAA-588 geführt) wurde bereits 2003 vollständig sequenziert. Dabei handelt es sich um einen Stamm, der als tierpathogener Erreger von einem Kaninchen isoliert wurde. Das Genom weist eine Größe von 5339 Kilobasenpaaren (kb) auf, was in etwa 115 % der Genomgröße von Escherichia coli entspricht. Es liegt als zirkuläres Bakterienchromosom vor. Es sind 4994 Proteine annotiert. Der Vergleich mit der Genomgröße von B. parapertussis (4774 kb) und B. pertussis (4086 kb) zeigt, dass das Genom von B. bronchiseptica größer ausfällt. Dies wird damit erklärt, dass sich die anderen beiden Arten aus einer früheren Form von B. bronchiseptica entwickelt haben und ihre Beschränkung auf einen Wirt (den Menschen) dazu geführt hat, dass nicht mehr „benötigte“ Gene verloren gegangen sind.
Bis 2013 wurde das Genom von fünf weiteren Stämmen – B. bronchiseptica 253, 1289, MO149, Bbr77 und D445 – sequenziert und veröffentlicht. Diese Stämme wurden vom Menschen oder Säugetieren isoliert. Die Genomgrößen fallen etwas kleiner aus als bei dem zuerst untersuchten Stamm und liegen in einem Bereich von 4970 bis 5264 kb. Bei dieser Untersuchung wurden auch Stämme der verwandten Arten sequenziert und bestätigt, dass deren Genomgröße geringer ist. Die Ergebnisse der Sequenzierungen zeigen einen hohen GC-Gehalt (den Anteil der Nukleinbasen Guanin und Cytosin) in der Bakterien-DNA, der bei etwa 68 Mol-Prozent liegt. Nach den Ergebnissen der Genomuntersuchungen von 2013 enthält kein Stamm von B. bronchiseptica ein Plasmid, diese Besonderheit wurde nur bei B. parapertussis Bpp5 (von einem Schaf isoliert) gefunden.
Zu einem anderen Ergebnis kommt eine Untersuchung von 1997. Hiernach wurden 52 antibiotikaresistente Stämme, die von Katzen isoliert wurden, untersucht und bei zehn wurden Plasmide gefunden. Mit Hilfe von Konjugationsexperimenten wurde versucht, die Plasmide in den Stamm Escherichia coli K12 zu übertragen, was jedoch nur bei zwei Plasmiden gelang. Diese Plasmide sind jeweils 51 kb groß und tragen die genetische Information für eine Antibiotikaresistenz gegen Ampicillin, Tetracyclin, Streptomycin und Sulfonamide. Die Resistenz beruht zum einen auf Bildung einer Penicillinase, die den β-Lactam-Ring des Ampicillins spaltet und im Fall der Tetracyclinresistenz auf einem Effluxmechanismus.
Im Genom der drei „klassischen“ Spezies fehlen die Gene für wichtige Enzyme, die am Zuckerstoffwechsel beteiligt sind. Dies betrifft die Glucokinase und die Phosphofructokinase (Enzyme der Glykolyse), sowie die Fructose-1,6-bisphosphatase, die unter anderem am Pentosephosphatweg beteiligt ist. Dies erklärt den asaccharolytischen Stoffwechsel von B. bronchiseptica. Auch das Enzym Urease ist Gegenstand von genetischen Untersuchungen. Bei B. bronchiseptica sind viele Stämme Urease-positiv, sie besitzen also das Enzym, jedoch treten auch Urease-negative Stämme auf. Das Urease-Operon besteht aus Strukturgenen und zusätzlichen Genen, wobei zwei davon (ureE und ureF) miteinander fusioniert sind und dadurch ein Fusionsprotein (UreEF) gebildet wird. Weiterhin ist ein Regulatorgen (B. bronchiseptica Urease-Regulator, BbuR) zu finden, das die Genexpression des Urease-Operons steuert und mit dem Schutz des Bakteriums vor lysosomaler Beschädigung in Verbindung gebracht wird. Im Promotor von BbuR auftretende Mutationen sind demnach verantwortlich für das unterschiedliche Verhalten der Exprimierung von Urease.
Nachweise