Mikrobiologie a imunologie
4.2 Patogenita a virulence mikroorganizmů
4.2 Patogenita a virulence mikroorganizmů
Lékařská mikrobiologie se kromě jiného zabývá vztahem lidského organizmu a mikroorganizmů. Především těch mikroorganizmů, které mají úzký vztah k lidskému organizmu. Možnost mikroorganizmu množit se v lidském těla je dána podmínkami – teplota, vlhkost, pH, dostatek živin, růstové faktory. V naprosté většině se člověk rodí jako bezmikrobní organizmus a teprve v okamžiku porodu se setkává poprvé s mikroorganizmy. Vzájemné vztahy těchto dvou subjektů se vyvíjely po celou dobu vývoje pod vlivem vzájemných selekčních tlaků. V současnosti můžeme tyto vztahy považovat za vzájemně užitečné a prospěšné. Vyjadřujeme je termínem adaptace.
Parazitizmus označuje mikroorganizmy, které se množí a přežívají v lidském těle a tyto mikroorganizmy hostiteli (makroorganizmu) škodí.
Komenzalizmus je takový vztah, kdy mikrob využívá hostitele pro prostředí a jako zdroj výživy tak, že hostitel není poškozován.
Symbióza znamená soužití dvou partnerů, kdy oba mají ze soužití užitek, např. Eschericihia coli a laktobacily v tlustém střevě nebo viridující streptokoky v ústní dutině.
Patogenita je schopnost mikrobiálního druhu vyvolat onemocnění konkrétního druhu hostitele. Termínem virulence označujeme míru patogenity určitého mikrobiálního kmene.
Virulence daného mikrobiálního kmene může být rozdílná také díky vnímavosti jedince. Patogenní mikroorganizmy můžeme z tohoto pohledu rozdělit na primární patogeny a oportunní patogeny. Za primární patogeny považujeme takové mikroorganizmy, které jsou schopny vyvolat onemocnění u zdravého jedince plně vybaveného nástroji rezistence a schopného reagovat specifickou imunitou. Podmíněně patogenní druhy – oportunní druhy mikroorganizmů mají podstatně složitější hodnocení a charakteristiku. Mikroorganizmy tohoto typu jsou schopny být původci onemocnění jen tehdy, pokud jsou přirozené obranné mechanizmy poškozeny – poranění kůže, poškození sliznic, překážky v odtoku moče, porucha fyziologických dějů, cizí tělesa v tkáni, poruchy plicní ventilace, umělohmotné náhrady v cévním řečišti, katétry a pokud je snížena funkce imunitního systému (infekce virem HIV).
Zdrojem infekce může být: 1. zevní prostředí a 2. vlastní endogenní flóra. Podmíněně patogenní druhy představují v současnosti velmi závažný problém, zejména v prostředí nemocnic v souvislosti s výskytem nozokomiálních nákaz. Původci těchto nákaz se formují na odděleních a klinikách a jejich vlastnosti se mění pod vlivem používaných dezinfekčních prostředků a antibiotik. Tyto infekce pak komplikují průběh základního onemocnění u pacientů hospitalizovaných na lůžkových odděleních. Infekční proces představuje několik následných kroků: setkání mikroba s hostitelem, jeho vstup do hostitelského organizmu, šíření z místa vstupu množení v hostiteli, poškození hostitele přímým působením mikroba anebo odpovědi hostitele na přítomnost infekčního agens. Jednotlivé kroky infekčního procesu souvisí s produkcí faktorů patogenity. Jejich tvorba je geneticky kódována buď chromozomálně nebo na plasmidech extrachromozomálně. Faktory patogenity můžeme rozdělit na faktory invazivity a toxické produkty. Faktory invazivity umožňují kolonizaci, průnik a množení a toxické produkty jsou většinou uvolňované do prostředí, ale také jsou vázané na bakteriální buňku a uvolňované po rozpadu. Celý infekční proces se děje v hostitelském organizmu. V hostitelském organizmu se mohou mikroorganizmy množit volně, bez vazby na hostitelskou buňku, to jsou tzv. extracelulární paraziti. Další typ patogenů jsou intracelulární paraziti. Někteří z těchto patogenů jsou zcela závislí na metabolizmu hostitelské buňky, jiní zase odolávají baktericidním mechanizmům fagocytujících buněk. Mikroorganizmy vstupují do hostitelského organizmu nejčastěji kůží, sliznicemi respiračního, trávicího traktu, urogenitálního traktu a spojivkami.
K poškození hostitele může docházet různými způsoby, např. adhezí a invazí do buněk, produkcí toxinů, stimulací zánětlivé reakce a uvolněním cytokinů, indukcí imunopatologických reakcí. Povrch sliznic je chráněn vrstvou hlenu a spolu s jinými faktory tvoří účinnou ochrannou bariéru před invazí mikroorganizmů touto cestou. Řada bakterií má bičíky, díky kterým se velmi dobře pohybují a mohou pronikat skrz slizniční bariéru. Na povrchu buněk soutěží s přítomnou bakteriální fyziologickou flórou o přístup k živinám a čelí také obranným mechanizmům hostitele. Významnou úlohu při vazbě bakterií na buňky hraje glykoprotein – fibronektin. Adherované bakterie se množí na povrchu a tvoří v povrchové vrstvě epiteliálního glykokalyxu mikrokolonie obalené vrstvou vlastního glykokalyxu, který bakterii chrání před fagocytujícími buňkami, antibioitiky a protilátkami. U zdravých jedinců jsou trvale kolonizovány sliznice dutiny ústní, nosní sliznice a sliznice horních cest dýchacích, spojivkový vak, sliznice tlustého střeva a sliznice vagíny. Kůže je osídlena charakteristickou mikrobiální flórou. Tato bariéra je velmi účinná a zůstává na povrchu trvale k ochraně proti pronikajícím mikrobům. Adherence mikroba může být způsobena jediným faktorem nebo se na ní může podílet více faktorů, např. fimbrie, M protein a lipoteichoová kyselina u streptokoků atd. Adherence je prvním krokem bakterií k jejich dalšímu průniku do hostitelské buňky a umožňuje také množení bakterií. Jako příklad můžeme uvést enteropatogenní Escherichia coli, Vibrio cholerae a produkci choleragenu (cholerový enterotoxin) nebo Corynebacterium diphtheriae a difterický toxin. Druhým krokem je průnik bakterií do hostitelské buňky. Invaze do buněk probíhá dvěma způsoby:
1. využitím vysoké afinity ligand mezi receptorem hostitelské buňky a bakteriálním adhezinem
2. vstup do buňky může být uskutečněn využitím transportního systému buňky
Tento mechanizmus se uplatňuje u Yersinia pseudotuberculosis, Bordetella pertussis, Borrelia burgdorferi, u leishmanií.
Vazba zprostředkovaná ligandami typu kolagenu, lamininu, fibronektinu, které se samy váží na integriny, je charakteristická pro streptokoky a stafylokoky. Tyto bakterie obvykle zůstávají extracelulárně. Další možností je průnik bakterie do hostitelské buňky jejich vzájemnou vazbou a následně změnou cytoskeletonu hostitelské buňky. Shigely jsou třeba schopny pronikat do buněk kartáčkovým lemem. Do sliznice vstupují v místech lymfoidní tkáně. Yersinia enterocolitica proniká podobně jako salmonela – aktivní endocytózou. Listeria monocytogenes proniká do buněk s využitím 3 faktorů internalinu, který je identický s proteinem zevní membrány. Množení bakterií in vivo je ovlivněno velmi výrazně například železem. Na železe je závislá také produkce toxinů u některých bakterií – Pseudomonas aeruginosa, Clostridium perfringens, Clostridium tetani, Corynebacterium diphtheriae. Některé druhy bakterií jsou lokalizovány a vázány na určitou oblast lidského organizmu např. Proteus mirabilis využívá pro svůj metabolizmus ureu, proto způsobuje infekce v močových cestách.
Toxické bakteriální proteiny
Bakterie při svém rozpadu nebo i aktivně transportují do svého okolí toxické látky. Mnohé z nich zvyšují patogenitu bakterií – Streptococcus pyogenes, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Bacillus anthracis. Mohou být také hlavními faktory patogenity – např. u Corynebacterium diphtheriae, Clostridium tetani, Clostridium botulinum, Vibrio cholerae. Toxické produkty bakteriálního metabolizmu nazýváme toxické bakteriální proteiny – exotoxiny. Toxicita bakteriálních toxinů vztažena k organizmu se vyjadřuje v nanogramech na kilogram hmotnosti. Letální dávka botulotoxinu a tetanospasminu je 0,5–1 ng/kg hmotnosti. Zvláštností jsou toxiny produkované mimo hostitele, zejména v potravinách - botulotoxiny a stafylokokové toxiny. Exotoxiny jsou bakteriální toxiny produkované především grampozitivními bakteriemi. Endotoxiny jsou bakteriální toxiny uvolňované až po rozpadu bakteriální buňky např. u gramnegativních bakterií.
Podle místa zásahu dělíme toxiny na:
1. toxiny reagující s membránami eukaryotických buněk, které poškozují – cytolytické,
2. toxiny pronikající po vazbě na specifický receptor na buňce do cytoplasmy, kde ovlivňují různými mechanizmy fyziologii buňky.
Podle cílových orgánů je dělíme na:
1. neurotoxiny (botulotoxiny, tetanospasmin),
2. enterotoxiny (choleragen, termolabilní a termostabilní enterotoxiny Escherichia colia dalších enterobakterií, stafylokokové enterotoxiny, enterotoxin Clostridium perfiringens, enterotoxin Bacillus cereus),
3. dermonekrotoxiny (difterický, stafylokokový alfa toxin, toxiny Arcanobacterium haemolyticum, Corynebacterium ulcerans, Corynebacterium pseudotuberculosis),
4. cytotoxiny (např. Clostridium difficile),
5. kardiotoxiny (difterický, oxygenlabilní streptolysin produkovaný streptokoky A, C a G.),
6. kapilarotoxiny (toxiny Bacillus anthracis, Arcanobacterium haemolyticum, Corynebacterium ulcerans, Corynebacterium pseudotuberculosis),
7. hemolysiny (stafylokokové, streptokokové, klostridiové, tetanolysin, listeriolysin),
8. leukocidiny (Staphylococcus aureus),
9. toxiny s vlastnostmi superantigenů (streptokokové pyogenní toxiny, stafylokokový toxin toxického šoku).
Produkce toxinů je kódována chromozomálně. Koncentrace iontů – Fe, Ca a Mg může ovlivňovat produkci toxických proteinů. Přímo na membrány eukaryotických buněk působí cytolytické toxiny, které poškozují i endotelie kapilár, trombocyty a leukocyty. Na poškození buněčné membrány se podílí několik typů mechanizmů:
1. Enzymová hydrolýza membránových fosfolipidů fosfolipázami C a D - štěpí fosfatidylcholin (lecitin) a sfyngomyelin (např. C fosfolipáza Clostridia perringens vyvolává intravaskulární hemolýzu při myonekróze) i jiných klostridií, C sfingomyelináza Staphylococcus aureus, C lecitináza Pseudomonas aeruginosa, D sfingomyelináza Arcanobacterium haemolyticum, Corynebacterium ulcerans.
2. Tvorba pórů v buněčné membráně po vazbě na cholesterol - příkladem je 15 oxygenlabilních hemolysinů (Streptococcus pyogenes, Streptococcus pneumoniae, klostridie, bacily, Listeria monocytogenes, tetanolysin Clostridium tetani atd.) Streptolysinu je připisována kardiotoxicita.
3. Povrchově aktivní hemolysiny (delta lysin Staphylococcus aureus)
4. Torba pórů insercí do buněčné lipidové dvojvrstvy – alfa toxin Staphylococcus aureus porušuje erytrocyty a může způsobovat také nekrózu.
Toxiny působící intracelulárně
Tyto toxiny působí třemi různými způsoby a jsou tvořeny polypeptidickými řetězci jako fragment A enzymově aktivní a fragment B, který se váže na buněčný receptor. Fragment A je sám o sobě netoxický, nemůže proniknout do buňky. Po vazbě fragmentu B na receptor je molekula naštěpená a po redukci disulfidických vazeb se fragmenty rozdělí, fragment A pronikne do cytosolu a fragment B zůstane na povrchu buňky.
Toxiny s transferázovou aktivitou
Mají schopnost katalyzovat ADP - ribosylací cílového proteinu v buňce, to znamená, že katalyzují přenos adenosindifosfát ribosy z nikotinadenosindinukleotidu.
Do první skupiny patří toxiny, které mají schopnost navázat ADP - ribosu na eukaryotický elongační faktor 2. To vede k zástavě proteosyntézy v buňce a následně k jejímu úhynu (A toxin Pseudomonas aeruginosa, difterický toxin).
Do druhé skupiny patří toxiny, které kovalentně navážou ADP - ribosu na regulační složky adenylcyklázy, což vede ke zvýšené produkci cyklického AMP (cholerový toxin, termolabilní enterotoxin Escherichia coli, toxin Bordetella pertussis – senzibilizuje pro – histamin, způsobuje lymfocytózu a leukocytózu).
Do třetí skupiny můžeme zařadit produkt Clostridium botulinum typ C2 a C3 odlišný od botulotoxinu. Transferázový toxin těchto typů Clostridium botulinum nemá prokazatelný podíl na toxicitě. Patří sem také iota toxin Clostridium perfringens.
Botulotoxin a tetanospasmin.
Oba tyto toxiny působí jako neurotoxiny. Botulotoxin se dostává do organizmu obvykle potravou jako preformovaný a ze střeva je vstřebáván do krevního oběhu a odtud se dostává na neuromuskulární ploténky. Tím, že se naváže na motorickou část ploténky, vyvolá presynaptický blok uvolňování acetylcholinu. Tímto způsobem dojde k ireverzibilnímu ochabnutí svalů. Následuje smrt v důsledku paralýzy dýchacích svalů. Podle charakteristických antigenů jsou botulotoxiny označovány jako A-F. Člověka nejčastěji poškozuje botulotoxin A, B a E. Clostridium botulinum se může v lidském organizmu také množit v trávicím traktu, zejména u malých dětí. Kontaminovat se může i rána a tvořený botulotoxin se pak šíří a vstřebává stejným způsobem.
Tetanus, jeho patogeneze začíná jako lokální infekce anaerobním mikroorganizmem Clostridium tetani. Clostridium neproniká do tkání, ale tetanospasmin je vychytáván nervovými zakončeními a transportován retrográdně do šedé hmoty předních rohů míšních, kde proniká do buňky. Toxin blokuje uvolňování inhibičních neurotransmiterů, a to vede ke křečím příčně pruhovaných svalů. Vazební fragment se může z vazby uvolnit a volně putovat a zvyšovat aktivaci kardiovaskulárních sympatických mechanismů, což vysvětluje riziko náhlé smrti.
Komplexní toxin
Samostatně se uvádí antraxový toxin, který má zvláštní postavení mezi toxiny. Je složený ze tří samostatných proteinů.
Všechny tři složky antraxového antigenu vyvolávají u postiženého edém a působí letálně. Celý komplex je vysoce imunogenní.
Bakteriální superantigeny
Charakteristické pro tyto antigeny je, že mají nestandardní způsob interakce s buňkami imunitního systému. Řadíme sem enterotoxiny a toxin toxického šoku Staphylococcus aureus, pyogenní toxiny i další toxiny Streptococcus pyogenes, superantigeny mykoplasmat, pseudomonád a enterotoxin Clostridium perfringens. Stafylokokové enterotoxiny jsou velmi důležitou příčinou tzv. otravy z potravin. Tyto bakteriální toxiny vyvolávají stafylokokovou enterotoxikózu po požití potravy, která obsahuje performované toxiny. Klinickým projevem tohoto onemocnění je průjem (po krátké inkubační době, který zpravidla odezní bez komplikací. Zvláštní postavení mají toxiny produkované bakterií Streptococcus pyogenes. Erytrogenní toxin má vztah ke spálovému exantému - později se tyto superantigeny přejmenovaly na pyogenní toxiny pro nejvýraznější efekt – horečku. Toxické bakteriální proteiny jsou bílkoviny, které nesou celou řadu antigenních determinant. Proti nim se tvoří v hostitelském organizmu specifické antitoxické protilátky. Množství antitoxinu se vyjadřuje v antitoxických jednotkách – Unitas Antitoxica UA. Důležitou vlastností toxinů je možnost jejich transformace v toxoid. TOXOID je molekula toxinu, která ztratila svou toxicitu, ale její antigenní vlastnosti jsou zachovány. Toxoid většinou vzniká spontánně nebo je možné změnit výchozí molekulu chemicky. Dále stimuluje tvorbu antitoxických protilátek, a proto je úspěšně využíván ke specifické prevenci a k aktivní imunizaci proti záškrtu a tetanu. Průkaz schopnosti bakteriálního kmene tvořit toxin – toxigenita, se prokazuje indikátorovými systémy nebo sérologickými metodami.
Endotoxiny – lipopolysacharidový komplex
Složení endotoxinů velmi úzce souvisí se stavbou buněčné stěny u gramnegativních bakterií. Lipopolysacharidový komplex je uložen pod peptidoglykanovou vrstvou a vrstvou fosfolipidů, je to biologicky aktivní složka buněčné stěny. Tento komplex brání vstupu těžkých kovů, žlučových kyselin a větších molekul do bakteriální buňky. Biologická aktivita se může projevit pouze tehdy, když se uvolní lipopolysacharid ze zevní membrány. Uvolňuje se s rozpadem gramnegativní bakteriální buňky.
K masivnímu zaplavení organizmu endotoxinem dochází při rozpadu bakterií účinkem vlastních autolytických enzymů (např. u meningokokcémie), v důsledku cytolýzy komplementem a účinkem membránově působících antibiotik. Endotoxin se uvolňuje do krevního oběhu z různých primárních ložisek gramnegativní flóry, ale nejčastěji při perforaci střeva, popáleninách, obstrukcích močového traktu, infekcích žlučníku. K nejčastějším druhům bakterií, produkujících endotoxin, patří enterobakterie – Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, z anaerobních bakterií Bacteroides fragilis. Reakce organizmu na endotoxin je závislá na množství uvolněného endotoxinu. V nízkých dávkách v interakci s B lymfocyty, neutrofilními leukocyty, makrofágy a komplementovým systémem vyvolávají horečku, vasodilataci, zvýšenou syntézu protilátek a zánětlivou reakci. Při vysokých dávkách uvolňujícího endotoxinu dochází k intravaskulární koagulopatii a endotoxinovému šoku s rizikem letálního konce.