Итак, мы продолжаем изучать инфекционный процесс. В прошлой статье мы закончили на факторах патогенности, а точнее на том, что именно факторы патогенности отличают патогенные бактерии от условно-патогенных. Переход условно-патогенных бактерий в патогенные совершается при нескольких условиях (смотрите предыдущую статью). Сутью этого перехода является приобретение факторов патогенности — и прямо сейчас мы узнаем, что это.
Что такое патогенность?
Перед тем, как изучить факторы патогенности, мы должны сначала узнать, что такое патогенность. Согласно учебнику Воробьёва (а именно он является основным источником этой и предыдущих моих статей), патогенность — это потенциальная способность микробов вызывать инфекционное заболевание. То есть, проникать в организм определённого вида хозяина, при естественных для данного микроба условиях заражения, размножаться в нём, нарушая гомеостаз и вызывая ответные защитно-восстановительные реакции.
Патогенность — это ни что иное, как эволюционно — сформировавшиеся приспособительные механизмы некоторых видов микробов для выживания и размножения. Патогенные микроорганизмы могут выживать и размножаться, только вызывая инфекционную болезнь. Для условно-патогенных микробов это не обязательное условие. Однако, в некоторых случаях (смотрите описание их в предыдущей статье) условно-патогенные микроорганизмы оказываются в среде, в которой наиболее выгодным с точки зрения эволюции является приобретение морфологических и физиологических свойств, которые нарушают гомеостаз организма хозяина и вызывают инфекционную болезнь. У патогенных микробов эти свойства имеются изначально. Именно они и называются факторами патогенности.
Патогенность и вирулентность
Для того, чтобы точно определить способность микроба вызывать инфекционную болезнь, используется термин «вирулентность», который часто представляют как измеримый эквивалент слова «патогенность». Во многом, это так, однако, есть ещё два признака, которые отличают патогенность и вирулентность.
Первое — патогенность заложена в генотипе, соответственно, патогенность передаётся от условно-родительскогой клетки к клетке-потомку. Например, при делении бледной трепонемы, которая является патогенным микроорганизмом, появляется бледная трепонема (treponema pallidum), также патогенная. Вирулентность же является фенотипическим признаком, то есть лишь отражает степень проявления генотипа.
Второе — патогенность является характеристикой целого вида микроорганизма. Вирулентность же является характеристикой какого-либо конкретного штамма, то есть намного более узкой группы. Например,отдельно взятый штамм холерного вибриона (vibrio cholerae) может обладать высокой вирулентностью и вызывать бурно протекающую холеру, а другой штамм, с более низкой вирулентностью, вызывает заболевание с менее выраженными симптомами.
Количественное измерение вирулентности осуществляется в единицах, называемых DLM (dosis letalis minima) — то есть минимальное количество микроорганизма, способное убить 95% лабораторных животных, взятых в опыт. При расчёте DLM необходимо учитывать способ введения микроорганизма. Например, DLM микобактерий туберкулёза для морской свинки составляет всего лишь 1-2 клетки микроорганизма при введении через дыхательные пути, а при парентеральном заражении требуется более тысячи клеток.
Факторы патогенности
Бактерия, обладающая факторами патогенности, будет использовать их для того, чтобы пользоваться ресурсами организма — хозяина и вызывать инфекционный процесс.
Факторы адгезии
Для того, чтобы начать атаку на макроорганизм, патогенный микроорганизм должен в него, во-первых, попасть, а во вторых — закрепится на поверхности клеток. Проникнув в человека через какой-либо орган (такой орган называется входными воротами инфекции), микроб вынужден как можно быстрее зафиксироваться на поверхности клеток, чтобы макроорганизм не удалил его защитными механизмами, такими, как, например, кашель или чихание.
Перевод слова «адгезия» — «прилипание» очень точно показывает суть этого явления. Бактериальная клетка (или вирусная частица) буквально прилипает к поверхности клетки, используя для этого факторы адгезии.
Что же представляют из себя факторы адгезии? Прежде всего, это специальные белки,располагающиеся на поверхности бактериальной клетки. Также к факторам адгезии относят клеточные органеллы — ворсинки, пили и фимбрии. У бактериальных клеток, которые лишены таких органелл, факторами адгезии являются полисахариды и тейхоевые кислоты. Микоплазмы, в частности, mycoplasma pneumoniae, имеют специальные выросты цитоплазматической мембраны, которые немного похожи на щупальца — это также органеллы, которые предназачены для адгезии.
Все перечисленные мной приспособления, а также многие другие, которые микробы используют для прикрепления к клеткам, называются адгезинами.
На этой иллюстрации вы можете видеть кишечную палочку (escherichia coli) со множеством пилей, которые предназначены для адгезии.
К сожалению, я не смог отыскать картинки с наглядными факторами адгезии патогенных микроорганизмов — но, несмотря на условно-патогенный тип кишечной палочки, пили здесь видны очень хорошо. Они будто бы образуют венец вокруг клеточной мембраны:
Факторы адгезии обладают важным свойством — специфичностью. Для каждого возбудителя имеются определённые типы клеток, к которым он может «прилипнуть». Дело в том, что адгезин соединяется не со случайным участком клетки, а с определённым рецептором, который соответствует ему по химическому строению. Именно поэтому возбудители, например, ЗППП, имеют способность к адгезии эпителию половых органов и мочевыводящих путей, а возбудители кишечных инфекций — к эпителию органов ЖКТ.
На этой схеме из википедии достаточно хорошо показаны пили бактерии (серые с красными головками) и восприимчивые к ним рецепторы (зелёный, оранжевый и синий цвета), расположенные на клетках макроорганизма.
Факторы инвазии и агрессии
Итак, микроорганизмы прошли через входные ворота и прикрепились к клеткам. Теперь они могут смело размножаться и заселять межклеточное пространство, если это внеклеточные паразиты, или же проникать в клетки, если это внутриклеточные паразиты. Преодолевать защитные действия организма и проникать через новые барьеры бактериям позволяют факторы инвазии и агрессии.
Под факторами инвазии и агрессии понимают, прежде всего, разнообразные ферменты. К счастью, у бактерий нет зубов, они — одноклеточные, поэтому воздействие на клетки и ткани макроорагнизма они оказывают, прежде всего, ферментами. Давайте изучим несколько самых распространённых.
Гиалуронидаза
Этот фермент расщепляет гиалуроновую кислоту — один из главных компонентов соединительной ткани. Гиалуроновая кислота участвует в поддержке структуры соединительной ткани, способствует пролиферации её клеток, а также входит в состав суставной жидкости. Расщепление гиалуроновой кислоты позволяет бактериям колонизировать и захватывать всё больше и больше пространства, а также использовать её составные части в качестве пищи.
Нейраминидаза
Этот фермент нацелен на расщепление сиаловой кислоты, поэтому его второе называние — сиалидаза. Сиаловая кислота является компонентом клеточных мембран, а также слизистого секрета, покрывающего слизистые оболочки ЖКТ, дыхательной, выделительной и половой систем. Из-за того, что сиаловая кислота встречается почти в каждом органе, спектр действия нейраминидазы очень широк. Кстати, этот фермент впервые был обнаружен у клостридий, вызывающих газовую гангрену (Clostridium perfringens).
Плазмокоагулаза
Плазмокоагулаза, в отличие от двух предыдущих рассмотренных нами ферментов, не разрушает какую-либо ткань, а формирует новую. При помощи этого фермента, как видно из названия, происходит коагуляция плазмы, и вокруг бактерии формируется капсула из фибрина. Эта капсула защищает бактерию от фагоцитов, антител и других потенциальных неприятностей, которые защищающийся макроорганизм устраивает непрошенным гостям.
Фибринолизин
Этот фермент действует противоположно предыдщему — он активируется в другое время и в других обстоятельствах. Фибринолизин растворяет сгустки фибрина, которые формируются в ходе воспаления (не забываем, что воспаление — это защитная реакция организма, в том числе, в ответ на вторжение микроорганизмов). Растворение фибрина перебивает умный ход нашего иммунитета, который, при помощи плотных фибириновых сгустков, пытается отграничить участок вторжения микробов от остальных тканей.
Существует очень много других ферментов, которые я не могу подробно описать из-за желания сделать это руководство более компактным. Это коллагеназа, фосфолипаза, ДНКаза, Ig-A-протеаза и многие другие. Главное, что здесь необходимо уяснить — говоря об инфекционной болезни, мы имеем дело с настоящей войной микроорганизмов и макроорганизма, в которой факторы инвазивности и агрессии являются оружием пехоты наступающего противника.
Антифагоцитарные факторы патогенности
В полном объёме о работе нашей иммунной системы я расскажу в какой-нибудь из следующих статей. Однако, без пары слов о фагоцитах я не смогу объяснить принципы устройства антифагоцитарных факторов. Итак, фагоциты — это клетки иммунной системы, которые фагоцитируют, то есть, пожирают чужеродные частицы, в нашем случае это микробы. К фагоцитам традиционно относят нейтрофилы, моноциты и тканевые макрофаги — обязательно загляните сюда, если не знаете, кто это такие.
Фагоциты действуют очень быстро вне зависимости от того, что за чужак перед ними, поэтому для того, чтобы не быть съеденными прямо на месте, патогенные микробы должны уметь защищаться.
Посему, многие микробы в процессе эволюции приобрели способность не только укрываться от фагоцитоза, но и существовать внутри фагоцитов, и даже размножаться в них. Это возможно только благодаря хорошо развитым антифагоцитарным факторам патогенности. К ним относятся разнообразные капсулы, микрокапсулы, оболочки и слизистые чехлы — то есть приспособления, физически укрывающие бактерию и не позволяющую фагоциту её уничтожить.
Даже если бактерия оказалась поглощена фагоцитом, антифагоцитарные факторы патогенности защитят её от переваривания и расщепления внутри его органелл. Такое явление называется незавершённым фагоцитозом, и очень ярко мы можем видеть это являение, например, в случае развития туберкулёза. Я делал про это специальную статью, и там была иллюстрация, которая демонстрирует незавершённый фагоцитоз:
На этой иллюстрации макрофаг изображен в сиреневом цвете, а микобактерия туберкулёза (mycobactérium tuberculósis) — в зелёном. В отсутствии антифагоцитарных факторов патогенности, микобактерия была бы переварена и растворена макрофагом, однако, из-за дополнительной клеточной стенки, включающей в себя воск и миколовую кислоту, она выживает.
Кстати, фермент плазмокоагулаза, которая является фактором инвазии, также может быть отнесен и к антифагоцитарным факторам, ведь фибриновые отложения помогают бактерии защититься и от фагоцитов.
Антифагоцитарные факторы патогенности, на самом деле — это очень большая проблема для обороняющейся стороны, то есть, для макроорганизма. Помимо того, что они напрямую защищают бактерию от пожирания макрофагами, они ещё и блокируют хемотаксис — то есть, направленное движение более совершенных клеток иммунитета к очагу инфекции.
Аналоги антифагоцитарных факторов имеются у более сложноорганизованных паразитов — например, плотные оболочки ленточных червей, называемыми цистами, защищают их от ферментов лейкоцитов, антител и атак со стороны системы комплемента.
Токсины
Несомненным и, вероятно, самым важным фактором патогенности являются токсины. Токсины бактерий — это продукты их жизнедеятельности, которые оказывают прямое или опосредованное токсическое действие на макроорганизм, выраженно нарушающее гомеостаз вплоть до угрозы жизни. Существует множество классификаций токсинов, однако, в микробиологии базовой классификацией является разделение токсинов на эндотоксины и экзотоксины.
Экзотоксины
Экзотоксины — это вещества, нарушающие гомеостаз организма-хозяина, которые вырабатываются бактериями при их жизни. Для появления экзотоксина бактерия не должна погибнуть, это вещества, которые она выделяет в ходе жизнедеятельности. Сразу отметим, что по природе своей большинство экзотоксинов является белками, которые достаточно чутко реагируют на изменения температуры и декативируются при повышении её от нескольких единиц до нескольких десятков градусов, причём в последнем случае хватает кратковременного повышения.
Экзотоксины являются более опасными и высокотоксичными, нежели эндоктоксины. В качестве примера можно привести смертоносные нейротоксины, выделяемые Clostridium tetani (возбудитель столбняка) и Clostridium botulinum (возбудитель ботулизма). Также экзотоксины всегда отличаются органоспецифичностью и даже цитоспецифичностью — это значит, что они поражают строго определённый тип тканей и клеток.
Однако, экзотоксины имеют одну положительную черту. Иммунологи и микробиологи научились пользоваться агрессивностью экзотоксинов. Из-за того, что они имеют выраженную иммуногенность (то есть достаточно эффективно распознаются специфичными иммунными клетками), они отлично подходят для создания анатоксинов. Анатоксинами называют вещества, которые аналогичны токсинам по иммуногенным свойствам, однако при этом лишенных токсичности. Проще говоря, анатоксин — это обезвреженный токсин. Введение анатоксина в организм обеспечивает быстрое появление антител, которые, столкнувшись с настоящим токсином, немедленно его разрушат. Анатоксины используют при повышенном риске заражения опасными инфекциями, возбудителями которых являются бактерии, создающие экзотоксины. Наверняка многие из вас слышали про необходимость введения столбнячного анатоксина при обширных, загрязненных ранах.
Существует достаточно много классификаций экзотоксинов, я приведу лишь одну из них, согласно которой экзотоксины разделяются по механизму действия. Различают:
- Токсины, повреждающие мембраны клеток (так действуют патогенные штамы E. Coli, пневмококки и листерии) ;
- Токсины, вызывающие протеолиз (например, столбнячный токсин, вызывающие разрушение белков в синаптической щели);
- Токсины — блокаторы синтеза белка внутри клеток хозяина (такие токсины выделяют дифтерийная палочка, дизентерийная шигелла);
- Токсины, меняющие метаболизм клетки хозяина (например, bordetella pertussis, вызывающий коклюш);
Эндотоксины
Эндотоксины во многом противоположны экзотоксинам. Это вещества, которые нарушают гомеостаз организма-хозяина, но, при этом они попадают в окружающую среду, то есть, в организма-хозяина, только после гибели бактерии. То есть, экзотоксины выделяют живые бактерии, а эндотоксины попадают в среду макроорганизма только со смертью бактерии.
Химическое строение эндотоксинов также отличается от экзотоксинов, ведь экзотоксины — это белки, а эндотоксины — это липополисахариды. Липополисахарид — это соединение липида и полисахарида (то есть, углевода), которое является одним из главных компонентов мембран грамотрицательных бактерий. Липиды и углеводы не настолько чувствительны к повышению температуры, как белки, которые при нагревании теряют свою естественную структуру (это называется денатурацией), поэтому мы смело делаем вывод — эндотоксины несравненно более устойчивы к высоким температурам.
Эндотоксины значительно уступают экзотоксинам в способности вызывать летальный исход. Также, эндотоксины, в отличие от экзотоксинов, не обладают органоспецифичностью. Эндотоксины действуют похожими методами и поражают одни и те же ткани. Нетрудно догадаться, что иммунногенность эндоксинов не настолько высока, следовательно наша иммунная система не распознаёт их настолько быстро и эффективно и, следовательно, качественных, работающих анатоксинов здесь быть не может.
Однако, эндотоксины имеют одну примечательную особенность — именно они играют самую непосредственную роль в возникновении сепсиса — грозного осложнения инфекционных болезней, ожогов, травм и хирургических операций.
Аттенуация и биологическое оружие
Это небольшой, но достаточно важный вопрос, который регулярно встречается в экзаменационных билетах по микробиологии. Аттенуация — это искусственное ослабление патогенности микроорганизма, которое используется, как правило, для создания вакцин из живых возбудителей. Именно так была создана первая в истории вакцина, защищающая от бешенства. Эта вакцина спасла огромное количество людей от ужасной и неизбежной смерти — именно поэтому портрет её создателя Луи Пастера располагается в самом верху моей статьи.
Луи Пастер прививал вирус бешенства лабораторным животным. После гибели животного производилось препарирование и извлечение головного и спинного мозга с последующим высушиванием, после чего немного ослабленный вирус снова пересаживался лабораторному животному. В конечном счёте, Пастер получил вирус бешенства, не способный вызывать заболевание, но способный подготовить иммуннитет организма к встрече с этим абсолютно безжалостным врагом. По более современной, но схожей технологии создаются и другие вакцины с живыми возбудителями — например, вакцина от полиомиелита.
Противоположной процедурой является создание биологического оружия (запрещённого Женевским протоколом 1925-го года). Террористы и военные преступники специально выводят наиболее патогенные штаммы микроорганизмов, чтобы обеспечить максимальное поражение. Чаще всего для таких целей используются микроорганизмы с высокими показателями патогенности, способные образовывать споры, цисты или другие защитные приспособления. Например, bacillus anthracis — возбудитель сибирской язвы.
Латинские термины из этой статьи:
-
- Treponema pallidum
- Vibrio cholerae
- Dosis letalis minima
- Mycoplasma pneumoniae
- Escherichia coli
- Clostridium perfringens
- Mycobacterium tuberculosis
- Clostridium tetani
- Clostridium botulinum
- Bordetella pertussis
- Bacillus anthracis
Огромное спасибо Алексею Николаевичу Сивухину, автору крутейшего ютуб — канала по микробиологии. Без его великолепных видеолекций и советов эта статья никогда бы не была создана.
Добавить комментарий