Основные особенности патогенных микроорганизмов

Микробный агент–это патогенные и условно-патогенные микроорганизмы.

Среди бактерий по способности вызывать заболевание выделяют:

1) патогенные;

2) условно-патогенные;

3) сапрофитные.

Патогенные видыпотенциально способны вызывать инфекционное заболевание.

Условно-патогенные бактериимогут вызывать инфекционное заболевание при определенном снижении защитных сил организма.

Сапрофитные бактерииникогда не вызывают заболевания, так как они не способны размножаться в тканях макроорганизма.

Патогенность– потенциальная способность определенных видов микробов вызывать инфекционный процесс; характеризуется комплексом болезнетворных свойств микроба, который сформировался в процессе борьбы за существование и приспособление к паразитированию в организме, будь то растение, животное или человек. Патогенность является видовым признаком болезнетворных микробов, при этом каждый вид, как правило, способен вызывать определенную инфекционную болезнь. Патогенность – генотипический полидетерминантный признак, характеризующий видовую способность микробов «приживаться» в органах и тканях организма и размножаться в них. Признак патогенности является потенциальным потому, что он может быть реализован только в определенных условиях – в восприимчивом организме. Так, например, гонококки и вирус кори не способны вызвать заболевание у животных.

Полидетерминантность патогенного генотипа обусловлена многими группами генов (хромосомных и плазмидных), ответственных за образование разнообразных морфологических структур (капсулы, клеточная стенка, пили и др.), ферментов (гиалуронидаза, нейраминидаза), токсинов и прочих метаболических продуктов, оказывающих неблагоприятное действие на макроорганизм.

Реализация патогенности идет через вирулентность – это способность микроорганизма проникать в макроорганизм, размножаться в нем и подавлять его защитные свойства. Это штаммовый признак, он поддается количественной характеристике. Вирулентность – фенотипическое проявление патогенности.

Вирулентность (и токсигенность) – фенотипическоевыражение патогенного генотипа. Это мера патогенности, степень патогенности данного штамма. Она имеет свойство изменяться под влиянием естественных условий.Если патогенность микроба – это видовой постоянный признак, то вирулентность можно повысить последовательными пассажами через восприимчивых лабораторных животных или путем трансформации или трансдукции. Ослабить вирулентность можно, воздействуя на микроорганизмы различными факторами, к которым можно отнести защитные силы организма, антимикробные препараты, высокую температуру, дезинфицирующие вещества, иммунные сыворотки, пересевы с одной питательной среды на другую и др.

Вирулентность присуща только живым активно метаболизирующим клеткам и измеряется условно принятыми единицами. Dlm – dosis letalis minima (минимальная летальная доза) - это минимальное количество микробов, которое при определенном способе заражения восприимчивого животного стандартной массы и возраста вызывает гибель в течение определенного времени не менее 95% животных.

Dcl – dosis corfa letalis, от которой должно погибнуть 100% взятых для опыта животных. Наиболее удовлетворяющей требованиям считается LD₅₀ - доза, убивающая половину зараженных животных.

Определенное количество патогенных бактерий, способное вызвать инфекционное заболевание, получило название инфицирующей дозы (ID) патогенного микроорганизма. Инфицирующие дозы зависят от видовой принадлежности возбудителя, его вирулентности и состояния неспецифической и иммунной защиты макроорганизма.

Вирулентность микроба, так же, как и любой другой признак, может изменяться. Эти изменения носят либо фенотипический характер, либо являются следствием мутаций в соответствующих генах.

Есть мнение, что патогенные микроорганизмы произошли от сапрофитов в результате длительной эволюции, связанной с адаптацией к паразитическому существованию в организме человека и животных. Доказательством этому служит наличие микроорганизмов, ведущих сапрофитический образ жизни, но по морфологическим и культуральным свойством являющихся как бы двойниками патогенных. Считают, что кокки являются наиболее древними бактериями. Они обнаружены в известняках протеозойской эры, в каменном угле палеозойской эры.

Вероятно, что из водных сапрофитных и свободно живущих вибрионов образовались патогенные виды. Между водными и холерными вибрионами существуют промежуточные (парахолерные) формы. Происхождение микобактерий туберкулеза также относится к отдаленным временам. О древности микобактерий говорит тот факт, что известные в настоящие время виды и разновидности микобактерий являются паразитами различных животных, далеко отстоящих друг от друга: теплокровные (птицы, грызуны, человек) и холоднокровные (рыбы, змеи, черепахи, лягушки).

Для патогенных микроорганизмов характерны:

1.Специфичность. Патогенные микробы характеризуются выраженной специфичностью, т.е. способностью данного вида микробов вызывать определенные патоморфологические, патофизиологические и клинические проявления. Каждый вид способен обычно вызывать определенную инфекционную болезнь. Так, холерный вибрион вызывает холеру, туберкулезные микобактерии – туберкулез и т.д.

2.Многие патогенные микробы приспособились к паразитированию только в определенных тканях и органах организма. Это свойство получило название органотропность. Например, возбудитель гонореи размножается, попадая на цилиндрический эпителий мочевыводящих путей или конъюнктивы глаза. Однако есть микроорганизмы, которые могут поражать любую ткань, любой орган, например микобактерии туберкулеза, стафилококки.

Ткани, лишенные физиологической зашиты против конкретного вида микроорганизма, служат местом его проникновения в макроорганизм, или входными воротами инфекции. Входные ворота определяют локализацию возбудителя в организме, патогенетические и клинические особенности заболевания.

Внешняя среда может оказывать влияние как на макроорганизм, так и на микробов-возбудителей. Это природно-климатические, социально-экономические, культурно-бытовые условия.

В основе инфекционного процесса лежит феномен паразитизма, т.е. это такая форма, когда один вид, называемый паразитом, использует другого, называемого хозяином, в качестве источника питания и как место постоянного или временного обитания. С популяционно-экологических позиций выделяют три категории паразитов: облигатных, факультативных и случайных.

Облигатные паразиты во всех стадиях популяционного цикла тесно связаны с организмом хозяина. У них есть только паразитическая форма существования, они никогда не попадают в окружающую среду. Во внешней среде они погибают. Они передаются трансмиссивно, транспланцентарно или контактно-половым путем. Эти паразиты могут иметь двух хозяев - теплокровного носителя и членистоного переносчика. К примеру, риккетсии, микоплазмы, хламидии, гонококки, вирус крымской геморрагической лихорадки.

Факультативные паразиты,помимо организма хозяина, в процессе циркуляции могут использовать и внешнюю среду, но паразитическая фаза является необходимой для сохранения вида. Данные микроорганизмы могут передаваться и не трансмиссивным путем. Сюда можно отнести большинство возбудителей инфекционных заболеваний:

К случайным паразитамотносятся такие паразиты, для которых внешняя среда (вода, почва, растения др.) является нормальной средой их обитания. Сапрофитическая фаза существования для них – основная и обязательная, а паразитическая – лишь эпизодическая или случайная. К ним относятся возбудители типичных сапронозов: листерии, легионеллы, актиномицеты, ботулиническая палочка и др.

Случайные и факультативные паразиты являются промежуточными формами между сапрофитами и облигатными паразитами. В основе лежит селекция мутантов, произошедших из сапрофитов и утративших в ходе эволюции не нужные им ферменты и другие биологические системы, т.к. они получают все необходимые им вещества от клетки хозяина в готовом виде. Например, у риккетсий нет ферментов, участвующих в гликолитическом цикле, у хламидий не происходит синтеза АТФ, а вирусы не имеют собственных белоксинтезирующих систем.

Патогенные микроорганизмы отличаются от непатогенных рядом морфологических и физиологических свойств, которые принято называть факторами вирулентности.

Факторы патогенности (вирулентности)

Это материальные носители, обусловливающие способность микроба вызывать инфекционный процесс. Каждый из них ответственен за проявление конкретных свойств микроорганизма в инфекционном процессе.

К факторам вирулентности относят:

1) адгезию – способность бактерий распознавать рецепторы на мембранах клеток и прикрепляться к ним. Факторами адгезии являются реснички адгезии, адгезивные белки, липополисахариды у грамотрицательных бактерий, тейхоевые кислоты у грамположительных бактерий, у вирусов – специфические структуры белковой или полисахаридной природы;

2) колонизацию – способность размножаться на поверхности клеток, что ведет к накоплению бактерий (колонизировать различные поверхностные структуры клеточной стенки);

3) пенетрацию) – способность проникать в клетки (обусловливают белки наружной мембраны бактерий);

4) инвазию – способность проникать в подлежащие ткани. Эта способность связана с продукцией таких ферментов, как гиалуронидаза и нейраминидаза;

5) агрессию – способность противостоять факторам неспецифической и иммунной защиты организма.

К факторам агрессии относят:

1) вещества разной природы, входящие в состав поверхностных структур клетки: капсулы, поверхностные белки и т. д. Многие из них подавляют миграцию лейкоцитов, препятствуя фагоцитозу. Факторы, препятствующие фагоцитозу, либо маскируют бактерию от фагоцитоза (капсула), либо подавляют фагоцитоз (различные белки – белок А у стафилококков, белок М у стрептококков; вещества, подавляющие окислительный взрыв фагоцитов, например, V-W-антигены Y. pestis).

2) ферменты «защиты и агрессии» бактерий – протеазы, гиалуронидаза, коагулаза, фибринолизин, лецитиназа; ферменты способствуют распространению бактерий по тканям хозяина.

3) токсины, которые делят на экзо- и эндотоксины.

Экзотоксины –высокоядовитые белки. Они термолабильны, являются сильными антигенами, на которые в организме вырабатываются антитела, вступающие в реакции токсинонейтрализации. Экзотоксины – токсические молекулы, активно секретируемые в окружающую среду с помощью специальных секреторных систем. Этот признак кодируется плазмидами или генами профагов.

Эндотоксины– сложные комплексы липополисахаридной природы. Они термостабильны, являются слабыми антигенами, обладают общетоксическим действием. Кодируются хромосомными генами. Эндотоксины представлены только у Гр- микроорганизмов (липополисахариды и связанные с ними белки клеточной стенки). Высвобождаются в среду организма после гибели клетки и обладают многообразным воспалительным и пирогенным действием неспецифического характера.

Адгезия и колонизация. Способность бактерий к адгезии и колонизации поверхностей закреплена естественным отбором. Она наблюдается не только в организме человека и теплокровных животных. Эта функция необходима бактериям и при сапрофитическом существовании. Например, легионеллы активно прикрепляются к поверхности цианобактерий; холерные вибрионы активно колонизируют зоопланктон, хитин которых используется ими как источник питания, и стимулирует размножение холерных вибрионов.

Таким образом, адгезия – это общебиологическое явление, известное как свойство микроорганизмов фиксироваться и размножаться, колонизируя поверхности различной природы.

Большинство грамотрицательных бактерий прикрепляются к эпителиальным клеткам человека и животных с помощью адгезинов, представляющих собой особые органеллы (это специфическиефакторы, которые представляют собой специфические химические группировки определенного строения). Адгезины у различных микроорганизмов очень разнообразны. Этим объясняется способность одних микробов прикрепляться и колонизироваться в эпителии дыхательных путей, других – в эпителии кишечного тракта, третьих – в мочевыделительной системе и т.д.

АдгезинымногихГр– микробов связаны с пилями разных типов. Они являются белками, которые способны вызывать реакцию гемагглютинации эритроцитов у различных животных. УГр+ микробов адгезины представляют собой белки и липотейхоевые кислоты, содержащиеся в клеточной стенке. Адгезины у микробов обозначают номерами. Например, пили 1 типа обнаружены у многих бактерий, пили 4-ого типа у протея.

Отдельные патогены используют сразу несколько «факторов адгезии».

В последние годы стало ясно, что адгезия бактерий не является простым механическим взаимодействием их лиганд-структур с рецепторами на поверхности клеток-мишеней хозяина, имеющими другое предназначение. Адгезия состоит из нескольких этапов, и участвуют в этом процессе различные механизмы.

Адгезия бактериального патогена может осуществляться при помощи неспецифическихмеханизмов к компонентам внеклеточного матрикса – фибронектину, коллагену, ламинину и др. и связана с гидрофобностью микробных клеток.

Инвазия и пенетрация.Многие патогенные микроорганизмы способны пенетрировать (проникать) в клетки хозяина и активно в них размножаться. Для проникновения в клетки бактерии используют адгезивные молекулы, называемые инвазинами. Наиболее распространенный механизм проникновения включает активацию сигналов в клетке хозяина, которые делают возможным инвазию бактерий посредством запуска нормальных клеточных реакций. Проникновение же бактерий в клетку обеспечивается элементами ее цитоскелета. Существует несколько достаточно сложных механизмов инвазии.

Эту способность связывают с продукцией таких ферментов, как гиалуронидаза и нейраминидаза. Гиалуронидазу образуют Clostridium, Streptococcus, Staphylococcus. Этот фермент расщепляет гиалуроновую кислоту, входящую в состав межклеточного вещества.

Нейраминидаза продуцируется холерным вибрионом. С помощью этого фермента возбудители могут проникать в слизистую оболочку, а затем внутрь клеток и распространяться в межклеточном пространстве. Механизм действия нейраминидазы состоит в расщеплении сиаловых кислот в составе гликопротеидов гликокаликса тонкой кишки и обнажении ганглиозидов, являющихся рецепторами адгезии холерного вибриона. Нейраминидаза также входит в состав ряда вирусов (орто- и парамиксовирусы) и микоплазм. Вирусные нейраминидазы отличаются от бактериальных видоспецифичностью и физико-химическими свойствами.

Однако наличие нейраминидазы еще не свидетельствует об инвазионной способности микроорганизма. Например, дифтерийная палочка образует данный фермент, но обладает слабой инвазивной способностью.

Агрессия –взаимодействие бактериальных патогенов с иммунной системой хозяина

Локальное взаимодействие бактериального патогена с тканями, как правило, вызывает большое количество системных реакций, посредством которых организм хозяина пытается контролировать течение инфекции. Иммунная система млекопитающих способна узнавать многие компоненты бактерий, особенно ЛПС и пептидогликан.

В результате длительного селекционного давления (в том числе и в окружающей среде), наиболее «удачливые» патогены вырабатывают стратегию, позволяющую либо избежать, либо вводить в заблуждение иммунную систему хозяина. Выделяют 4 типовых механизмазащиты бактерий от факторов иммунитета.

1. Экранирование клеточной стенки бактерий. Механизмы экранирования структур бактерий (пептидогликан, поверхностные белки клеточной стенки и др.), опознаваемых иммунной системой хозяина, могут иметь как специфический, так и неспецифический характер. Из неспецифических «экранов», наиболее изучены капсулы и капсулоподобные образования.

Создание бактериями капсульного материала полисахаридной и протеиновой природы представляет наиболее типичную тактику бактериального уклонения от фагоцитоза. Являясь по своей природе полимером N-ацетилнейраминовой кислоты, капсулы многих бактерий сходны не только в химическом, но и в биологическом отношении. Они покрывают основные компоненты клеточной стенки и препятствуют активации комплемента сыворотки [Бухарин О.В., Литвин В.Ю., 1997]. Капсулу имеют пневмококки, сибиреязвенный микроб, палочка Фридлендера.

Капсулоподобные образования формируются за счет неспецифической сорбции поверхности бактериальной клетки сывороточных протеинов хозяина (иммуноглобулинов, фибриногена, 2-микроглобулина, гаптоглобулина, сывороточного альбумина, и др.). Такое иммуноглобулиновое покрытие может достигать толщины 100 нм. Оно помогает бактериям уйти от распознавания иммунной системой, придает устойчивость к фагоцитозу и прикрывает их поверхность от лиганд-рецепторных взаимодействий [Бухарин О.В., Литвин В.Ю., 1997].

Сходную функцию – экранирование петидогликана и воспрепятствование опсонизирующему действию системы комплемента, выполняет у стафилококков – белок А, у стрептококков – белок М [Езепчук Ю.В., 1985].

К специфическому механизму экранирования клеточной стенки бактерий, видимо, можно отнести их антигенную вариабельность.

Многие поверхностные структуры бактерий способны к антигенному варьированию – это жгутики, пили, ЛПС, капсулы, S-слой, секретируемые ферменты и отдельные белки клеточной стенки. Интенсивному варьированию, как правило, подвержены активно экспрессируемые (или экспонируемые) иммунодоминантные поверхностные белки патогенов, локализующихся на поверхности слизистых оболочек. Примеров антигенной вариабельности среди внутриклеточных бактерий, значительно меньше. Видимо, это связано с тем, что основной иммунный ответ хозяина вызывают другие их антигены [Finlay В., Falkow S., 1997].

Наиболее хорошо механизм антигенной вариации изучен у Neisseria (N. gonorrhoeae, N. meningitidis). Основной варьирующей антигенной структурой у представителей этого семейства являются пили. Гонококки располагают потенциально большим набором серологически различных пилей, однако всегда экспрессируется ген только одного из них. Это вызвано тем, что в бактериальной клетке постоянно экспрессируется только один функционально активный пилиновый локус (pil E). Но одновременно с ним в хромосоме разбросаны еще более чем 50 усеченных нетранскрибируемых генов пилей. В случае генетической перестановки, происходящей по принципу «русской рулетки» (и посредством Rec А), экспрессируемый ген в pil Е заменяется одним из молчащих, с другими серологическими свойствами – антигенная структура гонококка меняется [Seifert H.S., 1992].

Многие бактериальные поверхностные компоненты варьируют от штамма к штамму. Так, например, существует более 60 типов ЛПС сальмонелл, более 80 серотипов М-белка стрептококков. Большинство вариаций вызвано маленькими нуклеотидными заменами, вставками и делециями генов, которые кодируют эти факторы вирулентности, а в результате этих процессов мы наблюдаем антигенный дрейф у возбудителя инфекции [Finlay В., Falkow S., 1997].

2. Продукция бактериями секретируемых факторов, инактивирующих защиту хозяина. Микробная клетка обладает средствами дистанционного действия, которые представляют многочисленную группу секретируемых бактериальных субстанций, направленных на инактивацию механизмов иммунной защиты.

Наиболее изучено образование трипсиноподобных ферментов – ферментов агрессии, расщепляющих иммуноглобулины класса A (IgA). Продукция данных ферментов характерна для бактерий, инфицирующих слизистые оболочки бактерий. Протеазы данного типа некоторых микроорганизмов (P. aeruginosa и S. marcescens) действуют неспецифично и расщепляют другие гуморальные защитные протеины хозяина – лизоцим, фибронектин, и даже компоненты тканей, включая фибробласты. Бактерии также продуцируют ферменты, деградирующие комплемент, лизоцим, бактерицидный компонент лейкоцитарного интерферона, гистоны, дефенсины и др. Наши знания об этих факторах постоянно расширяются [Бухарин О.В., Усвяцов Б.Я., 1996]. Очень важным представляется их способность к полифункциональному действию. Благодаря этому патоген может добиться «успехов» в новом для себя хозяине не нарушая «принципа экономии генов».

3. Антигенная мимикрия. Под антигенной мимикрией понимается наличие сходных структур у хозяина и паразита, представленных молекулами разного генетического набора (рис.). Сходство между протеинами, закодированными у микроорганизмов, и собственными протеинами хозяина – встречается достаточно широко. Данное явление оставляет отчетливые генетические следы в человеческих популяциях после глобальных эпидемических катастроф.

4. Образование форм бактерий с отсутствием (дефектом) клеточной стенки. Невозможность «замаскировать» пептидогликан бактериальной клетки приводит к тому, что бактерия либо частично, либо полностью теряет его вместе с клеточной стенкой. С точки зрения паразита, это биологически оправданный шаг, так как возбудитель для организма становится неузнаваем и персистирование его в среде обитания продолжается [Бухарин О.В., Усвяцов Б.Я., 1996].