МІКРОБІОЛОГІЯ - М.Г. Сергійчук - 2008

Розділ 10. ІНФЕКЦІЯ ТА ІНФЕКЦІЙНИЙ ПРОЦЕС

ПАТОГЕННІСТЬ І ВІРУЛЕНТНІСТЬ МІКРООРГАНІЗМІВ

Властивістю патогенних мікроорганізмів є їх здатність викликати інфекційний процес - сукупність фізіологічних і патологічних адаптаційних і репаративних реакцій, які виникають і розвиваються в макроорганізмі під час взаємодії з патогенними мікроорганізмами і викликають порушення його внутрішнього середовища і фізіологічних функцій.

Інфекційний процес є одним із найскладніших біологічних процесів у природі, а інфекційні захворювання - загрозливими і руйнівними факторами для людства, що завдають йому значних збитків.

Виникнення, характер перебігу і наслідки інфекційного процесу залежать від властивостей мікроорганізму, стану організму хазяїна та умов навколишнього середовища, що, безумовно, впливає на взаємодію збудника і хазяїна.

Інфекційний процес розвивається в макроорганізмі лише за певних умов і за певними законами. Ці умови враховують патогенний потенціал збудника, його інфікуючу дозу, швидкість розмноження збудника в макроорганізмі, реактивність самого макроорганізму.

Патогенність (грец. pathos - хвороба, genos - народження) є видовою ознакою мікроорганізмів, що закріплена генетично і характеризує здатність викликати захворювання.

Патогенність характеризується специфічністю, тобто здатністю викликати типові для даного виду збудника патоморфологічні і патофізіологічні зміни в певних тканинах і органах при природних для нього способах зараження. Це проявляється у відповідному патогенетичному і клінічному типі інфекцій: гнійній, респіраторній, кишковій тощо.

За патогенністю мікроорганізми поділяють на непатогенні (сапрофіти), умовно-патогенні та патогенні.

Умовно-патогенні мікроорганізми найчастіше є природними мешканцями різних біотопів організму людини і викликають захворювання тільки за умов різкого зниження загального і місцевого імунітету та/або підвищення власного патогенного потенціалу.

Вірулентність (лат. virulentes - отруйний) - відображає ступінь патогенності різних ізолятів чи штамів конкретного патогенного виду. Серед представників деяких видів патогенних мікроорганізмів можуть зустрічатися високовірулентні штами, здатні викликати загибель тварини при ураженні декількома мікробними клітинами, і штами зі зниженою вірулентністю, смертельні дози яких виражаються сотнями тисяч чи мільйонами одиниць. Наприклад, відомі два типи збудника туляремії (Francisella tularensis) А та В, які значно відрізняються за вірулентністю. Збудники типу А викликають більш важкі форми захворювання в людини і є патогенними для кроликів. Тварини гинуть при введенні навіть однієї мікробної клітини. Бактерії типу В викликають більш легкі форми захворювання людини і викликають загибель кроликів при введенні 1 млрд клітин.

Вірулентність - це кількісна міра чи ступінь патогенності, що вимірюється у спеціальних одиницях DLM та LD₅₀. 1 DLM (лат. Dosis Letalis Minima) є мінімальною смертельною дозою, що дорівнює найменшій кількості мікробних клітин, які при певному способі зараження викликають загибель 95 % чутливих тварин певного виду, ваги та віку протягом певного часу. LD (Lethal Dose)₅₀викликає загибель 50 % уражених тварин. На практиці використовують також LD₇₀, LD₇₅, LD₉₀.

При потраплянні в організм незначної кількості патогенних мікроорганізмів (що буває найчастіше) їх зазвичай ефективно елімінують захисні фактори організму. Для розвитку захворювання необхідно, щоб патоген володів достатньою вірулентністю, а його кількість (інфікуюча доза) перевищувала певний поріг, що визначається в кожному конкретному випадку вірулентністю збудника і станом резистентності організму. Для визначення інфікуючої дози існує показник ID (Infectious Dose), що дорівнює мінімальній кількості клітин патогенного мікроорганізму, яка здатна викликати розвиток захворювання в певної кількості лабораторних тварин. Аналогічно з летальними дозами визначають ID₅₀, ID₇₅. Так, захворювання на холеру настає при поглинанні людиною 10¹¹-10¹² V. cholerae, черевний тиф — 10⁶-10⁹S. typhi, дизентерія - до 100 клітин S. dysenteriae, бруцельоз - 10-100 бактеріальних клітин. Інфікуюча доза для одного і того ж самого збудника може бути різною залежно від шляхів його потрапляння в макроорганізм. Наприклад, при потраплянні F. tularensis в організм людини через мікротравми шкіри та аспіраційним шляхом для розвитку захворювання необхідно 10-50 мікробних тіл, а при інфікуванні аліментарним шляхом - близько 10⁸ мікробних клітин. Зрозуміло, що відмінності інфікуючої дози визначаються особливостями реактивності організму в межах певних воріт інфекції.

Швидкість розмноження. На вірогідність розвитку інфекційного процесу і його важкість суттєво впливає швидкість розмноження збудника. Наприклад, чумна паличка (У. pestis) настільки швидко розмножується в організмі, що імунна система практично не встигає "відповісти" на її проникнення формуванням захисних реакцій. Збудники ж туберкульозу та лепри (M. tuberculosis та M. leprae), навпаки, розвиваються дуже повільно, індукують толерантність імунної системи макроорганізму, що й зумовлює хронічний характер перебігу цих інфекцій.

Вхідні ворота інфекції. Багатьох збудників відрізняє тропізм (грец. trope - напрямок) до певних тканин. Наприклад, гонокок викликає типові ураження після потрапляння на слизові оболонки статевих органів чи очей, а дизентерійна амеба - на слизову оболонку кишечнику. З іншого боку, туберкульозна чи чумна палички здатні викликати захворювання незалежно від шляху проникнення, призводячи до розвитку поліморфних уражень, що варіюють залежно від місця проникнення. Для таких патогенів характерний пантропізм.

Реактивність організму. Стан загальнобіологічної реактивності макроорганізму визначає не тільки можливість і характер проходження інфекційного процесу, а й вірогідність прояву останнього у вигляді інфекційного захворювання. Варто наголосити, що при будь-якому способі дії патогенного мікроорганізму на макроорганізм, у реакціях відповіді тією чи іншою мірою беруть участь усі фізіологічні системи макроорганізму, а не тільки імунна система. Ці реакції організму як єдиного цілого визначаються його реактивністю, під якою розуміють здатність організму приводити в дію фізіологічні механізми, спрямовані на інактивацію, порушення і виділення збудника і пов'язаних з ним субстанцій, а також на компенсацію порушених функцій.

Динаміка інфекційного процесу. При розвитку інфекційного процесу можна виділити декілька стадій:

- проникнення інфекційного агента, його адаптація до умов внутрішнього середовища організму і колонізація тканин, до яких тропний мікроорганізм;

- утворення продуктів життєдіяльності (токсини, екзоферменти), що мають пошкоджуючий вплив і призводять до порушень гомеостазу організму;

- поширення інфекційного агента з вогнища проникнення. Найчастіше мікроби десимінують за лімфо- та/чи кровотоком.

Цей стан може супроводжуватися клінічними проявами або триває без симптомів. Нерідко мікроорганізми можуть циркулювати у кровообігу тимчасово, проникаючи у кров за умов високого фізичного навантаження та стресових ситуацій (тривале безсоння, переохолодження чи перегрів організму).

Клінічно виражені етапи зазвичай розвиваються при проникненні мікроорганізмів у кров унаслідок травм, після медичних маніпуляцій чи з інфекційного вогнища. Перебування мікроорганізмів у крові характерне для багатьох вірусних (грип, гепатит В) та бактеріальних (черевний тиф, менінгококова інфекція, рікетсіози) інфекцій. Циркуляція збудників у кровотоку є важливою та обов'язковою стадією патогенезу інфекцій, що передаються через укуси членистоногих - переносників захворювань (чума, черевний тиф), які підтримують циркуляцію збудника у природі і тим самим зберігають його як вид.

Стан власне циркуляції мікроорганізму у крові називають бактеріємією. Зменшення мікробоцидних властивостей крові надає можливість патогенним мікроорганізмам розмножуватися у кровотоку, що призводить до розвитку важких генералізованих станів, відомих як сепсис (септицемія) (грец. sepsis - гниття). Зазвичай така ситуація - наслідок неперервного чи періодичного потрапляння збудників у кровотік. Стани, при яких патогенні мікроорганізми не тільки розмножується у крові, а й формують нові віддалені вогнища гнійного запалення в різних тканинах і органах, відомі як септикопіємії. Якщо патогенез інфекційного захворювання спричинений інтоксикацією, що зумовлена циркуляцією екзо- чи ендотоксинів збудника у крові, такий стан позначають терміном токсинемія.

У відповідь на проникнення мікроорганізму та/чи його токсину в організм відбувається формування захисних реакцій, спрямованих на інактивацію збудника, а також на відновлення гомеостазу. Природним завершенням інфекційного процесу є загибель хворого, його одужання або перехід інфекційного захворювання у хронічну форму. У більшості випадків інфекцій одужання призводить до розвитку нечутливості до повторного ураження даним збудником.

Форми інфекційного процесу можуть бути різноманітними; далеко не завжди відбуваються всі стадії його розвитку, оскільки при потраплянні патогену в нечутливий (імунний) організм інфекційний процес закінчується ще на початкових стадіях.

Особливості інфекційних хвороб. Інфекційні хвороби характеризуються такими особливостями, як специфічність, контагіозність та циклічність.

Специфічність зумовлена тим, що кожне інфекційне захворювання викликає конкретний збудник. Але відомі інфекції (наприклад, гнійно-запальні процеси), що викликаються різними умовно-патогенними мікроорганізмами. З іншого боку, один збудник, наприклад стрептокок, здатний викликати ураження різних органів і систем.

Контагіозність - (заразливість) визначає здатність збудника передаватися від однієї особи до іншої і швидкість його поширення в чутливій популяції. Для кількісної оцінки контагіозності запропонований індекс контагіозності - відсоток осіб, що перехворіли в популяції за певний період. Висококонтагіозними захворюваннями є холера, чума, малоконтагіозним - бруцельоз, неконтагіозними - ботулізм, правець, отруєння стафілококовим ентеротоксином.

Циклічність - розвиток конкретного інфекційного захворювання обмежений у часі і супроводжується циклічністю процесу зі зміною певних клінічних періодів.

Інкубаційний період (лат. incubatio - лежати, спати де-небудь). Зазвичай між проникненням інфекційного агента в організм і проявом клінічних ознак існує певний для кожного захворювання період - інкубаційний, характерний тільки для екзогенних інфекцій. У цей період збудник розмножується, відбувається накопичення як збудника, так і токсинів, що ним виділяються, до певної порогової величини, за якою організм починає відповідати клінічно вираженими реакціями. Тривалість інкубаційного періоду може бути від годин і діб до декількох років. Наприклад, інкубаційний період для холери становить від кількох годин до 2-3 діб, для дизентерії 1-7 діб, для бруцельозу - 3 тижні (гостра форма), декілька місяців, для лепри 3-5 років.

Продромальний період (грец. prodromos, той, що біжить попереду). Як правило, перші клінічні прояви інфекційних захворювань не несуть будь-яких патогномічних (грец. pathos - хвороба, gnomon - показник, знак) для конкретної хвороби ознак. Звичайним проявами є слабкість, головний біль, відчуття розбитості. Цей стан інфекційної хвороби називається продромальним періодом чи "стадією передвісників". Його тривалість зазвичай не перевищує 24-48 год.

Період розвитку хвороби. У цій фазі проявляються риси індивідуальності захворювання чи загальні для багатьох інфекційних процесів ознаки: лихоманка, запальні зміни тощо. У клінічно вираженій фазі можна виділити стадії наростання симптомів, розквіту захворювання та загасання проявів.

Реконвалесценція (лат. re - повторюваність дії, convalescentia - одужання). Період одужання, чи реконвалесценція, як кінцевий період інфекційного захворювання може бути гострим (кризи) чи повільним (лізис), а також характеризуватися переходом інфекції у хронічний стан. У сприятливих випадках клінічні прояви зазвичай зникають швидше, ніж відбувається нормалізація морфологічних порушень органів і тканин і повне видалення збудника з організму. Одужання може бути повним чи супроводжуватися розвитком ускладнень (наприклад, з боку ЦНС, кістково-м'язового апарату чи серцево-судинної системи).

Фактори патогенності. Патогенність і вірулентність зумовлені комплексом властивостей мікроорганізмів, що сформувалися у процесі пристосування до паразитування в макроорганізмі. Виникнення патогенності в мікробів пов'язане з набуттям ряду властивостей, що забезпечують здатність проникати і поширюватися в макроорганізмі, протистояти його захисним механізмам та викликати ураження життєво важливих систем. Основними факторами патогенності й вірулентності є здатність мікроорганізмів до адгезії і колонізації, інвазивність, токсигенність і здатність до персистенції.

Здатність до адгезії та колонізації. Розмноженню мікроорганізмів у первинному вогнищі інфікування передує адгезія (лат. ad-haesio - прикріплюватися до будь-чого), тобто закріплення бактерій на поверхні клітин, що, власне, і є початком інфекційного процесу. Прикріплення до поверхні клітин (наприклад, до епітелію слизових оболонок) забезпечують адгезини, чи фактори колонізації (білки, ліпополі-сахариди (ЛПС), ліпотейхоєві кислоти). Молекули адгезії розташовані безпосередньо на поверхні бактеріальної клітини і входять до складу клітинної стінки, мікроворсинок, пілей чи капсул.

Адгезини, що забезпечують прикріплення збудника до клітин макроорганізму, дуже різноманітні. Їх унікальна будова властива певним видам і навіть штамам, зумовлює високу специфічність цього процесу. Цим пояснюється здатність одних мікроорганізмів прикріплюватися і колонізувати переважно епітелій дихальних шляхів, других - кишкового тракту, третіх - сечовидільної системи.

Адгезини багатьох грамнегативних бактерій пов'язані з пілями різних типів. Їх позначають номерами, символами пілей. Виділяють також фактори колонізації, тобто певні антигени пілей. Наприклад, пілі 1-го типу виявлені в багатьох бактерій; пілі 4-го типу - у протея, псе- вдомонади, холерного вібріона, нейсерій, сальмонел, ентеропатогенних та ентеротоксигенних ешерихій; Р-пілі (Pyelonephritis associated pili) - у нефритогенних штамів кишкової палички; CFA/I, CFA/II, CFA/III (Colonization Factor Antigens - колонізуючий антигенний фактор) - у деяких ентеробактерій.

Адгезивну функцію грамнегативних бактерій виконують капсула і капсулоутворювальна оболонка, білки зовнішньої мембрани клітинної стінки. Наприклад, поверхневий антиген Yad Y. enterocolitica забезпечує прикріплення мікроорганізму до речовини міжклітинного матриксу - фібронектину, колагену, ламініну, поверхневий антигенний комплекс мікобактерій, так званий комплекс BCG85, забезпечує прикріплення мікроорганізмів до фібронектину.

Взаємодія інфекційного агента з епітеліальними клітинами відбувається внаслідок декількох типів зв'язків різних за природою і специфічністю. Виділяють зв'язки, основані на взаємодії електростатичних сил, зумовлені гідрофобними властивостями поверхні та ліганд- рецепторні взаємодії.

Деякі бактерії здатні заздалегідь підготовлювати місце для подальшого розмноження. Наприклад, нейрамінідаза полегшує проникнення холерного вібріону через шар слизу і в такий спосіб забезпечує контакт із сіаловмісними рецепторами епітелію кишечнику. Мікроорганізми також здатні адгезувати до бактерій, що вже колонізували поверхню слизових оболонок або емалі зубів.

Рецептори клітин тканин людини, що специфічно взаємодіють з бактеріальними адгезинами, також неоднорідні за своїм складом. Їх поділяють на нативні, індуковані і набуті.

Нативні рецептори розташовані на епітеліальних клітинах за нормальних умов та беруть участь в адгезії відповідних бактерій і їх проникненні всередину еукаріотичної клітини. Наприклад, антиген групи крові Lewis^b, що експресується епітеліоцитами шлунка, забезпечує адгезію H. pylori. E. coli проникає всередину макрофагів за рахунок рецептор-опосередкованого ендоцитозу за участю CD48, а S. flexneri проникає всередину ентероцитів після взаємодії з рецептором CD44.

Індуковані рецептори утворюються на поверхні клітин тільки після проникнення в них вірусів (наприклад, вірусу грипу). Після цього до поверхні таких клітин можуть адгезувати стафілококи й інші бактерії. Це пояснюється тим, що рецептором для цих бактерій служить вірусний гемаглютинін, який вбудовується в цитоплазматичну мембрану уражених вірусом епітеліальних клітин. Цей факт набуває важливого значення для розуміння механізмів виникнення вторинних бактеріальних інфекцій при первинних вірусних захворюваннях, наприклад грипі.

Набуті рецептори з'являються за певних умов. Вони являють собою "містки", що зв'язують епітеліальні і бактеріальні клітини, і складаються з імуноглобулінів різних класів, альбумінів, фібронектину та інших сполук, які здатні взаємодіяти з комплементарними бактеріальними адгезинами.

Колонізація являє собою процес розмноження мікроорганізмів у ділянці адгезії. Ця стадія забезпечує накопичення мікроорганізмів до такої критичної концентрації, яка здатна викликати патологічні ушкодження. Для успішної колонізації вогнища первинного інфікування бактерії повинні витримати дію численних різноманітних мікробоцидних факторів організму хазяїна. Для захисту від них мікроорганізми активно використовують ряд структур (наприклад, капсули) і речовини, що синтезуються (наприклад, ферменти).

До факторів, які забезпечують бактеріям успішну колонізацію слизових поверхонь, можна також віднести інактивуючі ферменти. Мікроорганізми синтезують різні ферменти, що руйнують гуморальні захисні фактори. Наприклад, багато збудників, особливо тих, що паразитують на слизових оболонках (гонококи), виділяють протеази, що розщеплюють IgA(IgA-протеази). Бактеріальні ферменти також здатні змінювати рН навколишнього середовища, щоб зробити його сприятливим для розмноження. Наприклад, H. pylori секретує уреазу, яка розщеплює сечовину з утворенням аміаку, що призводить до залуження кислого середовища шлунка.

Інвазивність. Вірулентні властивості збудників можуть проявляться у здатності деяких з них інвазувати слизові поверхні і пенетрувати (проникати) всередину епітеліальних клітин, макрофагів або лімфоцитів. Терміни "інвазія" та "пенетраця" є синонімами, проте деякі автори визначають інвазію (лат. invasio - проникати, атакувати) як проникнення мікроорганізмів через слизові та сполучнотканинні бар'єри в підлеглі тканини, а пенетрацію - як проникнення всередину еукаріотичних клітин.

В епітеліальні клітини проникають і розмножуються шигели, ентероінвазивні ешерихії, всередині макрофагів паразитують мікобактерії і лістерії тощо. Пенетрація починається після потрапляння бактерій у міжклітинний простір, де вони взаємодіють з мембранними білками клітини. Зв'язування з цими білками призводить до змін у конформації мікротрубочок і вигинання мембрани, внаслідок чого бактерії потрапляють усередину клітини.

Здатність бактерій розмножуватися всередині клітин пов'язана з їх стійкістю до лізосомальних ферментів. Бактерії, що розмножуються внутрішньоклітинно, можуть проникати в сусідні клітини без виходу в навколишнє середовище (шигели). При цьому клітини епітелію руйнуються,

що супроводжується пошкодженням цілісності епітеліального покриву відповідного органу чи порожнини і виникненням патологічного процесу.

Основними факторами, що забезпечують інвазивність і пенетрацію, є рухливість (забезпечує проникність у міжклітинний простір) і речовини, що розщеплюють міжклітинний матрикс та сприяють проникненню в епітеліоцити шляхом ендоцитозу. Деякі мікроорганізми проникають за межі епітелію чи шляхом активної інвазії, чи внаслідок пасивного заносу через різні пошкодження шкіряних покривів.

Полегшує інвазію продукція таких екзоферментів, як гіалуронідаза, нейроменідаза, ліпази, колагеназа, еластаза, муциназа.

Гіалуронідазу утворюють C. perfringens, деякі види Streptococcus, Staphylococcus, Brucella тощо. Цей фермент специфічно розщеплює гіалуронову кислоту, що входить до складу міжклітинної речовини, тим самим підвищуючи проникність слизових оболонок і сполучної тканини. Інтерес становить здатність деяких бактерій (роду Streptococcus) порушувати власну капсулу при інвазії в тканини за рахунок синтезу гіалуронідази.

Нейрамінідаза продукується Vibno cholerae, Corynebacterium diphtheriae та іншими бактеріями. Фермент нейрамінідаза відщеплює від різних глікокон'югатів - глікопротеінів, гліколіпідів та олігосахаридів - похідні нейрамінової кислоти - сіалові кислоти, у зв'язку з чим цей ензим ще називають сіалазою. За допомогою нейрамінідази збудники можуть проходити не тільки крізь слизову оболонку, а й проникати всередину клітин і поширюватися в міжклітинному просторі.

Ліпази полегшують адгезію і проникнення у тканини. Зокрема, ферменти здатні порушувати сальні "пробки", полегшуючи проникнення стафілококів у волосяні фолікули.

Колагеназа C. perfringens (κ-токсин) викликає гідроліз колагену сполучної тканини.

Еластаза, що, наприклад, продукується Pseudomonas aerugіnosa, розщеплює еластин, казеїн, гемоглобін, фібрин, імуноглобуліни, компоненти системи комплементу та інші білки.

Муциназа розжижує слиз і полегшує проникнення до поверхні епітелію клітин Vibrio cholerae.

Зауважимо, що поділ на певні групи факторів патогенності є умовним, оскільки одні і ті ж фактори виконують неоднозначні функції і їх можна віднести до різних груп. Наприклад, властивість гонококів секретувати IgA 1-протеазу, по-перше, полегшує прикріплення гонококів до рецепторів епітеліальних клітин (фактори, що сприяють адгезії), а також захищає мікробні клітини від фагоцитозу, опосередкованого антитілами (фактори, що сприяють персистенції). Наявність капсули одночасно захищає бактерії від антимікробного фагоцитозу і полегшує адгезію до епітелію і т. ін. Ми будемо розглядати певні фактори в тих групах, де, на наш погляд, вони мають більше значення в реалізації патогенного потенціалу бактерій.

Здатність до персистенції. Агресія. Для забезпечення власної тривалої персистенції в організмі хазяїна бактерії реалізують різні стратегічні підходи, але з однією метою - подолати опір імунної системи макроорганізму. У цьому двобої перш за все необхідно відзначити механізми інвазії, які розглядалися вище, що сприяють швидкому поширенню бактеріальних клітин в організмі хазяїна. Крім вже наведених вище ферментів, які відповідають за інвазивні властивості бактерій, необхідно відмітити фібринолізин, що продукується стрептококами і деякими іншими бактеріями. Фібринолізин активує плазміноген, що призводить до утворення плазміну і розчинення фібринових згустків, унаслідок чого відбувається поширення збудника в організмі. При швидкій дисемінації збудника імунна система не готова елімінувати мікроорганізми на початкових стадіях інфекції. Після колонізації бактеріями чутливих тканин спрацьовує інша стратегія збудників, спрямована на захист бактеріальних клітин від захисних механізмів імунної системи. На цьому етапі важливі такі ферменти, як, наприклад, коагулаза стафілококів, що викликає згортання плазми крові. Сам фермент безпосередньо не взаємодіє з фібриногеном, а сприяє утворенню тромбіноподібної речовини, яка, можливо, взаємодіє з протромбіном. Фібринова плівка, що утворилася, відіграє роль своєрідної додаткової капсули, що захищає бактерії. Таким чином бактерії уникають прямого контакту з імунною системою.

Фактори вірулентності, що пригнічують захисні сили організму, називають агресинами, оскільки вони мають здатність безпосередньо гальмувати неспецифічний і специфічний імунний захист організму хазяїна. До них відносять речовини різної природи, що входять до складу поверхневих структур бактеріальної клітини: полісахариди, білки (капсули), білок А стафілокока, білок М стрептокока, ЛПС грамнегативних бактерій (клітинної стінки), а також екзоферменти та екзотоксини.

Капсула (чи її менш виражений аналог - слизистий шар) гальмує початкові етапи захисних реакцій - розпізнавання і поглинання. Капсули "екранують" антигени клітинної стінки, що активують систему комплементу, а також можуть розпізнаватися імунокомпетентними клітинами. Наприклад, шар капсульної речовини захищає тейхоєві кислоти стафілококів від зв'язування опсонінами. Капсули бактерій є

гідрофільними, що гальмує поглинання бактерій фагоцитами, а сама капсульна речовина захищає бактерію від дії лізосомальних ферментів і токсичних кисневих радикалів, які виділяються фагоцитуючими клітинами. Велике значення має легке відділення капсул чи слизистого шару від поверхні бактерій. При поглинанні капсульованих бактерій (наприклад, синьогнійної палички), остання легко "знімає з себе» капсули й уникає прямого контакту з фагоцитом. Крім того, компоненти капсул, наприклад антигени фракцій V та W Yersinia pestis, безпосередньо мають антифагоцитарні властивості.

Уникнення бактеріями захисних механізмів організму-хазяїна відбувається також за рахунок дії власних екзоферментів. До них відносять IgA-протеазу, протеазу С3Ь та С5а-компонентів комплементу, лецитиназу, лужну протеазу.

IgA-протеаза представників роду Neisseria діє зовнішньоклітинно і порушує зв'язки у важких ланцюгах IgA, а також розщеплює молекулу IgA у шарнірній ділянці. IgAl-протеазу синтезують гонококи, що паразитують на слизових оболонках.

Фермент лецитиназа, що виробляється збудниками анаеробної інфекції, стафілококами та іншими мікроорганізмами, викликає гідроліз лецитину, що входить до складу мембран різних типів клітин, у тому числі лейкоцитів.

Лужна протеаза, яку у великій кількості синтезує Pseudomonas aeruginosa, гідролізує різноманітні білки (у т. ч. і γ-ІФН).

Однією з умов тривалої персистенції мікроорганізмів є здатність виживати і активно розмножуватися всередині пошкоджених чи метаболічно неактивних фагоцитів хазяїна. Крім того, бактерії можуть уникати знищення, переміщуючись усередині макрофагів з фагосом у цитоплазму. Так, клітини Listeria monocytogenes виходять з фагосом, оскільки виділяють фермент лістеріолізин-О, який порушує мембрану цих органел. Інші збудники, наприклад Mycobacterium leprae, здатні викликати власне поглинання клітинами, які зазвичай не належать до фагоцитуючих і не мають достатньої антибактеріальної активності. У цьому випадку мікробні клітини не можуть бути знищені активованими фагоцитами чи іншими бактерицидними механізмами раніше, ніж вони будуть вивільнені з клітин, де вони "рятуються". Їх вивільненню сприяють цитотоксичні Т-лімфоцити, які порушують інфіковані клітини. Mycobacterium tuberculosis містить "корд-фактор", який гальмує злиття лізосом з фагосомами, крім того, мікобактерії порушують роботу протонного "насосу", що підкислює вміст фагосом, внаслідок чого рН у фагосомах не знижується. Патогенні бактерії можуть виділяти каталазу, що порушує пероксид водню, який утворюється фагоцитами. В інактивації токсичних кисневих продуктів фагоцитів може бути задіяний також фермент бактерій супероксиддисмутаза. Мікобактерії здатні також виділяти ліпоарабіноманнал, який блокує здатність макрофагів відповідати активацією на дію ІФН-γ.

Токсигенність. Токсини (грец. toxikon - отрута) є важливими факторами патогенності, що виробляються мікроорганізмами і часто забезпечують розвиток патогенезу інфекційного процесу. Роль мікробних токсинів у патогенезі інфекційних захворювань вперше довели Е. Ру та А. Йєрсен (1888), які відділили "отрутну основу» збудника дифтерії від бактеріальних клітин і змогли відновити з його допомогою клінічну картину захворювання в мурчаків.

Токсичні речовини, що синтезуються бактеріями, за своєю хімічною природою належать в основному до білків та ЛПС. Токсичними властивостями також володіють пептидоглікан, тейхоєві кислоти, білки клітинної стінки грампозитивних бактерій (наприклад, білок А стафілокока).

Спектр активності токсинів дуже широкий: від речовин, що полегшують поширення тканинами, до метаболітів, що селективно пошкоджують активність певних клітин.

Бактеріальні токсини традиційно поділяють на ендотоксини та екзотоксини (табл. 10.1). У широкому розумінні до ендотоксинів можна віднести будь-які компоненти бактеріальної клітини: пептидоглікан, тейхоєві кислоти, що містяться у клітинній стінці грампозитивних бактерій, ліпополісахарид грамнегативних бактерій, бактеріальну ДНК. ДНК бактерій у цьому випадку не є винятком. Безпосереднім ефектором ДНК є динуклеотид цитозин-гуанін. В організмі людини такі пари метильовані, а в бактерій вони неметильовані, тому легко проникають в еукаріотичну клітину і, як наслідок, призводять до вивільнення про- запальних цитокінів, що контролюють розвиток запалення. Пептидоглікан має прямий токсичний вплив. Так, пептидоглікан клітинної стінки гонококів безпосередньо уражує епітелій уретри.

У більш вузькому розумінні під ендотоксинами, як правило, розуміють ЛПС, що є інтегральним компонентом клітинної стінки грамнегативних бактерій. Більша їх частина вивільняється тільки після загибелі бактеріальної клітини. Токсичні властивості ендотоксину визначаються всією молекулою ЛПС, а не її окремими частками: полісахаридам чи ліпідом А.

Ендотоксини, на відміну від токсинів білкової природи, більш стійкі до підвищеної температури, менш отруйні і помірно специфічні. Різні ЛПС при введенні в організм піддослідних тварин викликають

більш чи менш однотипову реакцію, незалежну від того, з яких грамнегативних бактерій вони одержані.

Таблиця 10.1. Порівняльна характеристика екзо- та ендотоксинів

*Порівняно зі стрихніном (активність стрихніну умовно прийнято за 1).

При введенні ендотоксинів у невеликих дозах відмічається незначна стимуляція різних ланок імунної системи: стимуляція фагоцитозу, підвищення температури тіла, слабкі явища токсикозу.

При введенні ендотоксинів у високих дозах у тварин спостерігають розвиток протилежної реакції: пригнічення фагоцитозу, зниження температури тіла, явища вираженого токсикозу, що супроводжується слабкістю, розладами кишечнику (діарея), гіпотонією та падінням серцевої діяльності.

У людей потрапляння ендотоксинів у кров'яне русло призводить до лихоманки внаслідок їх дії на клітини крові (гранулоцити, моноцити), з яких вивільняються ендогенні пірогени.

При ендотоксинемії мають місце гіпотонія внаслідок потрапляння у кров підвищеної кількості серотоніну та кінінів, а також порушення кровопостачання органів і ацидоз. ЛПС активує систему комплементу за альтернативним шляхом, що призводить до зниження рівня компоненту С3 у сироватці крові і накопичення біологічно активних речовин (С3а, С3b, С5а і т. ін.). Велика кількість ендотоксину, що потрапляє у кров, призводить до розвитку токсикоз-септичного шоку.

Ліпополісахариди - порівняно слабкий імуноген. Сироватка крові тварин, імунізованих чистим ендотоксином, не володіє високою антитоксичною активністю і не здатна повністю нейтралізувати його отруйні властивості.

Білкові токсини (екзотоксини) - секреторні білкові речовини, що проявляють ферментативну активність і модифікують внутрішньоклітинні "мішені" таким чином, що порушується нормальне функціонування клітини, інколи - до загибелі клітини. Нерідко екзотоксини є основним фактором вірулентності мікроорганізму, що діють дистанційно (далеко за межами вогнища інфікування) і відповідають за клінічні прояви інфекції (наприклад, ентеротоксини викликають діарею, нейротоксини - паралічі та інші неврологічні симптоми). За токсичністю перше місце посідає ботулінічний, далі - правцевий і дифтерійний токсини.

Сьогодні описано більше ніж 80 бактеріальних токсинів, які відрізняються один від іншого за хімічною будовою, специфічністю дії та біологічною активністю. Одні з них є термолабільними, інші - термостабільними. Так, термолабільний дифтерійний гістотоксин порушується при 60 ⁰С протягом 1 год, а правцевий - протягом 20 хв. Термостабільні токсини клостридій ботулізму, кишкової палички, стафілококів можуть витримувати короткочасне кип'ятіння.

Бактеріальні екзотоксини відрізняються за структурною організацією та механізмами дії, але для них характерні певні загальні принципи будови і функціонування. Бактеріальні токсини поділяють на дві великі категорії за механізмом дії на клітину-мішень: токсини з ферментативною активністю і токсини, що формують пори в плазматичній мембрані (PoreForming Toxins (PFT)). Токсини-ферменти мають досить обмежений спектр активності, проте можуть модифікувати різноманітні клітинні мішені, що врешті-решт призводить до різних наслідків на рівні окремих клітин, тканин, органів і організму в цілому. Багато токсинів-ферментів побудовані за принципом А+В, тобто мають, як правило, одну субодиницію А (англ. active) та одну чи декілька субодиниць В (англ. binding) (табл. 10.2). Субодиниця А має ферментативну активність і модифікує певну внутрішньоклітинну мішень. Субодиниці В забезпечують зв'язування всього токсину з відповідними рецепторами на поверхні еукаріотичної клітини і допомагають транспортувати активну субодиницю А у цитозоль. Зв'язування субодиниці В є високоспецифічним. Наприклад, токсин Шига зв'язується з гліколіпідом Gb3, холероген - з гангліозидом GM1. Ферментативна активність субодиниці А варіює серед різних токсинів від ADP- рибозилюючої активності (холероген, кашлючний і дифтерійний токсини) до протеолітичної активності (нейротоксини клостридій). Проте в різних токсинів домени з ферментативною активністю консервативні за будовою, оскільки здійснюють подібні функції. Наприклад, якнайменше п'ять токсинів з ADP-рибозилюючою активністю (холеро- ген, термолабільний токсин E. coli, кашлючний і дифтерійний токсини, екзотоксин А P. aeruginosa) мають однакову ділянку для зв'язування NAD. Токсини-ферменти з NAD-глікогідролазною активністю каталізують розщеплення NAD до аденозинфосфорибози і нікотинаміду, а також одночасно перенесення ADP-рибозної частини на певні білки-мішені еукаріотичної клітини. Такими білками можуть бути G- білки (від GTP-аза), що, наприклад, регулюють активність аденілатциклази, фактор елонгації 2 (E2F), білки цитоскелету Rho. Така біохімічна модифікація токсинами внутрішньоклітинних білків-мішеней призводить до порушення їх активності. Так, рибозилювання фактора елонгації 2 дифтерійним токсином або екзотоксином А P. aeruginosa призводить до порушення функціонування фактора і блокування синтезу білка клітинами. Рибозилювання холерогеном білка Gs, що стимулює активність аденілатциклази, призводить до підвищення його активності і, як наслідок - збільшення кількості cAMP в епітеліоцитах тонкого кишечнику і втрати клітинами води та електролітів. Рибозилювання кашлючним токсином білка Gi, що гальмує активність аденілатциклази, також призводить до підвищення активності аденілатциклази, збільшення у клітині вмісту cAMP, втрати клітиною води та електролітів, але в масштабах набагато менших, ніж у випадку дії на клітини холерогену.

Токсинами з протеолітичною активністю є нейротоксини клостридій та летальний фактор (LF) комплексного токсину збудника сибірки. Усі ці токсини є Zn²⁺-залежними ендопептидазами. Нейротоксини клостридій розщеплюють білки синаптобревіни, що локалізуються в мембранах ендосом з нейромедіаторами в нервових закінченнях і необхідні для екзоцитозу нейромедіаторів і передачі нервового імпульсу. Правцевий і ботулінічний токсини мають однакові механізми дії, але діють у різних ділянках нервової системи, що і зумовлює різницю клінічних ознак правцю і ботулізму. Правцевий токсин блокує функціонування гальмівних інтернейронів спинного мозку, а ботулінічний - мотонейронів. Тому в першому випадку основним клінічним проявом захворювання є титанічні скороченні м'язів (опістотонус), а у другому - розслаблення (парез) м'язів. LF B. anthracis розщеплює білок МАРКК, який є важливим для передачі сигналів для виживання і проліферації клітини, тому порушення цього білка призводить до загибелі клітин-мішеней.

Таблиця 10.2. Будова і механізми дії А-В-токсинів

Великою групою бактеріальних токсинів є токсини, що утворюють пори або канали (Pore Forming Toxins). Основним механізмом дії токсину є утворення пори у плазматичній мембрані клітини, через яку клітина втрачає воду та електроліти. Внаслідок цього клітина-мішень гине. До таких токсинів відносять гемолізин E. coli (Hly), α- та γ- токсини S. aureus, стрептолізин-S та стрептолізин-O-стрептококів. Цікавим прикладом подібних токсинів є лістеріолізин-О, який використовують лістерії, для того, щоб вийти з фагосом у цитозоль.

Особливою категорією токсинів є ексфоліатини та еритрогеніни, що синтезуються Staphylococcus aureus та Streptococcus pyogenes відповідно. Ці токсини порушують десмосомальні контакти між клітинами епідермісу та забезпечують розвиток таких клінічних ознак, як, наприклад, "синдром обпареної шкіри", що часто спостерігають у немовлят, уражених певними штамами S. aureus та почервоніння шкіри при бешисі, індукованій S. pyogenes.

Серед бактеріальних токсинів існує окрема група токсинів з властивостями суперантигенів. До таких токсинів відносять ексфоліатини, еритрогеніни, ентеротоксини стафілококів, токсин синдрому токсичного шоку (TSST-1) стафілококів. Особливістю цих токсинів є здатність здійснювати поліклональну активацію лімфоцитів організму хазяїна. За рахунок своєї унікальної будови ці токсини зв'язують молекули головного комплексу гістосумісності ІІ класу (МНС ІІ) на поверхні антигенпрезентуючих клітин і β-ланцюги Т-клітинних рецепторів. Це призводить до масової активації і проліферації Т-клітин, що супроводжуються вивільненням ряду прозапальних цитокінів (інтерлейкіну-1, -2, -6, фактора некрозу пухлин, інтерферону-γ). Клінічними проявами таких процесів є значне підвищення температури тіла, зниження тиску, еритематозні висипки на шкірі.

Імуногенні властивості білкових токсинів проявляються у здатності викликати імунну відповідь з боку макроорганізму, а саме - індукувати синтез специфічних антитіл - антитоксинів, що нейтралізують відповідний токсин.

Наступною особливістю ряду білкових токсинів, наприклад правцевого, дифтерійного і деяких інших, є їх здатність під дією формаліну втрачати свою отруйність, зберігаючи при цьому імуногенні властивості. Такі токсини одержали назву анатоксинів. Їх застосовують як компоненти вакцин для профілактики відповідних захворювань.

Багато бактерій утворюють не один, а декілька білкових токсинів, що мають різну дію: летальну, дерматонекротичну, цитотоксичну, гемолітичну. Наприклад, B. anthracis утворює токсин, що містить три компоненти: протективний антиген (РА), що відповідає В-субодиниці, а також два компоненти, що відповідають А-субодиниці - фактор набряку (EF) та летальний фактор (LF). Деякі бактерії одночасно утворюють як білкові токсини, так і ендотоксини, наприклад, кишкова паличка, холерний вібріон тощо.

Активність токсинів вимірюється в тих самих одиницях, у яких оцінюється вірулентність - DLM та LD50.

Усі фактори патогенності бактерій діють в унісон. Наприклад, фактори адгезії та інвазії забезпечують тісний контакт між бактеріальною та еукаріотичною клітиною, що дозволяє спрямовано доставляти токсин до клітини-мішені.

Системи секреції бактерій. Зовнішньоклітинна секреція протеїнів є одним з основних механізмів патогенності при бактеріальній інфекції. Здатністю до зовнішньо клітинної секреції білків володіють як грампозитивні, так і грамнегативні мікроорганізми. У грампозитивних мікроорганізмів секреція відбувається за допомогою основного секреційного апарату з використанням системи білків Sec (Secretin). У грамнегативних мікроорганізмів процес зовнішньоклітинного транспорту білків організований більш складно, ніж у грампозитивних, оскільки він включає транслокацію через два шари клітинної стінки, що називають внутрішньою та зовнішньою мембранами. Це призвело до виникнення цілого різноманіття структурно і функціонально відмінних систем секреції у грамнегативних мікроорганізмів.

На сьогодні описано п'ять типів основних систем секреції (від I до V), виявлених у грамнегативних бактерій.

Системи I та III секретують білки в розгорнутому вигляді і не використовують систему Sec.

Системи секреції ІІ, IV та V (аутотранспортерів) використовують систему Sec.

Прикладом І типу секреційних систем є виділення гемолізину (HlyA) E. coli, металопротеази Erwinia chrysanthemi, лейкотоксину Pasteurella haemolytica, аденілатциклази Bordetella pertussis. Система секреції І-го типу складається з трьох білків: АТФази внутрішньої мембрани (ATP-Binding Cassette (ABC)-transporter) з функцією білка- транспортера, химерного білка, що заякорений у внутрішній мембрані і пронизує периплазматичний простір, та білка зовнішньої мембрани, який формує пору. Процес секреції розпочинається з приєднання білка, що має секретуватись, С-термінальною специфічною послідовністю до АВС-транспортера. Ця сигнальна послідовність специфічно розпізнається АВС-транспортером, тому білок- транспортер специфічно транспортує тільки відповідні субстрати. Проте білок зовнішньої мембрани, що формує пору, не має такої субстратної специфічності і може транспортувати з периплазматичного простору зовні різні білки.

Систему секреції ІІ типу розглядають на прикладі пулуланази (PulA) у Klebsiella axytoca. Система секреції ІІ є Sec-залежною. Система Sec дозволяє секретувати білки крізь внутрішню мембрану і складається з АТФази, SecA, декількох інтегральних мембранних білків (SecD, SecE, SecF, SecG, SecY), що пронизують внутрішню мембрану, та сигнальної пептидази. У цитоплазмі шаперон SecB спрямовує білок, що транспортується, до Sec-транслокону. Транспорт відбувається в два етапи. Білки, що мають бути транспортовані, синтезуються у вигляді пробілків-попередників з типовою N-термінальною сигнальною послідовністю. Після транспорту крізь внутрішню мембрану ця послідовність відщеплюється сигнальною пептидазою. У грампозитивних бактерій цих подій досить для того, щоб вивільнити секретовані білки зовні клітини. У грамнегативних бактерій після видалення сигнального N-кінцевого пептиду і вивільнення в периплазматичний простір білки проходять зовнішню мембрану в окремий етап. У периплазматичному просторі секретований білок набуває своєї природної конформації. Цей процес забезпечують певні шаперони, наприклад Disulfide bond isomerase (DsbA). Транспорт крізь зовнішню мембрану потребує додаткової активності 12-16 допоміжних білків, що складають апарат зовнішньої секреції Eps (Extracellular Protein Secretion Apparatus). Білки, що секретуються за шляхом секреції ІІ, включають протеази, целю- лази, пектинази, фосфоліпази, ліпази, термолабільний токсин E. coli, V. cholerae, токсин Legionella pneumophila та токсин P. aeruginosa. В основному ці білки залучені в порушення клітин і тканин організму хазяїна. Експресія генів цих білків, а також власне білків систем секреції перебуває під кворум-сенсінг контролем, тобто чітко регулюється умовами мікрооточення. Цей тип регуляції призводить до контрольованої секреції факторів вірулентності, що відбуваєтья лише тоді, коли бактерії потрапляють у відповідні ділянки макроорганізму і сягають там критичної маси.

Система секреції ІІІ складається з 20 білків, що утворюють голкоподібну структуру, яка пронизує внутрішню і зовнішню мембрани бактеріальної клітини. Система секреції ІІІ типу існує для трансло- кації білків через третю мембрану і надає можливість грамнегативним бактеріям секретувати і вприскувати патогенні білки в цитозоль еукаріотичних клітин. Така форма транслокації білків, звісно, потребує тісного контакту між клітинами. Забезпечену системою секреції ІІІ типу транслокацію спостерігають у зовнішньоклітинних патогенів при взаємодії з цитоплазматичною мембраною, а також у внутрішньоклітинних патогенів при взаємодії з мембраною фагосом. Білки, що секретуються цією системою, містять специфічну N-термінальну послідовність з 20 амінокислот. Цей механізм секреції є консервативним у таких віддалених видів патогенних для тварин і рослин мікроорганізмів, як Yersinia pestis, Erwinia spp., Salmonella enterica, Shigella flexneri, Escherichia coli, Pseudomonas syringe, Ralstonia syringe, Chlamydia trachomatis.

Система секреції IV типу включає скоординовану взаємодію 9-10 білків, що асоційовані з внутрішньою і зовнішньою мембранами. Ця система також здатна транслокувати білки безпосередньо в еукаріо- тичні клітини організму хазяїна. Одними з найкраще охарактеризованих систем є системи секреції токсинів Bordetella pertussis, Brucella suis, Legionellapneumophila та Helicobacter pylori (кодується геном CagA). Цікаво, що токсин B. pertussis, на відміну від інших токсинів, секретується в зовнішньоклітинний простір.

Порівняно з іншими системами система секреції V типу (аутотранспортерів) є однією з найпростіше організованих. Усі білки, що секретуються за допомогою цієї системи, мають уніфіковану структуру, яка складається з аміно-кінцевого лідерного пептиду (для секреції крізь Sec внутрішньої мембрани), самого секреторного зрілого білка (чи домену-пасажира) та С-кінцевого домену, що формує пору в зовнішній мембрані, через яку домен-пасажир проходить поверхню клітини. Усі потреби для секреції крізь зовнішню мембрану реалізуються єдиною молекулою, і секреція є енергонезалежним процесом. Здається, що цей механізм є найпростішою формою секреції, але має ряд біофізичних особливостей. Як правило, у деяких білків лідуючий і С-кінцевий компонент висококонсервативні, тоді як домен-пасажир - специфічний і в кожному окремому випадку виконує певну функцію. За системою секреції V секретуються адгезини, гемаглюютиніни Escherichia, токсин Vac A і адгезин Helicobacter pylori, IgА-протеаза Neisseria, муциназа та протеолітичний токсин Shigella flexneri.

У бактеріальній клітині одночасно можуть бути присутні системи секреції різних типів, а також різні системи секреції одного типу.