Bordetella pertussis — грамотрицательная , аэробная , патогенная , инкапсулированная бактерия Coccobacillus рода Bordetella , возбудитель коклюша или коклюша. Факторы вирулентности включают коклюшный токсин , аденилатциклазный токсин , нитевидный гемагглютинин , пертактин , фимбрии и трахеальный цитотоксин .
Бактерии передаются воздушно-капельным путем, инкубационный период заболевания составляет в среднем 7–10 дней (диапазон 6–20 дней). [1] [2] Человек является единственным известным резервуаром B. pertussis . [3] Полный геном B. pertussis , состоящий из 4 086 186 пар оснований, был опубликован в 2003 году. [4] По сравнению с его ближайшим родственником B. bronchiseptica размер генома значительно уменьшен. В основном это связано с адаптацией к одному виду хозяина (человеку) и потерей способности к выживанию вне тела хозяина. [5]
Как и B. bronchiseptica , B. pertussis может иметь структуру, подобную жгутику, хотя исторически она была отнесена к категории неподвижных бактерий. [6]
Род Bordetella включает девять видов: B. pertussis, B. parapertussis , B. bronchiseptica , B. avium , B. hinzii , B. holmesii , B. trematum, B. ansorpii и B. petrii. [5]
B. pertussis , B. parapertussis и B. bronchiseptica образуют близкородственную филогенетическую группу. B. parapertussis вызывает у людей заболевание, похожее на коклюш, а B. bronchiseptica заражает ряд млекопитающих-хозяев, включая человека, и вызывает целый ряд респираторных заболеваний. [5]
Заболевание коклюш было впервые описано французским врачом Гийомом де Байю после эпидемии 1578 года. Возбудитель коклюша был идентифицирован и выделен Жюлем Борде и Октавом Жангу в 1906 году. Считается, что род Bordetella мог произойти от предков, которые могли выживают в почве по данным секвенирования гена 16S рРНК . [7] 16S рРНК является компонентом всех бактерий, что позволяет сравнивать типы в образце. Расширение человеческого развития в области сельского хозяйства привело к увеличению числа контактов человека с почвой. Это увеличение не только создало более благоприятную среду для предков Bordetella не только для процветания, но и для распространения среди людей. Со временем Bordetella , как и B. pertussis , приспособились специфически заражать человека и до сих пор способны размножаться и развиваться в почвенных условиях. [8]
Первоначально было установлено, что B. pertussis является мономорфным возбудителем, у которого большинство обнаруженных штаммов имеют одни и те же два типа аллелей: ptxA1 или ptxA2. [9] Современные разработки в области секвенирования генома позволили более подробно изучить B. pertussis, что позволило открыть регион ptxP. Благодаря изучению гена были получены доказательства мутаций внутри гена, которые показывают отсутствие геномов в цепи ДНК. Исследование Барта и др. показало, что 25% генов эталонного штамма Tohama I последовательности B. pertussis отсутствуют по сравнению с предковыми штаммами. Было отмечено, что эти мутации вызваны увеличением внутригеномной рекомбинации с потерей ДНК. Гены, контролируемые системой BvgAS, превратили B. pertussis в гораздо более заразный патоген. [9] В частности, штаммы с аллелем ptxP3, возникшие в результате мутаций в последние годы, обладают повышенной экспрессией токсинов. В конечном итоге это приводит к повышению остроты заболевания при заражении. [9] Это вызвало тенденцию к увеличению числа случаев заражения B. pertussis штаммом ptxP3, особенно в развивающихся странах. С 1990-х годов в большинстве случаев в развитых странах, таких как США, наблюдались изоляты ptxP3, а не ptxA1, в результате чего он стал более доминирующим штаммом. [8]
Bordetella pertussis предпочитает аэробные условия с диапазоном pH 7,0–7,5 [10] , оптимальным для развития в организме человека. Максимальный уровень pH для их роста находился на уровне pH 8,0. Минимальный диапазон pH для минимального роста находился при pH 6,0-6,5. Бактерии не способны размножаться при уровне pH ниже 5,0.
Кроме того, Bordetella pertussis предпочитает диапазон температур от 35°C до 37°C. [11] Как упоминалось ранее, это строгий аэроб, и его потребности в питании очень строги с точки зрения потребности в добавке никотинамида. Установлено, что рост бактерий тормозится в присутствии жирных кислот, перекисных сред, ионов металлов и сульфидов.
Будучи строгими аэробами, бактерии нуждаются в кислороде для роста и поддержания жизнедеятельности. Такие аэробы подвергаются клеточному дыханию для метаболизма веществ с использованием кислорода. При таком дыхании конечным акцептором электронов цепи переноса электронов является кислород. [12] Организм является оксидазо- положительным, но уреазо- , нитратредуктазным и цитрат- отрицательным. [13]
B. pertussis представляет уникальные проблемы и возможности для метаболического моделирования, особенно с учетом его повторного появления в качестве патогена. Было обнаружено, что повышенный уровень глутамата замедляет рост из-за окислительного стресса, что раскрывает сложную взаимосвязь. Этот эффект усугубляется наблюдениями, предполагающими, что небольшая стартовая популяция может усиливать окислительный стресс за счет ощущения кворума - явление, заслуживающее дальнейшего изучения. [14]
Когда B. pertussis находится в сбалансированной среде лактата и глутамата, не накапливающей аммоний, наблюдается частично нарушенный цикл лимонной кислоты у B. pertussis и ее способность синтезировать и расщеплять β-гидроксибутират. Культивирование B. pertussis в этой среде приводило к некоторому образованию полигидроксибутирата, но не к выделению β-гидроксибутирата, что указывает на более эффективное преобразование углерода в биомассу по сравнению с существующими составами сред. [15]
В условиях биопленки клетки B. pertussis демонстрировали повышенный уровень токсинов наряду со снижением экспрессии определенных белков, что указывает на метаболический сдвиг в сторону использования полного цикла трикарбоновых кислот (ТСА) вместо глиоксилатного шунта. [16] Эти изменения коррелировали с повышенным накоплением полигидроксибутирата и активностью супероксиддисмутазы, что потенциально способствовало длительному выживанию биопленок. [16] Взаимодействие между экспрессией белка и метаболическими реакциями подчеркивает сложные механизмы, влияющие на рост и адаптацию B. pertussis. [17] Несмотря на менее отрицательный энергетический профиль по сравнению с тканями хозяина, такими как дыхательная система человека, B. pertussis эффективно сочетает биосинтез с катаболизмом, поддерживая устойчивый рост даже после длительных периодов инкубации. [17]
Человек является единственным видом-хозяином B. pertussis . [18] Вспышки коклюша наблюдались среди шимпанзе в зоопарке и среди диких горилл; в обоих случаях считается вероятным, что заражение произошло в результате тесного контакта с человеком. [19] В некоторых зоопарках существует давняя традиция вакцинации приматов от коклюша. [20]
Исследования показывают, что некоторые виды приматов очень чувствительны к B. pertussis , и у них часто развивается клинический коклюш при воздействии низких доз прививки. [21] [22] Лабораторная диагностика не подтвердила, что бактерии распространяются естественным путем в популяциях диких животных. [23] В ходе исследований бабуины использовались в качестве модели инфекции, хотя неизвестно, является ли патология у бабуинов такой же, как у людей. [24]
Коклюш – это инфекция дыхательной системы , характеризующаяся «гипнующим» звуком при вдохе человека. [25] B. pertussis заражает своего хозяина путем колонизации эпителиальных клеток легких. Бактерия содержит поверхностный белок — нитевидный гемагглютинин-адгезин , который связывается с сульфатидами , обнаруженными на ресничках эпителиальных клеток. Другими адгезинами являются фимбрии и петрактин. [26] После закрепления бактерия вырабатывает трахеальный цитотоксин , который останавливает биение ресничек. Это не позволяет ресничкам очищать легкие от мусора, поэтому организм в ответ вызывает у хозяина приступ кашля. [27] B. pertussis обладает способностью подавлять функцию иммунной системы хозяина. Токсин, известный как коклюшный токсин , ингибирует связывание G-белка , который регулирует опосредованное аденилатциклазой превращение АТФ в циклический аденозинмонофосфат . В результате фагоциты преобразуют слишком много аденозинтрифосфата в циклический аденозинмонофосфат, вызывая нарушения клеточных сигнальных механизмов и не позволяя фагоцитам правильно реагировать на инфекцию. Токсин коклюша, ранее известный как фактор, способствующий лимфоцитозу, вызывает уменьшение поступления лимфоцитов в лимфатические узлы, что может привести к состоянию, известному как лимфоцитоз , с полным количеством лимфоцитов более 4000/мкл у взрослых или более 8000/мкл. у детей. Помимо воздействия на лимфоциты, он ограничивает миграцию нейтрофилов в легкие. Это также снижает функцию тканевых макрофагов, которые отвечают за очистку от бактерий. [28]
Заражение B.pertussis происходит в основном у детей в возрасте до одного года, поскольку это происходит у детей, не привитых , или у детей с ослабленным иммунитетом , обычно в возрасте от 11 до 18 лет. Признаки и симптомы аналогичны обычной простуде : насморк. , чихание , легкий кашель и субфебрильная температура . [29] Больной становится наиболее заразным на катаральной стадии инфекции, обычно через две недели после начала кашля. Он может передаваться по воздуху, когда человек кашляет, чихает или смеется. Приступообразный кашель предшествует характерному для коклюша кукарекающему звуку на вдохе. После приступа пациент может издать «хлюпающий» звук при вдохе или у него может возникнуть рвота. Ожидается, что уровень передачи инфекции будет расти по мере того, как хозяин переживает наиболее заразную стадию, когда общее количество жизнеспособных B. pertussis достигает самого высокого уровня. После того, как хозяин кашляет, бактерии в его дыхательных путях попадают в воздух в виде аэрозольных капель, угрожая находящимся рядом людям. [30]
У человека-хозяина может проявляться ряд физических реакций на воздействие возбудителя B. pertussis , в зависимости от того, насколько хорошо его организм оснащен для борьбы с инфекцией. [30] У взрослых наблюдаются более легкие симптомы, такие как продолжительный кашель без криков. У младенцев младше шести месяцев также может не быть типичного крика. Приступ кашля может длиться минуту и более, вызывая цианоз , апноэ и судороги .
B.pertussis — высококонтагиозная инфекция дыхательных путей. [31] Однако для того, чтобы B. pertussis сохранялась в популяции, бактерия нуждается в непрерывной цепочке передачи, поскольку животных-резервуаров нет, а бактерии не выживают в окружающей среде. B. pertussis в основном распространяется воздушно-капельным путем, что требует прямого контакта между людьми из-за короткого времени выживания вне организма.
Было отмечено, что в период с 1991 по 2008 год зарегистрировано 258 случаев смерти младенцев в возрасте 8 месяцев и младше. [32]
Коклюш проявляется в три отдельные стадии. Динамическое развитие коклюша, характеризующееся четко выраженными фазами от инкубационного до приступообразного кашля, подчеркивает сложность клинических проявлений заболевания и потенциальную значимость выделения токсинов в симптомах вождения. [33]
После заражения наступает инкубационный период продолжительностью 5–7 дней, прежде чем появятся симптомы. [33]
Далее следует катаральная фаза, характеризующаяся простудоподобными симптомами, продолжающимися около недели, с высокой степенью изоляции организма. Эта фаза переходит в приступообразную, где сухой кашель переходит в тяжелый приступообразный кашель со слизистым секретом и рвотой. [33]
Приступы кашля, характеризующиеся попытками вытеснить секрет из дыхательных путей, могут вызывать характерный коклюшный звук. Восстановление организма на этом этапе значительно замедляется. Хотя микроорганизм редко обнаруживается в крови, предполагается, что клинические симптомы в первую очередь связаны с выбросом токсина. Пароксизмальная фаза обычно сохраняется минимум 2 недели. [33]
Мазок из носоглотки или аспират можно отправить в бактериологическую лабораторию для окраски по Граму (грамотрицательные, коккобактерии, расположение диплококков), при росте на агаре Борде-Женгу или агаре с забуференным угольным дрожжевым экстрактом с добавлением цефалоспорина для отбора микроорганизма, который показывает ртутные каплевидные колонии. Для лабораторной диагностики предпочтительны аспираты эндотрахеальной трубки или жидкости бронхоальвеолярного лаважа из-за их прямого контакта с клетками мерцательного эпителия и более высокой скорости выделения возбудителя.
Лабораторные методы диагностики, используемые для выявления B.pertussis:
Доступны несколько диагностических тестов, в частности наборы ИФА для иммуноферментного анализа . Они предназначены для обнаружения нитчатого гемагглютинина (FHA) и/или антител против коклюшного токсина IgG, IgA или IgM. В некоторых наборах используется комбинация антигенов, что приводит к более высокой чувствительности, но также может затруднить интерпретацию результатов, поскольку невозможно знать, какое антитело было обнаружено. [37]
Ошибочный диагноз распространен из-за диагностических методов, неправильной идентификации видов в лабораториях и ошибок клиницистов. Ошибочные диагнозы между видами Bordetella еще больше увеличивают вероятность устойчивости к антибиотикам. Эти факторы подчеркивают необходимость процедуры, охватывающей все виды с помощью конкретных и быстрых методов.
Коклюш лечат макролидами , например эритромицином . Терапия наиболее эффективна, если ее начать в инкубационном или катаральном периоде. В идеале лечение должно проводиться в течение 1–2 недель с момента появления симптомов. При применении в фазу приступообразного кашля сроки реконвалесценции не влияют, только дальнейшая передача сокращается до 5–10 дней после заражения. [38] [39]
Вакцина против коклюша широко используется со второй половины 20 века. [40] [2] Первыми вакцинами были цельноклеточные вакцины (цП), состоящие из химически инактивированных бактерий и вводимые внутримышечно. При введении неактивные бактерии и антигены вызывают иммунный ответ и имитируют естественную инфекцию.
Из-за частых сообщений о реакциях в месте инъекции ученые начали заменять цельноклеточные вакцины бесклеточными вакцинами против коклюша (АП), которые в последнее время показали снижение времени иммунитета и уровня защиты от колонизации. [41] Эти бесклеточные вакцины также вводятся внутримышечно и состоят из очищенных поверхностных антигенов, в основном фимбрии, нитчатого гемагглютинина , пертактина и коклюшного токсина. Обе вакцины используются до сих пор, причем вакцина АП преимущественно используется в развитых странах.
Вакцина AP также является частью иммунизации против дифтерии , столбняка и бесклеточного коклюша (DTaP). [2] Тем, кому вводят эти вакцины, рекомендуется сделать ревакцинацию, поскольку они обеспечивают защиту только на 4–12 лет; в то время как естественное заражение предполагает 7–20 лет. [42] Случаи заболевания у младенцев распространены и часто имеют серьезные последствия, поскольку они более восприимчивы к Bordetella pertussis, чем подростки и здоровые взрослые. Поэтому, чтобы снизить вероятность заражения и распространения этого заболевания, родителям рекомендуется пройти профилактическую вакцинацию. [43]
В связи с возобновлением случаев коклюша возникают опасения относительно уровня защиты, обеспечиваемой существующей вакциной. Эта вакцина не обеспечивает защиты от других видов Bordetella , таких как B. holmesii и B. bronchiseptica , и еще раз подчеркивает необходимость обновленной вакцины . В настоящее время проводятся исследования по разработке новой вакцины, такой как BPZE1, которая представляет собой живую аттенуированную вакцину против B. pertussis и бросает вызов другим патогенам «классических бордетелл» . Эта новая вакцина инактивирует ген, кодирующий три основных токсина, всего лишь одной интраназальной дозой. В настоящее время его безопасность изучается у пациентов с ослабленным иммунитетом и беременных женщин. Существуют и другие многообещающие вакцины, которые изучаются и проходят испытания на предмет точности, эффективности и безопасности. [42]