Staphylococcus aureus — грамположительная бактерия сферической формы , представитель Bacillota , обычный представитель микробиоты организма , часто обнаруживаемый в верхних дыхательных путях и на коже . Он часто дает положительные результаты в отношении восстановления каталазы и нитратов и является факультативным анаэробом , который может расти без необходимости в кислороде. [1] Хотя S. aureus обычно действует как комменсал микробиоты человека, он также может стать условно-патогенным микроорганизмом , являясь частой причиной кожных инфекций , включая абсцессы , респираторных инфекций, таких как синусит , и пищевых отравлений . Патогенные штаммы часто способствуют инфекциям , продуцируя факторы вирулентности , такие как мощные белковые токсины , и экспрессируя белок клеточной поверхности , который связывает и инактивирует антитела . S. aureus является одним из ведущих возбудителей смертей, связанных с устойчивостью к противомикробным препаратам, а появление устойчивых к антибиотикам штаммов, таких как метициллин-резистентный S. aureus (MRSA), является мировой проблемой клинической медицины . Несмотря на многочисленные исследования и разработки , ни одна вакцина против S. aureus не была одобрена.
По оценкам, от 21% до 30% населения являются долговременными носителями S. aureus , [2] [3] , который можно обнаружить в составе нормальной микробиоты кожи , в ноздрях , [2] [4] и как нормальный обитатель нижних репродуктивных путей самок. [5] [6] S. aureus может вызывать ряд заболеваний: от легких кожных инфекций, таких как прыщи , [7] импетиго , фурункулы , целлюлит , фолликулит , карбункулы , синдром ошпаренной кожи и абсцессы , до опасных для жизни заболеваний. такие как пневмония , менингит , остеомиелит , эндокардит , синдром токсического шока , бактериемия и сепсис . Это по-прежнему одна из пяти наиболее распространенных причин внутрибольничных инфекций и часто является причиной раневых инфекций после хирургического вмешательства . Ежегодно около 500 000 пациентов больниц в США заражаются стафилококковой инфекцией , главным образом, вызванной S. aureus . [8] До 50 000 смертей каждый год в США связаны со стафилококковой инфекцией. [9]
В 1880 году Александр Огстон , шотландский хирург, обнаружил, что стафилококк может вызывать раневые инфекции, после того, как заметил группы бактерий в гное из хирургического абсцесса во время выполняемой им процедуры. Он назвал его стафилококком из-за его скопления, видимого под микроскопом. Затем, в 1884 году, немецкий учёный Фридрих Юлиус Розенбах идентифицировал Staphylococcus aureus , отличив и отделив его от Staphylococcus albus , родственной бактерии. В начале 1930-х годов врачи начали использовать более упрощенный тест для выявления наличия инфекции, вызванной S. aureus , с помощью анализа на коагулазу , который позволяет обнаружить фермент, вырабатываемый бактерией. До 1940-х годов инфекция, вызванная S. aureus , приводила к летальному исходу у большинства пациентов. Однако врачи обнаружили, что использование пенициллина может вылечить инфекции, вызванные S. aureus . К сожалению, к концу 1940-х годов среди этой популяции бактерий распространилась устойчивость к пенициллину , и начали возникать вспышки резистентного штамма. [10]
Staphylococcus aureus можно разделить на десять доминирующих человеческих линий [11] . Есть также множество второстепенных линий, но они не так часто встречаются в популяции. Геномы бактерий одной линии в основном консервативны, за исключением мобильных генетических элементов . Мобильные генетические элементы, общие для S. aureus, включают бактериофаги, острова патогенности , плазмиды , транспозоны и кассетные хромосомы стафилококка. Эти элементы позволили S. aureus постоянно развиваться и приобретать новые свойства. Внутри видов S. aureus существует большое количество генетических вариаций . Исследование Фитцджеральда и соавт. (2001) выявили, что примерно 22% генома S. aureus некодируют и, следовательно, могут различаться от бактерии к бактерии. Примером этой разницы является вирулентность вида. Лишь несколько штаммов S. aureus вызывают инфекции у человека. Это демонстрирует, что существует широкий диапазон инфекционных способностей внутри вида. [12]
Было высказано предположение, что одна из возможных причин значительной гетерогенности внутри вида может быть связана с его зависимостью от гетерогенных инфекций. Это происходит, когда несколько различных типов S. aureus вызывают инфекцию внутри хозяина. Различные штаммы могут секретировать разные ферменты или привносить в группу различную устойчивость к антибиотикам, повышая ее патогенную способность. [13] Таким образом, возникает необходимость в большом количестве мутаций и приобретений мобильных генетических элементов. [ нужна цитата ]
Еще одним заметным эволюционным процессом внутри вида S. aureus является его совместная эволюция с человеком-хозяином. Со временем эти паразитарные отношения привели к тому, что бактерия стала переноситься в носоглотке человека, не вызывая симптомов или инфекции. Это позволяет ему распространяться среди человеческой популяции, повышая ее приспособленность как вида. [14] Однако только примерно 50% населения являются носителями S. aureus , причем 20% являются постоянными носителями и 30% - периодическими. Это заставляет ученых полагать, что существует множество факторов, определяющих, протекает ли S. aureus у человека бессимптомно, включая факторы, специфичные для отдельного человека. Согласно исследованию Хофмана и др., проведенному в 1995 году, к этим факторам могут относиться возраст, пол, диабет и курение. Они также определили некоторые генетические вариации у людей, которые приводят к повышенной способности S. aureus к колонизации, в частности, полиморфизм в гене рецептора глюкокортикоидов , который приводит к увеличению производства кортикостероидов . В заключение следует отметить, что есть свидетельства того, что любой штамм этой бактерии может стать инвазивным, поскольку это сильно зависит от человеческого фактора. [15]
Хотя S. aureus имеет высокие темпы размножения и микроэволюции, существует множество барьеров, которые препятствуют эволюции этого вида. Одним из таких барьеров является AGR, который является глобальным регулятором дополнительных генов внутри бактерий. Этот регулятор связан с уровнем вирулентности бактерий. Было обнаружено, что мутации потери функции внутри этого гена повышают приспособленность содержащей его бактерии. Таким образом, S. aureus должен пойти на компромисс, чтобы увеличить свой успех как вида, обменивая пониженную вирулентность на повышенную лекарственную устойчивость. Еще одним барьером на пути эволюции является система модификации рестрикции (RM) Sau1 Type I. Эта система существует для защиты бактерии от чужеродной ДНК путем ее переваривания. Обмен ДНК между одной и той же линией не блокируется, поскольку у них одни и те же ферменты и система РМ не распознает новую ДНК как чужеродную, но блокируется передача между разными линиями. [13]
S. aureus ( / ˌ s t æ f ɪ l ə ˈ k ɒ k ə s ˈ ɔːr i ə s , - l oʊ -/ , [ 16] [17 ] греч . «золотой») — факультативная анаэробная грамположительная кокковая (круглая) бактерия, также известная как «золотой стафилококк» и «оро стафира». S. aureus неподвижен и не образует спор . [18] В медицинской литературе бактерию часто называют S. aureus , Staph aureus или Staph a. . [19] S. aureus выглядит как стафилококки (гроздья, похожие на виноградные грозди), если смотреть под микроскопом, и имеет большие, круглые, золотисто-желтые колонии, часто с гемолизом , при выращивании на чашках с кровяным агаром . [20] S. aureus размножается бесполым путем бинарным делением . Полное разделение дочерних клеток опосредуется аутолизином S. aureus , а в его отсутствие или целенаправленном ингибировании дочерние клетки остаются прикрепленными друг к другу и появляются в виде кластеров. [21]
S. aureus является каталазоположительным (это означает, что он может вырабатывать фермент каталазу). Каталаза превращает перекись водорода ( H
2О
2) к воде и кислороду. Тесты на активность каталазы иногда используются для того, чтобы отличить стафилококки от энтерококков и стрептококков . Ранее S. aureus отличали от других стафилококков с помощью коагулазного теста . Однако не все штаммы S. aureus являются коагулазо-положительными [20] [22] , и неправильная идентификация вида может повлиять на эффективность лечения и мер контроля. [23]
Естественная генетическая трансформация — это репродуктивный процесс, включающий перенос ДНК от одной бактерии к другой через промежуточную среду и интеграцию донорной последовательности в геном реципиента путем гомологичной рекомбинации . Было обнаружено, что S. aureus способен к естественной генетической трансформации, но только с низкой частотой в используемых экспериментальных условиях. [24] Дальнейшие исследования показали, что развитие способности к естественной генетической трансформации может быть значительно выше при соответствующих условиях, но это еще предстоит выяснить. [25]
У людей S. aureus может присутствовать в верхних дыхательных путях, слизистой оболочке кишечника и коже как часть нормальной микробиоты . [26] [27] [28] Однако, поскольку S. aureus может вызывать заболевание при определенных условиях хозяина и окружающей среды, его характеризуют как «патобионт». [26]
Хотя S. aureus обычно действует как комменсальная бактерия , бессимптомно колонизируя около 30% населения, иногда она может вызывать заболевания. [3] В частности, S. aureus является одной из наиболее частых причин бактериемии и инфекционного эндокардита . Кроме того, он может вызывать различные инфекции кожи и мягких тканей [3] , особенно при нарушении барьеров кожи или слизистых оболочек .
Инфекции, вызванные S. aureus , могут распространяться при контакте с гноем из инфицированной раны, при контакте кожа к коже с инфицированным человеком, а также при контакте с предметами, которыми пользовался инфицированный человек, такими как полотенца, простыни, одежда или спортивное оборудование. Замены суставов подвергают человека особому риску развития септического артрита , стафилококкового эндокардита (инфекции сердечных клапанов) и пневмонии . [29]
S. aureus является важной причиной хронических инфекций биопленок на медицинских имплантатах , а репрессор токсинов является частью пути заражения. [30]
S. aureus может оставаться в организме годами незамеченным. Как только симптомы начинают проявляться, хозяин заразен еще две недели, а общее заболевание длится несколько недель. Однако если болезнь не лечить, она может оказаться смертельной. [31] Глубоко проникающие инфекции, вызванные S. aureus , могут быть тяжелыми. [ нужна цитата ]
Кожные инфекции являются наиболее распространенной формой инфекции, вызванной S. aureus . Это может проявляться по-разному, включая небольшие доброкачественные фурункулы , фолликулит , импетиго , целлюлит и более тяжелые инвазивные инфекции мягких тканей. [7] [3]
S. aureus чрезвычайно распространен у людей с атопическим дерматитом , более известным как экзема. [32] В основном он встречается в плодородных, активных местах, включая подмышки, волосы и кожу головы. Большие прыщи, появляющиеся в этих областях, могут усугубить инфекцию, если их повредить. Это может привести к стафилококковому синдрому ошпаренной кожи , тяжелая форма которого наблюдается у новорожденных . [33]
Наличие S. aureus у людей с атопическим дерматитом не является показанием к лечению пероральными антибиотиками, поскольку данные не показали, что это приносит пользу пациенту. [34] [35] Однако было обнаружено, что местные антибиотики в сочетании с кортикостероидами улучшают состояние. [36] Колонизация S. aureus вызывает воспаление при атопическом дерматите; [37] [32] Считается, что S. aureus использует дефекты кожного барьера у людей с атопическим дерматитом, вызывая экспрессию цитокинов и, следовательно, усугубляя симптомы. [38]
S. aureus также вызывает пищевое отравление , вызывая образование токсинов в пище, которая затем попадает в организм. [39] Инкубационный период длится от одного до шести часов, [40] сама болезнь длится от 30 минут до 3 дней. [41] Профилактические меры, которые можно предпринять, чтобы предотвратить распространение заболевания, включают тщательное мытье рук с мылом перед приготовлением пищи. Центры по контролю и профилактике заболеваний рекомендуют держаться подальше от любой еды, если вы больны, и надевать перчатки, если во время приготовления пищи на руках или запястьях возникают открытые раны. При хранении продуктов питания более 2 часов рекомендуется хранить продукты при температуре ниже 4,4 или выше 60 °C (ниже 40 или выше 140 °F). [42]
S. aureus является частой причиной серьезных инфекций костей и суставов, включая остеомиелит , септический артрит и инфекции после операций по замене суставов . [43] [3] [44]
S. aureus является основной причиной инфекций кровотока во многих промышленно развитых странах. [43] Инфекция обычно связана с повреждениями кожи или слизистых оболочек в результате хирургического вмешательства, травмы или использования внутрисосудистых устройств, таких как канюли , аппараты для гемодиализа или иглы для подкожных инъекций . [3] [43] Попадая в кровоток, бактерии могут инфицировать различные органы, вызывая инфекционный эндокардит , септический артрит и остеомиелит . [43] Это заболевание особенно распространено и протекает тяжело у очень молодых и очень старых людей. [3]
Без лечения антибиотиками уровень смертности от бактериемии, вызванной S. aureus , составляет около 80%. [3] При лечении антибиотиками уровень смертности варьируется от 15% до 50% в зависимости от возраста и состояния здоровья пациента, а также устойчивости штамма S. aureus к антибиотикам . [3]
S. aureus часто обнаруживается в биопленках , образующихся на медицинских устройствах, имплантированных в организм, или в тканях человека. Он обычно встречается с другим патогеном, Candida albicans , образующим многовидовые биопленки. Предполагается, что последний помогает S. aureus проникать в ткани человека. [9] Более высокая смертность связана с многовидовыми биопленками. [45]
Биопленка S. aureus является основной причиной инфекций, связанных с ортопедическими имплантатами, но также обнаруживается на сердечных имплантатах, сосудистых трансплантатах , различных катетерах и косметических хирургических имплантатах. [46] [47] После имплантации поверхность этих устройств покрывается белками-хозяевами, которые обеспечивают богатую поверхность для прикрепления бактерий и образования биопленок. Как только устройство заразится, его необходимо полностью удалить, поскольку биопленку S. aureus невозможно уничтожить лечением антибиотиками. [47]
Современная терапия инфекций, опосредованных биопленками S. aureus , включает хирургическое удаление инфицированного устройства с последующим лечением антибиотиками. Традиционное лечение антибиотиками само по себе неэффективно для искоренения таких инфекций. [46] Альтернативой послеоперационному лечению антибиотиками является использование растворимых шариков сульфата кальция, содержащих антибиотики, которые имплантируются вместе с медицинским устройством. Эти шарики могут высвобождать высокие дозы антибиотиков в нужном месте, чтобы предотвратить начальную инфекцию. [47]
Изучаются новые методы лечения биопленки S. aureus с использованием наночастиц серебра, бактериофагов и антибиотиков растительного происхождения. Эти агенты продемонстрировали ингибирующее действие в отношении S. aureus , встроенного в биопленки. [48] Было обнаружено, что класс ферментов обладает способностью разрушать матрикс биопленок, поэтому их можно использовать в качестве агентов, рассеивающих биопленки, в сочетании с антибиотиками. [49]
S. aureus может выжить на собаках, [50] кошках [51] и лошадях [52] и может вызывать шмель у кур. [53] Некоторые считают, что собак медицинских работников следует считать важным источником устойчивого к антибиотикам S. aureus , особенно во время вспышек. [50] В исследовании 2008 года, проведенном Бустом, О'Донохью и Джеймсом, было обнаружено, что около 90% S. aureus , колонизированного у домашних собак, оказались устойчивыми по крайней мере к одному антибиотику. Носовая область считается наиболее важным местом передачи вируса между собаками и людьми. [54]
S. aureus — один из возбудителей мастита у дойных коров . Его большая полисахаридная капсула защищает организм от распознавания иммунной системой коровы . [55]
S. aureus вырабатывает различные ферменты, такие как коагулаза (связанная и свободная коагулаза), которая способствует превращению фибриногена в фибрин с образованием тромбов, что важно при кожных инфекциях. [56] Гиалуронидаза (также известная как фактор распространения) расщепляет гиалуроновую кислоту и помогает ее распространению. Дезоксирибонуклеаза , расщепляющая ДНК, защищает S. aureus от уничтожения нейтрофилов, опосредованного внеклеточной ловушкой. [57] [58] S. aureus также вырабатывает липазу для переваривания липидов, стафилокиназу для растворения фибрина и содействия распространению, а также бета-лактамазу для устойчивости к лекарствам. [59]
В зависимости от штамма S. aureus способен секретировать несколько экзотоксинов , которые можно разделить на три группы. Многие из этих токсинов связаны с конкретными заболеваниями. [60]
Система секреции представляет собой высокоспециализированную мультибелковую единицу, которая встроена в клеточную оболочку и выполняет функцию транслокации эффекторных белков изнутри клетки во внеклеточное пространство или в целевой цитозоль хозяина. Точная структура и функция T7SS еще полностью не выяснены. В настоящее время известны четыре белка, составляющие систему секреции S. aureus типа VII; EssC представляет собой большую интегральную мембранную АТФазу , которая, скорее всего, питает системы секреции и, как предполагается, является частью транслокационного канала. Другими белками являются EsaA, EssB, EssA, которые представляют собой мембранные белки, которые функционируют вместе с EssC, опосредуя секрецию белка. Точный механизм того, как субстраты достигают поверхности клетки, неизвестен, как и взаимодействие трех мембранных белков друг с другом и EssC. [66]
Т7-зависимые эффекторные белки
EsaD – ДНК- эндонуклеазный токсин, секретируемый S. aureus , который, как было показано, ингибирует рост конкурирующего штамма S. aureus in vitro . [67] EsaD секретируется с помощью шаперона EsaE, который стабилизирует структуру EsaD и переносит EsaD в EssC для секреции. [67] [66] Штаммы, продуцирующие EsaD, также совместно продуцируют EsaG, цитоплазматический антитоксин, который защищает штамм-продуцент от токсичности EsaD. [67]
TspA — еще один токсин, опосредующий внутривидовую конкуренцию. Это бактериостатический токсин, обладающий мембранодеполяризующей активностью, чему способствует его С-концевой домен . Цай представляет собой трансмембранный белок, который придает иммунитет к штамму-продуценту TspA, а также к атакованным штаммам. Существует генетическая изменчивость С-концевого домена TspA, поэтому кажется, что штаммы могут продуцировать разные варианты TspA для повышения конкурентоспособности. [68]
Токсины, которые играют роль во внутривидовой конкуренции, дают преимущество, способствуя успешной колонизации в полимикробных сообществах, таких как носоглотка и легкие, вытесняя меньшие штаммы. [68]
Существуют также эффекторные белки Т7, которые играют роль в патогенезе, например, мутационные исследования S. aureus показали, что EsxB и EsxC способствуют стойкой инфекции на модели абсцесса у мышей. [69]
EsxX участвует в лизисе нейтрофилов , поэтому предполагается, что он способствует уклонению от иммунной системы хозяина. Удаление essX у S. aureus приводило к значительному снижению устойчивости к нейтрофилам и снижению вирулентности на моделях инфекции кожи и крови у мышей. [70]
В целом, T7SS и известные секретируемые эффекторные белки представляют собой стратегию патогенеза, улучшающую приспособленность к конкурирующим видам S. aureus , а также повышенную вирулентность за счет обхода врожденной иммунной системы и оптимизации персистирующих инфекций. [ нужна цитата ]
Список малых РНК , участвующих в контроле вирулентности бактерий S. aureus, постоянно растет. Этому могут способствовать такие факторы, как повышенное образование биопленок в присутствии повышенных уровней таких малых РНК. [71] Например, RNAIII , [72] SprD , [73] SprC, [74] [75] RsaE , [76] SprA1, [77] SSR42, [78] ArtR, [79] SprX и Teg49 . [80]
Нейтрофилы- хозяева вызывают двухцепочечные разрывы ДНК у S. aureus за счет продукции активных форм кислорода . [81] Для успешного инфицирования хозяина S. aureus должен пережить такие повреждения, вызванные защитой хозяина. Двухбелковый комплекс RexAB, кодируемый S. aureus , используется для рекомбинационной репарации двухцепочечных разрывов ДНК. [81]
Многие мРНК S. aureus несут три основные нетранслируемые области (3'UTR) длиной более 100 нуклеотидов , которые потенциально могут выполнять регуляторную функцию. [82]
Дальнейшее исследование мРНК i- caR (мРНК, кодирующей репрессор основного эксполисахаридного соединения матрикса биопленки бактерий) показало, что связывание 3'UTR с 5'-UTR может мешать работе комплекса инициации трансляции и генерировать двухцепочечный субстрат для РНКазы. III . Взаимодействие происходит между мотивом UCCCCUG в 3'UTR и областью Шайна-Далагарно в 5'UTR. Удаление мотива приводило к накоплению репрессора IcaR и ингибированию развития биопленок. [82] Образование биопленки является основной причиной инфекций имплантата, вызванных стафилококком . [83]
Биопленки — это группы микроорганизмов, например бактерий, которые прикрепляются друг к другу и растут на влажных поверхностях. [84] Биопленка S. aureus встроена в слой слизи гликокаликса и может состоять из тейхоевых кислот , белков-хозяев, внеклеточной ДНК (eDNA) и иногда полисахаридного межклеточного антигена (PIA). Биопленки S. aureus играют важную роль в патогенезе заболеваний, поскольку они могут способствовать устойчивости к антибиотикам и уклонению иммунной системы. [47] Биопленка S. aureus обладает высокой устойчивостью к лечению антибиотиками и иммунному ответу хозяина. [84] Одна из гипотез, объясняющих это, заключается в том, что матрица биопленки защищает внедренные клетки, действуя как барьер, предотвращающий проникновение антибиотиков. Однако матрица биопленки состоит из множества водных каналов, поэтому эта гипотеза становится все менее вероятной, но матрица биопленки, возможно, содержит ферменты, разрушающие антибиотики, такие как β-лактамазы, которые могут предотвратить проникновение антибиотиков. [85] Другая гипотеза заключается в том, что условия в матриксе биопленки способствуют образованию клеток-персистеров , которые представляют собой спящие бактериальные клетки с высокой устойчивостью к антибиотикам. [47] Биопленки S. aureus также обладают высокой устойчивостью к иммунному ответу хозяина. Хотя точный механизм устойчивости неизвестен, биопленки S. aureus увеличивают рост в присутствии цитокинов , вырабатываемых иммунным ответом хозяина. [86] Антитела хозяина менее эффективны в отношении биопленки S. aureus из-за гетерогенного распределения антигена , когда антиген может присутствовать в некоторых областях биопленки, но полностью отсутствовать в других областях. [47]
Исследования развития биопленок показали, что они связаны с изменениями в экспрессии генов. Было обнаружено, что существуют определенные гены, которые имеют решающее значение на различных стадиях роста биопленок. Два из этих генов включают rocD и gudB, которые кодируют ферментные трансаминазу орнитин-оксокислот и глутаматдегидрогеназу , которые важны для метаболизма аминокислот. Исследования показали, что развитие биопленок зависит от аминокислот глутамина и глутамата , обеспечивающих правильные метаболические функции. [87]
Белок А прикрепляется к стафилококковым пептидогликановым пентаглициновым мостикам (цепям из пяти остатков глицина ) с помощью транспептидазы сортазы А. [ 88] Белок А, IgG -связывающий белок, связывается с Fc-областью антитела . Фактически, исследования, включающие мутацию генов, кодирующих белок А, привели к снижению вирулентности S. aureus , измеренной по выживаемости в крови, что привело к предположению, что вирулентность, обусловленная белком А, требует связывания Fc-областей антитела. [89]
Белок А в различных рекомбинантных формах использовался на протяжении десятилетий для связывания и очистки широкого спектра антител с помощью иммуноаффинной хроматографии . Транспептидазы, такие как сортазы, ответственные за прикрепление таких факторов, как белок А, к стафилококковому пептидогликану, изучаются в надежде разработать новые антибиотики для борьбы с инфекциями MRSA. [90]
Некоторые штаммы S. aureus способны вырабатывать стафилоксантин — каротиноидный пигмент золотистого цвета . Этот пигмент действует как фактор вирулентности , в первую очередь будучи бактериальным антиоксидантом , который помогает микробу уклоняться от активных форм кислорода , которые иммунная система хозяина использует для уничтожения патогенов. [91] [92]
Мутантные штаммы S. aureus , модифицированные таким образом, чтобы не было стафилоксантина, с меньшей вероятностью выживут при инкубации с окисляющими химическими веществами, такими как перекись водорода , чем пигментированные штаммы. Мутантные колонии быстро погибают при воздействии нейтрофилов человека , тогда как многие пигментированные колонии выживают. [91] У мышей пигментированные штаммы вызывают затяжные абсцессы при инокуляции в раны, тогда как раны, инфицированные непигментированными штаммами, быстро заживают. [ нужна цитата ]
Эти тесты показывают, что штаммы стафилококка используют стафилоксантин в качестве защиты от нормальной иммунной системы человека. Лекарства, предназначенные для подавления выработки стафилоксантина, могут ослабить бактерию и возобновить ее чувствительность к антибиотикам. [92] Фактически, из-за сходства путей биосинтеза стафилоксантина и холестерина человека было показано, что препарат, разработанный в контексте терапии, снижающей уровень холестерина, блокирует пигментацию S. aureus и прогрессирование заболевания на модели инфекции у мышей . [93]
В зависимости от типа присутствующей инфекции берется соответствующий образец и отправляется в лабораторию для окончательной идентификации с помощью биохимических или ферментных тестов. Сначала проводится окраска по Граму , которая должна показать типичные грамположительные бактерии, кокки, в кластерах. Во-вторых, изолят культивируют на агаре с маннитовой солью , который представляет собой селективную среду с 7,5% NaCl , которая позволяет S. aureus расти, образуя колонии желтого цвета в результате ферментации маннита и последующего падения pH среды . [94] [95]
Кроме того, для дифференциации на видовом уровне используются каталаза (положительная для всех видов Staphylococcus ), коагулаза ( образование сгустка фибрина , положительная для S. aureus ), ДНКаза (зона клиренса на агаре с ДНКазой), липаза (желтый цвет и прогорклый запах). ) и тесты на фосфатазу (розовый цвет). При стафилококковом пищевом отравлении можно провести фаговое типирование, чтобы определить, были ли стафилококки, выделенные из пищи, источником инфекции. [96]
Диагностические микробиологические лаборатории и справочные лаборатории играют ключевую роль в выявлении вспышек и новых штаммов S. aureus . Последние достижения в области генетики позволили использовать надежные и быстрые методы идентификации и характеристики клинических изолятов S. aureus в режиме реального времени. Эти инструменты поддерживают стратегии инфекционного контроля, направленные на ограничение распространения бактерий и обеспечение надлежащего использования антибиотиков. Количественная ПЦР все чаще используется для выявления вспышек инфекции. [97] [98]
При наблюдении за развитием S. aureus и его способностью адаптироваться к каждому модифицированному антибиотику используются два основных метода, известные как «полосный» или «основанный на последовательностях». [99] Учитывая эти два метода, другие методы, такие как типирование мультилокусных последовательностей (MLST), гель-электрофорез в импульсном поле (PFGE), типирование бактериофагов , типирование локусов Spa и типирование SCCmec, часто проводятся чаще, чем другие. [100] С помощью этих методов можно определить, откуда возникли штаммы MRSA, а также где они находятся в настоящее время. [101]
В этом методе типирования MLST используются фрагменты нескольких генов домашнего хозяйства, известных как aroE, glpF, gmk, pta, Tip и yqiL . Затем этим последовательностям присваиваются номера, которые образуют строку из нескольких чисел, служащую аллельным профилем. Хотя это распространенный метод, ограничением этого метода является поддержание микрочипа, который обнаруживает новые аллельные профили, что делает его дорогостоящим и трудоемким экспериментом. [99]
С помощью PFGE, метода, который до сих пор широко используется, начиная с его первого успеха в 1980-х годах, по-прежнему способен помочь дифференцировать изоляты MRSA. [101] Для достижения этой цели метод использует множественный гель-электрофорез вместе с градиентом напряжения для отображения четкого разрешения молекул. Затем фрагменты S. aureus перемещаются в гель, образуя определенные узоры полос, которые позже сравниваются с другими изолятами в надежде идентифицировать родственные штаммы. Ограничения метода включают практические трудности с однородной диаграммой направленности и чувствительностью PFGE в целом. [ нужна цитата ]
Типирование локуса Спа также считается популярным методом, который использует одну зону локуса в полиморфной области S. aureus для распознавания любых форм мутаций. [101] Хотя этот метод часто является недорогим и требует меньше времени, вероятность потери дискриминационной способности, из-за которой будет трудно дифференцировать клональные комплексы MLST, является примером решающего ограничения. [ нужна цитата ]
Для чувствительных штаммов препаратом выбора при инфекции S. aureus является пенициллин . Пенициллин , антибиотик, полученный из некоторых видов грибов Penicillium , ингибирует образование поперечных связей пептидогликана , которые обеспечивают жесткость и прочность клеточной стенки бактерий . Четырехчленное β-лактамное кольцо пенициллина связано с ферментом DD-транспептидазой , ферментом, который при функционировании сшивает цепи пептидогликана, образующие стенки бактериальных клеток. Связывание β-лактама с DD-транспептидазой ингибирует функциональность фермента, и он больше не может катализировать образование поперечных связей. В результате образование и деградация клеточной стенки нарушаются, что приводит к гибели клеток. Однако в большинстве стран резистентность к пенициллину чрезвычайно распространена (>90%), и терапией первой линии чаще всего является устойчивый к пенициллиназе β-лактамный антибиотик (например, оксациллин или флуклоксациллин , оба из которых имеют одинаковый механизм действия). как пенициллин) или ванкомицин, в зависимости от особенностей местной резистентности. Комбинированная терапия с гентамицином может использоваться для лечения серьезных инфекций, таких как эндокардит , [102] [103] , но ее использование является спорным из-за высокого риска повреждения почек. [104] Продолжительность лечения зависит от места заражения и тяжести заболевания. В качестве дополнительной терапии при бактериемии, вызываемой S aureus , исторически использовался рифампицин , однако данные рандомизированных контролируемых исследований показали, что он не имеет общего преимущества по сравнению со стандартной терапией антибиотиками. [105]
Устойчивость к антибиотикам у S. aureus была редкостью, когда пенициллин был впервые представлен в 1943 году. Действительно, в оригинальной чашке Петри, на которой Александр Флеминг из Имперского колледжа Лондона наблюдал антибактериальную активность гриба Penicillium , выращивалась культура S. aureus . К 1950 году 40% больничных изолятов S. aureus были устойчивы к пенициллину; к 1960 году этот показатель вырос до 80%. [106]
Устойчивый к метициллину Staphylococcus aureus (MRSA, часто произносится / ˈ m ɜːr s ə / или / ɛ m ɑːr ɛ s eɪ / ), является одним из ряда штаммов S. aureus , вызывающих большой страх , которые стали устойчивыми к большинству β-лактамов. антибиотики. По этой причине ванкомицин , гликопептидный антибиотик, обычно используется для борьбы с MRSA. Ванкомицин ингибирует синтез пептидогликана, но в отличие от β-лактамных антибиотиков гликопептидные антибиотики воздействуют на аминокислоты клеточной стенки и связываются с ними, предотвращая образование поперечных связей пептидогликана. Штаммы MRSA чаще всего обнаруживаются в таких учреждениях, как больницы, но становятся все более распространенными при внебольничных инфекциях. [ нужна цитата ]
Незначительные кожные инфекции можно лечить мазью с тройным антибиотиком . [107] Одним из назначаемых средств для местного применения является мупироцин , ингибитор синтеза белка, который естественным образом вырабатывается Pseudomonas fluorescens и успешно применяется при лечении назального носительства S. aureus. [47]
S. aureus оказался вторым по значимости возбудителем смертности, связанной с устойчивостью к противомикробным препаратам, в 2019 году. [108]
Устойчивость стафилококка к пенициллину опосредуется выработкой пенициллиназы (разновидности бета-лактамазы ): фермента, который расщепляет β-лактамное кольцо молекулы пенициллина, делая антибиотик неэффективным. Устойчивые к пенициллиназе β-лактамные антибиотики, такие как метициллин , нафциллин , оксациллин , клоксациллин , диклоксациллин и флуклоксациллин , способны противостоять разрушению стафилококковой пенициллиназой. [ нужна цитата ]
Устойчивость к метициллину опосредована опероном mec , частью стафилококковой кассеты хромосомы mec (SCC mec ). SCCmec — это семейство мобильных генетических элементов, которое является основной движущей силой эволюции S. aureus . [99] Устойчивость обеспечивается геном mecA , который кодирует измененный пенициллин-связывающий белок (PBP2a или PBP2'), который имеет более низкое сродство к связыванию β-лактамов (пенициллинов, цефалоспоринов и карбапенемов ). Это обеспечивает устойчивость ко всем β-лактамным антибиотикам и исключает их клиническое использование при инфекциях MRSA. Исследования показали, что этот мобильный генетический элемент был приобретен разными линиями в ходе отдельных событий переноса генов, что указывает на отсутствие общего предка различных штаммов MRSA. [109] Интересно, что одно исследование предполагает, что MRSA жертвует вирулентностью, например, выработкой токсинов и инвазивностью, ради выживания и создания биопленок [110]
Аминогликозидные антибиотики, такие как канамицин , гентамицин , стрептомицин , когда-то были эффективны против стафилококковых инфекций, пока штаммы не выработали механизмы ингибирования действия аминогликозидов, которое происходит посредством взаимодействий протонированных аминов и/или гидроксилов с рибосомальной РНК бактериальной 30S рибосомальной субъединицы . [111] В настоящее время широко распространены три основных механизма устойчивости к аминогликозидам: ферменты, модифицирующие аминогликозиды, рибосомальные мутации и активный выброс препарата из бактерий. [ нужна цитата ]
Ферменты, модифицирующие аминогликозид, инактивируют аминогликозид путем ковалентного присоединения фосфатного , нуклеотидного или ацетильного фрагмента к амино- или спиртовой ключевой функциональной группе (или к обеим группам) антибиотика. Это изменяет заряд или стерически препятствует действию антибиотика, снижая его аффинность связывания с рибосомами. У S. aureus наиболее изученным ферментом, модифицирующим аминогликозиды, является аминогликозид аденилилтрансфераза 4' IA ( ANT(4')IA ). Этот фермент был расшифрован с помощью рентгеновской кристаллографии . [112] Фермент способен присоединять аденильный фрагмент к 4'-гидроксильной группе многих аминогликозидов, включая канамицин и гентамицин. [ нужна цитата ]
Устойчивость к гликопептидам обычно опосредована приобретением гена vanA , который происходит от транспозона Tn1546, обнаруженного в плазмиде энтерококков , и кодирует фермент, продуцирующий альтернативный пептидогликан , с которым ванкомицин не связывается. [113]
Сегодня S. aureus стал устойчивым ко многим широко используемым антибиотикам. В Великобритании только 2% всех изолятов S. aureus чувствительны к пенициллину, аналогичная картина наблюдается и в остальном мире. Устойчивые к β-лактамазам пенициллины (метициллин, оксациллин, клоксациллин и флуклоксациллин) были разработаны для лечения устойчивого к пенициллину S. aureus и до сих пор используются в качестве лечения первой линии. Метициллин был первым использованным антибиотиком этого класса (он был представлен в 1959 году), но только два года спустя в Англии был зарегистрирован первый случай метициллин-резистентного золотистого стафилококка (MRSA). [114]
Несмотря на это, MRSA в целом оставался редкостью, даже в больницах, до 1990-х годов, когда распространенность MRSA в больницах резко возросла, и теперь он стал эндемичным . [115] Теперь метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA) является не только человеческим патогеном, вызывающим различные инфекции, такие как инфекции кожи и мягких тканей (ИКМТ), пневмония и сепсис, но также может вызывать заболевания у животных, известный как MRSA, связанный с домашним скотом (LA-MRSA). [116]
Инфекции MRSA как в больнице, так и в общественных условиях обычно лечат неβ-лактамными антибиотиками, такими как клиндамицин (линкозамин) и ко-тримоксазол (также широко известный как триметоприм / сульфаметоксазол ). Устойчивость к этим антибиотикам также привела к использованию новых антиграмположительных антибиотиков широкого спектра действия, таких как линезолид , из-за его доступности в качестве перорального препарата. Лечением первой линии серьезных инвазивных инфекций, вызванных MRSA, в настоящее время являются гликопептидные антибиотики (ванкомицин и тейкопланин ). При использовании этих антибиотиков возникает ряд проблем, таких как необходимость внутривенного введения (препараты для перорального применения отсутствуют), токсичность и необходимость регулярного контроля уровня препарата с помощью анализов крови. Кроме того, гликопептидные антибиотики плохо проникают в инфицированные ткани (это особенно важно при инфекциях головного мозга и мозговых оболочек , а также при эндокардите ). Гликопептиды не следует использовать для лечения метициллин-чувствительного S. aureus (MSSA), поскольку результаты хуже. [117]
Из-за высокого уровня устойчивости к пенициллинам и из-за возможности развития устойчивости MRSA к ванкомицину Центры по контролю и профилактике заболеваний США опубликовали рекомендации по правильному использованию ванкомицина. В ситуациях, когда известно, что частота инфекций MRSA высока, лечащий врач может использовать гликопептидный антибиотик до тех пор, пока не станет известна личность заражающего организма. После подтверждения того, что инфекция вызвана чувствительным к метициллину штаммом S. aureus , лечение можно изменить на флуклоксациллин или даже пенициллин, в зависимости от ситуации. [ нужна цитата ]
Устойчивый к ванкомицину S. aureus (VRSA) представляет собой штамм S. aureus , который стал устойчивым к гликопептидам. Первый случай ванкомицин-промежуточной инфекции S. aureus (VISA) был зарегистрирован в Японии в 1996 году; [118] , однако первый случай подлинной резистентности S. aureus к гликопептидным антибиотикам был зарегистрирован только в 2002 году . [119] По состоянию на 2005 год в США было зарегистрировано три случая инфекции VRSA. [120] По крайней мере частично, противомикробные препараты Устойчивость S. aureus можно объяснить его способностью к адаптации. Множественные двухкомпонентные пути передачи сигнала помогают S. aureus экспрессировать гены, необходимые для выживания в условиях антимикробного стресса. [121]
Среди различных механизмов, которые MRSA приобретает, чтобы избежать устойчивости к антибиотикам (например, инактивация лекарств, изменение мишени, снижение проницаемости), существует также сверхэкспрессия эффлюксных насосов . Эффлюксные насосы представляют собой встроенные в мембрану белки, которые физиологически необходимы клетке для экспорта ксенобиотических соединений. Они разделены на шесть семейств, каждое из которых имеет различную структуру, функцию и транспорт энергии. Основными насосами оттока S. aureus являются MFS ( суперсемейство основных посредников ), которое включает насос MdeA, а также насос NorA и MATE (экструзия нескольких лекарств и токсинов), к которому принадлежит насос MepA. Для транспорта эти семейства используют электрохимический потенциал и градиент концентрации ионов, тогда как семейство АТФ-связывающих кассет (ABC) получает энергию от гидролиза АТФ. [ нужна цитата ]
Эти насосы сверхэкспрессируются MDR S. aureus ( S. aureus с множественной лекарственной устойчивостью) , и в результате происходит избыточное вытеснение антибиотика за пределы клетки, что делает его действие неэффективным. Откачивающие насосы также вносят значительный вклад в развитие непроницаемых биопленок. [ нужна цитата ]
Непосредственно модулируя активность эффлюксных насосов или снижая их экспрессию, можно будет изменить фенотип резистентности и восстановить эффективность существующих антибиотиков. [122]
Около 33% населения США являются носителями S. aureus и около 2% являются носителями MRSA . [123] Даже медицинские работники могут быть колонизаторами MRSA. [124] [125]
Носительство S. aureus является важным источником внутрибольничных инфекций (также называемых внутрибольничными) и внебольничных MRSA. Хотя S. aureus может присутствовать на коже хозяина, большая часть его распространения происходит через передние ноздри носовых ходов [2] и может также присутствовать в ушах. [126] Способность носовых ходов содержать S. aureus является результатом сочетания ослабленного или дефектного иммунитета хозяина и способности бактерии уклоняться от врожденного иммунитета хозяина. [127] Назальное носительство также участвует в возникновении стафилококковых инфекций. [128]
Распространение S. aureus (включая MRSA) обычно происходит при контакте между людьми, хотя недавно некоторые ветеринары обнаружили, что инфекция может передаваться через домашних животных [129] , причем загрязнение окружающей среды, как считается, играет относительно менее важную роль. [130] Таким образом, упор на основные методы мытья рук является эффективным средством предотвращения передачи инфекции. Использование персоналом одноразовых фартуков и перчаток снижает контакт кожа к коже, что еще больше снижает риск передачи инфекции . [ нужна цитата ]
Недавно [ когда? ] бесчисленное количество случаев S. aureus было зарегистрировано в больницах по всей Америке. Передача возбудителя облегчается в медицинских учреждениях, где соблюдение гигиены медицинским работником является недостаточным. S. aureus — невероятно выносливая бактерия, как показало исследование, в ходе которого она выживала на полиэстере чуть менее трех месяцев; [131] Полиэстер является основным материалом, используемым в шторах для уединения больниц.
Бактерии передаются руками медицинских работников, которые могут заразить их от внешне здорового пациента, несущего доброкачественный или комменсальный штамм S. aureus , а затем передать его следующему пациенту, проходящему лечение. Попадание бактерий в кровоток может привести к различным осложнениям, включая эндокардит, менингит и, при широком распространении, сепсис . [ нужна цитата ]
Этанол оказался эффективным местным дезинфицирующим средством против MRSA. Четвертичный аммоний можно использовать в сочетании с этанолом для увеличения продолжительности дезинфицирующего действия. Профилактика внутрибольничных инфекций включает плановую и терминальную уборку . Невоспламеняющиеся пары спирта в CO2 Преимущество систем NAV-CO 2 заключается в том, что они не воздействуют на металлы и пластмассы, используемые в медицинской среде, и не способствуют устойчивости к антибактериальным препаратам. [ нужна цитата ]
Важным и ранее непризнанным способом колонизации и передачи MRSA в сообществе является половой контакт. [132]
S. aureus погибает за одну минуту при 78 °C и за десять минут при 64 °C, но устойчив к замораживанию . [133] [134]
Некоторые штаммы S. aureus устойчивы к дезинфекции хлором. [135] [136]
Использование мази мупироцина позволяет снизить частоту инфекций, вызванных назальным носительством S. aureus. [137] Имеются ограниченные доказательства того, что обеззараживание носа S. aureus с помощью антибиотиков или антисептиков может снизить частоту инфекций в области хирургического вмешательства. [138]
По состоянию на 2021 год не существует одобренной вакцины против S. aureus . Ранние клинические испытания были проведены для нескольких кандидатов на вакцины, таких как StaphVax и PentaStaph компании Nabi, V710 компании Intercell / Merck , SA75 компании VRi и других. [140]
Хотя некоторые из этих вакцин-кандидатов продемонстрировали иммунный ответ, другие усугубили инфекцию, вызванную S. aureus . На сегодняшний день ни один из этих кандидатов не обеспечивает защиту от инфекции S. aureus . Разработка StaphVax компании Nabi была остановлена в 2005 году после провала испытаний III фазы. [141] Первый вариант вакцины V710 компании Intercell был прекращен во время фазы II/III после того, как среди пациентов, у которых развилась инфекция S. aureus, наблюдалась более высокая смертность и заболеваемость . [142]
Усовершенствованная вакцина-кандидат против S. aureus, разработанная Наби, PentaStaph, была продана в 2011 году компании GlaxoSmithKline Biologicals SA [143] . Текущий статус PentaStaph неясен. В документе ВОЗ указывается, что PentaStaph не прошел стадию испытаний III фазы. [144]
В 2010 году GlaxoSmithKline начала слепое исследование фазы 1 для оценки своей вакцины GSK2392103A. [145] По состоянию на 2016 г. эта вакцина больше не находится в стадии активной разработки. [146]
Четырехантигенная вакцина SA4Ag против S. aureus компании Pfizer получила ускоренный статус Управления по контролю за продуктами и лекарствами США в феврале 2014 года . [147] В 2015 году компания Pfizer начала исследование фазы 2b вакцины SA4Ag. [148] Результаты фазы 1, опубликованные в феврале 2017 г., показали очень надежную и безопасную иммуногенность SA4Ag. [149] Вакцина проходила клинические испытания до июня 2019 года, результаты которых были опубликованы в сентябре 2020 года и не продемонстрировали значительного снижения послеоперационной инфекции кровотока после операции. [148]
В 2015 году компания Novartis Vaccines and Diagnostics, бывшее подразделение Novartis , а теперь часть GlaxoSmithKline, опубликовала многообещающие доклинические результаты своей четырехкомпонентной вакцины против золотистого стафилококка , 4С-стафилококка. [150]
В исследованиях и лабораторных испытаниях используется ряд стандартных штаммов S. aureus (называемых «типовыми культурами»), например:
Кожные инфекции являются наиболее распространенными.
Они могут выглядеть как прыщи или фурункулы.