В биологии патоген ( греч . πάθος , пафос «страдание», «страсть» и -γενής , -genēs «производитель») в самом старом и широком смысле — это любой организм или агент, который может вызвать заболевание . Патоген может также называться инфекционным агентом или просто микробом . [1]
Термин «патоген» вошел в употребление в 1880-х годах. [2] [3] Обычно термин «патоген» используется для описания инфекционного микроорганизма или агента, такого как вирус , бактерия , простейшее , прион , вироид или грибок . [4] [5] [6] Мелкие животные, такие как гельминты и насекомые, также могут вызывать или передавать болезни. Однако этих животных обычно называют паразитами , а не патогенами. [7] Научное изучение микроскопических организмов, включая микроскопические патогенные организмы, называется микробиологией , а паразитология относится к научному изучению паразитов и организмов, которые их содержат.
Существует несколько путей проникновения патогенов в организм хозяина. Основные пути имеют разные эпизодические временные рамки, но почва обладает самым длительным или наиболее устойчивым потенциалом для укрытия патогена.
Заболевания человека, вызываемые инфекционными агентами, называются патогенными. Не все болезни вызваны патогенами, например, черные легкие из-за воздействия загрязняющей угольной пыли , генетические нарушения, такие как серповидно-клеточная анемия , и аутоиммунные заболевания, такие как волчанка .
Патогенность – это потенциальная болезнетворная способность патогенов, включающая сочетание инфекционности (способности возбудителя заражать хозяев) и вирулентности (тяжести заболевания хозяина). Постулаты Коха используются для установления причинно-следственных связей между микробными возбудителями и заболеваниями. В то время как менингит может быть вызван различными бактериальными, вирусными, грибковыми и паразитарными возбудителями, холера вызывается только некоторыми штаммами холерного вибриона . Кроме того, некоторые патогены могут вызывать заболевание только у хозяев с иммунодефицитом . Эти оппортунистические инфекции часто включают внутрибольничные инфекции среди пациентов, уже борющихся с другим заболеванием. [8]
Инфекционность включает передачу патогена посредством прямого контакта с жидкостями организма или воздушно-капельным путем инфицированных хозяев, непрямого контакта с зараженными участками/предметами или передачи живыми переносчиками , такими как комары и клещи . Базовый коэффициент воспроизводства инфекции – это ожидаемое количество последующих случаев, которые она может вызвать путем передачи. [9]
Вирулентность предполагает, что патогены извлекают питательные вещества из хозяина для своего выживания, уклоняются от иммунной системы хозяина, производя микробные токсины и вызывая иммуносупрессию . Оптимальная вирулентность описывает теоретическое равновесие между распространением патогена на дополнительных хозяев для паразитирования ресурсов и снижением его вирулентности, чтобы сохранить жизнь хозяев для вертикальной передачи их потомству. [10]
Водоросли — это одноклеточные эукариоты , которые, как правило, непатогенны. Зеленые водоросли рода Prototheca лишены хлорофилла и, как известно, вызывают заболевание прототекоз у людей, собак, кошек и крупного рогатого скота, обычно с участием связанных с почвой видов Prototheca wickerhami . [11] [12] [13]
Бактерии представляют собой одноклеточные прокариоты , размер которых варьируется от 0,15 до 700 мкм. [14] Хотя подавляющее большинство из них либо безвредны, либо полезны для своих хозяев, например, члены микробиома кишечника человека , поддерживающие пищеварение, небольшой процент являются патогенными и вызывают инфекционные заболевания. Факторы вирулентности бактерий включают факторы адгезии для прикрепления к клеткам-хозяевам, факторы инвазии, поддерживающие проникновение в клетки-хозяева, капсулы для предотвращения опсонизации и фагоцитоза , токсины и сидерофоры для приобретения железа. [15]
Бактериальное заболевание туберкулез , вызываемое в первую очередь микобактерией туберкулеза , имеет одно из самых высоких показателей заболеваемости : в 2021 году погибнет 1,6 миллиона человек, в основном в Африке и Юго-Восточной Азии. [16] Бактериальную пневмонию вызывают в первую очередь Streptococcus pneumoniae , Staphylococcus aureus , Klebsiella pneumoniae и Haemophilus influenzae . [17] Заболевания пищевого происхождения обычно включают Campylobacter , Clostridium perfringens , Escherichia coli , Listeria monocytogenes и Salmonella . [18] Другие инфекционные заболевания, вызываемые патогенными бактериями, включают столбняк , брюшной тиф , дифтерию и проказу . [15]
Грибы – это эукариотические организмы, которые могут действовать как патогены. Известно около 300 грибов, патогенных для человека, включая Candida albicans , который является наиболее распространенной причиной молочницы , и Cryptococcus neoformans , который может вызывать тяжелую форму менингита . [19] Типичные грибковые споры имеют длину 4,7 мкм или меньше. [20]
Прионы — это неправильно свернутые белки, которые передают аномальную структуру сворачивания другим копиям белка без использования нуклеиновых кислот . Помимо получения прионов от других, эти неправильно свернутые белки возникают из-за генетических различий, либо из-за семейного анамнеза, либо из-за спорадических мутаций. [21] Растения поглощают прионы из загрязненной почвы и переносят их в стебли и листья, потенциально передавая прионы травоядным животным . [22] Кроме того, было показано, что дерево, камни, пластик, стекло, цемент, нержавеющая сталь и алюминий связывают, удерживают и высвобождают прионы, демонстрируя, что белки противостоят разложению в окружающей среде. [23]
Прионы наиболее известны как вызывающие заболевания трансмиссивной губчатой энцефалопатии (TSE), такие как болезнь Крейтцфельдта-Якоба (CJD), вариант болезни Крейтцфельдта-Якоба (vCJD), синдром Герстмана-Штраусслера-Шейнкера (GSS), фатальную семейную бессонницу (FFI) и куру. в людях. [24]
Хотя прионы обычно рассматриваются как патогены, которые вызывают накопление белковых амилоидных волокон в нейродегенеративных бляшках, Сьюзан Линдквист провела исследование, показывающее, что дрожжи используют прионы для передачи эволюционно полезных признаков. [25]
Не путать с вирусоидами или вирусами , вироиды — это наименьшие известные инфекционные патогены. Вироиды представляют собой небольшие одноцепочечные кольцевые РНК, которые, как известно, вызывают только болезни растений, такие как вироид веретена клубней картофеля , поражающий различные сельскохозяйственные культуры. Вироидная РНК не защищена белковой оболочкой и не кодирует какие-либо белки, а действует только как рибозим , катализируя другие биохимические реакции. [26]
Вирусы обычно имеют диаметр 20-200 нм. [27] Для выживания и репликации вирусы вводят свой геном в клетки-хозяева, встраивают эти гены в геном хозяина и захватывают механизмы хозяина, производя сотни новых вирусов, пока клетка не разрывается, высвобождая их для дополнительных инфекций. Литический цикл описывает это активное состояние быстрого уничтожения хозяев, тогда как лизогенный цикл описывает потенциально сотни лет покоя при интеграции в геном хозяина. [28] Наряду с таксономией, организованной Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV), Балтиморская классификация разделяет вирусы по семи классам продукции мРНК : [29]
Простейшие – это одноклеточные эукариоты, питающиеся микроорганизмами и органическими тканями. Многие простейшие действуют как патогенные паразиты, вызывая такие заболевания, как малярия , амебиаз , лямблиоз , токсоплазмоз , криптоспоридиоз , трихомониаз , болезнь Шагаса , лейшманиоз , африканский трипаносомоз (сонная болезнь), акантамебный кератит и первичный амебный менингоэнцефалит (неглериаз). [30]
Паразитические черви (гельминты) — это макропаразиты, которых можно увидеть невооруженным глазом. Черви живут и питаются в своем живом хозяине, приобретая питательные вещества и убежище в пищеварительном тракте или кровотоке хозяина. Они также манипулируют иммунной системой хозяина, выделяя иммуномодулирующие продукты, что позволяет им жить в организме хозяина годами. [31] Гельминтоз — это общий термин для инфекций, вызванных паразитическими червями, которые обычно включают круглых червей , ленточных червей и плоских червей . [32]
Хотя бактерии обычно рассматриваются как патогены, они служат хозяевами для вирусов- бактериофагов (широко известных как фаги). Жизненный цикл бактериофага включает в себя введение вирусами своего генома в бактериальные клетки, вставку этих генов в бактериальный геном и захват механизма бактерий для производства сотен новых фагов до тех пор, пока клетка не разрывается, чтобы высвободить их для дополнительных инфекций. Обычно бактериофаги способны инфицировать только определенный вид или штамм. [33]
Streptococcus pyogenes использует нуклеазу Cas9 для расщепления чужеродной ДНК, соответствующей кластерным регулярно расположенным коротким палиндромным повторам ( CRISPR ), связанным с бактериофагами, удаляя вирусные гены, чтобы избежать инфекции. Этот механизм был модифицирован для искусственного редактирования генов CRISPR . [34]
Растения могут быть хозяином широкого спектра типов патогенов, включая вирусы, бактерии, грибы, нематоды и даже другие растения. [35] Известные вирусы растений включают вирус кольцевой пятнистости папайи , который нанес ущерб фермерам на Гавайях и в Юго-Восточной Азии на миллионы долларов, [36] и вирус табачной мозаики , который побудил ученого Мартинуса Бейеринка ввести термин «вирус» в 1898 году. [37] Бактериальные патогены растений вызывают пятнистость листьев, фитофтороз и гниль у многих видов растений . [38] Наиболее распространенными бактериальными патогенами для растений являются Pseudomonas syringae и Ralstonia solanacearum , которые вызывают потемнение листьев и другие проблемы у картофеля, томатов и бананов. [38]
Грибы являются еще одним основным типом патогенов для растений. Они могут вызывать самые разные проблемы, такие как меньшая высота растений, наросты или ямки на стволах деревьев, гниль корней или семян, а также пятна на листьях. [39] Распространенные и серьезные растительные грибы включают грибок рисового ожога , голландскую болезнь вяза , гниль каштана , а также черный сучок и коричневую гниль вишен, слив и персиков. Подсчитано, что одни только патогенные грибы вызывают снижение урожайности сельскохозяйственных культур на 65%. [38]
В целом растения обладают широким спектром патогенов, и, по оценкам, только 3% заболеваний, вызванных патогенами растений, можно вылечить. [38]
Животные часто заражаются многими из тех же или аналогичных патогенов, что и люди, включая прионы, вирусы, бактерии и грибы. Хотя дикие животные часто болеют, большую опасность представляет домашний скот. По оценкам, в сельской местности 90% и более случаев падежа скота могут быть вызваны патогенами. [40] [41] К трансмиссивной губчатой энцефалопатии животных (TSE), связанной с прионами, относятся губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота (коровье бешенство), хроническое истощение , скрепи , трансмиссивная энцефалопатия норок , губчатая энцефалопатия кошек и губчатая энцефалопатия копытных. [24] [42] Другие болезни животных включают различные нарушения иммунодефицита, вызванные вирусами, родственными вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ), такими как BIV и FIV . [43]
Люди могут быть заражены многими типами патогенов, включая прионы, вирусы, бактерии и грибки, вызывая такие симптомы, как чихание, кашель, лихорадка, рвота и потенциально смертельная недостаточность органов . В то время как некоторые симптомы вызваны патогенной инфекцией, другие вызваны попытками иммунной системы уничтожить патоген, например, лихорадочно высокая температура тела, призванная денатурировать патогенные клетки. [4]
Несмотря на многочисленные попытки, не было доказано, что терапия останавливает прогрессирование прионных заболеваний. [44]
Для некоторых вирусных патогенов существует множество вариантов профилактики и лечения. Вакцины являются одной из распространенных и эффективных профилактических мер против различных вирусных патогенов. [45] Вакцины укрепляют иммунную систему хозяина, поэтому, когда потенциальный хозяин сталкивается с вирусом в дикой природе, иммунная система может быстро защититься от инфекции. Вакцины, разработанные против вирусов, включают ежегодные вакцины против гриппа и двухдозовую вакцину MMR против кори , эпидемического паротита и краснухи . [46] Не существует вакцин против вирусов, вызывающих ВИЧ/СПИД , лихорадку денге и чикунгунья . [47]
Лечение вирусных инфекций часто включает лечение симптомов инфекции, а не назначение лекарств для борьбы с самим вирусным возбудителем. [48] [49] Лечение симптомов вирусной инфекции дает иммунной системе хозяина время для выработки антител против вирусного патогена. Однако в случае ВИЧ проводится высокоактивная антиретровирусная терапия (ВААРТ) , чтобы предотвратить перерастание вирусного заболевания в СПИД по мере потери иммунных клеток. [50]
Как и в случае с вирусными патогенами, заражение некоторыми бактериальными патогенами можно предотвратить с помощью вакцин. [46] Вакцины против бактериальных возбудителей включают вакцину против сибирской язвы и пневмококковую вакцину . Для многих других бактериальных патогенов вакцины в качестве профилактической меры отсутствуют, но заражение этими бактериями часто можно лечить или предотвращать с помощью антибиотиков . Общие антибиотики включают амоксициллин , ципрофлоксацин и доксициклин . Каждый антибиотик имеет разные бактерии, против которых он эффективен, и имеет разные механизмы уничтожения этих бактерий. Например, доксициклин ингибирует синтез новых белков как у грамотрицательных , так и у грамположительных бактерий , что делает его антибиотиком широкого спектра действия , способным убивать большинство видов бактерий. [51]
Из-за неправильного использования антибиотиков, например преждевременного прекращения действия рецептов, подвергающих бактерии эволюционному давлению в сублетальных дозах, у некоторых бактериальных патогенов развилась устойчивость к антибиотикам . [52] Например, генетически отличающийся штамм золотистого стафилококка, называемый MRSA , устойчив к обычно назначаемым бета-лактамным антибиотикам . Согласно отчету Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC) за 2013 год, в Соединенных Штатах по меньшей мере 2 миллиона человек ежегодно заболевают устойчивой к антибиотикам бактериальной инфекцией, причем по меньшей мере 23 000 из этих пациентов умирают от этой инфекции. [53]
Ввиду их незаменимости в борьбе с бактериями для оказания медицинской помощи требуются новые антибиотики. Одной из целей новых противомикробных препаратов является ингибирование ДНК-метилтрансфераз , поскольку эти белки контролируют уровни экспрессии других генов, например, кодирующих факторы вирулентности. [54] [55]
Заражение грибковыми возбудителями лечат противогрибковыми препаратами. Нога спортсмена , зуд спортсмена и стригущий лишай — это грибковые инфекции кожи, которые лечат местными противогрибковыми препаратами, такими как клотримазол . [56] Инфекции, связанные с дрожжевыми грибками Candida albicans, вызывают молочницу полости рта и вагинальные дрожжевые инфекции . Эти внутренние инфекции можно лечить либо противогрибковыми кремами, либо пероральными препаратами. Общие противогрибковые препараты для лечения внутренних инфекций включают препараты семейства эхинокандинов и флуконазол . [57]
Хотя водоросли обычно не считаются патогенами, род Prototheca вызывает заболевания у людей . [58] [13] Лечение прототекоза в настоящее время изучается, и в клиническом лечении нет последовательности. [13]
Многие возбудители способны к половому взаимодействию. У патогенных бактерий половое взаимодействие происходит между клетками одного и того же вида путем генетической трансформации . Трансформация включает перенос ДНК из клетки-донора в клетку-реципиент и интеграцию донорской ДНК в геном реципиента посредством генетической рекомбинации . Бактериальные патогены Helicobacter pylori , Haemophilus influenzae , Legionella pneumophila , Neisseria gonorrhoeae и Streptococcus pneumoniae часто подвергаются трансформации, модифицирующей их геном для получения дополнительных признаков и уклонения от иммунных клеток хозяина. [59]
Эукариотические патогены часто способны к половому взаимодействию посредством процесса, включающего мейоз и оплодотворение . Мейоз предполагает тесное спаривание гомологичных хромосом и рекомбинацию между ними. Примеры эукариотических патогенов, способных к половому акту, включают простейших паразитов Plasmodium falciparum , Toxoplasma gondii , Trypanosoma brucei , Giardia кишечная , а также грибы Aspergillus fumigatus , Candida albicans и Cryptococcus neoformans . [59]
Вирусы также могут вступать в половое взаимодействие, когда два или более вирусных генома попадают в одну и ту же клетку-хозяина. Этот процесс включает в себя спаривание гомологичных геномов и рекомбинацию между ними посредством процесса, называемого реактивацией множественности. Вирус простого герпеса , вирус иммунодефицита человека и вирус коровьей оспы подвергаются этой форме полового взаимодействия. [59]
Эти процессы половой рекомбинации между гомологичными геномами поддерживают восстановление генетических повреждений, вызванных стрессовыми факторами окружающей среды и иммунной системой хозяина. [60]
{{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )