В биологии патоген ( греч . πάθος , pathos «страдание», «страсть» и -γενής , -genēs «производитель»), в самом старом и широком смысле, это любой организм или агент, который может вызывать болезнь. 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, простейший , прион , вироид или грибок . [4] [5] [6] Мелкие животные, такие как гельминты и насекомые, также могут вызывать или передавать заболевания. Однако этих животных обычно называют паразитами , а не патогенами. [7] Научное изучение микроскопических организмов, включая микроскопические патогенные организмы, называется микробиологией , в то время как паразитология относится к научному изучению паразитов и организмов, которые их хозяев.
Существует несколько путей, по которым патогены могут проникать в хозяина. Основные пути имеют разные эпизодические временные рамки, но почва имеет самый длительный или самый постоянный потенциал для укрытия патогена.
Заболевания у людей, вызванные инфекционными агентами, известны как патогенные заболевания. Не все заболевания вызваны патогенами, например, черное легкое от воздействия загрязняющей угольной пыли , генетические нарушения, такие как серповидноклеточная анемия , и аутоиммунные заболевания, такие как волчанка .
Патогенность — это потенциальная способность патогенов вызывать заболевания, включающая сочетание инфекционности (способность патогена заражать хозяев) и вирулентности (тяжесть заболевания хозяина). Постулаты Коха используются для установления причинно-следственных связей между микробными патогенами и заболеваниями. В то время как менингит может быть вызван различными бактериальными, вирусными, грибковыми и паразитарными патогенами, холера вызывается только некоторыми штаммами Vibrio cholerae . Кроме того, некоторые патогены могут вызывать заболевания только у хозяев с иммунодефицитом . Эти оппортунистические инфекции часто включают внутрибольничные инфекции среди пациентов, уже борющихся с другим заболеванием. [8]
Инфекционность подразумевает передачу патогена через прямой контакт с жидкостями организма или воздушно-капельным путем инфицированных хозяев, косвенный контакт с использованием загрязненных территорий/предметов или передачу живыми переносчиками , такими как комары и клещи . Базовое репродуктивное число инфекции — это ожидаемое число последующих случаев, которые она, вероятно, вызовет посредством передачи. [9]
Вирулентность подразумевает, что патогены извлекают питательные вещества хозяина для своего выживания, избегая иммунной системы хозяина, производя микробные токсины и вызывая иммуносупрессию . Оптимальная вирулентность описывает теоретическое равновесие между распространением патогена на дополнительных хозяев для паразитирования на ресурсах, при этом снижая его вирулентность, чтобы поддерживать жизнь хозяев для вертикальной передачи их потомству. [10]
Водоросли — это одноклеточные эукариоты , которые, как правило, непатогенны. Зеленые водоросли из рода Prototheca лишены хлорофилла и, как известно, вызывают заболевание прототекоз у людей, собак, кошек и крупного рогатого скота, обычно с участием почвенного вида Prototheca wickerhami . [11] [12] [13]
Бактерии — это 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 , которые поддерживают пищеварение, небольшой процент из них является патогенным и вызывает инфекционные заболевания. Факторы вирулентности бактерий включают факторы адгезии для прикрепления к клеткам хозяина, факторы инвазии, поддерживающие проникновение в клетки хозяина, капсулы для предотвращения опсонизации и фагоцитоза , токсины и сидерофоры для получения железа. [15]
Бактериальное заболевание туберкулез , в первую очередь вызываемое Mycobacterium tuberculosis , имеет одно из самых высоких бременей болезней , убив 1,6 миллиона человек в 2021 году, в основном в Африке и Юго-Восточной Азии. [16] Бактериальная пневмония в основном вызывается Streptococcus pneumoniae , Staphylococcus aureus , Klebsiella pneumoniae и Haemophilus influenzae . [17] Пищевые заболевания обычно связаны с 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 функционировать как патогены. Известно около 300 грибов, которые являются патогенными для человека, включая Candida albicans , который является наиболее распространенной причиной молочницы , и Cryptococcus neoformans , который может вызывать тяжелую форму менингита . [19] Типичные споры грибов имеют длину 4,7 мкм или меньше. [20]
Прионы — это неправильно свернутые белки, которые передают свой аномальный рисунок 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 семейной истории, либо из-за спорадических мутаций. [21] Растения поглощают прионы из загрязненной почвы и переносят их в свои стебли и листья, потенциально передавая прионы травоядным животным . [22] Кроме того, было показано, что древесина, камни, пластик, стекло, цемент, нержавеющая сталь и алюминий связывают, удерживают и высвобождают прионы, демонстрируя, что белки устойчивы к деградации окружающей среды. [23]
Прионы наиболее известны тем, что вызывают трансмиссивную губчатую энцефалопатию (TSE), такие заболевания, как болезнь Крейтцфельдта–Якоба (CJD), вариант болезни Крейтцфельдта–Якоба (vCJD), синдром Герстманна–Штреусслера–Шейнкера (GSS), фатальную семейную бессонницу (FFI) и куру у людей. [24]
В то время как прионы обычно рассматриваются как патогены, которые вызывают накопление белковых амилоидных волокон в нейродегенеративных бляшках, Сьюзан Линдквист возглавляла исследования, показывающие, что дрожжи используют прионы для передачи эволюционно полезных признаков. [25]
Не путать с вирусоидами или вирусами, вироиды — самые маленькие известные инфекционные патогены. Вироиды — это небольшие одноцепочечные кольцевые РНК, которые, как известно, вызывают только заболевания растений, такие как вироид веретеновидности клубней картофеля , который поражает различные сельскохозяйственные культуры. Вироидная РНК не защищена белковой оболочкой и не кодирует никаких белков, а действует только как рибозим для катализа других биохимических реакций. [26]
Вирусы обычно имеют диаметр от 20 до 200 нм. [27] Для выживания и репликации вирусы вводят свой геном в клетки хозяина, вставляют эти гены в геном хозяина и захватывают его механизм, чтобы производить сотни новых вирусов, пока клетка не лопнет, чтобы выпустить их для дополнительных инфекций. Литический цикл описывает это активное состояние быстрого убийства хозяев, в то время как лизогенный цикл описывает потенциально сотни лет покоя, пока они интегрированы в геном хозяина. [28] Наряду с таксономией, организованной Международным комитетом по таксономии вирусов (ICTV), классификация Балтимора разделяет вирусы на семь классов продукции мРНК : [29]
Простейшие — это одноклеточные эукариоты, которые питаются 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 (неглериоз). [30]
Паразитические черви (гельминты) — это макропаразиты, которых можно увидеть невооруженным глазом. Черви живут и питаются в своем живом хозяине, получая питательные вещества и убежище в пищеварительном тракте или кровотоке своего хозяина. Они также манипулируют иммунной системой хозяина, выделяя иммуномодулирующие продукты, которые позволяют им жить в своем хозяине в течение многих лет. [31] Гельминтоз — это обобщенный термин для паразитарных инфекций, которые обычно включают круглых червей , ленточных червей и плоских червей . [32]
Хотя бактерии обычно рассматриваются как патогены, они служат хозяевами для вирусов -бактериофагов (обычно известных как фаги). Жизненный цикл бактериофагов включает в себя внедрение вирусами своего генома в бактериальные клетки, вставку этих генов в бактериальный геном и захват механизмов бактерий для производства сотен новых фагов до тех пор, пока клетка не лопнет, чтобы выпустить их для дополнительных инфекций. Обычно бактериофаги способны инфицировать только определенный вид или штамм. [33]
Streptococcus pyogenes использует нуклеазу Cas9 для расщепления чужеродной ДНК, соответствующей коротким палиндромным повторам, регулярно расположенным кластерами ( CRISPR ), связанным с бактериофагами, удаляя вирусные гены, чтобы избежать заражения. Этот механизм был модифицирован для искусственного редактирования генов CRISPR . [34]
Растения могут быть хозяевами широкого спектра типов патогенов, включая вирусы, бактерии, грибки, нематоды и даже другие растения. [35] Известные вирусы растений включают вирус кольцевой пятнистости папайи , который нанес ущерб на миллионы долларов фермерам на Гавайях и в Юго-Восточной Азии, [36] и вирус табачной мозаики , который заставил ученого Мартинуса Бейеринка ввести термин «вирус» в 1898 году. [37] Бактериальные патогены растений вызывают пятнистость листьев, фитофтороз и гниение у многих видов растений. [38] Наиболее распространенными бактериальными патогенами для растений являются Pseudomonas syringae и Ralstonia solanacearum , которые вызывают побурение листьев и другие проблемы у картофеля, томатов и бананов. [38]
Грибы являются еще одним основным типом патогенов для растений. Они могут вызывать широкий спектр проблем, таких как более низкая высота растений, наросты или ямки на стволах деревьев, гниение корней или семян и пятна на листьях. [39] Распространенные и серьезные грибы растений включают грибок пирикуляриоза риса , голландскую болезнь вяза , фитофтороз каштана и заболевания черной узловатой и бурой гнилью вишни, сливы и персика. По оценкам, одни только патогенные грибы вызывают снижение урожайности до 65%. [38]
В целом, растения имеют широкий спектр патогенов, и было подсчитано, что только 3% болезней, вызванных фитопатогенами, можно контролировать. [38]
Животные часто заражаются многими из тех же или похожих патогенов, что и люди, включая прионы, вирусы, бактерии и грибки. В то время как дикие животные часто болеют, большую опасность представляют сельскохозяйственные животные. По оценкам, в сельской местности 90% или более случаев смерти скота можно отнести к патогенам. [40] [41] Трансмиссивная губчатая энцефалопатия животных (TSE), связанная с прионами, включает губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота (коровье бешенство), хроническую изнуряющую болезнь , скрепи , трансмиссивную энцефалопатию норок , губчатую энцефалопатию кошек и губчатую энцефалопатию копытных. [24] [42] Другие заболевания животных включают различные иммунодефицитные расстройства, вызванные вирусами, родственными вирусу иммунодефицита человека (ВИЧ), такими как BIV и FIV . [43]
Люди могут быть инфицированы многими типами патогенов, включая прионы, вирусы, бактерии и грибки, вызывая такие симптомы, как чихание, кашель, лихорадка, рвота и потенциально летальная недостаточность органов . В то время как некоторые симптомы вызваны патогенной инфекцией, другие вызваны попытками иммунной системы убить патоген, например, лихорадочно высокая температура тела, призванная денатурировать патогенные клетки. [4]
Несмотря на многочисленные попытки, ни одна терапия не смогла остановить 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 активируют иммунную систему хозяина, так что 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] Вакцины не доступны против вирусов, вызывающих ВИЧ/СПИД , лихорадку денге и чикунгунья . [47]
Лечение вирусных инфекций часто включает в себя лечение симптомов инфекции, а не предоставление лекарств для борьбы с самим вирусным патогеном. [48] [49] Лечение симптомов вирусной инфекции дает иммунной системе хозяина время для выработки антител против вирусного патогена. Однако для ВИЧ проводится высокоактивная антиретровирусная терапия (ВААРТ), чтобы предотвратить прогрессирование вирусного заболевания в СПИД, поскольку иммунные клетки теряются. [50]
Подобно вирусным патогенам, заражение некоторыми бактериальными патогенами можно предотвратить с помощью вакцин. [46] Вакцины против бактериальных патогенов включают вакцину против сибирской язвы и пневмококковую вакцину . Многие другие бактериальные патогены не имеют вакцин в качестве профилактической меры, но заражение этими бактериями часто можно лечить или предотвращать с помощью антибиотиков . К распространенным антибиотикам относятся амоксициллин , ципрофлоксацин и доксициклин . Каждый антибиотик имеет различные бактерии, против которых он эффективен, и имеет различные 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 приема лекарств, подвергающих бактерии эволюционному давлению при сублетальных дозах, некоторые бактериальные патогены развили устойчивость к антибиотикам . [52] Например, генетически отличный штамм Staphylococcus aureus , называемый MRSA, устойчив к обычно назначаемым бета-лактамным антибиотикам . В отчете Центров по контролю и профилактике заболеваний (CDC) за 2013 год подсчитано, что в Соединенных Штатах по меньшей мере 2 миллиона человек ежегодно заболевают бактериальной инфекцией, устойчивой к антибиотикам, и по меньшей мере 23 000 из этих пациентов умирают от этой инфекции. [53]
Из-за их незаменимости в борьбе с бактериями, новые антибиотики требуются для медицинской помощи. Одна из целей новых антимикробных препаратов включает ингибирование ДНК-метилтрансфераз , поскольку эти белки контролируют уровни экспрессии других генов, например, тех, которые кодируют факторы вирулентности. [54] [55]
Инфекции, вызванные грибковыми патогенами, лечатся противогрибковыми препаратами. Эпидермофития стопы , зуд паха и стригущий лишай являются грибковыми инфекциями кожи, которые лечатся местными противогрибковыми препаратами, такими как клотримазол . [56] Инфекции, вызванные дрожжами вида Candida albicans, вызывают оральный молочницу и вагинальные дрожжевые инфекции . Эти внутренние инфекции можно лечить либо противогрибковыми кремами, либо пероральными препаратами. Обычные противогрибковые препараты для 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 нет единообразия в клиническом лечении. [13]
Многие патогены способны к половому взаимодействию. Среди патогенных бактерий половое взаимодействие происходит между клетками одного вида посредством процесса генетической трансформации . Трансформация включает в себя перенос ДНК из донорской клетки в реципиентную клетку 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, чтобы модифицировать свой 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 включает в себя тесное спаривание гомологичных хромосом и рекомбинацию между ними. Примерами эукариотических патогенов, способных к сексу, являются простейшие паразиты Plasmodium falciparum , Toxoplasma gondii , Trypanosoma brucei , Giardia intestinalis и грибы Aspergillus fumigatus , Candida albicans и Cryptococcus neoformans . [59]
Вирусы также могут подвергаться половому взаимодействию, когда два или более вирусных генома проникают в одну и ту же клетку-хозяина. Этот процесс включает в себя спаривание гомологичных геномов и рекомбинацию между ними с помощью 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 способствуют восстановлению генетических повреждений, вызванных стрессовыми факторами окружающей среды и иммунной системой хозяина. [60]
{{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: |journal=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: |work=
проигнорировано ( помощь ){{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )