Staphylococcus aureus — это грамположительная сферическая бактерия , представитель Bacillota , и обычный представитель микробиоты организма , часто встречающийся в верхних дыхательных путях и на коже . Он часто дает положительные результаты по каталазе и восстановлению нитрата и является факультативным анаэробом , что означает, что он может расти без кислорода. [1] Хотя S. aureus обычно действует как комменсал микробиоты человека, он также может стать оппортунистическим патогеном , являясь распространенной причиной кожных инфекций, включая абсцессы , респираторных инфекций, таких как синусит , и пищевых отравлений . Патогенные штаммы часто способствуют развитию инфекций , вырабатывая факторы вирулентности , такие как мощные белковые токсины , и экспрессируя белок клеточной поверхности , который связывает и инактивирует антитела . S. aureus является одним из ведущих патогенов, вызывающих смертельные случаи, связанные с устойчивостью к противомикробным препаратам и появлением штаммов , устойчивых к антибиотикам , таких как метициллин-устойчивый S. aureus (MRSA). Бактерия является всемирной проблемой в клинической медицине . Несмотря на многочисленные исследования и разработки , вакцина против S. aureus не была одобрена.
По оценкам, от 21% до 30% населения являются долгосрочными носителями S. aureus , [2] [3], который может быть обнаружен как часть нормальной микробиоты кожи , в ноздрях , [2] [4] и как нормальный обитатель нижнего репродуктивного тракта женщин. [5] [6] S. aureus может вызывать целый ряд заболеваний, от незначительных кожных инфекций, таких как прыщи , [7] импетиго , фурункулы , целлюлит , фолликулит , карбункулы , синдром ошпаренной кожи и абсцессы , до опасных для жизни заболеваний, таких как пневмония , менингит , остеомиелит , эндокардит , синдром токсического шока , бактериемия и сепсис . Он по-прежнему является одной из пяти наиболее распространенных причин внутрибольничных инфекций и часто является причиной раневых инфекций после хирургических операций . Ежегодно около 500 000 пациентов больниц в Соединенных Штатах заражаются стафилококковой инфекцией , в основном S. aureus . [8] До 50 000 смертей ежегодно в США связаны со стафилококковой инфекцией. [9]
В 1880 году шотландский хирург Александр Огстон обнаружил, что стафилококк может вызывать раневые инфекции, заметив группы бактерий в гное из хирургического абсцесса во время процедуры, которую он проводил. Он назвал его стафилококком из-за его кластерного вида, очевидного под микроскопом. Затем, в 1884 году, немецкий ученый Фридрих Юлиус Розенбах идентифицировал Staphylococcus aureus , выделив и отделив его от Staphylococcus albus , родственной бактерии. В начале 1930-х годов врачи начали использовать более рационализированный тест для обнаружения наличия инфекции S. aureus с помощью коагулазотестирования , которое позволяет обнаружить фермент, вырабатываемый бактерией. До 1940-х годов инфекции S. aureus были смертельными для большинства пациентов. Однако врачи обнаружили, что использование пенициллина может вылечить инфекции S. aureus . К сожалению, к концу 1940-х годов устойчивость к пенициллину стала широко распространенной среди этой популяции бактерий, и начали происходить вспышки резистентного штамма. [10]
Staphylococcus aureus можно разделить на десять доминирующих человеческих линий. [11] Существует также множество второстепенных линий, но они не так часто встречаются в популяции. Геномы бактерий в пределах одной линии в основном консервативны, за исключением мобильных генетических элементов . Мобильные генетические элементы, которые распространены в S. aureus, включают бактериофаги, острова патогенности , плазмиды , транспозоны и стафилококковые кассетные хромосомы. Эти элементы позволили S. aureus постоянно развиваться и приобретать новые черты. Существует большое количество генетических вариаций внутри вида S. aureus . Исследование Фицджеральда и др. (2001) показало, что приблизительно 22% генома S. aureus некодирующие и, таким образом, могут различаться от бактерии к бактерии. Примером этого различия является вирулентность видов. Только несколько штаммов S. aureus связаны с инфекциями у людей. Это показывает, что внутри вида существует широкий диапазон инфекционных способностей. [12]
Было высказано предположение, что одной из возможных причин большой гетерогенности внутри вида может быть его зависимость от гетерогенных инфекций. Это происходит, когда несколько различных типов S. aureus вызывают инфекцию у хозяина. Различные штаммы могут секретировать различные ферменты или привносить различную устойчивость к антибиотикам в группу, увеличивая ее патогенную способность. [13] Таким образом, существует необходимость в большом количестве мутаций и приобретений мобильных генетических элементов. [ необходима цитата ]
Другим примечательным эволюционным процессом внутри вида S. aureus является его коэволюция с его хозяевами-людьми. Со временем эти паразитические отношения привели к способности бактерии переноситься в носоглотке людей, не вызывая симптомов или инфекции. Это позволяет ей передаваться по всей человеческой популяции, увеличивая ее приспособленность как вида. [14] Однако только около 50% человеческой популяции являются носителями S. aureus , причем 20% являются постоянными носителями и 30% - прерывистыми. Это заставляет ученых полагать, что существует множество факторов, которые определяют, будет ли S. aureus бессимптомно переноситься людьми, включая факторы, специфичные для отдельного человека. Согласно исследованию 1995 года, проведенному Хофманом и др., этими факторами могут быть возраст, пол, диабет и курение. Они также определили некоторые генетические вариации у людей, которые приводят к повышенной способности S. aureus колонизировать, в частности, полиморфизм в гене рецептора глюкокортикоидов , который приводит к большему производству кортикостероидов . В заключение, есть доказательства того, что любой штамм этой бактерии может стать инвазивным, поскольку это сильно зависит от человеческих факторов. [15]
Хотя S. aureus имеет быстрые репродуктивные и микроэволюционные скорости, существует множество барьеров, которые мешают эволюции вида. Одним из таких барьеров является AGR, который является глобальным регулятором вспомогательного гена внутри бактерий. Этот регулятор связан с уровнем вирулентности бактерий. Было обнаружено, что мутации потери функции в этом гене повышают приспособленность бактерии, содержащей его. Таким образом, S. aureus должен пойти на компромисс, чтобы увеличить свой успех как вида, обменяв сниженную вирулентность на повышенную устойчивость к лекарствам. Еще одним барьером для эволюции является система модификации рестрикции (RM) Sau1 типа 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 одинаковые ферменты, и система RM не распознает новую ДНК как чужеродную, но передача между разными линиями блокируется. [13]
Staphylococcus 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. σταφυλόκοκκος, «виноградная гроздь», лат. aureus , «золотой») — факультативная анаэробная , грамположительная кокковая (круглая) бактерия, также известная как «золотистый 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 (виноградоподобные скопления) при просмотре под микроскопом и имеет большие, круглые, золотисто-желтые колонии, часто с гемолизом , при выращивании на пластинах кровяного агара . [20] S. aureus размножается бесполым путем путем бинарного деления . Полное разделение дочерних клеток опосредовано аутолизином S. aureus , и при его отсутствии или целенаправленном ингибировании дочерние клетки остаются прикрепленными друг к другу и выглядят как скопления. [21]
Staphylococcus aureus является каталазоположительным (то есть может вырабатывать фермент каталазу). Каталаза преобразует перекись водорода ( H
2О
2) к воде и кислороду. Тесты на активность каталазы иногда используются для различения стафилококков от энтерококков и стрептококков . Ранее S. aureus дифференцировали от других стафилококков с помощью теста на коагулазу . Однако не все штаммы S. aureus являются коагулазоположительными [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 донорской 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 компетентности для естественной генетической трансформации может быть существенно выше при соответствующих условиях, которые еще предстоит открыть. [25]
У людей S. aureus может присутствовать в верхних дыхательных путях, слизистой оболочке кишечника и коже как член 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 человека, иногда он может вызывать заболевания. [3] В частности, S. aureus является одной из наиболее распространенных причин бактериемии и инфекционного эндокардита . Кроме того, он может вызывать различные инфекции кожи и мягких тканей , [3] особенно при нарушении кожных или слизистых барьеров .
Инфекции Staphylococcus aureus могут распространяться через контакт с гноем из инфицированной раны, контакт кожа-к-коже с инфицированным человеком и контакт с предметами, используемыми инфицированным человеком, такими как полотенца, простыни, одежда или спортивное оборудование. Замена суставов подвергает человека особому риску септического артрита , стафилококкового эндокардита (инфекции сердечных клапанов) и пневмонии . [29]
Staphylococcus aureus является значимой причиной хронических инфекций биопленки на медицинских имплантатах , а репрессор токсинов является частью пути инфекции. [30]
Staphylococcus aureus может годами оставаться в организме незамеченным. После того, как симптомы начинают проявляться, хозяин заразен еще две недели, а общая болезнь длится несколько недель. Однако, если ее не лечить, болезнь может быть смертельной. [31] Глубоко проникающие инфекции S. aureus могут быть тяжелыми. [ требуется цитата ]
Кожные инфекции являются наиболее распространенной формой инфекции S. aureus . Это может проявляться по-разному, включая небольшие доброкачественные фурункулы , фолликулит , импетиго , целлюлит и более серьезные, инвазивные инфекции мягких тканей. [7] [3]
Staphylococcus aureus чрезвычайно распространен у людей с атопическим дерматитом (АД), более известным как экзема. [32] Он в основном встречается в плодородных, активных местах, включая подмышки, волосы и кожу головы. Большие прыщи, которые появляются в этих областях, могут усугубить инфекцию, если их разорвать. Колонизация S. aureus вызывает воспаление АД. [33] [32] Считается, что S. aureus использует дефекты кожного барьера у людей с атопическим дерматитом, вызывая экспрессию цитокинов и, следовательно, усугубляя симптомы. [34] Это может привести к синдрому стафилококковой ошпаренной кожи , тяжелая форма которого наблюдается у новорожденных . [35]
Антибиотики обычно используются для борьбы с чрезмерным ростом S. aureus , но их польза ограничена, и они повышают риск развития резистентности к противомикробным препаратам . По этим причинам их рекомендуют только тем людям, у которых не только проявляются симптомы на коже, но и систематически возникают проблемы со здоровьем. [36] [37] [38]
Staphylococcus aureus также ответственен за пищевое отравление и достигает этого, генерируя токсины в пище, которая затем попадает в организм. [39] Его инкубационный период длится от 30 минут до восьми часов, [40] а сама болезнь длится от 30 минут до 3 дней. [41] Профилактические меры, которые можно предпринять, чтобы помочь предотвратить распространение заболевания, включают тщательное мытье рук с мылом и водой перед приготовлением пищи. Центры по контролю и профилактике заболеваний рекомендуют держаться подальше от любой пищи, если вы больны, и надевать перчатки, если на руках или запястьях во время приготовления пищи возникают какие-либо открытые раны. Если продукты хранятся дольше 2 часов, рекомендуется хранить их при температуре ниже 4,4 или выше 60 °C (ниже 40 или выше 140 °F). [42]
Staphylococcus aureus является частой причиной серьезных инфекций костей и суставов, включая остеомиелит , септический артрит и инфекции после операций по замене суставов . [43] [3] [44]
Staphylococcus aureus является основной причиной инфекций кровотока во многих странах индустриального мира. [43] Инфекция обычно связана с разрывами кожи или слизистых оболочек из-за хирургического вмешательства, травмы или использования внутрисосудистых устройств, таких как канюли , аппараты для гемодиализа или иглы для подкожных инъекций . [3] [43] После того, как бактерии попали в кровоток, они могут инфицировать различные органы, вызывая инфекционный эндокардит , септический артрит и остеомиелит . [43] Это заболевание особенно распространено и тяжело протекает у очень молодых и очень старых людей. [3]
Без лечения антибиотиками летальность при бактериемии S. aureus составляет около 80%. [3] При лечении антибиотиками летальность составляет от 15% до 50% в зависимости от возраста и состояния здоровья пациента, а также устойчивости штамма S. aureus к антибиотикам . [3]
Staphylococcus aureus часто обнаруживается в биопленках , образующихся на медицинских устройствах, имплантированных в тело, или на тканях человека. Он обычно обнаруживается вместе с другим патогеном, Candida albicans , образуя многовидовые биопленки. Предполагается, что последний помогает S. aureus проникать в ткани человека. [9] Более высокая смертность связана с многовидовыми биопленками. [45]
Биопленка Staphylococcus aureus является основной причиной инфекций, связанных с ортопедическими имплантатами, но также встречается на сердечных имплантатах, сосудистых трансплантатах , различных катетерах и косметических хирургических имплантатах. [46] [47] После имплантации поверхность этих устройств покрывается белками хозяина, которые обеспечивают богатую поверхность для прикрепления бактерий и образования биопленки. После инфицирования устройства его необходимо полностью удалить, поскольку биопленку S. aureus невозможно разрушить с помощью антибиотикотерапии. [47]
Современная терапия инфекций, вызванных биопленкой S. aureus , включает хирургическое удаление инфицированного устройства с последующим лечением антибиотиками. Обычное лечение антибиотиками само по себе неэффективно для искоренения таких инфекций. [46] Альтернативой послеоперационному лечению антибиотиками является использование наполненных антибиотиками растворимых гранул сульфата кальция, которые имплантируются вместе с медицинским устройством. Эти гранулы могут высвобождать высокие дозы антибиотиков в желаемом месте для предотвращения первоначальной инфекции. [47]
Изучаются новые методы лечения биопленки S. aureus с использованием наночастиц серебра, бактериофагов и растительных антибиотиков. Эти агенты продемонстрировали ингибирующее действие против S. aureus, встроенного в биопленки. [48] Было обнаружено, что класс ферментов обладает способностью разрушать матрицу биопленки, поэтому их можно использовать в качестве агентов для диспергирования биопленки в сочетании с антибиотиками. [49]
Staphylococcus aureus может выживать на собаках, [50] кошках, [51] и лошадях, [52] и может вызывать булимию у кур. [53] Некоторые полагают, что собак медицинских работников следует считать существенным источником устойчивых 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, колонизированных у домашних собак, оказались устойчивыми по крайней мере к одному антибиотику. Носовая область была признана наиболее важным местом передачи от собак к людям. [54]
Staphylococcus aureus является одним из возбудителей мастита у молочных коров . Его большая полисахаридная капсула защищает организм от распознавания иммунной защитой коровы . [55]
Staphylococcus aureus вырабатывает различные ферменты, такие как коагулаза (связанная и свободная коагулаза), которая облегчает превращение фибриногена в фибрин, вызывая образование тромбов, что важно при кожных инфекциях. [56] Гиалуронидаза (также известная как фактор распространения) расщепляет гиалуроновую кислоту и способствует ее распространению. Дезоксирибонуклеаза , которая расщепляет ДНК, защищает S. aureus от гибели, опосредованной нейтрофильной 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 определенными заболеваниями. [60]
Система секреции представляет собой высокоспециализированную многобелковую единицу, которая встроена в клеточную оболочку с функцией транслокации эффекторных белков изнутри клетки во внеклеточное пространство или в целевой цитозоль хозяина. Точная структура и функция T7SS еще не полностью выяснены. В настоящее время четыре белка являются известными компонентами системы секреции S. aureus типа VII; EssC представляет собой большую интегральную мембранную АТФазу , которая, скорее всего, питает системы секреции и, как предполагается, является частью канала транслокации. Другими белками являются EsaA, EssB, EssA, которые являются мембранными белками, которые функционируют вместе с EssC для опосредования секреции белка. Точный механизм того, как субстраты достигают поверхности клетки, неизвестен, как и взаимодействие трех мембранных белков друг с другом и EssC. [66]
T7-зависимые эффекторные белки
EsaD — это ДНК -эндонуклеазный токсин, секретируемый S. aureus , который, как было показано, подавляет рост конкурирующего штамма S. aureus in vitro . [67] EsaD секретируется совместно с шапероном EsaE, который стабилизирует структуру EsaD и доставляет 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, которой способствует его С-концевой домен . Tsai — трансмембранный белок, который обеспечивает иммунитет штамму-продуценту TspA, а также атакуемым штаммам. Существует генетическая изменчивость С-концевого домена TspA, поэтому, по-видимому, штаммы могут продуцировать различные 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 более слабые штаммы. [68]
Существуют также эффекторные белки T7, которые играют роль в патогенезе, например, мутационные исследования S. aureus показали, что EsxB и EsxC способствуют персистирующей инфекции в 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 привело к значительному снижению устойчивости к нейтрофилам и снижению вирулентности в моделях заражения кожи и крови у мышей. [70]
В целом T7SS и известные секретируемые эффекторные белки представляют собой стратегию патогенеза, направленную на улучшение приспособленности к конкурирующим видам S. aureus , а также на повышение вирулентности посредством уклонения от врожденной иммунной системы и оптимизации персистирующих инфекций. [ необходима цитата ]
Список малых РНК, участвующих в контроле бактериальной вирулентности S. aureus , растет. Этому могут способствовать такие факторы, как повышенное образование биопленки 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 хозяина вызывают двухцепочечные разрывы ДНК в S. aureus посредством 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 в рекомбинационном ремонте двухцепочечных разрывов ДНК. [81]
Многие мРНК в S. aureus несут три первичных нетранслируемых региона (3'UTR) длиной более 100 нуклеотидов , которые потенциально могут иметь регуляторную функцию. [82]
Дальнейшее исследование мРНК i caR (мРНК, кодирующей репрессор основного эксполисахаридного соединения матрицы биопленки бактерий) показало, что связывание 3'UTR с 5'UTR может мешать комплексу 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 привело к накоплению репрессора IcaR и ингибированию развития биопленки. [82] Образование биопленки является основной причиной инфекций имплантатов Staphylococcus . [83]
Биопленки — это группы микроорганизмов, таких как бактерии, 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 хозяина, внеклеточной ДНК (eDNA) и иногда полисахаридного межклеточного антигена (PIA). Биопленки S. aureus важны в патогенезе заболеваний, так как 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 встроенные клетки, выступая в качестве барьера для предотвращения проникновения 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 матрице биопленки способствуют образованию персистирующих клеток , которые являются высокоустойчивыми к антибиотикам, спящими бактериальными клетками. [47] Биопленки S. aureus также обладают высокой устойчивостью к иммунному ответу хозяина. Хотя точный механизм устойчивости неизвестен, биопленки S. aureus увеличивают свой рост в присутствии цитокинов , продуцируемых иммунным ответом хозяина. [86] Антитела хозяина менее эффективны для биопленки S. aureus из-за гетерогенного распределения антигенов , когда антиген может присутствовать в некоторых областях биопленки, но полностью отсутствовать в других областях. [47]
Исследования развития биопленки показали, что они связаны с изменениями в экспрессии генов. Существуют определенные гены, которые, как было обнаружено, играют решающую роль на разных стадиях роста биопленки. Два из этих генов включают rocD и gudB, которые кодируют фермент орнитин-оксо-кислотную трансаминазу и глутаматдегидрогеназу , которые важны для метаболизма аминокислот. Исследования показали, что развитие биопленки зависит от аминокислот глутамина и глутамата для надлежащих метаболических функций. [87]
Белок А прикреплен к мостикам пентаглицинового пептидогликана стафилококка (цепи из пяти остатков глицина ) транспептидазой сортазой А. [88] Белок А, связывающий IgG белок, связывается с Fc-областью антитела . Фактически, исследования, включающие мутацию генов, кодирующих белок А, привели к снижению вирулентности S. aureus , измеренной по выживанию в крови, что привело к предположению, что вирулентность, обусловленная белком А, требует связывания Fc-областей антитела. [89]
Белок А в различных рекомбинантных формах использовался в течение десятилетий для связывания и очистки широкого спектра антител с помощью иммуноаффинной хроматографии . Транспептидазы, такие как сортазы, ответственные за факторы присоединения, такие 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 — золотистый каротиноидный пигмент . Этот пигмент действует как фактор вирулентности , в первую очередь, являясь бактериальным антиоксидантом , который помогает микробу избегать реактивных форм кислорода , которые иммунная система хозяина использует для уничтожения патогенов. [91] [92]
Мутантные штаммы S. aureus , модифицированные для отсутствия стафилоксантина, с меньшей вероятностью выживут при инкубации с окисляющим химикатом, таким как перекись водорода , чем пигментированные штаммы. Мутантные колонии быстро погибают при воздействии человеческих нейтрофилов , в то время 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. [ необходима цитата ]
Эти тесты показывают, что штаммы стафилококка используют стафилоксантин в качестве защиты от нормальной иммунной системы человека. Препараты, предназначенные для подавления выработки стафилоксантина, могут ослабить бактерию и восстановить ее восприимчивость к антибиотикам. [92] Фактически, из-за сходства путей биосинтеза стафилоксантина и человеческого холестерина , было показано, что препарат, разработанный в контексте терапии, снижающей уровень холестерина, блокирует пигментацию S. aureus и прогрессирование заболевания в модели инфекции у мышей . [93]
В зависимости от типа присутствующей инфекции, соответствующий образец получают соответствующим образом и отправляют в лабораторию для окончательной идентификации с использованием биохимических или ферментных тестов. Сначала проводится окрашивание по Граму , чтобы направить путь, которое должно показать типичные грамположительные бактерии, кокки, в кластерах. Во-вторых, изолят культивируют на маннит-солевом агаре , который является селективной средой с 7,5% NaCl , что позволяет S. aureus расти, производя колонии желтого цвета в результате ферментации маннита и последующего падения pH среды . [94] [95]
Кроме того, для дифференциации на уровне видов проводятся тесты на каталазу (положительный для всех видов стафилококков ), коагулазу ( образование фибринового сгустка, положительный для S. aureus ), ДНКазу (зона очистки на ДНКазном агаре), липазу (желтый цвет и прогорклый запах) и фосфатазу (розовый цвет). При стафилококковом пищевом отравлении можно провести фаговое типирование, чтобы определить, были ли стафилококки, извлеченные из пищи, источником инфекции. [96]
Диагностические микробиологические лаборатории и референтные лаборатории играют ключевую роль в выявлении вспышек и новых штаммов S. aureus . Недавние генетические достижения позволили разработать надежные и быстрые методы для идентификации и характеристики клинических изолятов S. aureus в режиме реального времени. Эти инструменты поддерживают стратегии контроля инфекций, чтобы ограничить распространение бактерий и обеспечить надлежащее использование антибиотиков. Количественная ПЦР все чаще используется для выявления вспышек инфекций. [97] [98]
При наблюдении за развитием S. aureus и его способностью адаптироваться к каждому модифицированному антибиотику используются два основных метода, известных как «основанные на полосах» или «основанные на последовательностях». [99] Имея в виду эти два метода, другие методы, такие как мультилокусное последовательное типирование (MLST), гель-электрофорез в импульсном поле (PFGE), типирование бактериофагов , типирование локусов spa и типирование SCCmec, часто применяются чаще других. [100] С помощью этих методов можно определить, где возникли штаммы MRSA, а также где они находятся в настоящее время. [101]
С MLST эта техника типирования использует фрагменты нескольких генов домашнего хозяйства, известных как aroE, glpF, gmk, pta, tip и yqiL . Затем этим последовательностям присваивается номер, который дает строку из нескольких чисел, служащих аллельным профилем. Хотя это распространенный метод, ограничением этого метода является поддержание микрочипа, который обнаруживает новые аллельные профили, что делает его дорогостоящим и длительным экспериментом. [99]
С PFGE, методом, который все еще очень широко используется с момента его первого успеха в 1980-х годах, остается способным помочь дифференцировать изоляты MRSA. [101] Для достижения этого метод использует множественный гель-электрофорез вместе с градиентом напряжения для отображения четких разрешений молекул. Затем фрагменты S. aureus перемещаются вниз по гелю, создавая специфические паттерны полос, которые позже сравниваются с другими изолятами в надежде идентифицировать родственные штаммы. Ограничения метода включают практические трудности с однородными паттернами полос и чувствительностью PFGE в целом. [ необходима цитата ]
Типирование локуса Spa также считается популярным методом, который использует зону одного локуса в полиморфном регионе S. aureus для различения любой формы мутаций. [101] Хотя этот метод часто является недорогим и менее трудоемким, вероятность потери дискриминационной способности, затрудняющая дифференциацию клональных комплексов MLST, является примером важного ограничения. [ необходима цитата ]
Для восприимчивых штаммов предпочтительным методом лечения инфекции S. aureus является пенициллин . Антибиотик, полученный из некоторых видов грибов Penicillium , пенициллин ингибирует образование поперечных связей пептидогликана , которые обеспечивают жесткость и прочность бактериальной клеточной стенки . Четырехчленное β-лактамное кольцо пенициллина связано с ферментом DD -транспептидазой , ферментом, который при функциональности сшивает цепи пептидогликана, которые образуют бактериальные клеточные стенки. 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 клетки. Однако в большинстве стран резистентность к пенициллину чрезвычайно распространена (>90%), и терапия первой линии чаще всего представляет собой антибиотик β-лактама , устойчивый к пенициллиназе (например, оксациллин или флуклоксациллин , оба из которых имеют тот же механизм действия, что и пенициллин) или ванкомицин, в зависимости от местных моделей 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 инфекции и тяжести. Дополнительный рифампицин исторически использовался при лечении бактериемии S aureus , но данные рандомизированных контролируемых исследований показали, что это не дает общих преимуществ по сравнению со стандартной антибиотикотерапией. [105]
Устойчивость к антибиотикам у S. aureus была редкостью, когда пенициллин был впервые представлен в 1943 году. Действительно, оригинальная чашка Петри, на которой Александр Флеминг из Имперского колледжа Лондона наблюдал антибактериальную активность грибка Penicillium , выращивала культуру S. aureus . К 1950 году 40% изолятов S. aureus в больницах были устойчивы к пенициллину; к 1960 году этот показатель вырос до 80%. [106]
Метициллин-резистентный золотистый стафилококк (MRSA, часто произносится как / ˈ m ɜːr s ə / или / ɛ m ɑːr ɛ s eɪ / ) — один из многих очень опасных штаммов S. aureus , которые стали устойчивыми к большинству β-лактамных антибиотиков. По этой причине для борьбы с MRSA обычно используют ванкомицин , гликопептидный антибиотик. Ванкомицин ингибирует синтез пептидогликана, но в отличие от β-лактамных антибиотиков, гликопептидные антибиотики воздействуют на аминокислоты в клеточной стенке и связываются с ними, предотвращая образование поперечных связей пептидогликана. Штаммы MRSA чаще всего встречаются в таких учреждениях, как больницы, но становятся все более распространенными при инфекциях, приобретенных в обществе. [ необходима цитата ]
Незначительные кожные инфекции можно лечить с помощью тройной мази с антибиотиком . [107] Одним из назначаемых местных средств является мупироцин , ингибитор синтеза белка, который вырабатывается естественным образом Pseudomonas fluorescens и показал свою эффективность в лечении назального носительства S. aureus. [47]
Было обнаружено, что золотистый стафилококк является вторым по значимости патогеном, вызывающим смерть, связанную с устойчивостью к противомикробным препаратам в 2019 году. [108]
Стафилококковая устойчивость к пенициллину опосредована выработкой пенициллиназы (формы 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 деградации стафилококковой пенициллиназой. [ необходима цитата ]
Устойчивость к метициллину опосредуется через оперон mec , часть стафилококковой кассетной 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 пенициллинсвязывающий 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 устраняет их клиническое использование во время инфекций MRSA. Исследования объяснили, что этот мобильный генетический элемент был приобретен разными линиями в отдельных событиях переноса генов, что указывает на то, что не существует 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 для ингибирования действия аминогликозидов, что происходит посредством протонированных аминных и/или гидроксильных взаимодействий с рибосомальной РНК бактериальной 30S рибосомальной субъединицы . [111] В настоящее время широко признаны три основных механизма механизмов устойчивости к аминогликозидам: ферменты, модифицирующие аминогликозиды, рибосомальные мутации и активный отток препарата из бактерий. [ необходима ссылка ]
Ферменты, модифицирующие аминогликозиды, инактивируют аминогликозиды путем ковалентного присоединения фосфатной , нуклеотидной или ацетильной группы к амино- или спиртовой ключевой функциональной группе (или к обеим группам) антибиотика. Это изменяет заряд или стерически затрудняет антибиотик, снижая его рибосомальную связывающую способность. У S. aureus наиболее охарактеризованным ферментом, модифицирующим аминогликозиды, является аминогликозид-аденилилтрансфераза 4' IA ( ANT(4')IA ). Этот фермент был решен с помощью рентгеновской кристаллографии . [112] Фермент способен прикреплять аденильную группу к 4' гидроксильной группе многих аминогликозидов, включая канамицин и гентамицин. [ необходима цитата ]
Резистентность к гликопептидам обычно опосредована приобретением гена vanA , который происходит от транспозона Tn1546, обнаруженного в плазмиде энтерококков , и кодирует фермент, который производит альтернативный пептидогликан , с которым ванкомицин не связывается. [113]
Сегодня S. aureus стал устойчивым ко многим обычно используемым антибиотикам. В Великобритании только 2% всех изолятов S. aureus чувствительны к пенициллину, и в остальном мире картина схожая. Устойчивые к β-лактамазе пенициллины (метициллин, оксациллин, клоксациллин и флуклоксациллин) были разработаны для лечения устойчивого к пенициллину S. aureus и до сих пор используются в качестве терапии первой линии. Метициллин был первым антибиотиком этого класса, который был использован (он был представлен в 1959 году), но всего два года спустя в Англии был зарегистрирован первый случай устойчивого к метициллину золотистого стафилококка (MRSA). [114]
Несмотря на это, MRSA в целом оставался редкой находкой, даже в больничных условиях, до 1990-х годов, когда распространенность MRSA в больницах резко возросла, и теперь это эндемичное заболевание . [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 он также может вызывать заболевания у животных, известные как MRSA, ассоциированные с домашним скотом (LA-MRSA). [116]
Инфекции MRSA как в больницах, так и в общественных местах обычно лечатся не-β-лактамными антибиотиками, такими как клиндамицин (линкозамин) и ко-тримоксазол (также широко известный как триметоприм / сульфаметоксазол ). Устойчивость к этим антибиотикам также привела к использованию новых антибиотиков широкого спектра действия против грамположительных микроорганизмов, таких как линезолид , из-за его доступности в качестве перорального препарата. Первоочередным лечением серьезных инвазивных инфекций, вызванных MRSA, в настоящее время являются гликопептидные антибиотики (ванкомицин и тейкопланин ). Возникает ряд проблем с этими антибиотиками, таких как необходимость внутривенного введения (пероральных препаратов не существует), токсичность и необходимость регулярного контроля уровня препарата с помощью анализов крови. Кроме того, гликопептидные антибиотики не очень хорошо проникают в инфицированные ткани (это особенно актуально при инфекциях головного мозга и мозговых оболочек , а также при эндокардите ). Гликопептиды не следует использовать для лечения метициллин-чувствительного золотистого стафилококка (MSSA), так как результаты лечения будут неудовлетворительными. [117]
Из-за высокого уровня резистентности к пенициллинам и из-за возможности развития резистентности MRSA к ванкомицину Центры по контролю и профилактике заболеваний США опубликовали руководящие принципы, заархивированные 23 сентября 2006 г. на Wayback Machine , по надлежащему использованию ванкомицина. В ситуациях, когда известно, что частота инфекций MRSA высока, лечащий врач может выбрать гликопептидный антибиотик до тех пор, пока не будет установлена личность возбудителя инфекции. После подтверждения того, что инфекция вызвана штаммом S. aureus , восприимчивым к метициллину , лечение можно изменить на флуклоксациллин или даже пенициллин, в зависимости от ситуации. [ необходима цитата ]
Устойчивый к ванкомицину S. aureus (VRSA) — это штамм S. aureus , который стал устойчивым к гликопептидам. Первый случай промежуточного ванкомицина S. aureus (VISA) был зарегистрирован в Японии в 1996 году; [118] но первый случай S. aureus, действительно устойчивый к гликопептидным антибиотикам, был зарегистрирован только в 2002 году. [119] По состоянию на 2005 год в Соединенных Штатах было зарегистрировано три случая заражения VRSA. [120] По крайней мере частично устойчивость S. aureus к антимикробным препаратам можно объяснить его способностью адаптироваться. Множественные двухкомпонентные пути передачи сигнала помогают S. aureus экспрессировать гены, необходимые для выживания в условиях антимикробного стресса. [121]
Среди различных механизмов, которые MRSA приобретает для избегания устойчивости к антибиотикам (например, инактивация лекарств, изменение мишени, снижение проницаемости), есть также сверхэкспрессия эффлюксных насосов . Эффлюксные насосы представляют собой мембранно-интегрированные белки, которые физиологически необходимы клетке для экспорта ксенобиотических соединений. Они делятся на шесть семейств, каждое из которых имеет различную структуру, функцию и транспорт энергии. Основными эффлюксными насосами S. aureus являются MFS ( Major Facilitator Superfamily ), которое включает насос MdeA, а также насос NorA и MATE (Multidrug and Toxin Extrusion), к которому принадлежит насос MepA. Для транспорта эти семейства используют электрохимический потенциал и градиент концентрации ионов, в то время как семейство АТФ-связывающих кассет (ABC) получает свою энергию от гидролиза АТФ. [ необходима цитата ]
Эти насосы сверхэкспрессируются MDR S. aureus ( S. aureus с множественной лекарственной устойчивостью) , и результатом является избыточное вытеснение антибиотика из клетки, что делает его действие неэффективным. Эффлюксные насосы также вносят значительный вклад в развитие непроницаемых биопленок. [ необходима цитата ]
Путем прямого модуляции активности эффлюксных насосов или снижения их экспрессии можно модифицировать резистентный фенотип и восстановить эффективность существующих антибиотиков. [122]
Около 33% населения США являются носителями S. aureus и около 2% являются носителями MRSA . [123] Даже поставщики медицинских услуг могут быть переносчиками MRSA. [124]
Носительство S. aureus является важным источником внутрибольничной инфекции (также называемой нозокомиальной) и MRSA, приобретенных в обществе. Хотя S. aureus может присутствовать на коже хозяина, большая часть его переноса происходит через передние ноздри носовых ходов [2] и может также присутствовать в ушах. [125] Способность носовых ходов укрывать S. aureus является результатом сочетания ослабленного или дефектного иммунитета хозяина и способности бактерии уклоняться от врожденного иммунитета хозяина. [126] Носительство через нос также участвует в возникновении стафилококковых инфекций. [127]
Распространение S. aureus (включая MRSA) обычно происходит через контакт человека с человеком, хотя недавно некоторые ветеринары обнаружили, что инфекция может передаваться через домашних животных, [128] при этом загрязнение окружающей среды, как полагают, играет относительно меньшую роль. [129] Таким образом, акцент на основных методах мытья рук эффективен для предотвращения его передачи. Использование одноразовых фартуков и перчаток персоналом снижает контакт кожа-к-коже, что еще больше снижает риск передачи . [130]
Недавно [ когда? ] в больницах по всей Америке было зарегистрировано множество случаев S. aureus . Передача возбудителя облегчается в медицинских учреждениях, где гигиена работников здравоохранения недостаточна. S. aureus — невероятно выносливая бактерия, как было показано в исследовании, где она выживала на полиэстере чуть менее трех месяцев; [131] полиэстер — основной материал, используемый в больничных занавесках для обеспечения конфиденциальности.
Бактерии переносятся на руках работников здравоохранения, которые могут подхватить их от, казалось бы, здорового пациента, являющегося носителем доброкачественного или комменсального штамма S. aureus , а затем передать его следующему пациенту, проходящему лечение. Попадание бактерий в кровоток может привести к различным осложнениям, включая эндокардит, менингит и, если он широко распространен, сепсис . [ необходима 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 в себя рутинную и заключительную уборку . Негорючие пары спирта в CO2 Системы NAV-CO 2 имеют преимущество, поскольку они не воздействуют на металлы или пластик, используемые в медицинских учреждениях, и не способствуют развитию антибактериальной резистентности. [ необходима цитата ]
Важным и ранее непризнанным способом колонизации и передачи MRSA в обществе является половой контакт. [132]
Staphylococcus aureus погибает за одну минуту при температуре 78 °C и за десять минут при температуре 64 °C, но устойчив к замораживанию . [133] [134]
Некоторые штаммы S. aureus были описаны как устойчивые к дезинфекции хлором. [135] [136]
Использование мази мупироцина может снизить частоту инфекций, вызванных назальным носительством S. aureus. [137] Имеются ограниченные доказательства того, что назальная деконтаминация S. aureus с использованием антибиотиков или антисептиков может снизить частоту инфекций в месте хирургического вмешательства. [138]
По состоянию на 2021 год не существует одобренной вакцины против S. aureus . Были проведены ранние клинические испытания нескольких вакцин-кандидатов, таких как StaphVax и PentaStaph от Nabi, V710 от Intercell / Merck , SA75 от VRi и других. [140]
В то время как некоторые из этих вакцин-кандидатов показали иммунный ответ, другие усугубили инфекцию S. aureus . На сегодняшний день ни один из этих кандидатов не обеспечивает защиту от инфекции S. aureus . Разработка StaphVax от Nabi была остановлена в 2005 году после того, как испытания фазы III не дали результатов. [141] Первый вариант вакцины V710 от Intercell был остановлен во время фазы II/III после того, как среди пациентов, у которых развилась инфекция S. aureus , наблюдалась более высокая смертность и заболеваемость . [142]
Улучшенный кандидат вакцины S. aureus от Nabi PentaStaph был продан в 2011 году компании GlaxoSmithKline Biologicals SA [143] Текущий статус PentaStaph неясен. В документе ВОЗ указано, что PentaStaph потерпел неудачу на этапе испытаний фазы III. [144]
В 2010 году компания GlaxoSmithKline начала слепое исследование фазы 1 для оценки своей вакцины GSK2392103A. [145] По состоянию на 2016 год эта вакцина больше не находится в стадии активной разработки. [146]
Четырехантигенная вакцина S. aureus SA4Ag компании Pfizer получила статус ускоренной процедуры от Управления по контролю за продуктами и лекарствами США в феврале 2014 года . [147] В 2015 году компания Pfizer начала фазу 2b испытаний вакцины SA4Ag. [148] Результаты фазы 1, опубликованные в феврале 2017 года, показали очень надежную и безопасную иммуногенность SA4Ag. [149] Вакцина проходила клинические испытания до июня 2019 года, а результаты, опубликованные в сентябре 2020 года, не продемонстрировали значительного снижения послеоперационной инфекции кровотока после операции. [148]
В 2015 году Novartis Vaccines and Diagnostics, бывшее подразделение Novartis , а теперь часть GlaxoSmithKline, опубликовала многообещающие доклинические результаты своей четырехкомпонентной вакцины против золотистого стафилококка , 4C-staph. [150]
В дополнение к разработке вакцины проводятся исследования по разработке альтернативных вариантов лечения, которые эффективны против штаммов, устойчивых к антибиотикам, включая MRSA. Примерами альтернативных методов лечения являются фаговая терапия , антимикробные пептиды и направленная на хозяина терапия . [151] [152]
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.