Escherichia coli ( / ˌ ɛ ʃ ə ˈ r ɪ k i ə ˈ k oʊ l aɪ / ESH -ə- RIK -ee-ə KOH -ly ; обычно сокращенно E. coli ) — грамотрицательная палочковидная бактерия , которая обычно встречается в нижнем отделе кишечника теплокровных организмов ( эндотермов ). Большинство штаммов E. coli безвредны, но патогенные разновидности вызывают серьезные пищевые отравления , септический шок , менингит или инфекции мочевыводящих путей у людей . [1] [2] В отличие от нормальной флоры E. coli , патогенные разновидности вырабатывают токсины и другие факторы вирулентности , которые позволяют им находиться в частях тела, обычно не заселенных E. coli , и повреждать клетки-хозяева. [3] Эти патогенные признаки кодируются генами вирулентности, которые несут только патогены. [3]
E. coli и родственные бактерии составляют около 0,1% кишечной флоры [4] , а фекально-оральная передача является основным путем, посредством которого патогенные штаммы бактерий вызывают заболевания. Клетки способны выживать вне организма только ограниченное количество времени, что делает их идеальными индикаторными организмами для проверки образцов окружающей среды на наличие фекального загрязнения [5] [6] Бактерию также можно легко и недорого выращивать в лабораторных условиях, и она интенсивно изучается уже более 60 лет. E. coli является наиболее широко изученным прокариотическим модельным организмом и важным видом в областях биотехнологии и микробиологии , где она служила организмом- хозяином для большинства работ с рекомбинантной ДНК .
Немецкий педиатр и бактериолог Теодор Эшерих открыл E. coli в 1885 году [5] , и теперь она классифицируется как часть семейства гамма-протеобактерий Enterobacteriaceae . [7]
Патогенные штаммы E. coli можно классифицировать на основе элементов, которые могут вызывать иммунный ответ у животных, а именно: [ необходима цитата ]
Например, штамм E. coli EDL933 относится к группе O157:H7 .
Внешняя мембрана клетки E. coli содержит миллионы молекул липополисахаридов (ЛПС), которые состоят из: [ необходима цитата ]
Антиген O используется для серотипирования E. coli , и эти обозначения групп O идут от O1 до O181, за исключением некоторых групп, которые были исторически удалены, а именно O31, O47, O67, O72, O93 (теперь K84), O94 и O122; группы 174–181 являются предварительными (O174=OX3 и O175=OX7) или находятся в стадии исследования (176–181 являются STEC/VTEC). [8] Кроме того, существуют подтипы для многих групп O ( например, O128ab и O128ac). [8] Антитела к нескольким антигенам O перекрестно реагируют с другими антигенами O и частично с антигенами K не только из E. coli , но и из других видов Escherichia и видов Enterobacteriaceae. [8]
О-антиген кодируется кластером генов rfb. Ген rol (cld) кодирует регулятор длины О-цепи липополисахарида. [ необходима цитата ]
Кислотный капсульный полисахарид (ККП) представляет собой толстый, слизистый слой полисахарида, который окружает некоторые патогенные кишечные палочки . [ необходима цитата ]
Существуют две отдельные группы групп K-антигенов, называемые группой I и группой II (в то время как небольшая промежуточная подгруппа (K3, K10 и K54/K96) была классифицирована как группа III). [8] Первая (I) состоит из капсульных полисахаридов массой 100 кДа (больших), тогда как вторая (II), связанная с внекишечными заболеваниями, имеет размер менее 50 кДа. [8]
Группа антигенов IK встречается только с определенными O-антигенами (группы O8, O9, O20 и O101), они далее подразделяются на основе отсутствия (IA, сходен по структуре с видами Klebsiella ) или наличия (IB) аминосахаров, а некоторые K-антигены группы I прикреплены к липидному ядру A липополисахарида (K LPS ) аналогично O-антигенам (и будучи структурно идентичными O-антигенам, в некоторых случаях рассматриваются как K-антигены только при совместной экспрессии с другим аутентичным O-антигеном). [8]
Антигены группы II K очень похожи на антигены грамположительных бактерий и сильно отличаются по составу, а также подразделяются в соответствии с их кислотными компонентами; как правило, 20–50% цепей CPS связаны с фосфолипидами. [8]
Всего распознано 60 различных антигенов K (K1, K2a/ac, K3, K4, K5, K6, K7 (=K56), K8, K9 (=O104), K10, K11, K12 (K82), K13(=K20 и =K23), K14, K15, K16, K18a, K18ab (=K22), K19, K24, K26, K27, K28, K29, K30, K31, K34, K37, K39, K40, K41, K42, K43, K44, K45, K46, K47, K49 (O46), K50, K51, K52, K53, K54 (=K96), K55, K74, K84, K85ab/ac (=O141), K87 (=O32), K92, K93, K95, K97, K98, K100, K101, K102, K103, KX104, KX105 и KX106). [ необходима цитата ]
Антиген H является основным компонентом жгутиков, участвующих в движении E. coli . Он обычно кодируется геном fliC [ необходима цитата ]
Существует 53 идентифицированных антигена H, пронумерованных от H1 до H56 (H13 и H22 не были антигенами E. coli , а были антигенами Citrobacter freundii , а H50 оказался таким же, как H10). [9]
У людей и домашних животных вирулентные штаммы кишечной палочки могут вызывать различные заболевания. [ необходима цитата ]
У людей: гастроэнтерит , инфекция мочевыводящих путей и неонатальный менингит . В более редких случаях вирулентные штаммы также вызывают гемолитико-уремический синдром , перитонит , мастит , грамотрицательную пневмонию и сепсис . [10]
Некоторые штаммы E. coli , такие как O157:H7 , O104:H4 , O121 , O26, O103, O111, O145 и O104:H21 , вырабатывают потенциально смертельные токсины . Пищевое отравление , вызванное E. coli, может возникнуть в результате употребления немытых овощей или плохо разделанного и недоваренного мяса. [ требуется ссылка ]
O157:H7 также печально известен тем, что вызывает серьезные и даже опасные для жизни осложнения, такие как гемолитико-уремический синдром . Этот конкретный штамм связан со вспышкой кишечной палочки в США в 2006 году из-за свежего шпината. [ необходима цитата ]
Штамм O104:H4 столь же вирулентный. Протоколы антибиотикотерапии и поддерживающего лечения для него не так хорошо разработаны, так как он обладает способностью быть очень энтерогеморрагическим, как O157:H7, вызывая кровавую диарею, но также является более энтероагрегационным, то есть он хорошо прилипает и слипается с кишечными мембранами. Это штамм, который вызвал смертельную вспышку кишечной палочки в июне 2011 года в Европе. Тяжесть заболевания значительно варьируется; оно может быть смертельным, особенно для маленьких детей, пожилых людей или людей с ослабленным иммунитетом, но чаще протекает в легкой форме. [ необходима цитата ]
Ранее, в 1996 году, несоблюдение санитарных норм при приготовлении мяса в Шотландии привело к гибели семи человек из-за отравления кишечной палочкой , а также к заражению сотен других людей. [ необходима цитата ]
E. coli может содержать как термостабильные , так и термолабильные энтеротоксины . Последние, называемые LT, содержат одну субъединицу A и пять субъединиц B, организованных в один голотоксин, и очень похожи по структуре и функциям на холерные токсины. Субъединицы B способствуют прикреплению и проникновению токсина в клетки кишечника хозяина, в то время как субъединица A расщепляется и не дает клеткам поглощать воду, вызывая диарею . LT секретируется путем секреции типа 2. [11]
Если бактерии E. coli покидают кишечный тракт через перфорацию (например, из язвы , разорванного аппендикса или из-за хирургической ошибки ) и попадают в брюшную полость, они обычно вызывают перитонит , который может быть фатальным без своевременного лечения. Однако E. coli чрезвычайно чувствительны к таким антибиотикам , как стрептомицин или гентамицин . Недавние исследования показывают, что лечение энтеропатогенной E. coli антибиотиками может значительно увеличить вероятность развития гемолитико-уремического синдрома. [12]
Инвазивные штаммы E. coli , ассоциированные со слизистой оболочкой кишечника, наблюдаются в повышенном количестве при воспалительных заболеваниях кишечника , болезни Крона и язвенном колите . [13] Инвазивные штаммы E. coli присутствуют в большом количестве в воспаленной ткани, а количество бактерий в воспаленных областях коррелирует с тяжестью воспаления кишечника. [14]
Желудочно-кишечные инфекции могут заставить организм вырабатывать Т-клетки памяти для атаки кишечных микробов, находящихся в кишечном тракте. Пищевое отравление может вызвать иммунный ответ на микробные кишечные бактерии. Некоторые исследователи предполагают, что это может привести к воспалительному заболеванию кишечника. [15]
Кишечные E. coli (EC) классифицируются на основе серологических характеристик и свойств вирулентности. [10] Основные патотипы E. coli , вызывающие диарею, перечислены ниже. [16]
Передача патогенной кишечной палочки часто происходит фекально-оральным путем . [19] [20] [21] Обычные пути передачи включают: несоблюдение правил гигиены при приготовлении пищи, [20] загрязнение фермы из-за удобрения навозом, [22] орошение посевов загрязненной серой водой или неочищенными сточными водами , [23] дикие свиньи на пахотных землях, [24] или прямое потребление воды, загрязненной сточными водами. [25] Молочный и мясной скот являются основными резервуарами кишечной палочки O157:H7, [26] и они могут переносить ее бессимптомно и выделять ее со своими фекалиями. [26] Пищевые продукты, связанные со вспышками кишечной палочки, включают огурцы , [27] сырой говяжий фарш, [28] сырые ростки семян или шпинат, [22] сырое молоко, непастеризованный сок, непастеризованный сыр и продукты, загрязненные инфицированными работниками пищевой промышленности фекально-оральным путем. [20]
По данным Управления по контролю за продуктами и лекарствами США , фекально-оральный цикл передачи может быть нарушен путем правильного приготовления пищи, предотвращения перекрестного заражения, установления барьеров, таких как перчатки для работников пищевой промышленности, внедрения политики здравоохранения, позволяющей работникам пищевой промышленности обращаться за лечением в случае болезни, пастеризации соков или молочных продуктов и надлежащих требований к мытью рук . [20]
Шига-токсинпродуцирующая кишечная палочка (STEC), в частности серотип O157:H7, также передавалась мухами, [29] [30] [31] а также при прямом контакте с сельскохозяйственными животными, [32] [33] животными в контактных зоопарках , [34] и частицами в воздухе, обнаруженными в местах разведения животных. [35]
Уропатогенная кишечная палочка (UPEC) ответственна примерно за 90% инфекций мочевыводящих путей (ИМП), наблюдаемых у людей с обычной анатомией. [10] При восходящих инфекциях фекальные бактерии колонизируют уретру и распространяются по мочевыводящим путям в мочевой пузырь , а также в почки (вызывая пиелонефрит ), [36] или простату у мужчин. Поскольку у женщин уретра короче, чем у мужчин, они в 14 раз чаще страдают от восходящей ИМП. [10]
Уропатогенные E. coli используют P-фимбрии ( пили , ассоциированные с пиелонефритом ) для связывания уротелиальных клеток мочевыводящих путей и колонизации мочевого пузыря. Эти адгезины специфически связывают D-галактозо-D-галактозные фрагменты на антигене группы крови P эритроцитов и уроэпителиальных клеток . [10] Примерно у 1% человеческой популяции отсутствует этот рецептор, [ требуется цитирование ] и его наличие или отсутствие определяет восприимчивость или невосприимчивость человека, соответственно, к инфекциям мочевыводящих путей, вызываемым E. coli . Уропатогенные E. coli продуцируют альфа- и бета-гемолизины , которые вызывают лизис клеток мочевыводящих путей. [ требуется цитирование ]
Другим фактором вирулентности, обычно присутствующим в UPEC, является семейство адгезинов Dr , которые особенно связаны с циститом и пиелонефритом , связанным с беременностью . [37] Адгезины Dr связывают антиген группы крови Dr (Dr a ), который присутствует в факторе ускорения распада (DAF) на эритроцитах и других типах клеток. Там адгезины Dr вызывают развитие длинных клеточных расширений, которые обволакивают бактерии, что сопровождается активацией нескольких каскадов передачи сигнала , включая активацию киназы PI-3 . [37]
UPEC может обходить врожденную иммунную защиту организма (например, систему комплемента ), вторгаясь в поверхностные зонтичные клетки и формируя внутриклеточные бактериальные сообщества (IBC). [38] Они также обладают способностью образовывать антиген К, капсульные полисахариды, которые способствуют образованию биопленки . E. coli , продуцирующие биопленку , устойчивы к иммунным факторам и антибиотикотерапии и часто вызывают хронические инфекции мочевыводящих путей. [39] Инфекции E. coli , продуцирующие антиген К, обычно встречаются в верхних мочевыводящих путях. [10]
Нисходящие инфекции, хотя и относительно редки, возникают, когда клетки E. coli попадают в верхние мочевые пути ( почки , мочевой пузырь или мочеточники ) из кровотока. [ необходима ссылка ]
Он вырабатывается серотипом Escherichia coli , который содержит капсульный антиген, называемый K1. Колонизация кишечника новорожденного этими штаммами, которые присутствуют во влагалище матери, приводит к бактериемии, которая приводит к менингиту . [40] А из-за отсутствия антител IgM у матери (они не проникают через плаценту, потому что FcRn опосредует только передачу IgG ), а также того факта, что организм распознает как свой антиген K1, поскольку он напоминает церебральные гликопептиды, это приводит к тяжелому менингиту у новорожденных. [ требуется цитата ]
Некоторые штаммы E. coli содержат геномный остров поликетидсинтазы ( pks ), который кодирует мультиферментный механизм, который производит колибактин , вещество, которое повреждает ДНК. Около 20% людей колонизированы E. coli , которые содержат остров pks . [41] Колибактин может вызывать клеточное старение [42] или рак , повреждая ДНК. [43] Однако слизистый барьер не позволяет E. coli достигать поверхности энтероцитов. Продукция муцина уменьшается при наличии воспаления. [44] Только когда какое-либо воспалительное состояние сопутствует инфекции E. coli , бактерия способна доставлять колибактин в энтероциты и вызывать опухолеобразование. [45]
У животных вирулентные штаммы E. coli вызывают различные заболевания, среди которых сепсис и диарея у новорожденных телят , острый мастит у молочных коров , колибактериоз, также связанный с хроническим респираторным заболеванием, вызванным микоплазмой, при котором он вызывает перигепатит, перикардит, септические легкие, перитонит и т. д. у домашней птицы , а также гниль Алабамы у собак. [ требуется ссылка ]
Большинство серотипов, выделенных от домашней птицы, патогенны только для птиц . Таким образом, птичьи источники E. coli , по-видимому, не являются важными источниками инфекций у других животных. [46]
Диагностика инфекционной диареи и выявление устойчивости к противомикробным препаратам проводится с использованием культуры кала с последующим тестированием чувствительности к антибиотикам . Для культивирования желудочно-кишечных патогенов требуется минимум 2 дня и максимум несколько недель. Показатели чувствительности (истинно положительный) и специфичности (истинно отрицательный) для культуры кала различаются в зависимости от патогена, хотя ряд человеческих патогенов не поддаются культивированию . Для образцов с положительным результатом культивирования тестирование устойчивости к противомикробным препаратам занимает дополнительно 12–24 часа. [ необходима цитата ]
Современные молекулярные диагностические тесты в месте оказания помощи могут идентифицировать E. coli и устойчивость к противомикробным препаратам в идентифицированных штаммах гораздо быстрее, чем тестирование культуры и чувствительности. Платформы на основе микрочипов могут идентифицировать определенные патогенные штаммы E. coli и гены AMR, специфичные для E. coli, за два часа или меньше с высокой чувствительностью и специфичностью, но размер тестовой панели (т. е. общее количество патогенов и гены устойчивости к противомикробным препаратам) ограничен. В настоящее время разрабатываются новые платформы диагностики инфекционных заболеваний на основе метагеномики для преодоления различных ограничений культуры и всех доступных в настоящее время технологий молекулярной диагностики. [ необходима цитата ]
В образцах кала микроскопия покажет грамотрицательные палочки без определенного расположения клеток. Затем либо агар МакКонки , либо агар ЭМБ (или оба) инокулируют калом. На агаре МакКонки образуются темно-красные колонии, поскольку организм является лактозоположительным , и ферментация этого сахара приведет к снижению pH среды , что приведет к ее потемнению. Рост на агаре ЭМБ дает черные колонии с зеленовато-черным металлическим блеском. Это диагностический признак E. coli . Организм также является лизинположительным и растет на скошенной среде TSI с профилем (A/A/g+/H 2 S-). Кроме того, IMViC является {+ + – -} для E. coli ; поскольку он индол -положительный (красное кольцо) и метиловый красный -положительный (ярко-красный), но VP-отрицательный (без изменений-бесцветный) и цитрат -отрицательный (без изменений-зеленый цвет). Тесты на продукцию токсина могут использовать клетки млекопитающих в культуре тканей , которые быстро убиваются шига-токсином . Хотя этот метод чувствителен и очень специфичен, он медленный и дорогой. [47]
Обычно диагностика проводится путем культивирования на среде сорбит-Макконки с последующим использованием типирующей антисыворотки. Однако современные латексные анализы и некоторые типирующие антисыворотки показали перекрестные реакции с колониями, отличными от E. coli O157. Кроме того, не все штаммы E. coli O157, связанные с ГУС, являются несорбитол-ферментерами.
Совет государственных и территориальных эпидемиологов рекомендует клиническим лабораториям проверять по крайней мере все образцы стула с кровью на наличие этого патогена. Центры по контролю и профилактике заболеваний США рекомендуют, чтобы « все образцы стула, представленные для планового тестирования от пациентов с острой внебольничной диареей (независимо от возраста пациента, времени года или наличия или отсутствия крови в стуле), одновременно культивировались на наличие E. coli O157:H7 (O157 STEC) и тестировались с помощью анализа, который обнаруживает токсины Шига для выявления не-O157 STEC ». [48] [49]
Бактериальные инфекции обычно лечатся антибиотиками . Однако чувствительность к антибиотикам у разных штаммов E. coli сильно различается. Как грамотрицательные организмы, E. coli устойчивы ко многим антибиотикам, которые эффективны против грамположительных организмов. Антибиотики, которые могут использоваться для лечения инфекции E. coli , включают амоксициллин , а также другие полусинтетические пенициллины, многие цефалоспорины , карбапенемы , азтреонам , триметоприм-сульфаметоксазол , ципрофлоксацин , нитрофурантоин и аминогликозиды . [ необходима цитата ]
Устойчивость к антибиотикам становится все более серьезной проблемой. Отчасти это связано с чрезмерным использованием антибиотиков людьми, но отчасти, вероятно, с использованием антибиотиков в качестве стимуляторов роста в кормах для животных. [50] Исследование, опубликованное в журнале Science в августе 2007 года, показало, что скорость адаптивных мутаций в E. coli составляет «порядка 10 −5 на геном на поколение, что в 1000 раз выше предыдущих оценок», — открытие, которое может иметь значение для изучения и управления устойчивостью бактерий к антибиотикам. [51]
Устойчивая к антибиотикам E. coli может также передавать гены, ответственные за устойчивость к антибиотикам, другим видам бактерий, таким как Staphylococcus aureus , посредством процесса, называемого горизонтальным переносом генов . Бактерии E. coli часто несут множественные плазмиды устойчивости к лекарственным препаратам и в условиях стресса легко передают эти плазмиды другим видам. Смешение видов в кишечнике позволяет E. coli принимать и передавать плазмиды от других бактерий и к ним. Таким образом, E. coli и другие энтеробактерии являются важными резервуарами передаваемой устойчивости к антибиотикам. [52]
Устойчивость к бета-лактамным антибиотикам стала особой проблемой в последние десятилетия, поскольку штаммы бактерий, которые продуцируют бета-лактамазы расширенного спектра , стали более распространенными. [53] Эти ферменты бета-лактамазы делают многие, если не все, пенициллины и цефалоспорины неэффективными в качестве терапии. E. coli , продуцирующие бета-лактамазы расширенного спектра (ESBL E. coli ), обладают высокой устойчивостью к ряду антибиотиков, и инфекции, вызванные этими штаммами, трудно поддаются лечению. Во многих случаях эффективными остаются только два пероральных антибиотика и очень ограниченная группа внутривенных антибиотиков. В 2009 году в Индии и Пакистане у бактерий E. coli был обнаружен ген, называемый металло-бета-лактамазой Нью-Дели (сокращенно NDM-1 ), который даже дает устойчивость к внутривенному антибиотику карбапенему . [ необходима цитата ]
Возросшая обеспокоенность по поводу распространенности этой формы « супербактерии » в Соединенном Королевстве привела к призывам к дальнейшему мониторингу и общебританской стратегии по борьбе с инфекциями и смертями. [54] Тестирование восприимчивости должно быть руководством для лечения всех инфекций, при которых организм может быть изолирован для культивирования. [ необходима цитата ]
Фаговая терапия — вирусы, которые специально нацелены на патогенные бактерии — была разработана за последние 80 лет, в основном в бывшем Советском Союзе , где она использовалась для предотвращения диареи, вызванной E. coli . [55] В настоящее время фаговая терапия для людей доступна только в Центре фаговой терапии в Республике Грузия и в Польше . [56] Однако 2 января 2007 года Управление по контролю за продуктами и лекарствами США (FDA) дало компании Omnilytics разрешение на применение своего фага, убивающего E. coli O157:H7, в виде тумана, спрея или мытья на живых животных, которые будут забиты для потребления человеком. [57] Фаг энтеробактерий T4 , хорошо изученный фаг, нацелен на E. coli для заражения. [ необходима ссылка ]
Хотя фаговая терапия как метод лечения E. coli недоступна в США, некоторые коммерчески доступные диетические добавки содержат штаммы фагов, нацеленные на E. coli , и, как было показано, снижают нагрузку E. coli у здоровых людей. [58] Однако это не считается фаговой терапией, поскольку не подразумевает отбор фагов с активностью против специфического штамма бактерий пациента. [ требуется ссылка ]
Исследователи активно работали над разработкой безопасных и эффективных вакцин для снижения заболеваемости E. coli во всем мире . [59] В марте 2006 года сообщалось, что вакцина, вызывающая иммунный ответ против E. coli O157:H7 O-специфического полисахарида, конъюгированного с рекомбинантным экзотоксином A Pseudomonas aeruginosa (O157-rEPA), безопасна для детей в возрасте от двух до пяти лет. Предыдущие исследования уже указывали на ее безопасность для взрослых. [60] Планируется проведение клинического испытания фазы III для проверки эффективности лечения в крупных масштабах . [60]
В 2006 году компания Fort Dodge Animal Health ( Wyeth ) представила эффективную живую аттенуированную вакцину для контроля аэросаккулита и перитонита у кур. Вакцина представляет собой генетически модифицированную авирулентную вакцину, которая продемонстрировала защиту от штаммов O78 и нетипируемых штаммов. [61]
В январе 2007 года канадская биофармацевтическая компания Bioniche объявила о разработке вакцины для крупного рогатого скота, которая снижает количество выделяемых с навозом бактерий O157:H7 в 1000 раз, до примерно 1000 патогенных бактерий на грамм навоза. [62] [63] [64]
В апреле 2009 года исследователь из Мичиганского государственного университета объявил, что разработал рабочую вакцину для штамма E. coli . Доктор Махди Саид, профессор эпидемиологии и инфекционных заболеваний в колледжах ветеринарной медицины и медицины человека Мичиганского государственного университета, подал заявку на патент на свое открытие и связался с фармацевтическими компаниями для коммерческого производства. [65]
В мае 2018 года группа под руководством исследователей из Медицинской школы Вашингтонского университета совместно с Университетом Джонса Хопкинса провела исследование, которое глубже изучило известную связь между группой крови и тяжестью инфекции E. coli . [66] Результаты исследования показали, что «бактерия с большей вероятностью вызывает тяжелую диарею у людей с группой крови A», и это открытие может помочь в текущих и будущих усилиях по разработке эффективной вакцины против патогенных штаммов E. coli. [66] [67]
{{cite book}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)