Plasmodium — род одноклеточных эукариот , которые являются облигатными паразитами позвоночныхи насекомых . Жизненные циклы видов Plasmodium включают развитие в питающемся кровью насекомом -хозяине , который затем вводит паразитов в позвоночного хозяина во время приема крови. Паразиты растут в тканях тела позвоночного (часто в печени), прежде чем попасть в кровоток и заразить эритроциты . Последующее разрушение эритроцитов хозяина может привести к малярии . Во время этой инфекции некоторые паразиты подхватываются питающимся кровью насекомым ( в большинстве случаев комарами ), продолжая жизненный цикл. [1]
Plasmodium является членом типа Apicomplexa , большой группы паразитических эукариот. В пределах Apicomplexa Plasmodium относится к отряду Haemosporida и семейству Plasmodiidae . Описано более 200 видов Plasmodium , многие из которых подразделяются на 14 подродов на основе морфологии паразита и круга хозяев. Эволюционные отношения между различными видами Plasmodium не всегда следуют таксономическим границам; некоторые виды, которые морфологически похожи или заражают одного и того же хозяина, оказываются отдаленно родственными.
Виды Plasmodium распространены по всему миру везде, где есть подходящие хозяева. Насекомыми-хозяевами чаще всего являются комары родов Culex и Anopheles . Позвоночные хозяева включают рептилий, птиц и млекопитающих. Паразиты Plasmodium были впервые идентифицированы в конце 19 века Чарльзом Лавераном . В течение 20 века было обнаружено и классифицировано множество других видов у различных хозяев, включая пять видов, которые регулярно заражают людей: P. vivax , P. falciparum , P. malariae , P. ovale и P. knowlesi . P. falciparum на сегодняшний день является самым смертоносным для людей, приводя к сотням тысяч смертей в год. Для лечения инфекции Plasmodium был разработан ряд препаратов ; однако паразиты выработали устойчивость к каждому разработанному препарату.
Хотя паразит может также заражать людей через переливание крови , это случается очень редко, и Plasmodium не может передаваться от человека к человеку. Некоторые из подвидов Plasmodium являются облигатными внутриклеточными паразитами .
Род Plasmodium состоит из всех эукариот в типе Apicomplexa, которые как подвергаются бесполому процессу репликации мерогонии внутри эритроцитов хозяина , так и производят кристаллический пигмент гемозоин в качестве побочного продукта переваривания гемоглобина хозяина . [2] Виды Plasmodium содержат много черт, которые являются общими для других эукариот, и некоторые, которые являются уникальными для их типа или рода. Геном Plasmodium разделен на 14 хромосом, содержащихся в ядре . Паразиты Plasmodium сохраняют одну копию своего генома на протяжении большей части жизненного цикла, удваивая геном только для краткого полового обмена в средней кишке насекомого-хозяина. [3] К ядру прикреплен эндоплазматический ретикулум (ЭР), который функционирует аналогично ЭР у других эукариот. Белки транспортируются из ЭР в аппарат Гольджи , который обычно состоит из одного мембраносвязанного отсека у Apicomplexans. [4] Отсюда белки транспортируются в различные клеточные отсеки или на поверхность клетки. [4]
Как и другие апикомплексаны, виды Plasmodium имеют несколько клеточных структур на апикальном конце паразита, которые служат специализированными органеллами для секреции эффекторов в хозяина. Наиболее заметными являются луковичные роптрии , которые содержат паразитарные белки, участвующие во вторжении в клетку хозяина и модификации хозяина внутри. [5] Рядом с роптриями находятся более мелкие структуры, называемые микронемами , которые содержат паразитарные белки, необходимые для подвижности, а также для распознавания и прикрепления к клеткам хозяина. [6] По всему паразиту разбросаны секреторные пузырьки , называемые плотными гранулами , которые содержат паразитарные белки, участвующие в модификации мембраны, отделяющей паразита от хозяина, называемой паразитофорной вакуолью . [6]
Виды Plasmodium также содержат две крупные мембраносвязанные органеллы эндосимбиотического происхождения , митохондрию и апикопласт , обе из которых играют ключевую роль в метаболизме паразита . В отличие от клеток млекопитающих, которые содержат множество митохондрий, клетки Plasmodium содержат одну крупную митохондрию, которая координирует свое деление с делением клетки Plasmodium . [7] Как и у других эукариот, митохондрия Plasmodium способна генерировать энергию в форме АТФ через цикл лимонной кислоты ; однако эта функция необходима только для выживания паразита в хозяине-насекомом и не нужна для роста эритроцитов. [7] Вторая органелла, апикопласт, происходит от вторичного события эндосимбиоза , в данном случае приобретения красной водоросли предком Plasmodium . [8] Апикопласт участвует в синтезе различных метаболических предшественников, включая жирные кислоты , изопреноиды , железо-серные кластеры и компоненты пути биосинтеза гема . [9]
Жизненный цикл Plasmodium включает несколько отдельных стадий в хозяевах- насекомых и позвоночных . Паразиты обычно попадают в хозяина-позвоночного через укус насекомого-хозяина (обычно комара, за исключением некоторых видов Plasmodium рептилий). [10] Паразиты сначала заражают печень или другую ткань, где они проходят один большой раунд репликации, прежде чем покинуть клетку-хозяина и заразить эритроциты . [11] На этом этапе некоторые виды Plasmodium приматов могут образовывать долгоживущую спящую стадию, называемую гипнозоитом, [12] которая может оставаться в печени более года. [13] Однако для большинства видов Plasmodium паразиты в инфицированных клетках печени представляют собой только то, что называется мерозоитами. После выхода из печени они попадают в эритроциты, как объяснялось выше. Затем они проходят через непрерывные циклы заражения эритроцитов, в то время как небольшой процент паразитов дифференцируется в половую стадию, называемую гаметоцитом, которую подхватывает насекомое-хозяин, питающееся кровью. У некоторых хозяев вторжение в эритроциты видов Plasmodium может привести к заболеванию, называемому малярией. Иногда это может быть тяжелым, быстро за которым следует смерть хозяина (например, P. falciparum у людей). У других хозяев заражение Plasmodium , по-видимому, может быть бессимптомным. [10]
Даже когда у людей есть такие субклинические плазмодийные инфекции, тем не менее, может быть очень большое количество размножающихся паразитов, скрытых, в частности, в селезенке и костном мозге. Конечно, это применимо в случае P. vivax . Эти скрытые паразиты (в дополнение к гипнозоитам) считаются источником случаев рецидивирующей малярии P. vivax . [14]
Внутри эритроцитов мерозоиты сначала вырастают в кольцевидную форму, а затем в более крупную форму, называемую трофозоитом . Затем трофозоиты созревают в шизонты , которые делятся несколько раз, чтобы произвести новые мерозоиты. Инфицированный эритроцит в конечном итоге лопается, позволяя новым мерозоитам перемещаться по кровотоку, чтобы заразить новые эритроциты. Большинство мерозоитов продолжают этот репликативный цикл, однако некоторые мерозоиты при заражении эритроцитов дифференцируются в мужские или женские половые формы, называемые гаметоцитами. Эти гаметоциты циркулируют в крови, пока не будут захвачены, когда комар питается инфицированным позвоночным хозяином, забирая кровь, которая включает гаметоциты. [11]
В комаре гаметоциты перемещаются вместе с кровью в среднюю кишку комара. Здесь гаметоциты развиваются в мужские и женские гаметы , которые оплодотворяют друг друга, образуя зиготу . Затем зиготы развиваются в подвижную форму, называемую оокинетой , которая проникает в стенку средней кишки. Пройдя через стенку средней кишки, оокинета внедряется во внешнюю мембрану кишечника и развивается в ооцисту. Ооцисты делятся много раз, чтобы произвести большое количество маленьких удлиненных спорозоитов . Эти спорозоиты мигрируют в слюнные железы комара, где они могут быть введены в кровь следующего хозяина, которого укусит комар, повторяя цикл. [11]
Plasmodium принадлежит к типу Apicomplexa , таксономической группе одноклеточных паразитов с характерными секреторными органеллами на одном конце клетки. [15] Внутри Apicomplexa Plasmodium входит в отряд Haemosporida , группу, которая включает всех апикомплексов, живущих внутри клеток крови. [16] На основании наличия пигмента гемозоина и способа бесполого размножения отряд далее делится на четыре семейства, из которых Plasmodium входит в семейство Plasmodiidae . [17]
Род Plasmodium состоит из более чем 200 видов, которые обычно описываются на основе их появления в мазках крови инфицированных позвоночных. [18] Эти виды были разделены на 14 подродов на основе их морфологии и круга хозяев: [17]
Виды, поражающие обезьян и человекообразных обезьян , за исключением P. falciparum и P. reichenowi (которые вместе составляют подрод Laverania ), классифицируются в подроде Plasmodium . Паразиты, поражающие других млекопитающих, включая некоторых приматов ( лемуров и других), классифицируются в подроде Vinckeia . Пять подродов Bennettinia , Giovannolaia , Haemamoeba , Huffia и Novyella содержат известные виды малярии птиц. [19] Остальные подроды: Asiamoeba , Carinamoeba , Lacertamoeba , Ophidiella , Paraplasmodium и Sauramoeba содержат разнообразные группы паразитов, которые, как было обнаружено, поражают рептилий. [20]
Более поздние исследования видов Plasmodium с использованием молекулярных методов подразумевают, что эволюция группы не полностью следовала таксономии. [2] Многие виды Plasmodium , которые морфологически похожи или заражают одних и тех же хозяев, оказываются лишь отдаленно родственными. [21] В 1990-х годах несколько исследований пытались оценить эволюционные связи видов Plasmodium , сравнивая рибосомальную РНК и ген поверхностного белка у разных видов, обнаружив, что паразит человека P. falciparum более тесно связан с паразитами птиц, чем с другими паразитами приматов. [17] Однако более поздние исследования, в которых были отобраны образцы большего количества видов Plasmodium, показали, что паразиты млекопитающих образуют кладу вместе с родом Hepatocystis , в то время как паразиты птиц или ящериц, по-видимому, образуют отдельную кладу с эволюционными связями, не следующими подродам: [17] [22]
Оценки того, когда расходились различные линии Plasmodium , сильно различаются. Оценки диверсификации отряда Haemosporida варьируются от 16,2 млн до 100 млн лет назад. [17] Особый интерес представляет датировка расхождения человеческого паразита P. falciparum с другими линиями Plasmodium из-за его медицинской важности. Для этого предполагаемые даты варьируются от 110 000 до 2,5 млн лет назад. [17]
Виды Plasmodium распространены по всему миру. Все виды Plasmodium являются паразитами и должны проходить между позвоночным хозяином и насекомым хозяином, чтобы завершить свой жизненный цикл. Различные виды Plasmodium демонстрируют разные диапазоны хозяев, некоторые виды ограничены одним позвоночным и насекомым хозяином, в то время как другие виды могут заражать несколько видов позвоночных и/или насекомых.
Паразиты плазмодия были описаны у широкого круга позвоночных хозяев, включая рептилий, птиц и млекопитающих. [24] Хотя многие виды могут заражать более одного позвоночного хозяина, они, как правило, специфичны для одного из этих классов (например, птиц). [24]
Люди в основном заражаются пятью видами Plasmodium , причем подавляющее большинство тяжелых заболеваний и смертей вызывает Plasmodium falciparum . [25] Некоторые виды, которые заражают людей, могут также заражать других приматов, и зоонозы определенных видов (например, P. knowlesi ) от других приматов к человеку являются обычным явлением. [25] Нечеловеческие приматы также содержат множество видов Plasmodium , которые обычно не заражают людей. Некоторые из них могут вызывать тяжелые заболевания у приматов, в то время как другие могут оставаться в организме хозяина в течение длительного времени, не вызывая заболевания. [26] Многие другие млекопитающие также переносят виды Plasmodium , такие как различные грызуны , копытные и летучие мыши . Опять же, некоторые виды Plasmodium могут вызывать тяжелые заболевания у некоторых из этих хозяев, в то время как многие, по-видимому, не вызывают. [27]
Более 150 видов Plasmodium заражают широкий спектр птиц. В целом, каждый вид Plasmodium заражает один или несколько видов птиц. [28] Паразиты Plasmodium , которые заражают птиц, как правило, сохраняются в определенном хозяине в течение многих лет или в течение всей его жизни, хотя в некоторых случаях заражение Plasmodium может привести к тяжелой болезни и быстрой смерти. [29] [30] В отличие от видов Plasmodium, заражающих млекопитающих, те, которые заражают птиц, распространены по всему миру. [28]
Виды из нескольких подродов Plasmodium заражают различных рептилий . Паразиты Plasmodium были описаны в большинстве семейств ящериц и, как и паразиты птиц, распространены по всему миру. [ 31] Опять же, паразиты могут вызывать как тяжелое заболевание, так и быть, по-видимому, бессимптомными в зависимости от паразита и хозяина. [31]
За прошедшие годы было разработано множество препаратов для контроля инфекции Plasmodium у позвоночных, особенно у людей. Хинин использовался в качестве передового противомалярийного средства с 17 века до появления широко распространенной резистентности в начале 20 века. [32] Устойчивость к хинину стимулировала разработку широкого спектра противомалярийных препаратов в течение 20 века, включая хлорохин , прогуанил , атовакуон , сульфадоксин/пириметамин , мефлохин и артемизинин . [32] Во всех случаях паразиты, устойчивые к данному препарату, появлялись в течение нескольких десятилетий после внедрения препаратов. [32] Для борьбы с этим противомалярийные препараты часто используются в комбинации, причем комбинированная терапия с артемизинином в настоящее время является золотым стандартом лечения. [33] В целом, противомалярийные препараты воздействуют на те стадии развития паразитов Plasmodium , которые находятся в эритроцитах позвоночных, поскольку именно эти стадии, как правило, вызывают заболевание. [34] Однако в настоящее время разрабатываются препараты, воздействующие на другие стадии жизненного цикла паразита, чтобы предотвратить заражение путешественников и предотвратить передачу половых стадий насекомым-хозяевам. [35]
В дополнение к позвоночному хозяину, все виды Plasmodium также заражают кровососущего насекомого-хозяина, как правило, комара (хотя некоторые паразиты, заражающие рептилий, переносятся москитами ). Комары родов Culex , Anopheles , Culiseta , Mansonia и Aedes выступают в качестве насекомых-хозяев для различных видов Plasmodium . Наиболее изученными из них являются комары Anopheles , которые являются хозяевами паразитов Plasmodium человеческой малярии, а также комары Culex , которые являются хозяевами видов Plasmodium , вызывающих малярию у птиц. Plasmodium заражаются только самки комаров , поскольку только они питаются кровью позвоночных хозяев. [36] Различные виды по-разному влияют на своих насекомых-хозяев. Иногда насекомые, инфицированные Plasmodium, имеют сокращенную продолжительность жизни и сниженную способность производить потомство. [37] Кроме того, некоторые виды плазмодия , по-видимому, заставляют насекомых предпочитать кусать инфицированных позвоночных хозяев, а не незараженных. [37] [38] [39]
Шарль Луи Альфонс Лаверан впервые описал паразитов в крови больных малярией в 1880 году. [40] Он назвал паразита Oscillaria malariae . [40] В 1885 году зоологи Этторе Маркиафава и Анджело Челли повторно исследовали паразита и назвали его членом нового рода Plasmodium , названного так из-за сходства с многоядерными клетками слизевиков с таким же названием. [41] [примечания 1] Тот факт, что несколько видов могут быть вовлечены в возникновение различных форм малярии, был впервые признан Камилло Гольджи в 1886 году. [ 40] Вскоре после этого Джованни Батиста Грасси и Раймондо Филетти назвали паразитов, вызывающих два различных типа человеческой малярии, Plasmodium vivax и Plasmodium malariae . [40] В 1897 году Уильям Уэлч идентифицировал и назвал Plasmodium falciparum . За этим последовало признание двух других видов Plasmodium , которые заражают людей: Plasmodium ovale (1922) и Plasmodium knowlesi (идентифицирован у длиннохвостых макак в 1931 году; у людей в 1965 году). [40] Вклад насекомых-хозяев в жизненный цикл Plasmodium был описан в 1897 году Рональдом Россом и в 1899 году Джованни Батиста Грасси, Амико Биньями и Джузеппе Бастианелли . [40]
В 1966 году Сирил Гарнхэм предложил разделить Plasmodium на девять подродов на основе специфичности хозяина и морфологии паразита. [18] Это включало четыре подрода, которые ранее были предложены для видов Plasmodium, инфицирующих птиц , А. Коррадетти в 1963 году. [42] [19] Эта схема была расширена Сэмом Р. Телфордом в 1988 году, когда он переклассифицировал паразитов Plasmodium , инфицирующих рептилий, добавив пять подродов. [20] [18] В 1997 году Г. Валкюнас переклассифицировал виды Plasmodium , инфицирующие птиц, добавив пятый подрод: Bennettinia . [19] [43]