Streptococcus pneumoniae , или пневмококк , — грамположительная сферическая бактерия, альфа-гемолитический представитель рода Streptococcus . [1] Клетки S. pneumoniae обычно встречаются парами ( диплококки ), не образуют спор и неподвижны. [2] Как значимая патогенная для человека бактерия S. pneumoniae была признана основной причиной пневмонии в конце 19 века и является предметом многих исследований гуморального иммунитета . [ требуется ссылка ]
Streptococcus pneumoniae бессимптомно обитает у здоровых носителей, обычно колонизируя дыхательные пути, придаточные пазухи носа и полость носа . Однако у восприимчивых людей с более слабой иммунной системой , таких как пожилые люди и маленькие дети, бактерия может стать патогенной и распространиться в другие места, вызывая заболевание. Она распространяется при прямом контакте от человека к человеку через дыхательные капли и путем аутоинокуляции у людей, несущих бактерии в верхних дыхательных путях. [3] Она может быть причиной неонатальных инфекций . [4]
Streptococcus pneumoniae является основной причиной пневмонии и менингита, приобретенных в обществе, у детей и пожилых людей [5] , а также сепсиса у лиц, инфицированных ВИЧ . Этот микроорганизм также вызывает множество типов пневмококковых инфекций, помимо пневмонии . К этим инвазивным пневмококковым заболеваниям относятся бронхит , ринит , острый синусит , средний отит , конъюнктивит , менингит , сепсис, остеомиелит , септический артрит , эндокардит , перитонит , перикардит , целлюлит и абсцесс мозга [6] .
Streptococcus pneumoniae можно отличить от зеленящих стрептококков , некоторые из которых также являются альфа-гемолитическими , с помощью теста с оптохином , поскольку S. pneumoniae чувствителен к оптохину. S. pneumoniae также можно отличить по его чувствительности к лизису желчью , так называемый «тест на растворимость в желчи». Инкапсулированные , грамположительные, кокковидные бактерии имеют отличительную морфологию при окраске по Граму, ланцетовидные диплококки. Они имеют полисахаридную капсулу , которая действует как фактор вирулентности для организма; известно более 100 различных серотипов , и эти типы различаются по вирулентности , распространенности и степени лекарственной устойчивости .
Капсульный полисахарид (КПС) служит критическим защитным механизмом против иммунной системы хозяина. Он составляет самый внешний слой инкапсулированных штаммов S. pneumoniae и обычно прикрепляется к пептидогликану клеточной стенки. [7] Он состоит из вязкого вещества, полученного из полимера с высокой молекулярной массой, состоящего из повторяющихся олигосахаридных единиц, связанных ковалентными связями с клеточной стенкой. Вирулентность и инвазивность различных штаммов S. pneumoniae различаются в зависимости от их серотипов, определяемых их химическим составом и количеством КПС, которое они производят. Различия между различными штаммами S. pneumoniae значительно влияют на патогенез , определяя выживаемость бактерий и вероятность возникновения инвазивного заболевания. [8] Кроме того, КПС подавляет фагоцитоз , предотвращая доступ гранулоцитов к клеточной стенке. [9]
В 1881 году организм, позже, в 1886 году, известный как пневмококк [10] за его роль в качестве причины пневмонии, был впервые одновременно и независимо выделен врачом армии США Джорджем Стернбергом [11] и французским химиком Луи Пастером [12] .
С 1920 года [13] этот организм получил название Diplococcus pneumoniae из-за его характерного внешнего вида в окрашенной по Граму мокроте . В 1974 году он был переименован в Streptococcus pneumoniae, поскольку был очень похож на стрептококки . [10] [14]
Streptococcus pneumoniae сыграл центральную роль в демонстрации того, что генетический материал состоит из ДНК . В 1928 году Фредерик Гриффит продемонстрировал трансформацию жизни, превратив безвредный пневмококк в смертельную форму, путем совместной инокуляции живых пневмококков в мышь вместе с убитыми нагреванием вирулентными пневмококками. [15] В 1944 году Освальд Эвери , Колин Маклеод и Маклин Маккарти продемонстрировали, что трансформирующим фактором в эксперименте Гриффита был не белок , как широко считалось в то время, а ДНК. [16] Работа Эвери ознаменовала рождение молекулярной эры генетики . [17]
Геном S. pneumoniae представляет собой замкнутую кольцевую структуру ДНК, содержащую от 2,0 до 2,1 миллиона пар оснований в зависимости от штамма . Он имеет основной набор из 1553 генов , а также 154 гена в его вируломе , которые способствуют вирулентности, и 176 генов, которые поддерживают неинвазивный фенотип . Генетическая информация может различаться до 10% между штаммами. [18] Известно, что геном пневмококка содержит большой и разнообразный репертуар антимикробных пептидов, включая 11 различных лантибиотиков . [19]
Естественная бактериальная трансформация включает перенос ДНК от одной бактерии к другой через окружающую среду. Трансформация — сложный процесс развития, требующий энергии и зависящий от экспрессии многочисленных генов. У S. pneumoniae для трансформации требуется не менее 23 генов. Чтобы бактерия связала, приняла и рекомбинировала экзогенную ДНК в свою хромосому , она должна войти в особое физиологическое состояние, называемое компетентностью . [20] Компетентность у S. pneumoniae индуцируется агентами, повреждающими ДНК, такими как митомицин С , фторхинолоновые антибиотики ( норфлоксацин , левофлоксацин и моксифлоксацин ) и ингибиторы топоизомеразы . [21] Трансформация защищает S. pneumoniae от бактерицидного действия митомицина С. [22] Michod et al. [23] обобщили доказательства того, что индукция компетентности у S. pneumoniae связана с повышенной устойчивостью к окислительному стрессу и повышенной экспрессией белка RecA, ключевого компонента рекомбинационного механизма репарации для удаления повреждений ДНК . На основании этих результатов они предположили, что трансформация является адаптацией для восстановления окислительных повреждений ДНК. Инфекция S. pneumoniae стимулирует полиморфноядерные лейкоциты (гранулоциты) к производству окислительного взрыва, который потенциально смертелен для бактерий. Способность S. pneumoniae восстанавливать окислительные повреждения ДНК в своем геноме, вызванные этой защитой хозяина, вероятно, способствует вирулентности патогена. В соответствии с этой предпосылкой Ли и др. [24] сообщили, что среди различных высокотрансформируемых изолятов S. pneumoniae назальная колонизация и вирулентность (легочная инфекционность) зависят от неповрежденной системы компетентности.
Streptococcus pneumoniae является частью нормальной флоры верхних дыхательных путей . Как и многие другие виды естественной флоры, он может стать патогенным при определенных условиях, обычно при подавлении иммунной системы хозяина . Инвазины , такие как пневмолизин , антифагоцитарная капсула , различные адгезины и иммуногенные компоненты клеточной стенки , являются основными факторами вирулентности . После того, как S. pneumoniae колонизирует воздушные мешочки легких , организм реагирует, стимулируя воспалительную реакцию, заставляя плазму, кровь и лейкоциты заполнять альвеолы. Это состояние называется бактериальной пневмонией. [25]
S. pneumoniae претерпевает спонтанную фазовую вариацию , меняясь между прозрачными и непрозрачными фенотипами колоний. Прозрачный фенотип имеет более тонкую капсулу и экспрессирует большое количество фосфорилхолина (ChoP) и холин-связывающего белка A (CbpA), что способствует способности бактерий прилипать и колонизировать носоглотку. [26] Непрозрачный фенотип характеризуется более толстой капсулой, что приводит к повышенной устойчивости к очищению от хозяина. [26] Он экспрессирует большое количество капсулы и пневмококкового поверхностного белка A (PspA), которые помогают бактериям выживать в крови. [27] Фазовая вариация между этими двумя фенотипами позволяет S. pneumoniae выживать в различных системах организма человека.
Пневмония является наиболее распространенным заболеванием S. pneumoniae , которое включает такие симптомы, как лихорадка и озноб, кашель, учащенное дыхание, затрудненное дыхание и боль в груди. У пожилых людей они могут включать спутанность сознания, низкую бдительность и перечисленные выше симптомы в меньшей степени. [ необходима цитата ]
Пневмококковый менингит — это инфекция тканей, покрывающих головной и спинной мозг. Симптомы включают скованность шеи, лихорадку, головную боль, спутанность сознания и светобоязнь . [ необходима цитата ]
Сепсис вызывается подавляющей реакцией на инфекцию и приводит к повреждению тканей, отказу органов и даже смерти. Симптомы включают спутанность сознания, одышку, учащенное сердцебиение, боль или дискомфорт, повышенное потоотделение, лихорадку, дрожь или ощущение холода. [28] [29]
Из-за важности заболевания, вызываемого S. pneumoniae , было разработано несколько вакцин для защиты от инвазивной инфекции. Всемирная организация здравоохранения рекомендует рутинную вакцинацию детей от пневмококка; [30] она включена в график иммунизации детей в ряде стран, включая Соединенное Королевство, [31] Соединенные Штаты, [32] Грецию, [33] и Южную Африку. [34]
В настоящее время для S. pneumoniae доступны две вакцины: пневмококковая полисахаридная вакцина (PPV23) и пневмококковая конъюгированная вакцина (PCV13). PPV23 функционирует, используя CPS для стимуляции выработки типоспецифических антител, инициируя такие процессы, как активация комплемента, опсонизация и фагоцитоз для борьбы с бактериальными инфекциями. Она вызывает гуморальный иммунный ответ, нацеленный на CPS, присутствующий на поверхности бактерий. [35] PPSV23 обеспечивает Т-клеточный иммунитет и требует повторной вакцинации через 5 лет после первой вакцинации из-за ее временного характера. [36] PCV13 был разработан при определении его низкой эффективности у детей и младенцев. PCV13 вызывает Т-клеточный ответ и обеспечивает стойкий иммунитет, способствуя взаимодействию между В- и Т-клетками, что приводит к усиленному и продолжительному иммунному ответу. [36]
Компоненты S. pneumoniae были использованы для ряда приложений в биотехнологии. Благодаря инженерии поверхностных молекул из этой бактерии белки могут быть необратимо связаны с использованием фермента сортазы [37] или с использованием реакции SnoopTag/SnoopCatcher. [38] Различные гликозидгидролазы также были клонированы из S. pneumoniae для помощи в анализе гликозилирования клеток . [39]
Исторически Haemophilus influenzae была значимой причиной инфекции, и как H. influenzae, так и S. pneumoniae можно обнаружить в верхних дыхательных путях человека. Исследование конкуренции in vitro показало, что S. pneumoniae превзошла H. influenzae , атакуя его перекисью водорода . [40] Также есть доказательства того, что S. pneumoniae использует перекись водорода в качестве фактора вирулентности. [41] Однако в исследовании, в котором обе бактерии добавлялись в носовую полость мыши в течение двух недель , выживала только H. influenzae ; дальнейший анализ показал, что нейтрофилы, подвергшиеся воздействию мертвых H. influenzae, были более агрессивны в атаке на S. pneumoniae . [42]
Диагноз обычно ставится на основании клинического подозрения вместе с положительным результатом посева образца практически из любой части тела. S. pneumoniae , как правило, чувствителен к оптохину , хотя наблюдалась и резистентность к оптохину. [43]
Недавние достижения в области секвенирования следующего поколения и сравнительной геномики позволили разработать надежные и надежные молекулярные методы обнаружения и идентификации S. pneumoniae . Например, ген Xisco был недавно описан как биомаркер для обнаружения S. pneumoniae на основе ПЦР и дифференциации от близкородственных видов. [44]
Атроментин и лейкомелон обладают антибактериальной активностью, ингибируя фермент еноил-ацилпереносящий белок редуктазу (необходимый для биосинтеза жирных кислот ) в S. pneumoniae . [45]
Резистентные штаммы пневмококков называются пенициллин-резистентными пневмококками ( PRP ), [46] пенициллин-резистентными Streptococcus pneumoniae ( PRSP ), [47] Streptococcus pneumoniae пенициллин-резистентными ( SPPR ) [48] или лекарственно-резистентными Strepotococcus pneumoniae ( DRSP ). В 2015 году в США было зарегистрировано около 30 000 случаев, и в 30% из них штаммы были устойчивы к одному или нескольким антибиотикам. [49]