Vibrio cholerae — вид грамотрицательных , факультативных анаэробов и запятообразных бактерий . [1] Бактерии естественным образом живут в солоноватой или соленой воде , где они легко прикрепляются к содержащим хитин панцирям крабов, креветок и других моллюсков. Некоторые штаммы V. cholerae патогенны для человека и вызывают смертельную болезнь, называемую холерой , которая может возникнуть в результате употребления в пищу недоваренных или сырых видов морских обитателей или употребления загрязненной воды. [2]
V. cholerae был впервые описан Феликсом-Архимедом Пуше в 1849 году как разновидность простейших. Филиппо Пачини правильно идентифицировал ее как бактерию, и от него было заимствовано научное название. Бактерия как причина холеры была открыта Робертом Кохом в 1884 году. Самбху Нат Де выделил холерный токсин и продемонстрировал, что токсин является причиной холеры в 1959 году.
Бактерия имеет жгутик (хвостовую структуру) на одном полюсе и несколько пилей по всей поверхности клетки. Подвергается дыхательному и ферментативному метаболизму. За вспышки холеры ответственны две серогруппы , называемые О1 [3] и О139 [4] . Заражение происходит в основном через питье загрязненной воды или пищу, загрязненную фекалиями инфицированного человека, поэтому оно связано с соблюдением санитарии и гигиены. При проглатывании он проникает в слизистую оболочку кишечника, что может вызвать диарею и рвоту у хозяина в течение от нескольких часов до 2–3 дней после приема внутрь. Лактат Рингера и раствор для пероральной регидратации в сочетании с антибиотиками, такими как фторхинолоны и тетрациклины , являются распространенными методами лечения в тяжелых случаях.
V. cholerae имеет две кольцевые ДНК. Одна ДНК вырабатывает холерный токсин (СТ), белок , вызывающий обильную водянистую диарею (известную как «стул с рисовым отваром»). [5] Но ДНК не кодирует токсин напрямую, поскольку гены холерного токсина передаются CTXphi (CTXφ), бактериофагом (вирусом) умеренного климата . Вирус производит токсин только при вставке в бактериальную ДНК. Чувство кворума у V. cholerae хорошо изучено [6] и оно активирует передачу иммунных сигналов хозяина и продлевает выживаемость хозяина за счет ограничения потребления бактериями питательных веществ, таких как триптофан , который в дальнейшем превращается в серотонин . [7] Таким образом, ощущение кворума обеспечивает комменсальное взаимодействие между хозяином и патогенными бактериями. [7]
Во время третьей глобальной пандемии холеры (1846–1860 гг.) проводились обширные научные исследования, направленные на понимание этиологии заболевания. [8] Теория миазмов , утверждавшая, что инфекции распространяются через загрязненный воздух, больше не была удовлетворительным объяснением. Английский врач Джон Сноу был первым, кто в 1854 году в Лондоне убедительно доказал, что холера передается через питьевую воду – это зараза, а не миазмы. Однако он не смог идентифицировать возбудителей, из-за чего большинство людей все еще верили в происхождение миазмов. [9]
V. cholerae был впервые обнаружен и распознан под микроскопом французским зоологом Феликсом-Архимедом Пуше . В 1849 году Пуше исследовал образцы стула четырех человек, больных холерой. [10] Его выступление перед Французской академией наук 23 апреля было записано так: «[Паше] смог подтвердить, что в этих [больных холерой] выделениях существовало огромное количество микроскопических инфузорий ». Как резюмируется в Gazette Medicale de Paris (1849, стр. 327), в письме, прочитанном на заседании Парижской академии наук 23 апреля 1849 года , Пуше объявил, что эти организмы представляли собой инфузории , название, которое тогда использовалось для микроскопических протистов , назвав их как « Vibrio Rugula Мюллера и Шранка», вид простейших , описанный датским натуралистом Отто Фридрихом Мюллером в 1786 году . [11]
Итальянский врач Филиппо Пачини , расследуя вспышку холеры во Флоренции в конце 1854 года, определил возбудителя как новый тип бактерий. Он проводил вскрытие трупов и проводил тщательные микроскопические исследования тканей и жидкостей организма. В фекалиях и слизистой кишечника он выявил множество запятообразных бацилл. [12] [13] Сообщая о своем открытии перед Società Medico-Fisica Fiorentina (Флорентийское общество врачей-терапевтов) 10 декабря и опубликованном в выпуске Gazzetta Medica Italiana ( Медицинский вестник Италии ) от 12 декабря, Пачини заявил:
Le poche materie del vomito che ho potuto esaminare nel secondo e terzo caso di cholera ... e di più trovai degli ammassi granulosi appianati, simili a quelli che si formano alla superficie delle acque corrotte, quando sono per svilupparsi dei vibrioni; Из качественного жира не осталось ни одного рода бактерий , поэтому большая часть его должна быть удалена с помощью декантации жидкости. [Из тех немногих образцов рвотных масс, которые мне удалось исследовать во втором и третьем случаях холеры... а кроме того, я обнаружил сглаженные зернистые массы, подобные тем, которые образуются на поверхности грязных вод, когда они собираются развиваются вибрионы; из которых я действительно нашел некоторые представители рода Bacterium , тогда как большая часть из-за их чрезвычайной малости была уничтожена с удалением жидкости. [14] ]
Таким образом, Пачини ввел название вибриони (латинский vibro означает «быстро двигаться взад и вперед, трясти, волновать»). Примерно в то же время о такой бактерии сообщил каталонский врач Хоаким Бальселс-и-Паскуаль. [15] [16] Открытие новой бактерии не считалось важным с медицинской точки зрения, поскольку бактерия не была напрямую связана с холерой. Пачини также заявил, что нет никаких оснований утверждать, что бактерия вызвала заболевание, поскольку ему не удалось создать чистую культуру и провести эксперименты, которые были необходимы, чтобы «приписать холере качество заражения». [9] Теорию миазмов по-прежнему не исключали. [17]
Медицинское значение и взаимосвязь между бактерией и заболеванием холерой были открыты немецким врачом Робертом Кохом . В августе 1883 года Кох с группой немецких врачей отправился в Александрию (Египет) для расследования тамошней эпидемии холеры. [18] Кох обнаружил, что слизистая оболочка кишечника людей, умерших от холеры, всегда содержала эту бактерию, однако он не мог подтвердить, была ли она возбудителем. Он переехал в Калькутту (ныне Калькутта), Индия, где эпидемия была более серьезной. Именно отсюда он выделил бактерию в чистую культуру 7 января 1884 года. Впоследствии он подтвердил, что бактерия представляет собой новый вид, и описал ее как «немного изогнутую, как запятая». [9] 2 февраля он сообщил о своем открытии министру внутренних дел Германии, и оно было опубликовано в Deutsche Medizinische Wochenschrift ( Немецкий медицинский еженедельник ). [19]
Хотя Кох был убежден, что эта бактерия является возбудителем холеры, он не смог получить убедительных доказательств того, что бактерия вызывает симптомы у здоровых людей (важный элемент того, что позже стало известно как постулаты Коха ). Его эксперимент на животных с использованием его чистой культуры бактерий не привел к появлению заболевания ни у одного из испытуемых, и он правильно пришел к выводу, что животные невосприимчивы к человеческому возбудителю. Бактерия к тому времени была известна как «бацилла запятой». [20] Только в 1959 году в Калькутте индийский врач Самбху Нат Де выделил холерный токсин и показал, что он вызывает холеру у здоровых людей, тем самым полностью доказав связь между бактерией и холерой. [21] [22]
Пачини использовал название « холерный вибрион » без правильного биномиального перевода для названия бактерии. [23] Следуя описанию Коха, было популяризировано научное название Bacillus comma . Но итальянский бактериолог Витторе Тревизан в 1884 году опубликовал, что бактерия Коха такая же, как и бактерия Пачини, и ввел название Bacillus cholerae. [24] Немецкий врач Рихард Фридрих Йоханнес Пфайффер переименовал его в Vibrio cholerae в 1896 году. [10] Это название было принято Комитетом Общества американских бактериологов по характеристике и классификации типов бактерий в 1920 году . [25] В 1964 году Рудольф Хью из Медицинской школы Университета Джорджа Вашингтона предложил использовать род Vibrio с типовым видом V. cholerae (Pacini 1854) в качестве постоянного названия бактерии, независимо от того же названия для простейших. [26] Он был принят Юридической комиссией Международного комитета по бактериологической номенклатуре в 1965 году, [27] и Международной ассоциацией микробиологических обществ в 1966 году. [28]
V. cholerae представляет собой очень подвижную грамотрицательную палочку в форме запятой. Активное движение V. cholerae послужило причиной названия рода, поскольку «вибрион» в переводе с латыни означает «дрожать». [29] За исключением V. cholerae и V. mimicus , все остальные виды вибрионов являются галофильными . Исходные изоляты слегка изогнуты, но при лабораторном культивировании могут выглядеть как прямые палочки. Бактерия имеет жгутик на одном полюсе клетки, а также пили . Он переносит щелочную среду, которая убивает большинство кишечных комменсалов, но они чувствительны к кислоте. Это аэроб, тогда как все остальные вибрионы являются факультативными анаэробами и могут подвергаться дыхательному и ферментативному метаболизму. [1] Его диаметр составляет 0,3 мкм, длина — 1,3 мкм [30] при средней скорости плавания около 75,4 мкм/сек. [31]
Гены патогенности V. cholerae кодируют белки, прямо или косвенно участвующие в вирулентности бактерий. Чтобы адаптировать среду кишечника хозяина и избежать воздействия желчных кислот и антимикробных пептидов , V. cholera использует везикулы внешней мембраны (OMV). При проникновении бактерия теряет свои OMV, содержащие все модификации мембраны, которые делают ее уязвимой для атаки хозяина. [32]
Во время заражения V. cholerae выделяет холерный токсин (СТ), белок , который вызывает обильную водянистую диарею (известную как «стул с рисовым отваром»). [33] [5] Этот холерный токсин содержит 5 субъединиц B, которые играют роль в прикреплении к эпителиальным клеткам кишечника, и 1 субъединицу A, которая играет роль в активности токсина . Для колонизации тонкой кишки также необходимы корегулируемые токсином пилусы (TCP), тонкий, гибкий, нитевидный придаток на поверхности бактериальных клеток. Экспрессия как CT, так и TCP опосредована двухкомпонентными системами (TCS), которые обычно состоят из мембраносвязанной гистидинкиназы и внутриклеточного отвечающего элемента. [34] TCS позволяют бактериям реагировать на изменение окружающей среды. [34] Было установлено, что у V. cholerae несколько ТКС играют важную роль в колонизации, образовании биопленок и вирулентности. [34] Регуляторные малые РНК кворума ( Qrr RNA ) были идентифицированы как мишени TCS V. cholerae . [34] [35] [36] Здесь небольшие молекулы РНК (мРНК) связываются с мРНК, чтобы блокировать трансляцию или вызывать деградацию ингибиторов экспрессии генов вирулентности или колонизации. [34] [35] У V. cholerae TCS EnvZ/OmpR изменяет экспрессию генов через мРНК- coaR в ответ на изменения осмолярности и pH. Важной мишенью coaR является tcpI , который отрицательно регулирует экспрессию основной субъединицы гена, кодирующего TCP ( tcpA ). Когда tcpI связывается с coaR, он больше не может подавлять экспрессию tcpA , что приводит к повышенной способности колонизации. [34] Экспрессия coaR усиливается EnvZ/OmpR при pH 6,5, что является нормальным pH просвета кишечника, но является низким при более высоких значениях pH. [34] V. cholerae в просвете кишечника использует TCP для прикрепления к слизистой оболочке кишечника, не вторгаясь в слизистую оболочку. [34] После этого он выделяет холерный токсин, вызывающий его симптомы. Затем это увеличивает циклический АМФ или цАМФ путем связывания (холерного токсина) с аденилатциклазой, активируя путь GS, что приводит к оттоку воды и натрия в просвет кишечника, вызывая водянистый стул или рисовый водянистый стул.
V. cholerae может вызывать синдромы от бессимптомного течения до холеры гравис. [37] В эндемичных районах 75% случаев протекают бессимптомно, 20% — от легкой до умеренной степени, а 2–5% — тяжелые формы, такие как холера гравис. [37] Симптомы включают внезапное начало водянистой диареи (серая мутная жидкость), периодическую рвоту и спазмы в животе. [1] [37] Наступает обезвоживание с такими симптомами и признаками, как жажда, сухость слизистых оболочек, снижение тургора кожи, запавшие глаза, гипотония , слабый или отсутствующий лучевой пульс , тахикардия , учащенное дыхание , осиплость голоса, олигурия , судороги, почечная недостаточность , судороги , сонливость , кома и смерть. [1] У детей, не получавших лечения, смерть из-за обезвоживания может наступить через несколько часов или дней. Заболевание также особенно опасно для беременных женщин и их плода на поздних сроках беременности, так как может вызвать преждевременные роды и гибель плода. [37] [38] [39] Исследование, проведенное Центрами по контролю заболеваний (CDC) на Гаити, показало, что у беременных женщин, заразившихся этой болезнью, у 16% из 900 женщин наблюдалась внутриутробная смерть. Факторы риска этих смертей включают: третий триместр беременности, более молодой возраст матери, сильное обезвоживание и рвоту. [40] Обезвоживание представляет собой самый большой риск для здоровья беременных женщин в странах с высоким уровнем заболеваемости холерой. В случаях холеры гравис, сопровождающейся тяжелым обезвоживанием, может умереть до 60% больных; однако менее 1% случаев лечения регидратационной терапией заканчиваются смертельным исходом. Заболевание обычно длится 4–6 дней. [37] [41] Во всем мире диарейные заболевания , вызванные холерой и многими другими возбудителями, являются второй по значимости причиной смертности детей в возрасте до 5 лет, и, по оценкам, ежегодно от холеры происходит не менее 120 000 смертей. [42] [43] В 2002 году ВОЗ считала, что коэффициент смертности от холеры составлял около 3,95%. [37]
V. cholerae поражает кишечник и вызывает диарею, характерный симптом холеры. Инфекция может передаваться при употреблении зараженной пищи или питье зараженной воды. [33] Он также может распространяться при контакте кожи с загрязненными человеческими фекалиями. Не все инфекции имеют симптомы: только примерно у 1 из 10 человек развивается диарея. Основные симптомы включают: водянистую диарею, рвоту, учащенное сердцебиение, потерю эластичности кожи, низкое кровяное давление, жажду и мышечные судороги. [33] Это заболевание может стать серьезным, поскольку может привести к почечной недостаточности и возможной коме. Если диагноз поставлен, его можно лечить с помощью лекарств. [33]
V. cholerae имеет эндемическое или эпидемическое распространение. В странах, где заболевание наблюдается в течение последних трех лет и подтвержденные случаи являются локальными (в пределах страны), передача считается «эндемической». [44] Альтернативно, вспышка объявляется, когда заболеваемость превышает норму для любого данного времени или места. [45] Эпидемии могут длиться от нескольких дней до нескольких лет. Кроме того, страны, в которых наблюдается эпидемия, также могут быть эндемичными. [45] Самая продолжительная эпидемия холерного вибриона была зафиксирована в Йемене. В Йемене было две вспышки: первая произошла в период с сентября 2016 года по апрель 2017 года, а вторая началась позже, в апреле 2017 года, и недавно считалась решенной в 2019 году. [46] Эпидемия в Йемене унесла более 2500 жизней и затронула более 1 миллиона человек. Йемена. [46] Больше вспышек произошло в Африке, Америке и на Гаити.
При посещении районов эпидемии холеры следует соблюдать следующие меры предосторожности: пить и использовать бутилированную воду; часто мойте руки с мылом и безопасной водой; пользоваться химическими туалетами или закапывать фекалии, если туалета нет; не испражняйтесь в водоемах и тщательно готовьте пищу. Важно обеспечить правильную и безопасную воду. [47] Меры предосторожности — провести правильную дезинфекцию. [48] Гигиена рук имеет важное значение в районах, где мыло и вода недоступны. Если нет санитарных условий для мытья рук, очистите руки золой или песком и ополосните чистой водой. [49] Для тех, кто путешествует в район, где распространена холера, доступна однократная вакцина .
Для предотвращения распространения заболевания существует вакцина против холерного вибриона . Вакцина известна как «оральная вакцина против холеры» (OCV). Для профилактики доступны три типа OCV: Дукорал®, Шанчол™ и Эувихол-Плюс®. Для достижения полной эффективности всем трем OCV требуется две дозы. Страны, эндемичные или имеющие эпидемический статус, имеют право на получение вакцины на основании нескольких критериев: риск заболевания холерой, тяжесть заболевания холерой, условия WASH и возможности их улучшения, условия здравоохранения и возможности их улучшения, возможности проведения кампаний OCV, возможности проведение мероприятий по мониторингу и оценке, принятие обязательств на национальном и местном уровне [50] С мая начала программы OCV по май 2018 года более 25 миллионов вакцин было распространено в странах, которые соответствуют вышеуказанным критериям. [50]
Основное общее лечение холеры — это регидратация для восполнения потерянной жидкости. Людей с легкой степенью обезвоживания можно лечить перорально раствором для пероральной регидратации (ПРС) . [48] Когда пациенты сильно обезвожены и не могут принимать необходимое количество ПРС, обычно назначают внутривенное введение жидкости. В некоторых случаях используются антибиотики, обычно фторхинолоны и тетрациклины . [48]
V. cholerae (и Vibrionaceae в целом) [51] имеет две кольцевые хромосомы , которые вместе составляют 4 миллиона пар оснований последовательности ДНК и 3885 предсказанных генов . [52] Гены холерного токсина передаются CTXphi (CTXφ), бактериофагом умеренного климата , встроенным в геном V. cholerae . CTXφ может передавать гены холерного токсина от одного штамма V. cholerae к другому, что является одной из форм горизонтального переноса генов . Гены корегулируемых токсином пилусов кодируются островом патогенности вибрионов (VPI), который отделен от профага. [1]
Самая крупная первая хромосома имеет длину 3 Мбит и имеет 2770 открытых рамок считывания (ORF). Он содержит важнейшие гены, отвечающие за токсичность, регуляцию токсичности и важные клеточные функции, такие как транскрипция и трансляция . [1]
Вторая хромосома имеет длину 1 Мб и содержит 1115 открытых рамок считывания. Установлено, что он отличается от плазмиды или мегаплазмиды из-за включения в геном генов «домашнего хозяйства» и других важных генов, включая важные гены метаболизма, белки теплового шока и гены 16S рРНК , которые представляют собой гены субъединиц рибосом, используемые для отслеживания эволюционного развития. взаимоотношения между бактериями. Для определения того, является ли репликон хромосомой, также важно выяснить, представляет ли он значительный процент генома, а хромосома 2 составляет 40% от размера всего генома. И, в отличие от плазмид, хромосомы не передаются самостоятельно. [37] Однако вторая хромосома, возможно, когда-то была мегаплазмидой, поскольку она содержит некоторые гены, обычно встречающиеся в плазмидах, [1] включая пластидоподобный источник репликации P1 . [51]
CTXφ (также называемый CTXphi) — нитчатый фаг , содержащий гены холерного токсина . Инфекционные частицы CTXφ образуются при заражении человека V. cholerae . Фаговые частицы секретируются из бактериальных клеток без лизиса . Когда CTXφ заражает клетки V. cholerae , он интегрируется в определенные участки на любой хромосоме. Эти сайты часто содержат тандемные массивы интегрированных профагов CTXφ . Помимо генов ctxA и ctxB , кодирующих холерный токсин, CTXφ содержит восемь генов, участвующих в репродукции, упаковке, секреции, интеграции и регуляции фагов. Геном CTXφ имеет длину 6,9 т.п.н. [53]
Основными резервуарами V. cholerae являются водные источники, такие как реки , солоноватые воды и устья рек , часто в сочетании с копеподами или другим зоопланктоном , моллюсками и водными растениями. [54]
Заражение холерой чаще всего происходит через питьевую воду, в которой V. cholerae обнаруживается естественным путем или в которую он попал с фекалиями инфицированного человека. Холеру чаще всего можно обнаружить и распространить в местах с недостаточной очисткой воды, плохими санитарными условиями и недостаточной гигиеной. Другие распространенные переносчики включают сырую или недоваренную рыбу и моллюсков. Передача от человека к человеку маловероятна, а случайный контакт с инфицированным человеком не представляет риска заболеть. [55] V. cholerae процветает в водной среде , особенно в поверхностных водах. Основная связь между людьми и патогенными штаммами осуществляется через воду, особенно в экономически ограниченных районах, где нет хороших систем очистки воды. [43]
Непатогенные штаммы также присутствуют в водной экологии. Считается, что большое разнообразие патогенных и непатогенных штаммов, сосуществующих в водной среде, допускает такое большое количество генетических разновидностей. Перенос генов довольно распространен среди бактерий, и рекомбинация различных генов V. cholerae может привести к появлению новых вирулентных штаммов. [56]
Установлены симбиотические отношения между V. cholerae и Ruminococcus obeum . Аутоиндуктор R. obeum подавляет экспрессию нескольких факторов вирулентности V. cholerae . Этот ингибирующий механизм, вероятно, будет присутствовать у других видов кишечной микробиоты, что открывает путь к изучению кишечной микробиоты членов определенных сообществ, которые могут использовать аутоиндукторы или другие механизмы для ограничения колонизации V. cholerae или других энтеропатогенов .
Вспышки холеры ежегодно вызывают около 120 000 смертей во всем мире. С 1817 года, первой, произошло около семи пандемий. Эти пандемии сначала возникли на Индийском субконтиненте и распространились. [43]
Две серогруппы холерного вибриона , О1 и О139, вызывают вспышки холеры. O1 вызывает большинство вспышек, тогда как O139, впервые выявленный в Бангладеш в 1992 году, ограничивается Юго-Восточной Азией. Многие другие серогруппы V. cholerae , содержащие или не содержащие ген холерного токсина (включая нетоксигенные штаммы серогрупп O1 и O139), могут вызывать холероподобное заболевание. Лишь токсигенные штаммы серогрупп О1 и О139 вызвали массовые эпидемии.
V. cholerae O1 имеет два биотипа: классический и Эль-Тор , и каждый биотип имеет два различных серотипа: Инаба и Огава. Симптомы заражения неразличимы, хотя у большего числа людей, инфицированных биотипом Эль-Тор, заболевание протекает бессимптомно или протекает в легкой форме. В последние годы инфекции классическим биотипом V. cholerae O1 стали редкими и ограничиваются некоторыми частями Бангладеш и Индии . [57] Недавно новые варианты штаммов были обнаружены в нескольких частях Азии и Африки. Наблюдения показывают, что эти штаммы вызывают более тяжелую форму холеры с более высоким уровнем смертности.
V. cholerae можно стимулировать к естественной генетической трансформации при выращивании на хитине , биополимере, который широко распространен в водной среде обитания (например, из экзоскелетов ракообразных). [58] Естественная генетическая трансформация представляет собой половой процесс, включающий перенос ДНК из одной бактериальной клетки в другую через промежуточную среду и интеграцию донорной последовательности в геном реципиента путем гомологичной рекомбинации . Трансформационная способность V. cholerae стимулируется увеличением плотности клеток, сопровождаемым ограничением питательных веществ, снижением скорости роста или стрессом. [58] Механизм поглощения V. cholerae включает в себя индуцированные компетентностью пилюсы и консервативный ДНК-связывающий белок, который действует как храповик, наматывая ДНК в цитоплазму. [59] [60] Существуют две модели генетической трансформации: половая гипотеза и компетентные бактерии. [61]
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )