Медицинская микробиология , большая часть микробиологии , которая применяется в медицине , является отраслью медицинской науки, занимающейся профилактикой, диагностикой и лечением инфекционных заболеваний . Кроме того, эта область науки изучает различные клинические применения микробов для улучшения здоровья. Существует четыре вида микроорганизмов , вызывающих инфекционные заболевания: бактерии , грибки , паразиты и вирусы , а также один тип инфекционного белка, называемый прион .
Медицинский микробиолог изучает характеристики патогенов , способы их передачи, механизмы заражения и роста. Академическая квалификация клинического/медицинского микробиолога в больнице или медицинском исследовательском центре обычно требует степени бакалавра, а в некоторых странах — степени магистра микробиологии вместе с докторской степенью в любой из наук о жизни (биохимия, микро, биотехнология, генетика и т. д.). [1] Медицинские микробиологи часто выступают в качестве консультантов для врачей , обеспечивая идентификацию патогенов и предлагая варианты лечения. Используя эту информацию, можно разработать лечение. Другие задачи могут включать выявление потенциальных рисков для здоровья для общества или мониторинг эволюции потенциально вирулентных или резистентных штаммов микробов, обучение общества и помощь в разработке методов здравоохранения. Они также могут помогать в профилактике или контроле эпидемий и вспышек заболеваний. Не все медицинские микробиологи изучают микробную патологию ; некоторые изучают распространенные, непатогенные виды, чтобы определить, можно ли использовать их свойства для разработки антибиотиков или других методов лечения.
Эпидемиология , изучение закономерностей, причин и последствий состояний здоровья и болезней в популяциях, является важной частью медицинской микробиологии, хотя клинический аспект этой области в первую очередь фокусируется на наличии и росте микробных инфекций у людей, их влиянии на организм человека и методах лечения этих инфекций. В этом отношении вся область, как прикладная наука, может быть концептуально разделена на академические и клинические субспециальности, хотя в действительности существует текучий континуум между микробиологией общественного здравоохранения и клинической микробиологией , так же как состояние клинических лабораторий зависит от постоянных улучшений в академической медицине и исследовательских лабораториях .
._Natuurkundige_te_Delft_Rijksmuseum_SK-A-957.jpeg/1280px-Anthonie_van_Leeuwenhoek_(1632-1723)._Natuurkundige_te_Delft_Rijksmuseum_SK-A-957.jpeg)
В 1676 году Антон ван Левенгук наблюдал за бактериями и другими микроорганизмами, используя однолинзовый микроскоп собственной конструкции. [3]
В 1796 году Эдвард Дженнер разработал метод, использующий коровью оспу , для успешной иммунизации ребенка против натуральной оспы. Те же принципы используются для разработки вакцин сегодня. [4]
Вслед за этим в 1857 году Луи Пастер также разработал вакцины против ряда болезней, таких как сибирская язва , птичья холера и бешенство , а также пастеризацию для сохранения пищевых продуктов . [5]
В 1867 году Джозеф Листер считается отцом антисептической хирургии. Стерилизуя инструменты разбавленной карболовой кислотой и используя ее для очистки ран, удалось снизить послеоперационные инфекции, что сделало операцию более безопасной для пациентов. [6]
В период с 1876 по 1884 год Роберт Кох внес большой вклад в изучение инфекционных заболеваний. Он был одним из первых ученых, сосредоточившихся на выделении бактерий в чистой культуре . Это дало начало микробной теории , согласно которой определенный микроорганизм ответственен за определенное заболевание. Он разработал ряд критериев, которые стали известны как постулаты Коха . [7]
Важнейшей вехой в медицинской микробиологии является окрашивание по Граму . В 1884 году Ганс Христиан Грам разработал метод окрашивания бактерий, чтобы сделать их более заметными и дифференцированными под микроскопом. Этот метод широко используется и сегодня. [8]
В 1910 году Пауль Эрлих протестировал несколько комбинаций химикатов на основе мышьяка на кроликах, инфицированных сифилисом . Затем Эрлих обнаружил, что арсфенамин оказался эффективным против спирохет сифилиса. Арсфенамины стали доступны в 1910 году под названием сальварсан . [9]
В 1929 году Александр Флеминг разработал один из наиболее часто используемых антибиотиков как в то время, так и сейчас: пенициллин . [10]
В 1939 году Герхард Домагк обнаружил, что пронтозил красный защищает мышей от патогенных стрептококков и стафилококков без токсичности. Домагк получил Нобелевскую премию по физиологии или медицине за открытие сульфапрепарата . [ 9]
Секвенирование ДНК , метод, разработанный Уолтером Гилбертом и Фредериком Сэнгером в 1977 году, [11] вызвало быстрое изменение в разработке вакцин , методов лечения и диагностики. Некоторые из них включают синтетический инсулин , который был произведен в 1979 году с использованием рекомбинантной ДНК , а первая генно-инженерная вакцина была создана в 1986 году для гепатита B.
В 1995 году группа ученых из Института геномных исследований секвенировала первый бактериальный геном : Haemophilus influenzae . [12] Несколько месяцев спустя был завершен первый эукариотический геном. Это оказалось бесценным для диагностических методов. [13]
В 2007 году команда датской пищевой компании Danisco смогла определить цель систем CRIPR-Cas как адаптивный иммунитет к фагам. Затем было быстро обнаружено, что система может помочь в редактировании генома благодаря своей способности генерировать двухцепочечные разрывы. Пациент с серповидноклеточной анемией стал первым человеком, которого лечили от генетического заболевания с помощью CRISPR в июле 2019 года. [14]
Инфекции могут быть вызваны бактериями , вирусами , грибками и паразитами . Возбудитель, вызывающий заболевание, может быть экзогенным (приобретенным из внешнего источника; окружающая среда, животные или другие люди, например, грипп ) или эндогенным (из нормальной флоры, например, кандидоз ). [27]
Место, через которое микроб попадает в организм, называется входными воротами. [28] К ним относятся дыхательные пути , желудочно-кишечный тракт , мочеполовой тракт , кожа и слизистые оболочки . [29] Входные ворота для конкретного микроба обычно зависят от того, как он перемещается из своей естественной среды обитания к хозяину. [28]
Существуют различные способы передачи болезни от человека к человеку. К ним относятся: [28]
Как и другие патогены, вирусы используют эти методы передачи для проникновения в организм, но вирусы отличаются тем, что они также должны проникнуть в реальные клетки хозяина. После того, как вирус получил доступ к клеткам хозяина, генетический материал вируса ( РНК или ДНК ) должен быть введен в клетку . Репликация между вирусами сильно различается и зависит от типа генов, вовлеченных в них. Большинство ДНК-вирусов собираются в ядре, тогда как большинство РНК-вирусов развиваются исключительно в цитоплазме. [30] [31]
Механизмы инфицирования, распространения и сохранения вируса в клетках хозяина имеют решающее значение для его выживания. Например, некоторые заболевания, такие как корь, используют стратегию, при которой он должен распространиться на ряд хозяев. При этих формах вирусной инфекции болезнь часто лечится собственным иммунным ответом организма , и поэтому вирусу необходимо распространиться на новых хозяев, прежде чем он будет уничтожен иммунологическим сопротивлением или смертью хозяина. [32] Напротив, некоторые инфекционные агенты, такие как вирус лейкемии кошек , способны противостоять иммунным ответам и способны достигать длительного пребывания в пределах отдельного хозяина, сохраняя при этом способность распространяться на последующих хозяев. [33]
Идентификация инфекционного агента для незначительного заболевания может быть такой же простой, как клиническая картина; например, желудочно-кишечные заболевания и кожные инфекции. Для того чтобы сделать обоснованную оценку того, какой микроб может вызывать заболевание, необходимо учитывать эпидемиологические факторы; такие как вероятность воздействия на пациента предполагаемого организма и наличие и распространенность микробного штамма в сообществе.
Диагностика инфекционного заболевания почти всегда начинается с изучения истории болезни пациента и проведения физического осмотра. Более подробные методы идентификации включают микробную культуру , микроскопию , биохимические тесты и генотипирование . Другие, менее распространенные методы (такие как рентген , КТ-сканирование , ПЭТ-сканирование или ЯМР ) используются для получения изображений внутренних аномалий, возникающих в результате роста инфекционного агента.
Микробиологическая культура является основным методом, используемым для выделения инфекционных заболеваний для изучения в лаборатории. Образцы тканей или жидкостей проверяются на наличие определенного патогена , который определяется ростом в селективной или дифференциальной среде .
Для тестирования используются три основных типа сред: [34]
Методы культивирования часто используют микроскопическое исследование для помощи в идентификации микроба. Такие инструменты, как составные световые микроскопы, могут использоваться для оценки критических аспектов организма. Это можно выполнить сразу после взятия образца у пациента и использовать в сочетании с методами биохимического окрашивания, что позволяет разрешить клеточные особенности. Электронные микроскопы и флуоресцентные микроскопы также используются для более детального наблюдения за микробами для исследований. [36] Двумя основными типами электронной микроскопии являются сканирующая электронная микроскопия и просвечивающая электронная микроскопия. Просвечивающая электронная микроскопия пропускает электроны через тонкое поперечное сечение интересующей клетки, а затем перенаправляет электроны на флуоресцентный экран. Этот метод полезен для изучения внутренней части клеток и внутренних структур, особенно клеточных стенок и мембран. Сканирующая электронная микроскопия считывает электроны, которые отражаются от поверхности клеток. Затем создается трехмерное изображение, которое показывает размер и внешнюю структуру клеток. Оба метода помогают получить более подробную информацию о структуре микробов. Это делает их полезными во многих областях медицины, таких как диагностика и биопсия многих частей тела, гигиена и вирусология. Они предоставляют критически важную информацию о структуре патогенов, что позволяет врачам лечить их с большим знанием. [37]
Быстрые и относительно простые биохимические тесты могут использоваться для идентификации инфекционных агентов. Для идентификации бактерий использование метаболических или ферментативных характеристик является обычным из-за их способности ферментировать углеводы по схемам, характерным для их рода и вида . Кислоты, спирты и газы обычно обнаруживаются в этих тестах, когда бактерии выращиваются в селективной жидкой или твердой среде , как упоминалось выше. Для проведения этих тестов в массовом порядке используются автоматизированные машины. Эти машины выполняют несколько биохимических тестов одновременно, используя карты с несколькими лунками, содержащими различные обезвоженные химикаты. Интересующий микроб будет реагировать с каждым химикатом определенным образом, что поможет в его идентификации.
Серологические методы являются высокочувствительными, специфичными и часто чрезвычайно быстрыми лабораторными тестами, используемыми для идентификации различных типов микроорганизмов. Тесты основаны на способности антитела специфически связываться с антигеном . Антиген (обычно белок или углевод, вырабатываемый инфекционным агентом) связывается антителом, что позволяет использовать этот тип теста для организмов, отличных от бактерий. Это связывание затем запускает цепочку событий, которые можно легко и определенно наблюдать, в зависимости от теста. Более сложные серологические методы известны как иммуноанализы . Используя аналогичную основу, описанную выше, иммуноанализы могут обнаруживать или измерять антигены либо от инфекционных агентов, либо от белков, вырабатываемых инфицированным хозяином в ответ на инфекцию. [34]
Анализы полимеразной цепной реакции (ПЦР) являются наиболее часто используемым молекулярным методом для обнаружения и изучения микробов. [38] По сравнению с другими методами, секвенирование и анализ являются окончательными, надежными, точными и быстрыми. [39] Сегодня количественная ПЦР является основным используемым методом, поскольку этот метод обеспечивает более быстрые данные по сравнению со стандартным анализом ПЦР. Например, традиционные методы ПЦР требуют использования гель-электрофореза для визуализации амплифицированных молекул ДНК после завершения реакции. Количественная ПЦР не требует этого, поскольку система обнаружения использует флуоресценцию и зонды для обнаружения молекул ДНК по мере их амплификации. [40] В дополнение к этому количественная ПЦР также устраняет риск загрязнения, который может возникнуть во время стандартных процедур ПЦР (перенос продукта ПЦР в последующие ПЦР). [38] Еще одним преимуществом использования ПЦР для обнаружения и изучения микробов является то, что последовательности ДНК вновь обнаруженных инфекционных микробов или штаммов можно сравнивать с уже перечисленными в базах данных, что, в свою очередь, помогает улучшить понимание того, какой организм вызывает инфекционное заболевание, и, следовательно, какие возможные методы лечения можно использовать. [39] Этот метод является современным стандартом для обнаружения вирусных инфекций, таких как СПИД и гепатит .
После того, как инфекция диагностирована и идентифицирована, врач и проконсультировавшиеся медицинские микробиологи должны оценить подходящие варианты лечения. С некоторыми инфекциями может справиться собственная иммунная система организма , но более серьезные инфекции лечатся антимикробными препаратами. Бактериальные инфекции лечатся антибактериальными препаратами (часто называемыми антибиотиками), тогда как грибковые и вирусные инфекции лечатся противогрибковыми и противовирусными препаратами соответственно. Широкий класс препаратов, известных как противопаразитарные средства, используется для лечения паразитарных заболеваний .
Врачи-микробиологи часто дают рекомендации по лечению лечащему врачу пациента, основываясь на штамме микроба и его устойчивости к антибиотикам , месте инфекции, потенциальной токсичности противомикробных препаратов и любых имеющихся у пациента аллергиях на лекарственные препараты .
Помимо того, что препараты специфичны для определенного вида организмов (бактерий, грибков и т. д.), некоторые препараты специфичны для определенного рода или вида организмов и не будут действовать на другие организмы. Из-за этой специфичности медицинские микробиологи должны учитывать эффективность определенных антимикробных препаратов при вынесении рекомендаций. Кроме того, штаммы организма могут быть устойчивы к определенному препарату или классу препаратов, даже если он обычно эффективен против вида. Эти штаммы, называемые резистентными штаммами, представляют серьезную проблему общественного здравоохранения, которая приобретает все большее значение для медицинской промышленности, поскольку распространение устойчивости к антибиотикам ухудшается. Устойчивость к антимикробным препаратам становится все более проблематичной проблемой, которая ежегодно приводит к миллионам смертей. [41]
В то время как лекарственная устойчивость обычно включает в себя микробов, химически инактивирующих антимикробный препарат, или клетку, механически останавливающую поглощение препарата, другая форма лекарственной устойчивости может возникнуть из-за образования биопленок . Некоторые бактерии способны образовывать биопленки, прикрепляясь к поверхностям имплантированных устройств, таких как катетеры и протезы, и создавая внеклеточный матрикс для прилипания других клеток. [42] Это обеспечивает им стабильную среду, из которой бактерии могут распространяться и инфицировать другие части хозяина. Кроме того, внеклеточный матрикс и плотный внешний слой бактериальных клеток могут защищать внутренние клетки бактерий от антимикробных препаратов. [43]
Фаготерапия — это метод, который был открыт до антибиотиков, но отошел на второй план, когда антибиотики стали преобладать. В настоящее время он рассматривается как потенциальное решение для повышения устойчивости к противомикробным препаратам. Бактериофаги , вирусы, которые заражают только бактерии, могут целенаправленно воздействовать на интересующие бактерии и внедрять их геном. Этот процесс заставляет бактерии останавливать собственное производство, чтобы производить больше фагов, и это продолжается до тех пор, пока бактерия не лизирует себя и не высвобождает фаги в окружающую среду. Фаготерапия не убивает микробиоту, поскольку она специфична, и может помочь людям с аллергией на антибиотики. Некоторые недостатки заключаются в том, что это длительный процесс, поскольку необходимо идентифицировать конкретную бактерию. Кроме того, в настоящее время не существует совокупности исследований, подтверждающих ее эффективность и безопасность, как в случае с антибиотиками. Бактерии также могут со временем стать устойчивыми с помощью таких систем, как система CRISPR/Cas9. Однако многие клинические испытания были многообещающими, показывая, что она потенциально может помочь в решении проблемы устойчивости к противомикробным препаратам. Его также можно использовать в сочетании с антибиотиками для достижения кумулятивного эффекта. [44]
Медицинская микробиология занимается не только диагностикой и лечением заболеваний, но и изучением полезных микробов. Было показано, что микробы полезны в борьбе с инфекционными заболеваниями и укреплении здоровья. Методы лечения могут быть разработаны на основе микробов, как это продемонстрировано открытием Александром Флемингом пенициллина , а также разработкой новых антибиотиков из рода бактерий Streptomyces и многих других. [45] Микроорганизмы не только являются источником антибиотиков, но некоторые из них могут также действовать как пробиотики, обеспечивая преимущества для здоровья хозяина, например, улучшая здоровье желудочно-кишечного тракта или подавляя патогены. [46]