Медицинская микробиология , обширный раздел микробиологии , применяемый в медицине , — это отрасль медицинской науки , занимающаяся 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 , грибы , паразиты и вирусы , а также один тип инфекционного белка, называемый прионом .
Медицинский микробиолог изучает характеристики возбудителей , пути их передачи, механизмы заражения и роста. Для получения академической квалификации клинического/медицинского микробиолога в больнице или медицинском исследовательском центре обычно требуется степень бакалавра, а в некоторых странах — степень магистра микробиологии наряду с докторской степенью. в любой из наук о жизни (биохимия, микро, биотехнология, генетика и т. д.). [1] Медицинские микробиологи часто служат консультантами врачей , обеспечивая идентификацию возбудителей и предлагая варианты лечения. Используя эту информацию, можно разработать лечение. Другие задачи могут включать выявление потенциальных рисков для здоровья населения или мониторинг эволюции потенциально вирулентных или устойчивых штаммов микробов, просвещение сообщества и помощь в разработке методов здравоохранения. Они также могут помочь в предотвращении 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 состояния здоровья и заболеваний среди населения, является важной частью медицинской микробиологии, хотя клинический аспект этой области в первую очередь фокусируется на наличии и росте микробных инфекций у людей, их последствиях. на организм человека и способы лечения этих инфекций. В этом отношении всю область как прикладную науку можно концептуально разделить на академические и клинические подспециальности, хотя в действительности существует плавный континуум между микробиологией общественного здравоохранения и клинической микробиологией , точно так же, как и современное состояние клинических лабораторий. зависит от постоянного совершенствования академической медицины и исследовательских лабораторий .
В 1676 году Антон ван Левенгук наблюдал бактерии и другие микроорганизмы с помощью однолинзового микроскопа собственной конструкции. [3]
В 1796 году Эдвард Дженнер разработал метод с использованием коровьей оспы для успешной иммунизации ребенка от оспы. Те же принципы используются для разработки вакцин сегодня. [4]
Вслед за этим в 1857 году Луи Пастер также разработал вакцины против нескольких болезней, таких как сибирская язва , птичья холера и бешенство , а также пастеризацию для консервации пищевых продуктов . [5]
Джозеф Листер считается отцом антисептической хирургии в 1867 году . Стерилизация инструментов разбавленной карболовой кислотой и использование ее для очистки ран позволили снизить количество послеоперационных инфекций, что сделало операцию более безопасной для пациентов. [6]
В период между 1876 и 1884 годами Роберт Кох внес большой вклад в изучение инфекционных заболеваний. Он был одним из первых ученых, сосредоточившихся на выделении бактерий в чистой культуре . Это привело к появлению 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 окраска по Граму . В 1884 году Ганс Кристиан Грам разработал метод окрашивания бактерий, чтобы сделать их более видимыми и дифференцированными под микроскопом. Эта техника широко используется сегодня. [8]
В 1910 году Пауль Эрлих протестировал несколько комбинаций химических веществ на основе мышьяка на кроликах, инфицированных сифилисом . Затем Эрлих обнаружил, что арсфенамин эффективен против спирохет сифилиса. В 1910 году стал доступен арсфенамин, известный как Сальварсан . [9]
В 1929 году Александр Флеминг разработал одно 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 и медицине за открытие сульфаниламидного препарата . [9]
Секвенирование ДНК , метод, разработанный Уолтером Гилбертом и Фредериком Сэнгером в 1977 году, [11] вызвало быстрые изменения в разработке вакцин , методов лечения и диагностики. Некоторые из них включают синтетический инсулин , который был произведен в 1979 году с использованием рекомбинантной ДНК , а в 1986 году была создана первая генно-инженерная вакцина против гепатита В.
В 1995 году группа Института геномных исследований секвенировала первый бактериальный геном ; Гемофильная инфекция . [12] Несколько месяцев спустя был завершен первый геном эукариот . Это окажется неоценимым для диагностических методов. [13]
В 2007 году команда датской пищевой компании Danisco смогла определить цель систем CRIPR-Cas — адаптивный иммунитет к фагам. Вскоре было обнаружено, что система способна помочь в редактировании генома благодаря своей способности генерировать двухцепочечные разрывы. Пациент с серповидноклеточной анемией был 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: окружающей среды, животных или других людей, например, грипп ) или эндогенным (из нормальной флоры, например, кандидоз ). [27]
Место проникновения микроба в организм называется входными воротами. [28] К ним относятся дыхательные пути , желудочно-кишечный тракт , мочеполовые пути , кожа и слизистые оболочки . [29] Входные ворота для конкретного микроба обычно зависят от того, как он перемещается из естественной среды обитания к хозяину. [28]
Существуют различные пути передачи заболевания между людьми. 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 проникать в настоящие клетки хозяина. Как только вирус получил доступ к клеткам хозяина, генетический материал вируса ( РНК или ДНК ) должен быть введен в клетку . Репликация между вирусами очень разнообразна и зависит от типа задействованных в них генов. Большинство ДНК-вирусов собираются в ядре, тогда как большинство РНК-вирусов развиваются исключительно в цитоплазме. [30] [31]
Механизмы заражения, пролиферации и персистенции вируса в клетках хозяина имеют решающее значение для его выживания. Например, некоторые заболевания, такие как корь, используют стратегию, согласно которой они должны распространяться на несколько хозяев. При этих формах вирусной инфекции заболевание часто лечится собственным иммунным ответом организма , и поэтому вирусу необходимо распространиться среди новых хозяев, прежде чем он будет уничтожен в результате иммунологической резистентности или смерти хозяина. [32] Напротив, некоторые инфекционные агенты, такие как вирус лейкемии кошек , способны противостоять иммунным реакциям и способны достигать длительного пребывания внутри отдельного хозяина, сохраняя при этом способность распространяться на последующих хозяев. [33]
Идентификация инфекционного агента легкого заболевания может быть столь же простой, как и клиническая картина; например, желудочно-кишечные заболевания и кожные инфекции. Чтобы сделать обоснованную оценку того, какой микроб может вызывать заболевание, необходимо учитывать эпидемиологические факторы; такие как вероятность контакта пациента с подозреваемым микроорганизмом, а также наличие и распространенность микробного штамма в обществе.
Диагностика инфекционного заболевания почти всегда начинается с изучения истории болезни пациента и проведения физического осмотра. Более детальные методы идентификации включают микробную культуру , микроскопию , биохимические тесты и генотипирование . Другие менее распространенные методы (такие как рентген , компьютерная томография , ПЭТ-сканирование или ЯМР ) используются для получения изображений внутренних аномалий, возникающих в результате роста инфекционного агента.
Микробиологическая культура является основным методом выделения инфекционных заболеваний для изучения в лаборатории. Образцы тканей или жидкостей исследуются на наличие специфического возбудителя , который определяется по росту в селективной или дифференциальной среде .
Для тестирования используются 3 основных типа сред: [34]
В методах культивирования часто используется микроскопическое исследование, которое помогает идентифицировать микроб. Такие инструменты, как сложные световые микроскопы, можно использовать для оценки критических аспектов организма. Это можно выполнить сразу после взятия образца у пациента и использовать в сочетании с методами биохимического окрашивания, позволяющими выявить клеточные особенности. Электронные микроскопы и флуоресцентные микроскопы также используются для более детального наблюдения за микробами в целях 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 их структур, особенно клеточных стенок и мембран. Сканирующая электронная микроскопия считывает электроны, отраженные от поверхности клеток. Затем создается трехмерное изображение, показывающее размер и внешнюю структуру клеток. Оба метода помогают дать более подробную информацию о структуре микробов. Это делает его полезным во многих областях медицины, таких как диагностика и биопсия многих частей тела, гигиена и вирусология. Они предоставляют важную информацию о структуре болезнетворных микроорганизмов, что позволяет врачам применять к ним более глубокие знания. [37]
Для выявления инфекционных агентов можно использовать быстрые и относительно простые биохимические тесты . Для идентификации бактерий широко распространено использование метаболических или ферментативных характеристик из-за их способности ферментировать углеводы по закономерностям, характерным для их рода и вида . Кислоты, спирты и газы обычно обнаруживаются в этих тестах, когда бактерии выращиваются в селективных жидких или твердых средах , как упоминалось выше. Для массового проведения этих испытаний используются автоматизированные машины. Эти машины одновременно выполняют несколько биохимических тестов, используя карты с несколькими лунками, содержащими различные обезвоженные химические вещества. Интересующий микроб будет реагировать с каждым химическим веществом определенным образом, что помогает его идентификации.
Серологические методы представляют собой высокочувствительные, специфичные и зачастую чрезвычайно быстрые лабораторные исследования, используемые для идентификации различных видов микроорганизмов. Тесты основаны на способности антитела специфически связываться с антигеном . Антиген (обычно белок или углевод, вырабатываемый инфекционным агентом) связывается с антителом, что позволяет использовать этот тип теста для других организмов, кроме бактерий. Эта привязка затем запускает цепочку событий, которые можно легко и точно наблюдать, в зависимости от теста. Более сложные серологические методы известны как иммуноанализы . Используя принцип, аналогичный описанному выше, иммуноанализы могут обнаруживать или измерять антигены либо инфекционных агентов, либо белков, вырабатываемых инфицированным хозяином в ответ на инфекцию. [34]
Анализ полимеразной цепной реакции (ПЦР) является наиболее часто используемым молекулярным методом обнаружения и изучения микробов. [38] По сравнению с другими методами секвенирование и анализ являются точными, надежными, точными и быстрыми. [39] Сегодня количественная ПЦР является основным используемым методом, поскольку этот метод обеспечивает более быстрые данные по сравнению со стандартным ПЦР-анализом. Например, традиционные методы ПЦР требуют использования гель-электрофореза для визуализации амплифицированных молекул ДНК после завершения реакции. количественная ПЦР этого не требует, 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, которое 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 последовательностями, уже перечисленными в базах данных, что, в свою очередь, помогает лучше понять, какой организм вызывает инфекционное заболевание. и, следовательно, какие возможные методы лечения можно использовать. [39] Этот метод является текущим стандартом для выявления вирусных инфекций, таких как СПИД и гепатит .
После того как инфекция диагностирована и идентифицирована, врач и консультации медицинских микробиологов должны оценить подходящие варианты лечения. С некоторыми инфекциями можно справиться собственной иммунной системой организма , но более серьезные инфекции лечатся противомикробными препаратами. Бактериальные инфекции лечат антибактериальными препаратами (часто называемыми антибиотиками), тогда как грибковые и вирусные инфекции лечат противогрибковыми и противовирусными препаратами соответственно. Для лечения паразитарных заболеваний используется широкий класс препаратов, известных как противопаразитарные средства .
Медицинские микробиологи часто дают рекомендации по лечению врачу пациента на основе штамма микроба и его устойчивости к антибиотикам , места заражения, потенциальной токсичности противомикробных препаратов и любой лекарственной аллергии, имеющейся у пациента.
Помимо лекарств, специфичных для определенного вида организмов (бактерий, грибов и т. д.), некоторые лекарства специфичны для определенного рода или вида организмов и не действуют на другие организмы. Из-за этой специфики медицинские микробиологи при вынесении рекомендаций должны учитывать эффективность определенных противомикробных препаратов. Кроме того, штаммы организма могут быть устойчивы к определенному лекарству или классу лекарств, даже если они обычно эффективны против данного вида. Эти штаммы, называемые устойчивыми штаммами, представляют собой серьезную проблему общественного здравоохранения, приобретающую все большее значение для медицинской промышленности по мере усугубления распространения устойчивости к антибиотикам . Устойчивость к противомикробным препаратам становится все более серьезной проблемой, которая ежегодно приводит к миллионам смертей. [41]
В то время как устойчивость к лекарственному средству обычно связана с химической инактивацией противомикробного препарата микробами или механическим прекращением поглощения лекарства клетками, другая форма лекарственной устойчивости может возникать в результате образования биопленок . Некоторые бактерии способны образовывать биопленки, прикрепляясь к поверхностям имплантированных устройств, таких как катетеры и протезы, и создавая внеклеточный матрикс , к которому могут прикрепляться другие клетки. [42] Это обеспечивает им стабильную среду, из которой бактерии могут рассеиваться и заражать другие части хозяина. Кроме того, внеклеточный матрикс и плотный внешний слой бактериальных клеток могут защищать внутренние клетки бактерий от противомикробных препаратов. [43]
Фаготерапия — это метод, который был открыт до появления антибиотиков, но отошел на второй план, когда антибиотики стали преобладать. В настоящее время это рассматривается как потенциальное решение проблемы повышения устойчивости к противомикробным препаратам. Бактериофаги , вирусы, которые заражают только бактерии, могут специфически нацеливаться на интересующие бактерии и вводить их геном. Этот процесс заставляет бактерии прекращать собственное производство, чтобы производить больше фагов, и это продолжается до тех пор, пока бактерии не лизируют себя и не высвобождают 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 трудоемкий процесс, поскольку необходимо идентифицировать конкретную бактерию. В настоящее время у него также нет такого количества исследований, подтверждающих его эффективность и безопасность, как у антибиотиков. Бактерии также могут со временем стать устойчивыми благодаря таким системам, как система CRISPR/Cas9. Однако многие клинические испытания оказались многообещающими, показав, что это потенциально может помочь в решении проблемы устойчивости к противомикробным препаратам. Его также можно использовать в сочетании с антибиотиками для достижения накопительного эффекта. [44]
Медицинская микробиология занимается не только диагностикой и лечением заболеваний, но и изучением полезных микробов. Доказано, что микробы полезны в борьбе с инфекционными заболеваниями и укреплении здоровья. Лечение может быть разработано с использованием микробов, о чем свидетельствует открытие Александром Флемингом пенициллина , а также разработка новых антибиотиков из бактериального рода Streptomyces среди многих других. [45] Микроорганизмы не только являются источником антибиотиков, но некоторые из них также могут действовать как пробиотики , принося пользу для здоровья хозяина, например, улучшая здоровье желудочно-кишечного тракта или ингибируя патогены. [46]
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список редакторов ( ссылка )