Содержание
Муковисцидоз принадлежит к числу наиболее распространенных врожденных патологий. В 70% случаев причиной служит генетический дефект по белку, регулирующему секрецию воды мукозальными эпителиоцитами. Подавление мукоцилиарного транспорта снижает эффективность самоочищения бронхопульмонарного тракта, создавая условия для микробной колонизации. В финальной стадии доминируют мукоидные штаммы синегнойной палочки (см. «Синегнойная палочка»). Они образуют биопленку, внутри которой бактерии проявляют патогенетическую активность и ограждены от эффекторов иммунитета и антибиотиков.
Проблема биопленок впервые возникла в технической микробиологии в связи с громадным экономическим ущербом, наносимым микробным обрастанием разного рода водных сооружений. В медицине сходные ситуации обусловлены использованием инвазивных материалов — протезов, катетеров, эндотрахеальных трубок, артериовенозных шунтов, контактных линз, внутриматочных спиралей и пр. Они почти неизбежно подвергаются колонизации экзогенными и/или эндогенными бактериями, образующими на них стабильные сообщества. Образование биопленок на эндоваскулярных протезах (клапаны сердца, сосуды), внутрисосудистых и интраперитонеальных катетерах (хронический диализ) начинается с заселения эпидермальным стафилококком (см. «Стафилококки»). Позже процесс обретает полимикробный характер за счет добавления зеленящих стрептококков, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Enterococcus faecalis, Candida albicans и др. При катетеризации мочевыводящей системы в состав биопленок входят бактерии, утилизирующие мочевину (Proteus mirabilis, Proteus vulgaris, Klebsiella pneumoniae, Morganella morganii), хотя первичную колонизацию могут вызывать другие бактериальные виды (Staphylococcus epidermidis, Escherichia coli, Enterococcus faecalis).
К счастью, ятрогенные процессы обычно малоагрессивны. Это объясняется низкой вирулентностью бактерий, которые в своем большинстве представлены нормальной микрофлорой. Впрочем, подобно любой персистенции биопленочная инфекция таит в себе потенциальную опасность, требуя адекватного контроля. Природа сама стремится к этому: инородные тела подвергаются эпителизации, а эпителиальная поверхность гораздо устойчивее к микробному обсеменению, чем синтетические материалы. От такого рода конкуренции за поверхность во многом зависит стабилизация микробных биопленок.
Генетические основы болезнетворности
Реализация патогенного потенциала
Как и любые клетки, бактерии экспрессируют лишь часть фенотипически значимых генов. Среди них есть такие, которые детерминируют обязательные признаки — конститутивные гены (англ. house-hold genes). Они обеспечивают видовой облик бактерий, т.е. их базисную конституцию — морфологию, тинкториальные свойства, метаболический профиль и пр. Кроме того, ряд генов включается по мере необходимости, в зависимости от обстановки, куда попадают бактерии. Это индуцибельные гены, кодирующие необязательные признаки. Речь, по сути, идет об экологически зависимой экспрессии генетического материала, которая обеспечивает пластичность бактерий, т.е. их адаптивный потенциал. Например, у энтеробактерий из 3000 генов примерно треть лишена фенотипического эквивалента. То же самое справедливо и для других бактерий.
Современное понятие о функциональной генетике предполагает изучение всего спектра белков (его называют протеом), которые закодированы в геноме и могут синтезироваться клеткой. Это связано с механизмами, обеспечивающими активацию или блокаду индуцибельных генов (генов адаптации). Классическим примером является оперон. Это одиночный ген или группа генов, координируемых одним оператором — механизмом включения промоторного участка структурных генов. Активность гена-оператора контролируется геном-регулятором, который кодирует белок-репрессор, или белок-регулятор. Имея сродство к гену-оператору, регулятор блокирует его промоторную активность, выключая транскрипцию структурных генов. Вместе с тем, регуляторы специфически связывают низкомолекулярные вещества, называемые индукторами. Соединение с таким индуктором меняет конформацию регулятора, лишая его способности связываться с геном-оператором. Выходя из-под контроля, оператор обеспечивает синтез мРНК и соответствующего белка.
Несколько оперонов (генных кластеров), управляемых общим фактором, составляют регулон. Регулоны определяет возможность коэкспрессии (корегуляции) генов, в частности, генов, отвечающих за вирулентность. В других ситуациях каждый из таких генов может экпрессироваться независимо, реагируя на дискретные сигналы.
Системы регуляции бактериального фенотипа разнообразны, но в целом не оригинальны, используя унифицированные механизмы детерминации физиологических процессов в клетке. В конечном счете все сводится к управлению транскрипцией генов. Одними из универсальных являются двухкомпонентные (двухсигнальные) регуляторные системы. Они повторяют общий принцип экологически зависимой регуляции генов, когда сигналы из внешней среды улавливаются сенсорными белками (рецепторами) и затем транслируются на белки-регуляторы (посредники между сенсорами и генами), активируя или репрессируя транскрипцию генов. Изменение функционального статуса сенсорных и регуляторных белков часто связано с их фосфорилированием (в первом случае аутофосфорилирование, во втором — результат действия киназ, ассоциированных с сенсорными рецепторами). Перенос фосфатного остатка на аминогруппу белка-регулятора нарушает его способность к связыванию с ДНК-последовательностями, с которого начинается транскрипция оперона (регулона).
Реализация болезнетворности бактерий зависит и от синтеза новых регуляторных факторов. Их предложено называть стресс-индуцибельными белками, так как они образуются при реакции на неблагоприятные или, по крайней мере, необычные условия, в том числе возникающие в инфицированном организме. Бактерии хорошо чувствуют перепады температуры, напряжение кислорода, рН среды, содержание кальция, дефицит питательных веществ и пр. Попадая в организм хозяина (или выходя из него), они сталкиваются с массой новых факторов, требующих адаптивных реакций. Это особенно заметно у бактерий, чередующих сапрофитический и симбиотический образ жизни, но актуально и для облигатных паразитов. Примером является s(сигма)-регулон энтеробактерий. s-фактор (его образование связано с индукцией rpoS/katF-гена) регулирует транскрипцию многих генов, включая гены, детерминирующие осмопротекцию, морфологию клеток, выживание в условиях голодания и пр. Известны и другие механизмы регуляции генов, основанные на изменении конформации репрессорных белков, топологии ДНК и пр. Все они связаны с реактивной перестройкой бактериальных клеток под влиянием факторов внешней среды.
Адаптивные проявления изменчивости бактерий необозримы. Классикой являются экологически зависимое чередование споровых и вегетативных форм, интенсивность образования капсульного материала, феномен диссоциации культуральных свойств (в частности, S-R-диссоциация), синтез индуцибельных ферментов и т.д. Известны примеры, связанные с формированием вирулентного фенотипа. Холерные вибрионы, попав из сапрофитической фазы в кишечник человека, коэкспрессируют гены, детерминирующие синтез адгезинов и энтеротоксина (индуцирующее действие контакта с энтероцитами, температуры тела и пр.). Только в такой комбинации холерные вибрионы могут вызывать заболевание. Сальмонеллы обладают адаптацией (толерантностью) к кислой среде, усиленно экскретируя протоны из клеток. Оказавшись внутри макрофагов, сальмонеллы экспрессируют около 200 генов, которые не работают при внеклеточном росте. Их продукты обеспечивают не только выживание, но и активное размножение внутри фагоцитов. То же самое справедливо для других бактерий, склонных к внутриклеточному паразитированию (йерсинии, листерии, шигеллы и пр.). Шигеллы по ходу инфекционного процесса теряют толерантность к кислой среде, но к моменту выхода во внешнюю среду вновь обретают ее, словно готовясь к очередному сеансу заражения и преодолению кислотного барьера желудка. Этим определяется минимальная среди всех бактерий инфицирующая доза шигелл (менее 1000 клеток). Коклюшная палочка, попадая в бронхи, начинает продуцировать комплекс токсинов, но, подвергаясь выселению в носовые ходы, где температура гораздо ниже, трансформируется в невирулентный фенотип. Легко меняют свои свойства йерсинии, в частности Y. enterocolitica. Развиваясь при 37°С, они продуцируют белки наружной мембраны, сидерофоры, ферменты, которые повышают колонизирующую активность бактерий, усиливают их инвазивность, устойчивость к комплементу и фагоцитозу.
Адаптивный смысл повышенной вирулентности можно объяснить тем, что, обладая высокой способностью к размножению в организме хозяина, бактерии более эффективно утверждают себя в биосфере. Это прежде всего относится к микробам с узким спектром хозяев (например, возбудителям антропонозов), которые при активном размножении получают возможность для трансмиссии, т.е. заражения новых организмов.