Кампилобактерии и хеликобактерии микробиология

Обозначения: (+) - наличие свойства, (-) - отсутствие свойства, (±) – непостоянное свойство

Генодиагностика. Для диагностики кампилобактериоза предложена ПЦР.

Серологическая диагностика при кампилобактериозе не прово­дится из-за наличия у кампилобактера групповых антигенов и возникновения вследствие этого перекрестных реакций антител против этого микроорганизма с другими микробами.

Род Campylobacter (Campyla - изогнутые) относится к группе аэробных или микроаэрофильных подвижных спирально изогнутых грамотрицательных бактерий. Наибольшее значение в патологии человека имеет С. jejunii. Реже встречаются С. fetus и С. coli. Ранее отнесенный к данному роду С. pylori выделен в род Helicobacter.

Морфология и физиология.Тонкие вибриоидные клетки, имеющие один или более витков спирали. Споры не образуют. Подвижные, совершают характерное винтовое движение с помощью одиночных жгутиков, расположенных на одном или обоих частях клетки. Хемоорганотрофы не требовательны к питательному субстрату, не сбраживают углеводы. Для получения энергии используют аминокислоты, а не углеводы. Оксидазоположительные и уреазоотрицательные. Пигментов не образуют.

Антигены.Кампилобактеры содержат О-, К- и Н-антигены. В настоящее время выделено свыше 50 О-серогрупп кампилобактеров.

Патогеность и патогенез.К факторам вирулентности относят жгутики и муциназу, способствующие проникновению в слизистую оболочку тонкой кишки. Обладают умеренной пенетрационной активностью. Их токсичность связана с секрецией энтеротоксинов (функциональные блокаторы), нарушающими водно-солевой обмен через образование цАМФ, аналогично энтеротоксинам Е. coli и V. cholerae. При разрушении кампилобактеров освобождается эндотоксин. Описаны цитотоксины, вызывающие гибель чувствительных клеток. После колонизации участка тонкой кишки они могут проникнуть в кровяное русло, вызывая генерализованную инфекцию, чаще у иммунодефицитных лиц. В патогенезе кампилобактериозных энтеритов преобладают явления диареи или дизентериеподобных состояний. При этом С. jejunii и С. fetus вызывают энтериты у людей. С. jejunii встречается также при абортах овец. С.fetus чаще встречается у пожилых людей с иммунодефицитами, а также при некишечных формах кампилобактериоза, вызывая поражение паренхиматозных органов и даже сепсис.

Иммунитет. гуморальный иммунный ответ.

Морфология и физиология.H.pylori представляют собой мелкие грамотрицательные палочки, лофотрихи, микроаэрофилы. Растут на сложных питательных средах. Продуцируют каталазу и оксидазу, которые используют для идентификации этих бактерий.

Патогенность и патогенез.К факторам вирулентности хеликобактеров относят их способность к движению и участие в проникновении в слизистую оболочку. Фермент уреаза при разрушении мочевины до аммиака и СO2 приводит к образованию газовой оболочки, защищающей от кишечного сока. Хеликобактеры продуцируют фосфолипазы, разрушающие фосфолипиды. Их токсичность связана с цитотоксином, действующим на эпителиальные клетки, токсином, нарушающим межклеточные контакты, и с ЛПС. Кроме того, на поверхности клеток образуются белки теплового шока, которые рассматривают как реакцию на стресс. Это приводит к аутоиммунному воспалению и образованию язв в желудке и двенадцатиперстной кишке. Н. pylori выделяются в 80% случаев язвенных гастритов.

Экология и эпидемиология.Является представителем нормальной микрофлоры животных. Пути передачи человеку окончательно не выяснены. По-видимому, люди заражаются алиментарным путем.

Кампилобактериозы и геликобактериозы

Инфекционные заболевания, которые вызывают бактерии рода Campylobacter, получили общее название кампилобактериозы. Они имеют острое течение, сопровождающиеся лихорадкой, поражением желудка и кишечника и с каждым годом встречаются все чаще. Среди 13 видов кампилобактерий главнейшими являются: Campylobacter jejuni, C.coli. В 1991 p. выделен отдельный вид Helicobacter pylori. Его стабильно обнаруживают у больных язвой желудка, гастрит и дуоденит. Этим заболеванием дали общее название геликобактериоза.Кроме энтеритов и энтероколитов, этих частых кампилобактериоз, значительно реже встречаются септицемии, эндокардиты, перикардиты, менингиты, поражения мочеполовой системы. У беременных женщин возможны аборты, преждевременные роды, инфицирование новорожденных во время родов.В связи с тем, что клиническая картина этих заболеваний не имеет характерных симптомов и подобная вызванных другими бактериями, лабораторные исследования приобретают важное значение. Для диагностики широко используют микроскопический, бактериологический и несколько меньше серологический методы.Материалом для исследования служит кровь, ликвор, стул или содержимое прямой кишки, взятый с помощью ректальных тампонов, плацентарная и околоплодной жидкости, содержимое абсцессов, биоптаты слизистой оболочки желудка и 12-перстной кишки. Исследуют также воду, молоко, другие продукты питания, смывы с предметов и т.п..

Бактериоскопический метод используется для быстрой идентификации кампило-и геликобактерий. Тонкие мазки из фекалий и других клинических материалов фиксируют на огне, окрашивают фуксином Пфейфера течение 10-20 с и промывают водой. Поскольку для окраски других бактерий требуется 3-5 мин, то в течение 10-20 сек успевают зафарбуватись только кампилобактерии. Особенно четко их типовые формы обнаруживают при окраске кристаллическим фиолетовым. Под обычным световым микроскопом они выглядят как тонкие, спирально изогнутые бактерии, имеющие один полный завиток, С-и S-образную форму или напоминают крылья чайки. Helicobacter pylori имеет несколько большие размеры. Можно также использовать фазово-контрастную микроскопию суспензии стула в бульоне для культивирования бруцелл или жидкой среде Мюллера-Хинтон (МПБ с крахмалом и казеином). При этом выявляют не только типичные особенности морфологии кампилобактерий, но и очень характерную их подвижность.

Спиралеобразная форма бактерии, от которой, собственно, и произошло родовое название Helicobacter, как полагают, связана с приобретением этим микроорганизмом в ходе эволюции способности проникать в слизистую оболочку желудка и двенадцатиперстной кишки, и с тем, что такая форма облегчает её движение в слизистом геле, покрывающем слизистую оболочку желудка. [2]

История открытия

В 1875 году немецкие учёные обнаружили спиралевидную бактерию в слизистой оболочке желудка человека. Эта бактерия не росла в культуре (на известных в то время искусственных питательных средах), и это случайное открытие было в конце концов забыто. [3]

В 1893 году итальянский исследователь Джулио Биззоцеро описал похожую спиралевидную бактерию, живущую в кислом содержимом желудка собак. [4]

Бактерия была вновь открыта в 1979 году австралийским патологом Робином Уорреном, который затем провёл дальнейшие исследования её вместе с Барри Маршаллом, начиная с 1981 года. Уоррену и Маршаллу удалось выделить и изолировать этот микроорганизм из проб слизистой оболочки желудка человека. Они также были первыми, кому удалось культивировать этот микроорганизм на искусственных питательных средах. [6] В оригинальной публикации [7] Уоррен и Маршалл высказали предположение, что большинство язв желудка и гастритов у человека вызываются инфицированием микроорганизмом Helicobacter pylori, а не стрессом или острой пищей, как предполагалось ранее. [8]

Медицинское и научное сообщество медленно и неохотно признавали патогенетическую роль этой бактерии в развитии язв желудка и двенадцатиперстной кишки и гастритов, вследствие распространённого в то время убеждения, что никакой микроорганизм не в состоянии выжить сколько-нибудь длительное время в кислом содержимом желудка. Признание научным сообществом этиологической роли этого микроба в развитии заболеваний желудка начало постепенно приходить лишь после того, как были проведены дополнительные исследования. Один из наиболее убедительных экспериментов в этой области был поставлен Барри Маршаллом: он сознательно выпил содержимое чашки Петри с культурой бактерии H. pylori, после чего у него развился гастрит. [9] Бактерия была обнаружена в слизистой его желудка, тем самым были выполнены три из четырёх постулатов Коха. Четвёртый постулат был выполнен, когда на второй эндоскопии, спустя 10 дней после преднамеренного заражения, были обнаружены признаки гастрита и присутствие H. pylori. Затем Маршалл сумел продемонстрировать, что он в состоянии излечить свой хеликобактерный гастрит с помощью 14-дневного курса лечения солями висмута и метронидазолом. [9] Маршалл и Уоррен затем пошли дальше и сумели показать, что антибиотики эффективны в лечении многих, если не большинства, случаев гастрита и язв желудка и двенадцатиперстной кишки. [9]

В 1994 году Американский Национальный Институт Здравоохранения опубликовал экспертное мнение, в котором утверждалось, что большинство рецидивирующих язв желудка и гастритов с повышенной кислотностью вызываются инфицированием микробом H. pylori, и рекомендовал включать антибиотики в терапевтические режимы при лечении язвенной болезни желудка, а также гастритов с повышенной кислотностью. [10] Постепенно накапливались данные также о том, что язвы двенадцатиперстной кишки и дуодениты также ассоциированы с инфицированием H. pylori. [11] [12]

В 2005 году первооткрыватели медицинского значения бактерии Робин Уоррен и Барри Маршалл были удостоены Нобелевской премии по медицине. [13]

До того, как стала понятна роль инфекции Helicobacter pylori в развитии язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки и гастритов, язвы и гастриты обычно лечили лекарствами, которые нейтрализуют кислоту (антациды) или снижают её продукцию в желудке (ингибиторы протонного насоса, блокаторы H2-гистаминовых рецепторов, М-холинолитики и др.). Хотя такое лечение в ряде случаев бывало эффективным, язвы и гастриты весьма часто рецидивировали после прекращения лечения. Весьма часто используемым препаратом для лечения гастритов и язвенной болезни желудка и двенадцатиперстной кишки был висмута субсалицилат (пепто-бисмол). Он часто был эффективен, но вышел из употребления, поскольку его механизм действия оставался непонятным. Сегодня стало понятно, что эффект пепто-бисмола был обусловлен тем, что соли висмута действуют на Helicobacter pylori как антибиотик. На сегодняшний день большинство случаев язв желудка и двенадцатиперстной кишки, гастритов и дуоденитов с доказанной лабораторными тестами хеликобактерной этиологией, особенно в развитых странах, лечат антибиотиками, эффективными против Helicobacter pylori. [14]

Хотя H. pylori остаётся наиболее медицински значимой бактерией, способной обитать в желудке человека, у других млекопитающих и некоторых птиц были найдены другие представители рода Helicobacter. Некоторые из них способны заражать и человека. Виды рода Helicobacter были также обнаружены в печени некоторых млекопитающих, причём они способны вызывать поражения и заболевания печени. [15]

Систематика

Многие виды рода Helicobacter являются патогенными для человека и животных и обитают в ротовой полости, желудке, различных отделов кишечника человека и животных (патогенными для человека и животных кроме H. pylori являются также виды H. nemestrinae, H. acinonychis, H. felis, H. bizzozeronii и H. salomonis)). [18] Наибольший уровень сходства по результатом ДНК-ДНК гибридизации отмечен между видами H. pylori и H. mustelae. [18]

Виды рода Helicobacter являются единственными известными на сегодняшний день микроорганизмами, способными длительно выживать в чрезвычайно кислом содержимом желудка и даже колонизировать его слизистую. [19]

Разработано много методов определения как внутривидовой дифференциации штамов H. pylori, так и для дифференцировки от других видов рода Helicobacter, такие как биотипические, и серологические методы, методы определения уреазной активности и токсинообразования, так и молекулярные — белковый электрофорез клеточного лизата, метод определения полиморфизма длин рестрикционных фрагментов (ПДРФ), полимеразная цепная реакция (ПЦР), секвенирование 16S рибосомальной РНК [18] Показан высокий уровень внутривидового полиморфизма штаммов H. pylori по сравнению с крайне близким видом H. mustelae, проявляющим высокий уровень консерватизма. Полиморфизм заключается в однонуклеотидных заменами, а также крупных внутригеномных перестройках, и высоких частотах трансформации. [18]

Типовые штаммы H. pylori: ATCC 43504, DSM 4867, JCM 7653, LMG 7539, NCTC 11637. [18]

Строение

Helicobacter pylori — спиралевидная грамотрицательная бактерия, около 3 мкм в длину, диаметром около 0,5 мкм. Она обладает 4-6 жгутиками и способностью чрезвычайно быстро двигаться даже в густой слизи или агаре. Она микроаэрофильна, то есть требует для своего развития наличия кислорода, но в значительно меньших концентрациях, чем содержащиеся в атмосфере.

Бактерия содержит гидрогеназу, которая может использоваться для получения энергии путём окисления молекулярного водорода, продуцируемого другими кишечными бактериями. [20] Бактерия также вырабатывает оксидазу, каталазу и уреазу.

Helicobacter pylori обладает способностью формировать биоплёнки (англ.) , способствующие невосприимчивости бактерии к антибиотикотерапии и защищающие клетки бактерий от иммунного ответа хозяина. [21] Предполагают, что это увеличивает её выживаемость в кислой и агрессивной среде желудка.

Кокковидные клетки отличаются деталями строения клеточной стенки (преобладанием N-ацетил-D-глюкозаминил-β(1,4)-N-ацетилмурамил-L-Ала-D-Глю мотива в пептидогликане клеточной стенки (GM-дипептида)), изменение строения клеточной стенки приводит к неузнаванию бактерии иммунной системой хозяина (бактериальная мимикрия). [23]

Геном

Известно несколько штаммов Helicobacter pylori, и геном двух из них полностью секвенирован. [24] [25] [26]

Ген cagA кодирует один из важнейших белков вирулентности H. pylori. Штаммы, имеющие ген cagA ассоциированны со способностью вызывать тяжёлые формы язвы желудка. Ген cagA кодирует белок длинной 1186 аминокислотных остатка. Белок cagA транспортируется внутрь клеток, где он нарушает нормальное функционирование цитоскелета. Остров патогенности Cag состоит из примерно 30 генов, кодирующих сложную систему секреции типа IV. [27] . После адгезии H.pylori к клеткам эпителия желудка, cagA впрыскивается в клетку посредством системы секреции типа IV. Белок cagA фосфолирируется тирозиновыми протеинкиназами клетки и взаимодействует с фосфатазой Src, изменяя морфологию клеток. [28] Вирулентные штаммы H. pylori способны активировать рецептор эпидермального фактора роста (epidermal growth factor receptor, EGFR), мембранный белок с тирозинкиназным доменом. Активация EGFR H. pylori ассоциирована с изменённой сигнальной трансдукцией и изменением профиля экспрессии генов клетки хозяина, что может влиять на течение патологического процесса. [29]

Показана синергетичность действия генов babA2, cagA, и s1 vacA при патологическом процессе, вовлечённом в метаплазии кишечника. [30] Продукты генов cagA и babA2 идентифицируются иммуногистохимически, гистологически и при помощи in situ гибридизации при метаплазии кишечника и злокачественных новообразованиях желудка, ассоциированных с хеликобактерной инфекцией и могут служить возможными диагностическими маркерами. [31]

Также идентифицированы некоторые гены, ассоциированные со способностью к колонизации эпителия желудка, такие как flg, flh, tlp (отвечают за наличие жгутиков и хемотаксис), ureA, nixA, amiE (гены, отвечающие за синтез уреазы и продукцию аммиака), fur, pfr, fecA, frpB (гены, отвечающие за метаболизм железа), sod, hptG (ответ на стресс), и algA, rfaJ, lpxB (гены, отвечающие за биосинтез липополисахарида и экзополисахарида). [32] Показана роль в реакциях Helicobacter pylori на внешние раздражители продукта гена tlpD, предположительно кодирующего сенсорный белок. [33]

Факторы вирулентности

Способность H. pylori колонизировать слизистую желудка и вызывать гастрит либо язву желудка зависит не только от состояния иммунитета организма хозяина, но и от индивидуальных особенностей конкретного штамма бактерии. [34]

Одним из важных факторов вирулентности хеликобактер является наличие у неё жгутиков, благодаря которым обеспечивается быстрое движение микроорганизма в слое густой слизи, защищающей слизистую желудка от воздействия кислоты, её хемотаксис в места скопления других бактерий этого вида и быстрая колонизация слизистой.

Липополисахариды и белки наружной оболочки бактерии обладают свойством адгезии к наружной оболочке мембран клеток слизистой желудка. Кроме того, липополисахариды наружной оболочки H. pylori вызывают иммунный ответ организма хозяина и развитие воспаления слизистой.

Секретируемые бактерией во внешнюю среду литические ферменты — муциназа, протеаза, липаза — вызывают деполимеризацию и растворение защитной слизи (состоящей в основном из муцина) и повреждение слизистой желудка.

Очень важную роль в вирулентности бактерии и в её способности выживать в кислом содержимом желудка играет секреция бактерией уреазы — фермента, расщепляющего мочевину с образованием аммиака. Аммиак нейтрализует соляную кислоту желудка и обеспечивает бактерии локальное поддержание комфортного для неё pH (около 6-7).

Продукция хеликобактером различных экзотоксинов, в частности, вакуолизирующего экзотоксина (продукта гена vacA), также вызывает вакуолизацию, повреждение и гибель клеток слизистой желудка.

Штаммы H. pylori, выделенные от больных с язвой желудка или двенадцатиперстной кишки, как правило, проявляют большую биохимическую агрессивность, чем штаммы, выделенные от больных с гастритом, а штаммы, выделенные от больных с гастритом, обычно более агрессивны и вирулентны, чем штаммы, выделенные от бессимптомных носителей. [34] В частности, штаммы, выделенные от больных с язвенной болезнью, чаще бывают cagA-положительными (то есть продуцирующими cagA эффекторные белки). Штаммы, выделенные от больных с гастритом, чаще продуцируют экзотоксин vacA, чем штаммы, выделенные от бессимптомных носителей. [37] [38]

Патогенетические механизмы

На начальном этапе после попадания в желудок H. pylori, быстро двигаясь при помощи жгутиков, преодолевает защитный слой слизи и колонизирует слизистую оболочку желудка. Закрепившись на поверхности слизистой, бактерия начинает вырабатывать уреазу, благодаря чему в слизистой оболочке и слое защитной слизи поблизости от растущей колонии растёт концентрация аммиака и повышается pH. По механизму отрицательной обратной связи это вызывает повышение секреции гастрина клетками слизистой желудка и компенсаторное повышение секреции соляной кислоты и пепсина, с одновременным снижением секреции бикарбонатов.

Муциназа, протеаза и липаза, вырабатываемые бактерией, вызывают деполимеризацию и растворение защитной слизи желудка, в результате чего соляная кислота и пепсин получают непосредственный доступ к оголённой слизистой желудка и начинают её разъедать, вызывая химический ожог, воспаление и изъязвление слизистой оболочки.

Диагностика инфекции

Диагностика геликобактерной инфекции обычно производится путём опроса больного на наличие диспептических жалоб и симптомов, и затем выполнения тестов, которые могут помочь подтвердить или опровергнуть факт наличия хеликобактерной инфекции.

Неинвазивные (не требующие эндоскопии) тесты на наличие хеликобактерной инфекции включают в себя определение титра антител в крови к антигенам H. pylori, определение наличия антигенов H. pylori в кале, а также уреазный дыхательный тест, состоящий в том, что пациент выпивает раствор меченой 14C- или 13C-углеродом мочевины, которую бактерия расщепляет с образованием меченой, соответственно, 14 C- или 13 C- двуокиси углерода, которая затем может быть обнаружена в выдыхаемом воздухе при помощи масс-спектрометрии.

Существуют также уреазные дыхательные тесты, основанные на определении концентрации аммиака в выдыхаемом воздухе. [42] Данные методы предполагают приём пациентом мочевины нормального изотопного состава и последующее измерение концентрации аммиака с помощью газоанализатора. К достоинствам метода можно отнести невысокую стоимость обследования, скорость получения результатов, высокую чувствительность (96 %), значительно меньшую стоимость оборудования по сравнению с масс-спектрографами.

Ни один из методов диагностики хеликобактерной инфекции не является полностью достоверным и защищённым от диагностических ошибок и неудач. В частности, результативность биопсии в диагностике хеликобактерной инфекции зависит от места взятия биоптата, поэтому при эндоскопическом исследовании обязательно взятие биоптатов из разных мест слизистой желудка. Тесты на наличие антител к антигенам хеликобактера имеют чувствительность всего лишь от 76 % до 84 %. Некоторые лекарства могут повлиять на активность уреазы, продуцируемой хеликобактером, в результате чего при исследовании уреазной активности при помощи меченой мочевины могут получиться ложноотрицательные результаты.

Хеликобактер был выделен из кала, слюны и зубного налёта инфицированных пациентов, что объясняет возможные пути передачи инфекции — фекально-оральный или орально-оральный (например, при поцелуях, пользовании общей посудой, общими столовыми приборами, общей зубной щёткой или анилингусе). Возможно (и весьма часто встречается) заражение хеликобактером в учреждениях общественного питания. Иногда возможно заражение через инфицированные эндоскопы при проведении диагностической гастроскопии.

Считается, что в отсутствие лечения хеликобактерная инфекция, однажды колонизировав слизистую желудка, может существовать в течение всей жизни человека несмотря на иммуный ответ хозяина. [44] [45] Однако у пожилых людей, а также у больных с давно существующим гастритом, хеликобактерная инфекция, вероятно, может самостоятельно исчезать, поскольку с возрастом или с давностью заболевания гастритом слизистая желудка становится всё более атрофичной, истончённой и менее пригодной для колонизации хеликобактером, менее благоприятной для обитания микроба. Вместе с тем, атрофический гастрит у пожилых, или гастрит, перешедший в стадию атрофического гастрита после многих лет болезни, поддаётся лечению гораздо труднее, чем хеликобактерные гастриты.

Процент острых хеликобактерных инфекций, которые переходят в хроническую персистирующую форму, точно не известен, однако в нескольких исследованиях, в которых изучалось естественное течение болезни без лечения в человеческих популяциях, сообщалось о возможности спонтанного самоизлечения (спонтанной элиминации микроба-возбудителя). [46] [47]

Лечение Helicobacter pylori-ассоциированных заболеваний

У пациентов с язвой желудка, язвой двенадцатиперстной кишки и гастритом с доказанной хеликобактерной этиологией стандартным протоколом лечения является эрадикация Helicobacter pylori, то есть лечебный режим, направленный на полное уничтожение этого микроба в желудке с целью обеспечить условия для заживления язвы.

Отмечены случаи непродуктивности антибиотикотерапии хеликобактерной инфекции, связанные как с антибиотикорезистентностью, так и с наличием зон в желудочно-кишечном тракте, в которых бактерии защищены от действия антибиотиков. [52] Отмеченно появление полирезистентных к антибиотикам изолятов H. pylori [53] , в том числе и кларитромицин-резистентных штаммов. [54] Также отмечены случаи появления хинолон-резистентных штаммов H. pylori. [55]

Также ведутся исследования по поиску и синтезу более эффективных и менее токсичных препаратов, направленных на эрадикацию H. pylori, показана эффективность in vitro препарата TG44 [56] , препарат NE-2001 в опытах in vitro проявлял высокую селективность по отношению к H. pylori [57] Показана эффективность пероральной вакцинации клеточным лизатом H. pylori на мышиной модели. [58]