Конкурс «био/мол/текст»-2017
Эта работа опубликована в номинации «Свободная тема» конкурса «био/мол/текст»-2017.
Генеральный спонсор конкурса — : крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.
Спонсором приза зрительских симпатий и партнером номинации «Биомедицина сегодня и завтра» выступила .
«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»
Один монах, странствуя по белому свету, встретил Чуму, которая направлялась в его город. — Ты куда это направляешься, Чума? — спросил он ее. — Иду в твой родной город, — ответила она. — Мне нужно забрать там тысячу жизней. Через некоторое время монах снова встретил Чуму на своем пути. — Почему ты меня обманула тогда? — спросил он ее с укором. — Ты говорила, что должна забрать тысячу жизней, а забрала пять тысяч. — Я тогда сказала тебе правду, — ответила Чума. — Я действительно забрала тысячу жизней. Остальные умерли от страха.
Частникова В. Еврейские притчи. Мудрец выше пророка [1]
Жертвы чумы исчислялись сотнями тысяч и даже миллионами человек, вымирали города, становились безлюдными целые области, и ужас пандемий чумы затмевал ужасы всех войн, какие знала история человечества. Целые тысячелетия люди не понимали, что является источником заболевания [2].
Библия — одно из древнейших дошедших до нас свидетельств эпидемий чумы (1 книга Царств, глава 5; 4 книга Царств, глава 19, стихи 35–36). В мировой истории отмечают три пандемии этой болезни:
- первая пандемия — «юстинианова чума» — по имени византийского императора Юстиниана, началась в Египте (542 г. н. э.) и охватила территорию всего цивилизованного мира;
- вторая пандемия — «черная смерть» (1340 г.) — неистово свирепствовала от Китая до Западной Европы и сопровождалась смертью около 25 млн. человек (примерно четвертой части тогдашнего населения Европы), а количество жертв во всем мире исчислялось 75 млн. человек [3];
- третья пандемия, зародившаяся в китайской провинции Юньнань в 1855 году, за несколько десятилетий распространилась на все обитаемые континенты. Только в Китае и Индии общее число умерших составило более 12 миллионов человек. По данным Всемирной организации здравоохранения, отголоски пандемии наблюдали и в 1959 году [4].
Крупные вспышки чумы регистрируют с определенной периодичностью (Индия — 1994 г.; Мадагаскар — 2011 и 2013 гг.). В США с 1965 по настоящее время ежегодно регистрируют до 40 случаев заражения людей чумой (в среднем 10 больных в год) [5]. В России в сентябре 2014 г. и в августе 2015 г. впервые за последние 35 лет были зарегистрированы два случая заражения человека чумой [6], [7].
Бубонная форма чумы является наиболее распространенной формой заболевания и при отсутствии лечения приводит к гибели 40–60% заболевших. Легочная форма возникает либо как осложнение бубонной или септической форм, либо при вдыхании воздуха, зараженного возбудителем чумы. Если лечение не начинают в первые 24 часа после появления симптомов, смерть наступает через 48 часов [8].
В природе чумной микроб встречается практически на всех континентах, исключая Австралию, Антарктиду, а также Арктику, что обусловливает ежегодно регистрируемые случаи этой болезни. Стремительная эволюция микроорганизмов приводит к появлению популяций бактерий (штаммов), устойчивых к антибиотикам [9], что в случае с возбудителем чумы особенно опасно. Кроме того, этих бактерий могут использовать в качестве агента биотерроризма. Все вышесказанное объясняет необходимость изучения чумного микроба.
Возбудитель чумы Yersinia pestis — самая опасная бактерия в мире [10]. Что делает ее столь смертоносной?
Лечение
Больного помещают в отдельный бокс, расположенный в инфекционном стационаре. Обо всех случаях болезни врачи немедленно уведомляют санэпидемстанцию. Для осмотра и контакта с заражённым доктора и медсёстры обязательно надевают противочумные костюмы и другие средства защиты. Для лечения применяется противочумная сыворотка, а также всевозможные сульфаниламиды и антибиотики. Врач интенсивной терапии работает с больными, у которых выявлена септическая или лёгочная форма.
В прежние века смерть от чумы была неминуема. Больные этой инфекцией есть даже в наше время, но с помощью современных лекарств у них есть большие шансы выжить и выздороветь. Чтобы защититься от заражения, нужно мыть руки, соблюдать правила гигиены и не есть мясо без достаточной термической обработки.
Факторы вирулентности, или вооружен и очень опасен
Любые патогенные бактерии должны обладать целым рядом свойств: «способностями» к инвазии (внедрению), колонизации, противостоянию иммунным реакциям организма хозяина и токсичностью. Биомолекулы, осуществляющие эти функции, называются факторами патогенности (вирулентности).
Со времен открытия возбудителя чумы в 1894 году французом Александром Йерсеном и японцем Китасато Сибасабуро ученые пытались выяснить, что определяет патогенность Y. рestis. В результате многолетней тяжелой и рискованной работы, которая продолжается и по сей день, выделили следующие факторы патогенности возбудителя:
- белки внешней мембраны (Yersinia outer proteins — называемые Yop-белками, эффекторными белками, или комплексом Yop-вирулона) [11];
- комплекс области пигментации [12];
- активатор плазминогена [13];
- капсульный антиген [14];
- пили адгезии или pH6-антиген [15].
Белки внешней мембраны, или зачем возбудителю чумы шприц?
Изучение отдельных Yop-белков, а именно V- и W-антигенов, началось еще в 1956 году [16]. Описаны также YopM, YopN, YopH, YopE, YopD и другие белки [17]. Они подавляют развитие иммунных реакций, в частности, фагоцитоз, а при «заглатывании» микробов макрофагами (иммунными клетками) обеспечивают размножение возбудителя внутри макрофагов [11]. Белки внешней мембраны синтезируются только при температуре 37 °С и в условиях дефицита ионов кальция (low calcium response) [18]. Механизм действия Yop-белков — система секреции III типа — открыт в конце прошлого века [19]. Согласно этому механизму, чумной микроб, приблизившись к эукариотической клетке, впрыскивает эффекторные белки в цитоплазму (по принципу работы шприца с образованием особого канала — «иглы») (рис. 1) [20]. Особое внимание ученые уделяют V-антигену, так как на его основе создают химическую вакцину против чумы [21].
Рисунок 1. Схема действия системы секреции III типа.
[19]
Комплекс области пигментации, или может ли стать потребность в чем-либо фактором патогенности?
В ходе лабораторных работ исследователи установили, что чумной микроб может стать авирулентным (безопасным) для мышей. При высеве таких бактерий на питательные среды с гемином (железосодержащим веществом, образующимся при действии соляной кислоты на гемоглобин) они образуют неокрашенные колонии, в отличие от пигментированных колоний вирулентных штаммов. Так появился один из простейших способов определения вирулентности штаммов возбудителя чумы без использования лабораторных животных. Если популяция бактерий на среде с гемином (среде Джексона—Берроуза) «дает» рост пигментированным колониям, то она является опасной (вирулентной), если непигментированным — то не опасной (авирулентной) [22].
Впоследствии выяснилось, что за окраску вирулентных колоний отвечают гены hms-локуса области пигментации на бактериальной хромосоме. В этой области пигментации также находится остров патогенности Y. pestis — HPI. Чем же примечательны гены этого острова и почему ему присвоили такое емкое название? Оказывается, для жизнедеятельности чумной бактерии необходимы ионы железа Fe3+. Захват и транспорт Fe3+ в клетку осуществляют низкомолекулярные молекулы, обладающие высоким сродством к железу — сидерофоры [23]. Гены, кодирующие сидерофоры, и образуют остров патогенности. По крайней мере, одна сидерофорная система, а именно система синтеза и транспорта белка иерсиниобактина, обеспечивает активный транспорт железа у иерсиний. Однако вся область пигментации крайне нестабильна и может спонтанно делетироваться из хромосомы. Выпадение из генома сидерофорной системы приводит к значительному снижению вирулентности возбудителя чумы [24]. Поэтому потребность в железе стали рассматривать как детерминанту вирулентности чумного микроба. А поскольку при делеции области пигментации удаляется и hms-локус, кодирующий признак пигментсорбции, по этой «метке» начали разделять опасные и неопасные популяции иерсиний.
Активатор плазминогена, или двуликий Янус
Большое внимание уделяют омптинам — семейству протеаз наружных мембран, которые выполняют множество функций в бактериальной клетке, в том числе перенос различных веществ через внешнюю мембрану, и, в целом, способствуют адаптации микроорганизма к условиям окружающей среды. Один из них — активатор плазминогена (Pla) [25]. Еще до выделения Pla, специалисты приходили к противоречивым, на первый взгляд, выводам. С одной стороны, чумной микроб сворачивает плазму крови (плазмокоагулирующая активность), с другой стороны — предотвращает образование кровяного сгустка (фибринолитическая активность). Тем более удивительно, что обеими этими активностями, как впоследствии выяснилось, обладает один и тот же белок — активатор плазминогена. Оказалось, что при температуре ниже 30 °С Pla проявляет плазмокоагулирующую активность. В преджелудке зараженной блохи (переносчика чумных микробов) сворачивается кровь, поступившая из больного чумой грызуна, и образуется «блок» — резервуар для размножения иерсиний. При этом голодная блоха начинает активно кусать животное или человека, не чувствуя насыщения. При поступлении свежей порции крови возбудитель с «отрыжкой» блохи проникает в ранку и инфицирует ее. Попадая в другую среду с температурой 36–37 °С — температурой тела человека (или немного выше — теплокровного животного), — активатор плазминогена начинает действовать в прямо противоположном направлении: проявляет фибринолитическую активность — препятствует образованию кровяного сгустка в месте укуса и тем самым обеспечивает распространение возбудителя [26].
Подробнее о переносчиках чумы рассказывает статья «Черная смерть. История о том, как безобидная бактерия стала беспощадной убийцей» [35]. — Ред.
При вдыхании чумных микробов (и развитии легочной чумы) этот белок обеспечивает быстрое размножение бактерий в тканях легких и приводит к развитию молниеносной пневмонии и отеку легких, тогда как в отсутствии Pla инфекция не развивается в смертельную пневмонию. Установлено, что активатор плазминогена нарушает постоянство внутренней среды организма хозяина и блокирует иммунные реакции, направленные на уничтожение патогена [27].
Капсульный антиген, или скользкий тип этот возбудитель чумы
Бактерии окружены капсулой из слизистого вещества (фракция I, Fra1), которая препятствует поглощению и обезвреживанию Y. pestis иммунными клетками организма-хозяина в процессе фагоцитоза. На выявлении этого вещества-антигена основаны многие современные методы лабораторной диагностики чумы, оно входит в состав многих экспериментальных химических вакцин против чумы. Однако позднее обнаружили популяции бактерий, лишенные капсулы [28]. Кроме того, слизистая капсула есть у многих других микроорганизмов, например, возбудителя сибирской язвы, туляремии. Капсульное вещество иерсинии образуют при температуре 37 °С.
Пили адгезии (pH6-антиген), или «агент 007»
Специфический антиген pН6 (пили адгезии — мелкие ворсинки, белок PsaA) также синтезируется только при температуре 37 °С, но есть и еще одно условие — pН ниже 6,4 (что нашло отражение в его названии). Cчитается, что это значение рН близко к рН лизосом макрофагов или некротического содержимого абсцессов, где, вероятно, и синтезируется этот антиген. рН6-антиген ответственен за прикрепление чумных микробов к эпителиальным клеткам дыхательных путей и колонизацию их. Этот антиген интересен еще и тем, что подавляет фагоцитоз: при попадании иерсиний в кровь, pH6-антигены соединяются с аполипопротеинами В плазмы, что делает бактериальные клетки «невидимыми» для макрофагов [29]. Следовательно, в изначально агрессивном теплокровном организме хозяина популяции чумного микроба с рН6-антигеном имеют больше шансов на выживание, чем популяции возбудителя чумы без рН6-антигена — феномен селекции PsaA+ бактерий [30]. В природных очагах чумы выделяют только штаммы Y. pestis с рН6-антигеном.
Антигены, схожие с рН6, были обнаружены у ряда возбудителей, вызывающих менее опасные болезни — кишечные инфекции (Y. pseudotuberculosis [31], Y. enterocolitica [32], Escherichia coli [8]).
Патогенез
Возбудитель чумы проникает организм человека через кожу, желудочно-кишечный тракт и дыхательные пути. Именно механизм проникновения возбудителя и определяют развитие конкретной клинической формы чумы. Организм человека (его адаптационные механизмы) сопротивляться внедрению/развитию чумной палочки не приспособлены, что обусловлено быстрым размножением возбудителя и массивным продуцированием факторов проницаемости (фибринолизин, нейраминидаза, пестицин), антифагинов, подавляющих процесс фагоцитоза (V/W-Ar, F1, РН6-Аг, HMWPs), что способствует их массивному/быстрому диссеминированию лимфогенным/гематогенным путем в органы мононуклеарно-фагоцитарной системы и последующей ее активизации. Выброс медиаторов воспаления и массивная антигенемия способствует быстрому развитию микроциркуляторных нарушений, а при отсутствии своевременной помощи и ДВС-синдрома с последующим развитием инфекционно-токсического шока.
При кожной форме в месте локализации входных ворот может возникать специфическая реакция (первичный аффект) – в виде язвы/пустулы с геморрагическим содержимым. Затем возбудитель по лимфатическим сосудам мигрирует в регионарные лимфоузлы (чумной бубон), в которых происходит процесс размножения, сопровождаемый воспалительной реакцией. В процессе размножения в макрофагах лимфоузлов (бубонная форма) происходит увеличение, слияние, а в ряде случаев — образованию конгломерата из лимфоузлов. В этой стадии возбудитель болезни благодаря недостатку специфических антител/защитному эффекту капсулы устойчив к фагоцитозу лейкоцитами. В дальнейшем в лимфоузлах развивается геморрагический некроз, при котором микроорганизмы поступают в кровоток и внедряются в различные внутренние органы, вызывая генерализацию процесса. В процессе их распада освобождаются эндотоксины, что и обусловливает проявления интоксикации.
Септическая форма чумы характеризуется быстрым формированием множественных вторичных очагов инфекции, бактериемией/токсемией. Развивающаяся эндотоксинемия приводит к нарушениям микроциркуляции, парезу капилляров, развитию ДВС-синдрома и метаболических нарушений в тканях организма, что проявляется клинически энцефалопатией, острой почечной недостаточностью, инфекционно-токсическим шоком, определяющими неблагоприятные исходы.
Температурный фактор, или то, что действительно имеет значение
Необходимо заострить внимание на особой роли температуры в физиологии чумного микроба. Именно при температуре 37 °С у него повышаются питательные потребности [33] и синтезируются практически все известные детерминанты вирулентности (рис. 2) [34]. У других бактерий подобная зависимость выражена в меньшей степени, что позволяет говорить о ведущей роли температурного фактора в вирулентности возбудителя чумы [8].
Рисунок 2. «Белковые портреты» чумного микроба, выращенного при температурах 28 и 37 °С соответственно.
[34]
Геном или все важное внутри
Современные технологии позволили расшифровать геном чумного микроба , который, как выяснилось, имеет более чем 98-процентное сходство с относительно безобидной бактерией Y. pseudotuberculosis — эволюционным предшественником возбудителя чумы (событие 5–7-тысячелетней давности) [35]. Интересно, что приобретение уникальной вирулентности Y. pestis сопровождалось утратой части генов. Например, потеря чумным микробом гена, кодирующего адгезин А (YadA), — одного из важнейших факторов вирулентности возбудителя псевдотуберкулеза, — приводит к блокированию процесса образования внеклеточных нейтрофильных ловушек — самого эффективного на настоящий момент процесса уничтожения патогенов [36]. Нейтрофильные лейкоциты в отсутствии адгезина А не могут образовывать «ловчую сеть» из собственной ДНК и протеолитических ферментов, захватывать в нее бактерий и расщеплять их [37]. У возбудителя чумы также «беднее» набор генов эффекторных белков Yop-вирулона, чем у других представителей рода иерсиний [8].
О секвенировании генома иерсиний, вызвавших «черную смерть» 1340 года, читайте в материале «Это чума» [3]. — Ред.
Помимо хромосомы у чумного микроба есть плазмиды — внехромосомные участки ДНК [38]. Большинство белковых факторов вирулентности закодированы на плазмидах: эффекторные белки на плазмиде pCad; капсула — pFra; активатор плазминогена — рPla (pPst, pPCP). Плазмиды pFra и рPla обнаружены только у Y. pestis (видоспецифические), pCad является общей с возбудителем псевдотуберкулеза (родоспецифическая) [20].
Список источников
- Супотницкий М. В., Супотницкая Н. С. Очерки истории чумы: В 2-х кн. — Кн. I: Чума добактериологического периода. — М.: Вузовская книга, 2006. — 468 с.
- Брюханова Г. Д. Актуальные аспекты эпидемиологии и микробиологии чумы в современных условиях: Диссертация доктора медицинских наук. – 2004.- М.- 250 С.
- Анисимов А.П. Факторы Y. pestis, обеспечивающие циркуляцию и сохранение возбудителя чумы в экосистемах природных очагов // Молекул, генетика. 2002. — № 3. — С. 3 — 23.
- Иннокентьева Т.И. Современные аспекты эпиднадзора за чумой // Журн. инфекц. патол. 1997. — Т. 4., № 1. — С. 8 — 14.
- Никифоров В.В., Авдеева М.Г., Намитоков Х.А. Чума. Учебно-методическое пособие. 2021. — 121 с.
