Введение

Бактерия, вызывающая проказу

Mycobacterium leprae (также известная как бацилла проказы или бацилла Хансена) – один из двух видов бактерий, вызывающих болезнь Хансена (проказу), хроническое, но излечимое инфекционное заболевание, которое повреждает периферические нервы и поражает кожу, глаза, нос и мышцы. Это кислотоустойчивая, грамположительная, палочковидная бактерия и облигатный внутриклеточный паразит, что означает, что, в отличие от своего родственника Mycobacterium tuberculosis, её нельзя культивировать в лабораторных средах без клеток. Бактерии преимущественно инфицируют макрофаги и клетки Шванна и обычно обнаруживаются, собранными в виде палисады. Изначально Mycobacterium leprae была чувствительна к дапсону как монотерапии, но с 1960-х годов развила устойчивость к этому антибиотику. В настоящее время Всемирная организация здравоохранения рекомендует многокомпонентное лечение (МКТ), включающее дапсон, рифампицин и клофазимин. Вид был открыт в 1873 году норвежским врачом Герхардом Армауэром Хансеном и стал первой бактерией, идентифицированной как причина заболевания у человека. Это аэробная бацилла (палочковидная бактерия) с параллельными сторонами и закругленными концами, окруженная характерной восковой оболочкой из миколовых кислот, уникальной для микобактерий. По окраске по Граму она грамположительна, но традиционно Mycobacterium leprae окрашивалась карболовым фуксином по методу Циль-Нильсена. Поскольку бациллы менее кислотоустойчивы, чем Mycobacterium tuberculosis (MTB), в настоящее время используется метод окраски Файта-Фарако, который имеет более низкую концентрацию кислоты. По размеру и форме она тесно напоминает MTB. Бактерии обнаруживаются в гранулематозных поражениях и особенно многочисленны в узелках. Эти бактерии часто встречаются в большом количестве в поражениях лепроматозной проказы и обычно группируются вместе в виде палисады. При оптической микроскопии клеток-хозяев Mycobacterium leprae можно обнаружить поодиночке или в скоплениях, называемых "глоби", бациллы могут быть прямыми или слегка изогнутыми, длиной от 1 до 8 мкм и диаметром 0,3 мкм. Бактерии лучше всего растут при температуре от 27 до 30 °C, что делает кожу, слизистую оболочку носа и периферические нервы основными целями для инфицирования Mycobacterium leprae.

Диапазон хостов

Микобактерия лепры имеет узкий круг хозяев, и помимо людей, единственными другими хозяевами являются девятипоясные броненосцы и рыжие белки. В лабораторных условиях мышей можно заразить, и они служат полезной моделью для исследований.

Культивирование

Mycobacterium leprae имеет необычно длительное время удвоения (от 12 до 14 дней по сравнению с 20 минутами для Escherichia coli), а также не поддается культивированию в лабораторных условиях. Поскольку этот организм является облигатным внутриклеточным паразитом, ему не хватает многих генов, необходимых для самостоятельного выживания, что затрудняет его культивирование. Сложная и уникальная клеточная стенка, которая делает представителей рода Mycobacterium трудноуничтожимыми, также является причиной его крайне медленной скорости репликации. Mycobacterium leprae предпочитает прохладные температуры, слабокислые микроаэрофильные условия и использует липиды в качестве источника энергии, а не сахара. Условия, необходимые для роста Mycobacterium leprae, известны, однако точная аксеническая среда, поддерживающая рост Mycobacterium leprae, до сих пор не найдена. Поскольку культивирование in vitro обычно невозможно, его выращивают в подошвенных подушечках мышей.

Катаболизм

Невозможность культивирования Mycobacterium leprae в бессадочных средах свидетельствует о его зависимости от питательных веществ и метаболитов, получаемых от хозяина. Многие катаболические пути, присутствующие у других видов Mycobacterium, нарушены из-за отсутствия ферментов, играющих ключевую роль в расщеплении питательных веществ. Однако в этом виде сохраняются функциональные пути углеводного катаболизма, такие как гликолиз, пентозофосфатный путь и цикл трикарбоновых кислот. Сравнение геномной последовательности Mycobacterium leprae с геном MTB демонстрирует крайний случай редуктивной эволюции. Менее половины генома содержит функциональные гены. Предполагается, что из генома Mycobacterium leprae было утрачено около 2000 генов. Эта редуктивная эволюция в значительной степени связана с переходом организма к облигатному внутриклеточному образу жизни.

Псевдогены

Многие из генов, присутствовавших в геноме общего предка Mycobacterium leprae и M. tuberculosis, были утрачены в геноме Mycobacterium leprae. В результате размер генома Mycobacterium leprae значительно уменьшился из-за потери множества генов. Более половины генома патогена теперь составляют псевдогены, что является следствием редуктивной эволюции. Уровни экспрессии некоторых псевдогенов Mycobacterium leprae изменяются при инфицировании макрофагов, что указывает на то, что некоторые псевдогены Mycobacterium leprae не являются полностью "инертными", а могут играть роль в инфекции, внутриклеточном размножении и репликации. Редукция генома не завершена. Уменьшение генома с 4,42 Мбп, как у M. tuberculosis, до 3,27 Мбп объясняет потерю примерно 1200 кодирующих белок последовательностей.

Необходимые ферменты

Существует восемь необходимых ферментов для Mycobacterium leprae, и один из них – аланинрацемаза (alr). Этот фермент важен, поскольку он участвует в работе D-аланин-D-аланин лигазы и метаболизме аланина/аспартата. Другие необходимые ферменты включают предполагаемую dTDP4-дегидрорамнозную 3,5-эпимеразу (rm1C), которая играет важную роль как в метаболизме нуклеотидных сахаров, так и в биосинтезе поликетидных сахаридных единиц. Для биосинтеза пептидогликана также необходимы murG, murF, MurE, murY, murC и murD – остальные шесть необходимых ферментов для Mycobacterium leprae.

Распространение

Бактерия имеет глобальное распространение среди людей, но наибольшая распространенность наблюдается в Африке к югу от Сахары, Азии и Южной Америке. Географические регионы, где встречается Mycobacterium leprae, включают: Анголу, Бразилию, Центральноафриканскую Республику, Демократическую Республику Конго, Федеративные Штаты Микронезии, Индию, Кирибати, Мадагаскар, Непал, Республику Маршалловых Островов и Объединенную Республику Танзания. С момента внедрения многолекарственной терапии (МЛТ) в 1980-х годах заболеваемость проказой снизилась на 95%. Это привело к тому, что Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила проказу ликвидированной как проблему общественного здравоохранения, определяемую как распространенность менее одного случая проказы на 10 000 населения. Помимо передачи Mycobacterium leprae от инфицированных людей, источники в окружающей среде также могут являться важным резервуаром. ДНК Mycobacterium leprae была обнаружена в почве из домов больных проказой в Бангладеш, в норах армадило в Суринаме и в местах обитания красных белок, пораженных лепрой, на Британских островах. Одно исследование выявило многочисленные сообщения о случаях проказы у людей, контактировавших с армадило в Соединенных Штатах. Высокие показатели инфицирования Mycobacterium leprae были зафиксированы у армадило в бразильском штате Пара, а у людей, часто употреблявших мясо армадило, наблюдались значительно более высокие титры специфического антигена M. leprae, фенольного гликолипида I (PGL I), по сравнению с теми, кто употреблял его реже или не употреблял вовсе. Исследование геномов, выделенных из средневековых случаев, оценило скорость мутаций в 6,13 × 10−9. Авторы также показали, что бактерия проказы в Америке была завезена из Европы. Практически полные последовательности Mycobacterium leprae были получены из средневековых скелетов с остеологическими поражениями, указывающими на лепру, из различных географических регионов Европы, с использованием методов захвата ДНК и высокопроизводительного секвенирования. Древние последовательности были сопоставлены с последовательностями современных штаммов, полученными из биопсий больных проказой с различными генотипами и географическим происхождением, что позволило получить новые сведения об эволюции и течении заболевания в истории, филогеографии микобактерий лепры и исчезновении проказы из Европы.

Патогенез

Инкубационный период Mycobacterium leprae варьируется от 9 месяцев до 20 лет. Бактерия реплицируется внутриклеточно в гистиоцитах и нервных клетках и существует в двух формах. Одна из них – "туберкулоидная", которая индуцирует клеточный иммунный ответ, ограничивающий ее рост, и характеризуется небольшим количеством обнаруживаемых бацилл (пауцибациллярная). При этой форме Mycobacterium leprae размножается в месте проникновения, обычно на коже, проникая и колонизируя клетки Шванна. Бактерия затем вызывает инфильтрацию кожи Т-хелперами, эпителиоидными клетками и гигантскими клетками, что приводит к появлению у инфицированных людей крупных, плоских пятен с приподнятыми, возвышающимися красными краями. Эти пятна имеют сухие, бледные, безволосые центры, сопровождающиеся потерей чувствительности кожи. Потеря чувствительности может развиться вследствие инвазии периферических сенсорных нервов. Пятно в месте проникновения в кожу и потеря болевой чувствительности являются ключевыми клиническими признаками туберкулоидной формы лепры. Вторая форма лепры – "лепроматозная", при которой микробы пролиферируют внутри макрофагов в месте проникновения и характеризуется большим количеством обнаруживаемых бацилл (многобациллярная).

Симптомы инфекции Mycobacterium leprae

Симптомами инфекции Mycobacterium leprae, также известной как лепра, являются кожные язвы бледного цвета, уплотнения или бугорки, которые не проходят в течение нескольких недель или месяцев, повреждение нервов, которое может привести к осложнениям с восприятием ощущений в руках и ногах, а также к мышечной слабости. Симптомы обычно проявляются через 3–5 лет после заражения. Однако у некоторых людей симптомы начинают проявляться только через 20 лет после контакта с болезнью. Этот длительный инкубационный период значительно затрудняет точную диагностику времени заражения. У броненосцев Mycobacterium leprae вызывает генерализованную инфекцию с аналогичными структурными и патологическими изменениями в тканях и нервах. У белок, согласно данным Ветеринарно-патологического подразделения Эдинбургского университета, "болезнь легко узнаваема: наблюдается выраженный отек и потеря шерсти вокруг морды, губ, век, ушей, половых органов, а иногда и ног и нижних конечностей. Эта оголенная кожа имеет "блестящий" вид. Обычно белка находится в плохом физическом состоянии и может быть заражена большим количеством паразитов, таких как блохи, клещи и чесотки."

Лечение

Микольные кислоты в клеточных стенках бактерий обеспечивают устойчивость ко многим антибиотикам и являются важным фактором вирулентности. Многолекарственная терапия (МЛТ) была рекомендована экспертным комитетом ВОЗ в 1984 году и стала стандартным лечением проказы. С 1995 года ВОЗ бесплатно предоставляет МЛТ эндемичным странам. МЛТ используется для лечения проказы, поскольку лечение проказы одним препаратом (монотерапия) может привести к лекарственной устойчивости. Комбинация препаратов, используемая в МЛТ, зависит от классификации заболевания. ВОЗ рекомендует пациентам с мультибациллярной проказой использовать комбинацию рифампицина, клофазимина и дапсона в течение 12 месяцев. ВОЗ рекомендует пациентам с пауцибациллярной проказой использовать комбинацию рифампицина и дапсона в течение 6 месяцев. Антибиотики необходимо принимать регулярно до полного завершения лечения, так как Mycobacterium leprae может приобрести лекарственную устойчивость. Эффективность лечения можно оценить с помощью кислотоустойчивой окраски Mycobacterium leprae из мазка кожи для определения количества оставшихся бацилл у пациента. Ежегодно регистрируется около 250 000 случаев проказы, что указывает на то, что цепочка передачи заболевания еще не разорвана, несмотря на использование МЛТ, которое привело к снижению распространенности проказы на 90%. Это ясно показывает, что контроль над заболеванием еще не достиг необходимого уровня, что требует продолжения исследований в области лечения и профилактики. Слепота, деформация рук и ног, паралич – все это последствия повреждения нервов, вызванного нелеченной M. leprae. Лечение не восстанавливает поврежденные нервы, поэтому важно начать лечение на ранней стадии.

Цели антибиотиков

Дапсон конкурентно ингибирует фермент дигидроптероатсинтазу (DHPS), что приводит к снижению выработки тетрагидрофолата – важного компонента биосинтеза нуклеиновых кислот в M. leprae. Рифампин нарушает связывание β-субъединицы ДНК-зависимой РНК-полимеразы, что приводит к прекращению синтеза мРНК и гибели клеток. Механизмы действия клофазимина в отношении Mycobacterium leprae изучены не полностью, однако, связывание препарата, по-видимому, происходит в участках ДНК, богатых гуанином, что может объяснять предпочтение клофазимина к геномам микобактерий с высоким содержанием G+C по сравнению с человеческой ДНК. Показано, что связывание клофазимина с микобактериальной ДНК обладает слабой бактерицидной активностью против Mycobacterium leprae у мышей, поэтому он не подходит для монотерапии лепры. Из трех основных препаратов рифампин обладает большей бактерицидной активностью, чем дапсон или клофазимин.

Потенциальные мишени антибиотиков

Важно найти новые мишени для антибиотиков в связи с растущей устойчивостью к ним. Mycobacterium leprae обладает шестью жизненно важными ферментами – murC, murD, murE, murF, murG и murY, – все из которых необходимы для биосинтеза пептидогликана в M. leprae. Эти ферменты и сам процесс биосинтеза пептидогликана представляют собой потенциальные мишени для антибиотиков. Воздействуя на эти ферменты, которые катализируют присоединение коротких полипептидных цепей, можно предотвратить синтез бактериальной клеточной стенки.

Резистентность к антибиотикам

Резистентность к антибиотикам наблюдается примерно в 10% новых случаев проказы и примерно в 15% случаев рецидивов. Считается, что лекарственная устойчивость Mycobacterium leprae обусловлена генетическими изменениями в мишенях антибиотиков и снижением проницаемости клеточной стенки. По сравнению с количеством эффлюксных насосов у M. tuberculosis, Mycobacterium leprae содержит примерно вдвое меньше. Эффлюксные насосы, способствующие лекарственной устойчивости и вирулентности у M. tuberculosis, сохранились в геноме Mycobacterium leprae в процессе редуктивной эволюции. Альберт Людвиг Зигсмунд Найссер подтвердил бактериальную природу возбудителя и спорил с Хансеном о приоритете открытия. Попытки Хансена заразить животных бактериями оказались безуспешными. В 1879 году он без согласия ввёл ткань человека с лепроматозной проказой в глаз 33-летней Кари Нильсдаттер, страдавшей более лёгкой туберкулоидной формой инфекции, после чего был уволен из больницы проказы в Бергене и лишён права заниматься медицинской практикой. Этот случай мало повлиял на профессиональную репутацию Хансена, и он продолжил свои исследования.