Введение
Вид бактерии Streptococcus pneumoniae, или пневмококк, является грамположительной, сферической бактерией, альфа-гемолитическим представителем рода Streptococcus. Обычно они встречаются парами (диплококки), не образуют спор и неподвижны. В конце XIX века S. pneumoniae была признана основной причиной пневмонии и является объектом многочисленных исследований гуморального иммунитета. Streptococcus pneumoniae бессимптомно присутствует у здоровых носителей, обычно колонизируя дыхательные пути, придаточные пазухи носа и носовую полость. Однако у восприимчивых людей с ослабленной иммунной системой, таких как пожилые люди и маленькие дети, бактерия может стать патогенной и распространяться в другие места, вызывая заболевание. Распространение происходит при прямом контакте от человека к человеку через капли, выделяемые при дыхании, а также путем аутоинокуляции у людей, являющихся носителями бактерии в верхних дыхательных путях. Она может быть причиной инфекций у новорожденных. Streptococcus pneumoniae является основной причиной внебольничной пневмонии и менингита у детей и пожилых людей, а также сепсиса у людей, инфицированных ВИЧ. Этот организм также вызывает множество типов пневмококковых инфекций, помимо пневмонии. К этим инвазивным пневмококковым заболеваниям относятся бронхит, ринит, острый синусит, средний отит, конъюнктивит, менингит, сепсис, остеомиелит, септический артрит, эндокардит, перитонит, перикардит, целлюлит и абсцесс мозга. Streptococcus pneumoniae можно отличить от виридансных стрептококков, некоторые из которых также являются альфа-гемолитическими, с помощью теста с оптохином, поскольку S. pneumoniae чувствительна к оптохину. S. pneumoniae также можно различить по ее чувствительности к лизису желчью, так называемому "тесту на растворимость в желчи". Грамположительные кокковидные бактерии имеют характерную морфологию при окраске по Граму, в виде ланцетных диплококков. Они имеют полисахаридную капсулу, которая является фактором вирулентности организма; известно более 100 различных серотипов, которые различаются по вирулентности, распространенности и степени лекарственной устойчивости. Капсульный полисахарид (CPS) служит важнейшим защитным механизмом против иммунной системы хозяина. Он составляет внешний слой капсулированных штаммов S. pneumoniae и обычно прикреплен к пептидогликану клеточной стенки. Он состоит из вязкого вещества, полученного из полимера с высокой молекулярной массой, состоящего из повторяющихся олигосахаридных звеньев, связанных ковалентными связями с клеточной стенкой. Вирулентность и инвазивность различных штаммов S. pneumoniae варьируются в зависимости от их серотипов, определяемых их химическим составом и количеством производимого ими CPS. Вариации между различными штаммами S. pneumoniae оказывают значительное влияние на патогенез, определяя выживаемость бактерий и вероятность развития инвазивного заболевания. Кроме того, CPS ингибирует фагоцитоз, препятствуя доступу гранулоцитов к клеточной стенке.
Streptococcus pneumoniae, or pneumococcus, is a Gram positive, spherical bacteria, alpha hemolytic member of the genus Streptococcus. They are usually found in pairs (diplococci) and do not form spores and are non motile. As a significant human pathogenic bacterium S. pneumoniae was recognized as a major cause of pneumonia in the late 19th century, and is the subject of many humoral immunity studies. Streptococcus pneumoniae resides asymptomatically in healthy carriers typically colonizing the respiratory tract, sinuses, and nasal cavity. However, in susceptible individuals with weaker immune systems, such as the elderly and young children, the bacterium may become pathogenic and spread to other locations to cause disease. It spreads by direct person to person contact via respiratory droplets and by auto inoculation in persons carrying the bacteria in their upper respiratory tracts. It can be a cause of neonatal infections. Streptococcus pneumoniae is the main cause of community acquired pneumonia and meningitis in children and the elderly, and of sepsis in those infected with HIV. The organism also causes many types of pneumococcal infections other than pneumonia. These invasive pneumococcal diseases include bronchitis, rhinitis, acute sinusitis, otitis media, conjunctivitis, meningitis, sepsis, osteomyelitis, septic arthritis, endocarditis, peritonitis, pericarditis, cellulitis, and brain abscess. Streptococcus pneumoniae can be differentiated from the viridans streptococci, some of which are also alpha hemolytic, using an optochin test, as S. pneumoniae is optochin sensitive. S. pneumoniae can also be distinguished based on its sensitivity to lysis by bile, the so called "bile solubility test". The encapsulated, Gram positive, coccoid bacteria have a distinctive morphology on Gram stain, lancet shaped diplococci. They have a polysaccharide capsule that acts as a virulence factor for the organism; more than 100 different serotypes are known, and these types differ in virulence, prevalence, and extent of drug resistance. The capsular polysaccharide (CPS) serves as a critical defense mechanism against the host immune system. It composes the outermost layer of encapsulated strains of S. pneumoniae and is commonly attached to the peptidoglycan of the cell wall. It consists of a viscous substance derived from a high molecular weight polymer composed of repeating oligosaccharide units linked by covalent bonds to the cell wall. The virulence and invasiveness of various strains of S. pneumoniae vary according to their serotypes, determined by their chemical composition and the quantity of CPS they produce. Variations among different S. pneumoniae strains significantly influence pathogenesis, determining bacterial survival and likelihood of causing invasive disease. Additionally, the CPS inhibits phagocytosis by preventing granulocytes’ access to the cell wall.
История
В 1881 году организм, который позже, в 1886 году, стал известен как пневмококк, был исследован французским химиком Луи Пастером. С 1920 года организм назывался Diplococcus pneumoniae из-за его характерного вида при окраске по Граму в мокроте. В 1974 году его переименовали в Streptococcus pneumoniae из-за его большого сходства со стрептококками. Streptococcus pneumoniae сыграл ключевую роль в доказательстве того, что генетический материал состоит из ДНК. В 1928 году Фредерик Гриффит продемонстрировал трансформацию, превратив безобидный пневмококк в летальную форму, путем совместного введения живых пневмококков мыши с нагретыми и убитыми вирулентными пневмококками. В 1944 году Освальд Эйвери, Колин МакЛеод и Маклин МакКарти показали, что трансформирующий фактор в эксперименте Гриффита был не белком, как общепринято считалось в то время, а ДНК. Работа Эйвери ознаменовала начало молекулярной эры генетики.
Генетика
Геном S. pneumoniae представляет собой замкнутую, кольцевую структуру ДНК, содержащую от 2,0 до 2,1 миллиона пар оснований, в зависимости от штамма. Он включает в себя основной набор из 1553 генов, а также 154 гена в вируломе, которые способствуют вирулентности, и 176 генов, поддерживающих неинвазивный фенотип. Генетическая информация может различаться до 10% между штаммами. Геном пневмококка известен своим большим и разнообразным набором антимикробных пептидов, включая 11 различных лантибиотиков.
Преобразование
Природная бактериальная трансформация включает передачу ДНК от одной бактерии к другой через окружающую среду. Трансформация – это сложный процесс развития, требующий энергии и зависящий от экспрессии многочисленных генов. Для трансформации *S. pneumoniae* требуется не менее 23 генов. Чтобы бактерия могла связывать, поглощать и рекомбинировать экзогенную ДНК в свою хромосому, она должна войти в особое физиологическое состояние, называемое компетентностью. Компетентность *S. pneumoniae* индуцируется агентами, повреждающими ДНК, такими как митомицин С, фторхинолоновые антибиотики (норфлоксацин, левофлоксацин и моксифлоксацин) и ингибиторы топоизомеразы. Трансформация защищает *S. pneumoniae* от бактерицидного эффекта митомицина С. Michod et al. обобщили данные, свидетельствующие о том, что индукция компетентности у *S. pneumoniae* связана с повышенной устойчивостью к окислительному стрессу и повышенной экспрессией белка RecA, ключевого компонента механизма рекомбинационного восстановления для устранения повреждений ДНК. На основании этих данных они предположили, что трансформация является адаптацией для восстановления окислительных повреждений ДНК. Инфекция *S. pneumoniae* стимулирует полиморфноядерные лейкоциты (гранулоциты) к производству окислительного всплеска, который потенциально летален для бактерий. Способность *S. pneumoniae* восстанавливать окислительные повреждения ДНК в своем геноме, вызванные этой защитной реакцией организма хозяина, вероятно, способствует вирулентности патогена. В соответствии с этой предпосылкой, Li et al. сообщили, что среди различных высокотрансформируемых изолятов *S. pneumoniae* пригодность к колонизации носа и вирулентность (инфекционность легких) зависят от целостной системы компетентности.
Инфекция
Streptococcus pneumoniae является частью нормальной микрофлоры верхних дыхательных путей. Как и многие представители естественной флоры, он может становиться патогенным при определенных условиях, обычно при подавлении иммунной системы хозяина. Инвазины, такие как пневмолизин, антифагоцитарная капсула, различные адгезины и иммуногенные компоненты клеточной стенки, являются основными факторами вирулентности. После колонизации S. pneumoniae воздушных пузырьков легких, организм реагирует стимуляцией воспалительного ответа, в результате чего плазма, кровь и лейкоциты заполняют альвеолы. Это состояние называется бактериальной пневмонией. S. pneumoniae подвергается спонтанной фазовой вариации, переключаясь между прозрачными и непрозрачными фенотипами колоний. Прозрачный фенотип характеризуется более тонкой капсулой и экспрессирует большое количество фосфорилхолина (ChoP) и холин-связывающего белка A (CbpA), что способствует способности бактерий прикрепляться и колонизировать носоглотку. Непрозрачный фенотип характеризуется более толстой капсулой, что приводит к повышенной устойчивости к элиминации хозяином. Он экспрессирует большое количество капсулы и пневмококкового поверхностного белка А (PspA), что помогает бактериям выживать в крови. Фазовая вариация между этими двумя фенотипами позволяет S. pneumoniae выживать в различных системах организма человека.
Болезни и симптомы
Пневмония – наиболее распространенное заболевание, вызываемое S. pneumoniae, которое проявляется такими симптомами, как лихорадка и озноб, кашель, учащенное дыхание, затрудненное дыхание и боль в груди. У пожилых людей могут наблюдаться спутанность сознания, снижение уровня сознания, а также вышеперечисленные симптомы, выраженные в меньшей степени. Пневмококковый менингит – это инфекция оболочек мозга и спинного мозга. Его симптомы включают ригидность затылочных мышц, лихорадку, головную боль, спутанность сознания и светобоязнь. Сепсис возникает в результате чрезмерной реакции организма на инфекцию и приводит к повреждению тканей, отказу органов и даже смерти. Симптомы включают спутанность сознания, одышку, учащенный сердечный ритм, боль или дискомфорт, повышенное потоотделение, лихорадку, озноб или ощущение холода.
Вакцина
Из-за значимости заболеваний, вызываемых S. pneumoniae, было разработано несколько вакцин для защиты от инвазивных инфекций. Всемирная организация здравоохранения рекомендует рутинную пневмококковую вакцинацию детей; она включена в календарь прививок для детей во многих странах, включая Соединенное Королевство, Соединенные Штаты и Южную Африку. В настоящее время доступны две вакцины против S. pneumoniae: пневмококковая полисахаридная вакцина (PPV23) и пневмококковая конъюгированная вакцина (PCV13). PPV23 действует, используя капсульный полисахарид (CPS) для стимуляции выработки антител, специфичных к определенному типу, и инициирует такие процессы, как активация комплемента, опсонизация и фагоцитоз для борьбы с бактериальными инфекциями. Она вызывает гуморальный иммунный ответ, направленный на CPS, присутствующий на поверхности бактерий. PPSV23 обеспечивает иммунитет, не требующий участия Т-клеток, и требует повторной вакцинации через 5 лет после первой, ввиду его недолговечности. PCV13 была разработана в связи с низкой эффективностью PPV23 у детей и младенцев. PCV13 вызывает иммунный ответ, зависящий от Т-клеток, и обеспечивает длительный иммунитет, стимулируя взаимодействие между B- и T-клетками, что приводит к усиленному и продолжительному иммунному ответу.
Биотехнология
Компоненты S. pneumoniae нашли применение в различных областях биотехнологии. Путем модификации поверхностных молекул этой бактерии белки можно необратимо связывать, используя фермент сортазу или реакцию SnoopTag/SnoopCatcher. Кроме того, из S. pneumoniae были клонированы различные гликозидные гидролазы для анализа гликозилирования клеток.
Взаимодействие с Haemophilus influenzae
Исторически Haemophilus influenzae был значительной причиной инфекций, и как H. influenzae, так и S. pneumoniae можно обнаружить в верхних дыхательных путях человека. Исследование конкуренции in vitro показало, что S. pneumoniae подавляет H. influenzae, атакуя его перекисью водорода. Также имеются данные о том, что S. pneumoniae использует перекись водорода как фактор вирулентности. Однако в исследовании, где обе бактерии были введены в носовую полость мыши на протяжении двух недель, выживает только H. influenzae; дальнейший анализ показал, что нейтрофилы, контактировавшие с мертвыми H. influenzae, проявляли большую агрессию при атаке S. pneumoniae.
Диагноз
Диагноз обычно ставится на основании клинических подозрений в сочетании с положительным посевом из образца, взятого практически из любой области тела. S. pneumoniae, как правило, чувствителен к оптохину, хотя наблюдались случаи устойчивости к оптохину. Недавние достижения в области секвенирования нового поколения и сравнительной геномики позволили разработать надежные и точные молекулярные методы для обнаружения и идентификации S. pneumoniae. Например, ген Xisco был недавно описан как биомаркер для ПЦР-основанного обнаружения S. pneumoniae и его дифференциации от близкородственных видов. Атроментин и лейкомелон обладают антибактериальной активностью, ингибируя фермент эноил-ацил-носителя белковой редуктазы (необходимый для биосинтеза жирных кислот) в S. pneumoniae.
Сопротивление
Резистентные пневмококковые штаммы называются пневмококками, устойчивыми к пенициллину (PRP), Streptococcus pneumoniae, устойчивыми к пенициллину (PRSP), Streptococcus pneumoniae с устойчивостью к пенициллину (SPPR) или Streptococcus pneumoniae, устойчивыми к лекарственным препаратам (DRSP). В 2015 году в США было зарегистрировано около 30 000 случаев, и в 30% из них штаммы проявляли устойчивость к одному или нескольким антибиотикам.