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.

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.