Введение
Вид бактерии Vibrio cholerae – это вид грамотрицательных, факультативных анаэробов, имеющих форму запятой. Бактерии естественным образом обитают в солоноватой или морской воде, где они легко прикрепляются к хитиновым панцирям крабов, креветок и других моллюсков. Некоторые штаммы V. cholerae патогенны для человека и вызывают смертельное заболевание – холеру, которая может возникнуть при употреблении недостаточно приготовленных или сырых морепродуктов, либо при питье загрязненной воды. V. cholerae впервые был описан Феликсом Архимедом Пуше в 1849 году как некий вид простейших. Филиппо Пачини правильно идентифицировал его как бактерию, и от него было принято научное название. Роберт Кох обнаружил бактерию как причину холеры в 1884 году. Самбху Натх Де изолировал холерный токсин и доказал, что именно он является причиной холеры в 1959 году. Бактерия имеет жгутик (структуру, похожую на хвост) на одном полюсе и несколько пилей по всей поверхности клетки. Она осуществляет дыхательный и бродильный метаболизм. Две серогруппы – O1 и O139 – ответственны за вспышки холеры. Инфицирование происходит главным образом при употреблении загрязненной воды или пищи, содержащей фекалии инфицированного человека, поэтому связано с санитарными условиями и гигиеной. Попадая внутрь организма, бактерия проникает в слизистую оболочку кишечника, что может вызвать диарею и рвоту у восприимчивого организма в течение нескольких часов – 2–3 дней после заражения. Раствор Рингера лактата и пероральные регидратационные растворы в сочетании с антибиотиками, такими как фторхинолоны и тетрациклины, являются распространенными методами лечения в тяжелых случаях. V. cholerae содержит две кольцевые ДНК. Одна ДНК производит холерный токсин (CT) – белок, вызывающий обильную водянистую диарею (известную как "стул, похожий на рисовый отвар"). Однако ДНК не кодирует токсин напрямую, поскольку гены холерного токсина переносятся CTXphi (CTXφ) – умеренным бактериофагом (вирусом). Вирус производит токсин только при встраивании в ДНК бактерии. Кворумное зондирование у V. cholerae хорошо изучено, оно активирует иммунный ответ хозяина и продлевает его выживаемость, ограничивая потребление бактериями питательных веществ, таких как триптофан, который затем превращается в серотонин. Таким образом, кворумное зондирование обеспечивает комменсальное взаимодействие между хозяином и патогенными бактериями. Теория миазмов, согласно которой инфекции распространяются через загрязненный воздух, больше не была удовлетворительным объяснением. Английский врач Джон Сноу первым в 1854 году в Лондоне представил убедительные доказательства того, что холера распространяется через питьевую воду – это заразное заболевание, а не миазма. Однако он не смог идентифицировать патогены, что заставило большинство людей продолжать верить в миазматическое происхождение болезни. V. cholerae впервые был обнаружен и идентифицирован под микроскопом французским зоологом Феликсом Архимедом Пуше. В 1849 году Пуше исследовал образцы стула четырех пациентов, страдающих холерой. Его доклад перед Французской академией наук 23 апреля был зафиксирован следующим образом: "[Пуше] смог подтвердить, что в этих [фекалиях больных холерой] содержится огромное количество микроскопических инфузорий". Как сообщается в Gazette medicale de Paris (1849, с. 327), в письме, зачитанном на заседании Парижской академии наук 23 апреля 1849 года, Пуше объявил, что организмы являются инфузориями – названием, которое тогда использовалось для микроскопических протистов, и назвал их "Vibrio rugula of Mueller and Shrank" – видом простейших, описанным датским натуралистом Отто Фридрихом Мюллером в 1786 году.
Vibrio cholerae is a species of Gram negative, facultative anaerobe and comma shaped bacteria. The bacteria naturally live in brackish or saltwater where they attach themselves easily to the chitin containing shells of crabs, shrimp, and other shellfish. Some strains of V. cholerae are pathogenic to humans and cause a deadly disease called cholera, which can be derived from the consumption of undercooked or raw marine life species or drinking contaminated water. V. cholerae was first described by Félix Archimède Pouchet in 1849 as some kind of protozoa. Filippo Pacini correctly identified it as a bacterium and from him, the scientific name is adopted. The bacterium as the cause of cholera was discovered by Robert Koch in 1884. Sambhu Nath De isolated the cholera toxin and demonstrated the toxin as the cause of cholera in 1959. The bacterium has a flagellum (a tail like structure)at one pole and several pili throughout its cell surface. It undergoes respiratory and fermentative metabolism. Two serogroups called O1 and O139 are responsible for cholera outbreaks. Infection is mainly through drinking contaminated water or ingestion of food contaminated with faecal matter from an infected person, therefore is linked to sanitation and hygiene. When ingested, it invades the intestinal mucosa which can cause diarrhea and vomiting in a host within several hours to 2–3 days of ingestion. Ringers lactate and Oral rehydration solution combined with antibiotics such as fluoroquinolones and tetracyclines are the common treatment methods in severe cases. V. cholerae has two circular DNA. One DNA produces the cholera toxin (CT), a protein that causes profuse, watery diarrhea (known as "rice water stool"). But the DNA does not directly code for the toxin as the genes for cholera toxin are carried by CTXphi (CTXφ), a temperate bacteriophage (virus). The virus only produces the toxin when inserted into the bacterial DNA. Quorum sensing in V. cholerae is well studied and it activates host immune signaling and prolongs host survival, by limiting the bacterial intake of nutrients, such as tryptophan, which further is converted to serotonin. As such, quorum sensing allows a commensal interaction between host and pathogenic bacteria. The miasma theory, which posited that infections spread through contaminated air, was no longer a satisfactory explanation. The English physician John Snow was the first to give convincing evidence in London in 1854 that cholera was spread from drinking water – a contagion, not miasma. Yet he could not identify the pathogens, which made most people still believe in the miasma origin. V. cholerae was first observed and recognized under microscope by the French zoologist Félix Archimède Pouchet. In 1849, Pouchet examined the stool samples of four people having cholera. His presentation before the French Academy of Sciences on 23 April was recorded as: "[Pouchet] could verify that there existed in these [cholera patients] dejecta an immense quantity of microscopic infusoria." As summarised in the Gazette medicale de Paris (1849, p 327), in a letter read at the 23 April 1849 meeting of the Paris Academy of Sciences, Pouchet announced that the organisms were infusoria, a name then used for microscopic protists, naming them as the 'Vibrio rugula of Mueller and Shrank', a species of protozoa described by Danish naturalist Otto Friedrich Müller in 1786.
Определение бактерии
Итальянский врач Филиппо Пачини, исследуя вспышку холеры во Флоренции в конце 1854 года, идентифицировал возбудителя болезни как новый тип бактерий. Он проводил вскрытия трупов и тщательно изучал ткани и жидкости тела под микроскопом. Из фекалий и слизистой оболочки кишечника он обнаружил множество бактерий, имеющих форму запятой. Сообщая о своем открытии перед Медико-физическим обществом Флоренции 10 декабря и опубликовав его в номере "Gazzetta Medica Italiana" (Итальянский медицинский вестник) от 12 декабря, Пачини заявил: «Небольшое количество материала из рвоты, которое я смог исследовать во втором и третьем случаях холеры, содержало гранулированные скопления, подобные тем, что образуются на поверхности загрязненных вод при развитии вибрионов; из них я обнаружил некоторые бактерии рода Bacterium, в то время как большая часть, из-за своего крайне малого размера, была удалена при декантации жидкости». [Из немногих образцов рвоты, которые я смог изучить во втором и третьем случаях холеры, я также обнаружил гладкие гранулярные массы, подобные тем, которые образуются на поверхности грязных вод, когда они собираются для развития вибрионов; из которых я действительно обнаружил некоторые из рода Bacterium, в то время как большая часть, из-за их крайней малости, была удалена вместе с жидкостью.] Таким образом, Пачини ввел название "вибрионы" (лат. vībro означает "быстро двигаться вперед и назад, трясти, взбалтывать"). Примерно в то же время каталонский врач Хоаким Бальсельс-и-Паскуаль также сообщил об обнаружении подобной бактерии. Открытие новой бактерии не было признано важным с медицинской точки зрения, поскольку бактерия не была напрямую связана с холерой. Пачини также отметил, что нет оснований утверждать, что бактерия является причиной болезни, поскольку ему не удалось получить чистую культуру и провести необходимые эксперименты, «чтобы приписать холере свойство заразности».
Восстановление
Медицинское значение и связь между бактерией и болезнью холера были установлены немецким врачом Робертом Кохом. В августе 1883 года Кох с группой немецких врачей отправился в Александрию (Египет) для исследования эпидемии холеры. Кох обнаружил, что бактерия постоянно присутствовала в слизистой оболочке кишечника умерших от холеры, однако не смог подтвердить, является ли она причиной заболевания. Он перебрался в Калькутту (ныне Колката), Индия, где эпидемия протекала более тяжело. Именно там 7 января 1884 года ему удалось выделить бактерию в чистой культуре. Впоследствии он подтвердил, что бактерия представляет собой новый вид, и описал её как "слегка изогнутую, похожую на запятую". Хотя Кох был уверен, что бактерия является возбудителем холеры, ему не удалось получить окончательные доказательства того, что она вызывает симптомы у здоровых людей (важный аспект, впоследствии вошедший в постулаты Коха). Его эксперименты на животных с использованием чистой бактериальной культуры не привели к развитию заболевания ни у одного из испытуемых, и он правильно заключил, что животные невосприимчивы к человеческому патогену. К тому времени бактерия была известна как "бацилла запятой". Лишь в 1959 году в Калькутте индийский врач Самбху Натх Де выделил холерный токсин и доказал, что именно он вызывает холеру у здоровых людей, окончательно подтвердив связь между бактерией и болезнью.
Таксономия
Пачини использовал название "вибрио холерный" без надлежащего бинарного наименования для обозначения бактерии. После описания Коха получило распространение научное название Bacillus comma. Однако итальянский бактериолог Витторе Тревизан в 1884 году опубликовал, что бактерия Коха идентична бактерии, описанной Пачини, и предложил название Bacillus cholerae. Немецкий врач Рихард Фридрих Иоганнес Пфайффер в 1896 году переименовал её в Vibrio cholerae. В 1964 году Рудольф Хью из Медицинской школы Университета Джорджа Вашингтона предложил использовать род Vibrio с типовым видом V. cholerae (Pacini 1854) в качестве постоянного наименования бактерии, несмотря на то, что такое же название используется для простейших. Это предложение было принято Судебной комиссией Международного комитета по бактериологической номенклатуре в 1965 году и Международной ассоциацией микробиологических обществ в 1966 году.
Характеристики
V. cholerae – это высокоподвижная, изогнутая в форме запятой, грамотрицательная палочка. Активное движение V. cholerae послужило вдохновением для названия рода, поскольку "vibrio" в латинском языке означает "дрожать". За исключением V. cholerae и V. mimicus, все остальные виды вибрионов являются галофильными. Первичные изоляты слегка изогнуты, в то время как при культивировании в лаборатории они могут выглядеть как прямые стержни. У бактерии имеется жгутик на одном из полюсов клетки, а также пили. Она устойчива к щелочным средам, которые убивают большинство кишечных сожителей, но чувствительна к кислоте. Это аэроб, в то время как все остальные вибрионы – факультативные анаэробы и способны осуществлять как дыхательный, так и бродильный метаболизм, со средней скоростью плавания около 75,4 мкм/сек.
Патогенность
Патогенные гены V. cholerae кодируют белки, непосредственно или косвенно участвующие в вирулентности бактерий. Для адаптации к кишечной среде хозяина и предотвращения атаки желчных кислот и антимикробных пептидов, V. cholera использует свои внешние мембранные везикулы (OMV). При проникновении бактерия высвобождает свои ОМВ, содержащие все мембранные модификации, делающие ее уязвимой для атаки со стороны хозяина. Во время инфекции V. cholerae секретирует холерный токсин (CT) – белок, вызывающий обильную водянистую диарею (известную как "рисовый стул"). Системы регуляции транскрипции (TCS) позволяют бактериям реагировать на изменения окружающей среды. Здесь малые молекулы РНК (sRNA) связываются с мРНК, блокируя трансляцию или индуцируя деградацию ингибиторов экспрессии генов вирулентности или колонизации. В эндемичных районах 75% случаев протекают бессимптомно, 20% – в легкой или умеренной форме, а у 2–5% развиваются тяжелые формы, такие как холера гравис. Исследование, проведенное Центрами по контролю и профилактике заболеваний (CDC) на Гаити, показало, что у 16% из 900 беременных женщин, заразившихся этой болезнью, произошла гибель плода. Факторами риска для этих смертей являются: третий триместр беременности, молодой возраст матери, тяжелое обезвоживание и рвота. Обезвоживание представляет наибольшую опасность для здоровья беременных женщин в странах с высоким уровнем заболеваемости холерой. В случаях холеры гравис, сопровождающихся тяжелым обезвоживанием, до 60% пациентов могут умереть; однако менее 1% случаев, леченных регидратационной терапией, оказываются смертельными. Болезнь обычно длится 4–6 дней. Во всем мире диарейные заболевания, вызванные холерой и многими другими патогенами, являются второй ведущей причиной смерти детей в возрасте до 5 лет, и ежегодно, по оценкам, холера становится причиной не менее 120 000 смертей. В 2002 году ВОЗ оценила коэффициент смертности от холеры в 3,95%. Она также может распространяться при контакте кожи с зараженными человеческими фекалиями. Не у всех инфицированных проявляются симптомы, лишь у примерно 1 из 10 человек развивается диарея. Основные симптомы включают: водянистую диарею, рвоту, учащенное сердцебиение, потерю эластичности кожи, снижение артериального давления, жажду и мышечные судороги. Вспышка объявляется, когда число случаев заболевания превышает обычный уровень для данного времени и места. Эпидемии могут длиться от нескольких дней до нескольких лет. Кроме того, страны, в которых наблюдается эпидемия, также могут быть эндемичными. Эпидемия в Йемене унесла более 2500 жизней и затронула более 1 миллиона человек. Важной мерой предосторожности является надлежащая санитария. Гигиена рук необходима в местах, где нет мыла и воды. При отсутствии условий для мытья рук, руки следует протирать золой или песком и ополаскивать чистой водой. Для путешественников в районы, где холера распространена, доступна вакцина в одной дозе. Существует вакцина против V. cholerae для профилактики распространения болезни, известная как "оральная холерная вакцина" (OCV). Для профилактики доступны три типа OCV: Dukoral®, Shanchol™ и Euvichol Plus®. Для полной эффективности все три OCV требуют двух доз. Страны, являющиеся эндемичными или находящиеся в эпидемическом состоянии, имеют право на получение вакцины на основании нескольких критериев: риск холеры, тяжесть холеры, условия водоснабжения, санитарии и гигиены (WASH) и возможности их улучшения, условия здравоохранения и возможности их улучшения, возможности проведения кампаний вакцинации OCV, возможности проведения мониторинга и оценки (M&E), приверженность на национальном и местном уровнях. С мая, начала программы OCV, по май 2018 года более 25 миллионов доз вакцины были распределены в страны, соответствующие вышеуказанным критериям. V. cholerae имеет две кольцевые хромосомы, общая длина которых составляет 4 миллиона пар оснований ДНК и содержит 3885 предсказанных генов. Гены холерного токсина переносятся CTXphi (CTXφ) – умеренным бактериофагом, встроенным в геном V. cholerae. CTXφ может передавать гены холерного токсина от одного штамма V. cholerae к другому, что является одним из видов горизонтального переноса генов. Гены для токсин-корегулируемого пилюса кодируются островом патогенности Vibrio (VPI), который отделен от профага.
Экология и эпидемиология
Основными резервуарами V. cholerae являются водные источники, такие как реки, солоноватые воды и устья рек, часто в ассоциации с копеподами или другим зоопланктоном, моллюсками и водными растениями. Инфекции холерой чаще всего приобретаются при употреблении питьевой воды, в которой V. cholerae присутствует естественным образом или в которую она попадает из фекалий инфицированного человека. Холера наиболее вероятно встречается и распространяется в местах с недостаточной очисткой воды, плохой санитарией и недостаточной гигиеной. Другими распространенными путями передачи являются сырая или недостаточно приготовленная рыба и морепродукты. Передача от человека к человеку крайне маловероятна, и случайный контакт с инфицированным человеком не представляет риска заражения. V. cholerae хорошо размножается в водной среде, особенно в поверхностных водах. Основная связь между человеком и патогенными штаммами осуществляется через воду, особенно в экономически неблагополучных регионах, где отсутствуют эффективные системы очистки воды. Установлена симбиотическая связь между V. cholerae и Ruminococcus obeum. Автоиндуктор R. obeum подавляет экспрессию нескольких факторов вирулентности V. cholerae. Вероятно, этот ингибирующий механизм присутствует и у других видов кишечной микробиоты, что открывает возможности для изучения микробиоты кишечника представителей определенных сообществ, которые могут использовать автоиндукторы или другие механизмы для ограничения колонизации V. cholerae или других энтеропатогенов. Ежегодно в мире от вспышек холеры погибает около 120 000 человек. С 1817 года было зарегистрировано примерно семь пандемий, первая из которых возникла на Индийском субконтиненте и распространилась по миру. В последнее время новые варианты штаммов были обнаружены в нескольких регионах Азии и Африки. Наблюдения указывают на то, что эти штаммы вызывают более тяжелое течение холеры с более высокой летальностью.
Естественная генетическая трансформация
V. cholerae может быть индуцирована к состоянию компетентности для естественной генетической трансформации при выращивании на хитине – биополимере, широко распространенном в водных средах обитания (например, в экзоскелетах ракообразных). Естественная генетическая трансформация – это процесс, подобный половому, включающий передачу ДНК от одной бактериальной клетки к другой через окружающую среду и интеграцию донорной последовательности в геном реципиента посредством гомологичной рекомбинации. Компетентность к трансформации у V. cholerae стимулируется повышением плотности клеток в сочетании с ограничением питательных веществ, снижением скорости роста или стрессом. Существуют две модели генетической трансформации: гипотеза полового процесса и модель компетентных бактерий.