Бордетелла: характеристики, виды и вызываемые заболевания

Введение

Род бактерий Bordetella (,/b//ɔːr//d//ə/'/t//ɛ//l//ə/) – это род небольших (0,2–0,7 мкм), грамотрицательных коккобацилл, относящихся к типу Pseudomonadota. Виды Bordetella, за исключением B. petrii, являются облигатными аэробами, а также весьма требовательны к условиям культивирования, или трудно культивируемы. Все виды способны инфицировать человека. Первые три описанных вида (B. pertussis, B. parapertussis, B. bronchiseptica) иногда называют «классическими видами». Два из них (B. pertussis и B. bronchiseptica) также подвижны. Существует около 16 различных видов Bordetella, предположительно произошедших от предков, обитавших в почвенной и/или водной среде. B. pertussis и иногда B. parapertussis вызывают коклюш у людей, а некоторые штаммы B. parapertussis колонизируют исключительно овец. B. bronchiseptica вызывает ряд заболеваний у других млекопитающих, включая инфекционный трахеобронхит у собак и атрофический ринит у свиней. Другие представители рода вызывают сходные заболевания у других млекопитающих и птиц (B. hinzii, B. avium). Род Bordetella назван в честь Жюля Борде.

Патогенез

Три наиболее распространенных вида бордетелл – B. pertussis, B. parapertussis и B. bronchiseptica. Эти виды известны своей способностью накапливаться в дыхательных путях млекопитающих. Чаще всего это наблюдается у младенцев как проявление заболевания, известного как коклюш. Конкретный вид, ответственный за это заболевание, – B. pertussis, который встречается исключительно у людей. Несмотря на обширные исследования вакцин против B. pertussis, коклюш по-прежнему считается эндемичным во многих странах. Учитывая, что B. pertussis встречается только у людей и демонстрирует незначительные генетические вариации по сравнению с другими видами Bordetella, предполагается, что он произошел от общего предка относительно недавно. B. parapertussis может инфицировать как людей, так и других млекопитающих, в основном овец. Подобно B. pertussis, он вызывает коклюш у младенцев. Однако при выделении штаммов, обнаруженных у овец, наблюдается четкое различие от штаммов, выделенных у людей. Это указывает на то, что различные штаммы этого вида эволюционировали независимо друг от друга – один у людей, другой у овец. Это различие означает, что передача между этими двумя резервуарами ограничена или отсутствует. Вид B. bronchiseptica (грам-отрицательный, аэробный) имеет более широкий круг хозяев, вызывая сходные симптомы у различных животных, хотя людей поражает лишь изредка. Эти симптомы часто проявляются в виде хронических и бессимптомных респираторных инфекций. B. bronchiseptica имеет небольшую форму коккобациллы размером около 0,5 мкм. Она обладает перитрихозными жгутиками, обеспечивающими подвижность. На чашке Петри колонии этого вида выглядят маленькими, серовато-белыми, гладкими и блестящими. Этот вид также часто ассоциируется с «питомниковым кашлем» (инфекционным респираторным заболеванием собак – CRID) у собак. Наиболее тщательно изучены виды B. bronchiseptica, B. pertussis и B. parapertussis, и патогенез респираторных заболеваний, вызываемых этими бактериями, был подробно рассмотрен. Передача происходит при прямом контакте, через респираторные аэрозольные капли или через контаминированные предметы. Бактерии первоначально прикрепляются к реснитчатым эпителиальным клеткам в носоглотке, и это взаимодействие опосредовано серией белковых адгезинов, включая нитевидный гемагглютинин, пертактин, фимбрии и коклюшный токсин (хотя экспрессия коклюшного токсина уникальна для B. pertussis). Помимо содействия адгезии к эпителиальным клеткам, некоторые из этих адгезинов также участвуют в прикреплении к эффекторным клеткам иммунной системы. Начальная катаральная фаза инфекции вызывает симптомы, сходные с симптомами обычной простуды, и в этот период из глотки можно выделить большое количество бактерий. Затем бактерии размножаются и распространяются глубже в дыхательные пути, где секреция токсинов вызывает цилиостаз и облегчает проникновение бактерий в реснитчатые клетки трахеи и бронхов. Одним из первых экспрессируемых токсинов является трахеальный цитотоксин – дисахаридный тетрапептид, производный от пептидогликана. В отличие от большинства других токсинов Bordetella, трахеальный цитотоксин экспрессируется конститутивно, являясь нормальным продуктом распада бактериальной клеточной стенки. Другие бактерии рециркулируют эту молекулу обратно в цитоплазму, но Bordetella и Neisseria gonorrhoeae высвобождают ее в окружающую среду. Сам трахеальный цитотоксин способен вызывать паралич ресничного эпителия, ингибировать синтез ДНК в эпителиальных клетках и, в конечном итоге, приводить к их гибели. Одним из наиболее важных регулируемых токсинов является аденилатциклазный токсин, который способствует уклонению от врожденного иммунитета. Токсин доставляется в фагоцитарные иммунные клетки при контакте. Функции иммунных клеток затем частично ингибируются в результате накопления циклического АМФ. Недавно обнаруженные функции аденилатциклазного токсина, включая формирование трансмембранных пор и стимуляцию притока кальция, также могут способствовать интоксикации фагоцитов.

The three most common species of Bordetella are B. pertussis, B. parapertussis and B. bronchiseptica. These species are known to accumulate in the respiratory tracts of mammals. This is most commonly seen in human infants as a product of an illness known as whooping cough. The particular species responsible for this illness is B. pertussis, and can only be found in humans. Even with extensive vaccination research on B. pertussis, whooping cough is still considered endemic in many countries. Due to the fact B. pertussis is only found in humans and shows little genetic variation from the other Bordetella species, it is thought that it was derived from a common ancestor in recent years. B. parapertussis can affect both humans and other mammals, primarily sheep. Similar to B. pertussis, it causes whooping cough in babies. Yet, when strains found in sheep are isolated there is a strong distinction between those found in humans. This suggests that the varying strains of this species evolved independently of one another, the one found in humans and the one found in sheep. With this particular distinction it means that there is little to no transmission between the two reservoirs. The species B. bronchiseptica (gram negative, aerobic) however has a broader host range, causing similar symptoms in a wide range of animals, while only occasionally affecting humans. These symptoms often manifest as chronic and asymptomatic respiratory infections. B. bronchiseptica is a small, coccobacillus shape sized at approximately 0.5 μm. It has peritrichous flagella that enables it to be motile. On a petri dish, colonies of this species appear small, grayish white, smooth, and shiny. This species is also typically associated with kennel cough (Canine Respiratory Infectious Disease (CRID)) in dogs. The most thoroughly studied of the Bordetella species are B. bronchiseptica, B. pertussis and B. parapertussis, and the pathogenesis of respiratory disease caused by these bacteria has been reviewed. Transmission occurs by direct contact, via respiratory aerosol droplets, or fomites. Bacteria initially adhere to ciliated epithelial cells in the nasopharynx, and this interaction with epithelial cells is mediated by a series of protein adhesins These include filamentous haemaglutinin, pertactin, fimbriae, and pertussis toxin (though expression of pertussis toxin is unique to B. pertussis). As well as assisting in adherence to epithelial cells, some of these are also involved in attachment to immune effector cells. The initial catarrhal phase of infection produces symptoms similar to those of the common cold, and during this period, large numbers of bacteria can be recovered from the pharynx. Thereafter, the bacteria proliferate and spread further into the respiratory tract, where the secretion of toxins causes ciliostasis and facilitates the entry of bacteria to tracheal/bronchial ciliated cells. One of the first toxins to be expressed is tracheal cytotoxin, which is a disaccharide tetrapeptide derived from peptidoglycan. Unlike most other Bordetella toxins, tracheal cytotoxin is expressed constitutively, being a normal product of the breakdown of the bacterial cell wall. Other bacteria recycle this molecule back into the cytoplasm, but in Bordetella and Neisseria gonorrhoeae, it is released into the environment. Tracheal cytotoxin itself is able to reproduce paralysis of the ciliary escalator, inhibition of DNA synthesis in epithelial cells and ultimately killing of the same. One of the most important of the regulated toxins is adenylate cyclase toxin, which aids in the evasion of innate immunity. The toxin is delivered to phagocytic immune cells upon contact. Immune cell functions are then inhibited in part by the resulting accumulation of cyclic AMP. Recently discovered activities of adenylate cyclase toxin, including transmembrane pore formation and stimulation of calcium influx, may also contribute to the intoxication of phagocytes.

Факторы вирулентности

Факторы вирулентности, выявленные у Bordetella, общи для всех трех видов. К ним относятся адгезины, такие как нитевидный гемагглютинин (FHA), пертактин, фактор колонизации трахеи и фимбрии, а также токсины, такие как аденилатциклазный гемолизин, дермонекротический токсин и трахеальный цитотоксин. Эти факторы чаще всего экспрессируются и регулируются стимулами окружающей среды. Различия в факторах вирулентности связаны с потерей регуляторных или контрольных функций. Bordetella sp. обычно обнаруживается в дыхательных путях и иммунной системе хозяина и может передаваться новым хозяевам. Большинство токсинов и адгезинов, контролируемых BvgAS, экспрессируются в условиях Bvg+ (высокая концентрация BvgA Pi). Но есть также гены, экспрессируемые исключительно в состоянии Bvg−, в первую очередь, ген флагеллина flaA. Регуляция Bvg-репрессированных генов опосредована продуктом открытого фрейма в 624 нуклеотида, расположенного ниже по течению от BvgA, так называемого Bvg-активированного репрессорного белка BvgR. BvgR связывается с консенсусной последовательностью, присутствующей в кодирующих областях по крайней мере некоторых Bvg-репрессированных генов. Связывание этого белка с консенсусной последовательностью приводит к экспрессии гена за счет снижения транскрипции. Физиологические сигналы для BvgS неизвестны, но in vitro BvgAS может быть инактивирован миллимолярными концентрациями сульфата магния или никотиновой кислоты, или при снижении температуры инкубации до ≤ 26 °C. Выявление специфической точечной мутации в гене BvgS, которая фиксирует B. bronchiseptica в промежуточной фазе Bvg, выявило класс генов, регулируемых BvgAS, которые транскрибируются исключительно при промежуточных концентрациях BvgA Pi. Этот промежуточный (Bvgi) фенотип может быть воспроизведен в диких типах B. bronchiseptica путем культивирования бактерий в среде, содержащей промежуточные концентрации модулятора BvgAS, никотиновой кислоты. В этих условиях экспрессируются некоторые, но не все факторы вирулентности, связанные с фазой Bvg+, что позволяет предположить, что эта двухкомпонентная регуляторная система может приводить к континууму фенотипических состояний в ответ на окружающую среду. В некоторых учреждениях это может быть необходимо для допуска. Вакцина также может быть введена кошкам, но это делается реже, поскольку инфекция редко встречается у взрослых кошек. Однако, может быть целесообразно вакцинировать котенка, если он находится в среде с высоким риском (например, живет с несколькими другими кошками). Вакцина против Bordetella специально нацелена на Bordetella bronchiseptica, вид, обычно ответственный за кашель в питомниках. Вакцина вводит бактерии (живые или мертвые) в организм для выработки иммунитета. Важно помнить, что вакцина защищает только от одного вида Bordetella. Поэтому домашний питомец может заразиться другим видом Bordetella или заразиться кашлем из другого источника, например, вирусом парагриппа, даже после вакцинации против B. bronchiseptica. Существует три лицензированных способа введения вакцины против Bordetella собакам: перорально, интраназально и подкожно. Первые два метода используют живые бактерии, а последний – убитые бактерии. Сравнительное исследование, проведенное в 2013 году Школой ветеринарной медицины в Мэдисоне, штат Висконсин, изучило эффективность этих трех методов путем вакцинации щенков бигля. 40 биглей были разделены на четыре группы: группа для тестирования каждого из трех методов и одна невакцинированная контрольная группа. Через 42 дня собак подвергли воздействию Bordetella bronchiseptica. В этом исследовании было установлено, что живая интраназальная вакцина против Bordetella была более эффективной, чем убитая подкожная вакцина, а живая пероральная вакцина работает так же эффективно, как и живая интраназальная вакцина.

The virulence factors identified in the Bordetella are common to all three species. These include adhesins, such as filamentous hemagglutinin (FHA), pertactin, tracheal colonization factor and fimbriae, and toxins, such as adenylate cyclase hemolysin, dermonecrotic toxin and tracheal cytotoxin. These factors are then expressed and regulated most often by environmental stimuli. Differences in virulence factors relate to the loss of regulatory or control functions. Bordetella sp. is typically found to live within the hosts' respiratory tract and immune system and can transmit to new hosts. Most of the toxins and adhesins under BvgAS control are expressed under Bvg+ conditions (high BvgA Pi concentration). But there are also genes expressed solely in the Bvg− state, most notably the flagellin gene flaA. The regulation of Bvg repressed genes is mediated by the product of a 624 bp open reading frame downstream of BvgA, the so called Bvg activated repressor protein, BvgR. BvgR binds to a consensus sequence present within the coding sequences of at least some Bvg repressed genes. Binding of this protein to the consensus sequence represents gene expression by reducing transcription. It is not known what the physiological signals for BvgS are, but in vitro BvgAS can be inactivated by millimolar concentrations of magnesium sulfate or nicotinic acid, or by reduction of the incubation temperature to ≤ 26 °C. The identification of a specific point mutation in the BvgS gene which locks B. bronchiseptica in an intermediate Bvg phase revealed a class of BvgAS regulated genes that are exclusively transcribed under intermediate concentrations of BvgA Pi. This intermediate (Bvgi) phenotype can be reproduced in wild type B. bronchiseptica by growth of the bacteria in a medium containing intermediate concentrations of the BvgAS modulator, nicotinic acid. In these conditions, some, but not all of the virulence factors associated with the Bvg+ phase are expressed, suggesting this two component regulatory system can give rise to a continuum of phenotypic states in response to the environment. In fact, it can be required at certain facilities for entry. The vaccine can also be given to cats, but it is less commonly done because infection appears to be uncommon in adult cats. However, it may be a good idea to vaccinate a kitten if it is in a high risk environment (i. e. living with multiple other cats). The Bordetella vaccine specifically targets Bordetella bronchiseptica, the species typically responsible for kennel cough. The vaccine introduces the bacteria (live or dead) to the body in order to develop an immunity. It is important to remember that the vaccine only protects against one species of Bordetella. Therefore, it is possible for a pet to become infected with another Bordetella species or contract kennel cough from another source, such as the parainfluenza virus, even after being vaccinated for B. bronchiseptica. There are three licensed ways to deliver the Bordetella vaccine to dogs: orally, intranasally, and subcutaneously. The two former methods are administered using live bacteria, while the latter is done with a killed bacteria. A comparative study done in 2013 by the School of Veterinary Medicine in Madison, Wisconsin studied the effectiveness of these three methods by vaccinating beagle puppies. The 40 beagles were divided into four groups; a group to test each of the three methods, plus one unvaccinated control group. After 42 days, the dogs were exposed to Bordetella bronchiseptica. This study determined that the live intranasal Bordetella vaccine was more effective than the killed subcutaneous vaccine, and the live oral vaccine works equally as well as the live intranasal vaccine.