Infekcja shigella, inaczej szigellosis
Patofizjologia i mechanizm
Infekcja wywołana przez bakterie z rodzaju Shigella, zwana szigellozą, jest ostrym zakażeniem jelitowym charakteryzującym się inwazją i namnażaniem się bakterii w komórkach nabłonka jelita grubego, co prowadzi do zapalenia okrężnicy i objawów dysenterii z obecnością krwi i śluzu w stolcu. Patogeneza opiera się na obecności dużego plazmidu wirulencji (~220 kb), kodującego system sekrecji typu III (T3SS) oraz białka efektorowe (IpaA, IpaB, IpaC, IpaD), które umożliwiają bakteriom inwazję, ucieczkę z fagosomu i rozprzestrzenianie się między komórkami. Niektóre szczepy, zwłaszcza S. dysenteriae typ 1, produkują toksynę Shiga o strukturze AB5, która hamuje syntezę białek w komórkach gospodarza i może prowadzić do powikłań pozajelitowych, takich jak zespół hemolityczno-mocznicowy (HUS). Dodatkowo, Shigella wytwarza enterotoksyny ShET-1 i ShET-2, które nasilają objawy kliniczne poprzez indukcję wydzielania płynów i stanu zapalnego. Infekcja przebiega przez inwazję komórek M w jelicie, fagocytozę przez makrofagi z indukcją ich apoptozy i silną odpowiedź zapalną z udziałem IL-1, IL-18 oraz rekrutacją neutrofilów, co prowadzi do uszkodzenia bariery nabłonkowej i rozwoju objawów klinicznych.
- Wprowadzenie do patogenezy infekcji Shigella
- Molekularne podstawy patogenezy Shigella
- Etapy procesu infekcyjnego Shigella
- Wejście do organizmu i przekroczenie bariery nabłonkowej
- Interakcja z makrofagami i indukcja apoptozy
- Inwazja komórek nabłonkowych i replikacja wewnątrzkomórkowa
- Rozprzestrzenianie się międzykomórkowe i ruch oparty na aktynie
- Odpowiedź immunologiczna gospodarza i mechanizmy unikania
- Indukcja stanu zapalnego i rekrutacja neutrofilów
- Modulacja odpowiedzi immunologicznej przez Shigella
- Rola inflammasomów w odpowiedzi na infekcję
- Patofizjologia i manifestacje kliniczne
- Uszkodzenie nabłonka i rozwój dyzenterii
- Rola toksyn w manifestacjach klinicznych
- Powikłania pozajelitowe
- Nowe odkrycia w patogenezie Shigella
- Rola mikrobioty jelitowej
- Wpływ pH na patogenezę
- Adaptacja do oddychania i hipoksja
- Rola systemu YfiBNR w wirulencji
- Interakcja z peptydem obronnym HD5
- Modulacja sumoilacji przez Shigella
- Mechanizmy oporności na antybiotyki u Shigella
- Nowe strategie zwalczania infekcji Shigella
- Podsumowanie mechanizmów patogenezy Shigella
Wprowadzenie do patogenezy infekcji Shigella
Infekcja shigella, inaczej szigellosis, jest ostrym zakażeniem jelit wywołanym przez bakterie z rodzaju Shigella, należące do rodziny pałeczek jelitowych Enterobacteriaceae. Patogeneza Shigella obejmuje złożony, wieloetapowy proces, w którym bakterie wykazują zdolność do inwazji i namnażania się w komórkach nabłonka jelita grubego, prowadząc do stanu zapalnego okrężnicy i objawów dysenterii bakteryjnej. Choroba ta charakteryzuje się skąpymi, nieuformowanymi stolcami z domieszką krwi i śluzu.12
Zakażenie bakteriami Shigella stanowi poważny problem zdrowia publicznego na całym świecie, szczególnie w krajach rozwijających się o niskim poziomie higieny i sanitacji. Ze względu na niską dawkę zakaźną (zaledwie 10-200 komórek bakteryjnych), Shigella jest wysoce zakaźnym patogenem, który może wywoływać objawy kliniczne nawet po ekspozycji na bardzo małą liczbę bakterii.34
Infekcja rozpoczyna się od spożycia bakterii (najczęściej drogą fekalno-oralną) i przejścia drobnoustrojów przez kwaśne środowisko żołądka. W przeciwieństwie do innych bakterii, Shigella jest odporna na niskie pH, co umożliwia jej przetrwanie w żołądku. Po dostaniu się do jelita cienkiego bakterie namnażają się, a następnie przechodzą do jelita grubego, gdzie dochodzi do właściwej inwazji nabłonka okrężnicy i rozwoju stanu zapalnego.5
Molekularne podstawy patogenezy Shigella
Wirulencja bakterii Shigella jest uwarunkowana obecnością dużego plazmidu wirulencji o wielkości około 220 kb, który koduje system sekrecji typu III (T3SS) oraz szereg efektorowych białek wirulencji. T3SS pełni kluczową rolę w patogenezie, działa jak „molekularna strzykawka”, która umożliwia translokację około 25 białek efektorowych bezpośrednio z cytoplazmy bakteryjnej do komórki gospodarza.67
System sekrecji typu III (T3SS) oraz powiązane białka efektorowe, jak białka inwazyjne (IpaA, IpaB, IpaC i IpaD), odgrywają kluczową rolę w procesie patogenezy. Białka te umożliwiają manipulowanie komórkami gospodarza, w tym indukcję własnego pochłaniania przez komórki nabłonka, ucieczkę z fagosomu, replikację w cytoplazmie i rozprzestrzenianie się do sąsiednich komórek.89
Geny chromosomalne kontrolują antygeny lipopolisacharydowe (LPS) w ścianach komórkowych bakterii. LPS odgrywa ważną rolę w oporności na nieswoiste mechanizmy obronne gospodarza napotykane podczas inwazji tkanek. Dodatkowo, niektóre szczepy Shigella produkują enterotoksyny i toksynę Shiga, które przyczyniają się do nasilenia objawów chorobowych.1011
Rola plazmidu wirulencji i T3SS
Informacja genetyczna warunkująca wirulencję Shigella jest zakodowana zarówno na chromosomie bakteryjnym, jak i na dużym plazmidzie wirulencji. Plazmid ten jest niezbędnym determinantem wirulencji wszystkich gatunków Shigella i koduje aparat molekularny niezbędny do inwazji tkanek i przeżycia wewnątrzkomórkowego.12
T3SS, stanowiący centralny element tego aparatu, jest podobny do struktury igły i umożliwia bakteriom translokację zestawu około 25 białek z cytoplazmy bakteryjnej bezpośrednio do eukariontycznej komórki gospodarza. Białka te działają jako efektory zakłócające różne procesy w komórce gospodarza, w tym reorganizację cytoszkieletu, co ułatwia internalizację bakterii.1314
Białka efektorowe wprowadzane przez T3SS można podzielić na dwie grupy: pierwsza grupa uczestniczy w początkowym etapie inwazji, a druga grupa jest uwalniana po wniknięciu bakterii do komórki i reguluje dalsze procesy patogenetyczne, takie jak ucieczka z fagosomu, wewnątrzkomórkowy ruch i modulacja odpowiedzi immunologicznej gospodarza.15
Białka inwazyjne (Ipa) i ich rola
Białka inwazyjne Ipa (Invasion plasmid antigens) odgrywają kluczową rolę w procesie inwazji komórek nabłonka. IpaB, IpaC i IpaD tworzą kompleks na końcu „igły” T3SS i są odpowiedzialne za tworzenie porów w błonie komórkowej gospodarza, umożliwiając translokację innych efektorów.16
IpaB może działać jako kanał jonowy w błonie komórki gospodarza, co prowadzi do napływu potasu (K+), który jest rozpoznawany przez NLRC4 (NOD-like receptor C4), co skutkuje aktywacją pyroptozy. Potas odgrywa istotną rolę w stabilności błony komórkowej; zatem brak równowagi między jonami potasu zwiększa ciśnienie osmotyczne i prowadzi do pęknięcia wakuoli. Co ciekawe, zmniejszenie wewnątrzkomórkowego stężenia K+ stymuluje NLRP3 (NOD-, LRR- i białko zawierające domenę piryny 3). Mechanizm ten przyczynia się do inwazji komórek gospodarza i ucieczki z fagosomu.17
IpaC, współdziałając z IpaB, indukuje reorganizację aktyny, co ułatwia wchłonięcie bakterii przez komórkę. Po wejściu do komórki, IpaB i IpaC biorą udział w lizie błony wakuoli fagocytarnej, umożliwiając bakteriom ucieczkę do cytoplazmy, gdzie mogą się namnażać.18
Toksyny i inne czynniki wirulencji
Niektóre szczepy Shigella produkują toksyny, które przyczyniają się do patogenezy zakażenia. Shigella dysenteriae typ 1 produkuje potencjalnie śmiertelną toksynę Shiga, która hamuje syntezę białek w komórkach eukariotycznych i może prowadzić do powikłań pozajelitowych, w tym zespołu hemolityczno-mocznicowego.19
Toksyna Shiga ma strukturę AB5, składającą się z podjednostki A i pięciu podjednostek B. Podjednostki B wiążą się z glikolipidem Gb3 na powierzchni komórek docelowych, podczas gdy podjednostka A zostaje wprowadzona do komórki i hamuje syntezę białek poprzez inaktywację podjednostki 60S rybosomu. To prowadzi do śmierci komórki i uszkodzenia mikronaczyń w jelicie, co objawia się krwawieniem.2021
Zidentyfikowano dwie enterotoksyny powodujące wydzielanie płynów w modelach zwierzęcych: Shigella enterotoxin 1 (ShET-1) i Shigella enterotoxin 2 (ShET-2). ShET-1, znajdowana głównie w S. flexneri, jest kodowana przez chromosomalny gen set. Jest to klasyczna toksyna AB składająca się z kilku podjednostek B, które wiążą się ze specyficznymi cząsteczkami na komórce docelowej, i pojedynczej podjednostki A, która przeprowadza toksyczną reakcję enzymatyczną w komórce.22
ShET-2 jest kodowana przez gen sen znajdujący się na plazmidzie i może być wytwarzana przez wszystkie gatunki Shigella. Poza działaniem enterotoksycznym podobnym do ShET-1, ShET-2 jest także uważana za induktor stanu zapalnego komórek nabłonka poprzez wydzielanie IL-8.23
Etapy procesu infekcyjnego Shigella
Patogeneza infekcji Shigella jest procesem wieloetapowym, obejmującym kilka kluczowych faz, które umożliwiają bakteriom inwazję, namnażanie się i rozprzestrzenianie w organizmie gospodarza.24
Wejście do organizmu i przekroczenie bariery nabłonkowej
Infekcja rozpoczyna się od spożycia bakterii Shigella, najczęściej poprzez skażoną żywność lub wodę. Ze względu na oporność na niskie pH, bakterie są w stanie przetrwać w kwaśnym środowisku żołądka i dotrzeć do jelita cienkiego, gdzie rozpoczynają namnażanie się.25
Pierwszą barierą dla infekcji mikrobiologicznej jest glikoproteinowa mucyna. Shigella ma zdolność do glikozylacji i przebudowy bariery śluzowej na swoją korzyść. Ponieważ Shigella nie może inwazyjnie wnikać przez apikalną powierzchnię nabłonka, jej celem są komórki M w celu penetracji bariery nabłonkowej.26
Komórki M są specyficznymi komórkami w tkance limfoidalnej związanej z błoną śluzową (MALT), które odgrywają znaczącą rolę w transporcie antygenów z światła jelita do komórek prezentujących antygen (APC). Komórki M ze swoimi cienkimi mikrokosmkami i brakiem glikoprotein powierzchniowych są narażone na inwazję Shigella.27
W przeciwieństwie do innych bakterii, Shigella nie wnika do nabłonka od strony apikalnej, ale wykorzystuje komórki M do transportu przez warstwę nabłonka do przestrzeni subnabłonkowej. W przestrzeni tej bakterie są fagocytowane przez rezydujące tam makrofagi.2829
Interakcja z makrofagami i indukcja apoptozy
Po przeniknieciu przez komórki M, bakterie Shigella są wychwytywane przez makrofagi rezydujące w tkance limfatycznej. Jednak zamiast zostać zniszczone w fagolizosmie makrofaga, wirulentne szczepy Shigella lizują fagosomy i inicjują apoptozę makrofagów.30
Śmierć makrofagów jest związana z uwalnianiem prozapalnych cytokin, w tym interleukiny-1 (IL-1) i IL-18. Obie cytokiny są kluczowymi mediatorami ostrej i masywnej odpowiedzi zapalnej wywołanej przez S. flexneri.31
Proces apoptozy makrofagów zależy od kaspazy-1, ale nie od innych kaspaz, takich jak kaspaza-3 (wykonawca śmierci komórkowej) czy kaspaza-11 (aktywator kaspazy-1 w odpowiedzi na stymulację LPS). Białko IpaB wydzielane przez T3SS wiąże się bezpośrednio z kaspazą-1 in vitro. Jednak nie jest jasne, czy IpaB powinien być uważany za bakteryjny PAMP (wzorzec molekularny związany z patogenem), który indukuje tworzenie inflammasomu po infekcji, czy też IpaB bezpośrednio rekrutuje kaspazę-1 do kompleksu inflammasomu.32
Inwazja komórek nabłonkowych i replikacja wewnątrzkomórkowa
Po uwolnieniu się z makrofaga, bakterie Shigella są zdolne do inwazji komórek nabłonkowych od strony podstawno-bocznej, ucieczki z fagosomu i namnażania się w cytoplazmie.33
Po internalizacji Shigella, wokół bakterii tworzy się wakuola. Białko efektorowe IpgD jest transportowane przez T3SS, a ten efektor jest homologiem Salmonella SopB. IpgD ma aktywność fosfatazy fosfoinozytydowej i defosforyluje fosfatydyloinozytol 4,5-bisfosforan (PIP2) do fosfatydyloinozytolu 5-fosforanu (PI5P). PI5P może wzrastać przez stymulację szoku osmotycznego lub podczas infekcji S. flexneri.34
Shigella szybko ucieka z wakuoli fagocytarnej i namnaża się w cytoplazmie komórki gospodarza. Białka IpaB i IpaC odgrywają kluczową rolę w procesie lizy błony wakuoli.35
Rozprzestrzenianie się międzykomórkowe i ruch oparty na aktynie
Jedną z charakterystycznych cech patogenezy Shigella jest jej zdolność do rozprzestrzeniania się z komórki do komórki bez ekspozycji na zewnątrzkomórkowe składniki układu odpornościowego gospodarza. Proces ten zależy od zdolności bakterii do wykorzystania wewnątrzkomórkowej aktyny do przemieszczania się.36
Kluczowym mediatorem efektywnego ruchu poprzez nukleację aktyny na jednym biegunie bakterii jest białko IcsA/VirG. Białko to rekrutuje N-WASP i zwiększa jego powinowactwo do kompleksu Arp2/3, tworząc kompleks IcsA/N-WASP/Arp2/3, który indukuje nukleację aktyny. To prowadzi do tworzenia „ogona kometowego” z aktyny, który popycha bakterie przez cytoplazmę do sąsiednich komórek.3738
Wewnątrzkomórkowy ruch Shigella zależy również od aktywności degradującej tubulinę białka VirA, które otwiera drogę przez sieć mikrotubul dla Shigella. Bakterie wykorzystują filamenty aktynowe do przemieszczania się przez cytoplazmę i tworzenia pseudopodiów, które są następnie pochłaniane przez sąsiednie komórki, umożliwiając rozprzestrzenianie się bez ekspozycji na środowisko zewnątrzkomórkowe.3940
Odpowiedź immunologiczna gospodarza i mechanizmy unikania
Infekcja Shigella wywołuje złożoną odpowiedź immunologiczną gospodarza, jednak bakterie wykształciły różne mechanizmy umożliwiające im unikanie lub modulację tej odpowiedzi.41
Indukcja stanu zapalnego i rekrutacja neutrofilów
Infekcja Shigella prowadzi do indukcji silnej odpowiedzi zapalnej w jelicie grubym. Stan zapalny jest wynikiem aktywacji receptorów rozpoznających wzorce (PRR) przez składniki bakteryjne oraz działania efektorów wprowadzanych przez T3SS.42
Wejście S. flexneri do komórek M prowadzi do rekrutacji polimorfojądrowych neutrofilów (PMN) i zwiększenia rozmiaru komórek M. S. flexneri nie może inwazyjnie wnikać przez apikalną błonę komórki okrężnicy; jednak rekrutacja PMN prowadzi do zniszczenia połączeń nabłonkowych i pomaga Shigella dotrzeć do przestrzeni podstawno-bocznej.43
Lipopolisacharyd (LPS) i metabolity pośrednie aktywują odpowiedź zapalną, a białko TIFA (TRAF-interacting protein with forkhead-associated domain) wchodzące w interakcję z receptorem czynnika martwicy nowotworu (TNF-R) może indukować aktywację TRAF2 i TRAF6, prowadząc do aktywacji inhibitora kinazy czynnika jądrowego-kB (IKK).44
Rekrutacja neutrofilów jest kluczowym elementem odpowiedzi zapalnej na infekcję Shigella. Neutrofile przyciągane do miejsca infekcji przyczyniają się do uszkodzenia tkanki, ale także do eliminacji bakterii. Paradoksalnie, stan zapalny i infiltracja neutrofilów mogą ułatwiać dalszą inwazję bakterii poprzez naruszenie integralności bariery nabłonkowej.45
Modulacja odpowiedzi immunologicznej przez Shigella
Shigella wykorzystuje szereg mechanizmów do modulowania odpowiedzi immunologicznej gospodarza. Bakterie wydzielają efektory, które aktywnie hamują sygnalizację prozapalną, co może równoważyć nasilenie stanu zapalnego na poziomie korzystnym dla bakterii.46
System T3SS Shigella odgrywa kluczową rolę w wydzielaniu białek OspC1 i OspC3, które hamują szlak sygnałowy interferonu (IFN) i hamują obronę gospodarza przeciwko Shigella. Białka te celują w szlak sygnałowy JAK/STAT, zmniejszając i zapobiegając ekspresji genów stymulowanych interferonem (ISG).47
OspC1 i OspC3 hamują sygnalizację IFN poprzez wiązanie się z kalmoduliną (CaM), która jest wymagana do fosforylacji STAT. Te białka Shigella oddziałują z CaM poprzez ich N-terminalną α-helisę, która naśladuje interakcję z CaMKII. W rezultacie CaM błędnie rozpoznaje białka bakteryjne jako CaMKII, zapobiegając normalnemu funkcjonowaniu szlaku sygnałowego i blokując ekspresję ISG.48
Mechanizmy te pokazują, jak Shigella umiejętnie wykorzystuje i unika potencjalnie szkodliwych odpowiedzi układu odpornościowego, co umożliwia jej przetrwanie i rozprzestrzenianie się w organizmie gospodarza.49
Rola inflammasomów w odpowiedzi na infekcję
W makrofagach, aktywacja NLRC4 (receptora podobnego do NOD C4) i NLRP3 (receptora podobnego do NOD P3) rozpoczyna indukcję pyroptozy i wydzielanie IL-1 i IL-18. Białko igłowe MxiH systemu T3SS jest wykrywane przez białko hamujące apoptozę neuronalną (NAIP), prowadząc do aktywacji inflammasomu NLRC4. Ta aktywacja pośredniczy w uwalnianiu i aktywacji ludzkiego białka hamującego apoptozę neuronalną (hNAIP).50
Po wejściu Shigella do komórki nabłonkowej, wokół bakterii tworzy się falbana błony i prowadzi do rekrutacji NOD1 i składnika sygnalizacji NOD1 downstream, modulatora niezbędnego dla NF-kB (NEMO) do pozycji bakteryjnych. Lokalizacja NOD1 w błonie plazmatycznej zależy od F-aktyny. Inny typ NOD1, NLRs jako czujnik immunologiczny dla składników bakteryjnych, składa się z dwóch części: domeny wiążącej nukleotyd (NBD) i powtórzeń bogatych w leucynę (LRR).51
W jelicie, NOD1 rozpoznaje peptydoglikan bakteryjny i inicjuje produkcję prozapalnych cytokin, w tym IL-8, które przyciągają neutrofile do miejsca infekcji. Aktywacja inflammasomów prowadzi do śmierci komórek i uwalniania cytokin, co przyczynia się do rozwoju stanu zapalnego w odpowiedzi na infekcję Shigella.52
Patofizjologia i manifestacje kliniczne
Zakażenie Shigella wywołuje spektrum objawów klinicznych, od łagodnej biegunki do ciężkiej dyzenterii. Manifestacje te są bezpośrednim wynikiem procesów patogenetycznych zachodzących w jelicie grubym.53
Uszkodzenie nabłonka i rozwój dyzenterii
Bakterie Shigella inwazyjnie wnikają do nabłonka okrężnicy i namnażają się wewnątrzkomórkowo, prowadząc do śmierci komórek i zniszczenia tkanki. Proces ten wywołuje silną odpowiedź zapalną charakteryzującą się infiltracją neutrofilów i makrofagów.54
Radialny rozciąganie lub ekspansja komórek podczas patogenezy bakteryjnej tworzy ogniskowe owrzodzenia śluzówki okrężnicy. Ze względu na owrzodzenia, dodawany jest komponent krwotoczny, a intensywna ostra odpowiedź zapalna jest wywoływana, gdy bakterie docierają do blaszki właściwej (cienkie warstwy tkanki łącznej), zwykle infekcja nie jest rozszerzona poza blaszkę.55
Przewlekłe uszkodzenie nabłonka jelitowego prowadzi do upośledzenia zdolności absorpcyjnych, co skutkuje biegunką wodną oraz wydzielaniem krwi i śluzu do stolca. Kombinacja uszkodzenia tkanki i stanu zapalnego prowadzi do charakterystycznych objawów shigellozy, takich jak biegunka, ból brzucha i gorączka.56
Rola toksyn w manifestacjach klinicznych
Toksyny produkowane przez Shigella przyczyniają się do rozwoju objawów klinicznych zakażenia. Shigella dysenteriae typ 1 produkuje toksynę Shiga, która ma działanie enterotoksyczne, cytotoksyczne i neurotoksyczne.57
Działanie enterotoksyczne: toksyna Shiga przyłącza się do receptorów w jelicie cienkim i blokuje absorpcję elektrolitów, glukozy i aminokwasów ze światła jelita. Prowadzi to do zaburzeń wchłaniania i biegunki wodnej.58
Działanie cytotoksyczne: podjednostka B toksyny Shiga wiąże się z glikolipidem komórki gospodarza w jelicie grubym, a domena A1 jest internalizowana poprzez endocytozę zależną od receptora (zagłębienia powlekane) i powoduje nieodwracalną inaktywację podjednostki rybosomalnej 60S, hamując w ten sposób syntezę białek, powodując śmierć komórek, uszkodzenie mikronaczyń jelita i krwotok.59
Działanie neurotoksyczne: gorączka i skurcze brzucha są uważane za oznaki neurotoksyczności. Toksyna Shiga może również uszkadzać komórki nerwowe, co przyczynia się do objawów neurologicznych obserwowanych w ciężkich przypadkach zakażenia.60
Powikłania pozajelitowe
W rzadkich przypadkach, zakażenie Shigella może prowadzić do powikłań pozajelitowych, szczególnie u pacjentów zakażonych S. dysenteriae typ 1. Toksyna Shiga może uszkodzić komórki śródbłonka kłębuszków nerkowych, prowadząc do niewydolności nerek, znanej jako zespół hemolityczno-mocznicowy (HUS).61
HUS charakteryzuje się triadą objawów: niedokrwistością hemolityczną, małopłytkowością i ostrą niewydolnością nerek. Jest to najpoważniejsze powikłanie zakażenia Shigella i może prowadzić do śmierci, szczególnie u dzieci i osób z obniżoną odpornością.62
Inne powikłania pozajelitowe mogą obejmować reaktywne zapalenie stawów, zapalenie spojówek, zapalenie mięśnia sercowego i zaburzenia neurologiczne. Powikłania te są zazwyczaj wynikiem odpowiedzi immunologicznej na antygeny bakteryjne lub bezpośredniego działania toksyn Shigella.63
Nowe odkrycia w patogenezie Shigella
Badania nad patogenezą zakażeń Shigella nieustannie dostarczają nowych informacji na temat mechanizmów wirulencji tych bakterii oraz interakcji z organizmem gospodarza.64
Rola mikrobioty jelitowej
Ostatnie badania wskazują na istotną rolę mikrobioty jelitowej w modulowaniu podatności na zakażenie Shigella. Komensale jelitowe mogą zapobiegać namnażaniu się patogenów poprzez bezpośrednią konkurencję o przestrzeń i składniki odżywcze, wydzielanie substancji przeciwbakteryjnych lub modulację odpowiedzi immunologicznej.65
S. sonnei, ale nie S. flexneri, posiada aktywny system sekrecji typu VI (T6SS), który zabija współzamieszkujące E. coli w zainfekowanych tkankach. Fenotyp z wadliwym T6SS prowadzi do zmniejszonej przetrwałości w okrężnicy, co wskazuje, że ten aparat jest kluczowy dla S. sonnei do przezwyciężenia oporności kolonizacyjnej ustanowionej przez E. coli.66
Badania z wykorzystaniem innowacyjnego obrazowania fluorescencyjnego 3D i analiz pomagają śledzić podróż S. flexneri in vivo, ujawniając, że patogen celuje w krypty okrężnicy podczas wczesnej fazy infekcji. Te krypty mieszczą jelitowe komórki macierzyste u ich podstawy i mają własną specyficzną dla krypty mikrobiotę rdzeniową (CSCM). Chociaż strefa inwazyjna Shigella rzadko sięga podstawy krypty, aby zakłócić progeniturkę komórek macierzystych, jej interakcja z CSCM i pośrednie konsekwencje dla zdrowia jelit pozostają niezbadane.67
Wpływ pH na patogenezę
Nowe badania sugerują, że różnice pH w różnych odcinkach przewodu pokarmowego mogą wpływać na zdolność Shigella do kolonizacji i inwazji. Eksperymentalna obserwacja wskazuje, że zasadowe warunki, jakie występują w świetle jelita cienkiego, nie sprzyjają patogenezie S. flexneri.68
Proponowany model sugeruje, że gdy S. flexneri przemieszcza się przez dystalną część jelita cienkiego, zasadowe pH środowiska światła jelita zmniejszałoby tworzenie biofilmu, wirulencję i inwazję nabłonka. Gdy dotrze do bardziej kwaśnego światła okrężnicy, bakterie mogą zwiększyć tworzenie biofilmu i ekspresję genów związanych z wirulencją, co ułatwiłoby inwazję nabłonka w tym miejscu.69
Badania te dostarczają nowego mechanistycznego wglądu w patogenezę shigellozy i sugerują, że środowisko pH jelita może być kluczowym czynnikiem determinującym miejsce i stopień infekcji Shigella.70
Adaptacja do oddychania i hipoksja
Badacze odkryli, że bakterie Shigella są nie tylko zdolne do zużywania tlenu w tkance okrężnicy w celu wzrostu i tworzenia ognisk infekcji, ale mogą również dostosować swój sposób oddychania, aby mogły nadal rosnąć po wykorzystaniu tlenu w tych ogniskach.71
Grupa badawcza odkryła również, że ogniska infekcji Shigella miały nietypowo niskie poziomy tlenu (hipoksja). Bakterie Shigella są „fakultatywnymi beztlenowcami”, co oznacza, że choć preferują oddychanie tlenowe (które wykorzystuje O2 jako paliwo), to w przypadku braku tlenu mogą również przełączyć się na oddychanie „beztlenowe”, które nie wymaga O2.72
Badacze wykazali, że oddychanie tlenowe Shigella i ich zdolność do modulowania utlenowania zainfekowanych tkanek umożliwia tworzenie hipoksycznych ognisk infekcji w błonie śluzowej jelita, co stanowi pierwszy etap ich strategii kolonizacji, z ponad 99% populacji bakteryjnej rosnącej w tych obszarach. Gdy w tych ogniskach wyczerpuje się tlen, zdolność adaptacyjna bakterii do środowisk ubogich w O2 daje im kluczową przewagę, która wyjaśnia ich wirulencję i wirulencję innych fakultatywnie beztlenowych enterobakterii.73
Rola systemu YfiBNR w wirulencji
Białko YfiB, obecne w błonie zewnętrznej, działa jako białko sensoryczne w systemie YfiBNR, który jest zaangażowany w regulację poziomów cyklicznego di-GMP wewnątrz komórek bakteryjnych. c-di-GMP jest istotną cząsteczką sygnałową wpływającą na różne procesy komórkowe, takie jak tworzenie biofilmu, cytotoksyczność, ruchliwość, synteza egzopolisacharydów i inne mechanizmy wirulencji, takie jak adhezja i inwazja bakterii.74
Wykazano, że utrata białka YfiB błony zewnętrznej utrudnia funkcję związanego z błoną wewnętrzną YfiN (aktywność DGC), ponieważ peryplazmatyczny YfiR jest zawsze z nim związany, co powoduje zmniejszone stężenie c-di-GMP. Utrata YfiB i wyraźny spadek wewnątrzkomórkowych poziomów c-di-GMP wpływają następnie na inne czynniki wirulencji bakterii, co widać po wolniejszym wytwarzaniu biofilmu; zmniejszonej adhezji i inwazji komórek gospodarza; osłabionej zdolności do tworzenia plakietki; i niższym nagromadzeniem w jelitach C. elegans, co prowadzi do wzrostu długości życia nicieni.7576
Interakcja z peptydem obronnym HD5
Badania wykazały, że HD5, peptyd obronny gospodarza, paradoksalnie zwiększa inwazję Shigella poprzez indukowanie podobnych do filopodiów rozszerzeń (HIFE) za pośrednictwem sygnalizacji P2Y11-Gs-cAMP-PKA. Shigella wykorzystuje HIFE do infekcji, którą można zablokować inhibitorem P2Y11 – NF157, oferując potencjalny cel terapeutyczny.77
HD5 indukuje rozszerzenia filopodialne w komórkach nabłonkowych, które patogen Shigella wykorzystuje do ułatwienia inwazji i infekcji. Odkrycie to otwiera ekscytujące nowe możliwości interwencji terapeutycznej poprzez celowanie w interakcje HD5-P2Y11, aby zapobiec infekcji.78
Badanie to ujawnia nowy mechanizm, poprzez który HD5 zwiększa inwazję Shigella poprzez przebudowę cytoszkieletu zależną od P2Y11, podważając konwencjonalny pogląd na peptydy obronne gospodarza jako ściśle czynniki przeciwbakteryjne.79
Modulacja sumoilacji przez Shigella
Zakłócenie równowagi sumoilacji/desumoilacji jest związane z kilkoma stanami chorobowymi, takimi jak nowotwory i infekcje, jednak mechanizmy regulujące globalną równowagę SUMO pozostają słabo zdefiniowane. Wykazano, że infekcja przez Shigella flexneri, czynnik wywołujący ludzką czerwonkę bakteryjną, wyłącza sumoilację gospodarza podczas infekcji komórek nabłonkowych in vitro i in vivo, a efekt ten jest głównie zapośredniczony przez indukowane przez wapń/kalpainę rozszczepienie enzymu SUMO E1 SAE2, prowadzące w ten sposób do zahamowania sumoilacji.80
Mechanistycznie, wykazano, że efekt ten jest w dużej mierze zapośredniczony przez zależną od kalpain proteolityczną degradację enzymu E1 SAE2. Wykazano, że upośledzona aktywność sumoilacyjna w komórkach gospodarza sprzyja wejściu Shigella i zidentyfikowano RhoGDI, główny negatywny regulator aktywności biologicznych małych GTPaz Rho, jako ważny substrat SUMO wykorzystywany przez komórki gospodarza do ograniczenia inwazji Shigella.81
Odkrycia, że hamowanie napływu wewnątrzkomórkowego wapnia lub aktywności kalpain zapobiegało indukowanej przez Shigella utracie koniugatów SUMO i, odwrotnie, że samo leczenie wapniem i jonomycyną przy braku Shigella wyzwalało hamowanie sumoilacji, wskazują, że zwiększony cytosol wapnia i następująca po nim aktywacja kalpain są odpowiedzialne za degradację SAE2 i upośledzenie sumoilacji.82
Mechanizmy oporności na antybiotyki u Shigella
Oporność na leki u Shigella spp. może wynikać z wielu mechanizmów, takich jak wypompowanie leków przez aktywne pompy efflux, zmniejszenie przepuszczalności komórkowej oraz nadekspresja enzymów modyfikujących i inaktywujących leki lub modyfikacja celu przez mutację.83
Większość antybiotyków stosowanych w leczeniu infekcji Shigella powinna być w stanie przeniknąć przez błonę komórkową, aby osiągnąć wewnątrzkomórkową akumulację i miejsca docelowe. Rzeczywiście, oporność na antybiotyki β-laktamowe jest związana z modyfikacją poryn błony zewnętrznej OmpF (38 kDa) i OmpC (42 kDa) oraz białek cytosoli o masie 26 kDa, OmpR jako regulator transkrypcyjny.84
Aktywne pompy efflux odgrywają znaczącą rolę w fenotypach oporności na antybiotyki bakterii Gram-ujemnych i wypompowywaniu toksycznych związków z ich komórek. System AcrAB-TolC jest trójskładnikowym kompleksem składającym się z TolC (kanał błony zewnętrznej), AcrB (białko transportujące błony wewnętrznej) i peryplazmatycznego AcrA zaangażowanego w montaż i utrzymanie tych dwóch integralnych białek błonowych. Nadekspresja AcrAB-TolC skutkuje ogólnym zmniejszeniem akumulacji chinolonów wewnątrz komórek bakteryjnych, co również skutkuje zmniejszoną wrażliwością na nie.85
Wzrost wielolekooporności (MDR) i pojawienie się beta-laktamaz o rozszerzonym spektrum substratowym (ESBL) u Shigella spp. może być przyczyną niepowodzeń leczenia i związanego z tym ograniczenia opcji terapeutycznych. CDC definiuje bakterie XDR Shigella jako szczepy oporne na wszystkie powszechnie zalecane empiryczne i alternatywne antybiotyki: azytromycynę, ciprofloksacynę, ceftriakson, trimetoprim-sulfametoksazol (TMP-SMX) i ampicylinę.8687
Nowe strategie zwalczania infekcji Shigella
Ze względu na rosnącą oporność Shigella na antybiotyki, istnieje pilna potrzeba opracowania nowych strategii zwalczania tych zakażeń. Badania koncentrują się na trzech głównych kierunkach: nowych celach terapeutycznych, modelach eksperymentalnych i szczepionkach.88
Nowe cele terapeutyczne
Identyfikacja i charakteryzacja nowych czynników wirulencji Shigella może prowadzić do odkrycia nowych celów terapeutycznych. Na przykład, modulacja poziomu c-di-GMP w komórkach bakteryjnych poprzez celowanie w system YfiBNR może osłabić zdolność bakterii do tworzenia biofilmu i inwazji komórek gospodarza.89
Inne potencjalne cele obejmują białka efektorowe T3SS, które są kluczowe dla wirulencji Shigella. Hamowanie sekrecji lub działania tych efektorów mogłoby znacząco osłabić zdolność bakterii do inwazji i przeżycia wewnątrzkomórkowego.90
Szczegółowe poznanie szlaków metabolicznych niezbędnych dla przeżycia Shigella w różnych mikroniszach jelita może również dostarczyć nowych celów dla interwencji terapeutycznych.91
Modele eksperymentalne
Rozwój nowych modeli eksperymentalnych ma kluczowe znaczenie dla lepszego zrozumienia patogenezy Shigella i testowania potencjalnych interwencji terapeutycznych. Użycie enteroidów pochodzących z ludzkich jelitowych komórek macierzystych jako modelu infekcji S. flexneri może umożliwić testowanie aktualnych paradygmatów inwazji, wewnątrzkomórkowej replikacji i rozprzestrzeniania się S. flexneri.92
Jednym z aspektów infekcji Shigella, który jest słabo zrozumiany, jest podstawa jej tropizmu do nabłonka okrężnicy; modele te mogą być wykorzystane do określenia, czy istnieje specyficzność tkankowa dla inwazji S. flexneri.93
Chip Intestine-Chip odtwarza siły mechaniczne działające na inwazję patogenu i stwierdzono, że perystaltyka jest krytyczna dla określonych etapów procesu infekcji. Najbardziej zaskakujące było zaobserwowanie, że Shigella może bezpośrednio infekować enterocyty od strony nabłonkowej (ze światła jelita) zgodnie z oczekiwaniami in vivo z taką skutecznością i powtarzalnością.9495
Rozwój szczepionek
Dowody, że kliniczna infekcja Shigella, zarówno po naturalnej infekcji, jak i wywołanej eksperymentalnie, zapewnia ochronę serologiczną homologiczną, są zachętą do opracowania skutecznej szczepionki. Infekcja Shigella wywołuje szerokie spektrum odpowiedzi immunologicznych na antygeny Shigella, w tym przeciwciała przeciwko polisacharydom antygenu O, antygenonom inwazyjnym plazmidu i innym białkom, a także odporność komórkową.96
Odpowiedzi ochronne są w dużej mierze uważane za ukierunkowane na swoisty dla serotypu antygen O. Rola innych odpowiedzi immunologicznych na infekcję Shigella w zakresie ochrony pozostaje nieokreślona. Eksperymentalne modele shigellozy u ochotników i naczelnych innych niż ludzie ujawniły szczegóły procesu patogennego infekcji Shigella i dostarczyły kluczowego narzędzia do oceny kandydatów na szczepionki.97
W modelu zapalenia rogówki i spojówki u świnek morskich, dwuskładnikowa szczepionka śluzówkowa składająca się z atenuowanych szczepów S. flexneri 2a i S. flexneri 3a zapewniała znaczącą ochronę krzyżową przed wyzwaniem wieloma innymi podserotypami S. flexneri.98
Podsumowanie mechanizmów patogenezy Shigella
Patogeneza infekcji Shigella jest złożonym, wieloetapowym procesem, który obejmuje inwazję nabłonka okrężnicy, namnażanie wewnątrzkomórkowe i rozprzestrzenianie się do sąsiednich komórek. Bakterie wykorzystują szereg wyrafinowanych strategii molekularnych, aby manipulować komórkami gospodarza i unikać jego mechanizmów obronnych.99
T3SS i związane z nim białka efektorowe stanowią główny mechanizm wirulencji, umożliwiający bakteriom inwazję komórek nabłonka, ucieczkę z fagosomu i manipulację odpowiedzią immunologiczną gospodarza. Dodatkowo, toksyny produkowane przez niektóre szczepy Shigella, szczególnie toksyna Shiga wytwarzana przez S. dysenteriae typ 1, przyczyniają się do ciężkości objawów klinicznych i mogą prowadzić do poważnych powikłań pozajelitowych.100
Nowe odkrycia dotyczące adaptacji Shigella do różnych warunków środowiskowych, interakcji z mikrobiotą jelitową i modyfikacji odpowiedzi immunologicznej gospodarza poszerzają nasze zrozumienie patogenezy shigellozy i mogą prowadzić do opracowania nowych strategii terapeutycznych. Szczególnie istotne są badania nad mechanizmami oporności na antybiotyki, które stanowią rosnące wyzwanie w leczeniu zakażeń Shigella.101
Zrozumienie złożonych mechanizmów patogenezy Shigella ma kluczowe znaczenie dla opracowania skutecznych strategii zapobiegania i leczenia zakażeń tymi bakteriami, które nadal stanowią poważny problem zdrowia publicznego na całym świecie.102
Kolejne rozdziały
Zapraszamy do dalszego czytania naszego leksykonu.
Wybierz kolejny rozdział z menu poniżej, aby otworzyć nową podstronę kompedium wiedzy i uzyskać szczegółowe informację o leku, substancji lub chorobie.