Legionelloza
Patofizjologia i mechanizm
Legionelloza, wywoływana głównie przez Legionella pneumophila, jest poważnym zapaleniem płuc przenoszonym przez inhalację skażonych aerozoli wodnych, szczególnie z systemów wodnych o temperaturze 20-50°C (optymalnie 35°C). Patogen ten jest Gram-ujemnym, wewnątrzkomórkowym bakteriem, który namnaża się w makrofagach pęcherzykowych, unikając fuzji fagosomów z lizosomami i tworząc niszę replikacyjną (LCV) o neutralnym pH. Kluczowym czynnikiem wirulencji jest system sekrecji typu IV (Dot/Icm), który transportuje około 300 białek efektorowych manipulujących szlakami komórkowymi gospodarza, hamując apoptozę i wspierając replikację. Wewnątrzkomórkowa proliferacja wymaga obecności amylazy LamB oraz żelaza (Fe³⁺), a odpowiedź immunologiczna gospodarza, zwłaszcza odporność komórkowa z udziałem limfocytów T i TNF-α, jest kluczowa dla kontroli infekcji. Patogeneza obejmuje silną odpowiedź zapalną, uszkodzenie pęcherzyków płucnych i potencjalne powikłania wielonarządowe, w tym niewydolność oddechową i wstrząs septyczny.
Patogeneza legionellozy
Legionelloza (choroba legionistów) jest poważną postacią zapalenia płuc wywoływaną przez bakterie z rodzaju Legionella, przy czym ponad 90% przypadków powoduje Legionella pneumophila. Bakterie te są Gram-ujemnymi, wewnątrzkomórkowymi patogenami, które naturalnie występują w środowiskach wodnych, takich jak jeziora, rzeki czy gleba.12 Patogen ten został po raz pierwszy zidentyfikowany w 1976 roku podczas epidemii wśród uczestników konwencji Legionu Amerykańskiego w Filadelfii.3
Drogi transmisji
Zakażenie Legionella następuje głównie poprzez wdychanie skażonych aerozoli wodnych. Bakterie mogą namnażać się w sztucznych systemach wodnych, takich jak klimatyzatory, wieże chłodnicze, prysznice, jacuzzi czy fontanny, szczególnie w temperaturze 20-50°C (optymalna temperatura to 35°C).12 Rzadziej infekcja może nastąpić poprzez aspirację (przypadkowe przedostanie się cieczy do płuc podczas połykania) wody zawierającej bakterie Legionella.3 Warto podkreślić, że legionelloza nie przenosi się z człowieka na człowieka.4
Dawka infekcyjna nie jest dokładnie znana, ale uważa się, że może być niska dla osób podatnych, ponieważ zachorowania odnotowywano nawet po krótkotrwałej ekspozycji i w odległości kilku kilometrów od źródła skażenia. Prawdopodobieństwo zachorowania zależy od stężenia bakterii Legionella w źródle wody, produkcji i rozprzestrzeniania się aerozoli, czynników związanych z gospodarzem (wiek, stan zdrowia) oraz zjadliwości określonego szczepu Legionella.5
Ewolucja i adaptacja Legionella
Bakterie Legionella wykazują oznaki długotrwałej koewolucji z ich naturalnymi gospodarzami – pierwotniakami. Żyją one i namnażają się wewnątrz ameb (np. Acanthamoeba, Hartmannella, Naegleria) oraz innych wolno żyjących pierwotniaków występujących w naturalnych i sztucznych systemach wodnych.12 Ta zdolność do przeżycia i rozwoju w komórkach ameb pozwala bakteriom Legionella przetrwać w środowisku.3
Co istotne, mechanizmy, których Legionella używa do infekowania komórek ludzkich, są podobne do tych wykorzystywanych do infekowania pierwotniaków. Zdolność Legionella do namnażania się w różnych pierwotniaków wyposażyła bakterie w umiejętność replikacji w ludzkich makrofagach pęcherzykowych.4 Legionelloza jest dla bakterii ewolucyjnym ślepym zaułkiem – albo zostaje ona zwalczona przez układ odpornościowy, albo prowadzi do śmierci pacjenta.5
Mechanizm zakażenia makrofagów
Po przedostaniu się do układu oddechowego, bakterie Legionella docierają do pęcherzyków płucnych, gdzie są fagocytowane przez makrofagi pęcherzykowe – komórki stanowiące pierwszą linię obrony przeciwko infekcjom bakteryjnym w płucach.1 W przeciwieństwie do typowego procesu fagocytozy, L. pneumophila szczep Philadelphia-1 jest pochłaniany przez makrofagi w wyjątkowy sposób, określany jako fagocytoza spiralna (coiling phagocytosis).23
Proces inwazji komórki
Proces fagocytozy bakterii Legionella rozpoczyna się od przyłączenia składnika dopełniacza C3b do białka porynowego w błonie zewnętrznej bakterii. Następnie bakterie wiążą się z receptorami dopełniacza CR3 na jednojądrzastych fagocytach, po czym organizmy wnikają do komórki poprzez endocytozę.1 Ten sposób wejścia wydaje się ograniczać wybuch tlenowy fagocyta, a tym samym zwiększa wewnątrzkomórkowe przeżycie bakterii Legionella.2
Legionella jest fakultatywnym pasożytem wewnątrzkomórkowym i swobodnie namnaża się w makrofagach. Po fagocytozie, bakterie znajdują się w wakuoli fagocytarnej, jednak poprzez nieznany mechanizm blokują fuzję lizosomów z fagosomem, zapobiegając normalnej acidyfikacji (zakwaszeniu) fagolizosomu i utrzymując toksyczny system mieloperoksydazy oddzielony od podatnych bakterii.34
Formowanie wakuoli zawierającej Legionella
Po internalizacji przez komórkę gospodarza, wakuola bakteryjna przejściowo łączy się z mitochondriami, a następnie nabywa charakterystyki retikulum endoplazmatycznego (ER). Tworzy się specjalna nisza replikacyjna, nazywana wakuolą zawierającą Legionella (Legionella-containing vacuole, LCV).12
Unikalna biogeneza wakuoli Legionella wynika z jednoczesnego opóźnienia fuzji z endosomem oraz rekrutacji pęcherzyków i błon z sekrecyjnego szlaku komórki gospodarza. LCV rekrutuje specyficznie Rab1, ale nie Rab2 ani Rab6, do LCV w ciągu kilku minut od wchłonięcia, poprzedzając remodeling wakuoli.3 Wakuola utrzymuje neutralne pH, co umożliwia przeżycie i namnażanie się bakterii.4
W przeciwieństwie do normalnego procesu degradacji patogenów w fagolizosomie, kompartment, który powinien być pułapką śmierci, staje się niejako „inkubatorem” dla bakterii. Bakterie namnażają się wewnątrz fagosomu, aż do zniszczenia komórki, co prowadzi do uwolnienia nowej generacji mikrobów, które infekują kolejne komórki.56
Systemy sekrecji i efektory bakteryjne
System sekrecji typu IV (Dot/Icm)
Kluczowym czynnikiem wirulencji L. pneumophila jest system sekrecji typu IV (T4SS), znany jako Dot/Icm. System ten transportuje około 300 białek efektorowych do cytoplazmy komórki gospodarza.12 Efektory te stanowią około 10% proteomu L. pneumophila, co sugeruje, że są one głównym wyznacznikiem przeżycia bakterii, a presja selekcyjna na ich utrzymanie jest silna.3
System Dot/Icm jest niezbędny do wewnątrzkomórkowej replikacji i utworzenia LCV. Odgrywa również rolę w wejściu bakterii do komórki, hamowaniu apoptozy komórki gospodarza oraz wyjściu L. pneumophila z komórek gospodarza.4 Bakterie używają tego systemu do manipulowania szlakami sygnałowymi gospodarza na korzyść patogenu.5
Efektory bakteryjne i ich funkcje
Genom L. pneumophila koduje kilka efektorów Dot/Icm z motywami eukariotycznymi, które funkcjonują w szlaku ubikwitynacji eukariotów.1 Bakterie posiadają również system sekrecji typu II (T2SS), określany jako Lsp (Legionella secretion pathway), który jest wymagany do pełnej wirulencji i przetrwania w środowisku.2
Jednym z interesujących mechanizmów odkrytych przez naukowców jest hamowanie odpowiedzi immunologicznej gospodarza przez małe regulatorowe RNA L. pneumophila. Bakteryjne RNA, nazwane RsmY i tRNA-Phe, działają w komórce gospodarza w sposób podobny do mikroRNA. Regulują one w dół ekspresję RIG-I, białka w komórce, które wykrywa obce cząsteczki RNA w celu zainicjowania odpowiedzi immunologicznej. Zmniejszenie ekspresji RIG-I prowadzi do osłabienia odpowiedzi immunologicznej gospodarza i lepszej replikacji L. pneumophila.34
Inny mechanizm wirulencji związany jest z białkiem regulatorowym SidJ, które działa jako przeciwdziałanie dla enzymów SidE. SidJ jest glutamylazą, czyli posiada rzadką aktywność enzymatyczną, która pozwala na łączenie aminokwasów glutaminianowych w łańcuchy. W tym przypadku, SidJ atakuje centralny glutaminian enzymów SidE i hamuje ich aktywność, zapewniając precyzyjną kontrolę aktywności SidE.56
Amylaza LamB i jej rola w patogenezie
Interesującym odkryciem jest kluczowa rola amylazy LamB w wewnątrzkomórkowej replikacji L. pneumophila. Mimo minimalnej roli glukozy w metabolizmie L. pneumophila, enzym ten jest niezbędny do namnażania się bakterii w amebách i ludzkich makrofagach.12
Gen lamB występuje tylko u L. pneumophila i L. steigerwaltii spośród ponad 60 gatunków Legionella. Utrata LamB lub ekspresja katalitycznie nieaktywnych wariantów LamB prowadzi do poważnego defektu wzrostu L. pneumophila w Acanthamoeba polyphaga i ludzkich makrofagach pochodzących z monocytów. Co istotne, mutant pozbawiony lamB wykazuje znaczne osłabienie proliferacji wewnątrzpłucnej w modelu mysim i jest wadliwy w rozprzestrzenianiu się do wątroby i śledziony.34
Rola żelaza w patogenezie
Obecność żelaza (żelazo transferrynowe) jest również niezbędna do wewnątrzkomórkowego wzrostu bakterii. L. pneumophila pozyskuje żelazo głównie poprzez aktywność chelatującą Fe³⁺ sideroforu, co jest najczęstszym czynnikiem pozyskiwania żelaza i promowania infekcji płuc.1
Odpowiedź immunologiczna i zapalenie
Wzrost bakterii, aktywacja układu dopełniacza i/lub śmierć makrofagów pęcherzykowych wytwarzają silne czynniki chemotaktyczne, które wywołują napływ monocytów i polimorfojądrowych neutrofilów. Nieszczelne naczynia włosowate umożliwiają przesączanie się surowicy i odkładanie fibryny w pęcherzykach płucnych. W rezultacie powstaje niszczące zapalenie płuc, które obliteruje przestrzenie powietrzne i zaburza funkcję oddechową.1
Rola odpowiedzi immunologicznej
Odporność komórkowa odgrywa kluczową rolę w kontroli infekcji Legionella. Aktywowane limfocyty T wytwarzają limfokiny, które stymulują zwiększoną aktywność przeciwbakteryjną makrofagów. Ta aktywacja zależna od komórek jest kluczowa do zatrzymania wewnątrzkomórkowego wzrostu bakterii Legionella. Znacząca rola odporności komórkowej wyjaśnia, dlaczego infekcje Legionella są częściej obserwowane u pacjentów z obniżoną odpornością.12
Limfocyty T są niezbędne do skutecznej kontroli przeciwko Legionella, ale dokładna rola limfocytów B jest niejasna.1 Czynnik martwicy nowotworu alfa (TNF-α) jest kluczowy w ochronie organizmu przed infekcją L. pneumophila, a częstość występowania choroby legionistów jest wyższa u pacjentów otrzymujących antagonistów TNF-α w porównaniu do grup kontrolnych.2
Mechanizmy odpowiedzi zapalnej
Chemokiny i cytokiny uwalniane przez zakażone makrofagi stymulują silną odpowiedź zapalną, charakterystyczną dla zakażeń Legionella.1 Objawy zakażenia Legionella wynikają niewątpliwie z kombinacji fizycznego zakłócenia utlenowania krwi, nierównowagi wentylacyjno-perfuzyjnej w pozostałej tkance płucnej oraz uwalniania toksycznych produktów z bakterii i komórek zapalnych.2
Badania na niewielkiej liczbie pacjentów wykazały, że intensywność odpowiedzi cytokinowej była większa u najciężej chorych pacjentów. Niedawne badanie prospektywnej kohorty wykazało, że pacjenci z ciężką postacią choroby legionistów pod respiratorem wykazywali początkowy wzrost wydzielania systemowego siedmiu mediatorów prozapalnych i hiporeaktywność leukocytów z niższą zdolnością wydzielania 16 cytokin, co sugeruje immunoparaliz.3
Czynniki bakteryjne w patogenezie
Wirulencja Legionella wydaje się być wieloczynnikowa. Białko błony zewnętrznej, które działa jako metaloproteaza, oraz białko szoku cieplnego błony cytoplazmatycznej wywołują ochronne odpowiedzi immunologiczne, ale nie są niezbędne do ekspresji wirulencji. Zidentyfikowano gen kodujący białko o masie 29 kDa, który odgrywa rolę w zakażeniu komórkowym. Mutacje tego genu są związane ze zmniejszoną zjadliwością.1
Enzymy bakteryjne i toksyny
Bakteryjne czynniki wirulencji obejmują proteazę, która może być odpowiedzialna za uszkodzenie tkanki. Czynniki komórkowe obejmują interleukinę-1, która wywołuje gorączkę po uwolnieniu z monocytów, oraz czynnik martwicy nowotworów, który może być odpowiedzialny za niektóre objawy ogólnoustrojowe.1
Organizmy namnażają się w swoich wewnątrzkomórkowych wakuolach i wytwarzają enzymy proteolityczne (fosfataza, lipaza i nukleaza), które ostatecznie zabijają komórkę gospodarza, gdy wakuola ulega lizie.1 Bakterie zabijają fagocyty albo poprzez apoptozę, albo nekrozę, za pośrednictwem aktywności tworzącej pory, lub obu, a następnie przedostają się do środowiska pozakomórkowego, co może zainfekować inne makrofagi.2
Dwufazowy cykl wzrostu
L. pneumophila wykazuje dwufazowy cykl wzrostu: w warunkach bogatych w składniki odżywcze bakterie znajdują się w fazie replikacyjnej i wykazują niewiele cech wirulencji, ale w warunkach ograniczonych składników odżywczych, bakterie wchodzą w fazę transmisyjną i stają się wysoce ruchliwe i odporne na różne stresy.1
W fazie ruchowej Legionella rozwija krótsze, grubsze ciało z wicią i przyjmuje niższą formę życia oddechowego. W fazie ruchowej Legionella jest najbardziej zjadliwa i niebezpieczna. Po uwolnieniu się z biofilmu i przedostaniu do ogólnego systemu wodnego, Legionella może zostać przeniesiona przez kropelki aerozolu i zainfekować człowieka.2
Powikłania i skutki zakażenia
Choroba legionistów może prowadzić do poważnych powikłań, w tym niewydolności płuc. Występuje ona, gdy płuca nie mogą dostarczyć organizmowi wystarczającej ilości tlenu lub nie mogą usunąć wystarczającej ilości dwutlenku węgla z krwi.1 Gdy nie jest leczona szybko, choroba legionistów może zakończyć się śmiercią.2
Uszkodzenia wielonarządowe
Oprócz płuc, bakterie Legionella mogą zakażać węzły chłonne, mózg, nerki, wątrobę, śledzionę, szpik kostny i mięsień sercowy.1 Zdolność L. pneumophila do przechodzenia przez barierę nabłonkową płuc prowadzi do bakteriemii, rozprzestrzeniania się i inwazji wielu narządów z późniejszymi objawami, powikłaniami i wstrząsem septycznym.2
Legionella jest rzadką, ale uznaną przyczyną rabdomiolizy. Mechanizm nie jest znany, ale teoretyzuje się, że jest to bezpośrednia inwazja Legionella do mięśni lub uwolnienie endotoksyny do krążenia, co powoduje uszkodzenie mięśni.3
Zmiany histopatologiczne
Histopatologia choroby legionistów może się różnić w zależności od stadium i ciężkości zakażenia. Stadium wysięku występuje w pierwszym tygodniu infekcji i charakteryzuje się obrzękiem pęcherzykowym, błonami szklistymi, wysiękiem wewnątrzpęcherzykowym i erytroleukosfagocytozą. Stadium proliferacyjne występuje między drugim a trzecim tygodniem infekcji i charakteryzuje się hiperplazją pneumocytów, proliferacją fibroblastów i odkładaniem kolagenu. Stadium włóknienia występuje po trzecim tygodniu infekcji i charakteryzuje się rozległym włóknieniem, zmianą plastra miodu i tworzeniem się torbieli.1
Badania histopatologiczne płuc u zmarłych pacjentów z chorobą legionistów wykazały, że najbardziej dotknięte są oskrzeliki końcowe, z rozległym wewnątrzpęcherzykowym wysiękiem makrofagów, neutrofilów, erytrocytów i fibryny.2
Diagnoza i leczenie
Diagnoza choroby legionistów zwykle rozpoczyna się od diagnozy zapalenia płuc, potwierdzonej przez RTG klatki piersiowej i zweryfikowanej przez jeden lub więcej pozytywnych testów diagnostycznych na Legionella.1
Metody diagnostyczne
Zakażenie Legionella jest diagnozowane poprzez hodowlę organizmu, która wymaga użycia specjalistycznego panelu mediów różnicujących i selektywnych. Pojawienie się testów na antygen w moczu w połowie lat 90. zapewniło po raz pierwszy prosty, szybki sposób identyfikacji zakażonych pacjentów. Idealnymi próbkami do hodowli są popłuczyny oskrzelowe, płukanie oskrzelowe lub wymazy z oskrzeli.2
Badania laboratoryjne często wykazują hiponatremię, hipofosfatemię oraz podwyższone poziomy aminotransferaz i białka C-reaktywnego.3
Skuteczność leczenia
Choroba legionistów jest leczona antybiotykami. Im wcześniej pacjent otrzyma terapię antybiotykową, tym większe prawdopodobieństwo, że będzie ona skuteczna.1 Bez odpowiedniej terapii antybiotykowej infekcja może powodować poważne powikłania, a nawet śmierć.2
Uderzające jest to, że u większości pacjentów Legionella nie jest wykrywalna w płynie mózgowo-rdzeniowym, co skłoniło niektórych autorów do rozważenia, czy mechanizm leżący u podstaw objawów neurologicznych to reakcja immunologiczna lub toksyczna, a nie bezpośrednie uszkodzenie przez bakterie.3 Niemniej jednak stopniowa poprawa kliniczna, a także zanik hiperintensywności mózgu po dostosowaniu antybiotyków, skłaniają do wniosku, że choroba legionistów jest najbardziej prawdopodobnym źródłem stanu pacjenta.4
Zapobieganie i kontrola
Kluczem do zapobiegania chorobie legionistów jest zmniejszenie ryzyka wzrostu i rozprzestrzeniania się Legionella w systemach wodnych budynków i urządzeniach poprzez dobre strategie konserwacji. Strategie te obejmują monitorowanie temperatury wody i poziomów środków dezynfekujących oraz zapobieganie warunkom stagnacji wody.1
Skuteczne środki kontroli
Skuteczne środki kontroli przeciwko bakteriom Legionella obejmują:
- Zapewnienie regularnej konserwacji, czyszczenia i dezynfekcji systemów wodnych, w tym systemów hydraulicznych, wież chłodniczych, jacuzzi i fontann ozdobnych
- Utrzymywanie systemów zimnej wody poniżej 20°C i systemów ciepłej wody powyżej 50°C, aby zapobiec wzrostowi bakterii
- Zapewnienie właściwego przepływu i cyrkulacji wody w systemach wodnych, aby zminimalizować ryzyko stagnacji wody
- Dezynfekcja systemów ciepłej wody wysokimi poziomami (50 mg/l) chloru przez 24 godziny po pracach nad systemem i podgrzewaczami wody oraz przed początkiem każdego ciepłego sezonu
- Regularne czyszczenie i dezynfekcja filtrów wody, wież chłodniczych i powiązanych rur używanych w systemach klimatyzacji
Tymczasowa eliminacja lub redukcja kolonizacji Legionella w „ekosystemie” ciepłej wody jest możliwa, choć trudna. Sukces zależy od projektu i stanu systemu, a także zastosowanej metodologii rekultywacji. Jeśli system jest stary, czyszczenie i odkamienianie może być ważnym elementem programu kontroli Legionella.34
Właściciele i zarządcy budynków powinni opracować i wdrożyć program zarządzania wodą zgodnie ze standardami ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers).5
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.