Rzeżączka – Patofizjologia i mechanizm

Rzeżączka
Patofizjologia i mechanizm

Neisseria gonorrhoeae, gram-ujemny diplokok, jest wysoce wyspecjalizowanym patogenem człowieka, kolonizującym głównie błony śluzowe układu moczowo-płciowego, odbytu, gardła i spojówek. Kluczowym etapem patogenezy jest adhezja do nabłonka za pomocą rzęsek typu IV, białek Opa, lipooligosacharydów (LOS) i poryn (PorB), co prowadzi do tworzenia mikrokolonii i inwazji do warstwy podnabłonkowej. Zdolność do zmienności antygenowej i fazowej tych struktur powierzchniowych umożliwia unikanie odpowiedzi immunologicznej, a także przetrwanie wewnątrzkomórkowe w neutrofilach i komórkach nabłonkowych. Patologia wynika głównie z aktywacji odpowiedzi zapalnej, w tym masowego napływu neutrofili i uwalniania cytokin prozapalnych (IL-6, TNF-α, IL-8), co skutkuje ropną wydzieliną i uszkodzeniem tkanek. Ponadto, N. gonorrhoeae wykazuje mechanizmy unikania układu dopełniacza, m.in. poprzez sialilację LOS i wiązanie białek regulatorowych dopełniacza, co zwiększa jej przeżywalność w organizmie gospodarza.

Patogeneza rzeżączki

Neisseria gonorrhoeae, czynnik etiologiczny rzeżączki, to gram-ujemny diplokok przystosowany wyłącznie do bytowania w organizmie człowieka. Patogen ten kolonizuje głównie błony śluzowe układu moczowo-płciowego, może również zajmować błony śluzowe odbytu, gardła i spojówek. Patologia związana z zakażeniem wynika przede wszystkim z uszkodzeń spowodowanych aktywacją odpowiedzi immunologicznej w miejscu kolonizacji, gdyż N. gonorrhoeae nie wytwarza silnych egzotoksyn¹. Zrozumienie mechanizmów patogenezy rzeżączki jest kluczowe dla opracowania skutecznych metod zapobiegania, diagnostyki i leczenia tej powszechnej infekcji przenoszonej drogą płciową.

Adhezja i kolonizacja – kluczowe mechanizmy początkowej fazy zakażenia

Pierwszym i najważniejszym etapem patogenezy rzeżączki jest adhezja bakterii do nabłonka błony śluzowej. Proces ten zachodzi za pośrednictwem specyficznych struktur powierzchniowych bakterii, w tym przede wszystkim rzęsek typu IV (Type IV pili), białek nieprzezroczystości (Opa), lipooligosacharydów (LOS) oraz poryny (PorB)¹².

Po dostaniu się do organizmu, N. gonorrhoeae tworzy mikrokolonie na komórkach nabłonka walcowatego (non-ciliated columnar epithelial cells) już około 1-2 godziny po zakażeniu. Gdy mikrokolonie osiągną gęstość około 100 diplokoków, dochodzi do reorganizacji cytoszkieletu i agregacji białek gospodarza, co prowadzi do przyłączenia się bakterii za pomocą rzęsek do receptora CD46 na powierzchni komórki. Następnie rzęski niektórych organizmów ulegają skróceniu poprzez depolimeryzację PilE, co sprzyja ściślejszemu kontaktowi z komórkami gospodarza poprzez wiązanie białek Opa z receptorami CEACAM. Przyłączenie do CEACAM indukuje polimeryzację i reorganizację aktyny w komórce gospodarza, co skutkuje wchłonięciem bakterii, transkomórkową transcytozą i uwolnieniem bakterii do warstwy podnabłonkowej².

Rzęski typu IV są strukturami błony zewnętrznej mającymi kluczowe znaczenie dla początkowej adhezji komórkowej, naturalnej kompetencji transformacyjnej, ruchu typu twitching oraz unikania odpowiedzi immunologicznej poprzez zmienność antygenową i fazową³. Zdolność dwoinek rzeżączki do wiązania się z różnymi typami komórek nabłonkowych za pomocą rzęsek powierzchniowych umożliwia im zakażanie błon śluzowych, takich jak nabłonek układu moczowo-płciowego, traktu ustno-gardłowego i tkanki spojówkowej⁴.

Rola białek Opa w procesie zakażenia

Interakcje między białkami Opa a receptorami z rodziny CEACAM (carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule) oraz innymi cząsteczkami, takimi jak siarczan heparyny, są istotne dla adhezji bakterii do komórek gospodarza. Oddziaływanie Opa-CEACAM może być jednym z głównych mechanizmów adhezyjnych dwoinek rzeżączki⁵.

In vivo ekspresja rzęsek i białek Opa różni się znacząco. Organizmy wyizolowane z cewki moczowej mężczyzn zwykle wykazują jednoczesną ekspresję rzęsek i jednego z kilku białek Opa. Jednak u kobiet ekspresja Opa zmienia się w zależności od fazy cyklu menstruacyjnego i od tego, czy pacjentka przyjmuje doustne środki antykoncepcyjne. W środkowej fazie cyklu bakterie wyizolowane z szyjki macicy wykazują ekspresję Opa, podczas gdy te wyizolowane w trakcie miesiączki zwykle nie wykazują ekspresji tego białka. Co więcej, organizmy wyizolowane z zakażonych jajowodów prawie zawsze są Opa-negatywne, nawet jeśli organizmy wykazujące ekspresję Opa można wyizolować z szyjki macicy tej samej pacjentki⁶.

Te obserwacje można częściowo wyjaśnić faktem, że wydzieliny szyjki macicy podczas menstruacji zawierają więcej enzymów proteolitycznych niż podczas fazy pęcherzykowej. W rezultacie komórki niewykazujące ekspresji Opa mogą być selekcjonowane ze względu na wyjątkową wrażliwość białek Opa na enzymy podobne do trypsyny. Dodatkowo, zaobserwowano, że hodowle komórek jajowodów nie wyrażają receptorów CEACAM, co może pozwalać na in vivo selekcję fenotypową odrębnych populacji gonokoków na różnych tkankach⁶.

Czynniki patogenności i mechanizmy inwazji

N. gonorrhoeae posiada szereg czynników wirulencji, w tym rzęski typu IV, antygeny lipooligosacharydowe, poryny błony zewnętrznej (Por), białka nieprzezroczystości (Opa) i proteazę IgA, które wspólnie umożliwiają unikanie odpowiedzi immunologicznej gospodarza⁴. Te czynniki patogenności pozwalają dwoince rzeżączki na przetrwanie zarówno jako organizm zewnątrzkomórkowy, jak i wewnątrzkomórkowy, w różnych typach komórek⁷.

Istotną rolę w patogenezie rzeżączki odgrywają również lipooligosacharydy (LOS), które są ważne dla adhezji i inwazji komórek gospodarza. Warianty LOS wpływają na rozpoznawanie przez komórki immunologiczne, a sialilacja LOS wpływa na oporność na surowicę poprzez unikanie układu dopełniacza i transmisję przez gospodarza⁵.

Uważa się, że interakcja między LOS a receptorem asialoglikoproteinowym sprzyja inwazji nabłonka w cewce moczowej mężczyzn, podczas gdy CR3 (receptor dopełniacza 3) służy jako receptor pośredniczący w inwazji w dolnych odcinkach dróg rodnych kobiet, a LHr (receptor lutropiny) służy jako receptor w endometrium i jajowodach⁵.

Ponadto, N. gonorrhoeae może tworzyć biofilmy na powierzchniach abiotycznych i komórkach nabłonkowych in vitro, chociaż dokładna rola biofilmów podczas infekcji pozostaje do określenia⁵.

Reakcja zapalna i rekrutacja neutrofili

Charakterystycznym objawem niepowikłanego zakażenia rzeżączkowego jest masowy napływ neutrofili do miejsca infekcji, prowadzący do powstania ropnej wydzieliny. Początkowo podejrzewano, że ekspresja białka Opa jest ściśle związana ze stymulacją PMN (neutrofili wielojądrzastych). Następnie wykazano, że po przyłączeniu gonokoków do błony śluzowej, uwalniane są cytokiny prozapalne IL-6 i TNF-alfa oraz chemokina IL-8, co prowadzi do rekrutacji neutrofili⁸.

Ponadto, po dotarciu do warstwy podnabłonkowej, gonokoki uwalniają LOS i lipoproteiny, które dodatkowo stymulują produkcję cytokin, gdyż te składniki błony zewnętrznej są wykrywane przez receptory Toll-like (TLR) na komórkach immunologicznych. Komórki gospodarza reagują również na fragmenty peptydoglikanu w pęcherzykach błony zewnętrznej za pośrednictwem cytoplazmatycznych receptorów NOD-like (NLR), co również przyczynia się do wydzielania dodatkowych cytokin prozapalnych⁸.

W przypadku zakażenia cewki moczowej u mężczyzn interakcja gonokoków z nabłonkiem cewki moczowej wywołuje uwalnianie cytokin, co sprzyja napływowi neutrofili i odpowiedzi zapalnej. Z kolei gonokoki atakują nierzęskowy nabłonek, a komórki rzęskowe są narażone na cytotoksyczne działanie czynnika martwicy nowotworów alfa indukowanego przez peptydoglikan i lipooligosacharyd gonokokowy⁹.

Unikanie układu dopełniacza i mechanizmy przetrwania

Zdolność N. gonorrhoeae do unikania rozpoznania i ataku przez ludzki układ dopełniacza jest główną cechą adaptacji tego gatunku do człowieka, co potwierdza obserwacja, że N. gonorrhoeae jest odporna na działanie ludzkiego dopełniacza, ale wrażliwa na układy dopełniacza innych zwierząt¹⁰.

N. gonorrhoeae unika zabijania przez dopełniacz poprzez dwa ogólne mechanizmy:

wiązanie i inaktywację składników kaskady dopełniacza i zapobieganie tworzeniu kompleksu ataku błonowego
prezentowanie się jako „własny” poprzez ekspresję cząsteczek występujących w organizmie gospodarza na powierzchni bakterii i wiązanie białek regulatorowych dopełniacza¹⁰

Pomimo aktywnej rekrutacji neutrofili do miejsca zakażenia, gonokoki mogą przetrwać zarówno oksydacyjne, jak i nieoksydacyjne mechanizmy obronne. Przetrwanie wydaje się korelować z selektywnym wyzwalaniem przez gonokoki zależnych od Th17 mechanizmów obronnych gospodarza poprzez modulację ekspresji IL-17¹¹.

Gonokoki muszą również zwalczać znaczny stres oksydacyjny, wytwarzając szereg różnych enzymów podczas odpowiedzi zapalnej w celu detoksykacji anionów nadtlenkowych (O₂⁻), nadtlenku wodoru (H₂O₂) i rodników hydroksylowych (HO·). Gonokoki muszą usuwać H₂O₂, ponieważ w obecności jonów żelazawych inicjowana jest reakcja Fentona, która generuje dodatkowe rodniki hydroksylowe. Do eliminacji H₂O₂ gonokok wykorzystuje katalazę w połączeniu z peroksydazą cytochromu c zlokalizowaną w przestrzeni peryplazmatycznej¹¹.

Normalnie jony nadtlenkowe są usuwane przez enzymy dysmutazy ponadtlenkowej, które przekształcają nadtlenek w H₂O₂ i wodę. Jednakże większość szczepów N. gonorrhoeae nie wykazuje mierzalnej aktywności SOD, co sugeruje, że utleniacze mogą być usuwane poprzez alternatywny mechanizm. Wydaje się, że N. gonorrhoeae wykorzystuje jony manganu (Mn²⁺) do zwalczania akumulacji reaktywnych form tlenu. Mangan gromadzi się w komórce dzięki systemowi pobierania Mn, przy czym zarówno Mn(II), jak i Mn(III) wyłapują cząsteczki nadtlenku i nadtlenku wodoru w sposób nieenzymatyczny¹¹.

Zmienność antygenowa i fazowa – strategie unikania odpowiedzi immunologicznej

Zakażenie N. gonorrhoeae nie generuje pamięci immunologicznej, co jest spowodowane zdolnością bakterii do zmienności antygenowej i fazowej swoich struktur powierzchniowych, w tym rzęsek typu IV, białek Opa i LOS¹⁰. Ta zdolność do zmiany antygenowej i fazowej wielu białek powierzchniowych zmniejszyła liczbę potencjalnych antygenów szczepionkowych¹².

Zmienność fazowa to najczęściej konsekwencja przesunięcia ramki odczytu w obrębie genu, co prowadzi do losowego przełączania między stanami włączenia/wyłączenia, podczas gdy zmienność antygenowa prowadzi do zmian w składzie chemicznym niektórych składników strukturalnych. W związku z tym każda komórka gonokokowa może różnicowo wyrażać odrębne antygeny powierzchniowe, w różnych formach chemicznych, co utrudnia rozpoznawanie przez przeciwciała gospodarza, ułatwia różne style życia i pomaga wyjaśnić brak skutecznych szczepionek chroniących przed zakażeniem rzeżączkowym⁷.

Zmienność antygenowa występuje intensywnie w systemie pil, a także w niektórych innych mniejszych systemach. Gonokoki posiadają wiele zmiennych genów pil; niektóre są uznawane za ciche i służą jako miejsca przechowywania zmiennej sekwencji pil, działają w połączeniu z pojedynczym miejscem ekspresji, pilE, które koduje polipeptyd PilE. Rekombinacja często występuje między pilE a indywidualnym pilS, prowadząc do zmian w składzie chemicznym PilE. Szacuje się, że PilE może przyjmować 10⁸ form chemicznych, co pomaga udaremnić skuteczną odpowiedź immunologiczną ze względu na jego prominentną lokalizację powierzchniową¹³.

Różnice płciowe w mechanizmach patogenezy

Mechanizmy molekularne wykorzystywane przez gonokoka do inicjacji zakażenia wykazują specyfikę płciową. Interakcja gonokoków z komórkami nabłonkowymi cewki moczowej u mężczyzn wywołuje uwalnianie cytokin, co sprzyja napływowi neutrofili i odpowiedzi zapalnej⁹.

Z kolei przyłączenie się gonokoków do szyjki macicy jest mediowane przez wspólne działanie składników gospodarza i gonokokowych. Rzęski gonokoków wiążą się z CR3 obecnym na nabłonku szyjki macicy i endoszyjki, pozycjonując bakterię na powierzchni komórki szyjki macicy, gdzie produkowany jest i aktywowany układ dopełniacza¹⁴.

C3b jest inaktywowany do iC3b; procesy te są prawdopodobnie zapośredniczone przez powinowactwo poryny do czynnika H alternatywnej drogi i bliskość poryny do LOS w błonie zewnętrznej gonokoka¹⁴.

Mechanizmy rozsiewu zakażenia

Gonococcemia, zdefiniowana jako obecność N. gonorrhoeae w krwiobiegu, może prowadzić do rozwoju rozsianego zakażenia rzeżączkowego (DGI – disseminated gonococcal infection). Gonococcemia występuje u około 0,5-3% pacjentów z rzeżączką¹⁵.

Manifestacje kliniczne tego procesu są dwufazowe, z wczesną fazą bakteriemiczną składającą się z zapalenia pochewek ścięgnistych, bólów stawów i zapalenia skóry, a następnie fazą zlokalizowaną, składającą się ze zlokalizowanego septycznego zapalenia stawów. Inne potencjalnie poważne powikłania kliniczne obejmują zapalenie szpiku kostnego, zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych, zapalenie wsierdzia, zespół ostrej niewydolności oddechowej (ARDS) i śmiertelny wstrząs septyczny¹⁵.

Organizmy Neisseria rozprzestrzeniają się do krwi z powodu różnych czynników predysponujących, takich jak zmiany fizjologiczne gospodarza, czynniki zjadliwości samego organizmu i niepowodzenia mechanizmów obronnych gospodarza¹⁵.

Na przykład zmiany pH pochwy, które występują podczas miesiączki i ciąży, oraz w okresie połogu, sprawiają, że środowisko pochwy staje się bardziej odpowiednie do wzrostu organizmu i zapewniają zwiększony dostęp do krwiobiegu¹⁶.

Defekty w mechanizmach obronnych gospodarza również biorą udział w patofizjologii, przy czym u niektórych pacjentów bardziej prawdopodobne jest rozwinięcie bakteriemii. W szczególności pacjenci z niedoborem składników końcowych dopełniacza są mniej zdolni do zwalczania infekcji, ponieważ dopełniacz odgrywa ważną rolę w zabijaniu organizmów Neisseria¹⁶.

Rozwój rozsianego zakażenia rzeżączkowego jest wynikiem rozprzestrzeniania się organizmów Neisseria do krwi z powodu różnych czynników predysponujących, takich jak:

Czynniki gospodarza
Zmiany pH
Ciąża
Menstruacja
Czynniki zjadliwości samego organizmu
Niepowodzenia mechanizmów obronnych gospodarza¹⁷

Oporność na antybiotyki jako kluczowy element patogenezy

Zdolność N. gonorrhoeae do rozwijania oporności na antybiotyki stanowi istotny element jej patogenezy i adaptacji do środowiska człowieka. Dwoinka rzeżączki wykazała niezwykłą zdolność do przystosowania się i stać się oporną na wszystkie środki przeciwdrobnoustrojowe wprowadzone w ciągu ostatniego stulecia do leczenia rzeżączki¹⁸.

Główne mechanizmy molekularne, które są wykorzystywane przez bakterie do rozwijania oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe, to:

Ochronna zmiana celów antybiotyków
Zmniejszony napływ antybiotyków do komórki poprzez białka transportowe
Zwiększony wypływ z komórki za pośrednictwem wielolekowych pomp wypływowych
Ekspresja enzymów degradujących antybiotyki¹²

Wysoka skłonność N. gonorrhoeae do pobierania DNA ze środowiska zwiększa prawdopodobieństwo, że geny N. gonorrhoeae kodujące determinanty oporności na antybiotyki będą mutować i staną się oporne¹².

Jednym z najważniejszych determinantów oporności na środki przeciwdrobnoustrojowe gonococcus, który zapewnia niespecyficzną oporność na penicyliny, cefalosporyny, azytromycynę, tetracyklinę, ciprofloksacynę i inne hydrofobowe lub amfipatyczne leki, jest wielolekowa pompa wypływowa MtrCDE¹⁸.

Oprócz tych niespecyficznych determinantów oporności, N. gonorrhoeae rozwija również wiele specyficznych mutacji w miejscach docelowych różnych środków przeciwdrobnoustrojowych, zmniejszając w ten sposób powinowactwo i zwiększając poziomy oporności¹⁹.

Oporność N. gonorrhoeae na azytromycynę rozwija się powoli od 1990 roku w niektórych obszarach świata, a następnie na całym świecie pojawiła się szereg podobnych doniesień. Zakłada się, że wiele mechanizmów oporności ewoluuje z określonych mutacji od komensalnych gatunków Neisseria, które żyją w jamie ustnej²⁰.

Wiele przypadków oporności na makrolidy w szczepach klinicznych wiązało się ze zmianą określonych nukleotydów w 23S rRNA w obrębie dużej podjednostki rybosomalnej. Metylazy rRNA mogą powodować oporność na makrolidy poprzez blokowanie wiązania makrolidów z 23S rRNA przez metylowanie reszty adenozyny w pozycji 2058 (system numeracji E. coli), która znajduje się w peptydylotransferazowej domenie V²¹.

Znaczenie zrozumienia patogenezy dla zdrowia publicznego

Zrozumienie mechanizmów patogenezy rzeżączki ma kluczowe znaczenie dla opracowania skutecznych strategii zapobiegania, diagnostyki i leczenia tej powszechnej infekcji przenoszonej drogą płciową. Wiedza ta ułatwi zapobieganie chorobom, nadzór i kontrolę, poprawi diagnostykę i może pomóc w opracowaniu skutecznych szczepionek lub nowych metod terapeutycznych²².

Rosnąca oporność na cefalosporyny, ostatnią pozostałą opcję pierwszego rzutu w leczeniu empirycznym rzeżączki, stanowi poważne zagrożenie dla zdrowia publicznego²³. Szczepy należące do całego gatunkowego drzewa filogenetycznego gonokoków wykazały zdolność do rozwijania oporności na ceftriakson. Wzmocniony Program Nadzoru nad Opornością Antymikrobiologiczną Gonokoków WHO (EGASP) stwierdził wysoki poziom oporności na ceftriakson, głównie z powodu rozprzestrzeniania się szczególnie opornych szczepów²³.

Wiedza na temat mechanizmów molekularnych leżących u podstaw oporności na antybiotyki umożliwi tworzenie nowych generacji antybiotyków zaprojektowanych w celu uniknięcia lub przezwyciężenia tych mechanizmów²⁴. Znajomość ważnych mutacji powodujących oporność pozwoli również na dostosowanie leczenia do określonych szczepów N. gonorrhoeae²⁴.

Podsumowanie kluczowych elementów patogenezy rzeżączki

Neisseria gonorrhoeae wykazuje imponujący zestaw mechanizmów patogenezy, które pozwalają jej na skuteczną kolonizację, unikanie odpowiedzi immunologicznej gospodarza i rozwój oporności na antybiotyki. Kluczowe elementy tej patogenezy obejmują:

Adhezję do komórek nabłonkowych za pomocą rzęsek typu IV, białek Opa i innych struktur powierzchniowych³
Tworzenie mikrokolonii i inwazję do tkanek gospodarza²
Zdolność do przetrwania wewnątrz neutrofili i komórek nabłonkowych¹¹
Zmienność antygenową i fazową, która pozwala na unikanie odpowiedzi immunologicznej⁷
Liczne mechanizmy oporności na antybiotyki¹⁸
Zdolność do pobierania żelaza z białek wiążących żelazo gospodarza²⁵
Sialilację LOS, która pomaga w unikaniu układu dopełniacza²⁶

Te złożone i skuteczne mechanizmy patogenezy sprawiają, że N. gonorrhoeae pozostaje jednym z najczęstszych czynników wywołujących infekcje przenoszone drogą płciową na świecie, mimo dostępności antybiotyków. Zrozumienie tych mechanizmów jest kluczowe dla opracowania nowych strategii profilaktycznych i terapeutycznych, szczególnie w obliczu rosnącej oporności na antybiotyki.

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.

Materiały źródłowe

#1
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6329377/
The host-adapted human pathogen Neisseria gonorrhoeae is the causative agent of gonorrhea. […] N. gonorrhoeae has retained features that are common in commensals, but it has also developed unique features that are crucial to its pathogenesis. […] This knowledge will facilitate disease prevention, surveillance and control, improve diagnostics and may help to facilitate the development of effective vaccines or new therapeutics. […] In this Review, we discuss gender-related symptomatic gonorrheal disease, and provide an overview of the bacterial factors that are important for the different stages of pathogenesis, including transmission, colonization and immune evasion, and discuss the problem of antibiotic resistance. […] N. gonorrhoeae mainly colonizes the genital mucosa, but it can also colonize the ocular, nasopharyngeal, and anal mucosa. Pathology largely results from damage that is caused by the activation of innate immune responses at the sites of colonization as N. gonorrhoeae does not express potent exotoxins.
#2 Gonorrhea â an evolving disease of the new millennium
https://microbialcell.com/researcharticles/gonorrhea-an-evolving-disease-of-the-new-millenium/
Neisseria gonorrhoeae primarily colonizes the urogenital tract after sexual contact with an infected individual. The gonococcus can exist as both an extracellular and intracellular organism, with the bulk of its genes being devoted to colonization and survival, due to the fact that it cannot survive outside of a human host. Transmission is generally a consequence of sexual intercourse. Upon arrival into a new host, micro-colony formation commences on non-ciliated columnar epithelial cells approximately 1 to 2 hours post-infection. Once the micro-colonies achieve a cell density of approximately 100+ diplococci, cytoskeletal rearrangement and host protein aggregation occurs, which leads to pilus-mediated attachment of the gonococcus to the CD46 host cell-surface receptor. Once bound, the pilus structures on some organisms are retracted through PilE depolymerization which promotes tighter contact with the host cells through Opa binding to the CEACAM receptors. Upon CEACAM binding, actin polymerization and rearrangement is induced within the host cell which results in bacterial engulfment, transcellular transcytosis and release of the bacteria into the subepithelial layer.
#3
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6329377/
Since N. gonorrhoeae colonizes genital, rectal and oral mucosa, it expresses a repertoire of factors that allow replication and survival in these environmental niches, and factors that modulate and evade the host immune system. Understanding the mechanisms through which N. gonorrhoeae interacts with and evades the host immune system are necessary to facilitate better infection prevention, diagnostic development, surveillance, and the development of vaccines or new treatments. […] The primary event establishing infection and the first step in pathogenesis is the bacterial adherence to the epithelium of the mucosa, which is mediated through distinct bacterial surface structures that include Type IV pili, opacity (Opa) proteins, the LOS, and the major porin, also referred to as PorB. […] Type IV pili are outer membrane structures that are crucial for mediating initial cellular adherence, natural transformation competence, twitching motility and immune evasion through antigenic and phase variation.
#4 Core Concepts – Gonococcal Infections – Self-Study Lessons – National STD Curriculum
https://www.std.uw.edu/go/comprehensive-study/gonococcal-infections
Gonorrhea is a common bacterial sexually transmitted disease caused by N. gonorrhoeae, a gram-negative bacterium that divides by binary fission and thus usually appears as pairs (diplococci) with hair-like pilli extending from the surface outer membrane. Optimal growth of N. gonorrhoeae requires nutritional supplementation, such as with a Thayer-Martin media. Neisseria gonorrhoeae attaches to different types of epithelial cells via its surface pili, rendering it capable of infecting mucosal surfaces, such as the urogenital epithelium, oropharyngeal tract, and conjunctival tissue. This organism has a number of virulence factors, including type IV pili, lipooligosaccharide antigens, outer membrane porin protein (Por), opacity protein (Opa), and IgA protease, that collectively facilitate evasion of the host immune response. Infection with N. gonorrhoeae generates limited immunity, and thus, repeated infections can occur.
#5
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6329377/
Interactions between Opa proteins with carcinoembryonic antigen-related cell adhesion molecule (CEACAM) receptors and other molecules, like heparin sulfate, are important for adherence, and the Opa-CEACAM interaction may be one of the major adherence interactions. […] N. gonorrhoeae can form biofilms on abiotic surfaces and epithelial cells in vitro; however, the precise role of biofilms during infection remains to be determined. […] Prominent surface factors porin and LOS also affect colonization. […] LOS is important for adherence and invasion of host cells, variations in LOS affect immune cell recognition, and sialyation of LOS affects serum resistance through complement evasion and host transmission. […] It is thought that the interaction between LOS and the asialoglycoprotein receptor promotes epithelial invasion in the urethra of men, whereas CR3 serves as the receptor that mediates invasion in the lower cervical genital tract, and LHr serves as the receptor in the endometrium and fallopian environments.
#6 Gonorrhea â an evolving disease of the new millennium
https://microbialcell.com/researcharticles/gonorrhea-an-evolving-disease-of-the-new-millennium/
[…] In vivo, the coordinated expression of pili and Opa varies considerably. Organisms isolated from the male urethra generally co-express pili and one of several Opa proteins. However, in women, Opa expression varies depending upon the stage of the menstrual cycle and whether or not the patient is taking oral contraceptives. At mid-cycle, bacteria isolated from the cervix express Opa, whereas those isolated during menses tend to be Opa negative. Moreover, organisms isolated from infected fallopian tubes are almost universally Opa negative, even though Opa expressing organism can be isolated from the cervix of the same patient. These observations can perhaps be explained by the fact that cervical secretions during menstruation contain more proteolytic enzymes than during the follicular phase. Consequently, non-Opa expressing cells may be selected due to the extreme sensitivity of Opa proteins to trypsin-like enzymes. However, with the recent studies demonstrating Opa interactions with CECAM receptors, it has been observed that fallopian epithelial tube cell cultures do not appear to express CECAM receptors. Nonetheless, in the absence of these receptors, gonococci were found to still adhere and invade. Consequently, CECAM expression, or the lack of it, possibly allows for in vivo phenotypic selection of distinct gonococcal populations on various tissues. Overall, Opa expression does appear to increase gonococcal fitness within the female genital tract. Generally, Opa expression is absent in most re-isolates from female disseminated infections.
#7 Gonorrhea â an evolving disease of the new millennium
https://microbialcell.com/researcharticles/gonorrhea-an-evolving-disease-of-the-new-millenium/
Neisseria gonorrhoeae can survive either as an extracellular organism, or, alternatively, as an intracellular organism within a variety of different cell types. Which state the organism enters depends largely on which surface components are expressed and whether these components are chemically modified or not. N. gonorrhoeae can modulate expression, or, the chemical character of its surface components either by phase variation, or, by antigenic variation. Generally, phase variation is a consequence of frame-shifting within a gene which leads to random switching between on/off states, whereas antigenic variation leads to changes in the chemical composition of some structural component. Therefore, each gonococcal cell can differentially express distinct surface antigens, in various chemical forms, which hinders recognition by host antibodies, facilitates multiple lifestyles and helps explain the lack of efficacious vaccines to protect against a gonorrheal infection.
#8 Gonorrhea â an evolving disease of the new millennium
https://microbialcell.com/researcharticles/gonorrhea-an-evolving-disease-of-the-new-millennium/
[…] The hallmark symptom of a non-complicated gonorrhea infection is a massive recruitment of neutrophils to the site of infection leading to the formation of a pustular discharge. Initially, Opa protein expression was suspected to be intimately involved in PMN stimulation. Subsequently, it was shown that following attachment of gonococci to the mucosa, the pro-inflammatory cytokines IL-6 and TNF-alpha as well as the chemokine IL-8 are released leading to the recruitment of neutrophils. In addition, upon arrival at the sub-epithelial layer, gonococci release LOS and lipoproteins which further stimulate cytokine production as these outer membrane components are detected by Toll-like receptors (TLRs) on immune cells. Host cells also respond to bacterial peptidoglycan fragments within outer membrane vesicles via cytoplasmic NOD-like receptors (NLRs) which also contribute to the secretion of additional pro-inflammatory cytokines.
#9 The Molecular Mechanisms Used by Neisseria gonorrhoeae To Initiate Infection Differ between Men and Women
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC523569/
The molecular mechanisms used by the gonococcus to initiate infection exhibit gender specificity. […] Gonococcal interaction with the urethral epithelia cell triggers cytokine release, which promotes neutrophil influx and an inflammatory response. […] Gonococci invade the nonciliated epithelia, and the ciliated cells are subjected to the cytotoxic effects of tumor necrosis factor alpha induced by gonococcal peptidoglycan and lipooligosaccharide. […] Gonococcal engagement of complement receptor 3 on the cervical epithelia results in membrane ruffling and does not promote inflammation. […] A model of gonococcal pathogenesis is presented in the context of the male and female human urogenital tracts. […] The interaction of gonococci with PMNs is mediated by the interaction of two broad families of proteins, Opa gonococcal proteins and CEACAM host cell proteins.
#10
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6329377/
The ability of N. gonorrhoeae to evade recognition and attack from the human complement system is a major feature of host adaptation by this species, highlighted by the observation that N. gonorrhoeae resists the action of human complement but is sensitive to animal complement systems. […] N. gonorrhoeae evades complement-mediated killing through two general mechanisms: binding to and inactivating complement cascade components and preventing membrane attack complex formation, and presenting as self by expressing molecules found in the host on the bacterial surface, and binding to complement regulatory proteins. […] N. gonorrhoeae infection does not generate immunological memory, due to the ability of N. gonorrhoeae to antigenically and phase vary its surface structures including Type IV pili, Opa proteins, and LOS.
#11 Gonorrhea â an evolving disease of the new millennium
https://microbialcell.com/researcharticles/gonorrhea-an-evolving-disease-of-the-new-millennium/
[…] Despite the active recruitment of PMNs to a site of infection, gonococci can survive the oxidative and non-oxidative defense mechanisms. Survival appears to correlate with gonococci selectively triggering Th17-dependent host defense mechanisms by modulating expression of IL-17. Gonococci also must combat considerable oxidative stress by elaborating a number of different enzymes during the inflammatory response in order to detoxify superoxide anions (O2), hydrogen peroxide (H2O2), and hydroxyl radicals (HO). Gonococci must remove H2O2 because in the presence of ferrous ions the Fenton reaction is initiated which yields additional hydroxyl radicals. Catalase is used by the gonococcus to eliminate H2O2 in conjunction with a periplasmic cytochrome c peroxidase. Normally, superoxide ions are removed by superoxide dismutase enzymes which convert superoxide to H2O2 and water. However, the majority of N. gonorrhoeae strains have no measurable SOD activity, suggesting that oxidants may be removed via an alternative mechanism. It appears that N. gonorrhoeae utilize manganese ions (Mn2+) to combat reactive oxygen species accumulation. Manganese accumulates within the cell through the Mn uptake system, with Mn(II) and Mn(III) both scavenging superoxide and hydrogen peroxide molecules non-enzymatically. Furthermore, Mn(II)-pyrophosphate and Mn(III)-polyphosphate complexes are also effective in eliminating hydroxyl radicals that are formed via the Fenton reaction.
#12
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6329377/
The ability of N. gonorrhoeae to antigenically and phase vary multiple surface proteins has reduced the number of viable vaccine antigen candidates. […] The main molecular mechanisms that are used by bacteria to develop antimicrobial resistance are: protective alteration of antibiotic targets, decreased influx of antibiotics into the cell through transport proteins, increased efflux out of the cell via multi-drug efflux pumps, and expression of antibiotic degrading enzymes. […] The high propensity for N. gonorrhoeae to take up DNA from the environment adds to the likelihood that N. gonorrhoeae genes encoding antibiotic resistance determinants will mutate and become resistant.
#13 Gonorrhea â an evolving disease of the new millennium
https://microbialcell.com/researcharticles/gonorrhea-an-evolving-disease-of-the-new-millenium/
Antigenic variation occurs extensively within the pil system as well as in some other minor systems. Gonococci possess multiple variable pil genes; some are deemed silent and serve as storage loci for variable pil sequence, and act in conjunction with a single expression locus, pilE, which encodes the PilE polypeptide. Recombination frequently occurs between pilE and an individual pilS leading to changes in the chemical composition of PilE. It is estimated that PilE can assume 108 chemical forms which helps thwart an efficacious immune response due to its prominent surface location. Therefore, despite the fact that anti-pilus antibodies can be detected within the genital tract such antibodies do not recognize heterologous strains thus allowing for reinfection of an individual.
#14 The Molecular Mechanisms Used by Neisseria gonorrhoeae To Initiate Infection Differ between Men and Women
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC523569/
The PMN response to gonococci is further modulated by gonococcal porin, which inhibits PMN degranulation and the production and release of toxic oxidants from the host cell to the extracellular milieu. […] The interaction of gonococci with the uterine cervix is mediated by the cooperative actions of host and gonococcal constituents. […] Gonococcal pilus binds to CR3 present on the ectocervix and endocervix, positioning the bacterium at the cervical cell surface where complement is produced and activated. […] C3b is inactivated to form iC3b; these processes are probably mediated by the affinity of porin for factor H of the alternative pathway and the proximity of porin to LOS in the gonococcal outer membrane. […] The gonococcus is unique in that it appears to possess a seemingly endless repertoire of pathogenic mechanisms by which it efficiently colonizes discrete microenvironments found within its sole human host.
#15 Gonorrhea: Practice Essentials, Background, Pathophysiology
https://emedicine.medscape.com/article/218059-overview
Gonococcemia is defined as the presence of N gonorrhoeae in the bloodstream, which can lead to the development of disseminated gonococcal infection (DGI). Gonococcemia occurs in about 0.5-3% of patients with gonorrhea. […] The clinical manifestations of this process are biphasic, with an early bacteremic phase consisting of tenosynovitis, arthralgias, and dermatitis, followed by a localized phase consisting of localized septic arthritis. Other potentially severe clinical complications include osteomyelitis, meningitis, endocarditis, adult respiratory distress syndrome (ARDS), and fatal septic shock. […] Neisserial organisms disseminate to the blood due to a variety of predisposing factors, such as host physiologic changes, virulence factors of the organism itself, and failures of the host’s immune defenses.
#16 Gonorrhea: Practice Essentials, Background, Pathophysiology
https://emedicine.medscape.com/article/218059-overview
For example, changes in the vaginal pH that occur during menses and pregnancy and the puerperium period make the vaginal environment more suitable for the growth of the organism and provide increased access to the bloodstream. […] Defects in the host’s immune defenses are also involved in the pathophysiology, with certain patients more likely to develop bacteremia. Specifically, patients with deficiency in terminal complement components are less able to combat infection, as complement plays an important role in the killing of neisserial organisms. […] Certain strains of gonorrhea causing asymptomatic genital infections are seen in association with DGI.
#17 Gonorrhea pathophysiology – wikidoc
https://es.wikidoc.org/index.php/Gonorrhea_pathophysiology
Development of disseminated gonococcal infection is the result of Neisserial organisms’ dissemination into the blood due to a variety of predisposing factors such as: Host factors, Change in pH, Pregnancy, Menstruation, Virulence factors of the organism itself, PorB.1A strains, Failures of the host’s immune defenses, Complement deficiencies. […] Host factors play an important role in mediating entry of gonococci into nonphagocytic cells by following methods: N. gonorrhea activates phosphatidylcholine specific phospholipase C and acidic sphingomyelinase and release of diacylglycerol and ceramide. Accumulation of ceramide results in apoptosis. Apoptosis may cause disruption of epithelial integrity. Disturbed epithelium facilitate entry of gonococci into sub epithelial tissue. […] Additionally, gonococcus can survive in neutrophils and macrophages by preventing the formation of degradative phagolysosomes. Inflammatory cytokines may be released as a result of toxic effect of LOS. Complement activation may result in chemotactic factors release which contributes to inflammation.
#18
https://journals.lww.com/imd/fulltext/2020/06000/antibiotic_resistance_and_treatment_options_for.6.aspx
Gonorrhea is a sexually transmitted disease with a high global incidence. Its causative agent, Neisseria gonorrhoeae, has shown a remarkable flexibility to adapt and become resistant to all antimicrobials introduced over the past century for gonococcal therapy. […] Resistance against most antimicrobials has been the result of adaptive genomic mutations that reduce affinity of the antimicrobial to its target protein or rRNA, although most multidrug-resistant strains also appear to have an upregulated multidrug efflux pump. […] N. gonorrhoeae is intrinsically resistant to numerous antimicrobials, such as vancomycin, trimethoprim, and colistin, and in addition has accumulated an impressive set of antimicrobial resistance mechanisms over the past century, mostly through genomic mutations. […] One of the most important gonococcal antimicrobial resistance determinants that provides nonspecific resistance to penicillins, cephalosporins, azithromycin, tetracycline, ciprofloxacin, and other hydrophobic or amphipathic drugs is the multidrug efflux pump MtrCDE.
#19
https://journals.lww.com/imd/fulltext/2020/06000/antibiotic_resistance_and_treatment_options_for.6.aspx
Interestingly, targeting MtrCDE by dampening its expression has been suggested as a way to sensitize N. gonorrhoeae to currently disbanded antibiotics and possibly to antimicrobial compounds produced in the human host. […] In addition to these nonspecific resistance determinants, N. gonorrhoeae has also evolved many specific mutations in the target sites of a variety of antimicrobials, thereby reducing affinity and increasing resistance levels. […] Overall, it still remains to be determined whether solithromycin will be a possible alternative therapy for future treatment of gonorrhea, specifically in light with the increasing incidence of high-level azithromycin-resistant isolates observed in some parts of the world. […] In conclusion, over the past century N. gonorrhoeae has developed resistance against all antimicrobials used for treatment of gonorrhea and during this process it has obtained an impressive repertoire of resistance determinants, mostly by adaptive genomic mutations in the target site of the respective antimicrobial, but also by acquisition of plasmid-mediated resistance genes and upregulation of a generic multidrug efflux pump.
#20 Azithromycin resistant gonococci: a literature review | Antimicrobial Resistance & Infection Control | Full Text
https://aricjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13756-020-00805-7
Gonococcus is capable of using a number of strategies to confer resistance as the bacterium has an extraordinary capacity to alter its genome. […] Two strategies have been commonly implicated in gonococcal resistance against azithromycin: over expression of an efflux pump (due to mutations at mtrR coding region) and decreased antimicrobial affinity (due to mutations in genes encoding the 23S ribosomal subunit). […] Resistance of N. gonorrhoeae to azithromycin slowly developed since 1990 in some areas of the world and then a number of similar reports came to the front globally. […] It is assumed that many of the resistance mechanisms evolve from specific mutations from commensal Neisseria species that live in the oral cavity. […] Many cases of macrolide resistance in clinical strains were linked to alteration of specific nucleotides in 23S rRNA within the large ribosomal subunit.
#21 Azithromycin resistant gonococci: a literature review | Antimicrobial Resistance & Infection Control | Full Text
https://aricjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13756-020-00805-7
The rRNA methylases can cause macrolide resistance through blocking of macrolide binding to 23S rRNA by methylating an adenosine residue at position 2058 (E. coli numbering system), which is located in peptidyl transferase domain V. […] It is suggested that high level azithromycin resistant isolates were descendants of the low-level azithromycin resistant isolates and, accordingly, azithromycin exposure might provide the selection pressure for emergence of the high level azithromycin resistant phenotype. […] A recent study in UK by Chisholm and his research team have demonstrated that high-level azithromycin resistance in gonococci result from a single point mutation (A2059G) in the peptidyltransferase loop in domain V of the 23S rRNA gene. […] This implies that, frequent azithromycin use in populations at high risk of contracting N. gonorrhoeae induces an increase in minimum inhibitory concentration (MIC), and may result in resistance.
#22 Azithromycin resistant gonococci: a literature review | Antimicrobial Resistance & Infection Control | Full Text
https://aricjournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s13756-020-00805-7
A similar study in France also showed that mutations in domain V of 23S rRNA, encoded by the rrl gene, were associated with Azithromycin resistance by gonococcus. […] A recently released data showed a decreased antimicrobial susceptibility of gonococci to azithromycin that may limit effectiveness of the drug. […] The reduced azithromycin susceptibility has arisen through multiple mechanisms as described above. […] The capacity and ease for genetic recombination and high transmissibility of resistant genes has made the development of new antibiotics a challenging area of research. […] This knowledge will facilitate disease prevention, surveillance and control, improve diagnostics and may help to facilitate the development of effective vaccines or new therapeutics.
#23
https://www.who.int/news-room/fact-sheets/detail/multi-drug-resistant-gonorrhoea
Gonococcal resistance to ceftriaxone, the last remaining option for empiric first-line gonorrhoea treatment, is a major public health concern. Strains across the gonococcal species phylogeny have shown their capacity to develop ceftriaxone resistance. WHOs Enhanced Gonococcal Antimicrobial Surveillance Programme (EGASP), found high levels of ceftriaxone resistance, mainly due to the spread of particularly resistant strains. This emphasizes the importance of gonococcal surveillance.
#24 Insight into mechanism of treatment-resistant gonorrhea sets stage for new antibiotics
https://medicalxpress.com/news/2020-05-insight-mechanism-treatment-resistant-gonorrhea-stage.html
Once scientists understand the molecular mechanisms behind antibiotic resistance, they will be able to create new generations of antibiotics designed to avoid or overpower these mechanisms. […] Knowing the important mutations that cause resistance will also allow treatments to be tailored for specific strains of N. gonorrhoeae.
#25 Gonorrhea â an evolving disease of the new millennium
https://microbialcell.com/researcharticles/gonorrhea-an-evolving-disease-of-the-new-millennium/
[…] Despite the problems associated with the Fenton reaction, iron is a vital nutrient, with pathogens expending considerable resources on scavenging the element from their human host. This becomes even more complicated during an infection, as the host responds to inflammation by limiting iron availability, as well as by decreasing free iron within the bloodstream. Even though humans keep their iron sequestered in iron-protein complexes such as transferrin, lactoferrin, haemoglobin, and ferritin, the Neisseria are capable of scavenging iron from both transferrin and haemoglobin, and express receptors for both transferrin and lactoferrin that provide a selective advantage within the host. Because Neisseria do not produce siderophores, they must directly extract iron from transferrin. To achieve this, the iron transport system consists of two large surface proteins, transferrin binding protein A (TbpA) and transferrin binding protein B (TbpB), with both of these proteins being found in all clinical isolates of pathogenic Neisseria. TbpA is an outer membrane transporter essential for iron uptake that binds both apo- and iron-containing transferrin with similar affinities, whereas TbpB, a surface-exposed lipoprotein, only associates with iron-bound transferrin. As the affinity of the bacterial receptor for iron is similar to transferrins affinity, this enables the gonococcus to compete with the host for this necessary nutrient. Subsequently, it was shown that the expression of the transferrin receptor was absolutely required for gonococcal infectivity.
#26 Gonorrhea â an evolving disease of the new millennium
https://microbialcell.com/researcharticles/gonorrhea-an-evolving-disease-of-the-new-millennium/
[…] Bactericidal antibody-mediated killing was found to vary greatly between patients presenting genital infections. Subsequently, it was soon recognized that gonococcal surface components were the primary targets of antibody-dependent complement killing, with LPS-specific antibodies being the most effective at inducing bactericidal responses. Two forms of serum resistance were initially described; stable and unstable serum resistance. Unstable serum resistance is due to the modification of gonococcal LOS through the addition of sialic acid molecules to terminal galactose residues using cytidine 5-monophosphate N-acetylneuraminic acid (CMP-NANA) which is abundant in human serum, as well as in various mucosal secretions and within professional phagocytes. Sialylation of LOS mediates both the entry of gonococci into host mucosal cells as well as influencing bacterial resistance to killing by complement. Gonococcal cells harboring lightly sialylated LOS molecules are able to invade host epithelial cells more efficiently than heavily sialylated-LOS variants. However, lightly sialylated-LOS expressing cells are more susceptible to complement-mediated killing, whereas, heavy sialylation of LOS renders the bacteria resistant to normal human serum by masking the target sites for bactericidal antibodies which prevents the functional activation of the complement cascade.