Zatrucie pokarmowe
Patofizjologia i mechanizm
Zatrucia pokarmowe dzielą się na infekcyjne, intoksykacyjne oraz toksykoinfekcyjne, różniące się mechanizmem patogenetycznym. Niezapalne zatrucia pokarmowe, wywołane przez enterotoksyny (np. Vibrio cholerae, enterotoksyczny E. coli, Clostridium perfringens, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus), prowadzą do wodnistych biegunek bez krwi i ropy, często z głębokim odwodnieniem. Enterotoksyny działają poprzez stymulację cyklazy adenylowej i układu cAMP, hamowanie transportu glukozy oraz uszkodzenie nabłonka jelitowego. Z kolei zapalne zatrucia pokarmowe (np. Campylobacter jejuni, Salmonella spp., Shigella, EHEC) powodują inwazję i destrukcję błony śluzowej jelita, manifestując się biegunką krwistą z leukocytami, gorączką i objawami ogólnoustrojowymi. Szczególną uwagę zwraca botulizm, gdzie neurotoksyna botulinowa (typy A-G, masa cząsteczkowa 150 kDa) hamuje uwalnianie acetylocholiny, prowadząc do porażenia wiotkiego i potencjalnie śmierci z powodu niewydolności oddechowej.
- Patogeneza zatrucia pokarmowego
- Niezapalne mechanizmy zatrucia pokarmowego
- Zapalne mechanizmy zatrucia pokarmowego
- Neurotoksyczne zatrucia pokarmowe
- Toksyny morskie i zatrucia rybami
- Rola układu odpornościowego w patogenezie zatruć pokarmowych
- Reakcja zapalna
- Odporność nabyta i wrażliwość na zatrucia
- Zespół pokaźnnego jelita drażliwego (PI-IBS)
- Czynniki wpływające na patogenezę zatruć pokarmowych
- Mechanizmy specyficzne dla patogenów
- Lektyny jako nowy mechanizm toksyczności
Patogeneza zatrucia pokarmowego
Zatrucie pokarmowe to choroba wynikająca ze spożycia żywności lub wody zanieczyszczonej patogenami, ich toksynami lub szkodliwymi substancjami chemicznymi. Mechanizmy patogenetyczne leżące u podstaw zatruć pokarmowych są złożone i zależą od rodzaju czynnika wywołującego infekcję. Zrozumienie tych mechanizmów jest kluczowe dla właściwej diagnostyki i leczenia.12
Klasyfikacja patogenetyczna zatruć pokarmowych
Z punktu widzenia patogenezy, zatrucia pokarmowe można sklasyfikować jako:12
- Zatrucia pokarmowe infekcyjne (foodborne infection) – spowodowane przez patogeny, które po spożyciu namnażają się w przewodzie pokarmowym i wywołują objawy12
- Zatrucia pokarmowe intoksykacyjne (foodborne intoxication) – spowodowane przez toksyny wytworzone przez mikroorganizmy w żywności przed jej spożyciem12
- Zatrucia pokarmowe toksykoinfekcyjne (foodborne toxicoinfection) – spowodowane przez bakterie, które po spożyciu kolonizują jelita i wytwarzają toksyny in vivo12
Niezapalne mechanizmy zatrucia pokarmowego
Niezapalne zatrucia pokarmowe są spowodowane działaniem enterotoksyn na mechanizmy wydzielnicze błony śluzowej jelita cienkiego, bez inwazji patogenów. Prowadzi to do obfitych, wodnistych stolców bez obecności krwi, ropy i bez silnego bólu brzucha. W niektórych przypadkach może wystąpić głębokie odwodnienie.1
Enterotoksyny i ich działanie
Enterotoksyny mogą być preformowane przed spożyciem lub wytwarzane w jelicie po spożyciu. Ich działanie polega na zaburzeniu funkcji błony śluzowej jelita:12
- Stymulacja cyklazy adenylowej i układu cAMP w komórkach nabłonka jelitowego1
- Hamowanie transportu glukozy w komórkach nabłonka jelitowego1
- Uszkodzenie nabłonka jelitowego i utrata białek do światła jelita12
Do patogenów wywołujących niezapalne zatrucia pokarmowe należą: Vibrio cholerae, enterotoksyczny Escherichia coli, Clostridium perfringens, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, a także niektóre pasożyty jak Giardia lamblia, Cryptosporidium oraz wirusy takie jak rotawirus, norowirus i adenowirus.1
Szczególne mechanizmy działania toksyn
Staphylococcus aureus wytwarza termostabilne enterotoksyny (A-E, G-I), które są główną przyczyną zatruć pokarmowych. Toksyny te działają poprzez stymulację receptorów w przewodzie pokarmowym, które przekazują impulsy do ośrodków w rdzeniu przedłużonym, wywołując wymioty. Enterotoksyny stymulują również hipersekrecję w jelitach.123
Bacillus cereus produkuje dwa typy toksyn powodujących dwa odrębne zespoły chorobowe:123
- Toksynę wymiotną (cereulid) – termostabilny dodekadepsypeptyd cykliczny działający jako drażniący żołądek, wiążący się z receptorami serotoninowymi w żołądku i jelicie cienkim oraz stymulujący nerw błędny123
- Toksynę biegunkową – kompleks białkowy składający się z hemolizyny BL (Hbl), niehemorragicznej enterotoksyny (Nhe) i cytotoksyny K (CytK), które tworzą pory w błonach komórkowych i zaburzają połączenia międzykomórkowe12
Clostridium perfringens wytwarza enterotoksynę podczas sporulacji, która jest uwalniana wraz ze sporami podczas lizy komórki. Po uwolnieniu enterotoksyna wiąże się z komórkami nabłonka, powodując cytotoksyczne uszkodzenie błony komórkowej i późniejszą zmianę przepuszczalności, prowadzącą do biegunki i kurczów brzucha.12
Zapalne mechanizmy zatrucia pokarmowego
Zapalne zatrucia pokarmowe są spowodowane działaniem cytotoksyn na błonę śluzową, prowadzącym do inwazji i destrukcji. Zazwyczaj zajmują okrężnicę lub dystalną część jelita cienkiego. Biegunka jest zazwyczaj krwista, z obecnością śluzu i leukocytów. Pacjenci zwykle mają gorączkę i mogą wyglądać na zatrutych. Odwodnienie jest mniej prawdopodobne niż w przypadku niezapalnej biegunki z powodu mniejszej objętości stolca.1
Mechanizmy inwazji patogenów
W niektórych przypadkach organizmy przenikają przez błonę śluzową i namnażają się w lokalnej tkance limfatycznej, po czym następuje rozsiew ogólnoustrojowy. Do patogenów wywołujących zapalne zatrucia pokarmowe należą: Campylobacter jejuni, Vibrio parahaemolyticus, enterokrwotoczne i enteroinwazyjne E. coli, Yersinia enterocolitica, Clostridium difficile, Entamoeba histolytica oraz gatunki Salmonella i Shigella.1
Szczegółowe mechanizmy inwazji obejmują:123
- Salmonella spp. – po spożyciu infekuje komórki nabłonkowe jelit i fagocyty, wykorzystując dynamiczne techniki do osłabienia i dezorientacji komórek układu odpornościowego. Potrafi indukować fagocytozę w określonych białych krwinkach oraz powodować wytwarzanie reaktywnych form tlenu (ROS) przez neutrofile, co sprzyja jej przetrwaniu dzięki posiadaniu arsenału peroksydaz i katalaz.12
- E. coli O157:H7 (EHEC) – wydziela toksyny ułatwiające przyłączanie się do komórek nabłonkowych i ich niszczenie. Proces obejmuje wstrzyknięcie do komórki gospodarza cyklomoduliny, która zatrzymuje mitozę, spowalniając odnowę komórek nabłonkowych. Następnie bakteria wydziela toksyny Shiga, które dezaktywują podjednostkę 60S rybosomu.12
- Campylobacter jejuni – kolonizuje okrężnicę i dystalną część jelita krętego, uwalniając termolabilną toksynę powodującą rozszerzenie komórek (CDT), która atakuje DNA komórek śródbłonka jelitowego, rekrutuje kinazy białkowe blokujące wejście komórek w mitozę i wywołuje lokalną reakcję zapalną, lizę komórek oraz wodnistą lub krwawą biegunkę z leukocytami w kale.12
- Shigella – przemieszcza się do bazolateralnej powierzchni komórek nabłonkowych, gdzie komórki M transportują ją do makrofagów podnabłonkowych, które ją fagocytują. Następnie Shigella degraduje fagosom i wnika do komórek nabłonkowych jelita krętego i okrężnicy, gdzie może się namnażać wewnątrzkomórkowo.1
Neurotoksyczne zatrucia pokarmowe
W niektórych typach zatruć pokarmowych (np. spowodowanych przez Staphylococcus aureus, Bacillus cereus), wymioty są spowodowane toksyną działającą na ośrodkowy układ nerwowy. Szczególnym przykładem jest botulizm, gdzie neurotoksyna botuliny hamuje uwalnianie acetylocholiny w zakończeniach nerwowych.12
Mechanizm działania toksyny botulinowej
Clostridium botulinum wytwarza neurotoksynę, która jest najsilniejszą znaną trucizną. Istnieje siedem typów neurotoksyny botulinowej, od A do G, w zależności od specyficzności antygenowej toksyny wytwarzanej przez każdy szczep.12
Wszystkie typy toksyn są białkami o masie cząsteczkowej 150 000, które zapobiegają uwalnianiu acetylocholiny w połączeniu nerwowo-mięśniowym, powodując porażenie wiotkie. Objawy botulizmu obejmują początkowo nudności i wymioty, po których następują bardziej charakterystyczne objawy neurologiczne, w tym zaburzenia widzenia i ostre porażenie wiotkie, które zaczyna się od mięśni twarzy, głowy i gardła, zstępując do mięśni klatki piersiowej i kończyn, prowadząc do możliwej śmierci z powodu niewydolności oddechowej spowodowanej porażeniem górnych dróg oddechowych lub przepony.12
Toksyny morskie i zatrucia rybami
Zatrucia pokarmowe związane z konsumpcją ryb i owoców morza mają szczególne mechanizmy patogenetyczne:123
Zatrucie skombrotoksyczne (scombroid)
Zatrucie skombrotoksyczne jest chorobą pokarmową rozwijającą się po spożyciu świeżych ryb, które mają dobre cechy organoleptyczne, ale zawierają dużą ilość egzogennej histaminy. Patogeneza obejmuje złożony system interakcji między organizmem a czynnikami chemicznymi, takimi jak egzogenna histamina, inne aminy biogenne, kwas cis-urokanowy, salicylany i inne substancje uwalniające histaminę.12
Mechanizm działania polega na konwersji histydyny (występującej w wysokich stężeniach w tych rybach) do histaminy przez dekarboksylazę histydyny w bakteriach, które normalnie kolonizują ryby. Egzogenna histamina, oprócz efektu ogólnoustrojowego prowadzącego do głównych objawów zatrucia (zaczerwienienie, obrzęk, swędząca wysypka, hipotensja, ostry obrzęk płuc, skurcz oskrzeli), ma również wpływ na układ odpornościowy.12
Inne toksyny morskie
Inne mechanizmy zatruć związanych z owocami morza obejmują:1
- Ciguatoksyna – otwiera kanały Na+, powodując depolaryzację
- Tetrodotoksyna – neurotoksyna blokująca napięciowo-zależne kanały sodowe, co hamuje propagację potencjału czynnościowego
Głównym czynnikiem przyczyniającym się do zanieczyszczenia owoców morza patogenami pokarmowymi wydaje się być naturalnie występujące tworzenie biofilmu. Vibrio i Salmonella, Aeromonas hydrophila i Listeria monocytogenes to powszechne patogeny bakteryjne owoców morza, które tworzą biofilmy.1
Rola układu odpornościowego w patogenezie zatruć pokarmowych
Reakcja układu odpornościowego odgrywa kluczową rolę zarówno w ostrej fazie zatrucia pokarmowego, jak i w jego długoterminowych skutkach:123
Reakcja zapalna
Niektóre bakterie wywołują spustoszenie poprzez namnażanie się w organizmie przed uwolnieniem toksyn, które inicjują reakcję immunologiczną w jelicie. Bakterie lub enterotoksyny, które przetrwają trudne warunki żołądkowe, dostają się do jelit, gdzie rozpoczyna się proces chorobowy.1
Komórki odpornościowe uwalniają białka sygnalizacyjne zwane proza palnymi cytokinami, które inicjują serię kroków powodujących zapalenie i obrzęk jelit, prowadząc do dyskomfortu. Toksyny bakteryjne mogą powodować otwieranie porów w ścianie jelita, umożliwiając napływ wody i innych cząsteczek, co prowadzi do wodnistej biegunki, która pomaga wypłukać bakterie i ich toksyny, ale może powodować odwodnienie.12
Odporność nabyta i wrażliwość na zatrucia
Wcześniejsza ekspozycja na patogeny może znacznie zwiększyć tolerancję na kolejne ekspozycje. Miejscowa ludność w danym regionie może tolerować poziomy patogenów, które wywołałyby chorobę u podróżnych, dzięki pamięci immunologicznej rozwiniętej na skutek powtarzających się ekspozycji na niskie poziomy.1
Zatrucie pokarmowe często występuje jako biegunka podróżnych u osób, których mikrobiota jelitowa nie jest przyzwyczajona do organizmów endemicznych dla odwiedzanego regionu. Efekt tej mikrobiologicznej naiwności jest potęgowany przez wszelkie uchybienia w zakresie bezpieczeństwa żywności podczas przygotowywania posiłków.1
Zespół pokaźnnego jelita drażliwego (PI-IBS)
W przypadkach zatrucia pokarmowego, szczególnie biegunki podróżnych, objawy często wynikają z reakcji układu odpornościowego, a nie z bezpośredniego uszkodzenia przez patogen. Ta reakcja zapalna może prowadzić do pokaźnnego zespołu jelita drażliwego (PI-IBS), gdzie 3-20% dotkniętych osób rozwija przewlekłe objawy żołądkowo-jelitowe nawet po usunięciu patogenu. Sugeruje to, że reakcja immunologiczna organizmu, szczególnie zapalenie, odgrywa znaczącą rolę zarówno w ostrych objawach, jak i długoterminowych skutkach zatrucia pokarmowego.12
Czynniki wpływające na patogenezę zatruć pokarmowych
Kilka czynników wpływa na rozwój i nasilenie zatrucia pokarmowego:12
Dawka infekcyjna
Dawka infekcyjna to ilość czynnika, który musi zostać spożyty, aby wywołać objawy zatrucia pokarmowego, i różni się w zależności od czynnika i wieku oraz ogólnego stanu zdrowia konsumenta. Patogeny różnią się minimalną dawką infekcyjną; na przykład, Shigella sonnei ma niską szacowaną minimalną dawkę wynoszącą 500 jednostek tworzących kolonię (CFU), podczas gdy Staphylococcus aureus ma stosunkowo wysokie oszacowanie.1
Czynniki wzrostu bakterii
Bakterie powodujące zatrucia pokarmowe mogą namnażać się bardzo szybko, szczególnie w określonych warunkach. Czynniki wpływające na wzrost bakterii obejmują:1
- Czas – w idealnych warunkach jedna bakteria może namnożyć się do ponad 2 milionów w ciągu 7 godzin
- Temperatura – bakterie powodujące zatrucia pokarmowe najlepiej rozwijają się w zakresie temperatur między 5°C a 60°C, określanym jako strefa niebezpieczna temperatur
- Składniki odżywcze – większość żywności zawiera wystarczającą ilość składników odżywczych dla wzrostu bakterii, szczególnie żywność potencjalnie wysokiego ryzyka, jak produkty mleczne i jajeczne, mięso, drób i owoce morza
- Woda – bakterie potrzebują wody do wzrostu; bez wody wzrost może zwolnić lub zatrzymać się
- pH – jest miarą kwasowości lub zasadowości i jest również ważny dla kontrolowania wzrostu bakterii; niskie pH (kwaśne warunki) generalnie zatrzymuje wzrost bakterii
Stan układu odpornościowego gospodarza
Układ odpornościowy odgrywa główną rolę w ochronie przed zatruciem pokarmowym; gdy układ odpornościowy jest osłabiony, człowiek staje się bardziej podatny. Zatrucie pokarmowe jest szczególnie groźne podczas ciąży, dla małych dzieci, osób starszych i osób z osłabionym układem odpornościowym. Te choroby mogą zagrażać życiu.12
Mechanizmy specyficzne dla patogenów
Różne patogeny wykazują unikalne mechanizmy patogenetyczne:123
Vibrio parahaemolyticus
Badania wykazały, że dwa białka wytwarzane przez Vibrio parahaemolyticus współpracują ze sobą w celu wykrywania i wychwytywania soli żółciowych w jelitach ludzi, którzy jedzą surowe lub niedogotowane owoce morza zawierające bakterie. Gdy ludzie spożywają surowe lub niedogotowane owoce morza zanieczyszczone Vibrio parahaemolyticus, bakterie wykorzystują te sole żółciowe jako sygnał do uwalniania toksyn.1
Odkryto, że nie jeden, ale dwa geny są wymagane, aby Vibrio otrzymało sygnał soli żółciowej. Te geny kodują dwa białka, które tworzą kompleks na powierzchni błony bakteryjnej, tworząc strukturę baryłkopodobną, która wiąże sole żółciowe i odbiera sygnał, aby powiedzieć komórce bakteryjnej, aby rozpoczęła produkcję toksyn.12
Niedawne badania wykazały, jak bakteria Vibrio parahaemolyticus tworzy struktury podobne do strzykawek, aby wstrzyknąć swoje toksyny do komórek jelitowych. Bakteria transkrybuje DNA w miejscu, gdzie potrzebny jest system sekrecji typu III (T3SS2), tłumaczy RNA na białko i montuje komponenty T3SS2 przez błonę w procesie znanym jako transertion. Te kroki były wcześniej uważane za zachodzące w bardziej rozproszonych lokalizacjach wokół komórki, ale zebranie maszynerii w jednym miejscu na błonie bakterii prawdopodobnie pomaga V. parahaemolyticus szybciej i wydajniej zbudować T3SS2 i zainfekować komórki.12
Clostridium perfringens
Clostridium perfringens wytwarza spory, które mają powłoki ochronne. Po zjedzeniu przez człowieka żywności zanieczyszczonej C. perfringens, bakterie mogą wytwarzać toksynę, która powoduje biegunkę. Najczęściej w ogniskach zatrucia pokarmowego C. perfringens biorą udział potrawy gotowane w dużych ilościach i przechowywane w niebezpiecznych temperaturach (między 40°F a 140°F).1
Zatrucie pokarmowe spowodowane przez C. perfringens występuje, gdy bakterie przetrwają proces gotowania i zaczną namnażać się, gdy żywność jest schładzana lub przechowywana w niewłaściwej temperaturze. Gdy spożywana jest żywność zawierająca dużą liczbę C. perfringens, bakterie wytwarzają toksynę w jelitach, która powoduje chorobę.1
Niedawno odkryto, że aminokwas seryna działa jako inhibitor sporulacji Clostridium perfringens. Obserwacje mikroskopowe wykazały, że seryna hamuje przebudowę ściany komórkowej bakterii, która jest niezbędna w procesie tworzenia spor.12
Bacillus cereus
Zatrucie pokarmowe wywołane przez B. cereus można postrzegać jako proces wieloczynnikowy, ponieważ przed wystąpieniem choroby należy uwzględnić szereg indywidualnych kroków, w tym występowanie i przeżycie B. cereus w różnych produktach spożywczych, przetrwanie przejścia przez żołądek, kiełkowanie spor, aktywny ruch w kierunku nabłonka jelitowego i przyleganie do niego, wytwarzanie enterotoksyn w warunkach jelitowych, a także wpływ spożywanej żywności i mikrobioty jelitowej na te procesy.1
Badania wykazały, że toksyna wydzielana przez B. cereus wiąże się bezpośrednio z komórkami w ludzkim ciele i przebija w nich dziury, aby je zabić, wywołując odpowiedź immunologiczną. Toksyna wymiotna, zwana cereulid, wiąże się z receptorami serotoninowymi w żołądku i jelicie cienkim oraz stymuluje nerw błędny, który kontroluje ruch mięśni w jelicie.12
Lektyny jako nowy mechanizm toksyczności
Lektyny obecne w niektórych nieprawidłowo gotowanych warzywach mogą powodować ostre zaburzenia żołądkowo-jelitowe, choć mechanizm toksyczności nie był znany. Badania wykazały, że toksyczność lektyn wynika z hamującego wpływu na naprawę błony komórkowej.1
Lektyny silnie hamują naprawę błony komórkowej i dlatego są toksyczne dla uszkodzonych komórek. Stanowi to nową formę toksyczności białkowej, która leży u podstaw zatrucia pokarmowego lektynami roślinnymi. Lektyny roślinne, które nie są skutecznie degradowane przez enzymy trawienne i mają powinowactwo do powierzchni komórek nabłonkowych jelita, takie jak te obecne w rodzinie Leguminosae, mogą być trujące.1
Wiązanie glikoprotein powierzchniowych komórek przez lektyny zakłóca zdarzenia egzocytotyczne związane z naprawą błony (wydzielanie śluzu) i silnie blokuje naprawę. Lektyny są toksyczne, gdy są obecne w przewodzie pokarmowym, na podstawie dwóch powiązanych ze sobą efektów:1
- Brak uszczelnienia występuje w ogólnej populacji komórek przewodu pokarmowego normalnie narażonych na poziomy stresu mechanicznego uszkadzającego błonę, prowadząc do ich martwicy
- Niepowodzenie egzocytozy w subpopulacji komórek przewodu pokarmowego, które normalnie wydzielają śluz, prowadzące do zmniejszenia wydzielania ochronnego, smarującego śluzu i związanego z tym wzrostu częstości zdarzeń uszkodzenia błony wywołanych mechanicznie
Te mechanizmy wyjaśniają, dlaczego spożycie niektórych nieprawidłowo przygotowanych roślin strączkowych może prowadzić do ostrych objawów zatrucia pokarmowego.1
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.