Kurkime ateitį drauge!

 

Rimantas Daugelavičius

Pseudomonas aeruginosa: prijaukintos, bet pavojingos bakterijos

 

Pseudomonas aeruginosa yra g-proteobakterijų klasės atstovas. Tai aerobinės gramneigiamosios lazdelės pavidalo bakterijos, priklausančios Pseudomonadaceae šeimai. P. aeruginosa ląstelių skersmuo nuo 0.5 iki 0.8 µm, o ilgis nuo 1.5 iki 3.0 µm. Beveik visų padermių ląstelės yra judrios. Dėka vienintelio polinio žiuželio, Pseudomonas genties bakterijos yra vienos iš energingiausių ir greičiausiai plaukiojančių bakterijų. Ši bakterija paplitusi dirvožemyje ir natūraluose vandens telkiniuose. Gamtoje P. aeruginosa ląstelės gali sudaryti bioplėveles ant įvairių paviršių, o taip pat gyventi planktoninėje formoje kaip aktyviai plaukiojantys vienaląsčiai organizmai.

1. Pseudomonas aeruginosa ląstelių ypatybės.

P. aeruginosa turi didelį genomą, sudarytą iš maždaug 6,3 milijonus bazių porų, vienoje chromosomoje koduojančių apytiksliai 5270 numatomų atviro skaitymo rėmelių. P. aeruginosa chromosomai būdingos labiau išsiskiriančios skirtingos genų šeimos (paraloginės grupės) negu Escherichia coli, Bacilus subtilis ar Mycobacterium tuberculosis ląstelėse. Tai veiksnys, kuris gali prisidėti prie jų paplitimo plačiame aplinkų diapazone. Žinoma, kad 9 % žinomų atviro skaitymo rėmelių P. aeruginosa genome koduoja žinomus ar numanomus transkripcijos veiksnius, kurie taip pat gali įgalinti šią bakteriją prisitaikyti prie plataus aplinkų diapazono. P. aeruginosa yra daugelio pagrindinių bakterijose vykstančių procesų modelinis organizmas. Didelės tyrėjų pastangos yra skiriamos P. aeruginosa gebėjimo suformuoti bioplėveles tyrimams, taip pat šioms bakterijoms būdingam „kvorumo jutimui“. Kita reikšminga šios bakterijos savybė yra būdingas atsparumas antibiotikams. Šis atsparumas yra perduodamas chromosomoje užkoduotų atsparumą lemiančių veiksnių bendros veiklos, apimdamas blogai laidžią išorinę membraną, b-laktamazes ir daugiavaisčio atsparumo siurblius. Žinomi keturi pagrindiniai P. aeruginosa daugiavaisčio atsparumo siurbliai: MexABOprM, MexCD-OprJ, MexEF-OprN ir Mex-XY-OprM. Šitie Mex siurbliai yra trijų komponentų sistemos, sudarytos iš vidinės membranos baltymų (MexB, MexD, MexF, MexY), išorinės membranos baltymų (OprM, OprJ, OprN) ir periplasminio baltymo (MexA, MexC, MexF, MexX). Tarp jų MexAB-OprM ir MexXY-OprM yra pagrindiniai siurbliai, užtikrinantys laukinio tipo P. aeruginosa PAO1 ląstelių atsparumą. Dėl daugialypių siurblių buvimo, sunku tiksliai įvertintinti kiekvieno Mex siurblio savybes ir jų vaidmenį P. aeruginosa daugiavaisčiame atsparume. Mex-AB-OprM yra pastoviai sintetinamas siurblys, o Mex-XY-OprM siurblio sintezę sukelia jo substratų, tokių kaip tetraciklinas ir gentamicinas, subinhibitorinės koncentracijos. MexXY perprodukcija prisideda prie įsigyto atsparumo aminoglikozidams.

Pagal konservatyvių makromolekulių analizės duomenis, pavyzdžiui, 16s ribosominės RNR sudėtį, Pseudomonadaceae šeima apima tiktai Pseudomonas genties narius ir yra sudaryta iš aštuonių grupių. P. aeruginosa yra grupės tipą atstovaujanti rūšis, kurioje yra dar 12 kitų narių. Kaip ir kiti genties nariai, P. aeruginosa yra laisvai gyvenanti bakterija, labiausiai paplitusi dirvožemyje ir vandenyje, tačiau ji randama ir augalų bei gyvūnų paviršiuje. Ši gentis yra gerai pažįstama augalų mikrobiologams, nes pseudomonos yra viena iš nedaugelio bakterijų - tikrųjų augalų patogenų grupių. P. aeruginosa yra tik retkarčiais patogeniška augalams. Ši bakterija bakterija kolonizuoja augalus esant palankiai temperatūrai ir drėgmei. Esant pakankamai aukštoms temperatūrai ir santykinei oro drėgmei (27 oC ir 80-95 %) P. aeruginosa puikiai dauginasi, pvz.,  salotose ir pupose, bet gyvybingų ląstelių kiekis mažėja, kai temperatūra ir drėgmė sumažėja (16 C, 55-75 % ). Įdomu tai, kad P. aeruginosa bakterijos slopina augalų šaknis užkrečiančius grybus. Dėl to šios bakterijos gali būti įeiti į fungicidinių preparatų sudėtį ir gerinti augalų augimą. Viena didžiausių P. aeruginosa keliamų problemų žemės ūkyje yra šios bakterijos sukeliamas karvių mastitas. P. aeruginosa gali sukelti žuvų, roplių, paukščių, kirmėlių, vabzdžių infekcijas. Pagrindinė susidomėjimo šia bakterija priežastis yra tai, kad P. aeruginosa yra viena iš labiausiai gąsdinančių oportunistinių klinikinių patogenų. Kelios nepriklausomos epidemiologinių tyrimų programos patvirtino, kad šis nosokominis patogenas demonstruoja vis didėjantį klinikinių izoliatų atsparumą antibiotikams.

P. aeruginosa yra labai nereikli maistui. Tai demonstruoja šių bakterijų sugebėjimas augti net distiliuotame vandenyje. Paprasčiausia laboratorinė terpė P. aeruginosa auginimui gali būti sudaryta tik iš anglies šaltinio acetato ir azoto šaltinio amonio sulfato. P. aeruginosa pasižymi medžiagų apykaitos įvairiapusiškumu. Organiniai augimo veiksniai nėra reikalingi, o anglies šaltiniu gali tarnauti daugiau kaip septyniasdešimt penki organiniai junginiai. Šių bakterijų augimui optimali temperatūra yra 37 oC, bet sugeba augti ir 42 laipsnių temperatūroje. Tai bakterija, atspari aukštoms druskų ir dažų koncentracijoms, silpniems antiseptikams ir daugeliui populiariausių antibiotikų. Šios ypatybės neabejotinai prisideda prie P. aeruginosa, kaip oportunistinio patogeno, ekologinės sėkmės. Tai padeda suprasti P. aeruginosa, kaip visur esančio organizmo ir nosokominio patogeno, vaidmenį.

Izoliuotos P. aeruginosa ląstelės gali formuoti trijų tipų kolonijas. Natūralūs izoliatai iš dirvožemio ar vandens dažniausiai auga mažomis, grublėtomis kolonijomis. Klinikiniai izoliatai dažniausiai formuoja vieno iš dviejų tipų kolonijas. Vieno tipo kolonijos atrodo panašios į keptą kiaušinį- didelės, lygiais plokščiais kraštais ir iškilusiu viduriu. Kitą kolonijų tipą formuoja izoliatai iš kvėpavimo ir šlapimo sistemų sekreto. Šios bakterijos formuoja gleivėtas kolonijas, ir tai yra susiję su alginato gamyba. Manoma, kad ir lygias, ir gleivėtas kolonijas formuojančios bakterijos gali kolonizuoti gyvūnų organizmus ir tapti patogeniškomis.

 

P. aeruginosa padermės sintetina dviejų tipų tirpius pigmentus - fluorescuojantį pigmentą pioverdiną ir mėlynąjį pigmentą piocianiną. Piocianiną gamina daugelis, bet ne visos P. aeruginosa padermės.Pastarasis pigmentas gaminamas, kai terpėse yra žema geležies jonų koncentracija ir tiesiogiai dalyvauja geležies apykaitoje. Piocianinas (nuo "pyocyaneus") siejamas su "mėlynais pūliais", kurie yra P. aeruginosa sukeltų pūlingų infekcijų ypatumas.

 

2. P. aeruginosa infekcinės savybės

Kaip jau minėta, P. aeruginosa yra oportunistinis patogenas. Tai reiškia, kad ji sugeba pasinaudoti šeimininko imuninės sistemos problemomis, kad įsiterptų į organizmą ir pradėtų infekciją. Iš tikrųjų, P. aeruginosa yra tiesiog tipiškas oportunistinio žmonių patogeno pavyzdys. Ši bakterija beveik niekada neužkrečia sveikų audinių, bet beveik nėra tokio audinio, kurio P. aeruginosa nesugebėtų infekuoti, jei tik to audinio apsauginės priemonės kažkokiu būdu yra pažeistos ar nusilpusios. P. aeruginosa sukelia šlapimo ir kvėpavimų sistemų, virškinimo trakto, kaulų ir sąnarių, minkštųjų audinių infekcijas, dermatitą, bakteremiją, o taip pat įvairias sistemines infekcijas. P. aeruginosa infekcija yra ypač rimta pacientų, hospitalizuotų dėl onkologinių susirgimų, AIDS, cistinės fibrozės ar nudegimų, problema. Šių pacientų atvejais mirtingumas gali siekti 50 %. P. aeruginosa visų pirma yra nosokominis (ligoninėse infekcijas sukeliantis) patogenas. JAV ligoninėse P. aeruginosa užima ketvirtą vietą tarp dažniausiai izoliuojamų nosokominių patogenų, sukeldama 10,1 procento visų ligoninėse įsigytų infekcijų.

Kaip jau minėta, viena P. aeruginosa infekcijoms jautriausių pacientų grupių yra žmonės serganys cistine fibroze (CF). Cistinė fibrozė yra sukeliama geno, koduojančio transmembraninį reguliatorių, kuris epitelinėse ląstelėse funkcionuoja kaip chlorido kanalas, pakitimo. Yra kelios hipotezės, bandančios sujungti šio baltymo pokyčius su lėtinės P. aeruginosa infekcijos išsivystymu. Didžiausia palaikymą turi izotoninio skysčių išeikvojimo/hipoksinių gleivių hipotezė. Spėjama, kad izotoninės druskos koncentracijos, susidarančios dėl pakitusio natrio jonų sugėrimo iš kvėpavimo takų liumeno kartu su kanalo nesugebėjimu išmesti chloridą, priveda prie dehidratuoto sluoksnio virš epitelio ląstelių sudarymo, kuris didina gleivių klampumą ir susilpnina tiek su blakstienėlių veikla, tiek su kosuliu susijusį plaučių išsivalymą. Tai leidžia bakterijoms įsiskverbti ir apsigyventi šiame klampiame gleivių sluoksnyje. Dėl pakitusio epitelio ląstelių deguonies vartojimo, dar prieš infekciją ant CF epitelių paviršiuose esančių gleivių viduje susidaro O2 gradientas. P. aeruginosa infekcijos sritys yra lokalizuotos hipoksinių gleivių sričių viduje. P. aeruginosa ląstelės skverbiasi iš srities su aukšta ištirpusio deguonies koncentracija į žemą ir, turbūt, net į anaerobinę aplinką. CF pacientai pradžioje užsikrečia negleivinėmis P. aeruginosa padermėmis. Perėjimas į gleivinį fenotipą vyksta beveik visose CF serančių asmenų plaučių infekcijose ir yra susijęs su uždegiminiu procesu, audinių ardymu, plaučių funkcijos silpnėjimu ir koreliuoja su bloga prognoze pacientams.

Nustatytas tiesioginis ryšys tarp ištirpusio deguonies koncentracijos ir gleives produkuojančio P. aeruginosa fenotipo. Gleives gaminančios ląstelių fomos yra mažiau reiklios deguoniui. Tyrimų duomenys rodo, kad alginatas padeda saugoti P. aeruginosa nuo oksidacinių pakenkimų. P. aeruginosa ląstelės įgauna gleives gaminantį fenotipą jas paveikus panašiomis H2O2 koncentracijomis, kaip tos, kurios in vivo sutinkamos polimorfinius branduolius turinčių leukocitų citoplazmoje. Dehidratuotų gleivių nišos kolonizacija plaučiuose CF atveju reikalinga, kad P. aeruginosa patirtų reikšmingus medžiagų apykaitos poslinkius. Tai skatina medžiagų apykaitos prisitaikymą, kad pakeistų ląstelių energijos apykaitą. Anaerobinėmis sąlygomis vyksta energetinio metabolizmo poslinkis į fermentaciją ar anaerobinę denitrifikaciją. Ypač įdomus P. aeruginosa fiziologijos aspektas yra tai, kad šios ląstelės sugeba sintetinti kvėpavimo grandinės slopiklį vandenilio cianidą (HCN), kurio koncentracija gali pasiekti 300 mM! P. aeruginosa buvo turbūt pirma bakterija, apibūdinta kaip cianido gamintoja. Lėtinę P. aeruginosa infekciją lydi Haemophilus influenzae ir Staphylococcus aureus sukeliamos plaučių infekcijos.

P. aeruginosa turi polinkį augti drėgnose aplinkose, ir tai, turbūt, yra jų natūralaus egzistavimo dirvožemyje ir vandenyje atspindys. Jos gali užaugti ant polivinilchloridinių vamzdžių vidinių paviršių, sodo laistymo žarnų.  P. aeruginosa yra bakterija, kuri sukelia daugumą odos išbėrimų ir baseinuose bei pirtyse gaunamų infekcijų. Iš vandens šios bakterijos prilimpa prie odos ir įsiterpia į plaukų folikulus. Folikuluose bakterijos dauginasi, o jų metabolizmo produktai sukelia uždegimą. Paveikta vieta gali atrodyti kaip raudonas, niežtintis išbėrimas ar kaip nudegimas. Paveikta vieta primena cheminį išbėrimą ir dėl ilgo inkubacinio periodo laiko kai kuriais atvejai gali būti neteisingai diagnozuojami kaip cheminiai išbėrimai, o ne bakterijų infekcijos. P. aeruginosa yra pagrindinė taip vadinamos “plaukiko ausies” (otitas externa) priežastis. Ši bakterija taip pat gali sukelti ragenos infekciją kontaktinių lęšių vartotojams. Tai taip pat viena pagrindinių šlapimo takų infekcijų, chirurginių infekcijų, ir nudegusių pacientų žaizdų infekcijų priežastis.

P. aeruginosa ląstelės iš kitų bakterijų išsiskiria savo atsparumu antibiotikams ir todėl yra ypač pavojingas patogenas. Ši bakterija yra natūraliai atspari daugeliui antibiotikų dėl apvalkalo laidumo barjero, kurį suteikia gramneigiamųjų bakterijų išorinė membrana ir ypač aktyvūs daugiavaisčio atsparumo siurbliai. Šių bakterijų polinkis kolonizuoti paviršius ir formuoti bioplėveles daro ląsteles nejautriomis terapinėms antibiotikų koncentracijoms. Kadangi P. aeruginosa ląstelių natūrali aplinka yra dirvožemis, gyvendamos antibiotikų pagrindinių gamintojų – bacilų, aktinomicetų ir pelėsių kaimynystėje, jos išsiugdė atsparumą daugeliui kaimynų natūraliai sintetinamų antibiotikų. Be to, šių ląstelių atsparumą palaiko atsparumo plazmidės, kurias P. aeruginosa ląstelės tarpusavyje dalijasi horizontalios genų pernašos būdu, daugiausia transdukcijos ir konjugacijos dėka. Keli antibiotikai yra vis dar  efektyvūs prieš pseudomonas - fluorochinolonai, gentamicinas ir imipenem, bet ir šitie antibiotikai efektyvūs ne prieš visų padermių bakterijas. Pseudomonų sukeltų infekcijų gydymo antibiotikais mažą efektyvumą iliustruoja cistine fibroze sergančių pacientų problemos. Faktiškai visi jie galų gale užsikrečia padermėmis, kurios yra tiek atsparios, kad ligoniai negali būti išgydyti.

Didžioji dalis pseudomonų sukeliamų infekcijų yra tiek invazinės, tiek ir toksinogeninės. Infekciją galima suskirstyti į tris skirtingas stadijas: (1) bakterijų pritvirtinimas ir kolonizacija; (2) vietinė invazija; (3) paplitusi sisteminė ligą. Tačiau liga gali nutrūkti bet kurioje iš šių stadijų. Tam tikri bakterijų patogeniškumą lemiantys veiksniai yra atsakingi už kiekvienos iš šių stadijų eigą ir už ligos klinikinius požymius.

P. aeruginosa kolonizacija paprastai vyksta pirma infekcijos, bet tikslų infekcijos šaltinį ir patogeno perdavimo būdą dažnai sunku nustatyti dėl didelio šių bakterijų paplitimo aplinkoje. Kaip jau minėta, šios bakterijos yra normalios žmonių mikrofloros sudėtinė dalis, nors ne ligoninėje esančių sveikų asmenų kolonizacijos lygis yra palyginti žemas, nuo 0 iki 24%, priklausomai nuo kūno dalies. Pseudomonos savo fimbrijomis prikimba prie viršutinių kvėpavimo takų, kaip ir kitų su aplinka kontaktuojančių kūno vietų, epitelio ląstelių. Bakterijos prisitvirtinimo baltymais susijungia su tam tikrais galaktozės, manozės ar sialo rūgščių receptoriais epitelio ląstelių paviršiuje. Fimbrijų prisitvirtinimui reikalingas grupes gali atidengti šių bakterijų sekretuojamos proteazės, mažinančios fibronektino kiekį epitelio ląstelių paviršiuje. Audinių sužalojimas taip pat gali padėti P. aeruginosa ląstelėms kolonizuoti kvėpavimo takus. Šios bakterijos, pavyzdžiui, prikimba prie gripo virusu užkrėstų pelių trachėjos epitelio ląstelių, bet nesugeba prisitvirtinti prie normalaus trachėjų epitelio. Tai vadinama oportunistiniu prisitvirtinimu, ir tai gali būti svarbiu žingsniu pseudomonoms sukeliant keratitą, šlapimo ir kvėpavimo takų infekcijas.

Bioplėveles formuojančios gleivėtosios padermės yra mažiau imlios antibiotikams negu planktoninėje būsenoje gyvenančios ląstelės. Gleivėtos padermės, gaminančios egzopolisacharidą alginatą, turi papildomų arba alternatyvių prisitvirtinimui reikalingų baltymų adhesinų. Alginato glitėsiai formuoja pseudomonų bioplėvelių matricą, kuri pritvirtina bakterijas ir saugo jas nuo šeimininko gynybos priemonių, tokių kaip limfocitai ar fagocitai, kvėpavimo takų ląstelių blakstienėlių veiklos, antikūnų ir komplemento.

P. aeruginosa sugebėjimas patekti į audinius priklauso nuo į terpę sekretuojamų fermentų ir toksinų, ardančių fizinius barjerus ir gadinančių šeimininko ląsteles, gamybos, o taip pat nuo sugebėjimo pasipriešinti fagocitams ir kitiems šeimininkų imuninės sistemos veiksniams. Bakterijų glitėsių sluoksniai efektyviai jas saugo nuo opsinizacijos (paviršiauso padengimo) antikūnais, komplemento poveikio ir įtraukimo į fagocitų vidų. Dvi bakterijos išorėje esančios proteazės - elastazė ir šarminė proteazė - yra susiję su patogeniškumu ir jų veikla pasireiškia įsiskverbimo į audinius stadijoje. P. aeruginosa gamina dar tris kitus tirpius baltymus, padedančius įsiskverbimui: citotoksiną ir du hemolizinus. Cytotoksinas yra neatrankų kanalą membranose formuojantis baltymas, o iš dviejų hemolizinų vienas yra fosfolipazė, o kitas - lecitinazė.

Mėlynasis pseudomonų pigmentas piocianinas susilpnina žmogaus nosies epitelio ląstelių blakstienėlių veiklą, taip pažeisdamas kvėpavimo epitelio funkcijas, ir skatina fagocitų uždegimines reakcijas. Piocianino darinys piochelinas yra sideroforas, gaminamas esat terpėje mažai geležies, kad padėtų patogenui tiekti geležies jonus iš aplinkos. Tai taip pat gali skatinti invaziją, jei dėl geležies yra konkuruojama su šeimininku. Fluorescuojančio pigmento vaidmuo virulentiškume nėra žinomas.

Kaip jau minėta, P. aeruginosa yra įprastas dirvožemžio, vandens, ir augmenijos gyventojas. Šios bakterijos randamos ant sveikų žmonių odos, o taip pat gerklėje (apie 5 procentai tirtų asmenų) ir išmatose (3 procentai). Yra duomenų, kad per 72 valandas po priėmimo į ligoninę jau 20 % žmonių virškinimo trakte aptinkamos P. aeruginosa. Ligoninėse P. aeruginosa randamos daugelyje vietų: dezinfekavimo priemonėse, kvėpavimą palaikančioje įrangoje, maiste, tualetuose, dušuose (ypač ant čiaupų galvučių), ant patalpų valymo įrankių. Be to, jos pastoviai atkeliauja į ligoninę su lankytojais ir pacientais, atnešamos su vaisiais ir daržovėmis. P. aeruginosa paplitimas efektyviausiai kontroliuojamas, laikantis deramų izoliacijos procedūrų, deramai valant respiratorius, kateterius ir kitų instrumentus. Reikia turėti omenyje, kad daugiavaisčio atsparumo siurbliai užtikrina didelį P. aeruginosa ląstelių atsparumą plačiai taikomai dezinfekcinei priemonei triklozanui – kosmetikos priemonių, dantų pastų, ploviklių komponentui. Triklozanas skatina P. aeruginosa mutantų, superprodukuojančių šiuos siurblius, plitimą. Didžiausia problema yra tai, kad triklozanui atsparios P. aeruginosa padermės tuo pačiu metu pasižymi padidintu atsparumu gydymui tinkamiems antibiotikams, tokiems kaip ciprofloksacinas.

 


Naturales Scientiae Omnibus