2.4. Фактори патогенності

Для кожного певного збудника інфекції характерний свій особливий набір факторів патогенності, що перш за все обумовлено видовими особливостями. В останні роки виявлена можливість горизонтального переносу цілих кластерів генів патогенності від одного збудника до другого завдяки рекомбінативним процесам – кон’югації, трансформації, трансдукції, транспозиції. Такі групи генів отримали назву “острови патогенності”. Окрім генів, кодуючих фактори патогенності (адгезини, інтегрини, токсини тощо), вони містять також гени, відповідні за стійкість до антибіотиків, та деякі інші. Острови патогенності можуть переноситись не тільки між представниками одного виду, але й між різними видами у межах роду і навіть родини. Це в деякій мірі пояснює виявлення у мікроорганізмів різних систематичних груп факторів патогенності близьких за структурою та властивостями.

У більшості хвороботворних бактерій можна виділити декілька груп факторів патогенності, які найбільш розповсюджені. Це заразливість, інвазивність, токсигенність і антигенність.

І. Заразливість (контагіозність, інфекційність) – це здатність збудника спричиняти інфекційний процес в якомога більшої кількості людей чи тварин. Заразливість залежить від таких факторів, як видова схильність хазяїна, тропізм, вхідні ворота інфекції, адгезія і колонізація.

Видова схильність хазяїна. Перш за все заразливість залежить від такого фактора, як видова схильность хазяїна. Так, гемолітичною анемією коней хворіють непарнокопитні, курячою холерою – птахи, венесуельською лихоманкою – усі тварини, крім приматів і людини, сифілісом – тільки примати і людина. Існування вузького кола хазяїв досить відносно, особливо у вірусів. Відомі віруси з широким колом хазяєв (вірус австралійської Х-лихоманки, вірус атипової пневмонії, вірус курячого грипу тощо). Майже не мають видових обмежень бактерії, що є збудниками гнійних інфекцій, гриби, які викликають мікози у тварин і людей.

Тропізм. Важливу роль для реалізації заразливості виграє такий фактор, як тропізм мікроба до різних органів і тканин. Він пов’язаний з хімічною вибірковістю зв’язування поверхневих структур збудника і хазяїна. Так, збудники туберкульозу, пневмонії, ангіни, мононуклеозу переважно зв'язуються з глікопротеїнами верхніх дихальних шляхів. Збудники кишкових захворювань – гемолізуюча кишкова паличка, сальмонели, шигели, дизентерійна амеба, ротавіруси, ентеровіруси виявляють тропізм до слизистого епітелію шлунково-кишкового тракту. Збудник правця уражує нервову систему – спинні стовбури, бічні нейрони і периферійні нервові закінчення; вірус сказу – нейрони головного мозку; хламідії, гонококи виявляють спорідненість до слизистих оболонок урогенітального тракту.

Адгезія і колонізація. В основі тропізму дуже часто лежить адгезія - здатність мікробів прилипати до епітелія слизових оболонок (чи до інших чутливих клітин хазяїна), за допомогою спеціальних речовин – адгезинів. З цього, як правило, і розпочинається інфекційний процес. Важлива роль саме цих факторів патогенності підтверджується тим, що деякі штами мікробів, у яких відсутні адгезини, не здатні закріплятись і колонізуватись у тканинах і дуже швидко елімінуються із організма. Так, Corynebacterium diphtheriае, дизентерійні шигели, патогенні кишкові палички колонізуються у клітинах епітелію тільки при наявності факторів адгезії, синтез яких, як правило, зумовлений наявністю специфічних плазмід. Дуже широка за хімічною природою різноманітність адгезинів обумовлює виражену специфічність процесу адгезії у різних видів і штамів мікроорганізмів. Вже створені препарати, які блокують рецептори адгезії на ентероцитах кишечника, що перешкоджає проникненню в них патогенних мікроорганізмів.

В якості адгезинів можуть виступати білки зовнішньої мембрани і різноманітні пілі у грамнегативних бактерій, елементи капсули, тейхоєві та ліпотейхоєві кислоти грампозитивних бактерій, глікани, левани та інші екзополісахариди грибів та інших мікроорганізмів. Зв’язок адгезинів з клітинами хазяїна може відбуватися за рахунок електростатичних сил відштовхування і притяжіння, гідрофобних або ліганд-рецепторних взаємодій. Останній тип адгезії найбільш специфічний і потребує наявності на поверхні клітин хазяїна рецепторів, здатних зв’язувати відповідні ліганди збудника.

Подібно до того, як розрізняються адгезини мікробів, розрізняються і рецептори різних видів тварин і навіть рецептори у межах одного організму. У людини розрізняють нативні (природні), індуковані і придбані рецептори. Нативні рецептори завжди присутні на поверхні епітеліальних клітин. Придбані рецептори з’являються при певних умовах, наприклад, при розвитку імунної відповіді, і можуть бути представлені імуноглобулінами, іншими глікопротеінами, альбумінами, фібронектином та іншими рецепторними молекулами, здатними зв’язувати адгезини мікробів. Індуковані рецептори виникають після адсорбції вірусів на чутливих клітинах. Такими рецепторами можуть виступати гемаглютинини вірусів (наприклад, грипа або парагрипа). До них можуть прикріплятися стафілококи та інші бактерії, чим пояснюється виникнення вторинних бактеріальних інфекцій внаслідок перенесеного вірусного захворювання.

Адгезія мікроорганізмів на епітелії слизових оболонок дає можливість для колонізації та подальшого розвитку інфекції. Колонізація – це розмноження збудника у місці адгезії, завдяки чому мікроби накопичуються до такої кількості, яка може спричинити розвиток патологічного процесу.

“Вхідні ворота інфекції” – місце проникнення збудника в організм хазяїна. Це поняття залежить від способу зараження і визначає можливість розвитку інфекції при проникненні збудника у тканини з найбільш сприятливими для його розвитку умовами.

Від “вхідних воріт інфекції” і тропізму залежить ID – інфекційна доза (Infection Dose). Інфекційна доза – це мінімальна кількість клітин (чи вірусних часток) збудника, яка може викликати розвиток захворювання у певної кількості тварин. На практиці використовують ID50 і ID100, що відповідає інфікуючим дозам, здатним викликати хворобу відповідно у 50 і 100% лабораторних тварин. Інфікуюча доза дуже наочно демонструє переважність шляху зараження і сприятливість тих чи інших “воріт інфекції”. Так, для розвитку туляремії при проникненні збудника крізь пошкодження шкіри необхідно всього декілька десятків клітин, а при потраплянні аліментарним шляхом (з їжею і водою) – вже 10⁸ - 10⁹ клітин. Іноді використовують також поняття “критична доза”. Це – найменша кількість збудник, здатна викликати захворювання хоча б у однієї особини. За показниками критичної дози можна порівнювати вірулентність різних видів і штамів мікроорганізмів. Так, критичні дози для збудників кишкових інфекцій розрізняються і складають відповідно: для дизентерії – 10² - 10³, для черевного тифа - 10⁵, для холери Ель-Тор – 10¹⁰ - 10¹¹.

ІІ. Інвазивність – це здатність мікроорганізмів у природних умовах проникати крізь шкірні покриви, слизисті оболонки, а також усередину клітин, органів і тканин, що і забезпечує поширення інфекції.

До факторів інвазії відносять такі: утворення капсули та інших агресинів, пенетрація (проникнення усередину клітин), а також синтез ферментів інвазії.

Агресини – це фактори вірулентності, які здатні пригнічувати механізми неспецифічної та специфічної (імунної) резистентності організму хазяїна. До агресинів можна віднести капсулу і деякі поверхневі структури мікроорганізмів (ліпополісахариди грамнегативних бактерій, протеїн А стафілококів, білок М піогенних стрептококів, ліпідний корд фактор мікобактерій та ін.).

Капсула. Деякі мікроорганізми завдяки утворенню капсули (полісахаридної чи поліпептидної природи) уникають фагоцитування. Крім того, капсула екранує поверхневі клітинні антигени і, тим самим, блокує вироблення антитіл проти них. Так, безкапсульний пневмокок не здатний викликати захворювання. Частина клітин елімінується імунною системою, частина проходить крізь організм транзитом. Вірулентність Bacillus anthracis – збудника сибірки також пов'язана зі здатністю утворювати капсулу, але особливої поліпептидної природи, що ускладнює розпізнавання збудника сибірки імунною системою.

Пенетрація – це проникнення патогенних мікроорганізмів усередину клітин хазяїна. В епітеліальні клітини здатні проникати шигели. Їх взаємодія з поверхнею клітин приводить до зміни конформації цитоскелету і самої мембрани. Завдяки цьому забезпечується поглинання бактерій подібно ендоцитозу. Шигели не тільки проникають в епітеліоцити, але й розмножуються там. Це приводить до руйнування клітин епітелія і виникнення патологічного процеса.

Дуже часто спостерігється пенетрація збудників у макрофаги і лімфоцити. Оскільки ці клітини здатні до рециркуляції у крові, вони можуть сприяти переносу збудника у все нові тканини та органи. Це характерно для мікоплазм, мікобактерій, токсоплазм, багатьох вірусів тощо. Здатність мікробів розмножуватись усередині клітин хазяїна може бути обумовленами різними причинами, а саме, наявністю міцної капсули, стійкістю до лізосомальних ферментів та інших захисних білків, здатністю до анаеробіоза тощо. Не виключена можливість проникнення збудників із клітини у клітину по плазмодесмах без вихода у міжклітинний простір.

Ферменти інвазії. У мікроорганізмів виявлено багато позаклітинних ферментів, які відіграють важливу роль у проникненні збудника крізь захисні бар’єри в організм хазяїна. Ферменти інвазії можуть спричиняти різну дію на організм хазяїна, а саме, викликати руйнування клітин, тканин, утворювати токсичні продукти шляхом модифікції метаболітів хазяїна тощо. Далі надана характеристика основних ферментів інвазії.

Гіалуронідаза – за механізмом дії відноситься до глікозидаз, розщеплює глікозидний зв’язок між глюкозаміном і глюкуроновою кислотою в полімерній молекулі гіалуронової кислоти. Гіалуронова кислота входить до складу сполучної тканини і є основним захисним бар’єром. Відомо, що сполучна тканина на 50% складається з гіалуронової кислоти. Мікробні гіалуронідази спричиняють деполімерізацію гіалуронової кислоти, знижують її в'язкість і зменшують бар'єрні властивості сполучної тканини, сприяючи поширенню інфекції. При введенні гіалуронідази морським свинкам виникає серозно-ексудативне запалення, набряк, порушення судинної проникності, розшарування волокон ахилового сухожилля і вимивання кислих мукополісахаридів із сполучної тканини. Гіалуронідаза утворюється у стафілококів, стрептококів, дифтерійної палички, пневмококів, збудника гангрени, стрептоміцетів та інших мікроорганізмів.

Нейрамінідаза – є глікозидазою, відщеплює сіалову (нейрамінову) кислоту від глікопротеїнів на поверхні клітин ссавців. Це викликає спадання електричного потенціалу клітин, порушення функцій мембран та їх руйнування аж до лізису клітин. Нейрамінідаза викликає гемоліз еритроцитів, лізис інших клітин крові, знижує в’язкість муцинів слини, чим сприяє проникненню інфекції через слизові оболонки верхніх дихальних шляхів, шлунково-кишкового тракту, сечо-статевих шляхів. За допомогою нейрамінідази збудники можуть не тільки проникати крізь слизові оболонки, але й поширюватись у міжклітинному просторі і навіть проникати усередину клітин (пенетрація). Нейрамінідази виявляються у вірусів (грипу, парагрипу та ін.), дифтерійної палички, стрептококів групи А, холерного вібріона, мікоплазм.

Фібринолізини – різноманітна група протеолітичних ферментів. Вони викликають руйнування фібринових згустків, які утворилися в процесі запалення, і тим самим, сприяють поширенню інфекції у крові. Найбільш вивченим мікробним фібринолізином є стрептокіназа Streptococcus pyogenes. Вона гідролізує плазміноген (профібринолізин) з утворенням плазміна (фібринолізина). Фібринолізини виробляються також стафілококами, збудниками чуми, холери, дифтерії та іншими мікроорганізмами. З мікробних фібринолізинів виготовляють препарати (стрептокіназа та ін.), які використовуються в медицині для профілактики тромбозів, інсультів, інфаркту міокарда.

Гемолізини – різноманітні за властивостями і механізмом дії ферменти. Вони можуть руйнувати строму еритроцитів, викликати їх лізис, гідроліз внутрішньоклітинних білків і вихід гемоглобіну з клітин, що виявляється як реакція “лакової крові” (β-гемоліз) або зеленкуватий гемоліз (α-гемоліз). Серед гемолізинів найбільш вивчені лецитіназа клостридій, О- і S-стрептолізини стрептококу, гемолізини кишкової палички, стафілококів. У останніх виявлені чотири типи гемолізинів – α-, β-, γ- і δ-гемолізини. Здатність утворювати гемолізини у бактерій, як правило, обумовлена наявністю плазмід. Деякі вчені відносять гемолізини і фібринолізини бактерій до токсинів.

Лейкоцидини – ферменти, які вибірково діють на лейкоцити, руйнуючи їх. За рядом ознак лейкоцидини можуть бути віднесені до токсинів. Зустрічаються у патогенних стафілококів і стрептококів. За антигенними властивостями вони відрізняються від гемолізинів.

Колагенази – протеолітичні ферменти патогенних бактерій, які розщеплюють колагенові волокна. Це супроводжується руйнуванням м’язової тканини і проникненням мікробів усередину тканин. Дуже активна колагеназа виявлена у Clostridium perfringens. Вона викликає некротизацію тканин по ходу проникнення збудника і швидке поширення гангрени.

Плазмокоагулази – ферменти, що коагулюють білки плазми крові з утворенням згустків, тим самим блокуючи міграцію антитіл і фагоцитів до місця запалення. Найбільш вивчений цей фермент у Staphylococcus aureus. Плазмокоагулаза є головним фактором патогенності стафілокока, оскільки захищає мікроб від фагоцитоза. Вона перетворює протромбін у тромбін, що, у свою чергу, веде до згортання фібрина. Згустки фібрина з’являються не тільки у крові, але й відкладаються на поверхні мікробних клітин, утворючи своєрідну захисну плівку. Це утруднює розпізнавання мікробів лімфоцитами та блокує їх фагоцитоз і лізис.

Еластази – ферменти з протеолітичною активністю, які гідролізують пептидні зв’язки в еластині та інших білках – фібрині, гемоглобіні, казеїні, імуноглобулінах, білках системи комплементу. Еластази виявлені у Pseudomonas aeruginosa та у деяких інших мікробів.

Протеїнази – неспецифічні фактори агресії. Уражують різні клітини крові та тканин, можуть проявляти невелику гемолітичну та лейкоцидну активність. У деяких мікроорганізмів (Neisseria sp., Streptococcus sanguis) протеїнази можуть розщепляти секреторні IgA, у інших бактерій вони запобігають опсонізації та фагоцитозу.

Кератинази – уражають кістки, волося, ороговілі частини стоп, вовну тварин. Ферменти з подібною активністю зустрічається у грибів-дерматофітів.

Ліпази – ферменти, які розщеплюють жири та фосфоліпіди. Вони полегшують адгезію і поширення мікробів у тканинах, руйнують сальні пробки і тим сприяють проникненню бактерій у волосяні фолікули. Ліпази, які підтримуюють прояви патогенності, знайдені у стафілококів.

ІІІ. Антигенність – здатність мікроорганізмів утворювати на поверхні клітини антигенні структури, які обумовлюють патогенні властивості мікроорганізма. Ці антигени, з одного боку, розпізнаються імунною системою як чужерідні, а з іншого боку, здатні пригнічувати дію факторів імунної системи, наприклад, протидіяти фагоцитозу, блокувати комплемент і, тим самим, процеси лізису бактерій, зв'язувати антитіла з утворенням імунних комплексів, блокувати реакцію опсонізації та інше. Однак не всі автори включають антигенність до групи факторів патогенності.

З проявом вірулентності у мікроорганізмів пов'язані К-антигени (капсульні), О-антигени – соматичні (переважно ліпополісахариди у грамнегативних бактерій), Н-антигени (джгутикові). Специфічним антигеном, що обумовлює вірулентність у сальмонел і дизентерієподібних кишкових паличок, є Vi-антиген; у Yersіnia pestis – W- і V-антигени; у Mycobacterium tuberculosis – ліпідний корд-фактор; у стрептококів – М-протеїн; у стафілококів – білок А; у вірусу грипа – гемаглютинін і нейрамінідаза.

ІV. Токсигенність. Вірулентність багатьох мікроорганізмів у значній мірі пов’язана з наявністю у них речовин - токсинів, які є отруйними для організму хазяїна. З 1888 р., коли Е. Ру та А. Ієрсен відкрили дифтерійний токсин, мікробні токсини більшістю вчених визнані основними факторами вірулентності патогенних мікроорганізмів. Токсини змінюють метаболізм хазяїна і справляють тим самим негативний вплив на макроорганізм.

Токсигенність (від грец. Toxicon – отрута) – це генетично детермінована здатність мікроорганізмів синтезувати токсини. Рівень токсигенності у різних штамів одного й того ж виду мікроорганізмів може суттєво розрізнятися. Він залежить, як від особливостей збудника, і перш за все, від рівня експресії генів токсиноутворення, так і від умов, які складаються в організмі хворого. Для позначення кількісного рівня токсигенності введене поняття токсичності. Токсичність – це безпосередня отруйність мікробних метаболітів. Для її визначення використовують ті ж показники, що і для виміру вірулентності, а саме – DLM, LD50 та інші.

В якості токсинів можуть виступати речовини різної хімічної природи – екстрацелюлярні білки, ферменти, глікопротеїни, ліпополісахариди, фрагменти пептидоглікану, тейхоєві кислоти, білки клітинної стінки (протеїн А стафілокока).

У бактерій в залежності від ступеня зв’язування з оболонками клітини розрізняють екзо-, мезо- та ендотоксини. Екзотоксини секретуються клітиною у зовнішнє середовище. Ендотоксини входять до складу клітинної стінки бактерій і вивільняються тільки після руйнування клітини. Деякі автори виділяють ще одну групу токсинів – мезотоксини. Вони зв’язані з клітинною стінкою, але частково можуть виділятися зовні.