Эволюция патогенных энтеробактерий

Введение

Энтеробактерии (Enterobacteriaceae) — большое семейство бактерий включающее в себя такие известные патогены как: сальмонелла, кишечная палочка, чумная палочка и т. д. По форме — бациллы (палочкообразные) длиной 1—5 мкм. Как и другие протеобактерии, они грамотрицательны.

Энтеробактерии — факультативные анаэробы и ферментируют углеводы с образованием муравьиной кислоты и других конечных продуктов (так называемое формиатное брожение). Некоторые энтеробактерии могут разлагать лактозу. Большинство имеет жгутики для передвижения. Не образуют спор.

Множество представителей семейства являются частью нормальной микробиоты кишечника и могут быть найдены в кишечнике человека и других животных, тогда как остальные обитают в почве, воде или паразитируют на различных растениях и животных. Лучше всего изучена кишечная палочка — важнейший модельный организм, использующийся в генетике, молекулярной биологии из-за высокой изученности её генетики и биохимии. В данной работе будут рассмотрены основные этапы эволюции ярких представителей семейства.

патогенный энтеробактерии холера сальмонеллез

Состав класса

В новом издании систематики бактерий семейство Enterobacteriaceaeпомещено в один класс с вибрионами, а также с 10 другими родами грамотрицательных бактерий, среди которых— гемофилы, пастереллы, ногушии и др., а также бактерии — симбионты или паразиты простейших. Семейство разделено на 5 основных триб: Escherichirae, Klebsielleae, Proteae, Yersinieae, Eriwinieae. Последние являются паразитами преимущественно растений, предпоследние были рассмотрены в предыдущем разделе (чума). Опуская рассмотренные трибы Proteae— сапрофитов гниющих отбросов и иногда виновников пищевых отравлений, и клебсиелл, среди которых имеются возбудители пневмонии, озены и риносклеромы, остановимся на эволюции первой трибы (Escherichieae).

В ее состав входят паразиты кишечника, не патогенные или условно-патогенные (Escherichia, Edwardsiella, Citrobacter) и патогенные (Salmonella, Shigella). Хотя древними предками энтеробактерий являлись почвенные бактерии, однако они уже давно приспособились к паразитированию в кишечнике животных, преимущественно — теплокровных, так как для своего метаболизма они могут использовать большое число сравнительно простых органических соединений — органические кислоты, в том числе аминокислоты, углеводы. Генетически они представляют собой родственную группу, в связи с чем возможно образование хромосомных гибридов между эшерихиями, сальмонеллами и шигеллами. Генетические карты представителей этих родов также близки между собой. Наконец, для рассматриваемой группы бактерий характерно наличие у них экстрахромосомных факторов наследственности — эписом или плазмид, включая половой фактор, или фактор фертильности (F), и фактор резистентности (R) к антибиотикам.

Для систематики видов этого семейства большое значение имели исследования F. Kauffmann, разработавшего классификацию сальмонелл на основе соматических (О) и поверхностных (Н) антигенов. Эти принципы были применены затем и для других родов семейства энтеробактерий. На основе этих принципов было выделено громадное число видов или разновидностей сальмонелл, число которых в настоящее время измеряется тысячами.

Такое обилие видов и разновидностей (а число их неуклонно увеличивается каждый год) является серьезным препятствием для практического использования классификации Уайта—Кауфманна. К тому же накоплено значительное число фактов, указывающих на крайнюю пластичность энтеробактерий, их выраженную изменчивость и возможность взаимного превращения не только разных видов, но и в пределах разных родов ныне принятой систематики.

Так, D. N. Brunerи P. R. Edwards(1947) показали, что путем выращивания на средах с соответствующими Н-сыворотками удается получить превращение сальмонелл одного серологического варианта в другой. Эти опыты свидетельствуют, что многие серологические варианты сальмонелл являются не сложившимися видами, а взаимиообратимыми вариантами.

По характеристике О-антигенов часть Escherichiacoli(Е. coli) приближается к шигеллам, часть — к сальмонеллам. В соответствии с данными W. Н. Ewing, В. Д. Тимакова и В. Г. Петровской, семейство Enteroba- cteriaceaeобразует 4 группы:

1) Shigella—Escherichia;

2) Salmonella—Arizona, Citrobacter;

3) Klebsiella—Enterobacter, Serratia;

4)Proteus—Providensia.

Дана следующая группировка родов:

1) Escherichia, Salmonella, Shigella, а также Arizonaи Citrobacter(большей частью патогенные или условно-патогенные паразиты);

2) Enterobacter, Serratia, Erwinia, а также Klebsiellaи Hafnia(паразиты дыхательных путей, почвенные бактерии, возбудители болезней растений); 3) Proteus, а также Providencia(бактерии гниющих отбросов, условно- или безусловно-патогенные паразиты);

4) Yersinia(возбудитель чумы).

В обзоре J. Oerskovи соавторов приведены более полные данные об антигенах Е. coli. Антигены О (их насчитывают 164) Е. coliдают перекрестные реакции с Shigella, Salmonellaи Klebsiella, а также с холерным вибрионом. Перекресты с другими, далеко отстоящими родами имеются и по антигенам К. Можно предположить, что такая мозаика связана с межродовыми переносами генов вирусами и плазмидами. Имеются основания считать, что патогенность эшерихий может быть связана с наличием в них соответствующих плазмид.

После этих замечаний рассмотрим эволюцию энтеробактерий, приведшую к образованию таких антропонозов, как брюшной тиф и дизентерия. При этом мы не будем строго придерживаться последних изданий классификации энтеробактерий, а скорее будем говорить об общих тенденциях эволюции и с этих позиций будем цитировать некоторые работы, опубликованные сравнительно давно.

Рассмотрим сначала paracoli—paratyphus—typhus. По мере продвижения от coliк typhusуменьшается ферментативная активность и возрастает степень паразитизма и патогенности, при этом суживается круг животных, в организме которых паразитирует данный вид. Вместе с тем члены ряда не отделены слишком резко друг от друга и возможны взаимные переходы. Ранее И. Е. Миикевич в эксперименте показал возможность превращения coli—citrovorum—aerogenesи обратимость этого процесса. Со времени появления работы R. Massiniстало известно о существовании Е. colimutabile— лакто- зодефектной Е. coli, отщепляющей лактозоактивный вариант. Нам приходилось наблюдать такое явление: при длительном хранении лактозодефектные штаммы Е. paracoliприобретали способность ферментировать лактозу и становились неотличимыми от Е. coli. Известно также, что некоторые виды Е. paracoliнастолько сходны с Salmonella, что лишь специфическая агглютинация позволяет отличать этих микробов друг от друга. Все эти факты в настоящее время могут быть объяснены гораздо полнее, чем 30 лет назад, так как семейство энтеробактерий представляет группу взаимосвязанных огранизмов с переходными, частично совпадающими, биохимическими и серологическими свойствами. К тому же, обитая в кишечнике человека и животных, различные представители этого семейства имеют возможность обмениваться своими антигенами, о чем свидетельствуют эксперименты.

Многочисленными исследованиями показана возможность утраты агглютинабельности штаммами тифозных и паратифозных микробов в процессе изменчивости и усиления ферментативной активности при длительном выращивании в условиях сапрофитизма.

До недавнего времени считалось, что строение антигенного аппарата является наиболее существенным отличием сальмонелл от Е. coli, но и этот критерий стал относительным после того, как были обнаружены штаммы, отвечающие основным признакам Е. coliи имеющие общие антигены с такими высокопатогенными сальмонеллами, как S. paratyphiВ или S. typhimurium(они были обозначены как S. coliI, И, III, IV, V),

Сальмонеллы, дизентерийные бактерии, Е. coliи Е. paracoliи протеи хорошо дифференцируются, однако встречаются штаммы, которые трудно классифицировать. Например, в Африке выделены S. onderspoortи S. carrau. Их О-антиген сложен и имеет рецепторы, общие с Е. coliи дизентерийными бактериями Флекснера, а Н-антиген — рецепторы, общие с Е. coli. Вместе с тем по строению антигенного аппарата эти микробы отнесены к сальмонеллам С. A. Peluffoи соавторами, P. R. Edwardsобнаружили ряд штаммов Е. para- coli, имеющие общие Н-антигены с S. duesseldorf.

Подобные факты говорят о несомненной генетической связи между микробами группы coli—typhusи делают вероятным предположение об эволюции по ряду: coli—paracoli—salmonella—раза typhus—typhus. Сказанное, конечно, не следует понимать слишком буквально в том смысле, что каждый предшествующий член является источником происхождения последующего: речь идет об общей тенденции эволюции энтеробактерий.

Существенным является выяснение вопроса, в каких условиях, как и когда происходила эволюция ряда coli—typhus. Этот вопрос может быть выяснен при анализе особенностей эпидемиологии сальмонеллезов кишечных тифов.

Эшерихиозы

Сравнительное изучение микрофлоры кишечника животных показало, что Е. coliявляется нормальным комменсалом позвоночных, по крайней мере человека и домашних животных. Во всяком случае у домашних животных Е. coliможет вызывать энтериты, а также септицемию, хронические респираторные заболевания и сальпингиты (домашняя птица). Среди Е. coli, выделяемых от животных, имеется множество сероваров. У насекомых, рыб и диких птиц Е. coliявляется случайным паразитом, она попадает к ним при контакте с фекалиями человека и домашних животных. Например, у домашней птицы, особенно у водоплавающей (утки, гуси), Е. coliудается обнаружить постоянно, в то время как у диких птиц — лишь в редких случаях. Подобная картина наблюдается н у млекопитающих. В то время как у домашних животных и домовых грызунов Е. coliявляется постоянным паразитом, при исследовании кишечной флоры животных Арктики (белые медведя, волки, зайцы, дикие олени) Е. coliбыла обнаружена лишь у 10% исследованных животных. Сходные результаты были получены и при исследовании почвы и водоемов. В загрязняемых фекалиями почвах и водоемах вблизи населенных пунктов часто обнаруживаются Е. coliтипа commune. При менее интенсивном и непостоянном загрязнении почвы в ней чаще обнаруживаются цитратассимилирующие разновидности кишечной палочки Е. colicitrovorumи Е. coliaerogenes, которые являются результатом длительного пребывания Е. coliв условиях сапрофитизма. В девственных почвах Арктики, высокогорных районов и заповедников, редко посещаемых человеком, не удается обнаружить никаких разновидностей Е. coli. Таким образом, Частота обнаружения Е. coliв почве и водоемах находится в прямой зависимости от загрязнения их фекалиями человека и домашних животных.

Все это дает основания считать, что Е. coliи родственные ей бактерии семейства Enterobacteriaceaeимеют сравнительно позднее происхождение, связанное с появлением человеческого общества и приручением животных.

Пока не представляется возможным указать, какие микробы являются родоначальниками семейства Enterobacteriaceae, в частности Е. coliкак наиболее древнего представителя этого семейства. Учитывая отсутствие Е. coliу диких животных, можно предположить, что она вначале стала паразитом человека, а позже адаптировалась к организму домашних животных и синантронных грызунов.

На ранних стадиях развития человеческого общества (дикость, раннее варварство) Е. coliявлялась непатогенным паразитом кишечника человека. Приручение человеком домашних животных и особенно переход людей к оседлому образу жизни при- вели к интенсивному загрязнению почвы и водоемов фекалиями (период среднего и позднего варварства).

В. А. Догель отмечал, что у домашних животных наблюдается гораздо большее разнообразие кишечных паразитов, чем у диких. Так, например, в кишечнике коров имеется до 70 видов инфузорий, в кишечнике овец — 36, коз — 20, в то время как у диких антилоп — от одного до 17 видов; у северного оленя описан 21 вид, в то время как у диких оленей и лосей — от одного до 8 видов инфузорий. Несомненно, что интенсивный обмен микрофлорой между особями одного и того же вида и между особями разных видов способствует обогащению паразитарной микрофлорой и фауной и образованию новых видов. При таком интенсивном обмене кишечной флорой между животными отдельные разновидности кишечной палочки, характеризующиеся некоторой патогенностью, стали иметь преимущества перед непатогенными популяциями. У диких животных патогенные штаммы имели меньше шансов выжить, чем непатогенные, так как основной путь передачи микрофлоры от матери к детенышу или обмен его внутри небольшого и к тому же подвижного стада приводил к отбору штаммов, не вызывающих гибели животных. Когда же стал возможен постоянный и интенсивный обмен кишечной флорой у животных (большая плотность стад, выпас на ограниченных территориях), то свойство вызывать заболевание (понос) стало полезным для микроба, ибо этим облегчалось его распространение.

Таким образом, изменчивость направлялась и закреплялась отбором в сторону возникновения патогенных рас Е. coliи дальнейшего увеличения их патогенности. Известны энтеропатогенные расы Е. coli, которые являются важным этиологическим фактором диарей жителей многих развивающихся стран, особенно с высокой плотностью населения. Так, в сельских районах Бангладеш эти возбудители служат наиболее частой причиной заболи мания у жителей всех возрастов, за исключением детей до 2 лет, у которых они стоят на 2-м месте, уступая ротавирусам.

Сальмонеллезы

Большинство известных в настоящее время сальмонелл до сих пор являются условно-патогенными микробами. Будучи обитателями кишечника домашних и диких животных, они проявляют патогенное действие лишь при ослаблении организма, вызывая энтериты и септические заболевания. Эти же виды у человека являются возбудителями пищевых токсикоинфекций. Сальмонеллы выделены от всех домашних животных, жвачных диких млекопитающих и птиц, от рептилий. Зараженность домашней птицы достигает 2—75%, свиней — 25—20%, скота — 15—85%. Неудивительно, что куриные яйца и продукты из них, молоко и молочные продукты, мясо птиц, говядина и свинина часто служат причиной возникновения вспышек сальмонеллезов. Иногда причиной заражения людей служат комнатные животные: собаки, кошки, обезьяны, кролики, черепахи и изредка рыбы. Высока зараженность синантропных животных, например воробьев, крыс.

Эти процессы не могли происходить так интенсивно среди людей, когда они вели преимущественно кочевой образ жизни и плотность населения была незначительной. Поэтому и сальмонеллезы могли возникнуть раньше у прирученных домашних животных, а не у человека.

Процесс видообразования сальмонелл, несомненно, продолжается в настоящее время, притом в разных странах. Этим и объясняется обилие видов и разновидностей сальмонелл.

Эволюция их пошла различными путями: в одних случаях возникли узкоспециализированные формы, приспособившиеся к паразитированию в организме одного или немногих видов, например, S. abortusequi, S. abortusovis, S. pullorum, в других случаях паразит стал патогенным для многих видов животных, как, например, S. typhimurium. Не удивительно, что узкоадап- тировавшиеся формы обычно малопатогенны для человека, тогда как патогенные для многих видов формы обычно патогенны и для человека. До тех пор пока общение между разными странами было менее интенсивным, существовали изолированные очаги определенных видов сальмонеллезов. Интенсивное общение между разными странами приводило к взаимному обмену сальмонеллами. Насколько интенсивно идет этот процесс в настоящее время, видно из следующих примеров. Некоторые редко встречающиеся виды сальмонелл обнаруживаются в неожиданно разных местах.

Например, Е. give— в Дании, Уругвае и США, S. meleaidis— в США, Норвегии и Уругвае и т. п. На примере сальмонеллезов можно также видеть, что завоевание новых хозяев определяется не столько анатомо-физиологическим родством их организмов, сколько наличием среди них биоценотических связей. Поэтому многие сальмонеллы, для которых первичным резервуаром являлся крупный рогатый скот, адаптировались не только к организму биологически далеко отстоящих видов млекопитающих (грызунов), но и к организму домашней птицы. К началу 90-х годов было обнаружено 48 видов и разновидностей сальмонелл, вызывающих заболевания домашней птицы. Многие из них, такие, как S. typhimurium, S. derby, S. kunzendorf, по-видимому, являются первичными паразитами домашних млекопитающих и лишь вторично адаптировались к организму домашней птицы. Вследствие контакта со скотом возникают заболевания сальмонеллезамн у людей. Некоторые виды сальмонелл смогли приспособиться к параяитироиапшо в организме человека еще и потому, что они уже до этого обладали патогенными свойствами. Естественно, это были не узкоспециализированные, а полипатогеиные виды.

Имеет также значение факт, что в антигенных группах, к которым принадлежат возбудители брюшного тифа и паратифов А и В, имеются виды с широким диапазоном патогенности: в группе паратифов А и В — полипатогенный вид S. typhimurium, а в группе брюшного типа — полипатогенный вид S. enteritidis. Эти виды и в настоящее время являются одними из наиболее распространенных сальмонелл.

В тех районах, где скотоводство сменялось земледелием, или там, где возникали города, происходил отрыв возбудителей от прежних естественных резервуаров — животных. При этом возбудители либо исчезали из данной местности, либо адаптировались к организму человека за счет усиления вирулентности, приобретения инвазионных свойств, способности длительно пребывать в иммунном организме (носительство) и других свойств. Естественно, что такая специализация приводила к потере патогенности для животных. Таким путем могли возникнуть возбудители брюшного тифа, паратифов А и В и соответствующие болезни. В это время могли возникнуть и сальмонеллезы домашних животных и домовых грызунов типа S. abortuscanis, S. danysz и др.

Таким образом, эволюционный ряд coli—typhusможно представить следующим образом.

Ввиду того что условия, вызвавшие образование и эволюцию сальмонелл, не_ч только не исчезли, но в настоящее время действуют весьма активно, следует считать, что сальмонеллы — биологически прогрессирующая группа, в которой и в настоящее время продолжается интенсивное видообразование. Сальмонеллы широко распространены во всем мире. Наряду с отчетливо сложившимися видами, такими, как S. typhi, S. abortusequi, S. typhimuriumи т. п., имеются многочисленные варианты, которые в отличие от часто встречающихся видов обнаруживаются значительно реже.

Все эти особенности характерны для биологически прогрессирующих групп, среди которых идет интенсивное видообразование.

Шигеллезы

Рассмотрим теперь ряд coli—dysenteria. Несмотря на известное сходство с рядом coli—typhus, здесь имеются и значительные отличия.

В противоположность обилию сальмонелл — паразитов домашних животных, дизентерийные микробы встречаются почти исключительно у человека и непатогенны для животных. Хотя в определителях микробов иногда приводятся несколько видов Shigella, обнаруженных при септицемии у домашних животных, однако это нуждается в дополнительных доказательствах. Шигеллы выделены от приматов, изредка от собак, летучих мышей, змей. Зарегистрированы случаи заражения людей от инфицированных шимпанзе и других видов обезьян. Однако обследование обезьян, живущих на воле (Малайзия, Индия), дало отрицательные результаты. Даже при учете этих данных обилие Salmonellaдомашних животных не может идти ни в какое сравнение с немногими сомнительным видами Shigella. Это обстоятельство позволяет предположить, что домашние животные вряд ли являлись фактором видooбpaзoвaния Shigellaи, следовательно, дизентерия человека произошла не от какого-нибудь аналогичного заболевания домашних животных, тем менее вероятно искать аналогичное заболевание среди диких животных.

При рассмотрении возбудителей дизентерии и сравнении щ с некоторыми условно-патогенными видами обращают на себя


8-09-2015, 19:11