Микобактерии | |
---|---|
Микрофотография M. tuberculosis, полученная с помощью просвечивающего электронного микроскопа | |
Научная классификация | |
Домен: | Бактерии |
Тип: | Актиномицеты |
Сорт: | Актиномицеты |
Заказ: | Микобактерии |
Семья: | Микобактерии |
Род: | Микобактерия Леманна и Нойманна 1896 [1] |
Разновидность | |
Более 190 видов, см. LPSN | |
Синонимы [2] | |
|
Mycobacterium — род , насчитывающий более 190 видов в типе Actinomycetota , выделенный в отдельное семейство Mycobacteriaceae . Этот род включает патогены, известные тем, что вызывают серьезные заболевания у млекопитающих, включая туберкулез ( M. tuberculosis ) и проказу ( M. leprae ) у людей. Греческий префикс myco- означает «грибок», намекая на плесневидные поверхности колоний этого рода. [3] Поскольку этот род имеет клеточные стенки с восковидным, богатым липидами внешним слоем, который содержит высокие концентрации миколовой кислоты, [4] кислотоустойчивое окрашивание используется для подчеркивания их устойчивости к кислотам по сравнению с другими типами клеток. [5]
Виды микобактерий, как правило, аэробны, неподвижны и способны расти при минимальном количестве питательных веществ. Род подразделяется на основе производства пигмента и скорости роста каждого вида. [6] Хотя большинство видов микобактерий непатогенны, характерная для рода сложная клеточная стенка способствует уклонению от защиты хозяина. [7]
Микобактерии являются аэробными с 0,2-0,6 мкм шириной и 1,0-10 мкм длиной палочковидными формами . Они, как правило, неподвижны , за исключением вида Mycobacterium marinum , который, как было показано, подвижен внутри макрофагов . [8] Микобактерии обладают капсулами и большинство из них не образуют эндоспор . Было показано, что M. marinum и, возможно, M. bovis спорулируют ; [9] однако это было оспорено дальнейшими исследованиями. [10] Отличительной чертой всех видов Mycobacterium является толстая, гидрофобная и богатая миколовой кислотой клеточная стенка, состоящая из пептидогликана и арабиногалактана , причем эти уникальные компоненты предлагают мишени для новых противотуберкулезных препаратов. [11]
Многие виды Mycobacterium легко растут с минимальным количеством питательных веществ, используя аммиак и/или аминокислоты в качестве источников азота и глицерин в качестве источника углерода в присутствии минеральных солей. Температуры для оптимального роста варьируются в зависимости от вида и условий среды, в пределах от 25 до 45 °C. [6]
Большинство видов Mycobacterium , включая большинство клинически значимых видов, можно культивировать на кровяном агаре . [12] Однако некоторые виды растут очень медленно из-за чрезвычайно длительных репродуктивных циклов, например, M. leprae, требующей 12 дней на цикл деления по сравнению с 20 минутами для некоторых штаммов E. coli . [13]
В то время как Mycobacterium tuberculosis и M. leprae являются патогенными, большинство микобактерий не вызывают заболевания, если только они не проникают в кожные поражения людей с легочной и/или иммунной дисфункцией, несмотря на то, что они широко распространены в водной и наземной среде. Благодаря образованию биопленки , устойчивости клеточной стенки к хлору и ассоциации с амебами микобактерии могут выживать в различных экологических стрессорах. Агаровая среда, используемая для большинства испытаний воды , не поддерживает рост микобактерий, что позволяет им оставаться незамеченными в муниципальных и больничных системах. [14]
Сотни геномов микобактерий были полностью секвенированы. [15]
Размеры генома микобактерий варьируются от относительно небольших (например, у M. leprae ) до довольно крупных, таких как M. vulneris, кодирующих 6653 белка, что больше, чем ~6000 белков эукариотических дрожжей . [16]
Организм | Количество генов, кодирующих белки |
---|---|
М. интрацеллюлярная | 5,289 [17] |
М. колумбийский | 5,084 [18] |
М. лепра | 1,603 [19] |
М. туберкулез | 3,995 [19] |
М. смегматис | 6,602 [20] |
М. chelonae | 4,948 [21] |
Mycobacterium tuberculosis может оставаться латентной в организме человека в течение десятилетий после первичного инфицирования, что позволяет ей продолжать заражать других. Было подсчитано, что треть населения мира имеет латентный туберкулез (ТБ). [22] M. tuberculosis имеет много факторов вирулентности , которые можно разделить на метаболизм липидов и жирных кислот, белки клеточной оболочки, ингибиторы макрофагов ,белки киназы , протеазы , белки-переносчики металлов и регуляторы экспрессии генов. [23] Несколько линий, таких как M. t. var. bovis (бычий туберкулез), считались отдельными видами в комплексе M. tuberculosis , пока они не были окончательно объединены в основной вид в 2018 году. [24]
Развитие проказы вызвано заражением Mycobacterium leprae или Mycobacterium lepromatosis , двумя близкородственными бактериями. Ежегодно регистрируется около 200 000 новых случаев заражения, и 80% новых случаев регистрируются в Бразилии, Индии и Индонезии. [25] Инфекция M. leprae локализуется в макрофагах кожи и шванновских клетках, обнаруженных в периферической нервной ткани.
Нетуберкулезные микобактерии (НТМ), которые исключают M. tuberculosis , M. leprae и M. lepromatosis, могут инфицировать млекопитающих. Эти бактерии называются «атипичными микобактериями». Хотя передача от человека к человеку встречается редко, передача M. abscessus наблюдалась между пациентами с муковисцидозом . [26] Четыре основных заболевания, наблюдаемых у людей, — это хроническое заболевание легких, диссеминированное заболевание у пациентов с ослабленным иммунитетом, инфекции кожи и мягких тканей и поверхностный лимфаденит. 80–90% зарегистрированных инфекций НТМ проявляются как заболевания легких. [27]
M. abscessus является наиболее вирулентной быстрорастущей микобактерией (RGM), а также основной причиной легочных инфекций, вызванных RGM. Хотя традиционно ее рассматривали как условно-патогенный микроорганизм, как и другие НТМ, анализ различных факторов вирулентности (VF) изменил эту точку зрения на точку зрения как на истинного патогена. Это связано с наличием известных микобактериальных VF и других немикобактериальных VF, обнаруженных у других прокариотических патогенов. [27]
Микобактерии имеют клеточные стенки с пептидогликаном , арабиногалактаном и миколовой кислотой ; восковую внешнюю микомембрану из миколовой кислоты; и внешнюю капсулу из глюканов и секретируемых белков для вирулентности. Они постоянно ремоделируют эти слои, чтобы выживать в стрессовых условиях и избегать иммунной защиты хозяина. Эта структура клеточной стенки приводит к тому, что поверхности колоний напоминают грибы, что приводит к использованию в названии рода греческого префикса мико- . [28] Эта уникальная структура делает пенициллины неэффективными, вместо этого требуя лечения несколькими антибиотиками изониазидом для ингибирования синтеза миколовой кислоты, рифампицином для вмешательства в транскрипцию, этамбутолом для препятствования синтезу арабиногалактана и пиразинамидом для препятствования синтезу кофермента А. [7]
Организм | Распространенные симптомы инфекции | Известные методы лечения | Зарегистрированные случаи (регион, год) |
---|---|---|---|
М. туберкулез | Усталость, потеря веса, лихорадка, кровохарканье, боль в груди. [29] | изониазид INH, рифампицин, пиразинамид, этамбутол. [30] | 1,6 миллиона (в мире, 2021 г.) [31] |
М. лепра М. лепроматоз | Изменение цвета кожи, образование узелков, сухость кожи, выпадение бровей и/или ресниц, онемение, носовые кровотечения, паралич, слепота, невралгия. [32] | дапсон, рифампицин, клофазимин. [32] | 133 802 (В мире, 2021) [33] |
M. avium комплекс | Нежная кожа, образование фурункулов или гнойных пузырьков, лихорадка, озноб, мышечные боли. [34] | кларитромицин, азитромицин, амикацин, цефокситин, имипенем. [35] | 3000 (США, ежегодная оценка ) [36] |
М. абсцессный комплекс | Кашель, кровохарканье, лихорадка, полостные поражения. [37] | кларитромицин, амикацин, цефокситин, имипенем. [37] | Неизвестный |
Кладограмма ключевых видов |
Микобактерии исторически классифицировались с помощью фенотипического тестирования , например, классификации Раньона по анализу скорости роста и продукции желтых/оранжевых каротиноидных пигментов. Группа I содержит фотохромогены (выработка пигмента, вызванная светом), группа II включает скотохромогены (конститутивная выработка пигмента), а нехромогены групп III и IV имеют бледно-желтый/коричневый пигмент, независимо от воздействия света. Виды группы IV являются «быстрорастущими» микобактериями по сравнению с «медленнорастущими» видами группы III, поскольку образцы вырастают в видимые колонии менее чем за семь дней. [6]
Поскольку Международный кодекс номенклатуры прокариот (ICNP) в настоящее время признает 195 видов Mycobacterium , системы классификации и идентификации теперь полагаются на секвенирование ДНК и вычислительную филогенетику . Основными болезнетворными группами являются комплекс M. tuberculosis ( туберкулез ), комплекс M. avium ( инфекция mycobacterium avium-intracellulare ), M. leprae и M. lepromatosis ( проказа ), а также M. abscessus ( хроническая легочная инфекция ). [3]
Микробиолог Энрико Тортоли построил филогенетическое дерево ключевых видов рода на основе более раннего генетического секвенирования Рогалла и др. (1990), а также новые филогенетические деревья, основанные на секвенировании Тортоли 148 видов Mycobacterium в 2017 году : [38]
Гупта и др. предложили разделить Mycobacterium на пять родов, основываясь на анализе 150 видов этого рода. Из-за разногласий по поводу усложнения клинической диагностики и лечения все переименованные виды сохранили свою первоначальную идентичность в роде Mycobacterium как действительный таксономический синоним: [40] [41]
Два наиболее распространенных метода визуализации этих кислотоустойчивых бацилл в ярко-красном цвете на синем фоне — это окраска по Цилю-Нильсену и модифицированная окраска по Киньюну . Окраска по Файту используется для окрашивания клеток M. leprae в розовый цвет на синем фоне. Быстрое модифицированное флуоресцентное окрашивание аурамином O имеет специфическое связывание с медленно растущими микобактериями для желтого окрашивания на темном фоне. Более новые методы включают окрашивание Гомори-метенаминовым серебром и окрашивание пероидовой кислотой Шиффа для окрашивания клеток комплекса Mycobacterium avium (MAC) в черный и розовый цвет соответственно. [5]
В то время как некоторым микобактериям может потребоваться до восьми недель, чтобы вырастить видимые колонии из культивируемого образца, большинство клинически значимых видов вырастут в течение первых четырех недель, что позволяет врачам рассматривать альтернативные причины, если отрицательные показания сохраняются после первого месяца. [42] Питательные среды включают среду Левенштейна–Йенсена и пробирку-индикатор роста микобактерий (MGIT).
Микобактерии могут быть инфицированы микобактериофагами , классом вирусов с высокой специфичностью к своим целям. Захватывая клеточный аппарат микобактерий для производства дополнительных фагов, такие вирусы могут использоваться в фаговой терапии для эукариотических хозяев, поскольку они умрут вместе с микобактериями. Поскольку только некоторые микобактериофаги способны проникать через мембрану M. tuberculosis , вирусная ДНК может быть доставлена через искусственные липосомы , поскольку бактерии поглощают, транскрибируют и транслируют чужеродную ДНК в белки. [43]
Микозиды — это гликолипиды, выделенные из видов Mycobacterium , при этом микозид А обнаружен в фотохромогенных штаммах, микозид В — в бычьих штаммах, а микозид С — в птичьих штаммах. [44] Различные формы микозида С с разной степенью успешности используются в качестве рецептора для инактивации микобактериофагов . [45] Замена гена, кодирующего синтазу микоцерозовой кислоты в M. bovis, предотвращает образование микозидов. [46]