Угрожающая жизни системная инфекция обычно возникает в результате инвазии тканей после распространения микроорганизмов, обычно через кровоток.
Повреждение и закупорка кровеносных сосудов часто связаны с инфекцией крови, примером чего могут служить микотические (инфекционные) аневризмы или субарахноидальные кровоизлияния. Действительно, как бактериальный, так и грибковый менингит связаны с сосудистыми событиями, включая васкулит, аневризмы и инфаркты. Механизмы проникновения в мозг при менингите были подробно изучены in vitro и in vivo. Экспериментальные исследования предполагают три потенциальных механизма: прохождение возбудителя между клетками гематоэнцефалического барьера, трансцитоз и прохождение через гематоэнцефалический барьер внутри иммунных клеток. Однако в данном случае мы предполагаем, что закупорка кровеносных сосудов и геморрагическое распространение могут быть альтернативным основным механизмом.
Cryptococcus neoformans - оппортунистический грибковый патоген, вызывающий опасный для жизни криптококковый менингит у пациентов с ослабленным иммунитетом. C. neoformans является значимым возбудителем у ВИЧ/СПИД-положительных пациентов, а криптококковый менингит в конечном итоге является причиной 15% всех смертей, связанных со СПИДом, во всем мире. Ранее предполагалось, что C. neoformans распространяется из кровотока в мозг различными путями, включая трансцитоз и использование фагоцитов в качестве троянского коня. Однако, в соответствии с нашей гипотезой, небольшое количество клинических исследований позволило предположить, что повреждение и разрыв кровеносных сосудов также может способствовать распространению криптококков. Эти сообщения о случаях указывают на то, что корковые инфаркты являются вторичными по отношению к криптококковому менингиту, и предполагают механизм, при котором возникающее воспаление может вызывать повреждение кровеносных сосудов. Примечательно, что в ретроспективных исследованиях криптококковой инфекции человека сообщалось о случаях сосудистых событий, приводящих к инфарктам в 30% случаев, преимущественно в тяжелых случаях криптококкового менингита.
Существуют две основные проблемы в понимании распространения инфекции. Во-первых, требование серийной живой визуализации целого микроорганизма в течение нескольких часов или дней. Во-вторых, большие различия в патогенезе и вирулентности микроорганизмов, включая, в частности, гифальную инвазию, выработку гемолитических токсинов и тромбоз. Долгосрочный анализ инфекции in vivo невозможен в моделях млекопитающих; напротив, простота визуализации инфекции у живых рыбок зебрафиш позволяет визуализировать динамику инфекции в течение многих дней.
Используя нашу модель криптококкоза у зебрафиш, мы наблюдали, как клетки криптококка оказываются в ловушке и впоследствии пролиферируют в сосудистой системе. Анализ динамики инфекции при смешанном заражении двумя флуоресцентными штаммами C. neoformans показал, что криптококковые массы в мелких кровеносных сосудах были ответственны за подавляющую системную инфекцию. В местах распространения C. neoformans в окружающие ткани наблюдалось локальное разрастание. Мы выявили физическое повреждение эндотелиального слоя в сосудистой системе в местах захвата криптококков и обнаружили, что кровеносные сосуды отвечают на их отложение расширением. Таким образом, наши данные демонстрируют ранее не описанный механизм распространения криптококков из сосудистой сети через захват, пролиферацию, локальное повреждение кровеносных сосудов и через глобальную реакцию вазодилатации.
В данном исследовании мы продемонстрировали, как C. neoformans может вызывать геморрагическое распространение из кровеносных сосудов, предполагая общий механизм формирования инфаркта при инфекционном менингите. В соответствии с посмертными отчетами, показывающими наличие патогенов в мозге, расположенных рядом с капиллярами с присутствием грибковых или бактериальных масс, наши данные демонстрируют, что даже при очень низком уровне фунгемии криптококки могут формировать массы в кровеносных сосудах, что приводит к увеличению напряжения сосудов и кровоизлиянию.
Этот механизм распространения имеет важное значение для понимания прогрессирования инфекции криптококкового менингита человека и связанного с ней формирования инфаркта, ранее описанного в клинических отчетах. Мы продемонстрировали как локальную, так и глобальную реакцию сосудов на вазодилатацию во время инфекции. Локальная вазодилатация сосудов и связанные с ней повреждения вызваны пролиферацией патогена, однако глобальный ответ, вероятно, вызван увеличением периферического сопротивления. Мы продемонстрировали, что пролиферация захваченных грибковых клеток приводит к деформации грибковой популяции. Важно отметить, что в местах скопления криптококков происходит повреждение сосудов, что, вероятно, приводит к выходу криптококков в окружающие ткани. Однако в местах скопления криптококков мы наблюдали распространение через трансцитоз (продемонстрированное в тех случаях, когда структура сосудов оставалась неповрежденной), что позволяет предположить, что событиям трансцитоза также способствует наличие больших масс криптококковых клеток. Это означает, что рост криптококков в кровеносных сосудах способствует распространению инфекции не только через повреждение сосудов.
Повреждение сосудов после грибковой инфекции может не ограничиваться только C. neoformans; клинические отчеты показывают, что инвазия кровеносных сосудов Aspergillus fumigatus может привести к образованию геморрагического инфаркта, а при менингите, вызванном Coccidioides immitis, наблюдались инфаркты в местах тромбоза, потенциально вызванные закупоркой сосудов грибковыми клетками. Кроме того, кровоизлияние наблюдалось после аневризмы, вызванной инфекцией Mucor у пациента с ослабленным иммунитетом и первичным мукормикозом]. Аналогичным образом, микотическая аневризма, васкулит, а также окклюзия кровеносных сосудов наблюдались при заражении зигомикозом, что позволяет предположить, что захват грибковых клеток и повреждение кровеносных сосудов может происходить при заражении различными видами грибов.
Механизм геморрагического распространения, описанный нами для C. neoformans, может быть применим ко многим инфекциям, поскольку известно, что множество патогенов вызывают инфаркты и васкулиты при инфекции человека. Кроме того, инфаркты наблюдаются при менингите, вызванном бактериальными патогенами, например, S. enterica и T. bacillus. Туберкулезный менингит также может вызывать васкулит, приводящий к образованию инфаркта. При бактериальном менингите, вызванном N. meningitidis, уровень бактериемии вызывает различные типы повреждения сосудов. При низком уровне бактериальной нагрузки бактерии способны колонизировать кровеносные сосуды головного мозга и вызывать ограниченное повреждение сосудов, что в конечном итоге приводит к менингиту. Напротив, высокая бактериальная нагрузка связана с усиленной колонизацией сосудов и усиленным повреждением сосудов, что указывает на то, что более высокая закупорка кровеносных сосудов может вызвать усиленное повреждение кровеносных сосудов, возможно, в аналогичной петле положительной обратной связи, как мы предполагаем для криптококкового менингита.
Таким образом, продемонстрированный нами новый механизм распространения криптококков может быть физиологической причиной инфарктов, наблюдаемых при заражении крови. Захват патогенных клеток в узких кровеносных сосудах, исходя из их размера, приводит к локализованной пролиферации. Рост приводит к вазодилатации кровеносных сосудов и их повреждению, что может позволить криптококковым клеткам выйти в окружающее пространство. Кроме того, криптококковая инфекция вызывает глобальный ответ вазодилатации, который связан с увеличением напряжения сосудов и событиями диссеминации. Предложенный нами механизм разрыва кровеносных сосудов при криптококковой инфекции может существовать и для других патогенов, вызывающих повреждение сосудов или кровоизлияния, и меняться в зависимости от индивидуальных особенностей патогена.
