Новые сведения о ботулизме, ботулинических нейротоксинах и клостридиях, продуцирующих ботулинический токсин (аннотация)Новые сведения о ботулизме, ботулинических нейротоксинах и клостридиях, продуцирующих ботулинический токсин
Ботулизм - это опасное для жизни заболевание, поражающее человека, а также многих теплокровных животных и рыб.
Ботулизм вызывается ботулиническими нейротоксинами (БНТ), вырабатываемыми анаэробными, спорообразующими бактериями, принадлежащими к роду Clostridium. Хотя заболевание у людей встречается редко, каждый случай ботулизма представляет собой чрезвычайную ситуацию в области общественного здравоохранения. Быстрый клинический диагноз и лабораторное подтверждение необходимы для правильного ведения пациентов и активизации надлежащих мер, направленных на предотвращение новых случаев заболевания. С другой стороны, ботулизм чаще встречается у животных и может приводить к высокой смертности, вызывая экологические и экономические проблемы.
Ботулизм как у людей, так и у животных классифицируется на различные формы в зависимости от пути воздействия БНТ. Ботулизм пищевого происхождения и ятрогенный ботулизм основаны на проглатывании/введении токсина, в то время как ботулизм новорожденных и раневой ботулизм являются токсикоинфекциями, возникающими после роста и экспрессии бактерий внутри организма.
Во всем мире наиболее распространенной формой является ботулизм пищевого происхождения, обусловленный употреблением продуктов питания, контаминированных предварительно сформированными токсинами. Продукты домашнего приготовления в основном являются причиной спорадических случаев, а небольшие вспышки происходят в основном на уровне знакомых. Коммерчески производимые продукты питания могут вызывать крупные вспышки, затрагивающие несколько регионов или стран. Поскольку ботулизм может привести к дыхательной недостаточности, требующей госпитализации в отделения интенсивной терапии в течение недель или месяцев, эти вспышки представляют собой проблему для местных и региональных систем здравоохранения.
Как подчеркивают Lúquez et al. в своей публикации о вспышках ботулизма пищевого происхождения, произошедших в США с 2001 по 2017 год, современные больницы могут принять в отделения интенсивной терапии лишь ограниченное число пациентов. Таким образом, местная вспышка ботулизма пищевого происхождения может легко перегрузить больничную систему обеспокоенными бессимптомными или малосимптомными людьми, что приведет к задержке оказания вентиляционной помощи и введения ботулинического антитоксина тем, кто больше всего в этом нуждается. Местные системы здравоохранения должны учитывать это при внедрении и пересмотре своих планов готовности к чрезвычайным ситуациям. Для оптимального управления случаем/вспышкой ботулизма очень важно, чтобы ранняя клиническая диагностика и быстрая активация системы эпидемиологического надзора были направлены на выявление зараженного пищевого продукта и предотвращение новых случаев.
Клиническая диагностика может быть затруднена из-за редкости ботулизма и потому, что в начале заболевания симптомы и клинические признаки могут быть неспецифическими. Сложность возрастает, если пациент является потребителем наркотиков, пострадавшим от раневого ботулизма, поскольку некоторые неврологические признаки могут быть приняты за последствия приема наркотиков. В случаях раневого ботулизма осведомленность врача и своевременная диагностика имеют решающее значение для принятия соответствующих мер лечения, таких как введение ботулинического антитоксина и обеззараживание раны.
В своей статье Middaugh et al. подтвердили, что ранняя клиническая диагностика и быстрое введение антитоксина предотвращают остановку дыхания и сокращают пребывание в стационаре. Кроме того, они подчеркнули важность наблюдения за раневым ботулизмом среди близких контактов с лицами, употребляющими инъекционные наркотики, а также важность предупреждений о болезни для повышения осведомленности клиницистов о раневом ботулизме. Молекулярный надзор за микробными изолятами может помочь определить источник контаминации инъекционных препаратов. Поскольку Clostridium botulinum является микроорганизмом окружающей среды, споры могут контаминировать препарат на различных этапах производства и переработки, например, в местах выращивания сырья, при резке и разведении. Также нельзя исключать контаминацию на месте использования.
Чтобы проследить источник контаминации препарата, потребленного потребителем инъекционных наркотиков, пострадавшим от раневого ботулизма, Halpin et al. изучили филогенетическое родство C. botulinum, выделенных на Гавайях из ран и случаев ботулизма новорожденных. Штаммы C. botulinum, выделенные от больных ботулизмом новорожденных, были выбраны потому, что они считались репрезентативными для среды, в которой произошли случаи заболевания. В качестве основного результата Halpin et al. обнаружили высокую гомологию между изолятами, что подтверждает гипотезу о том, что организм, связанный с раневым ботулизмом, в данном случае контаминирует наркотические атрибуты или саму рану локально, а не на месте производства или во время транспортировки.
Молекулярная субтипизация выделенных штаммов имеет решающее значение для атрибуции источника. В этом отношении было разработано несколько молекулярно-биологических методов. Анализ множественных локусов с переменным числом тандемных повторов (MLVA) был успешно применен Souillard et al. в ходе расследования вспышки ботулизма крупного рогатого скота. Souillard et al. определили птичник как источник заражения при массовой вспышке ботулизма крупного рогатого скота на смешанной молочно-бройлерной ферме во Франции. Это было достигнуто путем мониторинга содержания бройлеров, вентиляционной системы птичника и контаминации оборудования из инкубатория, используемого для доставки цыплят. Как метод субтипирования второго поколения, MLVA менее дискриминационен, чем полногеномное секвенирование (WGS); однако, как метод, основанный на ПЦР, он может быть выполнен с использованием лишь небольшого количества образца ДНК. Если используется видоспецифичная схема (как это сделали Souillard et al.), MLVA позволяет избежать этапа выделения и очистки штаммов, который занимает много времени и особенно сложен для микроорганизмов, вызывающих ботулизм животных.
Для геномной характеристики штаммов, выделенных из кластера случаев детского ботулизма типа А, Gladney et al. использовали анализ однонуклеотидных полиморфизмов (SNP) WGS. Используя высококачественный SNP-анализ Lyve-SET, они смогли дифференцировать штаммы, выделенные в их кластере, от других C. botulinum типа A(B), продемонстрировав высокий уровень разрешения этого метода.
Другой молекулярный подход, принятый для субтипирования бактерий, использует анализ Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPRs). CRISPR и CRISPR-ассоциированные белки (Cas) представляют собой прокариотическую адаптивную иммунную и регуляторную систему, которая препятствует вторжению фагов и плазмид и может быть использована для получения прямого представления о событиях горизонтального переноса генов.
Анализ CRISPR-Cas систем был проведен Le Gradiet et al. при тестировании 58 геновидов Clostridium novyi sensu lato (ответственных за ботулизм животных), а Wentz et al. профилировали эндогенные CRISPR-Cas системы из 241 генома C. botulinum группы I (протеолитические штаммы) и Clostridium sporogenes. Le Gradiet et al. провели свои исследования по изучению CRISPR-Cas систем в штаммах Clostridium novyi sensu lato, чтобы оценить их присутствие, определить их характеристики и изучить происхождение протоспейсеров, чтобы получить представление о мобильных генетических элементах (МГЭ), взаимодействующих с этим таксоном. Они обнаружили, что CRISPR-Cas системы многочисленны в штаммах Clostridium novyi sensu lato и могут присутствовать в бактериальной хромосоме или МГЭ. Компоненты, несущие CRISPR-Cas системы, по-видимому, были рекрутированы в качестве анти-МГЭ систем и для меж-МГЭ конфликтов для защиты в основном от ограниченного числа МГЭ.
В своих исследованиях Wentz et al. обнаружили, что кластер генов bont не является непосредственной мишенью для эндогенных CRISPR-Cas систем у C. botulinum и C. sporogenes группы I.
Smith et al. провели обширное исследование эволюции кластеров генов bont, переносимых C. botulinum группы I. Они обнаружили, что штаммы, выделенные в северном полушарии, переносят кластеры генов bont, содержащие гены ha, в то время как штаммы, выделенные в южном полушарии, переносят кластеры генов bont, содержащие гены orfX. Кроме того, они обнаружили, что перемещение кластеров генов bont в ненейротоксигенные клостридии является односторонним процессом, который происходит через внедрение в экстрахромосомные плазмиды с последующей хромосомной интеграцией.
Среди CRISPR-Cas систем, CRISPR-Cas9 широко используется как универсальный инструмент для редактирования генов. В этой связи Mertaoja et al. опубликовали элегантную работу, в которой привели пример технологии использования технологии CRISPR-Cas9 для создания мутантов, подходящих для изучения механизма споруляции в штаммах C. botulinum группы II (непротеолитических). Более того, они продемонстрировали потенциал технологии в функциональных исследованиях, в которых хромосомный ген заменяется в двухэтапном процессе на дериватизированную копию.
В целом, статьи, включенные в данный обзор, дают представление о текущей исследовательской деятельности в области ботулизма и иллюстрируют растущее использование геномных методов в эпидемиологических расследованиях, а также в фундаментальных исследованиях. SNP-анализ последовательностей целых геномов был использован для изучения родства изолятов ботулизма ран на Гавайях и изолятов ботулизма новорожденных в Колорадо, а MLVA-исследования были использованы для отслеживания источника заражения во вспышке с участием крупного рогатого скота. Геномный анализ ряда клостридиальных штаммов, имеющих кластеры генов orfX+ bont, позволил понять эволюционное происхождение и распространение этих штаммов. Осознание важности систем CRISPR-Cas для манипулирования мобильными генетическими элементами внутри бактерий вдохновило появление статей, исследующих связи между этими системами и мобильными генетическими элементами, включая использование этих систем для лучшего понимания факторов, способствующих образованию спор у клостридий, продуцирующих ботулинический нейротоксин.
Эти статьи освещают основные проблемы и предлагают решения для улучшения управления и контроля заболевания, подчеркивая силу новейших методов как подходящих инструментов для усиления мер профилактики ботулизма и рассмотрения будущих тенденций в исследованиях ботулизма.
