Clostridioides (ранее Clostridium) difficile - это анаэробная, спорообразующая бактерия, широко распространенная в почве, воде, животных и кишечнике здоровых людей.
Симптомы инфекции C. difficile (CDI) варьируют от относительно легкой диареи до тяжелого, угрожающего жизни псевдомембранозного колита, токсического мегаколона и последующего сепсиса. В последние два десятилетия во всем мире отмечается рост числа нозокомиальных и внутрибольничных инфекций. CDI обычно, но не обязательно, связана с предыдущим приемом антибиотиков. Дополнительными факторами риска являются возраст, лечение рака и иммуносупрессия. Однако CDI также поражает людей без этих классических факторов риска.
По данным Центра по контролю и профилактике заболеваний США (CDC), C. difficile ежегодно вызывает почти полмиллиона инфекций в США, две трети инфекций связаны с медицинским обслуживанием. Примерно каждый шестой пациент страдает от рецидивирующих инфекций. В течение месяца после постановки диагноза 9% пациентов старше 65 лет умерли от ассоциированной с медицинским обслуживанием CDI в США в 2015 году. По данным Европейского центра по профилактике и контролю заболеваний (ECDC), в 2015 году в США бремя инфекций CDI, связанных с оказанием медицинской помощи, в больницах неотложной помощи оценивалось в 300 000 случаев.
Методы
Сложности генетических модификаций, процедур обработки и культивирования C. difficile требуют индивидуальных методов анализа C. difficile по сравнению с другими бактериями. Maikova et al. обобщили последние достижения в понимании системы CRISPR-Cas в C. difficile и обсудили возможные варианты ее применения. Trautwein et al. разработали новую стратегию метаболической маркировки с использованием 15N-меченых сред для количественной протеомики C. difficile. Помимо существующих методов риботипирования, Emele et al. разработали подход к протеотипированию для быстрой идентификации изолятов риботипа 027.
Влияние и функциональность токсинов
C. difficile содержит различные секретируемые и поверхностные белки, ответственные за колонизацию толстой кишки и последующие воспалительные реакции. Наиболее важными и хорошо охарактеризованными являются три основных клостридиальных токсина: токсин А и токсин В, а у некоторых штаммов бактерий - бинарный токсин CDT.
В экспорте токсинов в C. difficile участвует система холинов, производимая фагами. Mehner-Breitfeld et al. сообщают о различных изоформах TcdE, присутствующих в C. difficile, и их влиянии на рост и лизис клеток. После экспорта токсины оказывают широкий спектр воздействия на систему клеток хозяина. Сравнение Ras-глюкозилирующей активности двух токсинов из C. difficile с летальным токсином Clostridium sordellii, проведенное Genth et al., показало, что летальный токсин и токсин А гликозилируют Ras, а токсин В - нет. Токсин B, а не токсин A, в первую очередь отвечает за воспалительные реакции.
В других статьях рассматривается роль и функциональность токсина B. Junemann et al. сосредоточились на количественном фосфопротеоме эпителиальных клеток в ответ на воздействие токсина B. Их данные показывают реакцию более чем 1200 фосфосайтов, преимущественно реакцию MAPK-зависимых сигнальных путей. Роль Cys-2232 токсина B была оценена Chung et al.; его замена косвенно уменьшила связывание с двумя идентифицированными рецепторами токсина B, а именно FZD2 и RVRL3. В другом сообщении о рецепторах токсина, Schöttelndreier et al. сообщают, что предполагаемые рецепторы клеточной поверхности для токсина B, включая ZD2/7, CSPG4 и PVRL3, на самом деле не интернализуются после связывания токсина и, таким образом, являются просто связывающими белками. Токсин В представляет собой интересную мишень для разработки лекарственных препаратов. Fühner et al. сообщают о разработке нейтрализующих и ненейтрализующих антител, нацеленных на различные эпитопы токсина B.
В подходе Petersen et al. катализируемое токсинами глюкозилирование ГТФазы приводило к последующей остановке клеточного цикла, что, с другой стороны, было причиной снижения восстановительной способности эпителия толстой кишки и задержки обновления эпителия.
Роль токсина А и токсина В в лечении инфекции C. difficile выясняется в исследовании Papatheodorou et al., чтобы понять, насколько важен холестерин для процесса транслокации токсинов в цитоплазму.
Еще две публикации посвящены роли бинарного токсина CDT. В исследовании Marquardt et al. было установлено, что активация системы врожденного иммунитета (клеток MAIT), вызванная бинарным токсином, частично зависит от MR1 и позволяет гипервирулентному C. difficile преодолевать клеточные барьеры.
Протеомный анализ клеточного воздействия бинарного токсина на клетки человека, проведенный Stieglitz et al., показал лишь умеренные изменения на общем уровне протеома, но сильные изменения на уровне фосфорилирования. CSNK2A1 может действовать как эффекторная киназа в ответ на CDT.
В обзоре Nibbering et al. обобщены и сопоставлены современные знания об иммунном ответе хозяина на токсины и нетоксины. Авторы подчеркивают, что будущие исследования должны быть направлены на изучение иммунного ответа на нетоксиновые белки и нетоксигенные штаммы в качестве отправной точки для неантибиотических терапевтических подходов.
Эпидемиология и эволюция
Инфекции, вызванные C. difficile, были зарегистрированы во многих странах мира. Однако, по-видимому, существуют различия в распределении кладов и токсинотипов, которые также отражают различные клинические исходы. У людей колонизация нетоксигенными штаммами C. difficile ассоциируется с более низким риском развития CDI. Dayananda и Wilcox рассмотрели влияние совместного инфицирования или колонизации на инфекцию штаммов C. difficile, чтобы определить потенциальные механизмы, которые можно использовать для профилактики инфекции C. difficile.
Hernández et al. изучили фекальную микробиоту, ассоциированную с инфекцией C. difficile и Akkermansia для прогнозирования наличия инфекции C. difficile и подчеркивают, что при лечении необходимо учитывать коинфекцию с другими патогенными агентами. В трех последующих публикациях основное внимание уделяется глобальному воздействию C. difficile.
Li и др. сообщают о вспышке заболевания в отделении интенсивной терапии одной из больниц Китая и подчеркивают важность рутинного тестирования в клинических условиях.
Сравнительное исследование Seugendo et al. показывает различную распространенность в местах в Гане, Индонезии и Германии, отражая различные рибо- и токсинотипы и резистентность, вероятно, отражающие различное использование антибиотиков.
В исследовании с нетоксигенными изолятами от пациентов в Мексике Camorlinga et al. подчеркивают гетерогенные, но все же отличительные фенотипические характеристики, которые отличают их от токсигенных штаммов.
Физиология и реакция хозяина
В организме хозяина C. difficile подвергается воздействию иммунного ответа хозяина и многочисленных стрессовых факторов. С ростом знаний о самом патогене в центре внимания оказываются многофакторные системы в организме человека. Биопленки рассматриваются как форма персистенции C. difficile в организме человека.
Brauer et al. использовали подход протеомики для понимания формирования биопленки и роли белков на поверхности клетки и лежащей в основе регуляторной сети. Подвижность как одна из ключевых закономерностей формирования биопленки рассматривается в двух последующих публикациях.
Zhu et al. изучили регуляцию синтеза флагеллина, показав, что регулятор накопления углерода A модулирует экспрессию флагеллина наряду с косвенным влиянием фактора сборки флагеллина FliW.
Schwanbeck et al. изучали плавательное поведение в зависимости от параметров окружающей среды, в частности, рассматривая также вязкоупругие свойства среды.
Три другие статьи посвящены различным аспектам микробиома хозяина и его влиянию на C. difficile. В обзоре последних достижений Vasilescu et al. рассматривают профили микробиоты у новорожденных и взрослых, колонизированных или инфицированных C. difficile, и дают представление о роли защитных видов микроорганизмов.
Влияние желчных кислот на C. difficile было изучено Metzendorf et al. и показало воздействие на жгутики, токсины и, в частности, на состав мембран.
Исследование Aguilar-Zamora et al. с изолятами от пациентов в Мексике показало высокую долю штаммов с множественной лекарственной резистентностью и важность полногеномного секвенирования.
Fortier обобщил современные знания о бактериофагах C. difficile и дополнительно обсудил роль фагов в терапевтической эффективности трансплантации фекальной микробиоты и ее терапевтические перспективы.
В исследовании Bernal et al. впервые была показана связь между метаболизмом C. difficile и врожденным Т-клеточно-опосредованным иммунитетом у человека, причем гипервирулентные штаммы наиболее компетентны в провоцировании активации мукозально-ассоциированных инвариантных Т-клеток (MAIT).
В работе Horvat и Rupnik была создана модель совместного культивирования in vitro и описано влияние различных образцов фекальной микробиоты на рост и споруляцию C. difficile, а также на саму микробиоту.
Подходящие животные модели широко обсуждаются в научном сообществе. Принятыми модельными системами являются модели хомяков и мышей, обе из которых имеют определенные ограничения и недостатки. Тем не менее, мышиные модельные системы предоставляют ценную информацию о роли бактериальных белков и пробиотиков in vivo.
Сочетая мышиную модельную систему с ферментативными анализами, Ünal et al. выявили роль пептидил-пролил-цис-/транс-изомеразы PrsA2 как модулятора вирулентности, влияющего на такие важные процессы, как споруляция, прорастание и устойчивость к желчным кислотам.
Quigley et al. идентифицировали Lactobacillus grasseri APC 678 в системе кокультуры, а также в мышиной модели как потенциальный пробиотик для борьбы с CDI путем увеличения бактериального разнообразия.
В исследовании Xu et al. было показано, что Pediococcus pentosaceus оказывает защитное действие, что приводит к снижению регуляции воспалительного ответа.
В рамках целевого подхода Peng et al. показали, что слитый белок лизина бактериофага с человеческим дефенсином эффективно смягчает симптомы CDI и снижает уровень спор и токсинов в мышиной модели.
Метаболизм
Уникальный метаболизм C. difficile использует несколько путей ферментации, соединенных с образованием ионного градиента на мембране для выработки АТФ. Основные пути используют аминокислоты с разветвленной цепью, цистеин, пролин и другие аминокислоты с образованием соответствующих органических кислот. Параллельно центральный углеродный метаболизм включает разносторонний катаболизм сахаров и неполный цикл трикарбоновых кислот для предотвращения ненужного образования NADH.
В своей работе Neumann-Schaal et al. обобщили центральные особенности метаболизма с акцентом на метаболические принципы получения энергии.
Изменения метаболизма во время наступления стационарной фазы были в центре внимания публикации Hofmann et al., демонстрирующей сложную и высокоспецифичную адаптацию к доступности субстратов.
Используя мультиомический подход, Berges et al. представили подробную картину лимитирования и регуляции железа у C. difficile.
Важная роль желчных кислот на прорастание и споруляцию широко обсуждается, а Sievers et al. обращают наше внимание на стрессовый ответ C. difficile при воздействии желчных кислот.
В исследовании изолятов риботипа 027 Steglich et al. сообщили о потере ABC-транспортера и влиянии на метаболизм.
Выводы и перспективы
Данный обзор с почти 30 материалами по функции токсинов, эпидемиологии, физиологии, регуляции генов и метаболизму дает широкое новое представление о молекулярных стратегиях смертельного бактериального патогена. Поскольку соответствующие разрушительные инфекции все еще очень актуальны, особенно для нашего все более и более пожилого общества, эти многочисленные новые знания об определенных молекулярных аспектах инфекционного процесса могут послужить ядром для дальнейших терапевтических стратегий.
Исследования C. difficile последних лет дают фактически более глубокое понимание процесса патогенеза, но также увеличивают сложность. Сложность еще более возрастает из-за разнообразия штаммов. Простая история о двух злодеях - токсинах А и В - осталась в прошлом. Исследования этого обзора способствуют развитию идеи о том, что секретируемые белки/токсины и белки адгезии в дополнение к токсинам являются модуляторами ответа хозяина. По-видимому, CDT скорее влияет на иммунную систему, чем действует как цитотоксин. Персистенция C. difficile уже не ограничивается только споруляцией, но и способствует образованию биопленки. Микробиом кишечника взаимодействует не только с размножением и споруляцией C. difficile, но и со слизистой оболочкой толстой кишки и иммунной системой кишечника. Все эти взаимозависимости определяют среду кишечника как защитную или благоприятную для воспаления и клинического исхода.
Таким образом, понимание влияния атоксиногенных, то есть бессимптомных штаммов C. difficile на слизистую оболочку толстой кишки и иммунную систему является основой для разработки методов неантибиотического лечения CDI.
Будущие исследования могут включать целостные подходы системной биологии для динамической интеграции знаний о различных детально проработанных стратегиях адаптации. Биоинформационное моделирование и прогнозирование инфекционного процесса C. difficile может стать прочной основой для разработки новых стратегий вмешательства.
