L-формы бактерий и чем они опасны. Часть 1.

Роль L-форм бактерий в патологии некоторых особо опасных инфекций с внутриклеточной локализацией возбудителя (чума, бруцеллез, мелиоидоз, туляремия)

Введение

Успехи последних десятилетий в области микробиологии показали, что наши прежние представления о возбудителях заболеваний, формах их существования в природе, их этиологической, патогенетической и эпидемиологической роли были неполными, односторонними и не отражали всей сущности явлений, имеющих место в эпидемических (эпизоотических) и инфекционных процессах. В связи с этим в настоящее время ведется активное и широкое исследование этиологии, патогенеза, иммунологии, микробиологической диагностики, эпидемиологии, терапии и профилактики заболеваний, связанных с необычными инфекционными агентами. Своеобразным проявлением изменчивости микробов является феномен L-трансформации, морфологически проявляющийся в формировании так называемых L-форм. Интерес к L-вариантам возбудителей связан с их ролью в патологии, эпидемиологии, иммунологии многих инфекционных заболеваний, в том числе и особо опасных.

Несмотря на значительные успехи в борьбе с бактериальными особо опасными инфекциями, эпизоотическая и эпидемиологическая обстановка в мире остается напряженной. По данным ВОЗ, за последние годы в мире зарегистрировано более 70 непредвиденных крупных вспышек инфекционных заболеваний, относящихся к категориям «новых» (emerging), то есть вызываемых ранее неизвестными патогенами, и «возвращающихся» (re-emerging), заболеваемость которыми резко возросла в течение двух последних десятилетий. Из них более половины приходится на опасные и особо опасные антропозоонозы: чуму, сибирскую язву, туляремию, риккетсиозы, лептоспирозы и др. Многие возбудители перечисленных инфекций относятся к так называемым критическим биологическим агентам категории «А» (Yersinia pestis, Francisella tularensis, Bacillus anthracis) и «В» (Brucella spp., Coxiella burnetti, Burkholderia mallei), которые рассматриваются как потенциальные агенты биотерроризма, и, соответственно, биологической безопасности [1].

В обзоре систематизированы и обобщены в свете теории саморегуляции паразитарных систем литературные данные о роли L-форм бактерий в патологии чумы, бруцеллеза, мелиоидоза. Выдвинута гипотеза о L-вариантах туляремийного микроба как возможном механизме формирования бессимптомной (инаппарантной) туляремийной инфекции.

1. Изменчивость клинического течения инфекционных заболеваний

Под изменчивостью инфекционных заболеваний, согласно Е.С.Гуревичу [2], следует понимать множественность клинических, эпидемиологических и патогенетических проявлений болезни, выражающихся в полиморфизме клинической картины и особенностей ее течения.

Важное место в учении об изменчивости инфекционных заболеваний занимает положение о «необособившихся» формах инфекции, известных ныне в клинической номенклатуре под наименованием стертых, субклинических, рудиментарных и инаппарантных форм [2-4].

В плане причинности и многообразия форм изменчивости инфекционных заболеваний, базирующихся на диалектическом взаимодействии экзогенного (патогенный микроб) и эндогенного (реактивность хозяина) причинных факторов, важно отметить феномен вариабельности возбудителя инфекции от типичного состояния через разновидности (штамм, раса, варьететт и др.) до атипичности [5].

Наиболее полное понимание причин изменчивости клинического течения инфекционных болезней, в частности, этиологической и эпидемиологической роли дефектных по клеточной стенке и способных размножаться бактерий (L-форм), на современном этапе развития науки становится возможным благодаря подходу к данному феномену с позиций эволюционного учения, рассматривающего инфекционный и эпидемический процессы и паразитизм вообще как явления, находящиеся в постоянном развитии [6,7], с позиций теории саморегуляции эпидемического процесса академика В.Д.Белякова [8-10].

2. Носительство – универсальное явление в инфекционной патологии

Инфекционная болезнь – результат взаимодействия генотипически и фенотипически неоднородных и динамически изменяющихся популяций паразита и хозяина [8-10], протекающего в пространстве и времени. В единичных особях вида хозяина болезнь проявляется в виде инфекционного процесса, во всей популяции хозяина – в виде эпизоотического или эпидемического процессов [11].

В эволюционном отношении инфекционный процесс представляет собой исторически детерминированную форму паразитизма [2,12], являющегося частным случаем биотических межпопуляционных отношений [7,10,13]. Компонентами паразитарной системы в горизонтальном срезе являются популяции паразита и хозяина, в вертикальном – микропопуляция паразита и организм хозяина на индивидуальном (организменном) уровне.

Паразитарные системы – это саморегулирующиеся экологические системы, в которых отношения между партнерами находятся в состоянии подвижного равновесия. Процесс саморегуляции паразитарных систем определяется генотипической и фенотипической гетерогенностью популяций паразита и хозяина, динамической изменчивостью популяций паразита и хозяина при их взаимодействии, а также факторами окружающей среды [8-10].

Гетерогенность популяции многих паразитов выражается в разной вирулентной и антигенной структуре, потребностях в определенном температурном режиме, питательных веществах и по другим параметрам. Это определяет возможность быстрой адаптации паразитов к изменившимся условиям среды обитания.

Большое значение для саморегуляции паразитарной системы имеет гетерогенность популяции хозяина по его чувствительности к возбудителю. В случае эпизоотий и эпидемий погибают особи с наиболее высокой чувствительностью к данному паразиту, в то время как сохранившиеся зараженные особи с низкой чувствительностью способны достаточно долго обеспечивать существование паразитарной системы. Степень антагонизма между паразитом и хозяином в разных паразитарных системах может сильно различаться и зависит от пути передачи возбудителя.

Следовательно, согласно теории саморегуляции эпидемического процесса, патогенность микроорганизмов отражает их длительные коэволюционные взаимоотношения с хозяевами, в процессе которых переход микробов к паразитизму обусловлен отбором, происходившим под влиянием организма хозяина.

В соответствии с этим теория саморегуляции паразитарных систем, выдвинутая академиком АМН СССР В.Д.Беляковым [9], постулирует синхронизированность изменений паразита и хозяина как основу фазности развития паразитарных систем. Смена развития паразитарных систем обусловлена самоперестройкой популяции паразита при взаимодействии с популяцией хозяина, то есть взаимодействием неоднородных и динамически изменяющихся популяций паразита и хозяина. «Количественной мерой, определяющей переход эпидемического процесса из одной фазы к другой, является степень гетерогенности взаимодействующих популяций» [9,10]. Различают 4 фазы: резервацию, эпидемическое преобразование, эпидемическое распространение и резервационное преобразование. Каждая из фаз характеризуется определенным состоянием системы паразит-хозяин и может быть рассмотрена с позиций обоих компонентов системы.

Одной из целевых функций внутренней организации всех надорганизменных живых систем, в том числе и популяции паразитов, является не максимальное, а оптимальное самовоспроизведение, представляющее собой не некую среднюю величину, а величину, адекватно меняющуюся по ряду параметров [9,10].

Различные внутренние и внешние факторы ведут к постоянным изменениям качественной и количественной характеристики паразитов. Однако популяция паразита продолжает существовать на основе динамических эволюционно сложившихся взаимоотношений с популяцией хозяина [9-10].

В процессе эволюции наибольшие шансы для выживания, а, следовательно, и сохранения вида, имеют микроорганизмы, которые не приводят к гибели своих естественных хозяев и не причиняют им существенного вреда. Высоковирулентные возбудители, способные вызвать уничтожение всей популяции хозяев, тем самым создают предпосылки для исчезновения собственного вида [14-16]. В связи с этим в природе существует ряд механизмов сохранения патогенных микробов как видов, в частности, феномен персистенции.

Персистенция – это важнейший биологический механизм, обеспечивающий сохранение микроорганизмов в организме отдельных хозяев в межэпидемический (межэпизоотический) период (фаза резервации), когда иммунологический фон неблагоприятен для их распространения [17-19]. Сохранение возбудителя в персистентном состоянии обеспечивается тонкими механизмами саморегуляции паразитарных систем, среди которых ведущее место принадлежит изменчивости. Концепция стимулированной направленной самоперестройки популяции микроорганизмов, базирующаяся на генотипической и фенотипической гетерогенности популяций возбудителя и хозяина, варьирующими признаками, имеющими наибольшее значение для развития паразитарных систем, определяет вирулентность и антигенность. Смена состава популяций микроорганизмов по указанным признакам проявляется в генерации высоковирулентных штаммов возбудителя посредством биологической перестройки под действием условий среды. «Движущей силой изменчивости вирулентности популяций является то, что в организме восприимчивых лиц накапливаются из гетерогенной популяции возбудителя высоковирулентные штаммы, а в организме иммунных – маловирулентные» [10]. В иммунном организме микроб, подвергаясь действию иммунологического пресса, вынужден адаптироваться к новым условиям существования. Процесс адаптации реализуется посредством молекулярно-генетических механизмов изменчивости популяций патогенных микроорганизмов. Своеобразной формой изменчивости возбудителей в таких условиях выступает процесс L-трансформации [5].

Обладая значительной функциональной мобильностью и пластичностью, микроорганизмы способны в короткий срок приспосабливаться к изменяющимся условиям внешней среды. Разнообразные физические, химические и биологические воздействия на бактериальные клетки вызывают различные по своей биологической природе ответные реакции. Одни из них проявляются в виде возникновения инволюционных, дегенирирующих форм. Другие могут рассматриваться как приспособительные реакции, обеспечивающие сохранение микроорганизмов в изменившихся условиях существования (формирование гетероморфных форм, образование сферо- и протопластов, L-форм бактерий ). Пребывание бактерий в виде этих форм рассматривается как явление, связующее отдельные этапы в единый процесс L-трансформации: фаз сбалансированного и несбалансированного роста, L-фазу. К фазе сбалансированного роста относятся исходные бактериальные клетки в морфологически типичной форме (гомеоморфный рост); к фазе несбалансированного роста – сферо- и протопласты и незавершенные L-формы (гетероморфный рост). L-фаза характеризуется наличием нестабильных, стабильных и условно стабильных L-форм бактерий.

Отличительной чертой форм несбалансированного роста как начального и легко обратимого этапа L-трансформации является изменение размера и формы клеток, что не влияет на структуру колоний и способ репродукции.

В отличие от них, сферо- и протопласты, L-формы образуются лишь при действии факторов, блокирующих синтез клеточной стенки. Количественные и качественные нарушения синтеза клеточной стенки находят свое отражение в морфологии, структурной организации и физиологии бактерий. Так, сферопласты представляют собой клетки, частично лишенные клеточной стенки, имеющие шаровидную форму, чувствительные к осмотическому шоку и способные в соответствующих условиях реверсировать в бактериальную форму. Более глубокая деградация клеточной стенки приводит к образованию протопластов – бактериальных форм, полностью лишенных клеточной стенки. По своей субмикроскопической структуре сферо- и протопласты мало чем отличаются друг от друга. Характерной особенностью названных форм несбалансированного роста является их способность к реверсии и потенциальная способность к размножению (отсутствие способности к длительному пассированию на питательных средах).

Особое место среди микроорганизмов с дефектом клеточной стенки занимают L-формы бактерий [5]. Они отличаются от вышеназванных групп тем, что обладают устойчивостью к трансформирующим агентам, способностью выживать и давать жизнеспособное потомство в изменившихся условиях существования. К специфическим признакам, отличающим L-формы от других форм с дефектом клеточной стенки, можно отнести морфологию колоний, характер роста на питательных средах, способность к стабилизации и реверсии, своеобразие антигенных и биохимических свойств, особенности ультраструктуры клеток и способ их репродукции [5].

Изменчивость микробной популяции по пути L-трансформации, как и другие формы изменчивости, должна «обеспечивать, во-первых, способность в условиях дифференциальной гибели быстро уходить из-под влияния иммунитета хозяина и формировать резервационный штамм при сохранении достаточной численности и гетерогенности; во-вторых, образовывать в условиях дифференцированного выживания эпидемический штамм для завязывания инфекционного процесса при встрече с чувствительным организмом» [10].

Реализация указанных функций L-формами бактерий будет рассмотрена ниже на примере ряда особо опасных инфекций с внутриклеточной локализацией возбудителя в свете положений теории саморегуляции паразитарных систем.

Фаза резервации, сущность которой составляет персистенция измененного возбудителя в целях самосохранения, механизмы существования микроба в эту фазу, таким образом, закономерно универсальны для всех паразитарных систем, не исключая, однако, своеобразия их проявления в каждой из систем. Так, для большинства непатогенных паразитов персистентное состояние является естественным, а болезнь представляется как эпизод. И, наоборот, для паразитов с выраженной патогенностью персистенция – эпизодическое явление. Основным фактором, определяющим эти явления, выступает генотипическая и фенотипическая гетерогенность взаимодействующих видов живых существ: паразита и хозяина [8].

Помимо этой распространенной точки зрения, в научной литературе в последнее время появились сообщения о преадаптивном происхождении возбудителей природноочаговых зоонозов [20]. Суть этой точки зрения сводится к тому, что для возбудителей природноочаговых инфекций организм человека – это новая и необычная среда обитания. Ее освоение возможно при наличии у микроорганизмов особенностей, позволяющих им размножаться в этой среде. Такие особенности возникают преадаптивно в прежней среде обитания как случайный, побочный результат эволюционных изменений. Наличие определенных преадаптивных свойств микроорганизмов делает возможным начало становления в дальнейшем их коадаптивных взаимоотношений с членистоногими и позвоночными.