Some aspects of development of typhoid fever and persistent brucellosis infection

Marina N. Bojchenko; Бойченко Марина Николаевна; Elena O. Kravtsova; Кравцова Елена Олеговна; Elena V. Budanova; Буданова Елена Вячеславовна; Olga F. Belaia; Белая Ольга Федоровна; Natalya V. Maloletneva; Малолетнева Наталья Викторовна; Karina T. Umbetova; Умбетова Карина Туракбаевна

doi:10.17816/EID35180

Некоторые аспекты развития персистирующей инфекции при брюшном тифе и бруцеллезе

Авторы: Бойченко М.Н.¹, Кравцова Е.О.¹, Буданова Е.В.¹, Белая О.Ф.¹, Малолетнева Н.В.¹, Умбетова К.Т.¹
Учреждения:
1. Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова (Сеченовский Университет)
Выпуск: Том 25, № 1 (2020)
Страницы: 35-40
Раздел: ОБЗОРНЫЕ СТАТЬИ
Статья получена: 14.07.2020
Статья одобрена: 14.07.2020
Статья опубликована: 15.02.2020
URL: https://rjeid.com/1560-9529/article/view/35180
DOI: https://doi.org/10.17816/EID35180
ID: 35180

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Бактерии – вакуолярные внутриклеточные паразиты, в частности, бактерии родов Salmonella и Brucella, – способны вызывать персистирующую, пожизненно текущую хроническую инфекцию, при которой происходит репликация возбудителя внутри организма хозяина, несмотря на формирование у последнего иммунного ответа. Эти бактериальные внутриклеточные паразиты обладают стратегией «убегания» от иммунного ответа, что играет ключевую роль в развитии хронической инфекции. Реализация этой стратегии направлена на ингибирование действия факторов врожденного иммунитета. У бруцелл этот процесс опосредуется неканоническим строением липополисахарида (ЛПС), в результате чего не происходит узнавания патогена клетками врожденного иммунитета, а также функционированием Т4СС, эффекторные белки которой блокируют развитие воспалительной реакции. У Salmonella typhi в результате экспрессии генов островка патогенности сальмонелл 7 (ОПС7) происходит синтез Vi-антигена, который ингибирует узнавание патогена клетками врожденного иммунитета, а также синтез тифоидного генотоксина, вызывающего гибель иммунных клеток. При развитии хронической инфекции, вызванной обоими возбудителями, в организме хозяина начинает преобладать популяция альтернативно активированных макрофагов. Эти микробы способны регулировать метаболизм макрофагов под свои потребности в процессе персистирования в них. Обзор источников информации по данной проблеме позволяет заключить, что как возбудитель брюшного тифа S. typhi, так и возбудители бруцеллеза используют одинаковые стратегии для развития хронического инфекционного процесса, но реализация этих стратегий осуществляется специфически.

Ключевые слова

хроническая инфекция, Brucella spp, ЛПС, Т4СС, S. typhi, ОПС7

Полный текст

Бактерии – вакуолярные внутриклеточные паразиты, в частности бактерии родов Salmonella и Brucella, – способны вызывать персистирующую, пожизненно текущую инфекцию [1]. Персистирующая инфекция может протекать как в хронической форме, при которой организм может все-таки освободиться от возбудителя, так и в латентной, которая будет протекать в течение всей жизни [2].

При хронически текущей инфекции происходит репликация возбудителя внутри организма-хозяина, несмотря на формирование у последнего иммунного ответа [1, 2]. Одним из свойств бактериальных внутриклеточных паразитов является их умение «убегать» от иммунного ответа. Первой линией защиты хозяина на внедрившийся микроб, как известно, является врожденный иммунитет. В организме хозяина развиты механизмы распознавания присутствующего в нем патогена системой врожденного иммунитета, которая способна узнавать ассоциированные с патогеном молекулярные шаблоны (паттерны, от англ. «pattern»). К таким рецепторам, узнающим микробные шаблоны (паттерны), относятся Toll-подобные рецепторы TLR (Toll-like receptor, TLR), которые присутствуют на клеточной мембране. Взаимодействие TLR с бактериальным паттерном через систему сигнальной трансдукции активирует транскрипционный фактор Nf-Kb и, как следствие, приводит к развитию воспалительного процесса [2]. ЛПС, липопротеины, флагеллы являются бактериальными паттернами, которые способны взаимодействовать с определенными TLR, индуцируя развитие воспаления. Бактерии, вызывающие хроническую персистирующую инфекцию, обладают способностью избегать от узнавания их паттерн TLR. Рассмотрим течение этого процесса у бактерий родов Salmonella и Brucella.

Заболевание у человека и теплокровных животных, как известно, вызывают различные серовары, входящие в вид Salmonella enterica. Они подразделяются на 2 группы: нетифоидные сальмонеллы (НТС) вызывают заболевания, протекающие чаще всего в форме гастроэнтерита; тифоидные сальмонеллы (ТС) способны вызывать системную инфекцию, которая может протекать в хронической форме [3]. Наиболее хорошо этот процесс изучен у серовара S. typhi − возбудителя брюшного тифа [4]. Как ТС, так и НТС после проникновения в организм человека per os первоначально инвазируют интестинальный эпителий. Сальмонеллы проходят через интестинальный барьер несколькими путями: через эпителиальные клетки, через М-клетки, которые помогают осуществлять транспорт сальмонелл трансцитозом в субэпителиальное пространство, к подлежащим лимфоидным образованиям, таким как Пейеровы бляшки, и через непосредственный их захват дендритными клетками. Проникновение сальмонелл в непрофессиональные фагоциты осуществляется при помощи третьего типа секреторной системы (Т3СС-1). После интернализации в различные клетки хозяина наступает внутриклеточная фаза патогенеза сальмонеллезной инфекции, в процессе которой сальмонеллы сохраняются внутри клетки в содержащей сальмонеллы вакуоле (ССВ). Способность сальмонелл сохраняться и реплицироваться внутри макрофага, избегая слияния с НАДФ Н⁺-оксидазным комплексом, является существенным для развития системной инфекции. Этот процесс связан с функционированием Т3СС-2. В результате секреции эффекторных белков Т3СС-2 из ССВ в цитоплазму клетки-хозяина сальмонеллы, используя эти белки, направляют биогенез ССВ таким образом, чтобы вакуоль отделилась от эндосомальной системы клетки, избегая тем самым слияния фагосомы с лизосомой. Детально эти процессы разобраны в работах [4, 5].

Дальнейшее поведение сальмонелл группы НТС и ТС различается. Тифоидные серовары S. enterica после прохождения эпителиального кишечного барьера достигают подлежащей лимфоидной ткани и размножаются внутри мононуклеарных фагоцитов. Инфекция быстро становится системной, с распространением микроба от мезентериальных лимфатических узлов к лимфоидным образованиям печени, легких, костного мозга, селезенки. Из печени возбудитель попадает по желчным протокам в желчный пузырь, вызывая вторичное инфицирование тонкого кишечника через секрецию желчи [6].

По сравнению с сероварами НТС, тифоидные серовары сальмонелл не вызывают выраженного интестинального воспаления, сопровождающегося инфильтрацией нейтрофилов в просвет кишечника [4], в процессе возникновения которого принимают участие эффекторные молекулы Т3СС [4, 5]. Инфекция в этом случае приобретает системный характер и, как отмечено выше, может перейти в хроническую форму в форме (носительство).

Причина этого различия лучше изучена у возбудителя брюшного тифа и заключается в особенности строения генома S. typhi. Синтез факторов патогенности у сальмонелл связан с экспрессией генов-островков патогенности сальмонелл (ОПС). У сероваров S. enterica описано наличие нескольких островков патогенности. Среди них имеются общие как для сероваров тифоидной группы сальмонелл, так и для сероваров нетифоидной группы сальмонелл [7], в частности 5 островков патогенности (с 1 по 5). S. enterica серовара S. typhi, обладает четырьмя ОПС: 7, 15, 17, 18 [7, 8]. Процесс «ускользания» от иммунного ответа у S. typhi связан с экспрессией генов, расположенных на островке патогенности 7.

На ОПС7 расположен viaB локус, кодирующий синтез полисахаридного Vi-антигена. Vi-антиген закрывает ЛПС, делая его неузнаваемым для TLR4. У сальмонелл липид А ЛПС является агонистом TLR4, а белок флагеллин – TLR5 [2]. Известно, что viaB локус содержит также ген tviA, который ответственен за осмолярно зависимые фенотипические изменения. Продукт этого гена TviA положительно регулирует синтез Vi-антигена, и негативно – синтезы флагеллина и Т3СС-1. В условиях высокого осмотического давления при нахождении S. typhi в просвете тонкого кишечника происходит ингибиция осмочувствительного гена tviA, которая позволяет микробу быть подвижным и инвазивным. Когда S. typhi попадает в lamina propria, где наблюдается низкое осмотическое давление, начинается быстрая экспрессия tviA, происходит синтез Vi-антигена, падает синтез флагеллина и Т3СС. Микроб «убегает» от узнавания иммунной системой человека, при этом воспаление не развивается, и инфекция приобретает системный характер [1].

Другую причину хронизации процесса, вызванного S. typhi, связывают в последнее время с действием тифозного генотоксина (ТТ) [9, 10], синтез которого регулируется генами, также расположенными на ОПС7 [11, 12]. Опыты, проведенные на гуманизированных мышах, показали, что главная роль ТТ заключается в развитии персистирующей инфекции [13, 14]. Введенный мышам внутривенно ТТ преимущественно обнаруживался в двух органах – селезенке и мозге. Эффект ТТ был дозозависимым. Введенный в низких концентрациях ТТ связывался с моноцитами, лимфоцитами, макрофагами, помогая S. typhi устанавливать персистирующую инфекцию. В высоких концентрациях ТТ вызывал смерть иммунных клеток [13, 14].

Вышеизложенные данные позволяют констатировать, что развитие характерной для брюшного тифа системной инфекции, которая может переходить в хроническую персистирующую, связано с убеганием возбудителя от иммунного ответа или его подавления. «Убегание» S. typhi от иммунного ответа и его возможное подавление связано с экспрессией генов специфического для S. typhi островка патогенности 7. Экспрессия гена tviA этого ОПС7 помогает микробу избежать узнавания иммунной системой. Особый интерес представляет продукт другого гена ОПС7 – тифоидный генотоксин, молекулярный механизм действия которого в развитии патогенеза хронического носительства S. typhi изучен еще недостаточно изучен.

Макрофаги и дендритные клетки являются основными клетками, в которых размножаются бруцеллы. Бруцеллы не обладают и не используют Т3СС в процессе проникновения в организм. Интернализация бруцеллы в клетку происходит по zipper-подобному механизму. После проникновения в фагоцитарную и нефагоцитарную клетки бруцеллы оказываются внутри мембранного образования, называемого бруцеллосодержащей вакуолью (БСВ). БСВ начинает продвигаться по эндосомальному пути, приобретая ранние и поздние эндосомальные мембранные маркеры, внутри нее происходит понижение рН до 4,5. Под влиянием низкого рН начинается активация VirB оперона, синтезирующего Т4СС, через которую в клетку хозяина сквозь мембрану БСВ поставляются эффекторные молекулы для модуляции клеточных функций и биогенеза БСВ. Процесс биогенеза БСВ подробно описан [15, 16].

Уже на ранних этапах инфекционного патогенеза бруцеллы модулируют механизм иммунного ответа, используя различные стратегии «убегания» от него для установления хронической инфекции [17]. Липид А у бруцелл по сравнению с другими грамотрицательными бактериями обладает неканонической структурой. Он содержит элонгированные молекулы жирных кислот (С₂₈) в отличие от (С₁₂–С₁₆) у других грамотрицательных бактерий, вследствие этого снижаются как токсичность эндотоксина, так и врожденный иммунный ответ, потому что такой ЛПС служит слабым агонистом для TLR4 [18]. Бруцеллы обладают и другой стратегией супрессирования врожденного иммунитета, действуя на этапе развития сигнальной трансдукции [2]. Эффекторные белки Т4СС не только участвуют в регуляции биогенеза БСВ.

В ингибиции врожденного иммунитета принимают участие эффекторные молекулы Т4СС: BtpA у B. abortus и TcpB у B. melitensis. Эти эффекторные молекулы обладают TIR (toll-interleukin receptor) доменом, который является функциональным блокатором TIR домена адапторного белка MyD88 [2], вызывая ингибирование сигнального каскада узнавания клетки хозяина и приводя к нарушению TLR-опосредованной продукции провоспалительных факторов [19, 20]. По мнению ряда авторов [2, 19–21], эти эффекторные молекулы, контролирующие TLR-сигнальный путь, вовлечены в процесс созревания дендритных клеток и, как следствие, оказывают эффект на активность Т-лимфоцитов и презентацию антигена.

Дендритные клетки играют решающую роль в инициации и контроле развития адаптивного иммунного ответа [2, 17]. После внедрения бруцелл в дендритные клетки происходит подавление их созревания и уменьшение продукции провоспалительных цитокинов ИЛ-12 и ФНО [21]. В результате подавления созревания дендритных клеток уменьшается экспрессия молекул второго типа главного комплекса гистосовместимости и костимулирующих молекул, необходимых для представления антигенной детерминанты Т-лимфоцитам. Это способствует «убеганию» микроба и от адаптивного иммунного ответа, что приводит к развитию хронической инфекции [17].

«Убегание» от иммунного ответа является не единственным механизмом формирования патогеном хронической инфекции. Как уже отмечалось выше, патогенез бруцеллеза и брюшного тифа связан с размножением возбудителя в макрофагах. В опытах моделирования как хронической формы бруцеллеза [22], так и брюшного тифа [23] на мышах было показано, что популяции макрофагов, инфицированных патогенами, отличались в периоды острой и хронической инфекций.

В течение острой инфекции наблюдалось значительное увеличение классически активированных макрофагов (КАМ), что согласовывалось с повышенным уровнем гамма-интерферона. При развитии хронической инфекции преобладали альтернативно активированные макрофаги (ААМ). Также было показано, что культура клеток ААМ ТНР, полученная из моноцитов крови человека, поддерживала высокий уровень репликации S. typhi. Популяции КАМ и ААМ различаются в способах получения энергии. КАМ получают энергию в процессе анаэробного гликолиза, сопровождающегося расходом глюкозы в клетке [24]. ААМ получают энергию в процессе окисления жирных кислот бета-оксидативным путем, в результате в клетке накапливается глюкоза, которая является источником углерода и энергии, которые необходимы для репликации бактерий. Мутанты B. abortus, S. typhi, дефектные по утилизации глюкозы, оказались неспособными персистировать в ААМ [10, 25]. Присутствие обоих типов микробов в ААМ связано с активацией рецептора Peroxisomeproliferator-activated receptor), который связывают с поляризацией фенотипа макрофага [26]. Это предполагает, что, попадая в макрофаг, возбудитель начинает регулировать Ppar, подгоняя метаболизм макрофага под свои потребности [1].

Заключение

Обзор источников информации по данной проблеме позволяет заключить, что как возбудитель брюшного тифа S. typhi, так и возбудители бруцеллеза используют одинаковые стратегии для развития хронического инфекционного процесса. Реализация этих стратегий осуществляется специфически: у бруцелл – через генетически обусловленное строение липополисахарида и функциониование Т4СС; у возбудителя брюшного тифа – в результате экспрессии генов островка патогенности 7. Также эти микробы способны регулировать метаболизм макрофагов под свои потребности в процессе персистирования в них.

Дополнительная информация

Финансирование. Поисково-аналитическая работа проведена на личные средства авторского коллектива.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Участие авторов. Все авторы внесли существенный вклад в проведение поисково-аналитической работы и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию до публикации.

Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.

Funding. The publication had no sponsorship.

Authors contribution. All authors made a significant contribution to the search and analysis work and preparation of the article, read and approved the final version before publication.