CURRENT CONCEPTIONS CONCERNING THE OBJECTIVE LAWS OF A CHOLERA EPIDEMIC PROCESS: ECOLOGICAL AND MOLECULAR BIOLOGICAL ASPECTS

Full Text

Эпидемический процесс с позиций системного анализа рассматривается как целостная многоуровневая система с определенной ролью биологического, природного и социального факторов на каждом из уровней [1]. В современных условиях на эволюцию эпидпроцесса существенное влияние оказывает глобализация, приводя к ускорению темпов распространения инфекционных заболеваний, снижению резистентности макроорганизма, трансформации биологических свойств возбудителей [2]. Особенностям молекулярно-биологических свойств патогенов, в частности структурной организации их геномов, отводится значимая роль в изучении молекулярных основ эпидпроцесса. При холере - инфекции, склонной к пандемическому распространению, эпидпроцесс в период текущей седьмой пандемии характеризуется многофакторностью с установленной периодичностью в динамике заболеваемости и вовлечением новых территорий [3, 4]. Анализируя проявления холеры в начальный период седьмой пандемии, исследователи пришли к мнению, что основные закономерности ее течения обусловлены как интенсификацией миграционных процессов, так и в большей степени особенностями биологии возбудителя [5, 6]. В частности, было доказано, что возбудитель холеры Эль Тор характеризуется меньшей патогенностью, в сравнении с вибрионом классического биовара, и вызывает значительное количество (до 80%) легких, стертых форм заболевания и вибриононосительства [5, 7]. При этом формирование хронического носительства вибриона Эль Тор происходит исключительно редко и существенная эпидемиологическая роль данной категории лиц не установлена [8]. У кратковременных вибриононосителей выделение возбудителя наблюдается в течение 4-5 дней, что оказывается вполне достаточным для его попадания в объекты окружающей среды и последующего накопления при соответствующих благоприятных условиях [8]. Принимая во внимание высокие адаптационные способности вибриона Эль Тор, возможность длительного сохранения, а в ряде случаев и накопления в окружающей среде (питьевой воде, продуктах питания, морепродуктах, в мелких малопроточных водоемах), акцент при рассмотрении механизмов развития эпидемий перешел к изучению роли природных факторов в персистенции и формировании патогенных клонов возбудителя [5, 9]. При комплексном анализе причин персистенции вибрионов в окружающей среде была установлена взаимосвязь обнаружения V. cholerae с климато-географическими особенностями территории, физико-химическими, санитарно-микробиологическими показателями качества воды, гидрологическими характеристиками водоемов. Так, доказана связь климата, колебаний температуры поверхностного слоя воды водоемов (в частности, явления Эль-Ниньо), солености, изменений водной экосистемы с развитием вспышек холеры на эндемичных территориях [10 - 13]. С учетом особенностей экологии холерного вибриона и анализа географической приуроченности лабораторно подтвержденных случаев выделения V. cholerae из морской воды была разработана модель экологической ниши (ecological niche model) и высказано предложение о том, что глобальное изменение климата может способствовать повышению риска распространения возбудителя холеры за счет роста температуры воды водоемов и увеличения вероятности паводков [14, 15]. Вместе с тем известно, что вибрион Эль Тор в объектах окружающей среды находится в сложных биоценотических взаимоотношениях с представителями водной экосистемы [16 - 18], в том числе и микроорганизмами других таксономических групп. Представители микробного сообщества водных объектов могут участвовать в процессах адаптационной изменчивости V. cholerae и выступать в качестве донора генетического материала, поскольку доказана способность холерного вибриона к генетическим модификациям как за счет горизонтального переноса генов посредством трансдукции [19], так и за счет активации в природной окружающей среде системы захвата ДНК (DNA-uptake) компетентными клетками патогена [20 - 23]. Модификации генома вибриона Эль Тор лежат в основе трансформации его биологических свойств, приводящей к формированию новых клонов патогена. В частности, значимым событием в эволюции этиологического агента седьмой пандемии холеры стало формирование в начале 90-х гг. прошлого столетия и широкое распространение генетически измененных вариантов V. cholerae El Tor, несущих классическую аллель гена субъединицы В холерного токсина и, соответственно, продуцирующих холерный токсин классического типа [24]. Указанные варианты обладают характерным для холерного вибриона классического биовара высоким патогенным потенциалом, сохранив при этом уникальные адаптационные способности, присущие вибриону Эль Тор. В стратегии адаптации холерного вибриона к условиям среды обитания одно из важнейших направлений - формирование сложных сообществ микробных клеток - биопленок [25 - 27], в составе которых наиболее эффективно реализуются механизмы генетической трансформации патогена. Доказана роль биопленки в защите микробных клеток от губительного воздействия факторов окружающей среды и в целом в жизненном цикле V. cholerae [25, 27, 28]. В неблагоприятных условиях среды обитания вибрион способен переходить в некультивируемое (покоящееся) состояние [25, 29, 30], при котором бактерии перестают размножаться и сводят к минимуму уровень метаболической активности, что позволяет избежать возникновения функциональных нарушений и более эффективно использовать доступные питательные вещества при стрессовых условиях существования [31, 32]. При этом доказано, что покоящиеся клетки могут входить в состав биопленочных сообществ холерного вибриона наряду с вегетативными, а благоприятные факторы среды обитания индуцируют их реверсию в метаболически активные формы [25, 27]. Такой способ защиты обеспечивает сохранение вибрионов в межэпидемический период и рассматривается в качестве одного из вариантов поддержания эндемичности в очагах холеры. Содержащиеся же в составе биопленки гиперинфекциозные вегетативные клетки возбудителя холеры играют важную роль в трансмиссии патогена, поскольку такие формы обеспечивают существенное снижение инфицирующей дозы, необходимой для развития заболевания [27, 33]. Недавно описан дополнительный механизм адаптационной изменчивости холерного вибриона - трансформация в так называемый «персистирующий» фенотип («persister») при неблагоприятных условиях существования [34]. Данный фенотип характеризуется изменением морфологии клеток в сторону существенного уменьшения их размеров и формирования агломератов с участием жгутиков, а также повышенной продукцией сигнальных молекул системы «quorum sensing». Измененные таким образом клетки способны реверсировать в типичную морфологическую форму при попадании в благоприятные условия среды, в том числе в среду, содержащую хитин, фосфаты и сложные углеводы. «Персистирующий» фенотип рассматривается как один из вариантов сохранения холерного вибриона в природных резервуарах в межэпидемический период, а восстановление исходной формы под влиянием условий среды может инициировать развитие эпидемических осложнений [34]. Следовательно, в процессе эволюции у вибриона Эль Тор сформировались приспособительные механизмы, обеспечивающие сохранение, накопление возбудителя в определенных экологических нишах, реализацию его патогенного потенциала и способствующие разным срокам существования популяций патогена в различных климато-географических зонах [35]. С учетом этого, механизм развития эпидемических осложнений и поддержания эпидпроцесса различается на эндемичных, эпидемичных и благополучных по холере территориях. Как уже отмечалось выше, на эндемичных территориях принципиальную роль в поддержании персистенции возбудителя, наряду с климатическими и социально-экономическими факторами, играют водные экосистемы. Еще в начале седьмой пандемии поверхностные водоемы были признаны самостоятельной заражающей средой при распространении холеры Эль Тор [8], что впоследствии было доказано многочисленными исследованиями механизмов развития эпидемий холеры. Ведущая роль поверхностных водоемов в качестве основного резервуара возбудителя доказана при анализе эпидемических проявлений холеры в Африке, поскольку установлено, что эндемичные зоны на континенте сформировались на побережье Атлантического океана, Индийского океана и вдоль Великих озер внутри материка [3, 10, 36]. При изучении сезонности эпидемий холеры на эндемичных территориях было показано, что началу эпидемических осложнений предшествует накопление токсигенных вариантов холерного вибриона в водной среде до определенной концентрации [12, 37]. В конце эпидемии в водоемах обнаруживается высокая концентрация специфического бактериофага [37, 38], что приводит к снижению количества холерных вибрионов в водоисточниках, объясняя тем самым самоограничивающую природу сезонных эпидемий. Таким образом, данные научных исследований свидетельствуют о том, что длительное сохранение холерного вибриона в эндемичных очагах в большей степени связано с возможностью его существования в водной окружающей среде. Однако развитие современных молекулярных технологий и математического моделирования привело к необходимости вернуться к рассмотрению модели распространения инфекции, которая учитывает роль как природных резервуаров, так и прямой передачи возбудителя от человека человеку [9]. Анализ наиболее вероятных путей распространения возбудителя холеры и выяснение «пускового механизма» вспышек на эндемичных территориях показал, что перед началом вспышки в гетерогенной популяции холерного вибриона в водных резервуарах концентрация токсигенного клона составляет 101-102 КОЕ/мл, тогда как инфицирующая доза V. cholerae для здоровых волонтеров существенно выше [9, 12, 39]. В таких условиях возможность перехода V. cholerae из водной экосистемы в популяцию человека может быть реализована лишь при наличии индивидуумов с ослабленными защитными функциями организма. Однако если переход все же происходит, пассаж вибриона через организм человека, переносящего чаще всего бессимптомную инфекцию, приводит к селективному размножению эпидемических вариантов и формированию гиперинфекциозного состояния патогена [9, 12, 39, 40, ]. В таком состоянии существенно повышается вероятность «быстрой» передачи возбудителя от человека человеку посредством реализации фекально-орального механизма, а так же увеличивается риск контаминации вибрионом объектов окружающей среды высокими концентрациями возбудителя [9, 39]. Так, при исследованиях в Лиме на пике эпидемии холеры в участках водоемов, интенсивно контаминированных сточными водами, обнаруживалось до 105 КОЕ/мл токсигенных V. cholerae [9]. Однако в окружающей среде в процессе адаптации к изменившимся условиям существования может происходить снижение инфекциозности холерного вибриона [38, 41]. С учетом полученных данных исследователями сделан вывод о том, что важным направлением распространения V. cholerae в период эпидемии (особенно на начальных ее этапах) является «быстрый» путь, дающий преимущество для передачи от человека человеку «короткоживущему» инфекциозному состоянию возбудителя без подключения «медленной» передачи через водные резервуары [9, 39]. Мнения о том, что в поддержании эпидпроцесса в эндемичных по холере странах играют роль оба направления распространения возбудителя придерживается и S. Mandal с соавт. [42]. В качестве основного пути передачи в начальном периоде вспышки авторы рассматривают распространение возбудителя из водного резервуара в окружающей среде, тогда как второй путь - передача от человека человеку - имеет значение в дальнейшем распространении эпидемии. На этом этапе возможно задействование цепи «человек-вода-человек» за счет загрязнения водных резервуаров сточными водами, контаминированными испражнениями больных людей [42]. R. Piarroux и B. Faucher [43] полагают, что роль водной окружающей среды как перманентного резервуара сохранения возбудителя и источника распространения эпидемического варианта возбудителя остается дискутабельной. Анализируя проявления холеры на о. Гаити и в Центральной Африке, авторы приходят к выводу, что эпидемиологическая связь между клиническими случаями холеры и эстуариевой окружающей средой достаточно слабая за пределами исторического эндемичного очага в Бенгальском заливе и в настоящее время эпидемиология холеры сталкивается с новой парадигмой, когда основное значение в распространении возбудителя приобретает человеческий фактор. Дальнейшее обобщение результатов научных исследований позволило авторам сделать заключение о том, что в настоящее время нет достаточных доказательств накопления токсигенных вариантов холерного вибриона в водной окружающей среде перед началом эпидемии, а присутствие их в водных источниках может быть обусловлено наличием больных холерой или вибриононосителей в популяции [44]. В качестве подтверждения своей гипотезы авторы приводят результаты эволюционного анализа различных штаммов V. cholerae периода седьмой пандемии, на основании которого показано, что текущая пандемия является монофилетической, а все варианты возбудителя - производные одного предкового клона с волнообразным распространением из одного источника генетически измененных субклонов возбудителя. Популяция же холерного вибриона в водных резервуарах гетерогенна и чаще всего не содержит необходимого для реализации инфекционного процесса набора генетических детерминант [44]. В пользу этой гипотезы можно отнести и данные мультилокусного анализа числа вариабельных тандемных повторов в геноме изолированных в Бангладеш штаммов V. cholerae. O.C. Stine с соавт. [45] исследовали структуру пяти VNTR локусов 68 водных и 56 клинических штаммов холерного вибриона в различных районах Бангладеш. В результате установлено существенное расхождение аллельных профилей в анализируемых группах: только один из 16 VNTR-генотипов обнаружен одновременно у клинических и природных изолятов V. cholerae. Кроме того, вариабельные генотипы установлены и для штаммов, изолированных на различных территориях, что идет в противовес концепции развития сезонных эпидемий холеры посредством продвижения одной клональной волны по стране [45]. Вместе с тем, минимальное совпадение VNTR-профилей клинических штаммов и токсигенных изолятов V. cholerae, циркулирующих в природных резервуарах, по мнению авторов, ставит под сомнение рассмотрение водных объектов в качестве источника распространения возбудителя в период эпидемии. Выяснение механизмов развития осложнений по холере на эпидемичных территориях, где регистрируются спорадические вспышки, выявило существенные особенности эпидпроцесса [46]. В частности, на эпидемичных территориях оказывается значительно выше показатель летальности в период вспышек: более 3 % в эпидемичных регионах (Зимбабве 4,3 %, Ангола 4,0 %, Нигерия 3,8 %, Судан 3,3 %, Гаити в начальный период эпидемии 6,4 %) в сравнении с 1 % и ниже на эндемичных, что не может объясняться качеством оказания медицинской помощи. Авторы на основании многолетнего анализа и сопоставления гидроклиматических условий с развитием вспышек в эпидемичных регионах Азии (территории Северной Индии в бассейне реки Инд) и Латинской Америки (Гаити в начальный период эпидемии) выдвинули гипотезу о том, что пусковым механизмом осложнений по холере на эпидемичных территориях является комплекс природно-климатических, гидрологических, социальных и биологических факторов. Начало эпидемии связано с высокими температурами воздуха, снижением уровня воды в реках (повышением их солености), где создаются оптимальные условия для размножения холерного вибриона. Последующие проливные дожди с затоплением и разрушением санитарной инфраструктуры приводят к активизации механизма передачи и, как следствие, развитию вспышки [46]. Кроме того, подчеркивается возможная роль местной популяции V. choleraе non О1/О139 самостоятельно, либо совместно с V. choleraе О1 в развитии эпидосложнений, поскольку при филогенетическом анализе геномной структуры все клинические штаммы V. choleraе non О1/О139 группировались в два близкородственных кластера внутри монофилетической клады, что согласуется с понятием «эпидемического генотипа». В таких условиях популяция вибрионов non О1/О139 может рассматриваться как резервуар геномных островов и островов патогенности [47]. Что касается благополучных по холере территорий (неэндемичных/неэпидемичных), то развитие эпидосложнений на них связано с завозом токсигенных вариантов V. choleraе установленными или невыявленными больными и вибриононосителями, а формирование местных очагов происходит чаще всего в результате размножения возбудителя в объектах окружающей среды до такой инфицирующей дозы, которая обеспечивает возможность заражения человека при водопользовании [48, 49]. Доказано, что накопление патогенного клона происходит в определенных благоприятных для жизнедеятельности холерного вибриона участках мелких малопроточных водоемов со значительным загрязнением неочищенными хозяйственно-бытовыми сточными водами, ливневыми стоками [48, 50]. Анализ ситуации в Российской Федерации, территория которой относится к категории благополучных по холере, свидетельствует о том, что зарегистрированные на современном этапе пандемии вспышки инфекции связаны с завозом высокопатогенных генетически измененных вариантов вибриона Эль Тор [51 - 53] и реализацией преимущественно водного пути передачи возбудителя за счет накопления его в объектах окружающей среды. Так, при эпидемиологическом расследовании вспышек холеры на Дальнем Востоке в 1999 г. (г. Владивосток - 23 больных, 5 вибриононосителей; г. Южно-Сахалинск - 11 больных, 11 вибриононосителей) в большинстве случаев установлена связь заболевания с употреблением воды из контаминированных холерным вибрионом водоисточников, а также купанием в них или рыбной ловлей [48, 54, 55]. Учитывая широкое вовлечение в эпидпроцесс социально-дизадаптированных групп населения, в ходе вспышки присоединился контактно-бытовой путь инфицирования как результат несоблюдения санитарно-гигиенических норм проживания. При молекулярном типировании выделенных в период указанных эпидосложнений штаммов V. cholerae установлена их клональность с формированием субклональных вариантов, а генотипы токсигенных изолятов из объектов окружающей среды были идентичны выделенным из клинического материала. В качестве основной версии причин развития вспышек на Дальнем Востоке в 1999 г. рассматривался завоз возбудителя из Китая, где по официальным данным ВОЗ в этот период были зарегистрированы серьезные эпидемические осложнения по холере [56]. Подтверждением этой версии с одной стороны служат установленные накануне вспышек (за 3 нед) факты завоза холеры на территорию Приморского края и в г. Южно-Сахалинск, с другой - данные филогенетического анализа геномов вспышечных изолятов V. cholerae, демонстрирующие их генетическое родство со штаммами из Китая. Водный путь передачи в качестве основного имел место в период вспышки холеры в г. Казань в 2001 г., когда было зарегистрировано 52 больных и 18 вибриононосителей [57]. Инфицирование большинство заболевших связывали с купанием в водоеме, загрязненном сточными водами. Наряду с этим, в период вспышки установлено подключение контактно-бытового пути с формированием семейных очагов заболевания [57]. По данным VNTR-типирования все изолированные штаммы холерного вибриона независимо от объекта выделения были отнесены к одному субклональному варианту с незначительной вариабельностью по двум анализируемым локусам - VcA и VcB [58]. В отличие от описанных выше эпидосложнений, в период крупной растянутой во времени и пространстве эпидемии холеры в Республике Дагестан в 1994 г., связанной с завозом инфекции совершавшими хадж паломниками, доминирующими путями передачи были контактно-бытовой и пищевой, а удельный вес водного пути составил лишь 3,2 % [59]. Проведенный Г.Г. Онищенко с соавт. [60] ретроспективный молекулярно-генетический анализ выявил гетерогенность популяции V. cholerae в период эпидемии, что позволило авторам сделать вывод о существовании независимых завозов инфекции в Дагестан на разных этапах распространения заболевания. Что касается вопроса сохранения возбудителя в межэпидемический период при временном укоренении холеры на благополучных по холере территориях (имевшее место при эпидосложнениях на юге РФ в 1970-е гг.), то, по мнению исследователей, оно может быть ассоциировано с водными резервуарами, что подтверждено изоляцией из них вирулентных вибрионов Эль Тор при отсутствии эпидемических осложнений [6, 8, 50] или циркуляцией возбудителя среди людей, переносящих стертые формы холеры или бессимптомное вибриононосительство [8]. Зарегистрированные в современный период вспышки холеры в РФ ограничиваются одним эпидсезоном и в последующем токсигенные штаммы не удается изолировать ни от людей, ни из объектов окружающей среды. По всей вероятности, это обусловлено комплексом факторов, в том числе и особенностями экологии токсигенных вибрионов Эль Тор, поскольку исследователи пришли к выводу о невозможности их длительного сохранения в водных экосистемах и формирования эндемичных очагов в зонах умеренных широт [61], достаточно быстром переходе эпидемически опасных штаммов в некультивируемое состояние при стрессовых условиях среды и коротком сроке возможной реверсии в вегетативные формы. Таким образом, возможности современных молекулярных подходов к эпидемиологическому анализу приводят к переосмысливанию основных пусковых механизмов и закономерностей развития эпидемических осложнений по холере, характерных для различных типов территорий. Водным экосистемам на эндемичных территориях отводится значимая роль как в фазе резервации возбудителя, так и в предэпидемический период накопления его до критической концентрации, когда становится возможным переход патогена в популяцию человека. Молекулярно-генетическая гетерогенность популяции возбудителя в объектах окружающей среды в этом случае служит основой для последующей селекции клона пандемической линии в организме восприимчивого хозяина. Вместе с тем, фаза эпидемического распространения на территориях данного типа наиболее эффективно реализовывается при подключении «быстрого» пути распространения возбудителя от человека человеку, особенно на начальных этапах эпидемии. Ведущая роль в развитии эпидосложнений на эпидемичных и благополучных по холере территориях отводится завозу сформированного в эндемичных очагах высокоинфекциозного клона V. cholerae с последующим накоплением его в объектах окружающей среды при благоприятных климатических, гидрологических и экологических условиях. Интенсивность эпидпроцесса при этом определяется действием как природно-климатических, так и социальных факторов, которые являются лимитирующими на благополучных территориях и могут способствовать масштабным эпидосложнениям, а также закреплению инфекции в эпидемичных регионах.

About the authors

Liliya Valer’evna Mironova

Irkutsk Antiplague Research Institute of Siberia and the Far East of Rospotrebnadzor

Email: mironova-lv@yandex.ru
chief of the laboratory of cholera, Irkutsk Antiplague Research Institute of Siberia and the Far East, Irkutsk, Trilisser St., 78 Irkutsk

References

Supplementary files