Current notions about etiopathogenic and genetics specific features of Сlostridium perfringens toxins

Full Text

Введение

Clostridium perfringens (СP), ранее известный как Bacillus aerogenes capsulatus, Bacillus perfringens, Bacillus welchii или Clostridium welchii, является грамположительной, спорообразующей, анаэробной палочковидной бактерией [1]. Впервые СP был выделен и идентифицирован как новый микроорганизм в 1891 г. Уильямом Уэлчем по результатам исследования проб секционного материала после вскрытия 38-летнего мужчины, погибшего от болезни, как было позже установлено, клинически схожей с «газовой гангреной». Использование технологии молекулярного секвенирования для идентификации штамма CP, выделенного из проб мумифицированного желудка человека, жившего еще в V в. до н.э., свидетельствовало об его этиологической значимости [1]. Первое сообщение о связи заболеваний, ассоциированных с СP и пищевыми продуктами, появилось в начале ХХ в. Более убедительные доказательства этиологической роли СP в развитии заболеваний пищевого происхождения появились в 1940-х гг. в Англии и США. Классические исследования, проведенные Хоббсом и его коллегами в 1950-х гг., подтвердили этиологическую роль CP в развитии пищевого отравления [2]. К 1969 г.была окончательно доказана этиологическая роль энтеротоксина CP в развитии пищевого отравления [3][4]. Позже было установлено, что штаммы CP, продуцирующие токсины, встречаются повсеместно в окружающей среде: в почве, продуктах питания, сточных водах и кишечнике условно здоровых людей, птиц и животных. Они относятся к числу микроорганизмов, наиболее распространенных в мире, а также к числу актуальных патогенов человека, птиц и животных, являясь причиной развития гистотоксических инфекций, включая газовую гангрену (клостридиальный мионекроз) и заболевания, возникающие в кишечнике (пищевая токсикоинфекция, диарея, ассоциированная с антибиотиками, спорадическая диарея, энтерит, некротический энтерит и энтеротоксемия) [1][10]. Открыты новые факторы патогенности, расширены представления об эпидемиологии, биологии CP, токсинах и других факторах патогенности и их клинической значимости. Создана соответствующая техника культивирования токсинпродуцирующих штаммов СР, сформулированы современные представления об их этиопатогенетических и генетических особенностях [4].

В обзоре представлены этиопатогенетические и геномные особенности актуального патогена — CP, опубликованные за последние годы, в том числе современные характеристики факторов патогенности CP — токсинов, ферментов и др., а также их роль в развитии заболеваний. Особое внимание уделено обсуждению современного понимания особенностей биологии, генетики и механизмов действия токсинов СР и актуальных проблем, связанных с энтеротоксином CP [1][3][4].

Характеристика токсинов С. рerfringens

CP относится к анаэробам рода Clostridium. Это грамположительные, крупные (0,8–1,5 × 4–8 мкм), полиморфные, неподвижные палочки, способные к токсино- и спорообразованию. Вирулентность CP в значительной степени опосредуется большим арсеналом факторов патогенности: токсинами, ферментами и другими факторами (таблица). CP использует более 20 белковых токсинов в развитии гистотоксических, неврологических, кишечных и энтеротоксемий у людей, животных и птиц [1][8]. В соответствии с современной классификацией штаммы CP делятся на типы и токсины в зависимости от их способности продуцировать токсины: альфа- (CPA), бета- (CPB), эпсилон- (ETX), йота-(ITX), энтеротоксин (CPE) и некротические токсины, подобные типу В (NetB и NetF) [1][8].

 

Классификация основных токсинов CP

Classification of the main Clostridium perfringens toxins

Тип Type	Токсины / Toxins
	α (CPA)	β (CPB)	ε (ETX)	ι (ITX)	CPE	NetB
A	+	—	—	—	—	—
В	+	+	+	—	—	—
С	+	+	—	—	+/—	—
D	+	—	+	—	+/—	—
Е	+	—	—	+	+/—	—
F	+	—	—	—	+	-
I	+	—	—	—	—	+

 

Хромосомно-кодированные токсины CP типа А (CPA) и перфринголизин O (PFO) — возбудители гистотоксической инфекции людей и животных, ведущие патогенетические факторы в развитии газовой гангрены. Структурные гены, кодирующие эти токсины, — cpa (или plc) и pfoA — расположены на хромосоме. Продукция обоих токсинов регулируется системой Agr-подобного кворум-сенсинга, а также двухкомпонентной регуляторной системой VirS/VirR [11][12][13].

CPA — это металлофосфолипаза C цинка, обладающая фосфолипазной C и сфингомиелиназной активностью [11][12][14][15]. CPA отщепляет фосфорилхолиновые головные группы от внешней поверхности бислойных фосфолипидных клеток хозяина, нарушая функцию мембран клеток хозяина, что приводит к лизису клеток и некрозу тканей. Анализ структуры CPA показывает, что он имеет два биологически активных домена: N-концевой α-спиральный домен, который включает один активный сайт фермента, и C-концевой β-сэндвич-домен, осуществляющий токсическое действие на мембрану клеток хозяина [14][15], структурное сходство которого с С2-липидсвязывающими доменами эукариотических белков — синаптотагмином и панкреатической липазой — определяет его токсические и иммунопротективные действия [11][12][14][15]. Вместе с тем прямое разрушение мембраны клетки хозяина не является единственным механизмом, посредством которого CPA вызывает лизис клеток. Установлено, что CPA активирует путь внеклеточной сигнально-регулируемой киназы и тем самым индуцирует окислительный стресс в поражённых клетках и выработку интерлейкина-8, стимулируя действие киназы и митоген-активируемой протеинкиназы [15].

PFO может продуцироваться всеми типами CP, однако ген pfoA отсутствует у многих, если не у всех штаммов пищевого отравления СРА, несущих ген хромосомного энтеротоксина, и у штаммов CP типа С, ассоциированных с Darmbrand [13]. PFO является членом семейства порообразующих токсинов холестеринзависимого цитолизина, который также включает в себя листериолизин О и стрептолизин О. Холестеринзависимый цитолизин продуцируется в виде растворимых мономеров, которые олигомеризуются на поверхности клетки-мишени с образованием порового комплекса, который затем претерпевает конформационные изменения и вставляется в мембрану, образуя большие поры [13].

Бета-токсин CР (CPB) — порообразующий токсин, имеет сходство с аминокислотной последовательностью порообразующих токсинов Staphylococcus aureus у 20–28% штаммов [16]. Этот токсин исключительно чувствителен к трипсину [17]. In vivo CPB вызывает некротический энтерит у овец, крупного рогатого скота и лошадей [18, 19]. Длительное воздействие бета-токсина на слизистую кишечника у этих животных приводит к абсорбции токсина в кровяное русло и развитию летальной энтеротоксемии.

Бета2-токсин CP (CPB2), несмотря на свое название, имеет в 15% случаев идентичную аминокислотную последовательность с CPB. CPB2 вызывает некротический энтерит у цыплят, энтерит у свиней, энтероколит у лошадей. Интерес представляют опубликованные результаты экспериментов на морских свинках, свидетельствующие о проявлении цитотоксичности только при высоких уровнях токсина (20 мкг/мл), при которых CPB2 вызывает геморрагический некроз в кишечнике морской свинки. Эта низкая активность CPB2 может отражать его нестабильность, возможно, из-за чувствительности к протеазам [20].

Эпсилон-токсин CP (ETX) считается наиболее мощным клостридиальным порообразующим токсином после ботулинического и столбнячного токсинов [21][22] и является причиной развития некротического энтерита и энтеротоксемии у овец, крупного рогатого скота и лошадей [23–25]. Токсин секретируется в виде прототоксина из 296 аминокислот, который затем протеолитически активируется пищеварительными протеазами, такими как химотрипсин и трипсин, или in vitro с помощью лямбда-токсина CP [23][24].

Оптимальная активация протоксина достигается с помощью комбинации трипсина и химотрипсина, которая удаляет 13 аминокислот с N-конца и 29 аминокислот с C-конца. Удаление С-концевых аминокислот является критическим для продуцирования активного ETX из-за блокирования олигомеризации токсина оставшимися остатками аминокислот.

В связи с тем, что ETX, как и СРЕ, принадлежит к семейству аэролизиновых порообразующих токсинов, структура белка ЕТХ состоит из трех структурных доменов [25]:

• N-концевого домена, который, как полагают, важен для связывания рецептора;
• cреднего домена, содержащего петлю β-шпильки; он обеспечивает токсину формирование пор;
• С-концевого домена, который предположительно участвует в процессе олигомеризации токсина.

Олигомеризация ETX первоначально происходит на поверхности мембраны. Получившаяся препора ETX затем быстро внедряется в мембрану с образованием активной поры с диаметром 0,4–1,0 нм и небольшой селективностью по анионам. Формирование пор в обработанных ETX клетках хозяина приводит к быстрой потере внутриклеточного K⁺ и повышению цитоплазматических уровней Cа²⁺ и Na⁺. ETX-индуцированная потеря цитоплазматического K⁺ запускает быструю гибель клеток из-за процесса некроза, включающего истощение АТФ.

Йота-токсин CP (ITX) является членом семейства клостридиальных бинарных токсинов и состоит из отдельных белков IA и IB, которые продуцируются в виде пропротеинов и затем протеолитически активируются после удаления N-концевых последовательностей от IA- и IB-белков под действием химотрипсина хозяина [26][27][28]. Вызывает энтеротоксемию у овец, коз и крупного рогатого скота, энтерит у кроликов, ягнят и крупного рогатого скота. Действие ITX начинается с связывания IB-белка токсина с его рецептором — липопротеином мембраны клеток хозяина, который служит рецептором также для некоторых других клостридиальных бинарных токсинов, включая C. difficile. Многофункциональный поверхностный белок CD44 клеток слизистой кишечника млекопитающих может также функционировать в качестве рецептора ITX [28].

Идентифицирован β-порообразующий токсин NetB CP, контролируемый геном netb, который вызывает некротический энтерит у кур [29–33]. NetB тесно связан с типом CPB и альфа-гемолизином St. aureus [29]. Как и большинство этих токсинов, он продуцируется в виде мономера и, по-видимому, олигомеризуется на поверхности восприимчивых клеток кишечника кур, образуя поры размером 1,6–1,8 нм. Процесс порообразования активируется в результате взаимодействия молекулы токсина NetB с холестерином, усиливая образование пор [33].

Токсин TpeL CP, кодируемый геном tpeL, продуцируется некоторыми штаммами CP типов A, B и C [34–37]. Ген tpeL токсина CP экспрессируется во время споруляции под контролем сигма-факторов — Spo0A и SigE. Токсин TpeL CP является самым крупным известным СР-токсином, хотя некоторые штаммы продуцируют усеченный (~15 кД), менее активный вариант TpeL. TpeL принадлежит к семейству клостридиальных гликозилирующих токсинов (CGT), который идентичен токсинам типов A и B C. difficile, а также смертельным и геморрагическим токсинам C. sordellii и C. novyi альфа-токсинам. Как и другие CGT, TpeL обладает N-концевым доменом, опосредующим гликозилтрансферазную активность, доменом с автокаталитической активностью и предполагаемым трансмембранным доменом, который, вероятно, доставляет ферментативный домен в цитоплазму клеток хозяина. Тем не менее TpeL отличается от других токсинов своим сильно укороченным C-терминальным доменом, что позволяет ему связываться с дополнительными рецепторами клеток хозяина, обеспечивая для него расширение зоны действия. Таким образом, TpeL связывается с неидентифицированными рецепторами и затем подвергается эндоцитозу [36][37]. После расщепления инозит-гексакисфосфатзависимой цистеинпротеазы и транспорта через мембрану эндоцитарного пузырька домен поступает в цитоплазму клеток хозяина. Благодаря своей уникальной способности связываться с сахарами, TpeL является единственным токсином, который может использовать как UDP-глюкозу, так и преимущественно UDP-N-ацетилглюкозамин в качестве донорского субстрата, при этом экспрессируя вирулентность штаммов птичьего некротического энтерита.

CP производит плазмидно-кодируемый дельта-токсин и несколько хромосомно-кодируемых токсинов и ферментов — лямбда-, каппа-, мю-токсины, коллагеназу, гиалуронидазу, клострипаин, цистеиновую протеазу, сиалидазу [1, 29, 38, 39]. Лямбда-токсин и термолизинподобная протеаза (36 кДа) могут активировать ETX и компонент IA или IB ITX in vitro [23][24]. CP продуцирует несколько типов хромосомно-кодируемых ферментов сиалидаз, из них сиалидаза NanI весьма значима [1][23][24] в адгезии молекулы токсина с клеткой хозяина на начальном этапе развития гангрены, а также при заболеваниях, ассоцированных с токсинпродуцирующими штаммами CP типов B или D, опосредуя адгезию к энтероцитоподобным клеткам Caco-2 [1].

Энтеротоксин CP типа А (CРЕ) — самый распространенный токсин среди токсинотипов CP. СРЕ — порообразующий токсин, контролируемый хромосомным и плазмидным генами (cpe), ответственный за развитие различных желудочно-кишечных заболеваний, связанных с пищевыми и непищевыми факторами. Ген сре находится в хромосоме у большинства штаммов CPА, вызывающих пищевые отравления. Следовательно, продукция и действия СРЕ контролируются в основном геном cpe, расположенным в хромосоме [1][3][4].

Структура CPE расшифрована. Установлено, что его первичная аминокислотная последовательность является высококонсервативной, за исключением некоторых штаммов CP типа E, которые продуцируют вариабельный и уникальный CPE [1][3][4][8]. C помощью рентгеновской кристаллографии CP отнесен к семейству аэролизинов — малых (35 кДа) порообразующих токсинов. CРЕ содержит 2 домена: С-концевой домен, который связывается с рецепторами клаудина — мембранного белка клеток хозяина, и N-концевой домен — основной домен, предназначенный для образования пор.

Патогенетическое действие CPE начинается со связывания токсина с его рецепторами — белками семейства клаудиновых белков цитоплазматической мембраны клеток слизистой оболочки тонкого кишечника. Связывание молекул токсина СРЕ с клаудинами приводит к образованию «малых комплексов» (около 90 кДа), содержащих СРЕ, рецепторные и нерецепторные клаудины. «Малый комплекс» сам по себе не оказывает цитотоксического действия на клетку хозяина, его роль значима в активации олигомеризации СРЕ в процессе создания на поверхности цитоплазматической мембраны клеток слизистой тонкого кишечника «большого комплекса» — СН-1. Это так называемая «пре-пора» энтеротоксина, или бета-шпилька (450 кДа), содержащая энтеротоксин и рецепторные и нерецепторные клаудины, оказывающие цитотоксическое действие на цитоплазматическую мембрану. Цитотоксическое действие бета-шпильки на цитоплазматическую мембрану приводит к образованию катионно-селективной поры на цитоплазматической мембране, которая изначально проницаема для молекул менее 200 кДа. Образование пор CPE способствует массивному поступлению Ca²⁺ через цитоплазматическую мембрану в клетки слизистой кишечника, вызывая тем самым их гибель, зависящую от кальмодулина и кальпаина, посредством апоптоза, опосредованного каспазой 3 (при низких дозах CPE), или онкоза (при высоких дозах CPE). Поступление Ca²⁺ в клетку вызывает морфологическое повреждение, при котором обнажается поверхность базолатеральных клеток, позволяя, в свою очередь, CPE взаимодействовать с белками клаудинами и белком плотных соединений, называемым «окклюдином». Этот процесс приводит к образованию второго крупного (~550 кДа) комплекса СН-2, содержащего 6 копий CPE), окклюдин рецепторные и нерецепторные клаудины. Таким образом, в тонком кишечнике, преимущественно в подвздошной кишке, энтеротоксин индуцирует деструктивный процесс на слизистой, характеризующийся десквамацией эпителия, атрофией и некрозом ворсинок [1][3][4]. СРЕ продуцируют штаммы типа А, C, D, Е и NetF [1][3][4].

Роль токсинов С. рerfringens в развитии заболеваний человека, птиц и животных

Пищевое отравление, вызванное СР типа А, считается вторым по уровню регистрации (до 1 млн случаев в год) бактериальным пищевым заболеванием в США [40–42]. Развитие пищевого отравления связывают с употреблением продуктов из мяса или птицы, контаминированных штаммами СР типа A, несущими, как правило, хромосомный ген cpe (СРЕ) [1, 3, 4, 38, 43, 44]. Cпецифическая связь хромосомных изолятов, продуцирующих СРЕ, с пищевым отравлением обусловлена исключительным свойством хромосомных штаммов СР формировать резистентные фенотипы микроорганизма, обеспечивающие устойчивость их спор за счет способности хромосомных штаммов СРЕ продуцировать уникальный вариант небольшого кислоторастворимого белка 4 (Ssp-4). При попадании в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) пищи, контаминированной хромосомными штаммами СР, продуцирующими энтеротоксин, вегетативные формы, благодаря способности белка Ssp-4 растворять кислоту, выживают, размножаются и затем быстро спорулируют, продуцируя энтеротоксин. К другим факторам, способствующим формированию резистентного фенотипа с устойчивостью спор, создаваемых большинством энтеротоксинпродуцирующих штаммов СР типа A, контролируемых плазмидным геном cpe, относятся уменьшенный размер ядра споры, свидетельствующий о высокой степени обезвоживания молекулы энтеротоксина. Фактор Spo0A и альтернативные сигма-факторы SigF, SigG, SigK и SigL контролируют как споруляцию in vivo, так и продукцию энтеротоксина [44]. Энтеротоксин накапливается в «материнской» клетке до завершения споруляции, после чего материнская клетка лизируется, и свободный токсин проявляет свою основную функцию — развитие пищевого отравления.

В течение многих лет считалось, что СРЕ не воздействует на толстую кишку, несмотря на возможность этого органа связывать большое количество энтеротоксина из-за присутствия клаудинов рецепторов [1, 45–47]. Однако недавно доказано, что СРЕ вызывает повреждение тканей и потерю электролитов жидкости в толстом кишечнике кролика [46]. Эти результаты явились основой расследования причин развития некротизирующего колита у пациентов психиатрической клиники, наблюдаемого при вспышках тяжелых пищевых отравлений, вызванных СР типа А [47], и изучения условий и факторов, которые, скорее всего, отсрочили диарею и пролонгировали взаимодействие СРЕ с кишечником, способствуя абсорбции токсина и его циркуляции в организме [4, 47].

Многочисленными исследованиями установлено, что мясо и мясные продукты, контаминированные штаммами СРЕ, являются основными факторами передачи пищевого отравления [1, 3, 4]. Однако последние достижения в изучении генетики СРЕ и эпидемиологии пищевых отравлений представили новую информацию о дополнительных факторах передачи энтеротоксинпродуцирующих штаммов в развитии пищевых отравлений [1]. Обнаружение СРЕ в продуктах розничной торговли, фекалиях здорового человека и сточных водах определяет «новый» вгляд на эпидемиологию заболеваний, связанных с энтеротоксинпродуцирующими СР типа А. Японские исследователи привели убедительные доказательства, что человек может играть роль переносчика и резервуара штаммов СР типа А, продуцирующих энтеротоксин [1, 48, 49].

Энтеротоксигенные штаммы могут стать причиной заболеваний, ассоциированных с СР типа А и не связанных с пищевым фактором передачи, — это
антибиотикоассоциированная (ААД) и спорадическая диареи [50–52]. ААД обычно развивается у 5–10% пациентов после приема антибиотиков широкого спектра действия [50]. Спорадическая диарея чаще поражает пожилых людей старше 60 лет и редко лиц молодого возраста [51]. Клинически ААД и спорадическая диареи характеризуются болями в животе, большой продолжительностью (от 3 дней до нескольких недель) и гемоколитом.У пациентов, страдающих выраженной и длительной диареей, особенно у больных AAД, нередко развиваются
обезвоживание и колит. Вместе с тем прогноз осложненного течения ААД и спорадической диареи благоприятный. Штаммы типа F также ответственны за развитие спорадической диареи, хотя в меньшей степени. AAД ассоциированные штаммы CP более адгезивны по отношению к клеткам кишечного эпителия Caco-2 по сравнению со штаммами, вызывающими пищевые отравления, что связано с продукцией сиалидазы NanI [1].

После Второй мировой войны штаммы СР вызвали вспышки некротического энтерита (называемые Darmbrand) у истощенных людей в Северной Германии [1, 3, 4, 53]. Установлено, что штаммы Darmbrand контролируются как плазмидными генами cpb, так и хромосомными генами cpe. Штаммы Darmbrand в основном генетически были связаны со штаммами пищевого отравления, вызванного СРЕ. Особо следует отметить, что штаммы Darmbrand продуцируют тот же вариант небольшого кислоторастворимого белка Ssp-4, но отличающийся более выраженной резистентностью по отношению к кислоте [43, 44]. Выявленный феномен, как предполагают, связан с клональной изменчивостью хромосомного гена сре.

В 1960–1970-х гг. в Папуа — Новой Гвинее был очень распространен пищевой некротический энтерит, обусловленный СР типа С (известный как PigBel), что привело к более чем 50% смертей среди детей в возрасте 5–10 лет [54]. Заболевание клинически характеризуется болью в животе, которая развивается через 1–5 дней после приема пищи с высоким содержанием белка.

Патогенез заболевания связан с низкобелковой диетой, которая приводит к ограниченному производству протеаз поджелудочной железы. Кроме того, основным продуктом питания в высокогорьях Папуа — Новой Гвинеи является сладкий картофель, который содержит ингибитор трипсина. Поэтому, когда ребенок ест еду, содержащую сладкий картофель и мясо, загрязненное СР типа С, в сочетании с диетическим фоном белкового недоедания, в кишечнике наблюдается небольшая активность трипсина, что приводит к деградации токсина. Изоляты PFO попадают в ЖКТ при употреблении загрязненного мяса (обычно свинины).

Актуален некротический энтерит, обусловленный СР типа А. Развитие этого заболевания связано с переключением птиц на высокобелковую диету, которая способствует быстрому росту CP в ЖКТ, или инфицированием Eimeria spp., которое, предположительно, облегчает инвазию токсина энтероцитов.

У штаммов CP при физическом контакте может происходить конъюгативный обмен токсиновыми плазмидами, что иногда может сопровождаться потерей одной токсиновой плазмиды в реципиентном штамме из-за несовместимости плазмид. Однако в определенных ситуациях может наблюдаться феномен совместимости плазмид [47, 55–57]. Например, штаммы СРЕ, несущие гены cpe и cpb2 на отдельной плазмиде штамма СР типа В, оказываются вполне совместимыми и способными экспрессироваться, повышая при этом вирулентность возбудителя. Как правило, у пожилых людей со сниженной перистальтикой кишечника и образованием «каловой» пробки или у пациентов в результате побочного действия лекарств в кишечнике создаются условия для длительного контакта СРЕ со слизистой кишечника. Моделирование описанной ситуации на животных позволило утверждать, что длительное присутствие энтеротоксина на слизистой кишечника способствует всасыванию токсина в кровоток и развитию энтеротоксемии с последующим поражением легких, почек и печени, развитием гиперкалиемии, обусловленной массовым выделением калия и развитием сердечной недостаточности c летальным исходом [46].

Штаммы CP типа С, продуцирующие энтеротоксин, способны вызвать развитие некротического энтерита у людей [4, 47], что подтверждается описанием двух тяжелых пищевых отравлений, вызванных энтеротоксигенным штаммом СР типа А, которые привели к гибели нескольких относительно молодых и здоровых людей. Эти вспышки произошли в психиатрических диспансерах Оклахомы и регистрировались у пациентов, принимающих психотропные препараты, способствующие образованию «каловой пробки» и, следовательно, снижению степени выраженности диарейного синдрома [4]. Сложившаяся ситуация в кишечнике способствовала длительному контакту между слизистой кишечника и токсинами, что, в конечном итоге, привело к процессу абсорбции СРЕ и микроциркуляции с последующим поражением других органов (печени, почек). Анализ результатов опытов на мышах и крысах с использованием очищенного энтеротоксина позволил выдвинуть научную гипотезу о синергидном характере действия CPE с бета-токсином при совместном их нахождении в просвете толстой кишки [4, 56], что вполне логично объясняет тяжесть течения и неблагоприятный исход заболевания у пациентов психиатрической клиники. Конечным следствием является то, что некоторые клетки CP в настоящее время несут несколько (по меньшей мере до 3) различных токсиновых плазмид. При этом установленный сравнительно недавно феномен несовместимости плазмид [56], по-видимому, определяет некоторые ограничения общего репертуара токсиновых плазмид, которые могут поддерживаться одной бактерией CP. Возможно, лучшим доказательством проблем несовместимости токсиновой плазмиды является отсутствие её определенных комбинаций. Например, штаммы CP, несущие как йота-токсиновые, так и cpb-токсиновые плазмиды, никогда не идентифицируются [56]. CPE может способствовать в некоторых случаях некротическому энтериту, вызванному штаммами типа С. Некротический энтерит относится к пищевым заболеваниям, которые связаны с низким уровнем трипсина в кишечнике из-за заболевания и/или болезни [1, 4]. В то же время бета-токсин явно необходим для патогенеза некротического энтерита, и штаммы типа С, вызывающие это заболевание, также выделяют CPE [1, 3, 4]. Некоторые опыты над животными, использующие мутированный и очищенный токсины, продемонстрировали синергидное действие для CPE и бета-токсина [56]. Это позволяет предположить, что, присутствуя вместе с бета-токсином в кишечнике, CPE может влиять на течение некротического энтерита.

CP поддерживает большое количество генов токсина в различных конъюгативных плазмидах. Эта стратегия обеспечивает огромную пластичность и адаптивность вирулентности микроорганизма. Один из примеров, иллюстрирующих этот феномен, — наличие генов cpb и etx на двух разных плазмидах. Штаммы CP типа C, несущие только плазмиду CPB, вызывают заболевание у хозяев с более низким уровнем трипсина в кишечнике изза возраста, диеты или заболевания, что позволяет CPB сохраняться и действовать в кишечнике в течение более длительного периода времени. Напротив, штаммы CP типа D, несущие плазмиду ETX, вызывают болезнь у животных с нормальным уровнем протеазы, которая протеолитически активирует ETX. Штаммы типа B, которые приобрели плазмиды как CPB, так и ETX, характеризуются универсальностью, способны вызвать заболевание при низких или нормальных уровнях кишечной протеазы [4, 56]. CP — не единственный патогенный клостридиальный вид, который использует плазмиды токсинов для вирулентности. Нейротоксины C. botulinum и C. tetani также могут кодироваться плазмидой. Недавно было показано, что некоторые плазмиды, кодирующие ботулинический токсин, являются конъюгативными, возможно, с участием усеченного tcp-подобного локуса [8]. Поскольку CP относится к представителям нормальной флоры и, по-видимому, находится под селективным давлением остальной микробиоты кишечника, этот предполагаемый конъюгативный перенос токсиновых плазмид в штаммы CP, не продуцирующие токсины, — путь к раскрытию патогенетических механизмов развития CP-инфекции ЖКТ.

Заболевания, обусловленные энтеропродуцирующими штаммами СР и связанные с непищевым путем передачи, характеризуются более тяжелым и длительным характером течения [1].

Некоторые переносимые плазмидой гены, контролирующие токсины, могут конъюгативно переноситься в другие виды клостридий. И поэтому не исключено, что этот межвидовой перенос плазмиды, несущей, например, ген ITX-подобного бинарного токсина, может повысить степень вирулентности реципиентов, таких как C. difficile и С. spiroforme. В этой связи логично признать возможное повышение вирулентности и у нетоксигенных штаммов CP в процессе межвидовой передачи генов, контролирующих тот или иной токсин (в том числе энтеротоксин) CP.

Клональность штаммов CP также является важным фактором, влияющим на вирулентность CP. Так, способность штаммов Darmbrand образовывать исключительно устойчивые споры, контролируемые хромосомным геном, связана с клональным процессом, произошедшим в хромосоме штаммов CP, вызывающих пищевые отравления у населения Германии во время Второй мировой войны [13, 53]. Штаммы птичьего некротического энтерита типа A также относятся к клональной линии CP, поскольку клетка патогена содержит, кроме плазмиды, несущей ген netB, дополнительный уникальный локус хромосомной патогенности NeLoc2 [1, 57].

К факторам, влияющим на вирулентность энтеротоксинпродуцирующих штаммов СР, относят способность гена сре индуцировать процесс перестройки плотного соединения клеток хозяина, процессы порообразования патогена и генерирования гидролитических ферментов и выживать в аэробных условиях [1, 58].

Рост CP стимулируют сахара, нуклеозиды, аминокислоты, соли и пурины [1]. Наряду с перечисленными веществами, первичные желчные кислоты, включая гликохолат, холат и таурохолат, регистрируемые, как известно, в ЖКТ человека, также действуют как стимуляторы роста на все виды рода Clostridium, тогда как вторичные желчные кислоты, такие как дезоксихолат натрия, оказывают ингибирующий эффект на рост микоорганизмов других родов, создавая селективные преимущества для клостридий, в том числе для СР. Наряду с этим короткое время генерации, характерное для клостридий (культивирование 8–12 мин при 43°C и в оптимальной для его роста среде — 12–17 мин при 37°C), на фоне развития глубоких декомпенсированных нарушений микробиоты кишечника определяет процессы активной колонизации возбудителя, формирования спор, их накопления и процессы споруляции с продукцией токсина. Присутствие солей желчных кислот ведет к активации главного регулятора споруляции Spo0A [1, 59].

Три сиалидазы, кодируемые генами nanH, nanI и nanJ в CP, усиливают действие токсина CP, подобно действиям, оказываемым ферментами нейраминидазой или экзосиалидазой (nanI и nanJ). Эта группа ферментов представляет важные факторы вирулентности во время тканевой инфекции, вызванной CP; они катализируют гидролиз концевых сиаловых кислот из гликопротеинов, гликолипидов и полисахаридов клеточных мембран, что способствует прикреплению бактерий к клеткам хозяина. Этот муколитический потенциал позволяет предположить, что CP использует кишечную слизь в качестве источника питательных веществ и тем самым усиливает колонизацию кишечной флоры. Исследования in vitro также показали, что α-токсин, связанный с NanI (экзо-альфа-сиалидаза), повышает вирулентность CP. Кроме того, было показано, что NanI повышает вирулентность ε-токсина, β-токсина и CPE [1, 60, 61].

Крупномасштабное геномное исследование 56 штаммов CP, выделенных из разных источников (от людей и проб внешней среды), выявило разнообразный пангеном (комплект генов в определенных геномах), включающий только 12,6% основных генов: гены, контролирующие действие α-токсина, α-клострипана, коллагеназы, гены, контролирующие порообразование, действие токсина PFO и энтеротоксина. Важно отметить, что преобладание гена mprF, устойчивого к аминогликозиду/антидефензину (100% детекции), и генов эффлюксного белка, устойчивого к тетрациклину, tetA (обнаружение более 75%), регистрируемые в геномах, подчеркивают потенциальную устойчивость к противомикробным препаратам, связанную с CP. Это исследование также показало, что разнообразные генетические вариации могут быть вызваны вставкой профагов в геномах, свободных от CRISPR (единой системы защиты профагов) [62].

Филогенетический анализ 109 изолятов СР, выделенных от людей и проб пищевых продуктов, полученных при пищевых отравлениях в Англии и Уэльсе в 2011–2017 гг., свидетельствовал, что все 9 вспышек пищевого отравления были обусловлены определенной группой типов СР, продуцирующих энтеротоксин (в 96,3% случаев), кодируемым плазмидным геном сре, и около 3% штаммов CP, продуцирующих бета-2-токсин, и токсины F, контролируемых плазмидными генами рсb2 и pcf. Это масштабное геномное исследование вспышек пищевого отравления позволило заключить, что в их основе лежали три основных типа токсинпродуцирующих штаммов CP, что подчеркивает уровень их распространенности и этиологической значимости [63]. Полученные результаты важно учитывать при прогнозировании характера течения пищевых отравлений, выборе тактики лечебных и профилактических мероприятий на определенных территориях.

Заключение

Многие годы проблемы здравоохранения и ветеринарной службы всего мира связаны с чрезвычайно распространённым и патогенным микроорганизмом — CP. Благодаря использованию молекулярно-генетических методов и адекватных моделей на животных расширены представления о биологии, генетике и эпидемиологии токсинпродуцирующих CP и сформулированы современные представления об их этиопатогенетических и генетических особенностях.

СР — анаэробная грамположительная, спорообразующая и токсинпродуцирующая палочка — распространена повсеместно в окружающей среде (в почве, продуктах питания, сточных водах), кишечнике людей, птиц и животных. Она относится к числу актуальных патогенов, является причиной развития гистотоксических инфекций, включая газовую гангрену (клостридиальный мионекроз), и заболеваний, возникающих в кишечнике, не связанных с пищевым фактором передачи (пищевые токсикоинфекции, энтерит, некротический энтерит, энтеротоксемия, спорадическая и антибиотикоассоциированная диареи).

Открытие новых факторов патогенности — токсинов и ферментов — определило разработку новой классификации токсинов и токсинотипов СР. Локусы гена cpe энтеротоксина, кодирующие энтеротоксин штаммов CP, выделенных из объектов окружающей среды, как правило, несут ген cpe на плазмидах. Локусы cpe штаммов CP типов C, D, E и NetF значительно отличаются от локусов гена cpe штаммов CP типа A, продуцирующих энтеротоксин. Вспышки пищевого отравления CP могут быть вызваны не только энтеротоксином, контролируемым хромосомным геном сре, но и энтеротоксином, контролируемым плазмидным геном сре, ответственным за формирование чрезвычайно термостойких спор, что определяет развитие пищевого отравления с более тяжелым и длительным течением.

Обнаружение в продуктах розничной торговли, сточных водах, фекалиях человека, птиц и животных штаммов СРЕ, кодируемых как хромосомными, так и плазмидными генами сре, определяет новый вгляд на эпидемиологию заболеваний, связанных с энтеротоксинпродуцирующими CP. В частности, человек может играть роль переносчика и резервуара штаммов СРЕ.

Установленная генетическая дивергенция в пангеноме коньюгативных плазмидных генов, связанных с вирулентностью CP, предполагает наличие дополнительных, новых генов, в первую очередь ответственных за развитие патологического процесса в кишечнике.

Локусы генов cpe штаммов CP типов C, D, E и F отличаются друг от друга и характеризуются выраженным разнообразием. Так, штаммы CP типа C, несущие плазмиду срb, вызывают энтерит при низком уровне трипсина в кишечнике, что позволяет возбудителю сохраняться и действовать в кишечнике в течение более длительного периода времени. Напротив, штаммы CP типа D, несущие плазмиду etx, вызывают болезни у животных с нормальным уровнем протеазы. Штаммы CP типа B, которые приобрели плазмиды с генами сpb и etx, обладают универсальностью, вызывая заболевание при низких и нормальных уровнях кишечной протеазы.

Энтеротоксинпродуцирующие штаммы CP способны содержать большой пул тесно связанных плазмид. Некоторые клетки CP могут вмещать до 3 плазмид, несущих различные гены вирулентности, которые определяют синергидный характер отношений между токсинами. И как альтернатива феномену синергидного характера действия определилась проблема несовместимости плазмид, которые могут поддерживаться одной клеткой CP.

Конъюгативные плазмиды, несущие ген сре, способны переносить свой ген сре резидентным штаммам CP, тем самым влияя на вирулентные свойства штамма-реципиента.

Диета, различные заболевания, изменения микробиоты кишечника могут снижать активность трипсина в кишечнике — это условия для того, чтобы штамм CP с плазмидой, несущей ген сре, активно размножался, спорулировал и продуцировал энтеротоксин до уровня, способного вызвать патологический процесс в кишечнике или получить доступ к слизистой оболочке кишечника для проникновения в кровяное русло.

Наличие многих генов токсина CP на конъюгативных плазмидах следует рассматривать как фактор, повышающий вирулентность штаммов за счет переноса плазмидой генов токсина в другие виды клостридий. Например, этот процесс может объяснить присутствие ITX-подобных бинарных токсинов в некоторых других патогенных клостридиальных видах, например C. difficile и C. spiroforme. Присутствие генов tpeL на конъюгативных плазмидах у CP и широкое распространение среди патогенных клостридиальных видов генов, кодирующих большие гликозилирующие токсины, — путь к созданию дополнительных штаммов с уникальными характеристиками вирулентности. Клональность штаммов CP также является важным фактором, способствующим вирулентности возбудителя. Общий геномный фон между хромосомными штаммами типа A и Darmbrand позволяет продуцировать исключительно устойчивые споры, что, в свою очередь, увеличивает вирулентность. К другим факторам, оказывающим влияние на вирулентность энтеротоксинпродуцирующих штаммов СР (всех токсинотипов, продуцирующих энтеротоксин) как результат экспрессии гена сре, относятся изменения структуры плотного соединения, повышения активности процесса порообразования и устойчивости к кислоте, а также особенность выживать в аэробных условиях и активно колонизировать слизистую кишечника.

Несмотря на достигнутые успехи в решении актуальных проблем CP, многие важные вопросы в отношении биологии и генетики, а также патогенеза развития CP-ассоциированных заболеваний остаются открытыми. Полагаем, что ответы будут найдены при проведении крупномасштабных геномных исследований с использованием секвенирования изучаемых штаммов.

About the authors

Yu. V. Lobzin

Pediatric Research and Clinical Center for Infectious Diseases

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0002-6934-2223

Yuri V. Lobzin — D. Sci. (Med.), Prof., Full Member of RAS, director

Saint Petersburg

Россия

A. S. Kvetnaya

Pediatric Research and Clinical Center for Infectious Diseases

Author for correspondence.
Email: asya41@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-8939-2973

Asya S. Kvetnaya — D. Sci. (Med.), Prof., leading researcher, Department of medical microbiology and molecular microbiology

Saint Petersburg

Россия

N. V. Skripchenko

Pediatric Research and Clinical Center for Infectious Diseases

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-8927-3176

Natalya V. Skripchenko — D. Sci. (Med.), Prof., deputy director for science

Saint Petersburg

Россия

L. I. Zhelezova

Pediatric Research and Clinical Center for Infectious Diseases

Email: fake@neicon.ru
ORCID iD: 0000-0001-8071-3243

Lyudmila I. Zhelezova — PhD (Med.), senior researcher, Department of medical microbiology and molecular microbiology

Saint Petersburg

Россия

References

Supplementary files