22.4: Бактеріальні захворювання у людини

Навички для розвитку

• Визначте бактеріальні захворювання, які спричинили історично важливі чуми та епідемії
• Опишіть зв'язок між біоплівками і хворобами харчового походження
• Поясніть, як надмірне використання антибіотика може створювати «супер помилки»
• Поясніть важливість MRSA щодо проблем стійкості до антибіотиків

Руйнівні хвороби та чуми, що передаються патогенами, як вірусної, так і бактеріальної природи, вражають людину з початку людської історії. Справжня причина цих захворювань тоді не була зрозуміла, і деякі люди вважали, що хвороби - це духовне покарання. Згодом люди зрозуміли, що перебування осторонь від постраждалих осіб та розпорядження трупами та особистими речами жертв хвороби зменшують власні шанси захворіти.

Епідеміологи вивчають, як хвороби впливають на населення. Епідемія - це захворювання, яке зустрічається у незвично великої кількості особин в популяції одночасно. Пандемія - це широко поширена, як правило, у всьому світі епідемія. Ендемічна хвороба - це захворювання, яке постійно присутній, як правило, при низькій частоті, у популяції.

Тривалий анамнез бактеріальних захворювань

Існують записи про інфекційні захворювання ще в 3000 р до н.е. Ряд значних пандемій, спричинених бактеріями, були задокументовані протягом декількох сотень років. Деякі з найбільш пам'ятних пандемій призвели до занепаду міст і народів.

^{У 21 столітті інфекційні захворювання залишаються одними з провідних причин смерті у всьому світі, незважаючи на досягнення, досягнуті в медичних дослідженнях та лікуванні в останні десятиліття.} Захворювання поширюється, коли збудник, який його викликає, передається від однієї людини до іншої. Щоб збудник викликав захворювання, він повинен мати можливість розмножуватися в організмі господаря і якимось чином пошкодити господаря.

Чума Афін

У 430 році до н.е. Чума Афін вбила чверть афінських військ, які воювали у великій Пелопоннесській війні та послабили панування та владу Афін. Чума вплинула на людей, які живуть в переповнених Афін, а також війська на борту кораблів, які повинні були повернутися до Афін. Джерело чуми, можливо, було виявлено нещодавно, коли дослідники з Афінського університету змогли використовувати ДНК з зубів, вилучених з братської могили. Вчені визначили нуклеотидні послідовності з патогенної бактерії Salmonella enterica serovar Typhi (рис.\(\PageIndex{1}\)), яка викликає черевний тиф. ¹ Це захворювання зазвичай спостерігається в переповнених районах і викликало епідемії протягом усього зареєстрованого анамнезу.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Salmonella enterica serovar Typhi, збудник черевного тифу, є грамнегативною паличкоподібної гамма-протобактерією. Черевний тиф, який поширюється через кал, викликає крововилив в кишечник, високу температуру, марення і зневоднення. Сьогодні щорічно трапляється від 16 до 33 мільйонів випадків цього повторного захворювання, що призводить до понад 200 000 смертей. Носії захворювання можуть протікати безсимптомно. У відомому випадку на початку 1900-х років кухар на ім'я Мері Маллон несвідомо поширив хворобу понад п'ятдесят людей, троє з яких померли. Інші серотипи сальмонели викликають харчове отруєння. (кредит: модифікація роботи NCI, CDC)

Бубонні чуми

Від 541 до 750 року спалах того, що, ймовірно, було бубонною чумою (чума Юстиніана), ліквідував від чверті до половини людського населення у східному Середземноморському регіоні. Населення в Європі знизилося на 50 відсотків під час цього спалаху. Бубонна чума вдарила б Європу не раз.

Однією з найбільш руйнівних пандемій була Чорна смерть (1346 - 1361), яка, як вважають, була ще одним спалахом бубонної чуми, спричиненою бактерією Yersinia pestis. Вважається, що він зародився спочатку в Китаї і поширився вздовж Шовкового шляху, мережі сухопутних та морських торгових шляхів, до Середземноморського регіону та Європи, що перевозяться щурячими блохами, що живуть на чорних щурів, які завжди були присутні на судах. Чорна смерть скоротила населення світу з приблизно 450 мільйонів до приблизно 350 до 375 мільйонів. Бубонна чума знову сильно вразила Лондон в середині 1600-х років (рис.\(\PageIndex{2}\)). У сучасний час приблизно 1,000 до 3000 випадків чуми виникають у всьому світі щороку. Хоча зараження бубонною чумою до антибіотиків означало майже вірну смерть, бактерія реагує на кілька видів сучасних антибіотиків, і рівень смертності від чуми зараз дуже низький.

Малюнок\(\PageIndex{2}\): (а) Велика чума Лондона вбила приблизно 200 000 людей, або близько двадцяти відсотків населення міста. Збудник, (б) бактерія Yersinia pestis - грамнегативна паличкоподібна бактерія з класу Gamma Proteobacteria. Захворювання передається через укус зараженої блохи, яка заражена гризуном. Симптоми включають набряклість лімфатичних вузлів, лихоманку, судоми, блювоту крові та (c) гангрену. (кредит b: Лабораторії Скелястих гір, NIAID, NIH; дані шкали від Метта Рассела; кредит c: Підручник з військової медицини, Вашингтон, округ Колумбія, Департамент армії США, Управління генерального хірурга, Інститут Бордена)

Посилання на навчання

Дивіться відео про сучасне розуміння чорної смертельно-бубонної чуми в Європі протягом 14 ^{століття}.

Міграція хвороб до нових популяцій

Протягом століть європейці прагнули виробляти генетичний імунітет до ендемічних інфекційних захворювань, але коли європейські завойовники досягли західної півкулі, вони привезли з собою хвороботворні бактерії і віруси, що спровокувало епідемії, які повністю спустошили популяції корінних американців, які відсутність природної стійкості до багатьох європейських захворювань. Було підраховано, що до 90 відсотків корінних американців померли від інфекційних захворювань після приходу європейців, що робить підкорення Нового Світу передбаченим висновком.

Виникаючі та повторні захворювання

Поширення того чи іншого захворювання динамічне. Тому зміни в навколишньому середовищі, збуднику або популяції господаря можуть різко вплинути на поширення того чи іншого захворювання. За даними Всесвітньої організації охорони здоров'я (ВООЗ), що виникає захворювання (рис.\(\PageIndex{3}\)) - це захворювання, яке з'явилося в популяції вперше, або яке, можливо, існувало раніше, але швидко зростає в захворюваності або географічному діапазоні. Це визначення також включає знову виникають захворювання, які раніше перебували під контролем. Приблизно 75 відсотків нещодавно виникаючих інфекційних захворювань, що вражають людину, є зоонозними захворюваннями, зоонозами, захворюваннями, які в першу чергу заражають тварин і передаються людині; деякі мають вірусне походження, а деякі - бактеріального походження. Бруцельоз є прикладом прокаріотичного зоонозу, який знову виникає в деяких регіонах, а некротичний фасциїт (широко відомий як бактерії, що їдять плоть) протягом останніх 80 років зростає вірулентність з невідомих причин.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): На карті показані регіони, де виникають або знову виникають бактеріальні захворювання. (Кредит: модифікація роботи NIH)

Деякі з нинішніх виникаючих захворювань насправді не є новими, а є хворобами, які були катастрофічними в минулому (рис.\(\PageIndex{4}\)). Вони спустошили населення і на деякий час стали сплячими, просто щоб повернутися, іноді більш вірулентні, ніж раніше, як це було у випадку з бубонною чумою. Інші захворювання, такі як туберкульоз, ніколи не були викорінені, але контролювалися в деяких регіонах світу до повернення, переважно в міських центрах з високою концентрацією людей з ослабленим імунітетом. ВООЗ виявила певні захворювання, повторна поява яких у всьому світі повинна контролюватися. Серед них два вірусні захворювання (лихоманка денге і жовта лихоманка) та три бактеріальні захворювання (дифтерія, холера та бубонна чума). Війна з інфекційними захворюваннями не має передбачуваного кінця.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Хвороба Лайма часто, але не завжди, призводить до (а) характерної висипу бичачих очей. Захворювання викликається a (b) грамнегативною бактерією спірохети роду Borrelia. Бактерії (в) заражають кліщів, які в свою чергу заражають мишей. Олені є кращим вторинним господарем, але кліщі також можуть харчуватися людьми. Без лікування захворювання викликає хронічні порушення в нервовій системі, очах, суглобах, серці. Хвороба названа на честь Лайма, штат Коннектикут, де спалах стався в 1995 році і згодом поширився. Однак хвороба не нова. Генетичні дані свідчать про те, що Ötzi Iceman, 5,300-річна мумія, знайдена в Альпах, була заражена Боррелією. (Кредит: Джеймс Гатані, CDC; кредит b: CDC; дані шкали від Метта Рассела)

Біоплівки і хвороби

Нагадаємо, що біоплівки - це мікробні спільноти, які дуже важко знищити. Вони відповідають за такі захворювання, як інфекції у пацієнтів з муковісцидозом, хворобою легіонерів та отитом. Вони виробляють зубний наліт і колонізують катетери, протези, черезшкірні та ортопедичні пристрої, контактні лінзи та внутрішні пристрої, такі як кардіостимулятори. Вони також утворюються у відкритих ранах і обпаленої тканини. У медичних умовах біоплівки ростуть на апаратах для гемодіалізу, апаратах штучної вентиляції легенів, шунтах та іншому медичному обладнанні. Насправді 65 відсотків усіх інфекцій, придбаних у лікарні (внутрішньолікарняні інфекції), відносять до біоплівок. Біоплівки також пов'язані із захворюваннями, зараженими харчовими продуктами, оскільки вони колонізують поверхні овочевого листя та м'яса, а також обладнання для переробки їжі, яке недостатньо очищено.

Біоплівкові інфекції розвиваються поступово; іноді вони не викликають симптомів відразу. Вони рідко вирішуються механізмами захисту господаря. Після встановлення інфекції біоплівкою її дуже важко викорінити, оскільки біоплівки, як правило, стійкі до більшості методів, що застосовуються для контролю росту мікробів, включаючи антибіотики. Біоплівки погано реагують або лише тимчасово на антибіотики; було сказано, що вони можуть протистояти до 1,000 разів концентрації антибіотиків, що використовуються для знищення тих самих бактерій, коли вони вільно живуть або планктонічні. Доза антибіотика, яка велика, завдасть шкоди пацієнту; тому вчені працюють над новими способами позбавлення від біоплівок.

Антибіотики: чи стикаємося ми з кризою?

Слово антибіотик походить від грецького анти, що означає «проти», а біос означає «життя». Антибіотик - це хімічна речовина, що виробляється або мікробами, або синтетично, що вороже до росту інших організмів. Сьогоднішні новини та ЗМІ часто звертаються до занепокоєння щодо антибактеріальної кризи. Чи застарівають антибіотики, які легко лікували бактеріальні інфекції в минулому? Чи є нові «суперклопи» - бактерії, які еволюціонували, щоб стати більш стійкими до нашого арсеналу антибіотиків? Це початок кінця антибіотиків? Всі ці питання кидають виклик медичній спільноті.

Однією з основних причин резистентних бактерій є зловживання антибіотиками. Необережне і надмірне застосування антибіотиків призвело до природного відбору резистентних форм бактерій. Антибіотик вбиває більшу частину заражених бактерій, а тому залишаються тільки резистентні форми. Ці стійкі форми розмножуються, в результаті чого збільшується частка стійких форм над нестійкими. Ще одне серйозне зловживання антибіотиками - у хворих на застуду або грип, для яких антибіотики марні. Ще однією проблемою є надмірне використання антибіотиків у тваринництві. Звичайне використання антибіотиків у кормах для тварин також сприяє стійкості бактерій. У Сполучених Штатах 70 відсотків вироблених антибіотиків згодовують тваринам. Ці антибіотики дають тваринництву в низьких дозах, які максимізують ймовірність розвитку резистентності, і ці резистентні бактерії легко переносяться людині.

Посилання на навчання

Перегляньте недавній звіт про новини про проблему рутинного введення антибіотиків худоби та стійких до антибіотиків бактерій.

Один з супербугів: MRSA

Необережне використання антибіотиків проклало шлях бактеріям для розширення популяцій резистентних форм. Наприклад, Staphylococcus aureu s, часто званий «стафілокок», - звичайна бактерія, яка може жити в організмі людини і зазвичай легко лікується антибіотиками. Однак дуже небезпечний штам, стійкий до метициліну Staphylococcus aureus (MRSA) зробив новину за останні кілька років (рис.\(\PageIndex{5}\)). Цей штам стійкий до багатьох часто використовуваних антибіотиків, включаючи метицилін, амоксицилін, пеніцилін та оксацилін. MRSA може спричинити інфекції шкіри, але він також може заразити кров, легені, сечовивідні шляхи або місця травми. Хоча інфекції MRSA є поширеними серед людей в медичних установах, вони також з'явилися у здорових людей, які не були госпіталізовані, але які живуть або працюють у тісному населенні (як військовослужбовці та ув'язнені). Дослідники висловили стурбованість тим, як це останнє джерело MRSA орієнтований на набагато молодше населення, ніж ті, хто проживає в установах по догляду. Журнал Американської медичної асоціації повідомив, що серед осіб, які страждають MRSA, в медичних установах середній вік становить 68, тоді як люди з «асоційованою громадою MRSA» (CA-MRSA) мають середній вік 23. ²

Малюнок\(\PageIndex{5}\): Ця скануюча електронна мікрофотографія показує стійкі до метициліну бактерії золотистого стафілокока, широко відомі як MRSA. S. aureus не завжди є патогенним, але може викликати такі захворювання, як харчові отруєння та шкірні та респіраторні інфекції. (кредит: модифікація роботи Дженіс Хейні Карр; дані шкали від Метта Рассела)

Підсумовуючи, медичне співтовариство стикається з антибактеріальною кризою. Деякі вчені вважають, що після багатьох років захисту від бактеріальних інфекцій антибіотиками ми можемо повернутися до часу, коли проста бактеріальна інфекція може знову спустошити людське населення. Дослідники розробляють нові антибіотики, але для створення ефективного та затвердженого препарату потрібно багато років для досліджень та клінічних випробувань, плюс фінансові інвестиції в мільйони доларів.

Хвороби харчового походження

Прокаріоти є всюди: вони охоче заселяють поверхню будь-якого виду матеріалу, і їжа не виняток. Більшу частину часу прокаріоти колонізують харчове та харчове обладнання у вигляді біоплівки. Спалахи бактеріальної інфекції, пов'язані з вживанням їжі, поширені. Хвороба харчового походження (розмовно називається «харчовим отруєнням») - це хвороба, що виникає внаслідок споживання хвороботворних бактерій, вірусів або інших паразитів, які забруднюють їжу. Незважаючи на те, що Сполучені Штати мають один з найбезпечніших продовольчих запасів у світі, Центри США з контролю та профілактики захворювань (CDC) повідомили, що «76 мільйонів людей хворіють, понад 300 000 госпіталізовані, а 5000 американців помирають щороку від харчових хвороб».

Характеристика харчових хвороб з плином часу змінювалася. У минулому відносно часто було чути про спорадичні випадки ботулізму, потенційно смертельного захворювання, що виробляється токсином з анаеробної бактерії Clostridium botulinum. Одними з найпоширеніших джерел цієї бактерії були некислі консерви, домашні соління та оброблене м'ясо та ковбаси. Банка, банку або упаковка створили відповідне анаеробне середовище, де Clostridium міг рости. Правильна стерилізація і процедури консервування знизили захворюваність цим захворюванням.

Хоча люди можуть схильні думати про харчові хвороби як пов'язані з продуктами на основі тварин, більшість випадків зараз пов'язані з продукцією. Відбулися серйозні спалахи, пов'язані з продуктами, пов'язані з сирим шпинатом у США та з овочевими паростками в Німеччині, і ці типи спалахів стали більш поширеними. Спалах сирого шпинату в 2006 році був вироблений бактерією E. coli серотипу O157: H7. Серотип - це штам бактерій, який несе на своїй клітинній поверхні набір подібних антигенів, і часто існує безліч різних серотипів бактеріального виду. Більшість кишкової палички не є особливо небезпечними для людини, але серотип O157: H7 може викликати криваву діарею і потенційно смертельний.

Всі види їжі потенційно можуть бути заражені бактеріями. Нещодавні спалахи сальмонели, про які повідомляє CDC, відбулися в таких різноманітних продуктах, як арахісове масло, паростки люцерни та яйце. Смертельна спалах в Німеччині в 2010 році була викликана зараженням кишковою паличкою овочевих паростків (рис.\(\PageIndex{6}\)). Виявлено, що штам, який викликав спалах, є новим серотипом, який раніше не брав участі в інших спалахах, що вказує на те, що кишкова паличка постійно розвивається.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): (а) Рослинні паростки, вирощені на органічній фермі, були причиною (б) спалаху кишкової палички, яка вбила 32 людини і захворіла 3800 в Німеччині в 2011 році. Відповідальний штам, E. coli O104: H4, виробляє токсин Шига, речовина, яка пригнічує синтез білка в клітині-господаря. Токсин (c) руйнує еритроцити, що призводить до кривавої діареї. Деформовані еритроцити закупорюють капіляри нирки, що може призвести до ниркової недостатності, як це сталося з 845 пацієнтами в спалаху 2011 року. Ниркова недостатність зазвичай оборотна, але деякі пацієнти відчувають проблеми з нирками через роки. (Кредит c: НІДДК, NIH)

Кар'єрний зв'язок: Епідеміолог

Епідеміологія - це вивчення виникнення, поширення та детермінант здоров'я та захворювань у популяції. Отже, це частина охорони здоров'я. Епідеміолог вивчає частоту та розподіл захворювань у людських популяціях та середовищах.

Епідеміологи збирають дані про ту чи іншу хворобу і відстежують його поширення, щоб виявити початковий спосіб передачі. Іноді вони працюють у тісній співпраці з істориками, щоб спробувати зрозуміти, як хвороба еволюціонувала географічно та з часом, відстежуючи природну історію патогенів. Вони збирають інформацію з клінічних записів, інтерв'ю з пацієнтами, спостереження та будь-яких інших доступних засобів. Ця інформація використовується для розробки стратегій, таких як вакцинації (рис.\(\PageIndex{7}\)), та розробки політики охорони здоров'я для зменшення захворюваності або запобігання його поширенню. Епідеміологи також проводять швидкі дослідження у разі спалаху, щоб рекомендувати негайні заходи щодо боротьби з нею.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): Щеплення можуть уповільнити поширення інфекційних захворювань. (кредит: модифікація роботи Даніеля Паке)

Епідеміолог має ступінь бакалавра, а також ступінь магістра в галузі охорони здоров'я (MPH). Багато епідеміологів також є лікарями (і мають ступінь доктора філософії), або вони мають ступінь доктора філософії в пов'язаній галузі, наприклад, біології або мікробіології.

Резюме

Руйнівні хвороби та чуми були серед нас з ранніх часів. Існують записи про мікробні захворювання ще 3000 до н.е. інфекційні захворювання залишаються одними з провідних причин смерті у всьому світі. Нові захворювання - це ті, що швидко зростають у захворюваності або географічному діапазоні. Вони можуть бути новими або знову виникли захворюваннями (раніше під контролем). Багато виникаючі захворювання, що вражають людину, такі як бруцельоз, є зоонозами. ВООЗ визначила групу захворювань, повторна поява яких слід контролювати: До тих, що спричинені бактеріями, належать бубонна чума, дифтерія та холера.

Біоплівки вважаються відповідальними за такі захворювання, як бактеріальні інфекції у пацієнтів з муковісцидозом, хворобою легіонерів та отитом. Вони виробляють зубний наліт; колонізують катетери, протези, черезшкірні та ортопедичні пристрої; і заражають контактні лінзи, відкриті рани та обпалені тканини. Біоплівки також виробляють хвороби харчового походження, оскільки вони колонізують поверхні харчових продуктів та обладнання для харчової промисловості. Біоплівки стійкі до більшості методів, що застосовуються для контролю росту мікробів. Надмірне використання антибіотиків призвело до великої глобальної проблеми, оскільки з часом були обрані резистентні форми бактерій. Дуже небезпечний штам, стійкий до метициліну Staphylococcus aureus (MRSA), останнім часом спричинив хаос. Харчові захворювання виникають внаслідок споживання зараженої їжі, патогенних бактерій, вірусів або паразитів, які забруднюють їжу.

Виноски

1. 1 Папагрігоракіс МДж, Синодінос П.Н., Япіякіс С. Давня епідемія черевного тифу виявляє можливий родовий штам Salmonella enterica serovar Typhi. Заразити Генет Зло 7 (2007): 126-7, Епаб 2006 Червень.
2. 2 Намі, ТС, Леделл, КХ, Комо-Сабетті, К та ін. Порівняння інфекції золотистого стафілокока золотистого стафілокока, пов'язаної з громадською та медичною допомогою. ЯМА 290 (2003): 2976—84, дої: 10.1001/яма.290.22.2976.

Глосарій

антибіотик

біологічна речовина, яка в низькій концентрації є антагоністичною до росту прокаріотів

Чорна смерть

руйнівна пандемія, яка, як вважають, стала спалахом бубонної чуми, спричиненої бактерією Yersinia pestis

ботулізм

захворювання продукується токсином анаеробної бактерії Clostridium botulinum

CA-MRSA

MRSA, придбані в громаді, а не в умовах лікарні

виникаючі захворювання

захворювання, що робить початковий вигляд у популяції або що збільшується в захворюваності або географічному діапазоні

ендемічна хвороба

захворювання, яке постійно присутній, як правило, при низькій частоті, у популяції

епідемії

захворювання, яке зустрічається у незвично великої кількості особин в популяції одночасно

захворювання харчового походження

будь-яке захворювання, що виникає в результаті споживання зараженої їжі або хвороботворних бактерій, вірусів або інших паразитів, які забруднюють їжу

МРСА

(Метіцилін-стійкий золотистий стафілокок) дуже небезпечний штам золотистого стафілокока стійкий до множинних антибіотиків

пандемія

широко поширені, зазвичай у всьому світі, епідемічні захворювання

серотип

штам бактерій, який несе набір подібних антигенів на своїй клітинній поверхні, часто багато в бактеріальному виді

зооноз

захворювання, яке в першу чергу заражає тварин, яке передається людині