Zmienność mikroorganizmów ma ogromny wpływ na ich chorobotwórczość i szeroko pojętą patogenność [28, 33]. Krętki
Występowanie mikroorganizmów w różnych formach morfologicznych na ogół wpływa na ich patogenność, daje również możliwość „chowania” się przed mechanizmami obronnymi ustroju gospodarza, co rzutuje na charakter, przebieg i czas trwania infekcji. Sprzyja zwiększonej tolerancji na związki o działaniu przeciwdrobnoustrojowym czyniąc zastosowaną terapię nieskuteczną (może to mieć związek m.in. ze znacznym spadkiem aktywności metabolicznej „nowych” form morfologicznych) [20, 28]. Nie bez znaczenia są również trudności diagnostyczne z jakimi mamy często do czynienia w przypadku tak zmiennych mikroorganizmów [11, 13, 20].
U niektórych mikroorganizmów mogą powstawać specyficzne odmiany morfologiczne, tzw. formy SCVs – Small Colony Variants, określane w literaturze jako warianty małych kolonii [46, 50]. Pierwszy opisany gatunek, u którego wykryto możliwość tworzenia takich form to
Warto jednak zaznaczyć, że za najczęstszych „producentów” form SCV uznaje się
Odmienne właściwości form SCV rzutują na patogenność jak i charakter zakażeń wywołanych przez bakterie bytujące pod taką właśnie postacią morfologiczną. Najważniejsze, z punktu widzenia klinicznego, cechy charakterystyczne dla SCV w porównaniu do „typowych form” czyli tzw. form dzikich to znacznie wolniejszy wzrost i w konsekwencji mniejsze kolonie, nawet dziesięciokrotnie [5, 24, 45]. Subpopulacje komórek SCV mogą charakteryzować się odmiennymi właściwościami biochemicznymi i metabolicznymi, np. zmienionym metabolizmem węglowodanów [7], utratą zdolności wytwarzania enzymów czy toksyn, zmienioną ekspresją niektórych genów, a więc w pewien sposób zmienioną ekspresją czynników wirulencji [18, 24, 53]. Znacznie obniżona aktywność metaboliczna, której efektem są małe rozmiary komórek, daje również możliwość przeżycia wewnątrzkomórkowego [18, 50] i powoduje zwiększoną tolerancję na związki o działaniu przeciwdrobnoustrojowym, co ma ogromne implikacje kliniczne [11, 16].
Formy SCV
Podobnie jak u
Wszystkie wymienione właściwości form SCV powodują, że pomimo zmniejszonej zjadliwości, formy te często odpowiadają za zakażenia przewlekłe, nawracające, o słabo zaznaczonych objawach klinicznych i co najistotniejsze, trudne do leczenia. Za najważniejsze uznaje się fakt utrzymywania wewnątrzkomórkowego, czyli zdolność przeżycia w komórkach gospodarza i unikanie działania układu immunologicznego, a także zmniejszoną podatność na związki o działaniu przeciwdrobnoustrojowym [15, 53]. Małe warianty kolonii są trudne do usunięcia z organizmu człowieka pomimo zastosowania skojarzonej terapii przeciwdrobnoustrojowej [53]. Istotne wydaje się również to, że selekcja takich form może mieć miejsce pod wpływem stosowanej antybiotykoterapii, w trakcie infekcji [18, 24] i co równie ważne, formy Small Colony Variants mogą „wracać” do fenotypu prawidłowego [46]. SCV pochodzące z materiału klinicznego to często właśnie formy niestabilne, powracające do formy „typu dzikiego” [53]. Według niektórych autorów stabilny fenotyp SCV najczęściej izolowany jest od pacjentów z zakażeniami przewlekłymi (np. zapalenie kości i szpiku, mukowiscydoza). Niestabilne odmiany Small Colony Variants to najczęściej formy powstałe po ekspozycji na antybiotyki, głównie aminoglikozydy i trimetoprim, czy warunki imitujące środowisko wewnątrzkomórkowe, przede wszystkim stres oksydacyjny czy niskie pH [45].
Pomimo tego, że prace nad powstawaniem form SCV trwają już od jakiegoś czasu wszystkie aspekty ich tworzenia nadal nie są jasne. Najprawdopodobniej powstają one w wyniku auksotrofii prowadzącej do defektów w elementach łańcucha transportu elektronów i produkcji ATP. Najczęściej dotyczy ona biosyntezy menadionu, heminy, tymidyny czy kwasów tłuszczowych [21].
Antybiotykoterapia wydaje się istotnym elementem przyczyniającym się do powstania form SCV. Nie w każdym przypadku można wykazać korelację pomiędzy typem auksotrofii a zastosowanym antybiotykiem. Dane literaturowe pokazuję jednak, że po zastosowaniu aminoglikozydów najczęściej dochodzi do rozwoju form Small Colony Variants zależnych od menadionu czy heminy. Pojawienie się form SCV zależnych od tymidyny ma miejsce natomiast najczęściej po terapii z zastosowaniem trimetroprimu-sulfametoksazolu. Najprawdopodobniej inne antybiotyki i chemioterapeutyki – klindamycyna, moksyfloksacyna – również sprzyjają transformacji komórek typu dzikiego w formę SCV [16].
Wspomniane już wcześniej zaburzenia w transporcie elektronów mogą prowadzić do zmian w potencjale transbłonowym co może chronić bakterie przed działaniem różnych związków o aktywności przeciwbakteryjnej [25]. Zmniejszenie potencjału transbłonowego skutkuje utrudnionym transportem aminoglikozydów do komórki i tym samym zmniejszoną wrażliwością na antybiotyki aminoglikozydowe, ale jednocześnie zmniejszoną produkcją ATP, co przyczynia się do powstania subpopulacji SCV. Warto zaznaczyć, że w przypadku komórek o fenotypie SCV, w wyniku zaburzeń w syntezie heminy i menadionu, występują defekty w cytochromie lub menachinonie, (nie dochodzi do syntezy cytochromu i menachinonu) czyli składowych łańcucha transportu elektronów [5, 11, 21, 25]. Jest to najprawdopodobniej wynikiem mutacji genów kodujących enzymy, które są zaangażowane w syntezę obu tych cząsteczek [11]. SCV zależne od tymidyny powstają w wyniku mutacji dotyczącej syntazy tymidylanu czyli enzymu, który odpowiedzialny jest za przekształcenie monofosforanu dezoksyurydyny (dUMP) do monofosforanu dezoksytymidyny (dTMP). Tymidynozależne SCV powstają najczęściej po długotrwałej terapii z zastosowaniem trimetoprimu-sulfametoksazolu [11]. Izolacja form SCV zależnych od tymidyny często ma miejsce w przypadku zakażeń przewlekłych np. dotyczących tkanek miękkich czy dróg oddechowych, głównie w przebiegu mukowiscydozy u pacjentów leczonych wspomnianym już wcześniej trimetroprimem-sulfametoksazolem (SXT). SXT działa jak kofaktor syntazy tymidylanowej (
Tuschscherr i wsp. [52] oceniali możliwości leczenia przewlekłego zapalenia kości i szpiku, wrażliwość na antybiotyki jak i zdolność do indukowania tworzenia form SCV przez zastosowane związki przeciwdrobnoustrojowe. Autorzy stosowali m.in. ludzkie osteoblasty i szczepy kliniczne
W badaniach z zastosowaniem osteoblastów autorzy wykazali zwiększoną częstość tworzenia subpopulacji SCV po 48 h od zastosowania gentamycyny, fosfomycyny i klindamycyny [52].
Selekcja fenotypu SCV może być także wynikiem ekspozycji na stosowane antyseptyki. Subpopulacja SCV nie wykazuje na ogół w takim przypadku żadnej konkretnej auksotrofii [11].
Autorzy pracy z 2020 roku [21] zwracają uwagę, między innymi, na wzajemne oddziaływanie różnych mikroorganizmów względem siebie jako czynnik przyczyniający się do selekcji subpopulacji komórek SCV [21]. W pracy skupiono się przede wszystkim na wpływie innych gatunków na selekcję fenotypu Small Colony Variants u gronkowca złocistego. Jednym z takich oddziaływań jest wzajemna korelacja
Nie ma istotnych dowodów na to, że inne gatunki indukują tworzenie form SCV, ale jak zaznacza autor wspomnianej pracy [21] jest to możliwe w przypadku każdego mikroorganizmu, który negatywnie wpływa na przeżycie
Jak zaznacza Stoneham, tworzenie małych wariantów kolonii przez
Po przekroczeniu przez gronkowce bariery nabłonka, w reakcjach obronnych organizmu człowieka biorą udział neutrofile, które dążą do zabicia wewnątrzkomórkowego wnikającego patogenu. Odbywa się to przede wszystkim z zastosowaniem aktywnych form tlenu i białek przeciwdrobnoustrojowych (AMP – Antimicrobial Peptides). Warto zaznaczyć, że gronkowce dysponują różnymi czynnikami chorobotwórczości, które ułatwiają im unikanie aktywności układu immunologicznego organizmu człowieka [8]. Nie bez znaczenia jest również zdolność do tworzenia struktur biofilmu przez te mikroorganizmy. Biofilm chroni komórki gronkowców przed niekorzystnym działaniem mechanizmów układu odpornościowego człowieka [8].
Podobnie jest w przypadku
Badania z 2010 roku prowadzone przez Tuchscherr i wsp. [51] pokazują, że zdolność „przetrwania” form SCV
Magryś i wsp. [25] oceniając możliwość przeżycia from SCV
Stymulacja syntazy tlenku azotu doprowadza do wydzielania wspomnianego już wcześniej tlenku azotu. Do ekspresji syntazy dochodzi głównie pod wpływem czynników zapalnych. Wydzielany w dużych ilościach tlenek azotu oddziałuje przede wszystkim z białkami fagocytowanych bakterii. Wykazano, że pobudzenie do wydzielania syntazy tlenku azotu w przypadku subpobulacji SCV
W przypadku
Warto zaznaczyć, że różne czynniki chorobotwórczości pałeczki ropy błękitnej, szczególnie wydzielane toksyny i enzymy, chronią
Ważnym elementem w ochronie przed działaniem układu odpornościowego organizmu człowieka jest biofilm tworzony przez te mikroorganizmy. Bakterie w utworzonej strukturze biofilmu mają spowolnioną szybkość replikacji i znacznie wolniejszy metabolizm. Wszystkie cechy biofilmu powodują, że komórki bakterii nie są już tak dostępne dla komórek układu immunologicznego i charakteryzują się znacznie większą opornością na związki o działaniu przeciwdrobnoustrojowym, głównie na antybiotyki [40]. Warto zaznaczyć, że istotną rolę odgrywa zewnątrzkomórkowy polisacharyd, czyli alginian, który jest jednym z najbardziej istotnych i głównych składników biofilmu. Pomaga w dojrzewaniu jak i w utrzymaniu stabilności biofilmu. Jego obfite wydzielanie do przestrzeni międzykomórkowej utrudnia znacznie proces fagocytozy i zwiększa oporność na antybiotyki [27, 54].
Dane literaturowe pokazują, że właściwości fenotypowe Small Colony Variants
Gronkowiec złocisty to czynnik etiologiczny zakażeń o różnym obrazie klinicznym: od łagodnych po ciężkie, zagrażające życiu człowieka [16, 23]. Może wywoływać infekcje miejscowe dotyczące praktycznie wszystkich tkanek i narządów jak i zakażenia ogólnoustrojowe [16]. Jest czynnikiem sprawczym m.in. zakażeń skóry, dróg oddechowych, miejsca operowanego, zakażeń związanych ze stosowaniem biomateriałów czy zatruć pokarmowych [6, 16]. Odgrywa istotną rolę w zakażeniach ortopedycznych. Zakażenia dotyczące kości i stawów o etiologii
Za patogenność tych mikroorganizmów odpowiadają ich różnorodne czynniki chorobotwórczości, zarówno wydzielane toksyny, enzymy, struktury powierzchniowe czy ich zdolność do tworzenia biofilmu [6]. Czynniki te umożliwiają kolonizację, inwazję, niszczenie tkanek ustroju gospodarza czy uciekanie przed działaniem układu immunologicznego [6].
Gronkowce koagulazoujemne, z dominacją
W przewlekły charakter zakażeń bardzo dobrze wpisują się warianty małych kolonii gronkowców. W literaturze możemy znaleźć opisy zakażeń, w których nawracający, przedłużający się charakter związany był najprawdopodobniej z pojawieniem się subpopulacji SCV [16].
Pierwsze przypadki nawracającego okołoprotezowego zakażenia stawów, których przyczyną stała się subpopulacja SCV
Tande i wsp. [49] przeprowadzili charakterystykę porównawczą okołoprotezowego zapalenia stawów, które wywołane było przez formę SCV i szczep o fenotypie prawidłowym. Autorzy opisali również wyniki leczenia w obu grupach pacjentów. Do badań zakwalifikowali 113 pacjentów, przede wszystkim poddanych artroplastyce kolana. U 38 stwierdzili obecność formy SCV, u pozostałych 75 izolowano fenotyp prawidłowy. W obu grupach najczęściej izolowano
Loss i wsp. [23] w 2019 roku opisali przypadek pacjenta z ostrym i nawrotowym zakażeniem po alloplastyce lewego kolana. W obu przypadkach izolowano gronkowca złocistego. Pierwsza izolacja miała miejsce podczas pierwszego, ostrego epizodu zakażenia (fenotyp prawidłowy). Kolejna, prawie 3 lata później, podczas nawrotu zakażenia (fenotyp SCV). Wykazano, że obie formy, zarówno szczep dziki jak i SCV, wykazywały zdolność do hemolizy i produkcję pigmentu. Kolonie SCV były 8-krotnie mniejsze i rosły wolniej w porównaniu do fenotypu prawidłowego. Obie formy wykazywały metycylinowrażliwość. Ściana komórkowa SCV była grubsza od ściany komórkowej fenotypu dzikiego. Autorzy pracy nie wykazali powrotu do fenotypu prawidłowego po inkubacji z menadionem, heminą czy tymidyną [23].
Bogut i wsp. [4] oceniali częstość izolacji subpopulacji SCV u pacjentów poddanych usunięciu protezy stawu biodrowego oraz u pacjentów z podejrzeniem okołoprotezowego zapalenia stawów. Autorzy przeprowadzili charakterystykę wyizolowanych form, określili ich auksotrofię (heminy, menadionu lub tymidyny), zdolność do tworzenia biofilmu (m.in. obecność operonu
W 2018 roku [15] opisano przypadek pacjentki z nawracającą protetyczną infekcją stawu biodrowego, która najprawdopodobniej wywołana była przez formę SCV
Askar i wsp. [1] opisali przypadek 50-letnej pacjentki z okołoprotezowym zapaleniem stawu kolanowego o etiologii
Kolejny zespół naukowców opisał przypadek 73-letniego pacjenta, od którego wyizolowano formę SCV
Kolejne doniesienie omawia przypadek 46-letniego pacjenta, u którego w wyniku wypadku doszło do zamkniętego złamania kości ramieniowej. U pacjenta zastosowano zespolenie złamanych elementów kości (śruby) i wdrożono terapię przeciwdrobnoustrojową (cefoperazon z sulbaktamem i ceftazydym). Pacjent czuł się dobrze, po 2 tygodniach zaczął odczuwać uporczywy ból w okolicy złamania, a 6 miesięcy później doszło do wytworzenia ropnej przetoki. U pacjenta stosowano terapię przeciwbakteryjną, głównie cefalosporyny II i III generacji. Barwienie metodą Grama ropy pobranej od pacjenta wykazało obecność Gram-dodatnich ziarniaków, układających się w nieregularne skupiska. Posiew ropy wykazał obecność małych, niewykazujących hemolizy i bez produkcji barwnika kolonii. Wyizolowany szczep był wrażliwy na wankomycynę i oporny na oksacylinę, azytromycynę, kotrimoksazol i cefpodoksym. Wykazano auksotrofię względem menadionu [41].
Opisane przypadki nie świadczą tylko o udziale form SCV różnych gatunków gronkowców w zakażeniach ortopedycznych, głównie tych związanych ze stosowaniem biomateriałów. Tego rodzaju zakażenia mogą dotyczyć również dróg oddechowych, zakażeń skóry i tkanek miękkich, zakażeń ogólnoustrojowych czy zapalenia wsierdzia [16].
Yagci i wsp. [58] scharakteryzowali szczepy SCV
Bhattaacharyya i wsp. [3] opisali przypadek infekcyjnego zapalenia wsierdzia o etiologii SCV
Von Eiff [55] opisał przypadek uporczywej infekcji skóry wywołanej przez różne fenotypy
Na potrzeby artykułu przedstawiono opisy tylko niektórych historii pacjentów, w przypadku których czynnikiem zakażeń były formy SCV gronkowców. Autorzy opracowania zachęcają do szerszego zapoznania się dostępnymi w literaturze opisami klinicznymi przypadków [16, 56].
Pałeczka ropy błękitnej, podobnie jak gronkowiec złocisty, dysponuje znaczną liczbą czynników patogenności, które pozwalają na adhezję do komórek gospodarza i do elementów obcych, inwazję czy unikanie mechanizmów odpornościowych organizmu człowieka. Wywołuje zakażenia oportunistyczne, będąc zagrożeniem przede wszystkim dla chorych na mukowiscydozę, pacjentów z rozległymi oparzeniami, czy osób w głębokiej immunosupresji. Może powodować zapalenie oskrzeli, płuc, ropne infekcje ran, zapalenie mieszków włosowych, zapalenie ucha zewnętrznego, bakteriemię, zapalenie wsierdzia czy zakażenia układu moczowego [54]. W literaturze można spotkać opisy przypadków klinicznych różnych zakażeń związanych z tworzeniem form SCV tych mikroorganizmów [30, 43].
Schneider i wsp. [43] opisali przypadki jednoczesnej izolacji
Müsken i wsp. [30] określali aktywność aztreonamu, kolistyny i tobramycyny wobec form planktonowych
Kolejny zespół zbadał częstość izolacji SCV
W literaturze można znaleźć opisy przypadków klinicznych, gdzie czynnikiem sprawczym były formy SCV innych niż gronkowiec złocisty czy pałeczka ropy błękitnej mikroorganizmów [9, 31, 35].
Nagano i wsp. [31] opisali przypadek dziewczynki z nawracającym zapaleniem pęcherza moczowego. Czynnikiem sprawczym okazał się tymidynozależny fenotyp SCV
Podobnie kolejny zespół scharakteryzował przypadek zakażenia układu moczowego u 86-letniej pacjentki, które również wywołane było przez subpopulację Small Colony Variants
Odnotowano również przypadek zapalenia wsierdzia wywołany przez odmianę małych wariantów kolonii
Jak zaznaczają autorzy formę SCV
Kolejny zespół opisał przypadek izolacji form SCV
Chociaż pierwsze informacje o tworzeniu nowych, różniących się od fenotypu prawidłowego komórek SCV, pojawiły się ponad 100 lat temu, nie wszystkie mechanizmy dotyczące ich powstawania są wyjaśnione. Można przypuszczać, że tworzenie się form Small Colony Variants to jedna ze strategii przetrwania mikroorganizmów, być może forma przystosowawcza do panujących, często niekorzystnych, warunków otoczenia. SCV daje szansę na ucieczkę przed mechanizmami odpornościowymi organizmu człowieka, działaniem antybiotyków czy innych związków przeciwdrobnoustrojowych, a także na kolonizację i w konsekwencji rozwój zakażenia [16, 45].
Znajomość właściwości form SCV i ich znaczenia klinicznego może przyczynić się do właściwego postępowania diagnostycznego i terapeutycznego.