Химиотерапия бактериальных и вирусных инфекций
Е.Н. ПАДЕЙСКАЯ, доктор медицинских наук, профессор, консультант Альянса клинических химиотерапевтов и микробиологов. КЛИНИЧЕСКАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ И ХИМИОТЕРАПИЯ НА РУБЕЖЕ ВЕКОВ
Вторая половина XX века ознаменовалось огромными (и это не преувеличение) успехами в области лечения различных инфекций, в первую очередь бактериальных, затем микозов и протозойных заболеваний и наконец - частично вирусных инфекций. Эти успехи по значению соответствуют важнейшим достижениям науки нашего столетия.
Практический врач уже не представляет себе успешного лечения инфекционно-воспалительных процессов, и особенно тяжелых инфекций без применения активных антимикробных средств. Эти препараты называются химиотерапевтическими, а этиотропная (причинная) терапия инфекций химиотерапией. За последние годы химиотерапия стала самостоятельным, очень важным разделом науки о лекарствах. Это определяется достигнутыми за последние 50 лет успехами в области общей и клинической микробиологии; в изучении закономерностей возникновения и течения инфекционных заболеваний; в создании очень большого числа высокоэффективных антимикробных препаратов; в изучении механизмов их действия на микробную клетку и механизмов, определяющих развитие к ним резистентности у микроорганизмов, а также широкими клиническими исследованиями по разработке оптимальных схем и режимов химиотерапии различных инфекций.
Каковы основные достижения микробиологии и химиотерапии, которые обеспечили успехи в лечения инфекций?
Совершенствование методов культивирования, выделения и идентификации микроорганизмов, успехи биохимии и генетики, определение структуры и функции ДНК, РНК и других компонентов микробной клетки, открытие электронного микроскопа и возможность изучения ультраструктуры объектов, недоступных для исследования в световом микроскопе, - все это принципиально расширило представления о возможных возбудителях инфекций, особенностях их строения и свойствах. Сегодня рассматриваются следующие, различные по свойствам, группы патогенов, вызывающих инфекционные заболевания, - прионы , вирусы, бактерии, грибы и протозоа.
Прионы, или прионовые белки, - новейший класс инфекционных агентов (расшифровка их природы относится к началу 80-х годов) - мельчайшие белковые структуры, лишенные нуклеиновых кислот, способные при определенных условиях трансформироваться, приобретать высокую устойчивость к действию ферментов, физических и химических факторов, проявлять инфекционные свойства, повреждая нервную ткань с образованием так называемых губчатых структур без классической воспалительной реакции. Они являются причиной особых "медленных инфекций" (очень длительный инкубационный период- месяцы, годы; прогрессирующее течение; необычность поражения тканей и неизбежный смертельный исход). У людей описано четыре прионных заболевания, из которых наиболее известна болезнь Крейтцфельдта-Якоба, или губчатый энцефалит.
В отличие от прионов вирусы - наименьшие по размерам патогены, имеющие в структуре одну из двух типов нуклеиновых кислот ДНК или РНК; соответственно, рассматривают ДНК-РНК вирусы. Это - облигатные внутриклеточные патогены, репродукция которых зависит от клеток хозяина (растения или макроорганизмы). Идентифицировано много различных вирусов, вызывающих болезни у человека.
Особенностью химиотерапии является непростое взаимодействие в инфицированном организме трех факторов (классическая триада): возбудителя инфекции, организма больного и химиотерапевтического препарата. Последний должен характеризоваться избирательным действием только на клетки микроорганизма, не повреждая клетки организма больного. Изучение реакций макроорганизма определило крайне важную роль иммунной системы в химиотерапевтическом эффекте.
Пока успехи в изучении природы прионных и вирусных заболеваний не идут параллельно созданию эффективных химиотерапевтических препаратов для их лечения. Эта проблема переходит в XXI век, хотя определенные успехи в лечении герпес-вирусных инфекций и гриппа уже достигнуты. Интенсивно ведутся исследования по поиску препаратов для лечения СПИДа. Основные достижения в борьбе с вирусными инфекциями связаны с успешным профилактическим применением вакцинных препаратов.
Бактерии крупнее вирусов, доступны для обычной световой микроскопии, имеют в своей структуре одновременно ДНК и РНК, размножаются поперечным бинарным делением. За последние годы, с одной стороны, выделены и идентифицированы новые представители бактерий (в том числе патогенные для человека), с другой - несколько изменены подходы к их классификации. В настоящее время к бактериям относят большую группу микроорганизмов - "истинные" бактерии, то есть ранее хорошо известные различные семейства аэробных или анаэробных бактерий, палочковидные, кокковые грамотрицательные и грамположительные, затем спириллы, микобактерии, хламидии и рикетсии. Эти микроорганизмы или культивируются на искусственных питательных средах ("истинные" бактерии, микобактерии, микоплазмы), или размножаются и выживают только в цитоплазме инфицированных клеток млекопитающих (так называемые внутриклеточные микроорганизмы - хламидии, риккетсии, бартонеллы).
Несомненны большие успехи в терапии бактериальных заболеваний. Высокоэффективные препараты разработаны более чем в 20 различных классах химических веществ:
- структуры, полученные только путем химического синтеза (синтетические препараты);
- соединения, которые являются продуктами жизнедеятельности микроорганизмов (природные антибиотики);
- соединения, которые получены на основе природных антибиотиков путем химической модификации (полусинтетические антибиотики).
Важнейшими достижениями являются расшифровка механизмов их действия на микробную клетку (см. табл.) и определение механизмов развития устойчивости бактерий к этим препаратам. Изучены важные закономерности развития резистентности у клинических штаммов бактерий. Проблема резистентности в настоящее время находится в центре внимания химиотерапевтов - в ряде случаев она оказывается существенным препятствием для успешной химиотерапии и именно поэтому стимулировала поиски новых антимикробных препаратов. Эти исследования шли путем модификации уже известных химических структур, поиска новых оригинальных классов химических веществ с антимикробной активностью, разрабатывались также комбинированные препараты, когда усиление активности обеспечивалось суммацией или потенцированием эффекта или подавлением активности тех ферментов микробной клетки, которые могли инактивировать действие химиотерапевтического препарата. В последнем случае наиболее современными высокоэффективными комбинированными препаратами являются сочетания бета-лактамов с ингибиторами бета-лактамаз (например, сочетание амоксициллина с клавулановой кислотой - препарат аугментин).
Значительные успехи достигнуты в изучении заболеваний, вызванных грибами и патогенными простейшими; морфологически (в сравнении с бактериями) это - более крупные и сложнее организованные клеточные структуры с четко дифференцированным ядром. Созданы эффективные противогрибковые и противопротозойные препараты. Наибольшее значение, исходя из степени активности, спектра действия и переносимости, в настоящее время имеют препараты группы азолов - имидазолы, триазолы (кетоконазол, итраконазол, фторконазол и некоторые другие). В рамках данного предисловия, к сожалению, нет возможности более подробно рассмотреть эти достижения.
Развитие химиотерапии связано с разработкой методов клинического изучения химиотерапевтических препаратов. С целью наиболее объективной оценки эффективности и доказательств преимущества новых препаратов по сравнению с известными (в настоящее время это обязательное условие) разработаны принципы и схемы клинической апробации на основе сравнительных контролируемых исследовании при строгом выполнении всех условий и критериев оценки, включая информируемость и согласие больного на применение нового препарата на стадии изучения. Эти международные правила получили название "качественная клиническая практика" (GCP - Good Clinical Practice) и состоят их четырех фаз (стадий) изучения препаратов после детального до-клинического (экспериментального) изучения.
Настоящий номер журнала рассказывает об успехах и проблемах в области бактериальных заболеваний. Рациональной терапии широко распространенных инфекций дыхательных путей (ИДП) посвящены статьи профессоров А.И. Синопальникова и В.К. Таточенко. К настоящему времени на основании достижений микробиологии хорошо изучны спектр и преимущественные возбудители ИДП в зависимости от локализации процесса (верхние и нижние ДП), эпидемиологических и социальных факторов (внебольничные и госпитальные пневмонии). Это во многом определило успех эмпирической терапии на ранних стадиях болезни. Не менее важным является вопрос о рациональной терапии острых инфекций верхних дыхательных путей, особенно в педиатрии. Необходимо избегать неоправданного назначения антибактериальных препаратов при вирусной этиологии заболевания.
Успех печения зависит от точности и правильности диагноза. Для врача любой специальности всегда остается сложной дифференциальная диагностика, поэтому особый интерес представляет статья профессора В.Б. Белобородова о лихорадках неясной этиологии (ЛНЭ). В работе рассмотрены практически все крайне сложные вопросы этой проблемы и методические подходы к постановке правильного диагноза. Несомненно, что к особым трудностям диагностики, кроме ЛНЭ, относится распознавание "медленных инфекций". Проблема лечения тяжелых инфекций рассматривается очень подробно в статье профессора М.Н. Зубкова на примере терапии эндокардитов. Автор рекомендует алгоритмы и схемы лечения этого серьезного инфекционного заболевания в зависимости от возбудителя, локализации поражения, остроты и длительности процесса и причин развития эндокардита. Вопрос о "новых" бактериальных заболеваниях представлен в статье профессора И.С. Тартаковского на примере легионеллеза, возбудитель которого открыт в 1976 г. Разработаны специальные методы культивирования легионелл и иммунологические и молекулярно-биологические методы диагностики заболевания, демонстрирующие успехи клинической и молекулярной биологии. Урогенитальные инфекции (УГИ) - одна из широко распространенных серьезных проблем инфекционной патологии. В статье профессора А.С. Анкирской убедительно показано значение достижений клинической микробиологии для правильной диагностики и, соответственно, для лечения вагинитов и бактериальных вагинозов. В работе доктора медицинских наук М.А. Гомберга рассмотрен вопрос лечения УГИ, вызванных хламидиями. Для терапии таких инфекций необходимы препараты, которые хорошо проникают в клетки фагоцитарной системы. Новые макролиды, особенно пролонгированного действия, позволяют успешно лечить хламидиоз, причем не только локализованной в урогенитальном тракте. Последние клинические исследования показывают несомненное значение некоторых фторхинолонов (офлоксацин, лрмефлоксацин) в терапии хламидийной инфекции различной локализации, в том числе у больных ревматизмом и в офтальмологической практике.
Важнейшие группы антибактериальных препаратов (успехи за 50 лет)
Феноменальный успех, достигнутый антибиотиками и химиотерапевтическими препаратами в контроле над бактериальными заболеваниями резко контрастирует с фактическим отсутствием безопасных и эффективных лекарственных препаратов против вирусных заболеваний. Поскольку вирусы - строгие внутриклеточные паразиты, которые используют биосинтетические механизмы клетки-хозяина для воспроизводства, опасались, что не существует возможности вирусную репродукцию без того, чтобы повредить клетку - хозяин. Однако, имеется несколько областей, доступных для селективного воздействия на вирусы.
Вирусная инфекция может быть остановлена на уровне прикрепления, транскрипция вирусной нуклеиновой кислоты, трансляции вирусной м-РНК, репликации вирусной нуклеиновой кислоты и сборки и выхода вирусного потомства. Мишенью могут быть также внеклеточные вирионы. Был обнаружен ряд вирусспецифических ферментов, которые могут селективно ингибировать таким образом, что предупреждают размножение вирусов без поражения клеток хозяина.
Первый клинически полезный антивирусный препарат был получен в 1960 г., когда было обнаружено, что N-метилсатин-бета-тиосемикарбазон (Метисазон, марборан) может быть эффективным против поксвирусов. Он с успехом применялся при экземе вакцинированныхЭто использовалось успешно против экземы vaccinatum и для профилактики и лечения оспы. Вскоре после этого, однако, натуральная оспа была искоренена, и препарат вышел из употребления.
В 1962 г. было обнаружено, что противоопухолевое лекарственное средство идоксуридин эффективно при герпетической глазной инфекции. Примерно в то же время, амантадин, молекула с необычной структурой, синтезированная для использования в качестве потенциального взрывчатого вещества, оказался неэффективным для этой цели, но была обнаружена его активность против вируса гриппа тип А. Заметной вехой стало открытие в 1970-ых годах ацикловира, который был эффективен против вирусов герпеса и достаточно безопасен при парентеральном введении. Как интуитивные, так и планомерные поиски привели к созданию многих антивирусных агентов, потребность в которых стала особенно острой с появлением пандемии СПИДА.
Доступные антивирусные агенты могут рассматриваться по следующими категориям:
Дезоксиуридины. Эти аналоги тимидина блокируют тимидинкиназу и эффективны против вируса простого герпеса. Первый из них был 5-йодо-2-дезоксиуридин (идоксуридин, IDU) использовался местно при герпетическом кератите. Родственный 5-трифлуорометил-2-дезоксиуридин (трифлуридин, TFT), более растворимый и менее ядовитый, заменил IDU. Бромвинилдезоксиуридин (BVDU) нетоксичен и даже более активен, особенно против вируса ветряной оспы-опоясывающего герпеса.
Аденинарабинозид (видарибин, ара-А) содержит в аденине вместо рибозы арабинозу. Он использовался местно при герпетическом кератите и парентерально против herpes simplex и инфекций вирусом опоясывающего герпеса-ветряной оспы. Однако для лечения системных инфекций он было заменен ацикловиром.
Ацикловир (ацилгуанозин) - аналог гуанина, активен против вирусов герпеса через тимидинкиназу. Вирусы герпеса, которые кодируют собственную тимидинкиназу (вирус простого герпеса, вирус опоясывающего герпеса-ветряной оспы) гораздо более восприимчивы, чем вирусы, не кодирующие ее (цитомегаловирус, вирус Эпштейна-Барр). Родственный препарат ганцикловир более активен против цитомегаловируса.
Широко известное лекарственное средство азидотимидин (зидовудин, АЗТ), применяемое против ВИЧ-инфекции, - аналог тимидина, который блокирует синтез провирусной ДНК, подавляя вирусную обратную транскриптазу. АЗТ уменьшает заболеваемость и продлевает выживание больных СПИДом, но является токсичным и дорогостоящим.
Синтезирован ряд дидеоксинуклеозидов (дидеоксицитидин, или ДДЦ, дидеоксиинозин или ДДИ, дидеоксиаденозин или ДДА) и обнаружено, что они обладают анти-ВИЧ активностью, блокируя, блокируя обратную транскриптазу.
Рибавирин (виразол) - синтетический нуклеозид, родственный с гуанин-рибозидом. Он проявляет активность против многих ДНК- и РНК-содержащих вирусов. Применяемый в виде аэрозоля, он оказался эффективным при лечении инфекции, вызванной респираторно-синцитиальным вирусом, а также гриппа. Есть сообщения, что внутривенно введенный рибавирин был эффективным против лихорадки Ласса и других геморрагических лихорадок.
2. Другие препараты: Амантадин (адамантанамин гидрохлорид, симметрол) блокирует проникновение в клетку-хозяина вируса гриппа типа А, но не типа В или С., но не B или C. Производное амантадина, ремантадин, менее ядовит и в равной мере эффективен.
Энвироксим и родственные вещества обнаруживают активность против риновирусов.
Фоскарнет (тринатрийфосфатоформиат) специфически подавляет ДНК-полимеразу вируса простого герпеса и обладает также некоторым действием против вируса гепатита B и ВИЧ.
У сурамина, созданного в качестве антипаразитарного средства в 1916 г., была обнаружена способность ингибировать обратную транскриптазу, и он был одним из первых лекарственных средств, используемых при СПИДе. Из-за токсичности и недостаточной эффективности его использование было прекращено.
3. Интерфероны. Открытие интерферонов с активностью против широкого диапазона вирусов дало надежду их применения как антивирусных средств. Однако, большинство испытаний были неудачными. Некоторый положительный эффект был получен при хронических инфекциях типа гепатита B и C, папилломы гортани и при цитомегаловирусной инфекции у реципиентов трансплантата. Высокие дозы интерферона приводят к токсическому действию.
Несмотря на интенсивные усилия, прогресс в области антивирусной химиотерапии недостаточен. Это зависит от многих факторов.
Многие соединения проявляют антивирусную активность в культуре тканей, но большинство из них оказываются неэффективными или токсичными при испытаниях на животных. Пригодные лекарственные средства имеют узкий диапазон активности. Они редко способны полностью освободить организм хозяина от вируса, так что часто развивается рецидив. Вирусы приобретают устойчивость к лекарствам, и беспрепятственное развитие инфекции имеет место иногда даже во время лечения. Состояние антивирусной химиотерапии в настоящее время подобно пресульфаниламидной эре при бактериальных инфекциях. Можно высказать надежду, что лучшее понимание молекулярной и клеточной биологии вирусов и взаимодействия вирусов с организмом хозяина может привести к созданию более эффективной антивирусной химиотерапии.
1. Медична мікробіологія, вірусологія та імунологія : підручник для студ. Вищ. Мед. Навч. заклад. / За редакцією В.П.Широбокова/ Видання 2-е. – Винниця : Нова книга, 2011. – 952 с.
2. Протченко П.З. Загальна мікробіологія, вірусологія та імунологія. Вибрані лекції: Навч. посібник . – Одеса: Одес. Держ. мед. ун-т, 2002. – 298 с.
3. Пятк³н К. Д., Кривоше¿н Ю.С. М³кроб³олог³я. - К : Высшая школа, 1992. - 432 с.
Тимаков В.Д., Левашев В.С., Борисов Л.Б. Микробиология. - М : Медицина, 1983. - 312 с.
4. Борисов Л.Б., Козьмин-Соколов Б.Н., Фрейдлин И.С. Руководство к лабораторным занятиям по медицинской микробиологии, вирусологии и иммунологии / под ред. Борисова Л.Б. – Г. : Медицина, 1993. – 232 с.
5 Медицинская микробиология, вирусология и иммунология: Учебник под ред. А.А.Воробьева. – М.: Медицинское информационное агентство, 2004. - 691 с.
6. Медицинская микробиология, вирусология, иммунология /ред. Л.Б. Борисов, А.М. Смирнова. - М: Медицина, 1994. - 528 c.
5. Букринская А.Г. Вирусология. – М.:Медицина, 1986. – 336 с.
Лекция 23. РНК-ГЕНОМНЫЕ ВИРУСЫ. ДНК-геномные вирусы
К РНК-содержащим вирусам относят 13 семейств: Reoviridae, Togaviridae, Retroviridae, Bunyaviridae, Flaviviridae, Coronaviridae, Rhabdoviridae, Filoviridae, Paramyxoviridae Orthomyxoviridae, Bunyaviridae, Arenaviridae, Retroviridae, Picornaviridae, Caliciviridae:
Таблица 1. РНК -ГЕНОМНЫЕ ВИРУСЫ
Reovirus Orbivirus Rotavirus
Реовирусы типов I -3 Вирус кемеровской лихорадки, Ротавирусы человека
Вирусы карельской лихорадки, лошадиных энцефаломиелитов Вирус краснухи Вирус чумы животных
Вирусы клещевого, японского энцефалитов денге, желтой лихорадки
Вирус везикулярного стоматита Вирус бешенства
Вирусы Марбург, Эбола
Paramyxovirus Morbillivirus Pneumovirus
Вирусы парагриппа I-5 типов, вирус паротита Вирус кори Респираторно-синцитиальный вирус
Influenzavirus А, В Influenzavirus С
Вирусы гриппа A, В Вирусы гриппа С
Bunyavirus Nairobivirus и др.
Вирус Буньямвера, Вирус Крымской геморрагической лихорадки
Вирус лимфоцитарного хориоменингита
Онковирусы В, Онковирусы С, Онковирусы D
Вирус рака молочных желез мышей Вирус саркомы Рауса Вирус Мезон-Пфайзера
Пенящийся вирус человека Вирусы висны, ВИЧ- I, ВИЧ-2
Cardiovirus Rhinovirus Aphtovirus
Вирусы полиомиелита I-3 типов, другие энтеровирусы, вирус гепатта А (энтеровирус 72) Вирус энцефаломиокардита Риновирусы человека Вирус ящура
РНК-содержащие вирусы имеют разнообразные структуру и химический состав: от простых, состоящих из нуклеопротеида и 1-2 генов (пикорнавирусы и др.), до сложно устроенных, содержащих десятки генов и имеющих в своем составе различные белки и энзимы (вирусы гриппа, парагриппа и др.). Большой интерес представляет также группа онковирусов (ретравирусы), вызывающих злокачественные новообразования у животных и птиц, потенциальных индукторов лейкоза и рака у человека.
Нет такого организма на земле, который не был бы подвержен заражению бактериями или вирусами. Иммунная система призвана защищать организм от инфекций и вредных воздействий. Наиболее изученная стратегия защиты — сопротивление — включает в себя механизмы распознавания, уничтожения или изгнания патогена. Существует и другая стратегия защиты — проявление устойчивости к негативному воздействию патогена на организм хозяина. Рассмотрим возможные механизмы болезнеустойчивости и перспективы их изучения.
(О, хе-хе, великий воин? О, хе-хе, не война делает великим, хе-хе. Магистр Йода)
Каждому человеку знакомо состояние болезни, вызванное, например, вирусной инфекцией: повышенная температура, усталость, отсутствие аппетита и нежелание куда-либо идти. Как такое состояние организма помогает выздороветь? Чтобы понять это, разберем стратегии, которые организм использует для защиты от инфекций [1].
Первая и наилучшая стратегия — избежать заражения. Если это возможно, то организм будет избавлен от энергетических затрат на борьбу с микробами. Если заражение всё же произошло, то применяется вторая стратегия — избавиться от патогена. Механизмы этой стратегии включают в себя распознавание чужеродных молекул, нейтрализацию токсинов, уничтожение вирусов и бактерий и изгнание паразитов. Недавно внимание иммунологов было привлечено к существованию третьей стратегии защиты организма от инфекции —болезнеустойчивости (disease tolerance), которая заключается в снижении негативного воздействия патогена на организм хозяина, иначе говоря, в уменьшении симптомов болезни [2, 3]. Очень важно, что численность патогена при этом не снижается — организм хозяина не препятствует его размножению.
Усилия, направленные на изучение механизмов борьбы иммунной системы с микробами, привели к значительному прогрессу в области лечения инфекционных заболеваний [4]. Например, к созданию противовирусных вакцин, что, прежде всего, помогло снизить детскую смертность. Теперь мамы стали больше бояться самих прививок, чем детских инфекционных болезней. Другое достижение — лечение антибиотиками [5] — долгое время создавало иллюзию, что человек может контролировать размножение любых бактерий.
Несмотря на такие успехи, целый ряд инфекционных заболеваний продолжает вызывать высокую смертность. Например, лечение туберкулеза очень длительное и не всегда приводит к успеху; септический шок остается одной из ведущих причин смерти в больницах; пока не удается создать вакцины против многих смертельно опасных вирусов (ВИЧ, вирус Эбола), и даже вирус гриппа периодически вызывает серьезные эпидемии с высокой смертностью. Тем не менее каждую инфекцию какая-то часть людей может пережить. Очевидно, что традиционно упускалось изучение важной составляющей защиты организма от инфекций. Стратегию болезнеустойчивости только недавно начали изучать применительно к инфекциям человека, и понимание ее механизмов может открыть путь к разработке новых лекарств и методов лечения.
Как измерить уровень болезнеустойчивости?
Чтобы изучать механизмы болезнеустойчивости, необходимо научиться ее измерять. Впервые это было сделано у растений в конце 19 века. Исследования урожайности пшеницы привлекли внимание к некоторым сортам, урожайность которых не снижалась так значительно, как у других сортов, при заражении патогенами растений. При этом количество патогенов и интенсивность проявления болезни у двух групп сортов не различались [6]. Эти исследования позволили понять, что способность растений противостоять болезни и приносить хороший урожай и их способность контролировать размножение патогена могут быть отделены друг от друга. Эти две характеристики кодируются разными генами и могут эволюционировать независимо. Также стало ясно, что для оценки болезнеустойчивости растения измерение потерь урожайности имеет смысл при одновременном измерении количества патогенов.
Растениям, устойчивым к болезням, были присущи некоторые характерные черты. Например, очень часто эти сорта растений также проявляли устойчивость к засухе. У некоторых сортов кукурузы рост новых корней ускорялся по мере того, как старые поражались гнилью. Несмотря на то, что большинство механизмов устойчивости и их генетические детерминанты остаются неизвестными, высказывалось предположение, что болезнеустойчивые растения не проявляют свой полный метаболический потенциал в урожайности, направляя оставшиеся энергетические резервы на борьбу с возникшей болезнью [6].
Аналогичные исследования на животных были проведены и опубликованы в 2007 году [7]. Пять различных видов лабораторных мышей (с разными генотипами [8]) были заражены паразитом Plasmodium chabaudi, который вызывает снижение веса и анемию за счет разрушения эритроцитов. Численность паразитов измерялась у каждой мыши во время пика инфекции (на восьмой день после заражения). Ухудшение здоровья оценивалось по минимальному весу во время болезни и минимальному числу эритроцитов. Так как состояние здоровья отдельных мышей было разным и до заражения, сравнивать степень его ухудшения в зависимости от количества паразитов нужно было между группами мышей одного генотипа с разными уровнями заражения (рис. 1).
Рисунок 1. Зависимость здоровья хозяина от количества патогенов. Среднее количество патогенов отражает уровень сопротивления инфекции, коэффициент наклона прямой — уровень болезнеустойчивости данного генотипа. а — Представители этих генотипов одинаково устойчивы к инфекции, разница — в общем состоянии здоровья до заражения. б — Представители красного генотипа менее болезнеустойчивы, чем представители синего. в — Болезнеустойчивость этих двух генотипов одинакова, но сопротивление выше у представителей красного генотипа. Рисунок из [7], адаптирован.
Снижение веса и количества эритроцитов по мере роста числа паразитов коррелировало с генотипом мышей. Для каждого вида мышей был характерен свой коэффициент наклона прямой, выражающей зависимость здоровья от размеров популяции патогенов. Более того, была выявлена отрицательная зависимость между уровнем устойчивости к болезни и интенсивностью иммунного ответа против паразита [7].
Генетическая обусловленность болезнеустойчивости была выявлена и у дрозофил. Некоторые мутации у мух, приводящие к летальному исходу при заражении бактерией Listeria monocytogenes, не снижали иммунный ответ (что приводило бы к увеличению количества патогенов), а снижали устойчивость к болезни при таком же количестве бактерий, как и у мух дикого типа [9].
Эксперименты как на растениях, так и на животных доказали существование генетически закодированной устойчивости к болезни как отдельной, не зависящей от количества микроорганизмов-возбудителей, стратегии защиты организма от инфекции.
Возможные механизмы болезнеустойчивости
К настоящему времени известно очень мало экспериментальных данных относительно механизмов болезнеустойчивости. Наиболее полную теоретическую характеристику таких возможных механизмов [2] дал Руслан Меджитов [10, 11], и в будущем это облегчит их экспериментальный поиск. Прежде всего, они должны быть тесно связаны с физиологическими процессами, направленными на поддержание гомеостаза и обеспечивающими стрессоустойчивость организма.
Гомеостаз — это поддержание постоянства внутренней среды организма, несмотря на воздействие различных внешних и внутренних факторов. Гомеостаз является непременным условием существования живого организма [12, 13]. В постоянном диапазоне поддерживаются параметры как на уровне целого организма (например, температура тела, концентрация кислорода или кальция в крови), так и на уровне тканей и клеток (например, ионный состав цитоплазмы) [13]. Принцип поддержания гомеостаза универсален: отклонение каждого параметра от нормы распознается специальным сенсором, который запускает совокупность приспособительных реакций, направленных на возвращение этого параметра в приемлемый диапазон.
На уровне индивидуальной клетки в ответ на стрессовое воздействие сенсор активирует специальный транскрипционный фактор, который индуцирует экспрессию генов, запускающих механизм устойчивости к данному стрессу. Например, такой стресс, как накопление в эндоплазматическом ретикулуме большого количества белков с ненативными конформациями, вызывает активацию трех сенсоров (unfolded protein response, UPR), которые уменьшают синтез белков в клетке, вызывают деградацию неправильно свернутых белков и другие изменения, которые помогают клетке пережить этот стресс (рис. 2) [13].
Рисунок 2. Пример стрессового ответа. Стресс эндоплазматического ретикулума вызывает активацию трех сенсоров: PERK, IRE1α/β, ATF6. Два транскрипционных фактора,XBP-1 и ATF6, стимулируют экспрессию генов, кодирующихшапероны, а также белки, способствующие деградации неправильно свернутых белков, и другие факторы, которые помогают клетке справиться с этим стрессом.
Негативное влияние патогена на физиологические процессы в организме хозяина можно рассматривать как внешнее воздействие, нарушающее гомеостаз. Если механизмы поддержания гомеостаза достаточны для восстановления равновесия, то симптомы болезни не возникают. Когда стресс настолько велик, что приводит к повреждению макромолекул или клеток, то помимо механизмов стрессоустойчивости запускаются процессы репарации клеток и тканей. Таким образом, процессы поддержания гомеостаза и репарации клеток — главные кандидаты в механизмы болезнеустойчивости [2, 4].
Инфекция создает стрессовые условия для клеток и тканей организма хозяина за счет их поражения двумя факторами: либо токсинами и другими молекулами, вырабатываемыми самим патогеном, либо эффекторными молекулами иммунной системы, направленными на уничтожение патогена. Поэтому можно выделить два компонента в механизмах болезнеустойчивости: один ориентирован на нейтрализацию токсичных молекул возбудителя, другой — на уменьшение чувствительности тканей организма к эффекторным молекулам иммунной системы [2].
Механизмы болезнеустойчивости могут быть патоген-специфичными. Каждый класс патогенов вызывает свои патологии в организме хозяина и таким образом индуцирует соответствующие механизмы репарации тканей и стрессоустойчивости. Значит, устойчивость к одному виду патогена (например, вирусу) может быть несовместима с устойчивостью к другому виду (например, бактерии) [2].
Многие механизмы болезнеустойчивости подчиняются принципу гормезиса: небольшие дозы негативного воздействия помогают организму впоследствии пережить более высокие дозы, которые иначе были бы смертельны [2]. Впервые этот эффект был обнаружен для небольших доз ядов. Известно также, что небольшие дозы липополисахарида (компонента клеточной стенки некоторых бактерий) вызывают состояние устойчивости организма к более высоким его дозам.
Примеры механизмов болезнеустойчивости
Теоретически предсказанные характеристики механизмов болезнеустойчивости поддерживаются экспериментальными данными.
- Нарушение нормальной репарации тканей выявили в экспериментальном исследовании бактериальной и вирусной коинфекции. Всем известно, что не столько опасен сам вирус гриппа, сколько вызываемые им осложнения. Одно из таких осложнений — бактериальная пневмония — характеризуется высоким уровнем смертности. Вероятно, причиной летального исхода становится недостаточная активация механизмов болезнеустойчивости.
Для исследования причин смертности была выбрана следующая модель коинфекции: мышей заражали сначала вирусом гриппа, а через несколько дней — бактерией Legionella pneumophila [14]. Эту бактерию выбрали потому, что скорость ее размножения в организме хозяина не увеличивается из-за ослабления иммунитета после вируса гриппа. В качестве контроля использовали две группы мышей: первую инфицировали только вирусом гриппа, а вторую — только L. pneumophila. Количество вирусов и бактерий было одинаковым у мышей, зараженных каждым патогеном в отдельности, и у коинфицированных. Тем не менее после вирусной или бактериальной инфекции все грызуны выздоравливали, а у коинфицированных мышей наблюдался 100-процентный летальный исход (рис. 3) [14].
В этой модели коинфекции очень тщательно были проанализированы механизмы иммунного ответа и вирулентность патогенов как возможные причины смерти. Ослабление L. pneumophila до такой степени, что бактерия с трудом могла выживать и была почти невидима для иммунной системы мышей, не влияло на уровень смертности. Мыши с инактивированными сигнальными путями иммунной системы, распознающими вирус гриппа или L. pneumophila, и их собратья без эффекторных молекул воспалительного ответа всё равно умирали от коинфекции.
Как известно, вирус гриппа вызывает повреждение эпителиальных клеток легких. В результате коинфекции площадь некроза эпителия значительно увеличивалась по сравнению с инфекцией только вирусом гриппа, что, вероятно, и приводило к смерти. Экспрессия генов, вовлеченных в процесс репарации тканей, была снижена у коинфицированных мышей. Таким образом, нарушение процесса репарации тканей, одного из предсказанных механизмов болезнеустойчивости, приводило к летальному исходу.
Известно, что эпителиальный фактор роста амфирегулин уменьшает повреждения легочного эпителия при инфекции вирусом гриппа [15]. Амфирегулин в эксперименте приводил к снижению смертности от коинфекции, но только в группе мышей с ослабленной иммунной системой, которые были заражены ослабленной бактерией. Этого фактора роста было недостаточно для спасения мышей с нормальной иммунной системой.
- Активация стрессового сигнального пути (XBP-1-зависимого UPR) — необходимое условие для защиты тканей организма от повреждений, вызываемых не самим патогеном, а иммунным ответом против него [16].
Бактерия Pseudomonas aeruginosa может инфицировать личинки нематоды Caenorhabditis elegans и задерживать их развитие. Заражение P. aeruginosa активирует один из сигнальных путей, которые уменьшают стресс эндоплазматического ретикулума. Активируемый транскрипционный фактор называется X-box binding protein 1 (XBP-1). Личинки C. elegans, лишенные XBP-1, гибнут в присутствии патогена значительно быстрее, чем личинки дикого типа. Морфология эндоплазматического ретикулума у таких особей сильно изменена. Мутантные личинки C. elegans, которые не могут активировать механизмы врожденного иммунитета в ответ на инфекцию P. aeruginosa, не способны к активации (особому сплайсингу мРНК) и XBP-1 в присутствии патогена (рис. 4). Значит, синтез активного XBP-1 индуцируется не просто при заражении патогеном, а в ответ на запуск иммунного ответа.
Рисунок 4. Флуоресцентная микроскопия (левые фото)и микроскопия методом дифференциального интерференционного контраста (правые фото) личинок C. elegans дикого типа (а) и мутантов, неспособных активировать иммунный ответ (б). В качестве питательного субстрата использовались патогенные бактерии P. aeruginosa. Флуоресцентный транскрипционный репортер отражает активацию XBP-1. Рисунок из [16].
Интересно, что сам транскрипционный фактор XBP-1 не нужен для иммунного ответа против P. aeruginosa, так как количество патогена у C. elegans, лишенных XBP-1, оказалось таким же, как и у нематод дикого типа. Более того, активация иммунного ответа у C. elegans даже в отсутствие патогена приводила к гибели мутантных особей. Напротив, мутантные личинки, у которых нет XBP-1, но которые при этом не могут активировать иммунный ответ, переживают заражение P. aeruginosa почти так же хорошо, как и личинки нематод дикого типа. Таким образом, активация стрессового сигнального пути является одним из механизмов болезнеустойчивости, направленным на защиту тканей организма от повреждений собственной иммунной системой.
- Эффект гормезиса лежит в основе механизмов болезнеустойчивости, помогающих организму пережить общее заражение крови —сепсис. Обычно сепсис — это осложнение после операции, большой кровопотери, тяжелого воспалительного процесса. В настоящее время основу лечения сепсиса составляет вовремя начатое применение антибиотиков. Это приводит к снижению численности бактерий, но не всегда может предотвратить летальный исход. Если системный воспалительный ответ уже развился, он может привести к повреждению жизненно важных органов, например, легких [17].
При исследовании мышиной модели сепсиса было обнаружено, что применение небольших доз антрациклинов приводило к снижению смертности мышей на 80%, при этом количество бактерий в легких, печени и других органах было таким же, как и у мышей, не получавших антрациклины [18].
Антрациклины — это класс лекарств, применяемых в химиотерапии злокачественных новообразований. Они вызывают повреждение молекул ДНК (генотоксический стресс), что активирует многокомпонентный клеточный ответ — DNA damage response (DDR) — с вовлечением ряда сигнальных путей, систем репарации, контрольных точек клеточного цикла и т.д. Этот стрессовый ответ включает в себя и индукцию аутофагии — процесса разрушения в лизосомах собственных макромолекул и органелл клетки, которые получили повреждения [19]. Выяснилось, что активация антрациклинами процесса аутофагии в эпителиальных клетках легких совершенно необходима для защитного эффекта. Значит, небольшой стресс (повреждение ДНК) помогает клеткам легких впоследствии перенести более сильный стресс при системном воспалительном ответе.
Рассмотренные примеры дают основание предполагать, что медикаментозное поддержание механизмов болезнеустойчивости может стать важным направлением в терапии инфекционных заболеваний.
Заключение
Один из видов терапии, направленной на поддержание механизмов болезнеустойчивости, уже широко применяется для лечения острых кишечных инфекций, сопровождаемых диареей. Это — регидратация организма. Также можно предположить, что болезненное состояние во время инфекции (повышенная температура, усталость и другие симптомы) помогает организму пережить инфекцию [2]. Несомненно, что изучение других механизмов болезнеустойчивости, особенно на уровне клеток и тканей, приведет к появлению новых лекарств и методов лечения.
Читайте также:
