Co je Shigella?

Rod Shigella, poprvé objevený v roce 1896 japonským mikrobiologem Kiyoshi Shigou, se skládá z gramnegativních bakterií, které způsobují bakteriální průjmy u lidí a některých primátů.

Předpokládá se, že členové této skupiny se vyvinuli před 35 000 až asi 170 000 lety, což z nich činí jedny z prvních lidských patogenů. Vyskytují se po celém světě a jsou zodpovědné za 5 až 15 % všech případů průjmů (asi 165 milionů případů úplavice).

Všichni příslušníci této skupiny mají tyčinkovitý tvar a nejsou pohybliví. Přestože jsou také nekapsulované, bylo prokázáno, že druhy rodu Shigella jsou schopny přežít drsné podmínky, jako je mráz a relativně vysoké pH. Lze je však snadno zničit tepelnou úpravou.

Rod Shigella se skládá ze čtyř sérologických skupin, které zahrnují:

• Shigella dysenteriae (skupina A a skládá se z 15 sérotypů)
• Shigella flexneri (skupina B a skládá se ze 6 sérotypů)
• Shigella boydii (skupina C a skládá se z 18 sérotypů)
• Shigella sonnei (skupina D a skládá se z 1 sérotypu)

Klasifikace

– Království: Bakterie – jednobuněčná prokaryota

– Fylum: Proteobakterie – gramnegativní bakterie, z nichž většina je patogenní povahy. Některé druhy jsou součástí běžné lidské mikroflóry, jiné jsou volně žijící

– Třída: Gammaproteobakterie – gramnegativní bakterie, z nichž většina má tyčinkovitý tvar. Zatímco značná část druhů z této skupiny je patogenní, jiné, například purpurové sirné bakterie, využívají světelnou energii k produkci organických molekul.

– Řád: Enterobacterales – příslušníci této skupiny jsou tyčinkovité gramnegativní bakterie. Jsou rovněž nesporulující a existují jako fakultativní anaeroby.

– Čeleď: Enterobakterie – bakterie, které se vyskytují ve většině zemí světa: Enterobacteriaceae – tyčinkovité gramnegativní bakterie, které nejsou pohyblivé a netvoří spóry. Jsou to rovněž fakultativně anaerobní bakterie, přičemž většina druhů je patogenních.

– Rod: Shigella

Charakteristiky rodu Shigella jsou popsány níže:

Charakteristika rodu Shigella

Rod Shigella jsou malé jednobuněčné organismy s tyčinkovitou morfologií. V závislosti na druhu mohou mít délku 1 až 6um a průměr 0,3 až 1um. Například Shigella dysenteriae může mít délku 2 až 4um a průměr 0,4 až 0,6um.

Stejně jako mnoho jiných gramnegativních bakterií mají druhy rodu Shigella vnitřní a vnější membránu s jednou vrstvou peptidoglykanu, která je odděluje. Zatímco obě membrány se skládají z lipidové dvojvrstvy, vnější membrána bývá asymetrická a je charakterizována molekulami lipopolysacharidu (LPS) a dalšími proteiny.

Vnitřní membrána je naproti tomu složena převážně z fosfolipidů jako mnoho jiných buněčných membrán.

* Druhy rodu Shigella mají ve svém lipopolysacharidu antigen O.

* V lipopolysacharidu je obsažen antigen O, který se vyskytuje ve formě LPS. Jedná se o důležitou složku LPS, která slouží jako základ pro dělení sérotypů Shigella. Antigen O se skládá z jednotek O (oligosacharidových opakujících se jednotek), které zase obsahují dva (2) až osm (8) zbytků širokého spektra cukrů

Stejně jako u mnoha jiných gramnegativních bakterií mají i druhy Shigella tenkou buněčnou stěnu, která se skládá z jedné vrstvy peptidoglykanu. Tato vrstva se skládá z N-acetylglukosaminu a N-acetylmuraminové kyseliny. Vzhledem k tloušťce peptidoglykanové vrstvy (která je tenká) nemohou buňky Shigella udržet primární barvivo při barvení podle Grama.

* Druhy Shigella nejsou opouzdřené, a proto postrádají polysacharidovou vrstvu, která obklopuje buněčný obal u některých bakterií.

Jako prokaryota mají Shigella ve srovnání s eukaryotickými buňkami velmi jednoduchou strukturu – chybí jim organely vázané na membránu. Mají však řadu důležitých organel včetně ribozomu a genetického materiálu v podobě jediného kruhového chromozomu a také plazmidu.

Charakteristika čtyř sérologických skupin

Jak již bylo zmíněno, rod Shigella se dělí do čtyř hlavních sérologických skupin.

Jako příslušníci rodu Shigella mají tyto čtyři skupiny řadu podobností, včetně toho, že jsou všechny gramnegativní a nejsou pohyblivé atd. Mají však také řadu rozdílů, které umožňují jejich vzájemné odlišení.

Na základě fyziologie studie prokázaly, že séroskupiny A, B a C jsou si velmi podobné. Z tohoto důvodu se k odlišení S. sonnei (séroskupina D) od ostatních skupin používají pozitivní reakce β-D-galaktosidázy a ornitin dekarboxylázy.

Většinu sérotypů skupin B, C a D lze identifikovat podle jejich schopnosti fermentovat mannitol. Tento test lze tedy použít k odlišení Shigella flexneri, Shigella boydii a Shigella sonnei od Shigella dysenteriae.

Mezi další charakteristiky používané k rozlišení čtyř séroskupin patří např:

– S výjimkou séroskupiny D (Shigella sonnei), jsou všechny ostatní séroskupiny ornitindekarboxyláza (ODC) negativní

– Všechny séroskupiny (s výjimkou Shigella sonnei) nekvasí laktózu a sacharózu

– Kvasí glukózu bez produkce plynu

Identifikace druhů Shigella: Aglutinační test

Kromě některých výše popsaných vlastností lze druhy Shigella identifikovat pomocí polyvalentního antiséra Shigella. Tento test v podstatě zahrnuje smíchání bakterií s antisérem, které obsahuje specifické protilátky proti Shigelle.

Bakterie se v přítomnosti homologního antiséra shlukují, což umožňuje identifikaci druhu.

Následují některé kroky spojené s tímto postupem:

– Pomocí kapátka umístěte dvě samostatné kapky fyziologického roztoku na čisté sklíčko – Ujistěte se, že mezi oběma kapkami je určitá vzdálenost

– Pomocí sterilní drátěné smyčky, získáte a emulgujete kolonii bakterií z kultury se dvěma kapkami fyziologického roztoku, abyste vytvořili hladkou suspenzi – To jednoduše znamená smíchat kolonii bakterií s oběma fyziologickými roztoky (nezávisle na sobě), abyste vytvořili hladkou suspenzi

– K jedné ze suspenzí (použité jako kontrola) přidejte kapku fyziologického roztoku a promíchejte

– K druhé suspenzi, přidejte kapku antiséra a promíchejte

– Asi minutu jemně kývejte sklíčkem sem a tam a zkontrolujte, zda dochází k aglutinaci

* Pokud dojde k aglutinaci u druhé suspenze (té, ke které bylo přidáno antisérum), pak je možné určit druh v závislosti na použitém antiséru.

Kde se Shigella vyskytuje?“

Druhy Shigella se běžně nevyskytují volně žijící v prostředí. Jsou však fakultativními intracelulárními parazity, a proto mohou přežívat mimo tělo hostitele. Jakmile se dostanou do prostředí (spolu s fekáliemi), mohou druhy Shigella přežívat bez hostitele přibližně 50 dní.

Kromě fekálií a odpadních vod se mohou vyskytovat také v kontaminovaných zdrojích vody a v potravinách. Z tohoto důvodu se může jedinec nakazit, pokud pozře kontaminovaný potravinový materiál nebo vypije kontaminovanou vodu.

Podle studií je větší pravděpodobnost kontaminace potravin, které vyžadují při přípravě mnoho manipulace. Patří mezi ně mimo jiné brambory, mléko a sýr, kuřecí maso, ryby a saláty. Ačkoli zdrojem infekcí může být jak kontaminovaná voda, tak potraviny, podle údajů veřejného zdravotnictví jsou častější infekce způsobené bakterií Shigella z potravin.

Co se týče rozšíření, druhy Shigella se vyskytují po celém světě. Některé druhy jsou v určitých oblastech hojnější než jiné. Například Shigella dysenteriae (séroskupina A), která se skládá z 15 sérotypů, se běžně vyskytuje v částech Afriky, Střední Ameriky a také na indickém subkontinentu.

V těchto oblastech je bakterie Shigella dysenteriae typu 1 spojována se smrtelnými epidemiemi, pokud není kontrolována. Séroskupina B (Shigella flexneri) se rovněž běžně vyskytuje ve většině rozvojových zemí. V těchto oblastech však tento druh způsobuje méně závažnou úplavici ve srovnání s druhem Shigella dysenteriae.

V porovnání se séroskupinou A se séroskupina C (Shigella boydii) běžně vyskytuje na indickém subkontinentu a zřídka v průmyslových zemích. A konečně sérotyp D je běžný ve většině vyspělých národů, ale infekce jsou obvykle mírné.

* Důležitou roli při přenosu bakterie z výkalů do potravin nebo pitné vody hrají také mouchy.

Infekce

Infekce způsobená bakterií Shigella je známá jako shigelóza a je běžná po celém světě. V zemích třetího světa jsou tyto infekce spojeny s relativně vysokou úmrtností ve srovnání s epidemiemi v rozvinutých zemích, zejména u dětí.

Jak již bylo zmíněno, druhy shigel mohou v prostředí přežívat po určitou dobu. K nákaze tedy dochází, když jedinec pozře kontaminované potraviny (zejména syrovou nebo čerstvou zeleninu, kuřecí maso a pečivo atd.) nebo vypije kontaminovanou vodu.

Nákaza může vzniknout ze znečištěných prstů jedince (např. pacienta nebo dítěte apod.) nebo po přenosu mouchami, které se rozmnožovaly na kontaminovaných výkalech. Z tohoto důvodu je důležité důkladně vařit potraviny, mýt si ruce vodou a mýdlem a řádně čistit ovoce a zeleninu, aby se zabránilo šíření této infekce.

Kromě fekálně-orální cesty přenosu prokázaly studie, že k nákaze dochází i orálně-análním kontaktem.

* Tyto infekce byly pozorovány i u goril a také u některých opic. Bylo to však prokázáno pouze v oblastech, kde jsou tito primáti v těsné blízkosti člověka, nikoliv ve volné přírodě.

Po požití je Shigella z velké části schopna přežít kyselé podmínky žaludku, což je jedna z hlavních adaptací této bakterie. Aby bakterie vytvořily produktivní nebo úspěšnou infekci, musí napadnout epitelové buňky tlustého střeva a poté se rozšířit do dalších buněk.

Předtím, než bakterie Shigella skutečně napadnou epitelové buňky vystýlající tlusté střevo, jsou nejprve zachyceny specializovanými epitelovými buňkami tenkého střeva známými jako mikroskopické buňky (M buňky).

M buňky, které se nacházejí ve střevní lymfoidní tkáni Peyerových políček v tenkém střevě, hrají důležitou roli při vychytávání mikrobiálních antigenů ve střevě a jejich přenosu do střevní lymfoidní tkáně (GALT) a následném vyvolání imunitní odpovědi.

V lymfatické tkáni spojené se střevem jsou tyto bakterie pohlcovány makrofágy. V makrofágu bakterie naruší vakuolu fagozomu, kde je obsažena, a přesune se do cytosolu, kde se rozmnoží a následně způsobí smrt těchto buněk (makrofágů).

Ještě předtím, než se bakterie Shigella uvolní z odumírajících makrofágů, studie prokázaly, že buňky Shigella začnou uvolňovat efektory T3SS, které se podílejí na invazi do buněk. Než však napadnou epitelové buňky tlustého střeva, nejprve k těmto buňkám přilnou (na bazolaterálním povrchu epitelových buněk) pomocí IcsA (povrchové proteiny Shigella), který působí jako adhezin.

Po přichycení těchto buněk k buňkám hostitele aktivují vlastní internalizaci do buněk prostřednictvím produkce sekrečního systému typu III (T3SS).

V hostitelských buňkách (epitelových buňkách tlustého střeva) se shigely dále množí a zvyšují svůj počet. Přitom způsobují poškození DNA a také poškození mitochondrií, což vyvolává nekrózu a smrt spojenou s apoptózou.

Pro šíření z bazální strany buňky do submukózy tlustého střeva se Shigella přesouvá z jedné buňky do druhé prostřednictvím procesu známého jako paracytofagie. Jedná se o aktinovou motilitu, která zahrnuje využití aktinového aparátu hostitelské buňky pro přesun parazita z jedné buňky do druhé.

Povrchové proteiny Shigella (IcsA) zde nejprve interagují s neuronálním proteinem Wiskott – Aldrichova syndromu a aktivují jej. Neuronální protein Wiskott – Aldrichova syndromu následně rekrutuje sedmipodjednotkový proteinový komplex známý jako Arp2/3, který se podílí na polymerizaci aktinu.

Aktin, který zde vzniká, podporuje pohyb shigel z jedné buňky do druhé prostřednictvím tvorby výběžků v membráně hostitelských buněk.

* Ve srovnání s některými jinými patogeny, které způsobují průjmy u lidí, je bakterie Shigella vysoce nakažlivá a k vyvolání úspěšné infekce stačí pouze několik jednotlivých buněk (asi 200).

Toxin bakterie Shigella

Kromě napadení buněk a ovlivnění různých buněčných procesů produkují bakterie Shigella toxiny, které ovlivňují buněčné funkce. Lipopolysacharid bakterií rodu Shigella (nacházející se na vnější membráně), se skládá z lipidu A a bylo prokázáno, že vykazuje endotoxické aktivity.

Bylo prokázáno, že tento tepelně stabilní toxin způsobuje po úspěšné infekci bakterií horečku. Obecně není endotoxin vysoce specifický a má relativně nízký stupeň účinnosti. Bez ohledu na to způsobuje horečku, která je jedním z příznaků infekce.

Kromě endotoxinu produkuje Shigella také exotoxin známý jako Shiga toxin. Jedním z nejběžnějších Shiga toxinů je Shiga toxin (Stx), který produkuje Shigella dysenteriae 1. Bylo však prokázáno, že tyto toxiny produkují i některé další druhy shigel.

Například Shigella flexneri produkuje toxin Stx 1. Ve srovnání s endotoxinem je exotoxin mimořádně účinný a inhibuje syntézu bílkovin infikovaných buněk. Kromě toho se skládá z enzymatických a vazebných podjednotek, které posilují jeho funkce.

Zatímco vazebná složka toxinu umožňuje jeho vazbu na cílové buňky, enzymatické složky přispívají k jeho vstupu do buňky.

U infikovaných jedinců má Shiga toxin následující účinky:

Enterotoxinový účinek – Jako enterotoxin blokuje Shiga toxin vstřebávání různých látek (glukózy, aminokyselin a elektrolytů atd.) epitelovými buňkami střevního lumen. Dosáhne toho tím, že ulpí na střevních receptorech, čímž zabrání vstřebávání – Při tom také dochází k hromadění tekutin, protože vstřebávání je inhibováno.

Cytotoxické účinky – V tlustém střevě se vazebná podjednotka toxinu (podjednotky B) váže na glykolipid nacházející se v hostitelské buňce. Následuje vstup enzymatické podjednotky, která inaktivuje podjednotku ribozomu 60S, čímž ovlivňuje syntézu bílkovin. Inhibicí syntézy bílkovin způsobuje toxin odumírání buněk.

Neurotoxický účinek – Neurotoxické účinky Shiga toxinu zahrnují blokování nervových impulzů. V důsledku toho přispívá k ochrnutí. Mezi příznaky neurotoxicity patří horečka a křeče v břiše.

* Bakterie Shigella se uvolňují do prostředí při defekaci a cyklus pokračuje, když výkaly kontaminují pitnou vodu nebo potravinové suroviny.

Příznaky

Obvykle se u pacientů začínají projevovat příznaky shigelózy 3 dny po prvním kontaktu s patogenem. V některých případech se však mohou objevit již týden po kontaktu.

Jedním z nejčastějších příznaků shigelózy je vodnatý průjem, který může být spojen se zvracením a mírnou dehydratací. Jak již bylo zmíněno, jedním z účinků toxinu shigelly je, že brání vstřebávání různých látek, což následně vede k hromadění tekutin.

Tím přispívá k vodnatému průjmu. Kromě vodnatého průjmu je dalším klinickým projevem této infekce úplavice. Ta může být rovněž charakterizována hlenovitou a mírně krvavou stolicí.

Mezi další příznaky shigelózy mohou patřit např:

• Křeče v břiše
• Nevolnost
• Horečka
• Citlivost žaludku

Skvrna podle Grama

Požadavky

• Vzorky – Mezi vzorky, které lze použít, patří hlen stolice, stolice nebo vzorek kolonií z kultivace
• Reagencie pro barvení podle Grama
• Stojan
• Skleněné sklíčko
• Voda
• Teplota
• Bunsenův hořák
• Drátěná smyčka

Postup

– Použití sterilní drátěné smyčky, získejte malé množství vzorku a vytvořte tenký nátěr na čistém sklíčku – Vždy je důležité zajistit, aby sklíčko i drátěná smyčka byly sterilní, aby se zabránilo kontaminaci.

– Opatrně přejíždějte sklíčko nad plamenem Bunsenova hořáku, aby se fixace zahřála – Sklíčko lze přejít nad plamenem asi 3krát, přičemž se vyhnete přehřátí.

– Nechte sklíčko oschnout na vzduchu a poté jej zalijte krystalovou violetí po dobu asi 1 minuty.

– Jemně omyjte sklíčko tekoucím proudem vody (asi 2 sekundy).

– Zaplavte sklíčko Gramovým jódem (mořidlo) a nechte ho stát asi 1 minutu.

– Opět sklíčko jemně promývejte tekoucím proudem vody (asi 2 sekundy).

– Přidejte několik kapek (po kapkách) odbarvovacího činidla (95% ethylalkohol nebo aceton), dokud nebude čiré.

– Zaplavte sklíčko protibarvivem/sekundárním barvivem (např. Safranin) a nechte působit asi 1 minutu

– Jemně sklíčko omyjte v proudu tekoucí vody.

– Pozorujte sklíčko pod olejovou imerzí.

Pozorování

Při pohledu pod mikroskopem se druhy Shigella jeví jako tyčinky, jejichž délka se může v závislosti na druhu pohybovat mezi 1 a 6um. Mají také růžově načervenalou barvu danou tím, že přebírají barvu protilátky.

Rozdíl mezi shigellami a salmonelami

Salmonely a shigely (příslušníci čeledi Enterobacteriaceae) jsou jedněmi z nejčastějších původců bakteriálních onemocnění přenášených potravinami v různých částech světa.

Ačkoli mají několik podobností (např. obě jsou tyčinkovité gramnegativní bakterie), mají oba typy bakterií řadu rozdílů, podle kterých je lze rozlišit.

Mezi ně patří:

Motorika – na rozdíl od salmonel, které mají několik bičíků sloužících k adhezi, tvorbě biofilmu a pohybu, shigely tuto strukturu nemají. Z tohoto důvodu jsou často označovány jako nepohyblivé.

Odolnost vůči kyselině – Po požití bakterií rodu Shigella studie prokázaly, že tyto bakterie jsou odolnější vůči žaludeční kyselině ve srovnání s některými jinými střevními bakteriemi (salmonely atd.). To bylo přičítáno expresi proteinů jako GadA/B, které bakteriím umožňují přežít dostatečně dlouho, aby mohly napadat střevní buňky.

Protože salmonely nejsou odolné vůči žaludeční kyselině, bylo prokázáno, že jejich přežití závisí na potravinovém materiálu a také na snižování vlastního pH.

Infekční dávka – U shigelózy je k vyvolání infekce zapotřebí pouze malý počet bakteriálních buněk (asi 200 buněk). Pro vznik infekce je však zapotřebí velké inokulum salmonel. Například k vyvolání břišního tyfu je zapotřebí nejméně 100 000 buněk Salmonella typhi.

Sírovodík – Na rozdíl od shigel produkují salmonely (S. enterica) sirovodík, který je jedním z charakteristických znaků používaných pro jejich identifikaci.

Infekce – Shigely postihují především tlusté střevo, zatímco salmonely postihují tenké i tlusté střevo.

Onemocnění – Zatímco shigely způsobují u lidí a některých primátů shigelózu, salmonely způsobují u lidí a některých zvířat salmonelózu. Zde však mohou být příznaky podobné (např. horečka, průjem a bolesti břicha atd.).

* Zatímco salmonely i shigely mají tyčinkovitý tvar, druhy shigel jsou obvykle štíhlé (průměr 0,3 až 1um) ve srovnání se salmonelami, jejichž průměr se pohybuje mezi 0,7 a 1,5um. Shigella má navíc na povrchu pouze fimbrie, zatímco Salmonella má na povrchu jak fimbrie, tak bičíky.

Zpět na hlavní stránku Bakterie, Eubakterie

Zpět ze Shigella na hlavní stránku MicroscopeMaster

Arun Bhunia. (2007). Mikrobiální patogeny přenášené potravinami: Mechanisms and Pathogenesis (Mechanismy a patogeneze).

Ewing. W.H. (1986). Edwards & Ewingova identifikace enterobakterií. Vydání čtvrté.

Hiroshi Ashida, Minsoo Kim a Chihiro Sasakawa. (2014). Manipulace dráhy buněčné smrti hostitele bakteriemi rodu Shigella.

Lu Feng a další (2004). Structural and Genetic Characterization of the Shigella boydii Type 13 O Antigen (Strukturní a genetická charakterizace antigenu Shigella boydii typu 13 O).

Public Heath England (Anglické veřejné zdravotnictví). (2015). UK Standards for Microbiology Investigations

Identifikace druhů Shigella.