Związek werotoksycznych szczepów Escherichia coli (VTEC) z chorobami człowieka sięga ponad 30 lat wstecz. Pojawienie się w 1982 r. w USA ognisk epidemicznych wywołanych przez VTEC skupiło uwagę świata na tych patogenach. Od czasu odkrycia werocytotoksyny i opisania przez Karmali i wsp. przypadków pobiegunkowego zespołu hemolityczno-mocznicowego (D+HUS) wywołanego przez VTEC, znanego również jako Shiga-toksynotwórcza Escherichia coli (STEC), zgromadzono dużą wiedzę, jednak pomimo tych informacji skuteczne leczenie tych zakażeń pozostaje nieuchwytne.

Źródła i patogeneza zakażeń VTEC

Źródła i rozprzestrzenianie się VTEC

Prawdopodobnym źródłem VTEC/STEC jest kolonizacja jelit zwierząt hodowlanych, zwłaszcza przeżuwaczy, takich jak bydło, owce i kozy. Z tych źródeł pochodzi wiele różnych dróg przenoszenia na ludzi, w tym wiele różnych rodzajów żywności pochodzenia zwierzęcego lub roślinnego, a także woda używana do kąpieli i picia oraz do uprawy roślin jadalnych. Skażenie żywności i nasion ludzkim kałem może również odgrywać pewną rolę, szczególnie w krajach rozwijających się.

Potencjał rozprzestrzeniania się VTEC jest dodatkowo potęgowany przez globalizację żywności, która stanowi doskonałą okazję do szybkiego rozprzestrzeniania się VTEC na duże grupy ludności. Globalna dystrybucja żywności niesie ze sobą nieodłączne ryzyko i stwarza ogromne trudności w kontrolowaniu patogenów przenoszonych przez żywność oraz w identyfikowaniu źródeł ognisk choroby, co ostatnio miało miejsce w Europie. Jest to szerzej omówione w komentarzu Werbera et al.

Szczepy VTEC

Istnieją różne szczepy VTEC i, jak omówiono w powiązanym komentarzu, klony O157, chociaż mniej powszechne niż szczepy inne niż O157, mają tendencję do bycia bardziej zjadliwymi. Tak więc, chociaż szczepy VTEC inne niż O157 były pierwotnie zgłaszane i nadal były zgłaszane, aczkolwiek tylko przez wyspecjalizowanych mikrobiologów, większość badaczy w tej dziedzinie w dużej mierze je ignorowała. Wydaje się, że nie zwrócono uwagi na ogólnie zaobserwowany fakt, że w jelicie człowieka w dowolnym momencie występuje szeroka różnorodność serotypów E. coli, co stwierdzono również u zwierząt, zwłaszcza u bydła. Większość odchodów przeżuwaczy zawiera różne serotypy VTEC, ale niektóre z nich, takie jak O157 i O111, choć występują rzadko i w niewielkich ilościach, są szczególnie zjadliwe. Co ważne, w zakażeniu może brać udział coraz większa liczba innych serotypów, a jedno z badań epidemii wykazało, że im więcej serotypów VTEC jest zakażonych u pacjenta, tym gorszy jest jego stan kliniczny (chociaż głównym serotypem VTEC był O111). Podczas gdy izolacje VTEC O111 od bydła są rzadkie, szczepy inne niż VTEC, które poza tym są nie do odróżnienia od szczepów VTEC, występują w dużych ilościach, szczególnie w kale chorego bydła i pacjentów

Szczegółowe badania wykazały, że toksyny Shiga mogą być podzielone na szereg podtypów i że są one również specyficzne dla żywiciela. W ten sposób wśród szczepów VTEC występuje „podwójna specyficzność żywiciela”. Niektóre klony są swoiste dla bydła, podczas gdy inne są swoiste dla owiec. Podtypy toksyn, które przenoszą te szczepy, są swoiste dla typów VTEC występujących u tych żywicieli ssaków. W związku z tym, nie szukając obecności wszystkich serotypów VTEC podczas epidemii, traci się wiele informacji epidemiologicznych i nie identyfikuje się zwierzęcia źródłowego.

Patogeneza pobiegunkowego zespołu hemolityczno-mocznicowego

VTEC/STEC/enterohemorrhagic E. coli (EHEC) należą do klonów odzwierzęcych E. coli różnych grup serologicznych O. Te grupy serologiczne rozwinęły się i nabyły specyficzne czynniki wirulencji, które umożliwiają bakteriom kolonizację i zakażenie ludzkiego jelita grubego, zazwyczaj bez inwazji do krwiobiegu. Po spożyciu, STEC/VTEC/EHEC wywołują krwawą biegunkę (BD), ciężkie zapalenie jelita grubego i HUS. Bakterie te są znane jako EHEC, gdy zakażenie jest związane z ciężką chorobą okrężnicy i/lub nerek. Produkcja toksyn Vero/Shiga została uznana za podstawę ich patogenności, jednak inne toksyny, takie jak cytotoksyna subtilazowa (SubAB) i toksyna cytotoksyczna i wydzielany inhibitor proteazy C1 esterazy z EHEC (StcE) prawdopodobnie odgrywają pewną rolę.

Ostatni wybuch zakażeń E. coli O104:H4 przenoszonych drogą pokarmową w Europie ponownie zwrócił uwagę na zakażenia STEC lub EHEC wraz z ich wyniszczającymi powikłaniami w postaci niewydolności nerek (poprzez HUS) oraz udaru mózgu z powodu koagulopatii wewnątrznaczyniowej i waskulopatii lub mikroangiopatii zakrzepowej. Niezwykła zjadliwość i śmiertelność szczepu O104:H4 jest wynikiem domieszki genetycznej czynników zjadliwości, w tym właściwości enteroagregacyjnych i wielokrotnej oporności na antybiotyki, i jest lekcją ewolucji drobnoustrojów i plastyczności genomowej E. coli . Szczep O104:H4 jest obecnie znany jako enteroagregacyjny i enterokrwotoczny szczep E. coli (EAHEC).

Ostatnio zaobserwowaliśmy połączone właściwości zdolności enteroagregacyjnych (zapewniające silne przyleganie poprzez fimbrie i kolonizację nabłonka okrężnicy) z produkcją toksyny Shiga (Stx) w nowym i wysoce śmiertelnym europejskim szczepie E. coli O104:H4. Od tego czasu wykazano, że szczep ten należał do enteroagregacyjnej linii E. coli, która nabyła geny dla toksyny Shiga 2 i oporności na antybiotyki .

Patogeneza choroby HUS pozostaje nie do końca poznana; co znamienne, podczas HUS stężenie Stx w surowicy jest niewykrywalne. Wydaje się, że leukocyty wielojądrowe (PMN) są kluczowymi graczami w dostarczaniu Stx do miejsc krytycznych, takich jak nerki. Stopień uszkodzenia nerek u dzieci z HUS wywołanym przez STEC może zależeć od stężenia Stx obecnego w krążących PMN. Paradoksalnie, pacjenci z dużą ilością Stx na PMN wykazywali zachowaną lub nieznacznie upośledzoną funkcję nerek (niepełna postać HUS), podczas gdy przypadki z małą ilością PMN-Stx zwykle prezentowały ostrą niewydolność nerek. Co więcej, duże ilości PMN-Stx indukują zmniejszone uwalnianie cytokin przez śródbłonek nerkowy, co wiąże się z mniejszym stopniem zapalenia, podczas gdy małe ilości toksyny PMN uruchamiają kaskadę cytokin, prowokując zapalenie i w konsekwencji uszkodzenie tkanek. Mikrokrążenie odgrywa ważną rolę w patogenezie: D+HUS wiąże się z występowaniem skrzeplin płytkowych w mikrokrążeniu prawie wszystkich łożysk naczyniowych . Osocze pacjentów z HUS indukuje apoptozę hodowanych komórek śródbłonka mikronaczyniowego z większości narządów. W patogenezie D+HUS biorą udział dwa kluczowe zdarzenia: zmieniona aktywność czynnika von Willebranda (Von Willebrand factor – VWF) (na przykład, jak to widać w przypadku niedoboru „a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motif-13” (ADAMTS13)) oraz specyficzna dla danego miejsca aktywacja i/lub apoptoza komórek śródbłonka mikronaczyniowego. Uważa się, że niedobór ADAMTS13, który pośredniczy w proteolitycznym przetwarzaniu nowo uwolnionych proadhezyjnych ultranadmiernych multimerów VWF z komórek śródbłonka, również odgrywa rolę w koagulopatii D+HUS. Ukierunkowanie na przerwanie tych procesów daje nadzieję na potencjalne nowe metody leczenia.

Bakteryjne patogeny jelitowe celują w nabłonek związany z pęcherzykami leżącymi nad płatami Peyera. Drobnoustroje naruszają barierę jelitową przez komórki M i są wychwytywane przez makrofagi śluzówkowe. STEC/EHEC są w stanie oddziaływać in vivo z płatkami Peyera i przemieszczać się przez błonę śluzową. Po wychwyceniu przez makrofagi i komórki M bakterie produkują Stx, indukują apoptozę komórek gospodarza i uwalnianie Stx. Te interakcje między mikrobami a komórkami gospodarza mogą stanowić nowe cele terapeutyczne.

Obecne strategie leczenia: podejście wielocelowe

HUS obejmuje ostrą niewydolność nerek i wynikające z niej zaburzenia równowagi płynów i elektrolitów, hemolizę, zaburzenia kaskady krzepnięcia z trombocytopenią, z ryzykiem udaru. Zespół ten, wraz z dalszymi skutkami działania toksyny i tworzenia kompleksu dopełniacza, musi być pilnie opanowany i rozwiązany przy zastosowaniu podejścia wielocelowego. Obejmuje to zastosowanie ogólnych środków wspomagających, leków przeciwpłytkowych i trombolitycznych oraz inhibitorów trombiny, wybiórcze stosowanie środków przeciwbakteryjnych, probiotyków, neutralizatorów toksyn (syntetycznych i naturalnych środków wiążących, przeciwciał itd.) oraz przeciwciał przeciwko kluczowym elementom szlaku patogenetycznego w celu przerwania procesów patologicznych (na przykład hamowanie tworzenia terminalnego kompleksu dopełniacza). Ukierunkowanie PMNs przenoszących Stx może być produktywną strategią przyszłych badań, podobnie jak ewentualna terapia genowa. Postępowanie w D+HUS jest złożone ze względu na charakter schorzenia i różnorodność szlaków, na które oddziałuje. W tabeli 1 podsumowano podejście do postępowania i wymieniono sprawdzone i eksperymentalne metody leczenia.

Ogólne środki wspomagające

Poziomy płynów i równowaga elektrolitowa są niezwykle ważne w zapobieganiu i zarządzaniu rozwojem HUS (patrz Tabela 1).

Wykazano, że ostre leczenie nerkozastępcze (ARRT); na przykład dializa otrzewnowa (PD) lub hemodializa) poprawia wyniki leczenia. Dzieci z D+HUS i ostrym uszkodzeniem nerek, u których wcześnie zastosowano PD, mogą mieć lepsze wyniki bez ryzyka krwawienia u pacjentów z niską liczbą płytek krwi. Co więcej, procedura ta wydaje się bezpieczna, zwłaszcza w przypadkach z bardzo niską liczbą płytek krwi, u których nie odnotowano epizodów krwawienia. Alternatywą jest hemodializa, która często jest konieczna. Konieczne jest również leczenie przeciwnadciśnieniowe, jeśli jest ono wskazane. Wydaje się, że korzystną rolę odgrywa infuzja osocza i wymiana osocza, jednak korzyści z aferezy pozostają niepewne.

Postępowanie w przypadku problemów hematologicznych i koagulopatii

Monitorowanie stężenia hemoglobiny, hematokrytu i liczby płytek krwi jest niezbędne. Pomocne jest również monitorowanie hemolizy za pomocą dehydrogenazy mleczanowej (LDH) i haptoglobiny. Niedokrwistość wynikająca z hemolizy może wymagać korekty za pomocą transfuzji krwi pełnej lub koncentratu krwinek czerwonych. Przetoczenie płytek krwi jest rzadko wymagane i zwykle unika się go .

Zapobieganie dalszym skutkom działania toksyny

Antybiotyki: stosować czy unikać?

Z uwagi na możliwość niepożądanego uwalniania werotoksyny (VT)/Stx przez obumierające i martwe komórki bakteryjne, zwykle unika się stosowania antybiotyków. Ponadto, ryzyko uwolnienia endotoksyny może dodać do już potencjalnie śmiertelnego obciążenia pacjenta. In vitro subinhibicyjne stężenia antybiotyków mogą zwiększać produkcję i uwalnianie VT/Stx poprzez indukcję bakteriofagów. Badania na myszach i prosiętach sugerowały, że badania fosfomycyny u ludzi są uzasadnione. Jednak łączne dane prospektywne nie wykazały korzyści z zastosowania antybiotyków. Odnotowano tylko jedno badanie z fosfomycyną. Jednak dane dotyczące fosfomycyny zostały zakwestionowane (patrz tabela 1). Podczas gdy wielu lekarzy w Japonii nadal stosuje antybiotyki, w tym fosfomycynę, u pacjentów z definitywnymi lub możliwymi zakażeniami jelitowymi STEC, przeważający konsensus w innych miejscach wskazuje, że należy unikać antybiotyków.

Lumenalne środki neutralizujące toksyny (syntetyczne i naturalne środki wiążące, przeciwciała, i tak dalej)

Zaproponowano strategie wykorzystujące ligand naśladujący receptor dla Stx, globotriaozyloceramid (Gb3), wiążący się z Stx w przewodzie pokarmowym z zamiarem zapobiegania rozprzestrzenianiu się toksyny do miejsc pozajelitowych. Jednak w praktyce klinicznej szkody zostały już poczynione, zanim te ligandy mogły przynieść korzyści. Przeprowadzono tylko jedno badanie kliniczne (niestety nieudane) z jednym środkiem, Synsorb PK, które potwierdziło ten fakt. Inne środki są wymienione w Tabeli 1.

Intralumenalne neutralizatory mogą być skuteczne w zmniejszaniu ogólnoustrojowego wchłaniania toksyny, ale ponieważ toksyna rzekomo nie występuje w surowicy, badania mające na celu zbadanie wpływu neutralizatorów na toksyczne działanie toksyny związanej z leukocytami wielojądrzastymi byłyby pierwszym krokiem.

Przeciwciała

Neutralizujące przeciwciała specyficzne dla toksyny Shiga są potencjalnie użyteczne jako środki terapeutyczne. Toksyny te są toksynami AB z elementami aktywnymi i wiążącymi i są oczywistym celem neutralizacji przez przeciwciała. Wykazano, że przeciwciała monoklonalne skierowane przeciwko epitopom podjednostki A Stx1 są wysoce ochronne, gdy są podawane zwierzętom poddanym działaniu śmiertelnemu. Doustnie podawana immunoglobulina była stosowana terapeutycznie w przypadku wielu zakażeń przewodu pokarmowego (na przykład rotawirusów; Gastrogard-R). Pacjenci z biegunką wywołaną przez biegunkowe E. coli, a konkretnie STEC i E. coli wykazujące ekspresję intiminy i hemolizyny HEC byli leczeni przez podawanie połączonej siary bydlęcej, bogatej w przeciwciała przeciwko toksynie Shiga i enterokrwotocznej hemolizynie E. coli, w kontrolowanym placebo badaniu z podwójnie ślepą próbą. Oceniano ustąpienie objawów i wydalanie z kałem szczepów zakaźnych. Nie wykazano wpływu terapii siarą na nosicielstwo patogenów ani na powikłania infekcji, jednak częstość oddawania stolca była zmniejszona. Przeciwciało przeciwko lipopolisacharydowi E. coli (LPS) ma również potencjał terapeutyczny poprzez jego działanie blokujące przyleganie STEC do linii komórkowej ludzkiego nabłonka jelitowego (Henle 407). Podobnie, badania na ludziach byłyby potrzebne do wykazania skuteczności klinicznej.

Inne środki wiążące/neutralizujące toksyny

Większość z tych środków wiąże się bezpośrednio z toksyną i hamuje wiązanie z jej receptorem obecnym na komórkach docelowych. Takie nowe neutralizatory Stx oferują nową metodę terapeutyczną przeciwko infekcjom STEC/EHEC i są wyszczególnione w Tabeli 1.

Systemowo stosowane (dożylnie) środki wiążące toksyny

Peptyd przepuszczalny dla komórek (TVP), który wiąże się ze Stx2, okazał się zmniejszać nasilenie choroby i ratować młode pawiany przed śmiertelną dawką Stx2 (50 ng/kg) .

Blokery handlu Stx między endosomem a Golgi

Ostatnio wykazano, że metal mangan (Mn2+) blokuje handel STx między endosomem a Golgi. To oferuje możliwe tanie podejście terapeutyczne. (Tabela 1).

Blokery interakcji bakterii i komórek gospodarza: probiotyki

Patogeny jelitowe posiadają cząsteczki powierzchniowe umożliwiające organizmowi wiązanie się z receptorami komórek gospodarza. Podobnie, toksyny bakteryjne wymagają receptorów komórki gospodarza do wiązania się i wnikania do komórki. W celu zablokowania interakcji pomiędzy mikrobem a komórką gospodarza opracowano „designerskie” probiotyki. Nieszkodliwe rekombinowane bakterie wyrażają na swojej powierzchni cząsteczki, które naśladują receptory komórki gospodarza (na przykład Gb3), w ten sposób oszukując patogen, aby przyłączył się do probiotyku, a nie do receptora komórki gospodarza. Bakterie probiotyczne muszą przetrwać podróż przez przewód, napotykając enzymy trawienne i inne niekorzystne warunki. Inne podejście wykorzystuje supernatant z hodowli Bifidobacterium longum HY8001, przeznaczony do hamowania działania VT/Stx poprzez zakłócanie wiązania się podjednostki B VT z Gb3.

Inhibicja tworzenia kompleksu dopełniacza końcowego

Based on evidence that Shiga toxin activates complement and binds factor H and evidence for an active role of complement via the alternative pathway in diarrhea-associated hemolytic uremic syndrome , a few anecdotal reports of successful treatment of severe Stx-associated HUS with the monoclonal antibody eculizumab have been published . Pod względem neurologicznym u trzech pacjentów nastąpiła radykalna poprawa w ciągu 24 godzin od pierwszej infuzji ekulizumabu. Poprawa kliniczna była związana z szybką normalizacją markerów aktywności choroby. Te wstępne wyniki są niezwykle obiecujące, a wyniki dużych randomizowanych badań kontrolowanych placebo są z optymizmem oczekiwane.

Szczepionki

Kilka strategii szczepionkowych zostało zastosowanych ze zmiennym powodzeniem w wielu modelach zwierzęcych. Strategie te obejmowały wykorzystanie rekombinowanych białek wirulencji, takich jak Stx, intimin i wydzielane białko A (EspA) E. coli lub peptydy lub białka fuzyjne podjednostek A i B Stx2 i Stx1, takie jak Stx2Am-Stx1B lub awirulentne komórki duchowe EHEC O157:H7 . Zastosowanie żywych atenuowanych bakterii, takich jak Salmonella, jako nośnika białek szczepionkowych przeciwko patogenom śluzówkowym, w tym EHEC, ma oczywiste zalety. Inne podejścia są wymienione w Tabeli 1 .

Przeciwciała wytworzone u ludzi z HUS i u królików immunizowanych białkami wydzielanymi typu III (T3SPs) z czterech serotypów STEC i eksperymentalnie zakażonego bydła ujawniły białka wspólne dla kilku serotypów HUS (Tabela 1). Były one wysoce immunogenne u zaszczepionych i naturalnie zakażonych osób i stanowią przyszłych kandydatów do szczepionki przeciwko STEC (Tabela 1).

Oprócz szczepionek opartych na białkach, szczepionki DNA stanowią najnowsze osiągnięcie w zapobieganiu EHEC, dostarczając zachęcających wyników w modelu mysim (Tabela 1).

Sposób podawania (domięśniowo, donosowo, doustnie, dożołądkowo itd.) w przypadku wielu z tych szczepionek nie tylko wpływa na immunogenność, ale także na efekt ochronny w przypadku zakażenia. Szczepienie doustną szczepionką na bazie roślin chroniło myszy przed śmiertelnym zatruciem ogólnoustrojowym Stx2 . Uważa się to za zachęcające. Najwyraźniej pozostało jeszcze trochę czasu, zanim zostaną zgłoszone badania na ludziach, ale liczne i częste ogniska choroby EHEC stale przypominają nam o pilnej potrzebie ochrony ludności przed tymi pojawiającymi się i często wyniszczającymi chorobami odzwierzęcymi.

Przyszłe kierunki i wnioski

Pozostają istotne bariery dla skutecznego leczenia HUS, biorąc pod uwagę złożoność patogenezy HUS, która obejmuje perturbacje kluczowych szlaków homeostatycznych obejmujących złożone systemy biochemiczne i fizjologiczne. Jest mało prawdopodobne, że ukierunkowanie leczenia na pojedynczy szlak będzie wystarczająco skuteczne; konieczne wydaje się podejście wielokierunkowe. Jednak biorąc pod uwagę pozorny sukces eculizumabu, choć w niewielkiej liczbie przypadków, może on stanowić obiecującą strategię leczenia. Leczenie ma na celu zapobieganie najpoważniejszym powikłaniom zakażenia STEC (tj. niewydolności nerek i powikłaniom ze strony ośrodkowego układu nerwowego, na przykład udarowi mózgu i wstrząsowi), które nadal występują zbyt często. Jest oczywiste, że lepsze zrozumienie patogenezy HUS doprowadzi do powstania dodatkowych i prawdopodobnie lepszych celów leczenia. Odkrycie, że Mn2+ może blokować handel między endosomem a Golgi, bez wątpienia doprowadzi do randomizowanych badań kontrolowanych u ludzi. Będą one oczekiwane z żywym zainteresowaniem. W zakresie zapobiegania, powinniśmy kwestionować globalizację dystrybucji żywności z jego nieodłącznych zagrożeń i jego marnotrawstwa zasobów energetycznych wynikających w gigantycznym śladem węglowym.

.