Den koppling som verotoxigena Escherichia coli (VTEC) har med sjukdomar hos människor har funnits i mer än 30 år. Utbrotten av VTEC i USA 1982 riktade världens uppmärksamhet mot dessa patogener. Sedan upptäckten av verocytotoxin och Karmali et al. rapporterade om fall av postdiarréalt hemolytiskt-uremiskt syndrom (D+HUS) orsakade av VTEC, även känt som Shiga-toxigena Escherichia coli (STEC), har en stor mängd kunskap samlats, men trots denna information har framgångsrik behandling av dessa infektioner förblivit svår att uppnå.

Källor och patogenes av VTEC-infektioner

Källor och spridning av VTEC

Kolonisering av tarmen hos lantbruksdjur, särskilt idisslare som nötkreatur, får och getter, är det troliga ursprunget för VTEC/STEC. Från dessa källor härstammar en mängd olika överföringsvägar till människor, inklusive många olika livsmedel av animaliskt eller vegetabiliskt ursprung och vatten som används för bad och dryck samt för odling av ätbara växter. Människors fekala kontaminering av livsmedel och utsäde kan också spela en roll, särskilt i utvecklingsländerna.

Potentialen för VTEC-spridning förvärras ytterligare av globaliseringen av livsmedel, som ger stora möjligheter för VTEC att snabbt spridas till stora delar av befolkningen. Den globala livsmedelsdistributionen innebär en inneboende risk och medför stora svårigheter när det gäller att kontrollera livsmedelsburna patogener och att identifiera källorna till utbrotten, vilket nyligen har bevittnats i Europa. Detta diskuteras ytterligare i kommentaren av Werber et al. .

VTEC-stammar

Det finns olika stammar av VTEC, och som diskuteras i den länkade kommentaren tenderar O157-kloner att vara mer virulenta, även om de är mindre vanligt förekommande än icke-O157-stammar. Även om VTEC-stammar som inte är O157-stammar ursprungligen hade rapporterats och fortsatte att rapporteras, om än endast av hängivna mikrobiologer, ignorerade de flesta forskare på området dem i stort sett. Man tycks inte ha uppmärksammat det allmänt observerade faktum att det finns en omfattande mångfald av E. coli-serotyper i människans tarm vid varje given tidpunkt, vilket också har konstaterats hos djur, särskilt nötkreatur . De flesta avföring från idisslare innehåller en mängd olika serotyper av VTEC, men vissa, t.ex. O157 och O111, är särskilt virulenta, även om de förekommer sällan och då endast i små mängder. Det är viktigt att ett ökande antal andra serotyper kan vara inblandade, och en studie av ett utbrott har visat att ju fler VTEC-serotyper en patient är infekterad med, desto sämre är det kliniska tillståndet (även om den viktigaste VTEC-serotypen var O111). Medan isoleringar av VTEC O111 från nötkreatur är sällsynta, förefaller icke-VTEC-stammar, som i övrigt inte kan skiljas från VTEC-stammarna, förekomma rikligt, särskilt i avföring från sjuka nötkreatur och patienter .

Detaljstudier har visat att Shiga-toxinerna kan delas in i en rad subtyper och att dessa också är värdspecifika. Det finns således en ”dubbel värdspecificitet” bland VTEC-stammar. Vissa kloner är specifika för nötkreatur, medan andra är specifika för får. De toxin-subtyper som dessa stammar bär på är specifika för de VTEC-typer som finns hos dessa däggdjursvärdar. Genom att inte leta efter förekomsten av alla VTEC-serotyper under ett utbrott går därför mycket epidemiologisk information förlorad och indikation på källdjuret identifieras inte.

Patogenes av postdiarréellt hemolytiskt uremiskt syndrom

VTEC/STEC/enterohemorragisk E. coli (EHEC) hör till kloner av zoonotiska E. coli av olika O-serogrupper. Dessa serogrupper har utvecklats och förvärvat specifika virulensfaktorer som gör det möjligt för bakterierna att kolonisera och infektera människans tjocktarm, vanligtvis utan att invadera blodomloppet . När de väl har intagits orsakar STEC/VTEC/EHEC blodig diarré (BD), allvarlig kolit och HUS. Dessa bakterier kallas EHEC när infektionen är förknippad med allvarlig kolonsjukdom och/eller njursjukdom. Produktionen av Vero-/Shiga-toxiner har ansetts ligga till grund för deras patogenicitet, men andra toxiner, t.ex. subtilascytotoxin (SubAB), cytoletalt distenderande toxin och utsöndrat proteas av C1-esterashämmare från EHEC (StcE), spelar troligen också en roll.

Det nyligen inträffade utbrottet av livsmedelsburna E. coli O104:H4 i Europa har återigen uppmärksammat STEC- eller EHEC-infektioner och deras förödande komplikationer i form av njurinsufficiens (genom HUS) och stroke på grund av intravaskulär koagulopati och vaskulopati eller trombotisk mikroangiopati. O104:H4-stammens ovanliga virulens och dödlighet är resultatet av en genetisk blandning av virulensfaktorer, inklusive enteroaggregativa egenskaper och multipel antibiotikaresistens, och är en lektion i mikrobiell evolution och E. coli:s genomiska plasticitet. O104:H4-stammen är nu känd som en enteroaggregativ och enterohemorragisk E. coli (EAHEC).

Vi har nyligen observerat de kombinerade egenskaperna av enteroaggregativ förmåga (som ger stark fastsättning via fimbriae och kolonisering av kolonepitelet) med produktion av shigatoxin (Stx) i den nya och mycket dödliga europeiska E. coli O104:H4-stammen. Det har sedan dess visats att denna stam tillhörde en enteroaggregativ E. coli-linje som hade förvärvat gener för Shiga toxin 2 och antibiotikaresistens .

Patogenesen för HUS-sjukdomen är fortfarande ofullständigt förstådd; anmärkningsvärt nog är Stx i serumetekterbart under HUS. Det verkar som om polymorfonukleära leukocyter (PMN) är nyckelspelare när det gäller att leverera Stx till kritiska platser som t.ex. njurarna. Omfattningen av njurskador hos barn med STEC-associerad HUS kan hänga samman med koncentrationen av Stx i cirkulerande PMN . Paradoxalt nog uppvisade patienter med stora mängder Stx på PMN en bevarad eller något nedsatt njurfunktion (ofullständig form av HUS), medan patienter med låga mängder PMN-Stx vanligtvis uppvisar akut njursvikt. Dessutom inducerar höga mängder PMN-Stx en minskad frisättning av cytokiner från njurendotelet, med motsvarande lägre grad av inflammation, medan låga mängder PMN-toxin utlöser en cytokinkaskad som framkallar inflammation med åtföljande vävnadsskada. Mikrovaskulaturen spelar en viktig roll i patogenesen: D+HUS är förknippat med trombocyter i mikrovaskulaturen i nästan alla kärlbäddar. Plasma från HUS-patienter inducerar apoptos av odlade mikrovaskulära endotelceller från de flesta organ . Två nyckelhändelser är involverade i patogenesen för D+HUS: förändrad aktivitet av Von Willebrand-faktorn (VWF) (t.ex. vid brist på ”a disintegrin- och metalloproteinas med trombospondinmotiv-13” (ADAMTS13)) och platsspecifik aktivering och/eller apoptos av mikrovaskulära endotelceller. Brist på ADAMTS13, som förmedlar proteolytisk bearbetning av nyligen frigjorda proadhesiva ultralånga VWF-multimerer från endotelceller, tros också spela en roll i D+HUS-koagulopati. Att rikta in sig på att avbryta dessa processer ger hopp om potentiella nya behandlingsmetoder.

Bakteriella tarmpatogener är riktade mot det follikelassocierade epitelet som överlagrar Peyer’s patches. Mikroorganismerna bryter igenom tarmbarriären via M-celler och fångas upp av mukosala makrofager . STEC/EHEC kan interagera in vivo med Peyer’s patches och translokera genom slemhinnan. Efter att ha tagits upp av makrofager och M-celler producerar bakterierna Stx och inducerar apoptos av dessa värdceller och frisättning av Stx. Dessa interaktioner mellan mikrober och värdceller skulle kunna utgöra nya terapeutiska mål.

Aktuella behandlingsstrategier: ett flermålsinriktat tillvägagångssätt

HUS omfattar akut njursvikt och den därav följande rubbningen av vätske- och elektrolytbalansen, hemolys, störning av koagulationskaskaden med trombocytopeni, med risk för stroke. Detta syndrom, tillsammans med de ytterligare effekterna av toxin- och komplementkomplexbildning, måste hanteras och åtgärdas omedelbart med hjälp av ett flerfaldigt tillvägagångssätt. Detta inbegriper allmänna stödåtgärder, trombocythämmande och trombolyserande medel och trombinhämmare, selektiv användning av antimikrobiella medel, probiotika, toxinneutraliserare (syntetiska och naturliga bindemedel, antikroppar och så vidare) samt antikroppar mot viktiga delar av den patogenetiska banan för att avbryta de patologiska processerna (t.ex. hämning av den terminala komplementkomplexbildningen). Att rikta in sig på PMN som bär på Stx skulle kunna vara en produktiv strategi för framtida forskning, liksom eventuell genterapi. Behandlingen av D+HUS är komplex på grund av tillståndets karaktär och de många olika vägar som påverkas. I tabell 1 sammanfattas hanteringsmetoden och en förteckning över prövade och experimentella behandlingar.

Allmänt stödjande åtgärder

Vätskenivåer och elektrolytbalans är extremt viktiga för att förebygga och hantera utvecklingen av HUS (se tabell 1).

Akut njurersättningsterapi (ARRT); till exempel peritonealdialys (PD) eller hemodialys) har visat sig förbättra resultaten. Barn med D+HUS och akut njurskada som ges tidig PD kan ha förbättrade resultat utan risk för blödning hos patienter med lågt antal trombocyter. Förfarandet verkar dessutom vara säkert, särskilt i fall med mycket lågt antal blodplättar, och inga blödningsepisoder har registrerats. Alternativt är hemodialys ofta nödvändig. Antihypertensiv behandling av hypertoni är också nödvändig när det är lämpligt. Det verkar finnas en fördelaktig roll för plasmainfusion och plasmautbyte , men nyttan av aferes är fortfarande osäker.

Hantering av hematologiska problem och koagulopati

Monitorering av hemoglobin, hematokrit och trombocytantal är viktigt. Övervakning av hemolys med laktatdehydrogenas (LDH) och haptoglobin är också till hjälp. Anemi till följd av hemolys kan behöva korrigeras med transfusioner av helblod eller packade röda blodkroppar. Trombocyttransfusioner krävs sällan och undviks vanligtvis .

Förhindra ytterligare effekter av toxin

Antimikrobiella medel: att använda eller undvika?

På grund av potentialen för oönskad frisättning av verotoxin (VT)/Stx av döende och döda bakterieceller undviks antibiotika vanligtvis . Dessutom kan risken för att endotoxin frigörs öka patientens redan potentiellt dödliga belastning. In vitro subinhibitoriska koncentrationer av antibiotika kan öka produktionen och frisättningen av VT/Stx genom induktion av bakteriofager . En studie på mus och smågrisar tyder på att fosfomycin bör prövas på människor. Sammanlagda prospektiva data visade dock ingen nytta av antibiotika. Endast en fosfomycinförsök har rapporterats . Uppgifterna om fosfomycin har dock ifrågasatts (se tabell 1). Många läkare i Japan använder fortfarande antibiotika, inklusive fosfomycin, hos patienter med definitiva eller möjliga STEC-infektioner i tarmarna, men den rådande samsynen på andra håll tyder på att antibiotika bör undvikas . Nyare bevis stöder detta, särskilt när det gäller β-laktam och andra bakteriedödande antibiotika.

Lumenala toxinneutraliserare (syntetiska och naturliga bindemedel, antikroppar och så vidare)

Strategier där man använder sig av ligandimitationer av receptorn för Stx, globotriaosylceramid (Gb3), som binder sig till Stx i mag-tarmkanalen i syfte att förhindra spridning av toxinet till extraintestinala platser har föreslagits. I klinisk praxis har dock skadan redan skett innan dessa ligander kan vara till nytta. Endast en klinisk prövning har genomförts (tyvärr utan framgång) med ett medel, Synsorb PK, som bekräftade detta faktum. Andra medel anges i tabell 1.

Intralumenala neutraliseringsmedel kan vara effektiva för att minska det systemiska upptaget av toxin, men eftersom toxinet enligt uppgift inte finns i serum, skulle studier utformade för att undersöka neutraliseringsmedlens effekt på de toxiska effekterna av polymorfonukleära leukocyter-associerat toxin vara ett första steg.

Antikroppar

Neutraliserande Shiga-toxin-specifika antikroppar är potentiellt användbara som terapeutiska medel. Toxinerna är AB-toxiner med aktiva och bindande element och är uppenbara mål för antikroppsneutralisering. Monoklonala antikroppar som är inriktade på epitopen för A-subenheten av Stx1 har visat sig vara mycket skyddande när de administreras till lethalt behandlade djur . Oralt administrerat immunglobulin har använts terapeutiskt för ett antal gastrointestinala infektioner (t.ex. rotavirus; Gastrogard-R) . Patienter med diarré orsakad av diarrégena E. coli, särskilt STEC och E. coli som uttrycker intimin och HEC-hemolysin, behandlades genom administrering av poolad bovin råmjölk, som var rik på antikroppar mot Shiga-toxin och enterohemorragiskt E. coli-hemolysin, i en placebokontrollerad, dubbelblind studie. Symptomupplösning och fekal utsöndring av infekterande stammar bedömdes. Ingen effekt av colostrumbehandling på bärandet av patogenerna eller på komplikationer av infektionen kunde påvisas, men avföringsfrekvensen minskade . Antikroppar mot E. coli lipopolysackarid (LPS) har också potential för terapeutisk användning genom sin blockerande effekt på STEC:s vidhäftning till den humana tarmepitelcelllinjen (Henle 407) . Likaså skulle det krävas försök på människor för att visa klinisk effektivitet.

Andra toxinbindare/neutraliserare

De flesta av dessa medel binder direkt till toxinet och hämmar bindningen till dess receptor som finns på målcellerna . Sådana nya Stx-neutraliseringsmedel erbjuder en ny terapeutisk metod mot STEC/EHEC-infektioner och beskrivs i tabell 1.

Systemiskt applicerade (intravenösa) toxinbindare

En cellpermeabel peptid (TVP) som binder till Stx2 visade sig minska sjukdomens svårighetsgrad och rädda unga babianer från en dödlig Stx2-dos (50 ng/kg) .

Blockerare av endosom-till-Golgi-trafikering av Stx

Nyligen visades att metallen mangan (Mn2+) blockerar endosom-till-Golgi-trafikering av Stx. Detta erbjuder ett möjligt billigt terapeutiskt tillvägagångssätt. (Tabell 1).

Blockerare av interaktion mellan bakterier och värdceller: probiotika

Patogener i tarmen uppvisar ytmolekyler som gör det möjligt för organismen att binda till värdcellsreceptorer. På samma sätt kräver bakterietoxiner värdcellsreceptorer för att binda och ta sig in i cellen. För att blockera interaktionen mellan mikrober och värdceller har ”designade” probiotika utvecklats. De ofarliga rekombinanta bakterierna uttrycker molekyler som efterliknar värdcellsreceptorer (t.ex. Gb3) på sin yta, vilket leder till att patogenen luras att fästa vid probiotikan snarare än vid värdcellsreceptorn. Probiotiska bakterier måste överleva på rörresan och möta matsmältningsenzymer och andra ogynnsamma förhållanden. Data från försök väntas.

En annan metod har använt supernatanten från kulturer av Bifidobacterium longum HY8001, som är utformad för att hämma effekten av VT/Stx genom att störa B-underenheten av VT:s bindning till Gb3 .

Hämning av terminal komplementkomplexbildning

Baserat på bevis för att shigatoxin aktiverar komplement och binder faktor H och bevis för en aktiv roll för komplement via den alternativa vägen vid diarréassocierat hemolytiskt uremiskt syndrom , har några få anekdotiska rapporter om framgångsrik behandling av allvarlig Stx-associerad HUS med den monoklonala antikroppen eculizumab publicerats . Neurologiskt förbättrades de tre patienterna dramatiskt inom 24 timmar efter den första eculizumabinfusionen. Den kliniska förbättringen var förknippad med en snabb normalisering av markörer för sjukdomsaktivitet. Dessa inledande resultat är mycket lovande och resultaten från storskaliga randomiserade placebokontrollerade studier väntas optimistiskt.

Vacciner

Flera vaccinstrategier har använts med varierande framgång i ett antal djurmodeller. Strategierna har inneburit användning av rekombinanta virulensproteiner som Stx, intimin och E. coli secreted protein A (EspA) eller peptider eller fusionsproteiner av A- och B-underenheterna av Stx2 och Stx1, t.ex. Stx2Am-Stx1B, eller avirulenta spökceller av EHEC O157:H7 . Tillämpningen av levande försvagade bakterier som Salmonella som bärare av vaccinproteiner mot slemhinnepatogener, inklusive EHEC, har uppenbara fördelar. Andra tillvägagångssätt anges i tabell 1 .

Antikroppar som producerats hos människor med HUS och hos kaniner som immuniserats med typ III-sekreterade proteiner (T3SP) från fyra STEC-serotyper och experimentellt infekterade nötkreatur avslöjade proteiner som är gemensamma för flera HUS-serotyper (tabell 1). Dessa var mycket immunogena hos vaccinerade och naturligt infekterade personer och utgör framtida kandidater för ett STEC-vaccin (tabell 1).

Som proteinbaserade vacciner är DNA-vacciner en ny utveckling inom EHEC-prevention, som ger uppmuntrande resultat i en musmodell (tabell 1).

Det sätt på vilket ett antal av dessa vacciner administreras (intramuskulärt, intranasalt, oralt, intragastrikt, osv.) påverkar inte bara immunogeniciteten utan även den skyddande effekten vid utmaning. Vaccination med ett växtbaserat oralt vaccin skyddade möss mot dödlig systemisk förgiftning med Stx2 . Detta ses som uppmuntrande. Det är uppenbart att det är en del tid kvar innan försök på människor rapporteras, men de många och frekventa utbrotten av EHEC-sjukdom påminner oss ständigt om det brådskande behovet av att skydda befolkningen mot dessa framväxande och ofta förödande zoonoser.

Framtida inriktningar och slutsatser

Det finns fortfarande betydande hinder för en framgångsrik behandling av HUS med tanke på komplexiteten i patogenesen för HUS, som inbegriper störning av viktiga homeostatiska vägar som involverar komplexa biokemiska och fysiologiska system. Det är osannolikt att det kommer att vara tillräckligt framgångsrikt att inrikta sig på en enskild väg med en behandlingsmetod; ett tillvägagångssätt med flera målgrupper verkar nödvändigt. Med tanke på den uppenbara framgången med eculizumab, om än med ett litet antal fall, skulle det dock kunna vara en lovande behandlingsstrategi. Behandlingen är utformad för att förhindra de allvarligaste komplikationerna av STEC-infektion (dvs. njursvikt och komplikationer i centrala nervsystemet, t.ex. stroke och chock), som fortfarande är alldeles för vanliga. Det är uppenbart att en bättre förståelse av patogenesen för HUS kommer att leda till ytterligare och eventuellt bättre mål för behandling. Upptäckten att Mn2+ kan blockera trafikeringen från endosom till Golgi kommer utan tvekan att leda till randomiserade kontrollerade försök på människor. Dessa kommer att avvaktas med stort intresse. När det gäller förebyggande åtgärder bör vi ifrågasätta globaliseringen av livsmedelsdistributionen med dess inneboende faror och dess slösaktiga användning av energiresurser som resulterar i ett gigantiskt koldioxidavtryck.