Vad är Shigella?

Shigella, som först upptäcktes 1896 av Kiyoshi Shiga, en japansk mikrobiolog, är ett släkte bestående av gramnegativa bakterier som orsakar bakteriell diarré hos människor och vissa primater.

Medlemmar av denna grupp föreslås ha utvecklats för mellan 35 000 och cirka 170 000 år sedan, vilket gör dem till några av de tidigaste mänskliga patogenerna. De finns över hela världen och är ansvariga för mellan 5 och 15 procent av alla fall av diarré (cirka 165 miljoner fall av dysenteri).

Alla medlemmar i denna grupp är stavformade och icke-motila. Även om de också är icke-kapslade har Shigella-arter visat sig kunna överleva tuffa förhållanden som frysning och relativt höga pH-nivåer. De kan dock lätt förstöras genom värmebehandlingar.

Släktet Shigella består av fyra serologiska grupper som inkluderar:

• Shigella dysenteriae (grupp A och består av 15 serotyper)
• Shigella flexneri (grupp B och består av 6 serotyper)
• Shigella boydii. (Grupp C och består av 18 serotyper)
• Shigella sonnei (Grupp D och består av 1 serotyp)

Klassificering

– Rike: Bakterier – encelliga prokaryoter

– Stam: Proteobakterier – gramnegativa bakterier varav de flesta är sjukdomsframkallande av naturen. Vissa av arterna ingår i människans normala mikrobiota medan andra är fritt levande.

– Klass: Gammaproteobakterier – Gramnegativa bakterier, varav de flesta är stavformade. Ett stort antal arter i denna grupp är sjukdomsframkallande, men andra, som till exempel lila svavelbakterier, använder ljusenergi för att producera organiska molekyler.

– Ordning: Enterobacterales – Medlemmarna i denna grupp är stavformade gramnegativa bakterier. De är också icke-sporbildande och existerar som fakultativa anaeroba bakterier.

– Familj: Enterobacteriaceae – Stavformade gramnegativa bakterier som är icke-motila och icke-sporbildande. De är också fakultativt anaeroba bakterier och de flesta av arterna är patogena.

– Genus: Shigella

Karakteristika för släktet Shigella beskrivs nedan:

Karakteristika för Shigella

Shigella-arter är små encelliga organismer med en stavformad morfologi. Beroende på art kan de vara mellan 1 och 6um långa och 0,3 till 1um i diameter. Shigella dysenteriae kan till exempel ha en längd på 2 till 4um och en diameter på 0,4 till 0,6um.

Som många andra gramnegativa bakterier har Shigella-arter ett inre och ett yttre membran med ett enda lager peptidoglykan som skiljer de två. Medan de två membranen består av ett lipidbilager tenderar det yttre membranet att vara asymmetriskt och kännetecknas av lipopolysackaridmolekyler (LPS) och andra proteiner.

Det inre membranet, å andra sidan, består mestadels av fosfolipider som många andra cellmembran.

* Shigella-arter har O-antigenet i sin lipopolysackarid. Detta är en viktig komponent i LPS som ligger till grund för indelningen av Shigella-serotyper. O-antigenet består av O-enheter (oligosackarid repetitiva enheter) som i sin tur innehåller mellan två (2) och åtta (8) rester av sockerarter med brett spektrum

Som många andra gramnegativa bakterier har Shigella-arter också en tunn cellvägg som består av ett enda peptidoglykanlager. Detta lager består av N-acetylglukosamin och N-acetylmuraminsyra. På grund av peptidoglykanskiktets tjocklek (som är tunt) kan Shigella-cellerna inte behålla den primära färgningen vid Gram-färgning.

* Shigella-arter är icke-kapsulerade och saknar därför det polysackaridskikt som omger cellhöljet hos vissa bakterier.

Som prokaryoter har Shigella en mycket enkel struktur jämfört med eukaryota celler – De saknar membranbundna organeller. De har dock ett antal viktiga organeller inklusive ribosom och genetiskt material i form av en enda cirkulär kromosom samt en plasmid.

Kännetecken för de fyra serologiska grupperna

Som nämnts är släktet Shigella indelat i fyra stora serologiska grupper.

Som medlemmar av släktet Shigella har de fyra grupperna ett antal likheter, bland annat det faktum att de alla är gramnegativa och är icke-motila, osv. De har dock också ett antal skillnader som gör det möjligt att skilja dem från varandra.

Baserat på fysiologi har studier visat att serogrupperna A, B och C är mycket lika varandra. Av denna anledning används positiva β-D-galaktosidas- och ornitindekarboxylasreaktioner för att skilja S. sonnei (serogrupp D) från de andra grupperna.

Majoriteten av serotyperna i grupperna B, C och D kan identifieras genom deras förmåga att fermentera mannitol. Detta test kan därför användas för att skilja Shigella flexneri, Shigella boydii och Shigella Sonnei från Shigella dysenteriae.

Några av de andra egenskaper som används för att skilja mellan de fyra serogrupperna är bland annat:

– Med undantag för serogrupp D (Shigella Sonnei), alla andra serogrupper är Ornithindekarboxylas (ODC) negativa

– Alla serogrupper (med undantag för Shigella sonnei) fermenterar inte laktos och sackaros

– Fermenterar glukos utan gasbildning

Identifiering av Shigella-arter: Agglutinationstest

Förutom några av de egenskaper som beskrivs ovan kan Shigella-arter identifieras med hjälp av polyvalenta Shigella-antiser. I huvudsak innebär detta test att bakterierna blandas med ett antiserum som innehåller specifika Shigella-antikroppar.

Här kommer bakterierna att klumpa ihop sig i närvaro av homologt antiserum vilket gör det möjligt att identifiera arten.

Nedan följer några av de steg som ingår i detta förfarande:

– Med hjälp av en droppare, placera två separata droppar saltlösning på ett rent objektglas – Se till att det finns ett visst avstånd mellan de två dropparna

– Använd en steril trådslinga, få fram och emulgera en bakteriekoloni från odlingen med de två dropparna saltlösning för att göra en jämn suspension – Detta innebär helt enkelt att man blandar bakteriekolonin med de två saltlösningarna (oberoende av varandra) för att göra en jämn suspension

– Till en av suspensionerna (som används som kontroll) tillsätt en droppe saltlösning och blanda

– Till den andra suspensionen, Tillsätt en droppe antiserum och blanda

– I ungefär en minut skakar du försiktigt objektglaset fram och tillbaka och kontrollerar om agglutination uppstår

* Om agglutination uppstår i den andra suspensionen (den till vilken antiserumet tillsattes) är det möjligt att identifiera arten beroende på vilket antiserum som används.

Var finns Shigella?

Shigella-arter är inte vanligt förekommande och lever fritt i miljön. De är dock fakultativa intracellulära parasiter och kan därför överleva utanför värdkroppen. När de väl släpps ut i miljön (tillsammans med fekalier) kan Shigella-arter överleva utan värd i cirka 50 dagar.

Avsevärt från fekalier och avloppsvatten kan de också hittas i kontaminerade vattenkällor och livsmedelsmaterial. Därför kan en person smittas om han eller hon får i sig kontaminerat matmaterial eller dricker kontaminerat vatten.

Enligt undersökningar är livsmedel som kräver mycket hantering under beredningen de som löper större risk att bli kontaminerade. Dessa inkluderar bland annat potatis, mjölk och ost, kyckling, fisk och sallader. Även om både förorenat vatten och livsmedel kan vara källan till infektioner är livsmedelsburna Shigella-infektioner vanligare enligt folkhälsodata.

Med avseende på utbredning kan Shigella-arter hittas över hela världen. Vissa arter är vanligare i vissa regioner än andra. Shigella dysenteriae (serogrupp A) som består av 15 serotyper är till exempel vanligt förekommande i delar av Afrika, Centralamerika samt på den indiska subkontinenten.

I dessa regioner har bakterien typ 1 Shigella dysenteriae förknippats med dödliga epidemier om den inte kontrolleras. Serogrupp B (Shigella flexneri) är också vanligt förekommande i de flesta utvecklingsländer. I dessa regioner orsakar dock arten mindre allvarlig dysenteri jämfört med Shigella dysenteriae.

Serogrupp C (Shigella boydii) är jämfört med serogrupp A vanligt förekommande på den indiska subkontinenten och sällan i industriländer. Slutligen är serotyp D vanlig i de flesta utvecklade länder, men infektionerna är i allmänhet milda.

* Flugor spelar också en viktig roll i överföringen av bakterierna från avföring till livsmedelsmaterial eller dricksvatten.

Infektion

Shigella-infektion kallas shigellos och är vanlig över hela världen. I länder i tredje världen har dessa infektioner förknippats med en relativt hög dödlighet jämfört med utbrott i utvecklade länder, särskilt bland barn.

Som nämnts kan Shigella-arter överleva i miljön under en viss tid. En infektion uppstår därför när en person intar kontaminerade livsmedel (särskilt råa eller färska grönsaker, kyckling och bageriprodukter etc.) eller dricker kontaminerat vatten.

En infektion kan uppstå genom smutsiga fingrar hos en person (t.ex. en patient eller ett barn) eller genom överföring från flugor som har häckat på kontaminerad avföring. Därför är det viktigt att laga mat ordentligt, tvätta händerna med tvål och vatten och rengöra frukt och grönsaker ordentligt för att kontrollera spridningen av denna infektion.

Bortsett från den fekal-orala smittvägen har studier visat att infektioner förekommer genom oral-analkontakt.

* Dessa infektioner har också observerats bland gorillor samt vissa apor. Detta har dock endast visat sig vara fallet i områden där dessa primater befinner sig i nära anslutning till människor och inte i det vilda.

Efter intag kan Shigella för det mesta överleva sura förhållanden i magsäcken, vilket är en av bakteriens viktigaste anpassningar. För att etablera en produktiv eller framgångsrik infektion måste bakterierna invadera kolonens epitelceller och sedan sprida sig till andra celler.

Innan de faktiskt invaderar epitelcellerna som kantar tjocktarmen tas Shigella-bakterier först upp av specialiserade epitelceller i tunntarmen som kallas Microfold-celler (M-celler).

Lokaliserade i den tarmassocierade lymfoida vävnaden i Peyers fläckar i tunntarmen spelar M-cellerna en viktig roll när det gäller att ta upp mikrobiella antigener i tarmen och föra dem till den tarmassocierade lymfoida vävnaden (GALT) för att sedan framkalla ett immunsvar.

I den tarmassocierade lymfoida vävnaden uppslukas dessa bakterier av makrofager. I makrofagen bryter bakterierna upp fagosomvakuolen där de finns och flyttar in i cytosolen där de förökar sig och följaktligen orsakar döden av dessa celler (makrofager).

Även innan Shigella frigörs från de döende makrofagerna har studier visat att Shigella-celler börjar frigöra T3SS-effektorer som är involverade i cellinvasion. Men innan de invaderar tjocktarmens epitelceller, fäster de sig först vid dessa celler (på epitelcellernas basolaterala yta) med hjälp av IcsA (Shigellas ytproteiner) som fungerar som en adhesin.

Efter att dessa celler har fäst sig vid värdcellerna aktiverar de sin egen internalisering i cellerna genom produktion av typ III-sekretionssystemet (T3SS).

I värdcellerna (tjocktarmens epitelceller) fortsätter Shigella att föröka sig och öka i antal. I processen orsakar de skador på DNA samt mitokondriella skador som utlöser nekros och apoptosassocierad död.

För att sprida sig från cellens basolaterala sida till tjocktarmens submukosa förflyttar sig Shigella från en cell till en annan genom en process som kallas paracytofagi. Detta är en aktinbaserad motilitet som innebär att värdcellens aktinmaskineri utnyttjas för att parasiten ska kunna förflytta sig från en cell till en annan.

Här interagerar Shigellas ytproteiner (IcsA) först med neuronalt Wiskott – Aldrichs syndromprotein och aktiverar det. I sin tur rekryterar det neuronala Wiskott – Aldrichs syndrom-proteinet ett proteinkomplex med sju underenheter som kallas Arp2/3 och som är inblandat i aktinpolymerisationen.

Aktin som produceras här främjar Shigellas rörlighet från en cell till en annan genom att det bildas utskjutande delar i värdcellernas membran.

* Jämfört med några av de andra patogener som orsakar diarré hos människor är Shigella mycket smittsam och endast ett fåtal enskilda celler (cirka 200) krävs för att orsaka en lyckad infektion.

Shigella-toxin

Förutom att invadera celler och påverka olika cellprocesser producerar Shigella-bakterier toxiner som påverkar cellfunktioner. Shigellas lipopolysackarid (som finns på det yttre membranet), består av lipid A och har visat sig uppvisa endotoxiska aktiviteter.

Detta värmestabila toxin har visat sig orsaka feber efter en lyckad infektion med bakterien. I allmänhet är endotoxinet inte särskilt specifikt och har en relativt låg grad av potens. Oavsett detta orsakar det feber som är ett av symptomen på infektionen.

Avseendet endotoxin producerar Shigella också ett exotoxin som kallas Shiga-toxin. Ett av de vanligaste Shigatoxinerna är Shigatoxinet (Stx) som produceras av Shigella dysenteriae 1. Vissa andra Shigella-arter har dock också visat sig producera dessa toxiner.

Shigella flexneri producerar till exempel Stx 1. Jämfört med endotoxinet är exotoxinet extremt potent och hämmar proteinsyntesen i infekterade celler. Dessutom består den av enzymatiska och bindande underenheter som förbättrar dess funktioner.

Men medan toxinets bindande komponent gör det möjligt för det att binda till målcellerna, bidrar de enzymatiska komponenterna till att det kommer in i cellen.

För infekterade individer har Shiga-toxin följande effekter:

Enterotoxineffekt – Som enterotoxin blockerar Shiga-toxin absorptionen av olika ämnen (glukos, aminosyror och elektrolyter etc.) av epitelceller i tarmlumen. De uppnår detta genom att adherera till tarmreceptorerna och på så sätt förhindra absorptionen – I processen resulterar detta också i vätskeansamling eftersom absorptionen hämmas.

Cytotoxiska effekter – I tjocktarmen binder toxinets bindande underenhet (B-subenheter) till den glykolipid som finns i värdcellen. Detta följs av att den enzymatiska underenheten tränger in och inaktiverar 60S-ribosomunderenheten, vilket påverkar proteinsyntesen. Genom att hämma proteinsyntesen får toxinet cellerna att dö.

Neurotoxisk effekt – De neurotoxiska effekterna av Shigatoxin innebär att nervimpulserna blockeras. Följaktligen bidrar detta till förlamning. Några av tecknen på neurotoxicitet är feber och kramper i buken.

* Shigellabakterien släpps ut i miljön i samband med avföring och cykeln fortsätter när fekalierna kontaminerar dricksvatten eller livsmedelsmaterial.

Symtom

Ovanligtvis börjar patienterna uppvisa symptom på shigellos 3 dagar efter den första kontakten med patogenen. I vissa fall kan detta dock inträffa en vecka efter kontakten.

Ett av de vanligaste symptomen på shigellos är vattnig diarré som kan vara förknippad med kräkningar och måttlig uttorkning. Som nämnts är en av effekterna av Shigella-toxinet att det förhindrar absorptionen av olika ämnen vilket i sin tur resulterar i vätskeansamling.

I processen bidrar detta till vattnig diarré. Förutom vattnig diarré är dysenteri den andra kliniska presentationen av denna infektion. Denna kan också kännetecknas av en slemmig och något blodig avföring.

Några av de andra symtomen på shigellos kan vara:

• Abdominal kramper
• Kräkningar
• Avslitning
• Fiber
• Magens ömhet

Gramfärg

Krav

• Prov – Prov som kan användas är bland annat slem i avföringen, avföring eller ett koloniprov från odling
• Gramfärgningsreagens
• Hållningsställ
• Glasobjektsglas
• Vatten
• Värme
• Bunsenbrännare
• Trådslinga

Förfarande

– Användning av en steril trådslinga, Ta en liten mängd av provet och skapa ett tunt smet på ett rent glasobjektsglas – Det är alltid viktigt att se till att både objektsglaset och trådslingan är sterila för att förhindra kontaminering.

– För försiktigt objektglaset över Bunsenbrännarens låga för att värma fast – Objektglaset kan föras över lågan ca 3 gånger utan att överhettas.

– Låt objektglaset lufttorka och översvämmas sedan med kristallviolett i ca 1 minut.

– Tvätta försiktigt objektglaset med en rinnande vattenström (ca 2 sekunder).

– Översväm objektglaset med Grams jod (betningsmedel) och låt det stå i ca 1 minut.

– Tvätta återigen försiktigt objektglaset med en rinnande vattenström (ca 2 sekunder).

– Tillsätt några droppar (droppe för droppe) av avfärgningsmedlet (95 % etylalkohol eller aceton) tills det blir klart.

– Översväm objektglaset med motfärgningen/den sekundära färgningen (t.ex. Safranin) och låt det stå i ca 1 minut

– Tvätta försiktigt objektglaset i en ström av rinnande vatten.

– Observera objektglaset under oljeimpregnering.

Observation

När de betraktas i mikroskop kommer Shigella-arter att framstå som stavar som kan vara mellan 1 och 6um långa beroende på arten. De är också rosa rödaktiga i färgen med tanke på att de tar upp motfärgens färg.

Skillnad mellan Shigella och Salmonella

Salmonella och Shigella (medlemmar av familjen Enterobacteriaceae) är några av de vanligaste orsakerna till bakteriella livsmedelsburna sjukdomar i olika delar av världen.

Och även om de har flera likheter (t.ex. de är båda stavformade, gramnegativa bakterier) har de två typerna av bakterier ett antal skillnader som kan användas för att skilja dem åt.

Dessa inkluderar:

Motilitet – Till skillnad från Salmonella som har flera flageller som används för vidhäftning, bildande av en biofilm och för att förflytta sig, har Shigella inte denna struktur. Av denna anledning beskrivs de ofta som icke rörliga.

Syreresistens – Efter intag av Shigella har studier visat att bakterierna är mer motståndskraftiga mot magsyra jämfört med vissa andra tarmbakterier (Salmonella etc.). Detta har tillskrivits uttrycket av proteiner som GadA/B som gör det möjligt för bakterierna att överleva tillräckligt länge för att invadera tarmceller.

Då Salmonella inte är resistent mot magsyra har det visat sig att bakterien är beroende av matmaterial för sin överlevnad samt att den sänker sitt eget pH.

Infektionsdos – Vid shigellos krävs endast ett litet antal bakterieceller för att orsaka en infektion (cirka 200 celler). Det krävs dock ett stort inokulum av Salmonella för att en infektion ska uppstå. Det krävs till exempel minst 100 000 Salmonella typhi-celler för att orsaka tyfus.

Sulfväte – Till skillnad från Shigella producerar Salmonella (S. enterica) sulfväte, vilket är ett av de kännetecken som används för att identifiera dem.

Infektion – Shigella angriper främst tjocktarmen medan Salmonella angriper både tunn- och tjocktarmen.

Sjukdom – Medan Shigella orsakar Shigellos hos människor och vissa primater orsakar Salmonella Salmonellos hos människor och vissa djur. Här kan dock symptomen vara likartade (t.ex. feber, diarré och buksmärtor).

* Även om både Salmonella och Shigella är stavformade är Shigella-arter generellt sett slanka (0,3 till 1um i diameter) jämfört med Salmonella som har en diameter som varierar mellan 0,7 och 1,5um. Dessutom har Shigella endast fimbriae på sin yta medan Salmonella har både fimbriae och flageller på sin yta.

Tillbaka till Bakteriernas huvudsida, Eubakterier

Tillbaka från Shigella till MicroscopeMasters hemsida

Arun Bhunia. (2007). Livsmedelsburna mikrobiella patogener: Mekanismer och patogenes.

Ewing. W.H. (1986). Edwards & Ewing’s Identification of Enterobacteriaceae. 4th edition.

Hiroshi Ashida, Minsoo Kim och Chihiro Sasakawa. (2014). Manipulering av värdcellsdödsvägen av Shigella.

Lu Feng et al. (2004). Strukturell och genetisk karakterisering av Shigella boydii typ 13 O-antigenet.

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

Identifiering av Shigella-arter.