Клинична патология на инфекциозни болести

Инфекцията е инвазия в телесните тъкани на организма от причиняващи болести агенти, тяхното размножаване и реакцията на тъканите гостоприемници към инфекциозните агенти и токсините, които произвеждат. Инфекциозната болест, известна още като трансмисивна болест или заразна болест, е болест, произтичаща от инфекция.

В древността гръцкият историк Тукидид (около 460-400 г. пр. Н. Е.) е първият човек, който пише в своя разказ за чумата на Атина, че болестите могат да се разпространят от заразен човек в други. В своето произведение „За различните видове треска“ (ср. 175 г.), гръко-римският лекар Гален предполага, че язви се разпространяват от „определени семена на чума“, които присъстват във въздуха.

Основна форма на теория за заразяване е предложена от персийския лекар Ибн Сина (известен като Авицена в Европа) в Медицинския канон (1025), който по-късно става най-авторитетният медицински учебник в Европа до 16 век. В книга IV на Ибн Сина обсъжда епидемиите, очертавайки класическата теория за миазма и се опитва да я смеси със собствената си теория за ранно заразяване. Той споменава, че хората могат да предават болестта на другите чрез дъх, отбеляза заразяване с туберкулоза и обсъди предаването на болестта чрез вода и мръсотия. Концепцията за невидима зараза е обсъдена по-късно от няколко ислямски учени в Аюбидския султанат, които ги наричат "najasat" („нечисти вещества“). Фикхският учен Ибн ал Хадж ал Абдари (около 1250–1336), докато обсъжда ислямската диета и хигиена, предупреждава как заразата може да замърси водата, храната и дрехите и може да се разпространи през водоснабдяването и може да има подразбираща се зараза да бъде невиждана частица.

Когато бубонната чума на Черната смърт достигна до Ал-Андалус през 14 век, арабските лекари Ибн Хатима (около 1369) и Ибн ал-Хатиб (1313–1374) предполагат, че инфекциозните заболявания са причинени от „минутни тела“ и описват как те може да се предава чрез дрехи, съдове и обеци. Идеите за заразяване стават по-популярни в Европа през Възраждането, особено чрез писането на италианския лекар Жироламо Фракасторо. Антон ван Льовенхук (1632–1723) усъвършенства науката за микроскопията, като е първият, който наблюдава микроорганизми, позволявайки лесно визуализиране на бактериите.

В средата на 19-ти век Джон Сноу и Уилям Буд вършат важна работа, демонстрираща заразата на коремен тиф и холера чрез замърсена вода. И двамата са кредитирани за намаляване на епидемиите от холера в своите градове чрез прилагане на мерки за предотвратяване на замърсяване на водата. Луи Пастьор доказа без съмнение, че някои болести са причинени от инфекциозни агенти, и разработва ваксина срещу бяс. Робърт Кох предоставя изследването на инфекциозните заболявания с научна основа, известна като постулатите на Кох. Едуард Дженър, Йонас Солк и Алберт Сабин разработиха ефективни ваксина срещу едра шарка и полиомиелитна ваксина, което впоследствие би довело до почти изкореняване на тези заболявания. Александър Флеминг откри първия антибиотик в света, пеницилин, който Флори и Верига разработиха тогава. Герхард Домагк разработва сулфонамиди, първите синтетични антибактериални лекарства с широк спектър на действие.

Епидемиология

През 2010 година около 10 милиона души са починали от инфекциозни заболявания. Световната здравна организация събира информация за смъртните случаи в световен мащаб чрез кодови категории на Международната класификация на заболяванията.

Водещите инфекциозни болести с най-много смъртни случаи са ХИВ/СПИН, туберкулоза и малария. Въпреки че броят на смъртните случаи, дължащи се на почти всяка болест, намалява, смъртността от ХИВ/СПИН се е увеличила четири пъти. Детските заболявания включват коклюш, полиомиелит, дифтерия, морбили и тетанус. Децата също съставляват голям процент смъртни случаи със заболявания на долни дихателни пътища и диария. През 2012 година около 3,1 милиона души са умрели поради инфекции на долни дихателни пътища инфекции, което я прави номер 4 водеща причина за смърт в света.

Пандемия (или глобална епидемия) е заболяване, което засяга хората в обширен географски район:

• Чума на Юстиниан, от 541 до 542 година, убива между 50% и 60% от населението на Европа.
• Черната смърт от 1347 до 1352 година е убила 25 милиона в Европа за 5 години. Чумата намалява населението на стария свят от приблизително 450 милиона до между 350 и 375 милиона през 14 век.
• Въвеждането на едра шарка, морбили и тиф в районите на Централна и Южна Америка от европейските изследователи през 15 и 16 век предизвика пандемии сред местните жители. Между 1518 и 1568 година се говори, че пандемиите на болестта са причинили населението на Мексико да спадне от 20 милиона на 3 милиона.
• Първата европейска грипна епидемия е настъпила между 1556 и 1560 година, като прогнозната смъртност е 20%.
• Едрата шарка убива приблизително 60 милиона европейци през 18 век (приблизително 400 000 годишно). До 30% от заразените, включително 80% от децата под 5-годишна възраст, са починали от болестта, а една трета от оцелелите са слепи.
• През 19 век туберкулозата убива приблизително една четвърт от възрастното население на Европа. До 1918 година един на шест смъртни случая във Франция все още са причинени от туберкулоза.
• Пандемията от грип от 1918 година (или испанският грип) убива 25–50 милиона души (около 2% от световното население от 1,7 милиарда). Днес грипът убива около 250 000 до 500 000 по целия свят всяка година.

Етиопатогенеза

Инфекциите при клинична патология на инфекциозни болести се причиняват от инфекциозни агенти (патогени), включително:

1. Вируси и свързани агенти като вируси и приони

2. Бактерии

3. Гъбички, допълнително класифицирани в:

• Ascomycota, включително дрожди като Candida, нишковидни гъби като Aspergillus, Pneumocystis видове и дерматофити, група организми, причиняващи инфекция на кожата и други повърхностни структури при хората
• Basidiomycota, включително човешки-патогенен род Cryptococcus

4. Паразити, които обикновено се делят на:

• Едноклетъчни организми (например малария, токсоплазма, бабезия)
• Макропаразити (червеи или хелминти), включително нематоди, като паразитни кръгли червеи и щитовидни червеи, тения (цестоди) и трематоди, като шистосомоза
• Членестоноги като кърлежи, акари, бълхи и въшки също могат да причинят човешко заболяване, което в концептуално отношение е подобно на инфекции, но инвазия в човешко или животинско тяло от тези макропаразити обикновено се нарича зараза.

Съществува обща верига от събития, която се отнася за инфекциите. Веригата събития включва няколко стъпки - които включват инфекциозния агент, резервоар, навлизане на възприемчив гостоприемник, излизане и предаване на нови гостоприемници. Всяка от връзките трябва да присъства в хронологичен ред, за да се развие инфекция. Разбирането на тези стъпки помага на здравните работници да се насочат към инфекцията и да предотвратят появата й на първо място.

Инфекцията започва, когато организмът успешно навлезе в тялото, расте и се размножава. Това се нарича колонизация. Повечето хора не се заразяват лесно. Тези с компрометирана или отслабена имунна система имат повишена чувствителност към хронични или персистиращи инфекции. Хората, които имат потисната имунна система, са особено податливи на опортюнистични инфекции. Навлизането в гостоприемника се осъществява през лигавицата в отвори като устната кухина, нос, очи, гениталии, анус или микроба може да навлезе през отворени рани. Макар че няколко организма могат да растат на началното място на влизане, много от тях мигрират и причиняват системна инфекция в различни органи. Някои патогени растат в клетките гостоприемници (вътреклетъчни), докато други растат свободно в телесни течности.

Колонизацията на раната се отнася до невъзпроизвеждащи се микроорганизми в раната, докато при заразени рани съществуват репликиращи организми и тъканите се нараняват. Всички многоклетъчни организми са колонизирани до известна степен от външни организми, и по-голямата част от тях съществуват или във взаимна, или в комуникационна връзка с гостоприемника. Пример за първия е видът на анаеробните бактерии, който колонизира дебелото черво на бозайниците, а пример за второто са различните видове стафилококи, които съществуват върху човешката кожа. Нито една от тези колонизации не се счита за инфекция. Разликата между инфекция и колонизация често е само въпрос на обстоятелства. Непатогенните организми могат да станат патогенни при специфични условия и дори най-вирулентният организъм изисква определени обстоятелства, за да предизвика компрометираща инфекция. Някои колонизиращи бактерии, като Corynebacteria sp. и зеленеещи стрептококи, предотвратяват адхезията и колонизирането на патогенни бактерии и по този начин имат симбиотична връзка с гостоприемника, като предотвратяват инфекцията и ускоряват зарастването на рани.

Променливите, участващи в резултата на приемане на патоген от гостоприемника и крайният резултат включват:

• маршрута на влизане на патогена и достъпа до регионите-домакини, които той получава
• присъщата вирулентност на конкретния организъм
• количеството или натоварването на първоначалния инокулант
• имунният статус на домакина

Като пример, няколко вида стафилококи остават безвредни за кожата, но когато присъстват в нормално стерилно пространство, например в капсулата на ставата или в перитонеума, се размножават без съпротива и причиняват вреда.

За да оцелеят организмите и да повторят цикъла на инфекция при други гостоприемници, те (или тяхното потомство) трябва да напуснат съществуващ резервоар и да причинят инфекция другаде. Предаването на инфекция може да се извърши по много потенциални маршрути:

• Капков контакт, известен още като респираторен път, и получената инфекция може да се нарече въздушно заболяване. Ако заразен човек кашля или киха върху друг човек, микроорганизмите, суспендирани в топли, влажни капчици, могат да навлязат в тялото през повърхността на носа, устата или очите.
• Фекално-орално предаване, при което хранителни продукти или вода се замърсяват (от хора, които не мият ръцете си, преди да приготвят храна, или необработените отпадни води се изпускат в запас за питейна вода), а хората, които ги ядат и пият, се заразяват. Често срещаните фекално-орални предавани патогени включват Vibrio cholerae, видове Giardia, ротавируси, Entameba histolytica, Escherichia coli и лентови червеи. Повечето от тези патогени причиняват гастроентерит.
• Полово предаване, като получената болест се нарича сексуално предавана болест
• Орално предаване - болестите, които се предават главно чрез орални средства, могат да бъдат уловени чрез директен орален контакт, като целуване, или чрез непряк контакт, например чрез споделяне на чаша за пиене или цигара.
• Предаване чрез директен контакт - някои заболявания, които се предават чрез директен контакт, включват стъпалото на спортиста, импетиго и брадавици.
• Предаване на превозни средства, предаване чрез неодушевен резервоар (храна, вода, почва)
• Вертикално предаване, директно от майката към ембрион, плод или бебе по време на бременност или раждане. Може да възникне, когато майката получи инфекция като интеркурентно заболяване по време на бременност.
• Ятрогенно предаване, поради медицински процедури като инжектиране или трансплантация на заразен материал.
• Векторно предаване - предаван от вектор, който е организъм, който не причинява болест, а предава инфекция чрез предаване на патогени от един гостоприемник на друг. На фигура 1 се вижда южен домашен комар (Culex quinquefasciatus), който е вектор и предава патогените, които причиняват треска в Западен Нил.

Връзката между вирулентността и преносимостта е сложна. Ако заболяването е бързо фатално, гостоприемникът може да умре, преди микробът да може да бъде предаден на друг гостоприемник.

Клинична картина

Симптомите на инфекция зависят от вида на заболяването. Някои признаци на инфекция засягат цялостно цялото тяло, като умора, загуба на апетит, загуба на тегло, треска, нощно изпотяване, втрисане, болки и болки. Други са специфични за отделните части на тялото, като кожни обриви, кашлица или хрема.

В определени случаи инфекциозните заболявания могат да бъдат безсимптомни в продължение на голяма част или дори целия им курс в даден гостоприемник. Във втория случай болестта може да бъде определена само като "болест" (което по дефиниция означава болест) при домакини, които вторично се разболяват след контакт с асимптоматичен носител. Инфекцията не е синоним на инфекциозно заболяване, тъй като някои инфекции не причиняват заболяване при гостоприемник.

Тъй като бактериалните и вирусни инфекции могат да причинят едни и същи видове симптоми, може да бъде трудно да се разграничи коя е причината за конкретна инфекция. Разграничаването на двете е важно, тъй като вирусните инфекции не могат да бъдат излекувани от антибиотици, докато бактериалните инфекции могат.

Диагноза

Диагнозата на инфекциозно заболяване понякога включва идентифициране на инфекциозен причинител пряко или косвено. На практика повечето незначителни инфекциозни заболявания като брадавици, кожни абсцеси, инфекции на дихателната система и диарични заболявания се диагностицират чрез тяхното клинично представяне и се лекуват без познаване на конкретния причинител. Заключенията за причината за заболяването се основават на вероятността пациентът да влезе в контакт с определен причинител, наличието на микроб в общността и други епидемиологични съображения. При достатъчно усилия, всички известни инфекциозни агенти могат да бъдат конкретно идентифицирани. Ползите от идентифицирането обаче често са много по-големи от разходите, тъй като често няма конкретно лечение, причината е очевидна или резултатът от инфекция е доброкачествен.

Диагнозата на инфекциозно заболяване почти винаги се поставя от медицинска анамнеза и физикален преглед. По-подробните техники за идентификация включват културата на инфекциозни агенти, изолирани от пациент. Културата позволява идентифициране на инфекциозни организми чрез изследване на микроскопичните им характеристики, чрез откриване на присъствието на вещества, произведени от патогени, и чрез директно идентифициране на организма по неговия генотип. Други техники (като рентгенография, компютърна томография, PET сканиране или ядрено-магнитен резонанс) се използват за получаване на изображения на вътрешни аномалии, произтичащи от растежа на инфекциозен агент. Изображенията са полезни при откриване на костен абсцес или спонгиформна енцефалопатия, получена от прион.

Микробна култура

Микробиологичната култура е основно средство, използвано за диагностициране на инфекциозно заболяване. В микробна култура се осигурява растежна среда за специфичен агент. Проба, взета от потенциално болна тъкан или течност, след това се тества за наличие на инфекциозен агент, който може да расте в тази среда. Повечето патогенни бактерии лесно се отглеждат върху хранителен агар, форма на твърда среда, която доставя въглехидрати и протеини, необходими за растежа на бактерията, заедно с обилно количество вода. Една отделна бактерия ще прерасне във видима могила на повърхността на плочата, наречена колония, която може да бъде отделена от други колонии. Размерът, цветът, формата и формата на колонията са характерни за бактериалния вид, специфичния му генетичен състав (щамът му) и околната среда, която поддържа растежа му. Други съставки често се добавят в чинията, за да подпомогнат идентифицирането. Плаките могат да съдържат вещества, които позволяват растежа на някои бактерии, а не на други, или които променят цвета си в отговор на определени бактерии, а не на други. Бактериологичните плаки като тези обикновено се използват при клиничната идентификация на инфекциозна бактерия. Микробната култура може да се използва и за идентифициране на вируси: средата в този случай са клетки, отглеждани в култура, които вирусът може да зарази, а след това да променя или убива. В случай на идентификация на вируса, регион на мъртви клетки е резултат от растежа на вируса и се нарича "плака". Еукариотните паразити също могат да се отглеждат в културата като средство за идентифициране на определен причинител.

При липса на подходящи техники за култивиране на плочи, някои микроби се нуждаят от култура в рамките на живи животни. Бактерии като Mycobacterium leprae и Treponema pallidum могат да се отглеждат при животни, въпреки че серологичните и микроскопични техники правят използването на живи животни ненужно. Обикновено вирусите се идентифицират с помощта на алтернативи на растежа в културата или животните. Някои вируси могат да се отглеждат в ембрионални яйца. Друг полезен метод за идентификация е ксенодиагностиката или използването на вектор за подпомагане растежа на инфекциозен агент. Болестта на Шагас е най-значимият пример, тъй като е трудно директно да се демонстрира наличието на причинителя, Trypanosoma cruzi при пациент, което следователно затруднява окончателното поставяне на диагноза. В този случай ксенодиагностиката включва използването на вектора на агента Chagas T. cruzi, неинфектиран триатоминова буболечка, който взема кръвно хранене от човек, заподозрян, че е заразен. По-късно буболечката се проверява за растеж на T. cruzi в червата й.

Микроскопия

Друг основен инструмент в диагностиката при клинична патология на инфекциозни болести е микроскопията. Почти всички културни техники, разгледани по-горе, разчитат, в определен момент, на микроскопско изследване за окончателно идентифициране на инфекциозния причинител. Микроскопията може да се извърши с прости инструменти, като сложния светлинен микроскоп или с инструменти, сложни като електронен микроскоп. Пробите, получени от пациенти, могат да се разглеждат директно под светлинния микроскоп и често могат бързо да доведат до идентификация. Микроскопията често се използва също във връзка с техники за биологично оцветяване и може да се направи изящно специфична, когато се използва в комбинация с техники на базата на антитела. Например, използването на антитела, направени изкуствено флуоресцентни (флуоресцентно маркирани антитела), може да бъде насочено към свързване и идентифициране на специфични антигени, присъстващи на патоген. След това се използва флуоресцентен микроскоп за откриване на флуоресцентно белязани антитела, свързани с интернализирани антигени в клинични проби или култивирани клетки. Тази техника е особено полезна при диагностицирането на вирусни заболявания, при които светлинният микроскоп не е в състояние да идентифицира вируса директно.

Други микроскопични процедури също могат да помогнат при идентифицирането на инфекциозни причинители. Почти всички клетки лесно се оцветяват с редица основни багрила поради електростатичното привличане между отрицателно заредените клетъчни молекули и положителния заряд върху багрилото. Клетката обикновено е прозрачна под микроскоп и използването на петно увеличава контраста на клетката с нейния фон. Оцветяването на клетка с оцветител като петно от Giemsa или кристално виолетово позволява на микроскопист да опише нейния размер, форма, вътрешни и външни компоненти и асоциациите му с други клетки. Реакцията на бактериите на различни процедури за оцветяване се използва и в таксономичната класификация на микробите. Два метода, оцветяването по Грам и бързо киселинното петно, са стандартните подходи, използвани за класифициране на бактериите и за диагностициране на заболяването. Петното по Грам идентифицира бактериалните групи Firmicutes и Actinobacteria, като и двете съдържат много значими човешки патогени. Процедурата за бързо оцветяване с киселини идентифицира актинобактериалните родове Mycobacterium и Nocardia.

Биохимични тестове

Биохимичните тестове, използвани при идентифицирането на инфекциозни агенти, включват откриване на метаболитни или ензимни продукти, характерни за определен инфекциозен причинител. Тъй като бактериите ферментират въглехидрати по модели, характерни за техния род и видове, откриването на ферментационни продукти обикновено се използва при бактериална идентификация. Киселини, алкохоли и газове обикновено се откриват при тези тестове, когато бактериите се отглеждат в селективни течни или твърди среди.

Изолирането на ензими от заразена тъкан също може да даде основа за биохимична диагноза на инфекциозно заболяване. Например, хората не могат да направят нито РНК-реплики, нито обратната транскриптаза, и наличието на тези ензими е характерно за специфични видове вирусни инфекции. Способността на вирусния протеин хемаглутинин да свързва червените кръвни клетки заедно в откриваема матрица може също да се характеризира като биохимичен тест за вирусна инфекция, въпреки че строго казано хемаглутининът не е ензим и няма метаболитна функция.

Серологичните методи са силно чувствителни, специфични и често изключително бързи тестове, използвани за идентифициране на микроорганизми. Тези тестове се основават на способността на антитялото да се свързва специфично с антиген. Антигенът, обикновено протеин или въглехидрат, получен от инфекциозен агент, се свързва от антитялото. След това обвързване поставя началото на верига от събития, които могат да бъдат видимо очевидни по различни начини, в зависимост от теста. Например, Стрептококов фарингит често се диагностицира в рамките на минути и се основава на появата на антигени, произведени от причинителя, S. pyogenes, който се извлича от гърлото на пациента с памучен тампон. Серологичните тестове, ако са налични, обикновено са предпочитаният начин на идентификация, но тестовете са скъпи за разработване и реагентите, използвани в теста, често изискват охлаждане. Някои серологични методи са изключително скъпи, въпреки че, когато се използват често, като например при "стрептокок", те могат да бъдат евтини.

Комплексните серологични техники са разработени в това, което е известно като имуноанализи. Имуноанализите могат да използват основното антитяло - свързване на антиген като основа за получаване на сигнал за електромагнитно или частично излъчване, който може да бъде открит чрез някаква форма на инструментално измерване. Сигналът на неизвестни може да се сравни с този на стандартите, позволяващи количествено определяне на целевия антиген. За да подпомогнат диагностицирането на инфекциозни заболявания, имуноанализите могат да открият или измерят антигени или от инфекциозни агенти, или от протеини, генерирани от заразен организъм в отговор на чужд агент. Например, имуноанализът А може да открие наличието на повърхностен протеин от вирусна частица. Имуноанализът B от друга страна може да открие или измери антитела, произведени от имунната система на организма, които са направени да неутрализират и да позволят унищожаването на вируса.

PCR-базирана диагностика

Технологиите, основани на метода на полимеразната верижна реакция (PCR), ще станат почти повсеместни златни стандарти за диагностика в близко бъдеще, поради няколко причини. Първо, каталогът на инфекциозните агенти е нараснал до степен, че практически всички значими инфекциозни причинители на човешката популация са идентифицирани. Второ, инфекциозен причинител трябва да расте в човешкото тяло, за да причини болест. По същество той трябва да усилва собствените си нуклеинови киселини, за да причини заболяване. Това усилване на нуклеиновата киселина в заразената тъкан предлага възможност за откриване на инфекциозния агент чрез използване на полимеразна верижна реакция. Трето, основните инструменти за насочване на полимеразна верижна реакция, праймери, са получени от геномите на инфекциозните агенти и с времето тези геноми ще бъдат известни, ако вече не са.