Морфогенеза на бактериалните увреждания на клетките

Директното увреждане на гостоприемника е общ механизъм, използван от патогенни организми - бактерии, за осигуряване на инфекция и разрушаване на клетката гостоприемник. Бактериите обикновено причиняват увреждане, дължащо се на собствения си процес на растеж. Промотирането на заболяването се характеризира със способността на патогенния организъм да навлезе в гостоприемника и да причини увреждане и унищожаване на клетката гостоприемник. Патогенният организъм трябва да има специфични характеристики, които да стимулират неговия растеж в гостоприемната клетка, включваща, но без да се ограничава способността да нахлуват, колонизират и да се прикрепят към клетките-гостоприемници.

Способността на бактерия да получи достъп до клетката гостоприемник е от съществено значение за способността му да стимулира и да причинява заболяване. Способността за манипулиране на процеса на фагоцитоза е механизъм, често използван от бактериите, за да се гарантира, че ефективно ще нахлуят в клетката. Фагоцитозата е процес, използван от фагоцитите (белите кръвни клетки) като защитен механизъм за защита от чужди тела. Фагоцитите поглъщат нашествениците и ги представят на допълнителни фактори в имунната система, които водят до тяхното унищожаване. Обаче, успешен и разрушителен патоген често проявява способността да избягва фагоцитозата.

Механизмът (ите), използван (и) от бактерии, за да се избегне фагоцитозата, включва избягване както на контакт, така и на поглъщане. Патогените, които проявяват способността да избягват контакт, използват различни методи за постигането на това, включително:

• способността да растат в области на тялото, където фагоцитите са неспособни да достигнат
• способността да инхибира активирането на имунен отговор
• инхибиране и интерфериране с хемотаксис, който задвижва фагоцитите до мястото на инфекцията
• "подлъгване" на имунната система, за да идентифицира бактериите

Допълнителният механизъм (механизми) на морфогенеза на бактериалните увреждания на клетките е чрез избягване на поглъщането. Това се постига чрез способността на бактериите да проявяват продуциране на молекули, които пречат на способността на фагоцитите да анализират бактериите. Молекулите, които пречат на този процес, включват някои видове протеини и захари, които блокират поглъщането.

След като патогенът успее да избегне поглъщането и унищожаването от имунната система, бактериите се умножават. Често пъти бактериите директно се прикрепят към клетките гостоприемници и използват хранителни вещества от клетката гостоприемник за собствените си клетъчни процеси. При използването на хранителни вещества от гостоприемника за собствените си клетъчни процеси, бактериите могат също така да произвеждат токсини или ензими, които ще се инфилтрират и унищожат клетката гостоприемник. Производството на тези разрушителни продукти води до директно увреждане на клетката гостоприемник.

Способността на бактериите да предизвикат заболяване се нарича патогенност. Те биват:

• Условно патогенни са бактериите, които сапрофитират в макроорганизма, но при неблагоприятна промяна на хомеостазата могат да причинят заболяване.
• Безусловно патогенни са тези, които причиняват заболяване или заразоносителство у неимунизирани индивиди.

Степента на патогенност на даден вид или щам се означава като вирулентност. Тя се определя експериментално по количеството микроорганизми в смъртните дози. Патогенността и вирулентността на бактериите зависят от способността им да прилепват и да навлизат в клетките на организма и/или да отделят токсини, които увреждат тъканите в близост или на разстояние. Приема се, че гените, регулиращи образуването на слепващите вещества /адхезини/ и токсините на бактериите, могат да се включват от общи "сигнали" от околната среда.

Най-разпространеният бактериален адхезин е хидрофобната липотейхолова киселина, която може да се свърже с повърхността на всяка еукариотна клетка, но има подчертан афинитет към рецептори на кръвните клетки и към епитела на устната кухина. Заедно с М-протеин тя участва в изграждането на фибрилите на грам - позитивни коки. За прикрепването на бактериите към клетките допринасят и специализациите на клетъчната мембрана у грам-негативни бацили - фимбрии и пили. По връхчетата им се намират малки белтъчни молекули, които предопределят бактериалния тропизъм. Антигенните различия между тези сродни по структура и функция белтъци обясняват органната избирателност на щамовете на даден микробен вид. Например, Echerichia coli с I тип протеини води до инфекции на пикочните пътища, тип Р-протеини - до пиелонефрит, а тип S-протеини - до менингит.

Способността на микроорганизмите за проникване в тъканите се означава като инвазивност. Тя се дължи на бактериални ензими с местно действие. Бактериални токсини са отрови, които се отделят от бактериите /екзотоксини на грам - положителни и Грам-отрицателни бактерии/ или са структурен компонент на стените на Грам-отрицателни бактерии, който се освобождава само при разрушаването им /ендотоксини/. Токсините попадат в циркулацията и могат да увредят клетките, които се намират далеч от септичното огнище.

Ендотоксините са умерено токсични термостабилни липополизахариди без избирателно действие върху клетките. Действието им се опосредства от TNF /туморен некротизиращ фактор, кахектин/, произвеждан от макрофагите. Ендотоксините предизвикват генерализирано периферно съдоразширяване /"ендотоксичен шок"/, увреждане на ендотелните клетки и включване на каскадата на кръвосъсирването /вътресъдово съсирване/. Ендотоксичният шок най-често е резултат от инфекции на пикочните пътища, от усложнения на коремни операции, но може да възникне при всяка инфекция с грам-отрицателни микроорганизми.

Екзотоксините са термолабилни протеини с избирателно дистантно действие. Например, мощният дифтериен екзотоксин се образува от дифтерийните бацили, разположени сред некротични епителии на гърлото, а действието му поразява миокарда /огнищни некрози/ и нервната система.

В допълнение към морфогенеза на бактериалните увреждания на клетките се включва движението на ефекторни молекули от вътрешността на патогенния организъм към външната среда. Секрецията на специфични молекули позволява да се осъществи адаптация, като по този начин се насърчава оцеляването. Секретираните молекули включват протеини, ензими или токсини. Механизмите, чрез които патогенните бактерии отделят протеини, включват сложни и специализирани секреторни системи. По-специално, системите за секреция тип III и тип IV се използват от грам-отрицателни патогенни бактерии за транспортиране на протеини, които функционират като патогенни компоненти.

Системите за секреция тип III се характеризират със способността да инжектират протеин директно от бактериалната клетка към еукариотните клетки. Често се сравнява с бактериалното основно тяло, което функционира като моторно звено и екстрацелуларен придатък, който се състои от множество протеини. Патогенните бактерии, които проявяват тази способност, съдържат структурен компонент, считан за протеин, който позволява инжектирането на протеина в клетката гостоприемник. Системата за секреция тип III включва образуването на комплексни, грубо ~ 20 протеина, които се намират в цитоплазмената мембрана на бактериалната клетка. Процесът на инжектиране или прехвърляне на секреторния протеин от бактериалната клетка в еукариотната клетка- гостоприемник изисква свързана с мембраната аденозинтрифосфатаза.

Някои видове патогенни бактерии, включително Salmonella, Shigella, Yersinia и Vibrio, проявяват тип III секреторни системи. Системата се регулира от концентрации на калциеви йони, които регулират отварянето и затварянето на йонните канали, присъстващи в мембраната, с които комплексите от секретна система тип III могат да използват за транслокация. Например, при Salmonella, най-често свързана със салмонелоза на ентерит или хранително отравяне, бактериите инжектират токсин AvrA, който инхибира активирането на вродената имунна система на гостоприемника. Механизмът, чрез който се инжектира AvrA, включва точно и правилно сглобяване на протеини, които насърчават инвазията на клетката гостоприемник. Неизправното или неправилното организиране на протеини, участващи в секреторната система тип III, предотвратяват инжектирането на секреторни вещества от патогена в клетката гостоприемник. Друг патоген, Shigella, който използва секреторни системи тип III, е способен успешно да извърши своята инфекция, като избягва имунната система. Движението между съседни клетки и избягване на имунната система повишава способността му да инжектира секретиращия протеин в клетката гостоприемник.

Системите за секреция тип IV се характеризират със способността да прехвърлят секреторни молекули чрез механизъм, подобен на бактериалния конюгиращ механизъм. Системите за секреция тип IV могат или да отделят или да приемат молекули. Бактериалният конюгиращ механизъм позволява трансфера на генетичен материал да се осъществява чрез директен контакт клетка към клетка или чрез мостообразно устройство между двете клетки. Системата за секреция тип IV използва подобен процес. Въпреки това, точният механизъм, който този процес използва, не е известен.

Тази специфична секреторна система може да транспортира ДНК и протеини. Пример за патогенен бактерий, който използва системата за секреция тип IV, е Helicobacter pylori. Той се свързва с епителните клетки в стомаха, след това чрез система за секреция тип IV инжектира секреторна молекула. Секреторната молекула, инжектирана в епителните клетки, е агент, предизвикващ възпаление, получен от собствената си клетъчна стена. Секреторната молекула, пептидогликан, се разпознава от системата- гостоприемник като чуждо вещество и активира експресията на цитокини, която стимулира възпалителен отговор. Този възпалителен отговор на стомаха е ключова характеристика на индивидите с язви. Пептидогликанът не е единствената секреторна молекула, прехвърлена към епителните клетки на стомаха, но могат да бъдат прехвърлени и допълнителни протеини, като например CagA, които функционират при разрушаване на клетъчните активности на клетките гостоприемници.