Фактори на патогенността и вирулентността

Бактериите могат да причинят множество различни инфекции, вариращи по тежест от кратка (бързопреходна) инфекция до фулминантна. Възможността на бактерията да причини заболяване отразява нейната патогенност. Въз основа на това бактериите могат да бъдат организирани в три основни групи. Когато се изолират от пациент, се считат за вероятни причинители на заболяване (например когато причината за диария се идентифицира чрез лабораторната изолация на Salmonella spp.). Опортюнистичните патогени от своя старана причиняват заболяване, кагато механизмите за защита на гостоприемника са компрометирани ,а някои бактерии като Lactobacillus acidophilus, се считат за непатогенни, тъй като те рядко или никога не причиняват заболяване. Тяхната категоризация като непатогенни може да се промени, поради адаптивността на бактериите и вредния ефект на химиотерапията и имунотерапията върху механизмите на резистентност. Всъщност, някои бактерии считани преди това за непатогенни, са известни като болестотворни в днешни дни. Serratia marcescens, например, причинява пневмония, инфекции на пикочните пътища и бактериемия при имунокомпрометирани пациенти.

Вирулентността е мярка за патогенността на микроорганизма. Степента на вирулентност е свързана директно със способността на организма да причинява заболяване въпреки механизмите за устойчивост на гостоприемника, тя се влияе от многобройни променливи като броя на заразяващите бактерии, начина на навлизане в тялото, специфичните и неспецифичните механизми за защита на гостоприемника и вирулентните фактори на бактерията. Вирулентността може да бъде измерена експериментално, като се определи броят на бактериите необходими за причиняване на заболяване или лезии при животните. Следователно, изчисленията на летална доза засягаща 50% от популацията от животни (LD50)  и дозата причиняваща симптоми на заболяване в 50% от популацията животни (ED50) са полезни при сравняване на относителната вирулентност на различните бактерии.

Факторите на вирулентност се продукт на микроорганизмите и под тяхното действие се развива инфекциозният процес. Примери са токсини, повърхностни протеини, които инхибират фагоцитозата и повърхностни рецептори, които се свързват с клетките гостоприемници. Повечето патогени са развили специфични фактори на вирулентност, които им позволяват да се размножават в своя гостоприемник или вектор без да бъдат убити от защитата на домакина. Много фактори на вирулентност се произвеждат само от специфични вирулентни щамове на микроорганизмите. Например, само определени щамове на Е.coli отделят ентеротоксини, причиняващи диария.

Факторите на вирулентност никога не трябва да се разглеждат независимо от защитата на домакините, клиничният ход на заболяването често зависи от взаимодействието на вирулентните фактори с отговора на гостоприемника. Инфекцията започва, когато се наруши балансът между бактериалната патогенност и съпротивлението на гостоприемника.

Специфични фактори на вирулентност

Факторите на вирулентност на бактериите могат да бъдат разделени на редица функционални типове:

• Фактори за придържане и колонизация

За да причинят инфекция, много бактерии трябва първо да прилепнат към мукозната повърхност на клетката-гостоприемник. Например, лигавицата на храносмилателния тракт непрекъснато се прочиства чрез освобождаването на слуз и чрез перисталтичния поток. За да се установи инфекция на такова място, бактерията трябва да прилепне към епитела и да се размножи. За да се постигне това, бактериите са развили механизми за придържане като пили (фимбрии), които разпознават и прикрепят бактериите към повърхността на клетките.

• Инвазионни фактори

Механизмите, които позволяват на бактериите да нахлуят в еукариотните клетки улесняват навлизането им в лигавичните повърхности. Някои от тези инвазивни бактерии (като видовете Rickettsia и Chlamydia) са задължителни вътреклетъчни патогени. Специфичните бактериални повърхностни фактори, които медиират инвазията, не са известни в повечето случаи и често се включват множество генни продукти.

• Капсули и други повърхностни компоненти

Бактериите са развили множество структурни и метаболитни фактори на вирулентност, които повишават тяхната степен на оцеляване в гостоприемника. Образуването на капсули отдавна е признато като защитен механизъм за бактериите. Капсулираните щамове на много бактерии (например пневмококи) са по-вирулентни и по-устойчиви на фагоцитоза и интрацелуларно убиване, отколкото неинкапсулираните щамове. Организмите, които причиняват бактериемия (напр. Pseudomonas) са по-малко чувствителни от много други бактерии. Серумната резистентност може да бъде свързана с количеството и състава на капсулните антигени, както и със структурата на липополизахарида. Връзката между повърхностната структура и вирулентността е важна и за инфекциите с Borrelia. Тъй като бактериите срещат нарастващ специфичен имунен отговор от гостоприемника, бактериалните повърхностни антигени се променят чрез мутация, а потомството, което вече не се разпознава от имунния отговор, изразява подновена вирулентност. Салмонела тифи и някои от паратифните организми носят повърхностен антиген (антигенът Vi) за който се смята, че подобрява вирулентността. Този антиген е съставен от полимер на галактозамин и уронова киселина.

Някои бактерии и паразити имат способността да оцеляват и да се размножават  във фагоцитните клетки. Класически пример е Mycobacterium tuberculosis, чието оцеляване зависи от структурата и състава на клетъчната му повърхност.

• Ендотоксини

Ендотоксинът е съставен от токсични липополизахаридни компоненти на външната мембрана на грам-отрицателните бактерии. Ендотоксинът упражнява дълбоки биологични ефекти върху гостоприемника и може да бъде смъртоносен. Терминът ендотоксин е въведен през 1893 г. от Pfeiffer.

• Структура на ендотоксина

Ендотоксинът е молекулен комплекс от липид и полизахарид, комплексът е закрепен към външната мембрана чрез йонни и хидрофобни сили и силният отрицателен заряд е неутрализиран от Ca⁺и Mg⁺ йони.

• Екзотоксини

Екзоксините са протеинови токсини, освободени от жизнеспособни бактерии. Повечето от протеините на екзотоксините с по-високо молекулярно тегло са топлинно лабилни, но много екзотоксини с ниска молекулярна големина са топлинно стабилни пептиди. За разлика от ендотоксина, който е структурен компонент на всички грам-отрицателни клетки, екзотоксините се продуцират от членове на Грам-положителни и Грам-отрицателни родове. Екзотоксините могат да бъдат групирани в няколко категории (невротоксини, цитотоксини и ентеротоксини) въз основа на техния биологичен ефект върху клетките. Невротоксините са най-добре илюстрирани от токсините, продуцирани от Clostridium spp., например ботулиновият токсин, образуван от C.botulinum. Този мощен невротоксин действа върху моторните неврони чрез предотвратяване на отделянето на ацетилхолин в мионералните връзки. Цитотоксините представляват по-голяма и хетерогенна група с широк спектър от специфични за клетката гостоприемници и токсични прояви. Пример за цитотоксин е дифтерийният токсин, който се произвежда от Corynebacterium diphtheriae. Този цитотоксин инхибира протеиновия синтез в много клетъчни типове и блокира удължаването на нарастващата пептидна верига.

• Ентеротоксини

Ентеротоксините стимулират свръхсекрецията на вода и електролити от чревния епител и по този начин причиняват водниста диария. Някои ентеротоксини са цитотоксични (напр. Шига-подобен ентеротоксин от Е. coli), докато други нарушават еукариотните клетъчни функции и са цитотонични (например холерен токсин). Ентеротоксините също могат да нарушат нормалното свиване на гладката мускулатура, причинявайки коремни спазми.