Детерминанты вирулентности уропатогенных E. coli и методы их изучения

Введение
Инфекции мочевыводящих путей (ИМП) являются одной из наиболее распространенных бактериальных инфекций, поражающих людей на протяжении всей их жизни. [1] Они могут быть симптоматическими или бессимптомными.
Кишечная палочка является наиболее распространенной причиной ИМП, на нее приходится около 85 % внебольничных и 50 % внутрибольничных инфекций, она сильно преобладает в большинстве возрастов. [2]
Кишечная палочка является комменсалом в кишечном тракте человека, попадая в неестественные места, она может вызывать различные инфекции, например, ИМП, сепсис, пиелонефрит и т.д. Серотипы, которые приводят к ИМП, обозначаются как уропатогенная кишечная палочка (UPEC). [3]
Факторы вирулентности E. coli многочисленны и необычайно сложны, влияющие на патогенность в сочетании друг с другом. Общие факторы вирулентности включают поверхностную гидрофобность, фактор колонизации, капсулу, устойчивость к сыворотке, устойчивость к фагоцитозу, гемолизину, энтеротоксину и сидерофору, фимбрии и гемагглютинации. [4] Эти маркеры UPEC экспрессируются с разной частотой при различных заболеваниях, начиная от бессимптомной бактериурии и заканчивая хроническим пиелонефритом.
Более того, лекарственная устойчивость штаммов еще больше усугубила проблему ИМП. Поэтому настоящее исследование было проведено с целью изучения распространенности различных факторов вирулентности в UPEC и изучения профиля их чувствительности к антибиотикам. 
Значение E. coli в развитии инфекций мочеполовх путей
Уропатогенная кишечная палочка (UPEC) является возбудителем подавляющего большинства инфекций мочевыводящих путей (ИМП), включая цистит и пиелонефрит, а также инфекционных осложнений, которые могут привести к острой почечной недостаточности у здоровых людей, а также у пациентов с трансплантацией почки. UPEC выражает множество факторов вирулентности, чтобы преодолеть инерцию слизистого барьера. В ответ на проникновение UPEC в обычно стерильные мочевыводящие пути запускаются воспалительные реакции хозяина, приводящие к выработке цитокинов, притоку нейтрофилов и отшелушиванию инфицированных эпителиальных клеток мочевого пузыря.
Несколько сигнальных путей, активируемых во время инфекции UPEC, включая пути, которые, как известно, активируют врожденный иммунный ответ, взаимодействуют с кальций зависимыми сигнальными путями. Однако некоторые изоляты UPEC могут обладать стратегиями задержки или подавления активации компонентов врожденной реакции хозяина в мочевыводящих путях. Исследования, опубликованные в недавнем прошлом, предоставляют новую информацию о том, как факторы вирулентности уропатогенной E. coli участвуют в активации врожденного ответа хозяина. Несмотря на многочисленные защитные механизмы хозяина, UPEC может сохраняться в мочевыводящих путях и может служить резервуаром для рецидивирующих инфекций и серьезных осложнений. Представление молекулярных подробностей этих событий имеет важное значение для разработки успешных стратегий профилактики ИМП у человека и урологических осложнений, связанных с ИМП.
Кишечная палочка - обычный обитатель желудочно-кишечного тракта человека и животных. Обычно E. coli образует полезные симбиотические отношения со своим хозяином и играет важную роль в обеспечении стабильности микробной флоры просвета и в поддержании нормального гомеостаза кишечника [1]. Будучи комменсалом, E. coli, скорее, остается безвредно ограниченной в просвете кишечника и редко вызывает заболевание. Однако у ослабленного или иммуносупрессированного хозяина или при нарушении желудочно-кишечных барьеров даже непатогенно-комменсальные штаммы E. coli могут вызывать инфекцию [2]. Некоторые штаммы E. coli могут отличаться от своих сородичей, принимая более патогенный характер. Эти штаммы приобретают специфические факторы вирулентности (посредством горизонтального переноса ДНК транспозонов, плазмид, бактериофагов и островков патогенности), которые придают повышенную способность адаптироваться к новым нишам и позволяют бактериям повышать способность вызывать широкий спектр заболеваний.
Патогенные штаммы E.coli широко классифицируются как кишечная/диарейная E.coli или внекишечная E.coli (ExPEC). Шесть различных “патотипов” кишечной палочки, включая энтеропатогенную кишечную палочку (EPEC), энтерогеморрагическую кишечную палочку (EHEC), энтеротоксигенную кишечную палочку (ETEC), энтероагрегативную кишечную палочку (EAEC), энтероинвазивную кишечную палочку (EIEC) и диффузно адгезивную кишечную палочку (DAEC), являются кишечной/диарейной кишечной палочкой и двумя патотипами: неонатальный менингит E.coli (NMEC) и уропатогенный E. кишечная палочка (UPEC), являются наиболее распространенными отхаркивающими [2, 3]. Несколько патотипов кишечной/диарейной E. кишечная палочка вызывает гастроэнтерит, но редко вызывает заболевание за пределами кишечного тракта. С другой стороны, штаммы ExPEC сохраняют способность существовать в кишечнике без последствий, но обладают способностью распространяться и колонизировать другие ниши хозяина, включая кровь, центральную нервную систему и мочевыводящие пути, что приводит к заболеванию [4].
Инфекции мочевыводящих путей (ИМП) считаются наиболее распространенными инфекциями у людей. Развитие ИМП зависит от анатомических факторов, целостности защитных механизмов хозяина и вирулентности инфицирующих организмов [5]. ИМП классифицируются по категориям заболеваний в зависимости от места инфекции: цистит (мочевой пузырь), пиелонефрит (почки) и бактериурия (моча) [6]. Успешное установление инфекции бактериальными патогенами требует адгезии к клеткам-хозяевам, колонизации тканей и, в некоторых случаях, клеточной инвазии с последующим внутриклеточным размножением, распространением в другие ткани или персистенцией. Колонизация мочи при отсутствии клинических симптомов называется бессимптомной бактериурией (ABU). Большинство пациентов с ABU не нуждаются в лечении, и во многих случаях колонизация штаммами ABU может помочь предотвратить заражение другими более вирулентными бактериями [7-9]. Основными возбудителями, ответственными за более чем 80 % всех ИМП, включая как АБУ, так и симптоматические ИМП, являются штаммы уропатогенной E. coli [10-12].
UPEC является причиной внебольничных ИМП и значительной части внутрибольничных ИМП, что приводит к значительным медицинским расходам, заболеваемости и смертности во всем мире [6, 13-15]. Способность UPEC вызывать симптоматические ИМП связана с экспрессией широкого спектра факторов вирулентности [16], причем адгезивные молекулы, возможно, являются наиболее важными детерминантами патогенности [17].
В отличие от симптоматического UPEC, причина, по которой у пациентов с АБУ не развиваются симптомы, должным образом не понята. Однако рядом наблюдений было объяснено, что многие штаммы ABU не являются адгезивными и негемолитическими [18]. Штамм E. coli 83972, который был выделен от пациента с ABU, который носил его в течение 3 лет, потерял способность экспрессировать функциональные фимбрии Р и 1 типа и, следовательно, смог сохраняться, не вызывая иммунного ответа хозяина. В отличие от микроорганизмов, которые приобрели гены, кодирующие адгезины для патогенеза, E. coli 83972 адаптирована к комменсализму путем потери и мутации генов [19].
Симптоматические штаммы UPEC, которые колонизируют мочевыводящие пути, могут подниматься к мочевому пузырю, вызывая цистит, который обычно ассоциируется с классическими симптомами ИМП, то есть болью (болезненное мочеиспускание), частотой (частое мочеиспускание) и срочностью (внезапное непреодолимое желание помочиться). Однако ИМП могут распространяться из мочевого пузыря через мочеточники в почки, вызывая пиелонефрит с возможностью необратимого повреждения почек и смерти [20-23]. Среди грамотрицательных бактерий кишечная палочка является наиболее частым патогеном, вызывающим острую почечную недостаточность. Более того, урологические осложнения, например, после трансплантации почки, связаны с ИМП, и E. coli является наиболее распространенным клиническим изолятом [24-26]. Острое повреждение аллотрансплантата в популяции почечных трансплантатов также связано как с UPEC, так и с клиническим диагнозом верхних отделов ИМП [27].
В ответ на проникновение UPEC в обычно стерильные мочевыводящие пути запускается устойчивая врожденная реакция хозяина, включая выработку воспалительных цитокинов и хемокинов. Выработка медиаторов воспаления приводит к быстрому набору нейтрофилов в просвет мочевого пузыря и к бактериальному клиренсу [8, 9]. Более того, воспалительная реакция хозяина приводит к отшелушиванию инфицированных эпителиальных клеток мочевого пузыря и образованию активных форм азота и кислорода наряду с другими антимикробными соединениями [3]. Эти бактерии также могут обладать множеством стратегий задержки или подавления врожденного иммунного ответа, которые способствуют росту и персистенции бактерий в неблагоприятных условиях мочевыводящих путей.
В этой статье обобщены наши знания о факторах вирулентности UPEC, воспалительных реакциях и развитии повреждений тканей, вызванных ИМП.
Также будут обсуждаться механизмы, с помощью которых EPEC стимулирует провоспалительный ответ, включая роль Ca2+, и влияние этого ответа на развитие цистита и пиелонефрита.
1. Факторы вирулентности уропатогенной кишечной палочки
Штаммы UPEC кодируют ряд факторов вирулентности, которые позволяют бактериям колонизировать мочевыводящие пути и сохраняться в условиях высокоэффективной защиты хозяина. Изоляты UPEC демонстрируют высокую степень генетического разнообразия благодаря наличию специализированных генов вирулентности, расположенных на мобильных генетических элементах, называемых островками патогенности [4, 2]. Факторы вирулентности E. кишечные палочки, которые потенциально были вовлечены в качестве важных для создания ИМП, можно разделить на две группы: (i) факторы вирулентности, связанные с поверхностью бактериальной клетки, и (ii) факторы вирулентности, которые секретируются и экспортируются в место действия [3].