10 фактов о бактериальных инфекциях

Андрей Летаров,
канд. биол. наук, Институт микробиологии РАН им. С. Н. Виноградского
«Троицкий вариант» №12(106), 19 июня 2012 года

Андрей Летаров. Фото Н. Четвериковой

Серию «10 фактов о...» продолжает статья канд. биол. наук, зав. Лабораторией вирусов микроорганизмов Института микробиологии РАН им. С. Н. Виноградского Андрея Летарова.

1. Первые теории о живом контагии, вызывающем заразные болезни, были сформулированы различными авторами античности и эпохи Возрождения (например, Джироламо Фракасторо, 1478–1553) применительно в первую очередь к болезням людей, в особенности к чуме и холере, которые вызывали опустошительные эпидемии (пандемия чумы в 1346–1351 годах унесла более 25 миллионов жизней — около трети населения Европы). Тем не менее, первой описанной болезнетворной бактерией стал Bacillus anthracis — возбудитель сибирской язвы, заболевания, поражающего по большей части скот и лишь изредка передающегося человеку.
   Этот микроб был выделен и исследован Робертом Кохом в 1876 году. Помимо самого факта бактериальной этиологии сибирской язвы в ходе этой работы Кох открыл способность некоторых бактерий образовывать эндоспоры — покоящиеся тельца, чрезвычайно устойчивые к неблагоприятным воздействиям, включая кратковременное кипячение, и способные в благоприятной среде прорастать в нормальные вегетативные клетки соответствующих бактерий (одновременно с Кохом споры описал его бывший учитель Фердинанд Кон, работавший на близком, но совершенно безопасном микробе — сенной палочке, Bacillus subtilis).
   

   Возбудитель сибирской язвы Bacillus anthracis. Видны споры. Иллюстрация Public Health Image Library с сайта phil.cdc.gov
2. Первый надежный способ борьбы с инфекциями, в том числе и бактериальными, был изобретен Луи Пастером и его коллегами в конце XIX века. Это вакцинопрофилактика. И хотя наиболее известным достижением Пастера в этой области является прививка от бешенства (заболевания вирусной природы), первые вакцины были предложены против куриной холеры и сибирской язвы и использовались в ветеринарных целях. Интересно, что при этом первые серьезные успехи в сокращении смертности от бактериальных инфекций были достигнуты под влиянием других работ Пастера — по гниению и по болезням шелкопрядов.
   Эти исследования вдохновили английского хирурга Джозефа Листера на введение асептики и антисептики при проведении хирургических операций, в результате чего удалось резко увеличить выживаемость пациентов после успешно проведенных вмешательств. В то же время гигиеническая практика при обычных медицинских манипуляциях долгое время не приживалась. Так, д-р Игнац Земмельвейс (1818–1861) сумел резко сократить ужасающую (в 1846 году — 18–50%!) смертность женщин от родильной горячки в одном из отделений родовспоможения госпиталя в Вене, потребовав от медиков обеззараживать руки перед осмотром пациенток. Но в 1850 году он вынужден был уехать из Австрии под давлением своих коллег, не желавших признать, что множество смертей их пациенток вызвано банальным нежеланием врачей мыть руки.
   

   Луи Пастер (1822–1895) (слева) и Джозеф Листер (1827–1912)
3. Подавляющее большинство микробов, окружающих нас, не способно вызывать заболевания (непатогенны). Болезнетворные виды обладают определенным набором молекулярных приспособлений — факторов патогенности, которые позволяют им успешно проникнуть в организм и существовать в нем более или менее длительное время, избегая уничтожения иммунной системой. К факторам патогенности могут относиться слизистые чехлы (капсулы) бактериальных клеток, белки прикрепления к тканям хозяина, белки поверхности бактерии, которые связывают белки крови и маскируют таким образом патогена от клеток иммунной системы.
   Также среди факторов патогенности имеются молекулярные системы секреции, позволяющие бактерии инъецировать некоторые свои белки внутрь клеток макроорганизма, чтобы заставить их вести себя образом, удобным для патогена, например поглотить его клетку (после чего микроб размножается во внутренней среде клетки макроорганизма, как это делает, например, возбудитель дизентерии), и многие другие приспособления. Однако при попадании в ослабленный организм и/или в поврежденные органы и ткани многие виды бактерий, совершенно безопасные для здоровых людей и животных, также могут вызывать заболевания. Например, синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa) — очень опасный возбудитель госпитальных, хирургических и некоторых других инфекций — в природе обитает в основном в водоемах и особой опасности для купальщиков или потребителей воды не представляет.
   

   Синегнойная палочка Pseudomonas aeruginosa. Фото Pseudomonas genome database с сайта pseudomonas.com
4. Самыми известными из факторов патогенности являются экзотоксины — белки, секретируемые бактериями и специально приспособленные, чтобы быть очень эффективными ядами. Хотя некоторые из бактериальных токсинов можно назвать самыми ядовитыми веществами на планете, их полезность для самих бактерий не всегда очевидна, поскольку целью паразита является не убить своего хозяина, а наоборот — возможно дольше и эффективнее размножаться в нём и заражать других. Предполагают, что токсигенность могла возникнуть в процессе эволюции не как фактор патогенности, а как средство борьбы бактерий с простейшими, для которых бактериальные клетки являются основной пищей.
   Интересно, что продуценты одних из самых сильных микробных токсинов — анаэробные (т. е. живущие без кислорода и не переносящие его присутствия) бактерии рода Clostridium, включающего возбудителей ботулизма, столбняка и газовой гангрены, — вообще не способны размножаться в живых тканях. Они поселяются в пищевых продуктах (ботулизм) или в омертвевших тканях в ранах (столбняк и гангрена) и отравляют организм своими токсинами, полностью ответственными за всю клиническую картину заболевания.

5. Несмотря на факторы патогенности и токсины, причиной большинства симптомов «обычных» бактериальных инфекций — повышения температуры, слабости, потери аппетита, боли и нагноения в инфицированных ранах и других — являются не столько агрессивные действия самих бактерий, сколько работа нашей собственной иммунной системы по устранению инфекции. В некотором смысле это можно уподобить масштабной операции полицейского спецназа против вооруженной банды, когда большая часть неудобств и опасностей для окружающего мирного населения связана не с самими злодеями, а с деятельностью по их ликвидации. Именно поэтому попадание в кровь и тем более размножение в ней большого числа любых, пусть не самых высокопатогенных бактерий, может привести к развитию септического шока — смертельно опасного состояния, фактически являющегося системной (т. е. распространенной по всему организму) воспалительной реакцией, которая возникает в результате взаимодействия молекул клеточной стенки бактерий с клетками и специальными белками иммунной системы.

6. Последний общий предок прокариот, к которым относятся бактерии, и эукариот, к которым относимся мы с вами, жил на планете не менее 3 млрд лет назад. За прошедшее время наши процессы метаболизма сильно изменились в различных направлениях, и в результате обмен веществ в клетке животного и в клетке бактерии отличается довольно существенными особенностями. Поэтому оказалось возможным найти вещества, крайне ядовитые для многих бактерий и практически безвредные для нас.
   Самыми известными из них являются антибиотики. Большинство антибиотиков продуцируется грибами (пенициллин) или бактериями, которые при этом сами к ним не чувствительны (стрептомицин, грамицидин). Многие современные антибиотики получают путем химической модификации веществ, синтезируемых живыми продуцентами. Антибиотики — безусловные лидеры среди всех созданных человеком лекарственных препаратов по числу спасенных жизней. Неожиданная смерть от болезни в течение нескольких дней здорового и сильного человека, столь часто описываемая в исторической и художественной литературе, ныне является очень редким событием. Вопреки общему мнению, лечение антибиотиками далеко не всегда оказывает заметные побочные эффекты. Даже так называемые дисбактериозы — повреждение нормальной микрофлоры тела — вызываются далеко не всеми препаратами этой группы.

7. Бактерии обладают удивительным потенциалом приспособления к различным условиям среды, включая и антибактериальные препараты. Кроме того, они гораздо интенсивнее, чем большинство эукариот, обмениваются генами с другими представителями своего и даже иных видов. Поэтому появление и широкое распространение антибиотикоустойчивых штаммов бактерий, в особенности возбудителей госпитальной инфекции, стало большой проблемой для современной медицины. Соблюдение определенных правил применения антибиотиков и предупреждения распространения устойчивых микроорганизмов крайне важно для того, чтобы избежать возвращения в уже забытую многими эру, в которой отсутствовали эффективные средства борьбы с бактериальными инфекциями.

8. Сами бактерии тоже могут страдать от инфекций. Одна из наиболее многочисленных групп вирусов — бактериофаги (или, сокращенно, фаги) — паразитирует на клетках бактерий. Использование бактериофагов для борьбы с инфекциями исторически было первой стратегией специфической противобактериальной терапии (первые опыты поставлены Феликсом Д’Эрелем (1873–1949), одним из первооткрывателей фагов в 1919 году, всего два года спустя после выхода его статьи об открытии этих вирусов). Эта идея снова привлекает в наши дни большой интерес исследователей. Но успешное применение фагов — значительно более сложная задача, чем использование антибиотиков. Бактерии сосуществуют в природе с фагами миллиарды лет и выработали многочисленные стратегии взаимодействия, а иногда даже симбиоза с ними. Так, например, гены многих токсинов патогенных бактерий находятся в составе фаговой ДНК, внедрившейся в бактериальный геном. Тем не менее, в ряде случаев фаги оказываются эффективным и гораздо более безопасным средством лечения инфекции, чем антибиотики.

9. Луи Пастер является основоположником большинства направлений микробиологии, он также был первым, кто использовал бактериальные рецептуры в качестве биологического оружия. В 1887 году Пастер, по просьбе мадам Поммери, владелицы производства известной марки шампанского Remis, направляет своего ученика Андрэ Луара, чтобы распространить возбудителя куриной холеры среди кроликов, разрушавших своими ходами своды ее погребов. Успех превзошел все ожидания, что, к сожалению, вдохновило в дальнейшем не только сельскохозяйственных микробиологов, но и многочисленных исследователей в области военного применения бактериологического оружия (запрещенного Женевской конвенцией в 1925 году).
   Особенно широко эти работы велись в милитаристской Японии в 1932–1945 годах под руководством генерала Исии Сиро, но, несмотря на тысячи убитых во время экспериментов людей, созданные ими образцы оружия были не особенно эффективны. Разумеется, результаты более поздних исследований в этой области засекречены, однако по имеющимся данным можно предположить, что эффективность бактериологических средств на поле боя крайне сомнительна. В то же время, известно несколько случаев вполне успешного применения бактериальных рецептур террористами.

10. Хотя в настоящее время существует обширный арсенал противомикробных средств, главной преградой на пути эпидемий чумы, холеры и других инфекционных болезней являются не они, а система противоэпидемических мероприятий. Так, например, проблема туберкулеза легких стала значительно более социально значимой и в России, и в мире по сравнению с ситуацией 1960-х годов, хотя и средства диагностики, и средства лечения этой болезни шагнули далеко вперед. Это было связано с распадом отлаженной системы противотуберкулезных учреждений (в том числе и из-за нежелания тратить деньги на борьбу с болезнью, которая казалась практически исчезнувшей в Америке и Европе на рубеже 1970-х). Исследованием путей распространения различных инфекций, факторов, способствующих и препятствующих ему, занимается эпидемиология — самостоятельная область науки, отдельная от микробиологии, изучающей биологические свойства самих возбудителей.