Тропизм к хозяину - это специфичность инфекции определенных патогенов к конкретным хозяевам и тканям хозяина. Этот тип тропизма объясняет, почему большинство патогенов способны инфицировать только ограниченный круг организмов-хозяев.
Исследователи могут классифицировать патогенные организмы по ряду видов и типов клеток, к которым они проявляют тропизм к хозяину. Например, патогены, способные инфицировать широкий круг хозяев и тканей, считаются амфотропными . С другой стороны, экотропные патогены способны инфицировать лишь узкий круг хозяев и ткани хозяина. Знание специфики патогена-хозяина позволяет специалистам в исследовательской и медицинской отраслях моделировать патогенез и разрабатывать вакцины , лекарства и профилактические меры.для борьбы с инфекцией. Такие методы, как клеточная инженерия, прямая инженерия и вспомогательная эволюция адаптированных к хозяину патогенов, а также генетические скрининг на уровне всего генома, в настоящее время используются исследователями для лучшего понимания диапазона хозяев различных патогенных организмов. [1]
Как работает тропизм хозяина
Патоген проявляет тропизм к определенному хозяину, если он может взаимодействовать с клетками хозяина таким образом, чтобы поддерживать рост патогенов и инфекцию. На способность патогена инфицировать конкретную клетку влияют различные факторы, в том числе: структура рецепторов на поверхности клетки; наличие факторов транскрипции, которые могут идентифицировать патогенную ДНК или РНК; способность клеток и тканей поддерживать репликацию вирусов или бактерий; и наличие физических или химических барьеров внутри клеток и во всей окружающей ткани. [2]
Рецепторы клеточной поверхности
Патогены часто проникают в клетки или ткани хозяина или прикрепляются к ним, прежде чем вызвать инфекцию. Чтобы эта связь произошла, патоген должен распознать поверхность клетки, а затем привязаться к ней. Вирусы , например, часто должны связываться со специфическими рецепторами клеточной поверхности, чтобы проникнуть в клетку. Многие вирусные мембраны содержат поверхностные белки вириона, специфичные для определенных рецепторов на поверхности клетки-хозяина. [2] Если клетка-хозяин экспрессирует комплементарный поверхностный рецептор вируса, то вирус может прикрепиться и проникнуть в клетку. Если клетка не экспрессирует эти рецепторы, вирус не может ее заразить. Следовательно, если вирус не может связываться с клеткой, он не проявляет тропизма для этого хозяина.
Бактерии заражают хозяев иначе, чем вирусы. В отличие от вирусов, бактерии могут размножаться и делиться самостоятельно, не проникая в клетку-хозяин. Тем не менее, для роста и деления бактериям требуются определенные питательные вещества из окружающей среды. Эти питательные вещества часто могут поставляться тканями хозяина, и поэтому некоторым бактериям для выживания нужен хозяин. Как только бактерия распознает рецепторы клетки-хозяина или богатую питательными веществами среду, она колонизирует клеточную поверхность. [3] Бактерии имеют различные механизмы колонизации тканей хозяина. Например, производство биопленки позволяет бактериям прилипать к поверхности ткани хозяина и обеспечивает идеальную защитную среду для роста бактерий. [4] Некоторые бактерии, такие как спирохеты, способны размножаться в клетке или тканях-хозяевах. Затем это позволяет бактерии окружить себя богатой питательными веществами средой, которая защищает ее от иммунных реакций и других стрессоров.
Факторы транскрипции, питательные вещества и патогенная репликация
Чтобы вирусы могли реплицироваться в клетке-хозяине, а бактерии могли выполнять метаболические процессы, необходимые для роста и деления, они должны сначала получить необходимые питательные вещества и факторы транскрипции из своего окружения. [2] Даже если вирус способен связываться с клеткой-хозяином и переносить свой генетический материал через клеточную мембрану, клетка может не содержать необходимых полимераз и ферментов, необходимых для репликации вируса и продолжения патогенеза.
Многие патогены также содержат важные факторы вирулентности в своих геномах. В частности, патогенные бактерии способны транслировать гены вирулентности, расположенные в их плазмидах, в различные факторы вирулентности, чтобы помочь бактериям в патогенезе. [3] Внутри патогенов существует множество различных типов факторов вирулентности, в том числе факторы приверженности, факторы инвазии, капсулы, сидерофоры , эндотоксины и экзотоксины . [5] Все эти факторы вирулентности либо непосредственно способствуют колонизации хозяина, либо повреждению клеток и тканей хозяина.
Механизмы защиты клетки-хозяина
Организмы-хозяева оснащены множеством различных защитных механизмов, используемых для защиты хозяина от патогенной инфекции. В частности, у людей есть несколько линий защиты, которые влияют на патогенез от начала до конца. Чтобы вирус или бактерия проявляли тропизм к конкретному хозяину, они должны сначала иметь средства, чтобы прорваться через линию защиты организма-хозяина. Первая линия защиты, известная как врожденная иммунная система , предназначена для предотвращения проникновения и укоренения первоначальных патогенных микроорганизмов. Врожденная иммунная система только широко специфична к патогенам и включает: анатомические барьеры, воспаление , фагоцитоз и неспецифические ингибиторы. [6]
Анатомический барьер является любым физическим или химическим барьером , который помогает предотвратить попадание микроорганизмов в организм. Это включает в себя кожу , пот, слой слизи , слюну, слезы, эндотелиальную выстилку и естественную микробиоту человека . Эпидермис кожи обеспечивает физический барьер против патогенов, но он может быть легко поврежден укусами насекомых, укусами животных, царапинами или другими незначительными кожными травмами. [6] Пот, слюна и слезы - все это химические барьеры, содержащие ферменты, такие как лизоцимы , которые могут убивать бактерии и вирусы. Слой слизи выстилает носоглотку и служит физическим барьером, который охватывает чужеродные патогены и уносит их обратно из организма через сопли и мокроту . [6] Микробиота человека, другие микроорганизмы, живущие внутри и на теле, конкурируют с патогенными организмами и играют большую роль в патогенном контроле. Наконец, полупроницаемая мембрана, известная как гематоэнцефалический барьер, представляет собой выстилку из эндотелиальных клеток, отделяющую кровь от тканей и органов. [6] Без этой оболочки вирусы и бактерии могли бы легко заразить жизненно важные органы человека, такие как мозг, легкие и плаценту.
Воспаление - один из первых иммунных ответов на патогенную инфекцию, которым обладают многие организмы-хозяева. Воспаление включает в себя повышение температуры вокруг места инфекции, накопление CO 2 и органических кислот и снижение напряжения кислорода в инфицированной ткани в ответ на повреждение клеток, вызванное патогенами. [6] [7] Коагуляция крови (свертывание) также происходит в воспаленной области, обеспечивая физический барьер против патогенной инфекции. [8] Эти изменения в конечном итоге создают неблагоприятные условия для жизни патогена (т. Е. Изменения pH, снижение АТФ и изменения клеточного метаболизма) и предотвращают дальнейшую репликацию и рост.
Как только бактерия или вирус преодолевают врожденную иммунную систему организма, приобретенная иммунная система организма- хозяина вступает во владение. Этот иммунный ответ является высокоспецифичным по отношению к патогенам и обеспечивает хозяину длительный иммунитет против будущего заражения этим специфическим патогеном. Когда лимфоциты распознают антигены на поверхности патогена, они секретируют антитела, которые связываются с патогеном и предупреждают макрофаги и естественные клетки-киллеры . [7] [9] Эти клетки нацелены на сам патоген, убивая его или делая неактивным. Этот процесс дополнительно производит памяти B клетки и Т - клеток памяти , которые позволяют длительный иммунитет произойти.
В заключение, если патоген способен преодолевать различные защиты хозяина, распознавать клетку хозяина для инфекции и успешно реплицироваться в ткани хозяина, то патоген, вероятно, обладает тропизмом для этого конкретного хозяина.
Вирусный тропизм
Тропизм вируса-хозяина определяется сочетанием восприимчивости и вседозволенности: клетка-хозяин должна быть как пермиссивной (допускать репликацию вируса), так и восприимчивой (обладать рецепторным комплементом, необходимым для проникновения вируса), чтобы вирус мог установить инфекцию. Как только вирус связывается с клеткой-хозяином, клетка-хозяин должна предоставить необходимые факторы транскрипции, необходимые для репликации вируса. Когда вирус может использовать клетку для воспроизведения своей генетической информации, вирус может распространять инфекцию по всему телу.
Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ)
Вирус иммунодефицита человека проявляет тропизм хозяина для CD4 связанных иммунных клеток (например , Т - хелперных клеток, макрофагов или дендритных клеток). Эти клетки экспрессируют рецептор CD4, с которым может связываться ВИЧ , через белки gp120 и gp41 на его поверхности. [10] ВИЧ также требует второго корецептора вместе с комплексом CD4-gp120 для проникновения в клетки-мишени - CCR5 или CXCR4 . [10] Это демонстрирует пример того, как рецепторы клеточной поверхности могут влиять на тропизм вирусного патогена. Поскольку люди - единственные организмы, у которых есть клетки с этими рецепторами, ВИЧ проявляет тропизм к хозяину только для людей. Вирус обезьяньего иммунодефицита (SIV), вирус, похожий на ВИЧ, способен заражать приматов. [11]
Вирус Эпштейна-Барра (EBV)
Вирус Эпштейна-Барр (EBV) является одним из восьми известных герпесвирусов. Он проявляет тропизм хозяина к В-клеткам человека через комплекс CD21- gp350 / 220 и считается причиной инфекционного мононуклеоза , лимфомы Беркитта , болезни Ходжкина , карциномы носоглотки и лимфом . [12] ВЭБ попадает в организм через оральную передачу слюны, и считается, что он заражает более 90% взрослого населения мира. [13] EBV может также инфицировать эпителиальные клетки, Т-клетки и естественные клетки-киллеры посредством механизмов, отличных от процесса, опосредованного рецептором CD21 в В-клетках. [12]
Вирус Зика (ZIKV)
Вируса Зика является комарами арбовирусным в роде флавивирусы , который проявляет тропизм для материнского человека децидуального , фетальной плаценты и пуповины. [14] На клеточном уровне вирус Зика нацелен на децидуальные макрофаги, децидуальные фибробласты , трофобласты , клетки Хофбауэра и мезенхимальные стволовые клетки из-за их повышенной способности поддерживать репликацию вирионов. [14] У взрослых заражение вирусом Зика может привести к лихорадке Зика ; и если инфекция происходит в первом триместре беременности, могут возникнуть неврологические осложнения, такие как микроцефалия . [15]
Бактериальный тропизм
Микобактерии туберкулеза
Mycobacterium tuberculosis - это тропическая бактерия, вызывающая туберкулез - вторую по частоте причину смерти от инфекционного агента. [16] Гликоконъюгаты клеточной оболочки,окружающие M. tuberculosis, позволяют бактериям инфицировать легочную ткань человека, обеспечивая при этом внутреннюю устойчивость к фармацевтическим препаратам. [16] M. tuberculosis попадает в проходы альвеол легких через капли аэрозоля, а затем подвергается фагоцитозу макрофагами. [17] Однако, поскольку макрофаги не могут полностью убить M. tuberculosis ,в легких образуются гранулемы , обеспечивая идеальную среду для продолжения бактериальной колонизации. [17]
Золотистый стафилококк
По оценкам, более 30% населения мира колонизированы золотистым стафилококком , микроорганизмом, способным вызывать кожные инфекции, нозокомиальные инфекции и пищевые отравления из-за его тропизма к коже и мягким тканям человека. [18] В золотистом стафилококке клональной комплекс CC121 , как известно, обладает несколько хостом тропизма для людей и кроликов. [19] Считается, что это происходит из-за мутации одного нуклеотида, в результате которой комплекс CC121 превратился в клональный комплекс ST121, клон, способный инфицировать кроликов. [19]
кишечная палочка
Энтеропатогенные и энтерогеморрагические Escherichia coli ( EPEC и EHEC соответственно) проявляют тропизм к эпителиальным клеткам кишечника человека, что приводит к пищевым отравлениям и проблемам с пищеварением. [20] Секреция типа III является основным способом патогенеза этих двух патогенных форм E. coli , который включает присоединение интимина к транслоцированным поверхностным рецепторам интимина, представленным на поверхности эпителиальных клеток кишечника. [20] Наряду с системой секреции типа III, температура также может влиять на секрецию интимина, который увеличивает инфекционность и тропизм E. coli для клеток кишечника человека. [20]
Смотрите также
- Тканевый тропизм
Рекомендации
- ^ Дуам, Флориан; Gaska, Jenna M .; Винер, Бенджамин Ю.; Дин, Цян; фон Шаевен, Маркус; Плосс, Александр (01.01.2015). "Генетическое рассечение тропизма хозяина тропических патогенов человека" . Ежегодный обзор генетики . 49 : 21–45. DOI : 10.1146 / annurev-genet-112414-054823 . ISSN 0066-4197 . PMC 5075990 . PMID 26407032 .
- ^ а б в Барон, Самуил; Фонс, Майкл; Альбрехт, Томас (1996). «Глава 45: Вирусный патогенез» . Медицинская микробиология (4-е изд.). Галвестон, Техас: Медицинский филиал Техасского университета в Галвестоне. ISBN 978-0963117212. PMID 21413306 .
- ^ а б Рибет, Дэвид; Паскаль, Коссарт (2015). «Как бактериальные патогены колонизируют своих хозяев и проникают в более глубокие ткани» . Микробы и инфекции . 17 (3): 173–183. DOI : 10.1016 / j.micinf.2015.01.004 . PMID 25637951 .
- ^ Апарна, Мадху Шарма; Ядав, Сарита (2008-12-01). «Биопленки: микробы и болезни» . Бразильский журнал инфекционных заболеваний . 12 (6): 526–530. DOI : 10.1590 / S1413-86702008000600016 . ISSN 1413-8670 . PMID 19287843 .
- ^ Петерсон, Джонни В. (1996-01-01). «Глава 7: Бактериальный патогенез» . У Барона, Самуила (ред.). Медицинская микробиология (4-е изд.). Галвестон (Техас): Медицинский филиал Техасского университета в Галвестоне. ISBN 978-0963117212. PMID 21413346 .
- ^ а б в г д Дианзани, Фердинандо; Барон, Сэмюэл (1996-01-01). «Глава 49: Неспецифическая защита» . У Барона, Самуила (ред.). Медицинская микробиология (4-е изд.). Галвестон (Техас): Медицинский филиал Техасского университета в Галвестоне. ISBN 978-0963117212. PMID 21413325 .
- ^ а б Чарльз Джейнвей младший; Трэверс, Пол; Уолпорт, Марк; Шломчик, Марк Дж. (01.01.2001). Принципы врожденного и адаптивного иммунитета .
- ^ Чарльз Джейнвей младший; Трэверс, Пол; Уолпорт, Марк; Шломчик, Марк Дж. (01.01.2001). Передняя линия обороны страны .
- ^ Климпель, Гэри Р. (1996-01-01). «Глава 50: Иммунная защита» . У Барона, Самуила (ред.). Медицинская микробиология (4-е изд.). Галвестон (Техас): Медицинский филиал Техасского университета в Галвестоне. ISBN 978-0963117212. PMID 21413332 .
- ^ а б Поведа, Ева; Бриз, Вероника; Хинонес-Матеу, Мигель; Сориано, Винсент (2006). «Тропизм ВИЧ: инструменты диагностики и значение для прогрессирования заболевания и лечения с помощью ингибиторов входа» . СПИД . 20 (10): 1359–1367. DOI : 10.1097 / 01.aids.0000233569.74769.69 . ISSN 0269-9370 . PMID 16791010 - через Овидия.
- ^ Уильямс, Кеннет С.; Бурдо, Триша Х. (28 марта 2017 г.). «ВИЧ и SIV-инфекция - роль клеточного ограничения и иммунных ответов в вирусной репликации и патогенезе» . APMIS . 117 (5–6): 400–412. DOI : 10.1111 / j.1600-0463.2009.02450.x . ISSN 0903-4641 . PMC 2739573 . PMID 19400864 .
- ^ а б Томпсон, Мэтью П .; Курцрок, Разель (01.02.2004). «Вирус Эпштейна-Барра и рак» . Клинические исследования рака . 10 (3): 803–821. DOI : 10.1158 / 1078-0432.CCR-0670-3 . ISSN 1078-0432 . PMID 14871955 .
- ^ Амон, Вольфганг; Фаррелл, Пол Дж. (2005-05-01). «Реактивация вируса Эпштейна-Барра с латентным периодом». Обзоры в медицинской вирусологии . 15 (3): 149–156. DOI : 10.1002 / rmv.456 . ISSN 1099-1654 . PMID 15546128 .
- ^ а б Эль-Коста, Хишам; Гуйи, Жорди; Мансуи, Жан-Мишель; Чен, Цянь; Леви, Клод; Картрон, Жеральдин; Веас, Франсиско; Аль-Дакчак, Рим; Изопет, Жак (2016-10-19). «Вирус ZIKA обнаруживает широкий тканевой и клеточный тропизм в первом триместре беременности» . Научные отчеты . 6 (1): 35296. Bibcode : 2016NatSR ... 635296E . DOI : 10.1038 / srep35296 . ISSN 2045-2322 . PMC 5069472 . PMID 27759009 .
- ^ Муссо, Дидье; Габлер, Дуэйн Дж. (01.07.2016). «Вирус Зика» . Обзоры клинической микробиологии . 29 (3): 487–524. DOI : 10.1128 / CMR.00072-15 . ISSN 0893-8512 . PMC 4861986 . PMID 27029595 .
- ^ а б Ангала, Шива Кумар; Белардинелли, Хуан Мануэль; Хак-Клаустр, Эмили; Пшеница, Уильям Х .; Джексон, Мэри (01.01.2014). «Гликоконъюгаты клеточной оболочки Mycobacterium tuberculosis» . Критические обзоры в биохимии и молекулярной биологии . 49 (5): 361–399. DOI : 10.3109 / 10409238.2014.925420 . ISSN 1040-9238 . PMC 4436706 . PMID 24915502 .
- ^ а б Смит, Иссар (01.07.2003). «Патогенез микобактерий туберкулеза и молекулярные детерминанты вирулентности» . Обзоры клинической микробиологии . 16 (3): 463–496. DOI : 10.1128 / CMR.16.3.463-496.2003 . ISSN 0893-8512 . PMC 164219 . PMID 12857778 .
- ^ Тонг, Стивен YC; Дэвис, Джошуа С .; Эйхенбергер, Эмили; Holland, Thomas L .; Фаулер, Вэнс Г. (01.07.2015). «Инфекции Staphylococcus aureus: эпидемиология, патофизиология, клинические проявления и лечение» . Обзоры клинической микробиологии . 28 (3): 603–661. DOI : 10.1128 / CMR.00134-14 . ISSN 0893-8512 . PMC 4451395 . PMID 26016486 .
- ^ а б Виана, Дэвид; Комос, Мария; Макадам, Пол Р; Уорд, Мелисса Дж .; Сельва, Лаура; Guinane, Caitriona M .; Гонсалес-Муньос, Беатрис М .; Тристан, Энн; Фостер, Саймон Дж (2017-04-29). «Единственная природная нуклеотидная мутация изменяет тропизм бактериального патогена к хозяину» . Генетика природы . 47 (4): 361–366. DOI : 10.1038 / ng.3219 . ISSN 1061-4036 . PMC 4824278 . PMID 25685890 .
- ^ а б в Розеншайн, Илан (1998-10-01). «Видовая специфичность и тканевой тропизм EPEC и родственных патогенов» . Тенденции микробиологии . 6 (10): 388. DOI : 10.1016 / S0966-842X (98) 01355-9 . ISSN 0966-842X . PMID 9807781 .