Levestedet for Coccidioides spp.
Regioner, der er endemiske for coccidioidomycose, er generelt kendetegnet ved et halvtørt klima, der letter spredningen af Coccidioides-sporer i luften. Det milde vintervejr, der er typisk for de endemiske regioner, giver optimale betingelser for svampens vækst, og de tørre, varme somre letter spredningen af arthroconidierne . Imidlertid er fordelingen af Coccidioides spp. i jorden i endemiske regioner uregelmæssig, selv i regioner med en høj forekomst af infektion .
De første undersøgelser, der beskrev Coccidioides’ levested, var dem af Egebert et al. , og Elconin et al. og Lacy og Swatek ; disse forskere opnåede svampeisolater fra jordprøver med et højt saltindhold og foreslog, at et forhøjet saltindhold i jorden kan være en forudsætning for svampens udvikling. Sporerne af Coccidioides er også kendt for at vokse i sandede, alkaliske jorde, der er rige på organisk materiale og salte . Fisher et al. bekræftede, at Coccidioides’ levested i endemiske områder også er kendetegnet ved jordbund med et højt indhold af vigtige næringsstoffer som jern, calcium og magnesium. Desuden understøtter yderligere resultater fra Fisher et al. denne svamps evne til at vokse i næsten alle typer ørkenjord, herunder jord med lav pH-værdi; denne svamp kan også tåle ekstreme lufttemperaturer fra -40,0 til 48,8 °C og jordtemperaturer fra -6,5 til 60,5 °C. Forfatterne understreger også, at abiotiske faktorer i endemiske områder kan skabe gunstige betingelser for vækst af Coccidioides. Et større organisk indhold i jorden kan føre til større tilgængelighed af næringsstoffer for svampevækst, mens øget saltholdighed og høje temperaturer kan mindske konkurrencen med andre mikroorganismer. For eksempel kan høje koncentrationer af natriumborat i jorden være antiseptisk for visse mikroorganismer, men ikke nødvendigvis for Coccidioides . For nylig bekræftede arbejde udført af De Macedo et al. de tidligere beskrevne miljøkarakteristika for Coccidioides spp.’s levested ved positiv identifikation af Coccidioides-isolater i jordprøver fra halvtørre områder i delstaten Piauí i den nordøstlige del af Brasilien.
Dabrowa et al. fastslog tilstedeværelsen af potentielt patogene svampe i intertidalzoner. Selv om forfatterne ikke var i stand til at bekræfte positive isolater af C. immitis, er det muligt, at denne svamp kan være til stede i intertidalzoner i betragtning af den endemiske forekomst af Coccidioides i hele det sydvestlige USA. Desuden er det tidligere blevet påvist, at C. immitis kan overleve i havvand og mættet saltvand i op til 6 uger i laboratoriet . Det er vigtigt, at C. immitis selv under disse forhold bevarer evnen til at inficere forskellige vandlevende arter som f.eks. flodkrabber, guldfisk, flaskenæse-delfiner og løvefisk . Koncentrationen af C. immitis i disse sedimenter er naturligt forhøjet i regntiden som følge af afstrømning fra havet eller floder . I Mexico har screening af miljøprøver til trods for vellykkede kliniske isoleringer af Coccidioides spp. haft lav effektivitet, så Catalán-Dibene et al. undersøgte et meget endemisk område nær grænsen mellem USA og Mexico, hvor der tidligere er påvist Coccidioides ved molekylære metoder . I denne undersøgelse testede de serum fra 40 indfangede gnavere ved hjælp af ELISA og påviste antistoffer mod Coccidioides hos to arter: Peromyscus maniculatus og Neotoma lepida. Denne undersøgelse danner grundlag for analyse af dette patogen i dets naturlige miljø.
Baptista-Rosas et al. genererede en model for udbredelsen af Coccidioides-arter ved hjælp af en kombination af flere miljøvariabler og geospatiale referencepunkter i USA og Mexico, som er steder med positive Coccidioides-isolater. Denne model tyder på, at tørre jorde i nordamerikanske ørkener sandsynligvis tjener som økologiske nicher for Coccidioides, hvilket stemmer overens med den større sygdomsforekomst i disse regioner og andres resultater .
På nuværende tidspunkt er resultaterne af forskellige undersøgelser enige om de økologiske træk, der definerer Coccidioides’ levested. Denne svampetype er knyttet til jordbund i tørre, halvtørre og alkaliske områder med sparsom xerofytisk vegetation, høje gennemsnitstemperaturer og lav årlig gennemsnitlig nedbørsmængde . Derfor er Coccidioides’ evne til at overleve under sådanne ekstreme forhold en fordel i forhold til andre mikroorganismer, som foreslået af Baumgardner . På grundlag af De Hoogs arbejde består Coccidioides-slægten af xerotolerante svampe, fordi de kan vokse under ekstremt fjendtlige forhold. Desuden kan Coccidioides betragtes som halotolerante organismer , fordi begge arter i denne slægt tåler høje saltkoncentrationer på op til 8 % . Ikke desto mindre er der kun lidt viden om de mekanismer, som Coccidioides-arter benytter sig af for at overleve under høje saltindholdsforhold. Nogle af de strategier, som Coccidioides kan benytte sig af for at overleve under disse forhold, kan omfatte: (1) opretholdelse af høje intracellulære saltkoncentrationer, osmotisk eller mindst svarende til dens eksterne koncentration (“salt-in”-strategi), hvilket gør det muligt for den at tilpasse sig til et alkalisk miljø. Dette kræver imidlertid en særlig tilpasning af dens intracellulære systemer, og (2) opretholdelse af lave saltkoncentrationer i dens cytoplasma (“kompatibel-solut”-strategi). Mediets osmotiske tryk afbalanceres af kompatible opløsningsstoffer (2-sulfotrehalose, trehalose, saccharose, glycerol, betain-glycin, ectoin og glycosilglycerol). Disse opløsningsstoffer påvirker ikke den enzymatiske aktivitet, da høje koncentrationer af uorganiske salte ikke kræver en særlig tilpasning af de intracellulære systemer . Det skal dog stadig bestemmes, hvilke strategier Coccidioides anvender for at overleve under forhold med høj saltholdighed.
Dyrs rolle som reservoirer
Det er blevet foreslået, at dyr kan spille en rolle i jordberigelsen ved at fungere som substrat eller vækstfaktor for nogle patogener . F.eks. fremmes væksten af Histoplasma capsulatum eller Cryptococcus neoformans i jord, der er rig på ekskrementer og organisk materiale fra dyr .
Autorer har i mere end fem årtier foreslået, at dyrekadavere kan tjene som medium for vækst af Coccidioides i jorden. Dette blev støttet af fundet af svampepositive isolater i nærheden af dyrehuler , hvorimod isolater fra jord uden kontakt med dyr var negative for svampen . Det er vigtigt at understrege, at selv om nogle undersøgelser tyder på, at der findes “hot spots” i endemiske zoner eller områder, hvor tilstedeværelsen af Coccidioides er meget sandsynlig, har forsøg på at isolere svampen fra jorden ikke været vellykkede. Ikke desto mindre er coccidioidomycose typisk blevet betragtet som en “klassisk” jordforårsaget infektion . Imidlertid har arbejde af understreget dyrenes rolle i Coccidioides’ livscyklus, idet der er fundet svampepositive isolater i prøver indsamlet fra dyrehuler i byen Solonolpoles i staten Ceara i det nordøstlige Brasilien. Denne by ligger i en højde på 155 m. 38 meter over havets overflade, har en gennemsnitstemperatur på 26-28,8 °C, har en regntid fra januar til april med en gennemsnitlig årlig nedbørsmængde på 700 mm og indeholder xerofytisk vegetation. Solonolpoles ligger i et halvtørt område i Brasilien og er kendetegnet ved høje temperaturer, hyppig tørke og en smuldrende jordbund. Disse karakteristika stemmer overens med dem, der tidligere er beskrevet for Coccidioides spp.’s levested, og giver yderligere støtte til tanken om, at dyr kan berige jorden og fungere som en vigtig vækstfaktor for denne svamp. Desuden er det blevet foreslået, at inficerede dyr som f.eks. flagermus og bæltedyr kan indgå i Coccidioides’ livscyklus og dermed fungere som reservoirer for svampen .
Den seneste viden fra sammenlignende genomiske analyser tyder på, at Coccidioides spp. indeholder et betydeligt antal gener, der er vigtige for værtsinteraktioner, og at antallet af gener, der er involveret i værtsinteraktioner, er større end dem, der er vigtige for overlevelse i deres naturlige levested . Denne tendens understøttes yderligere af, at der er konstateret talrige ændringer i Coccidioides’ genetiske sammensætning, hvor den største ændring sker i antallet af gener, der er vigtige for overlevelsen i naturlige levesteder. F.eks. er der et fald i antallet af gener, der er involveret i nedbrydning af cellevæggen (cellulase, tannase, cutinase og pektinlyase), samtidig med en stigning i antallet af gener, der er involveret i brugen af kadavere som energikilde (protease og keratinase). Nogle af disse gener koder for proteasefamilier som f.eks. ekstracellulære serinproteaser, aspartiske proteaser og Meps. Der er fundet mindst ti Mep-gener (betegnet Mep1 til Mep10) i Coccidioides posadasii, og de fleste af dem blev klassificeret i M35- (deuterolysin) og M36-familierne (fungalysin) . Samlet set tyder disse ændringer på, at Coccidioides spp. ikke er typiske jordsvampe, idet de opretholder en tæt tilknytning til keratinrige dyr både under infektionen af en levende vært og efter værtens død ved at vokse i kadaveret som mycelium .
Samlet set kan disse resultater tyde på, at placeringen af Coccidiodes spp. i miljøet er snævert knyttet til deres værts aktiviteter. Det lave antal svampeisolater fra jordprøver synes at stemme overens med den observation, at Coccidiodes spp. er bedre tilpasset en livscyklus, der omfatter en animalsk vært. Ud over det lavere antal svampeisolater, der kan opnås fra jordprøver, understøtter det forhold, at de fleste positive jordisolater er fundet i forbindelse med organisk materiale fra dyrekroppe, yderligere indviklede værtsinteraktioner. På baggrund af disse resultater foreslår vi derfor, at Coccidioides spp.’s livscyklus i det naturlige jordhabitat kan være kortvarig. Når Coccidioides spp. først har inficeret en vært, kan sygdommen udvikle sig, hvilket i sidste ende fører til værtens død og tilvejebringer nyt organisk materiale med svampepartikler. De høje temperaturer i disse endemiske områder kombineret med de forhøjede kuldioxidniveauer som følge af nedbrydningsprocessen skaber et optimalt miljø for den dimorfe omdannelse af Coccidioides’ parasitære strukturer (kugler), der giver anledning til de infektiøse former (arthroconidier). Når denne livscyklus er afsluttet, er nye infektiøse svampe til rådighed til spredning ved hjælp af etablerede mekanismer (fig. 1), hvilket gør det muligt for svampene at inficere nye værter hurtigt og starte cyklussen forfra. Den tid, som svampen tilbringer uden værtsinteraktion, er derfor kort, hvilket til dels forklarer vanskeligheden ved at opnå svampepositive isolater fra jordprøver (fig. 1). Coccidioides spp.’s korte eksistens i fravær af en vært kan hænge sammen med de ekstreme miljøforhold i den økologiske niche. De høje saltkoncentrationer i jord eller vand udgør en energimæssigt kostbar udfordring for livet. Under forhold med et højt saltindhold skal svampen opretholde ioniske koncentrationsgradienter for at sikre osmotisk ligevægt . De ekstreme miljøforhold har medført adaptive ændringer i Coccidioides spp.’s genom, hvilket har ført til erhvervelse af et lille antal nye gener, som for det meste er forbundet med interaktionerne mellem svampen og dens animalske værter . Disse genetiske ændringer sikrer derfor, at Coccidioides spp. bruger dyr som reservoirer, hvilket synes at skabe et gunstigt miljø for svampens udvikling.
Svampe, der tilhører slægten Coccidioides, lever i tørre og halvtørre zoner med alkalisk jord og ekstreme temperaturer. Under disse forhold vokser de i en mycelform og udvikler aseksuelle reproduktionsstrukturer. (1) Disse strukturer kan spredes med vinden og finde en vært, primært pattedyr, herunder mennesker, hvor der sker dimorfe forandringer, hvilket giver anledning til en parasitær form, der har kugler og endosporer. (2), Hundredvis af endosporer frigives, og hver endospor har kapacitet til at give anledning til endnu en kugle, hvorved livscyklusen gentages i værten. Hos mennesker kan infektionen udvikle sig til sygdom, eller den kan blive udryddet af immunsystemet. På samme måde kan infektionen hos dyr føre til sygdom eller ej. I tilfælde af sygdom og værtens eventuelle død bliver Coccidioides udsat for miljøet og vender tilbage til en mycelform (3), hvorved de igen integreres i deres levested
De ekstreme miljøforhold i Coccidioides spp.’s naturlige levested i jorden er ikke gunstige for svampens seksuelle formering, da denne proces kræver et større energiforbrug . Vi foreslår, at Coccidioides spp. har tendens til at reproducere sig aseksuelt i det naturlige levested; i modsætning hertil kan den seksuelle reproduktion genoptages, når svampen møder en egnet animalsk vært, selv om seksuel reproduktion ikke er blevet påvist hos Coccidioides spp. er der tegn på denne form for reproduktion . Disse ændringer i reproduktionsformerne afhængigt af levestedet kan delvis forklare den genetiske variabilitet hos Coccidioides spp. .
Mekanismer for spredning af Coccidioides spp.
Coccidioidomycose er blevet rapporteret hos en række dyrearter (tabel 1); indtil nu er dyrenes rolle i epidemiologien af den humane sygdom dog ikke blevet fuldt ud undersøgt.
Det er blevet foreslået, at tamme landdyrarter og vilde dyrearter kan fungere som spredere af Coccidioides i miljøet, f.eks. som følge af dårlig praksis for bortskaffelse af kadavere. Patogene svampe, herunder Coccidioides spp. kan vokse “in vitro” i de uorganiske bestanddele af knogler. Kadavere af inficerede dyr kan derfor rumme patogene Coccidioides spp. og fungere som en økologisk niche eller reservoir, hvorfra den patogene svamp let kan spredes med vinden og hurtigt transporteres over store afstande (fig. 1). Vinden, der bevæger sig over inficerede kadavere eller knogler, kan generere bioaerosoler, og dette er en sandsynlig spredningsmekanisme. Et andet vigtigt kendetegn ved Coccidioides spp., der sikrer overlevelse under ekstreme miljøforhold, er deres evne til at deponere melanin i deres cellevæg og i cytoplasmaet i arthrokonidier, sfærer og endosporer, bortset fra svampehyphaer. Melaninaflejring giver beskyttelse mod ekstreme temperaturer og ultraviolet stråling (UV) og generelt mod solstråling . Gostinčar et al. foreslog en mekanisme, hvormed melanin kan beskytte svampen Hortae werneckii mod høj saltholdighed. Denne svamp er i stand til at syntetisere 1,8-dihydroxy-melanin som en beskyttelse mod osmotisk stress, hvilket tyder på, at Coccidioides spp. som også er i stand til at syntetisere melanin kan anvende lignende beskyttelsesmekanismer mod hypersalinitet. Desuden producerer Coccidioides hydrofobiner, som hjælper denne svamp til at tilpasse sig og overleve i sit miljø. Det er interessant at spekulere i, hvordan disse svampes strukturelle komponenter hænger sammen med forskellige fænomener, der forekommer på de overflader, som de møder . På mikroorganismens niveau bliver overfladefænomener eller -forhold den dominerende kraft, mens faktorer som f.eks. tyngdekraften for det meste er ubetydelige. En af hydrofobinerne har bl.a. til opgave at kontrollere overfladekræfterne . Når hyferne møder vandige overflader, giver deres omgivende hydrofobiner en hydrofob overflade, der hjælper med at bryde overfladespændingen og dermed giver mulighed for dannelse af miceller, der adskiller sig fra det vandige medie og bevæger sig gennem luften, hvilket øger effektiviteten, hvormed konidier diffunderer gennem luften .
Menneskebevægelser og andre pattedyrs migration kan tjene som en anden mekanisme for svampes spredning i miljøet . Et glimrende eksempel er flagermusenes langdistancemigration . Arbejde udført af Cordeiro et al. viste, at disse pattedyr er inficeret med Coccidioides spp. hvilket kan understøtte tanken om, at flagermus er reservoirer og spredere af denne svamp. Overførsel af dyrearter i fangenskab, f.eks. hav- eller landpattedyr fra endemiske områder, som kan være inficeret med Coccidioides (tabel 1), kan være en mekanisme til spredning af sygdommen til ikke endemiske områder. Disse to former for svampespredning kan forklare, hvordan overførsel sker i kliniske tilfælde i ikke-endemiske zoner, som dem, der er beskrevet i staten Washington, hvor der er rapporteret om forskellige tilfælde af coccidioidomycose, herunder et tilfælde af primær kutan coccidioidomycose, to tilfælde af lungebetændelse og et tilfælde, der udviklede sig til meningitis . Desuden påviste Litvintseva et al. vedvarende kolonisering af jordbund med C. immitis i Washington State til nylige infektioner hos mennesker og bekræftede genetisk identitet mellem isolater fra jordbund og en af case-patienterne.
Denne spredningsmetode ville også give en forklaring på et positivt C. posadasii isolat, der blev opnået fra en patient, som erhvervede sygdommen fra et ikke-endemisk område (Campeche, Mexico), og som ikke rapporterede nogen udflugter væk fra sit bopælssted . En anden observation, som der sjældent henvises til, men som har stor relevans for epidemiologien af coccidioidomycose, er en rapport fra Nigeria om to høns, som blev analyseret post mortem og viste positive Coccidioides spp.-isolater . Relevansen af denne rapport ligger i to specifikke elementer: for det første er det den første rapport om coccidioidomycose i den ikke-endemiske region i Nigeria, og for det andet er det den første rapport om infektion hos fugle, hvilket bekræfter, at Coccidioides spp. kan inficere andre dyr end pattedyr. Et andet interessant tilfælde er en 14-årig kinesisk dreng, som aldrig havde besøgt eller været udsat for importeret materiale fra områder, der er endemiske for coccidioidioider, og som alligevel blev smittet og led af coccidioidomycose. Ikke desto mindre blev det rapporteret, at drengen havde oplevet en episode med drukning i havet . Selv om kilden til infektionen var uklar, ved man, at Coccidioides kan overleve i saltvand , og at de er kendt for at være til stede hos havpattedyr . Der spekuleres i, at havstrømme kan være i stand til at trække arthroconidierne med sig til ikke-endemiske områder. Disse forhold tyder på, at Coccidioides’ geografiske udbredelsesområde udvider sig, og at de svampe, der er ansvarlige for coccidioidomycose, tilpasser sig nye levesteder, der kan have andre karakteristika end dem, der tidligere er beskrevet .
Den animalske overførsel fra dyr til dyr kræver direkte kontakt, f.eks. ved håndtering af inficerede dyr på klinikken eller direkte inokulation med inficeret materiale , hvilket sker ved et dyrebid . Dette koncept understøttes af Lacy og Swatek, der rapporterede om fund af levedygtige kugler i væv og sekret fra dyr.
Der er forskellige rapporter om coccidioidomycose hos husdyr, som er blevet bekræftet ved serologisk bevisførelse . Dette udgør et problem for folkesundheden, fordi tilstedeværelsen af Coccidioides spp. hos disse dyr tyder på, at de kan fungere som spredere af svampen og derfor være en mulig fare for menneskers sundhed.