Saureuksella on poikkeuksellinen valikoima virulenssitekijöitä, joiden avulla se voi selviytyä äärimmäisistä olosuhteista ihmisisännässä. Näin monimutkainen aseistus saattaa antaa aihetta olettaa, että ihmislajilla ei ole mitään vastusta tälle patogeenille ja että se voi olla erittäin haavoittuvainen vakavalle S. aureus -infektiolle. Yllättävää kyllä, S. aureus hallitsee virulenssin ilmentymistä hienosti, ja suurimmaksi osaksi se aiheuttaa harvoin vakavia infektioita aiemmin terveille henkilöille.
Viimeisten 10 vuoden aikana on kuitenkin ilmaantunut uusia MRSA:n klooneja, jotka ovat levinneet nopeasti eri puolille mantereita aiheuttaen laajamittaisia iho- ja pehmytkudosinfektioita ja eräitä epätavallisen vakavia sairauksia. Toisin kuin perinteiset MRSA-kloonit, jotka rajoittuvat suurelta osin terveydenhuoltoympäristöihin ja saalistavat immuunipuutteisia isäntiä tai isäntiä, joilla on altistavia tekijöitä, nämä yhteisöllisesti esiintyvät metisilliinille vastustuskykyisen S. aureuksen (CA-MRSA) kloonit infektoivat aiemmin terveitä isäntiä, erityisesti lapsia, nuoria ja keski-ikäisiä aikuisia.
Tämän katsauksen kohderyhmänä ovat kliiniset tutkijat. Jotta MRSA:n patogeneesistä saataisiin parempi käsitys, kuvaan ensin esteet, jotka S. aureuksen on voitettava infektion aikaansaamiseksi, ja sitten korostan patogeneesin näkökohtia, jotka ovat ainutlaatuisia terveydenhuoltoon liittyvälle MRSA:lle (HA-MRSA) ja CA-MRSA:lle. Lukijoita pyydetään tutustumaan moniin erinomaisiin katsauksiin S. aureuksen kolonisaatiosta ja patogeneesistä (1-6), joissa kuvataan tarkemmin virulenssimekanismeja.
Kolonisaatio.
Ulkopuolisesta lähteestä hankittu S. aureus voi olla infektion aiheuttaja, kun se inokuloidaan avohaavaan. Yleisemmin ihmisen isäntä saa tartunnan bakteereista, jotka kolonisoivat hänen ihonsa tai limakalvopintansa (7,8). Limakalvopintoja, joilla S. aureus elää, ovat esimerkiksi nenä, kurkku, emättimen seinämä ja ruoansulatuskanava. Nenän kautta tapahtuva kulkeutuminen on luultavasti tärkeintä, koska nenänpoiminta voi tehokkaasti levittää bakteeria muille kehon pinnoille ja muille isännille (9). Huomionarvoista on, että 20 prosenttia henkilöistä on pysyvästi kolonisoitunut nenään ja 30 prosenttia ohimenevästi. Pysyvän ja ohimenevän kulkeutumisen määritelmä vaihtelee tutkimuksesta riippuen, mutta yleensä se kuvataan siten, että kyseessä on yksi positiivinen viljelmä nenästä otetusta pyyhkäisynäytteestä (ohimenevä) ja vähintään kaksi peräkkäistä positiivista viljelmää yhden viikon välein (pysyvä). Kolonisaatio on myös yleisempää nuoremmilla lapsilla sekä HIV:tä ja diabetesta sairastavilla potilailla (4).
Vaikka kolonisaatio altistaa yksilön S. aureus -infektiolle, eräässä tutkimuksessa osoitetaan, että nosokomiaalisen infektion jälkeen kolonisoituneilla yksilöillä on vähemmän vakava S. aureus -sairaus kuin kolonisoitumattomilla henkilöillä (7). Tämä herättää kysymyksen, voisiko kolonisaatio aiheuttaa matalan tason adaptiivisen immuniteetin, jolloin myöhemmät infektiot olisivat lievempiä. Tämän näkemyksen tueksi eräässä tutkimuksessa osoitettiin, että Toxic Shock Syndrome Toxin (TSST) -myrkkyä (Toxic Shock Syndrome Toxin, TSST) sisältävän S. aureus -bakteerin kulkeutuminen liittyy vasta-aineiden tuotantoon ja ylläpitoon kyseistä toksiinia vastaan (10). Sitä vastoin useimmilla henkilöillä, jotka saavat Staphylococcus toxic shock -oireyhtymän, ei ole vasta-aineita TSST:tä vastaan.
S. aureukselle ihmisen nenän kolonisaatio on merkittävä haaste, joka edellyttää paitsi tarttumista nenän epiteelisoluihin myös kykyä selviytyä isännän puolustuksesta ja kilpailevista paikallisista mikro-organismeista. S. aureus tarttuu ja tunkeutuu isännän epiteelisoluihin käyttämällä erilaisia molekyylejä, joita kutsutaan yhteisesti mikrobien pintakomponentteja tunnistaviksi adheesiomatriisimolekyyleiksi (MSCRAMM). Useiden bakteerituotteiden (mukaan lukien MSCRAMM) on ehdotettu olevan tärkeitä adheesiolle ja kiinnittymiselle nenän epiteelisoluihin, mutta kahdella tekijällä (klumppitekijä B ja seinämään assosioitunut teikoiinihappo) on toistaiseksi osoitettu olevan merkitystä ihmisen ja rotan nenän kolonisaatiossa (11,12).
Bakteerien nenän kolonisaatiota estäviä isäntä-immuunitekijöitä ovat muun muassa antimikrobiset peptidit, lysotsyymi, laktoferriini ja IgA (4). S. aureus -kolonisaation kriittisistä isännän puolustusmekanismeista tiedetään kuitenkin vain vähän. Hiirillä tehdyssä tutkimuksessa on tunnistettu kystisen fibroosin transmembraanisen konduktanssin säätelijä ja toll-tyyppinen reseptori 2 mutta ei toll-tyyppinen reseptori 4 tärkeiksi tekijöiksi, jotka kontrolloivat S. aureuksen kulkeutumista (13).
Residenssissä oleva nenäfloora on yhtä suuri haaste S. aureukselle. S. aureuksen kantajia ja ei-kantajia koskevat tutkimukset ovat osoittaneet, että tiettyjen bakteerien, kuten corynebacteriumin, S. epidermidiksen tai S. pneumoniaen, läsnäolo voi estää S. aureuksen kuljettamisen (14). Esimerkiksi S. pneumoniae -rokotteen käyttöönoton on joissakin tutkimuksissa (15), mutta ei toisissa (16), osoitettu johtavan S. aureus -kolonisaation merkittävään lisääntymiseen, minkä vuoksi jotkut ovat arvelleet, että S. pneumoniae ja S. aureus voisivat kilpailla samasta kapeasta alueesta. Kapeikkokilpailun yleiseksi mekanismiksi ehdotetaan bakteerien kilpailua tarttumisesta samaan isännän reseptoriin. Lisäksi tietyt kilpailijat, kuten S. pneumoniae, erittävät vetyperoksidia, joka suurina pitoisuuksina estää S. aureuksen kasvua (17). S. aureus voisi vastatoimena erittää katalaasia ja todennäköisesti muita antioksidantteja, jotka neutraloivat vetyperoksidia (18).
Kun kolonisaatio on vakiintunut, S. aureus sijoittuu kurkun, korvien, suun ja poskionteloiden välittömään läheisyyteen; silti yllättäen nenän kautta tapahtuva kuljetus johtaa harvoin näiden paikkojen avoimeen infektioon. S. aureuksen säätelyä koskevat tutkimukset viittaavat siihen, että kolonisaation aikana monet S. aureuksen virulenssigeenit voivat olla alasreguloituja (19). S. aureuksen kolonisaatiota ja virulenssia säätelevistä geeneistä tunnetuin globaali säätelijä on liitännäisgeenin säätelijä agr, jota on kuvattu yksityiskohtaisesti monissa erinomaisissa katsauksissa (19). Lyhyesti sanottuna agr on quorum sensing -lokus, joka kontrolloi suoraan useiden virulenssi- ja kolonisaatiotekijöiden ilmentymistä. Agr:n alas säätely liittyy kolonisaatioon ja agr:n aktivoituminen isännän invaasioon. Kriittinen kysymys on siis se, mikä laukaisee S. aureuksen virulenssigeenien aktivoitumisen infektion käynnistämiseksi.
Patogeneesi.
Infektioita esiintyy usein S. aureuksen inokulaation seurauksena avohaavaan. Vaihtoehtoisesti ylähengitysteissä virusinfektio vaurioittaa limakalvojen limakalvoja ja altistaa isännän S. aureus -keuhkokuumeelle, joka ilmaantuu klassisesti viikko influenssainfektion puhkeamisen jälkeen.
S. aureuksen alustavan altistumisen isännän kudoksille limakalvojen pinnan tai ihon ulkopuolella ajatellaan laukaisevan virulenssigeenien ylössäätelyn (19). Isännän kannalta ihon tai limakalvokudoksen paikalliset fagosyytit ja epiteelisolut reagoivat joko bakteerituotteisiin tai kudosvaurioon aktivoimalla immuunijärjestelmän. S. aureuksen peptidoglykaanin ja lipoproteiinin tunnistavat isännän hahmontunnistusmolekyylit (20,21); hyaluronaanin hajoamistuotteet (22) ja nekroottisten kudosten vapauttamat endogeeniset tollin kaltaiset reseptoriligandit (RNA, DNA, HMGB1) (23,24) lisäävät infektion aikana inflammaatiota edistävää signaalinsiirtoa, joka johtaa paikallisen immuunijärjestelmän solujen aktivoitumiseen sekä neutrofiilien ja makrofagien rekrytoitumiseen.
S. aureuksen on yleisesti tunnustettu selviytyvän hyvin sekä isäntäsolujen sisällä että niiden ulkopuolella. Solunulkoisessa ympäristössä S. aureuksen on voitettava komplementin ja vasta-aineiden aiheuttama opsonisaatio, joka johtaa suoraan tai epäsuorasti S. aureuksen tappamiseen tai fagosyyttien omaksumiseen Fc- tai komplementtireseptorien kautta. S. aureus välttää opsonofagosytoosin ilmentämällä pinnallaan kapselia, hyytymistekijä A:ta, proteiini A:ta ja useita komplementti-inhibiittoreita, jotka kaikki inaktivoivat tai estävät isännän opsoniinit sitoutumasta bakteeriin tai kohdentamasta sitä tuhottavaksi (3,6) (Kuva. 1).
S. aureuksen selviytymisstrategiat infektion aikana. MSCRAMM, Microbial surface components recognizing adhesive matrix molecules (mikrobien pintakomponentit, jotka tunnistavat adheesiomatriisimolekyylejä); CHIP, chemotaxis inhibitory protein (kemotaksia estävä proteiini); Eap, extracellular adherence protein (solunulkoinen adheesioproteiini); SOD, superoksididismutaasi; PSM, phenol soluble modulin (fenoliliukoinen moduliini); Isd, iron-regulated surface determination (raudan säätelemä pintadeterminantti); TCR, T-solureseptori (T-solureseptorireseptoriin liittyvä proteiini); TSST, toxic shock syndrome toxic shock -toksiini.
S. aureus voi suojautua epiteelisolujen, endoteelisolujen ja jopa makrofagien sisään (25). Sitä vastoin neutrofiilit ovat S. aureukselle suurempi haaste, mistä on osoituksena invasiivisten S. aureus -infektioiden lisääntynyt esiintyvyys potilailla, joilla on neutrofiilien toimintahäiriöitä (esim. krooninen granulomatoottinen sairaus ja leukosyyttien adheesiopuutos). S. aureus käyttää useita strategioita vastustamaan neutrofiilien tappamista. Ensinnäkin se erittää kahta molekyyliä, kemotaksisuutta estävää proteiinia (CHIP) ja solunulkoista adheesioproteiinia (Eap), jotka estävät neutrofiilien kemotaktisten tekijöiden tunnistamisen (26) ja neutrofiilien sitoutumisen endoteelin adheesiomolekyyliin ICAM-1 (27). ICAM-1:n sitoutumisen estäminen estää leukosyyttien adheesiota, diapadesista ja ekstravasaatiota verenkierrosta infektiokohtaan.
Infektiokohtaan saavuttuaan neutrofiilit päästävät valloilleen joukon antimikrobisia aineita, mukaan lukien antimikrobisia peptidejä, reaktiivisia happilajeja (reaktiivisia happilajeja, ROS), reaktiivisia typpiyhdisteiden lajeja (reaktiivisia typpiyhdisteiden lajeja), proteaaseja ja lysotsyymiä. ROS:ia vastaan puolustautuminen tapahtuu S. aureuksessa ottamalla käyttöön suuri määrä antioksidanttisia entsyymejä (esim. katalaasi, pigmentti, superoksididismutaasi), jotka neutraloivat ROS:ita ja reaktiivisia typpilajeja (3). Antimikrobiset peptidit, jotka perustuvat osittain negatiivisesti varautuneiden bakteerien kohdentamiseen, hylkivät S. aureuksen strategioita, jotka muuttavat sen pintavarauksia (28,29). Lisäksi antimikrobisia peptidejä hajotetaan (aureolysiini) (30) ja neutraloidaan (stafylokinaasi) (31).
Ennaltaehkäisevänä toimenpiteenä S. aureus vastaa erittämällä spesifisiä toksiineja, jotka lysoivat neutrofiilejä. S. aureus ilmentää suurta määrää kaksikomponenttisia toksiineja (32), joista monet ovat spesifisiä ihmisen mutta eivät hiiren soluille; siksi monia niiden toimintoja ei ole luonnehdittu. Äskettäin tunnistettu fenoliliukoinen moduliini (PSM) on ryhmä bakteerien peptidejä, jotka on aiemmin kuvattu S. epidermidis -bakteerissa ja jotka aiheuttavat tulehdusta ja neutrofiilien sytolyysiä. PSM-peptidien virulenssirooli on vahvistettu CA-MRSA-ihoinfektiomallissa (33).
Sen lisäksi, että bakteerit kiertävät isännän immuunipuolustuksen, niiden selviytyminen ihmisisännässä on riippuvainen ravinteiden, erityisesti raudan, onnistuneesta hankkimisesta (34). Infektion aikana 95 prosenttia raudasta on sidottu isäntäsoluihin, ja seerumin rauta on enimmäkseen sitoutunut isännän proteiineihin, joihin se ei pääse helposti käsiksi. S. aureus erittää rautaa sitovia yhdisteitä (aureokeliini ja stafylofferriini), joilla on suuri affiniteetti raudan puutteen aikana (35,36). Lisäksi havaitessaan vähäisen raudan S. aureus käynnistää raudanhankintaohjelman (isd) transkription, joka mahdollistaa hemin ja haptoglobiinin vangitsemisen solun pinnalle, rautakompleksin kuljettamisen plasmakalvon läpi ja sen jälkeisen hemin oksidatiivisen hajoamisen sytoplasmassa (34).
Vaikea bakteeri-infektio saa tavallisesti isännän aloittamaan adaptiivisen immuunivasteen 7-10 vuorokauden kuluessa meneillään olevan infektion hillitsemiseksi ja tulevien uusintatartuntojen estämiseksi. Yksi S. aureus -bakteerin biologian tunnusmerkeistä on kuitenkin patogeenin kyky infektoida ihmisisäntä toistuvasti koko elämänsä ajan. Adaptiivisen immuunivasteen välttämisen taustalla oleva mekanismi tunnetaan huonosti; tutkimukset ovat kuitenkin osoittaneet, että stafylokokin enterotoksiinit, TSST ja Eap (MHC-luokan II analogi) voivat kaikki muuttaa T-solujen toimintoja kohdistamalla ne T-solureseptorin aktivoitumisreittiin (37,38). Tätä on pidetty S. aureuksen suunnittelemana taktiikkana pitkäaikaisen muistin kehittymisen estämiseksi. Samoin proteiini A:n on osoitettu vähentävän pernan marginaalivyöhykkeen B-soluja, jotka ovat B-solujen esiasteita (39). Seurauksena voi olla spesifisen B-soluvasteen heikko syntyminen. Nämä mekanismit yhdessä aiemmin kuvattujen strategioiden kanssa, joilla estetään vasta-aineiden tehokas sitoutuminen bakteerien pintaan, voivat olla tärkeitä syitä siihen, miksi pysymme alttiina S. aureus -infektioille koko elämämme ajan.
Muita kliinisesti merkittäviä virulenssimekanismeja ovat muun muassa biofilmin muodostuminen, jonka ansiosta S. aureus voi säilyä muovilla ja vastustaa isännän puolustuskeinoja tai antibiootteja (3), sekä pienet pesäkevariantit, jotka auttaisivat S. aureusta selviytymään aineenvaihdunnallisesti toimimattomassa olomuodossa ankarissa oloissa. Pienten pesäkevarianttien on todettu olevan osallisena kroonisissa infektioissa, kuten kroonisessa osteomyeliitissä (40).
MRSA:n patogeneesi
MRSA ansaitsee erillisen tarkastelun S. aureus -bakteerin patogeneesissä, koska siihen liittyy erilainen epidemiologia, erityisesti sairastuvuus ja kuolleisuus. Huomionarvoista on, että MRSA:n aiheuttamien invasiivisten sairauksien ja kuolemantapausten määrän arvioidaan olevan 94 360 ja 18 650 vuonna 2005 Yhdysvalloissa, mikä jättää varjoonsa HIV:n aiheuttaman kuolleisuuden (41). MRSA voidaan jakaa HA-MRSA:han ja CA-MRSA:han, kahteen genotyyppisesti erilaiseen bakteeriryhmään, jotka kohdistuvat erilaisiin mutta päällekkäisiin populaatioihin ja aiheuttavat erilaisia sairauksia.
HA-MRSA.
MRSA ilmaantui ensimmäisen kerran 1960-luvulla, mutta siitä tuli yhä ongelmallisempi 1990-luvulla erityisesti teho-osastoilla, joissa siitä tuli merkittävä sairaalainfektioiden aiheuttaja (42). HA-MRSA:ssa on suuria stafylokokin kromosomikasetteja (SCCmec-tyypit I-III), jotka koodaavat yhtä (SCCmec-tyyppi I) tai useita antibioottiresistenssigeenejä (SCCmec-tyypit II ja III). Antibioottiresistenssi on saattanut antaa bakteerille mahdollisuuden selviytyä ympäristössä, jossa antibioottien käyttö on yleistä.
Mielenkiintoista on, että kun HA-MRSA poistetaan terveydenhuoltoympäristöstä, se aiheuttaa harvoin sairauksia henkilöille, joilla ei ole altistavia olosuhteita. Siksi on esitetty, että HA-MRSA edustaa S. aureuksen vähemmän kestäviä kantoja, jotka voisivat selviytyä vain sellaisissa ympäristöissä, joissa antibioottipaine rajoittaa bakteerien kilpailua (43). Tätä näkemystä tukee se, että HA-MRSA:n sukupolviutumisaika on pidempi kuin metisilliinille herkän S. aureuksen (MSSA) (30 minuuttia HA-MRSA:lla ja 23 minuuttia MSSA:lla) (44). Pienessä tutkimuksessa HA-MRSA-kannat osoittivat suurempaa herkkyyttä neutrofiilien tappamiselle ja olivat vähemmän patogeenisiä, kun niitä annettiin hiirille systeemisesti (45). Lisäksi CA-MRSA- ja HA-MRSA-kantojen suora vertailu osoitti, että HA-MRSA ilmentää vähemmän PSM-peptidejä (33), mikä viittaa mahdolliseen vikaan HA-MRSA:n virulenssin säätelyssä. Viimeksi mainitun havainnon kanssa on johdonmukaista, että monilla kliinisillä HA-MRSA-isolaateilla on agr- tai sekamuotoinen agr+- ja agr-genotyyppi (46). Vaikka nämä genotyypit voisivat selittää HA-MRSA:n suhteellisen epäpatogeenisen luonteen immunokompetentteja isäntiä kohtaan, on mahdollista, että agr- tai sekamuotoinen agr+- ja agr-genotyyppi voisi olla hyödyllinen HA-MRSA:n selviytymiselle terveydenhuollossa; agr-genotyyppi voi esimerkiksi helpottaa biofilmin muodostumista (47) ja leviämistä muoviputkissa.
Kun lääkärit yrittävät puuttua HA-MRSA:n aiheuttamaan antibioottiresistenssiongelmaan, yhä useammin raportoidaan virulentimman CA-MRSA:n tunkeutumisesta terveydenhuoltoympäristöön (41,48). Tämän siirtymisen vaikutuksia on seurattava tarkemmin, sillä se saattaa vaatia aggressiivisempia ja erilaisempia torjunta- ja hoitostrategioita.
CA-MRSA.
1990-luvun loppupuolelle asti MRSA-infektiot rajoittuivat suurelta osin immuunipuutteisiin tai terveydenhuoltoon altistuneisiin henkilöihin. Vuonna 1997 neljän terveen lapsen kuolema MRSA-keuhkokuumeeseen ja -sepsikseen enteili uuden MRSA-tyypin tuloa (49). Pian sen jälkeen MRSA-tapaukset lisääntyivät eri maanosissa; suurin osa tapauksista rajoittui muutamiin kloonisiin linjoihin, jotka erosivat selvästi HA-MRSA:sta, jakoivat pienikokoisen tyypin IV SCCmec-kasetin ja koodasivat Panton-Valentine Leukocidin (PVL) -geenejä (50).
CA-MRSA-kannat aiheuttivat infektioiden, erityisesti ihon ja pehmytkudosten, ilmaantuvuuden dramaattisen lisääntymisen (51,52), ja ne aiheuttivat monia epätavallisen vakavia infektioita, kuten nekrotisoivaa keuhkokuumetta, nekrotisoivaa faskiittia ja myosiittia (53-55). S. aureuksen kliinisten ilmenemismuotojen muuttuminen johti spekulaatioihin, joiden mukaan CA-MRSA-infektiot heijastavat virulentimpien kantojen aiheuttamaa infektiota. CA-MRSA:n ja MSSA:n virulenssista on tehty vain vähän vertailevia tutkimuksia, eikä ole selvää, ovatko kaikki CA-MRSA-kloonit virulentimpia (56,57). Yksi CA-MRSA-klooni, USA300, on kuitenkin osoittautunut erityisen menestyksekkääksi (58), ja se on levinnyt nopeasti hallitsevaksi klooniksi useimmilla Yhdysvaltojen alueilla ja esiintynyt Kanadassa ja Euroopassa. Useissa raporteissa USA300 on yhdistetty luun, ihon ja pehmytkudosten vakavampiin infektioihin (55,57). Siksi USA300:n tutkimukset voivat antaa tärkeää tietoa CA-MRSA:n patogeneesistä.
Epidemiologisia löydöksiä, vaikka ne viittaavatkin virulentimpaan fenotyyppiin, on tulkittava varoen. Erityisesti CA-MRSA-taudin lisääntynyt esiintyvyys voisi johtua 1) parantuneesta eloonjäämisestä ympäristössä (fomiteissa, lemmikkieläimissä), 2) lisääntyneestä transmissiosta, 3) voimakkaammasta kolonisaatiosta, 4) alentuneesta bakteerin kynnysarvosta virulenssigeenien aktivoimiseksi ja 5) lisääntyneestä patogeenisuudesta infektion aikana. Useat USA300-taudinpurkausten analyysit viittaavat siihen, että CA-MRSA-kloonin tarttuvuus voi olla tehostunut iho-ihokosketuksen tai iho-kohdekosketuksen kautta (58,59). Miesten kanssa seksiä harrastavilla miehillä tehdyssä tutkimuksessa USA300:n aiheuttamien väliliha-, pakara- ja sukupuolielinten infektioiden suuri määrä viittaa siihen, että tällä kloonilla on suurempi tarttumistehokkuus (59). Lisäksi HA-MRSA-, CA-MRSA- ja MSSA-infektoituneiden potilaiden ihon kolonisaatioasteen vertailu osoitti, että CA-MRSA-infektoituneilla henkilöillä ihon kolonisaatioaste oli huomattavasti korkeampi (58). Epidemiologista näyttöä CA-MRSA:n suuremmasta patogeenisyydestä verrattuna MSSA:han on saatavilla lasten osteomyeliittiä koskevasta prospektiivisesta katsauksesta (57). Kyseisessä tutkimuksessa lapsilla, joilla todettiin PVL+ CA-MRSA-infektioita, oli korkeammat tulehdusmerkkiaineiden pitoisuudet (C-reaktiivinen proteiini ja laskeumalukema) sairaalaan tullessa, mikä sulkee pois antibioottihoidon mahdollisen sekoittavan vaikutuksen taudin lopputulokseen (57). Yhdessä nämä tutkimukset viittaavat siihen, että USA300:n kaltaiset kloonit ovat erityisen menestyksekkäitä, koska ne leviävät helpommin, kolonisoituvat paremmin ja ovat patogeenisempiä.
PVL:ää on tutkittu laajimmin niistä oletetuista virulenssitekijöistä, joita on ehdotettu CA-MRSA-epidemian tärkeimmäksi määrittäjäksi (1,2,60). PVL löydettiin faagityyppisestä 80/81-epidemiallisesta S. aureus -kannasta, joka aiheutti runsaasti infektioita 1950-luvulla (61), ja sitä esiintyy useimmissa CA-MRSA:n klooneissa (50). Se on yhdistetty monissa tapaussarjoissa vaikeaan nekrotisoivaan keuhkokuumeeseen (62), furunkuloosiin (63) ja vaikeaan osteomyeliittiin (57). Kun kaksikomponenttinen toksiini ruiskutettiin kaneihin tai hiiriin, se aiheutti merkittävää tulehdusta ja nekroosia (64,65), ja sen on osoitettu kykenevän indusoimaan neutrofiilien sytolyysiä (66), apoptoosia (67) tai tulehdusta edistävien molekyylien eritystä viljelyolosuhteista riippuen (68). Suorat osoitukset virulenssiroolista ovat kuitenkin olleet ristiriitaisia (69-71). Labandeira-Rey ja muut (65) osoittivat, että PVL on merkittävä virulenssia määrittävä tekijä hiiren nekrotisoivan keuhkokuumeen mallissa, jossa käytettiin laboratoriokantoja, joihin oli lisätty PVL:ää ilmentävä vektori. Sitä vastoin Voyich ym. (71) ja Bubeck Wardenburg ym. (69) käyttivät PVL-mutantteja USA300:n ja USA400:n taustalla ja havaitsivat, että niillä ei ollut eroa tai että PVL:llä oli suojaava vaikutus. On mahdollista, että hiiret edustavat vähemmän herkkää mallia verrattuna ihmisisäntään, koska hiiren leukosyytit, jotka ovat PVL:n aktiivisuuden kohde, osoittavat vähäisempää herkkyyttä PVL-lyysille verrattuna ihmisen leukosyytteihin (66). Olemme hiljattain testanneet tätä hypoteesia tuottamalla PVL-mutantteja kahden USA300-nekrotisoivan faskiitin isolaatin taustalla. Vakavan pehmytkudosinfektion mallissa osoitimme, että PVL+ nekrotisoivan faskiitin USA300-kannat aiheuttivat merkittävämpiä lihasvaurioita kuin PVL- isogeeniset mutanttikannat (Tseng ja Liu julkaisemattomat tiedot). Oletamme, että korkeampien inokulaatioiden tai herkempien eläinmallien käyttö voisi olla avain PVL:n kynnysvaikutuksen paljastamiseen.
Tyypin I arginiinikatabolisella liikkuvalla elementillä (ACME) on monia ominaisuuksia, jotka tekevät siitä yhtä houkuttelevan ehdokkaan USA300:n menestyksen selittämiseksi (72). ACME:n uskotaan siirtyvän horisontaalisesti ihon ubikvitaalisesta yhdyskuntaeläimestä S. epidermidiksestä (ks. viite 1). Se koodaa useita geenejä, mutta kaksi geeniryhmää, arc (arginine deiminase system) ja opp-3 (ABC-transportteri), ovat erityisen kiinnostavia. Arginiinideiminaasijärjestelmän on osoitettu kataboloivan tietyissä bakteereissa L-arginiinia ATP:n lähteenä ja voivan nostaa happaman ihmisen ihon pH:ta bakteerien kolonisaatiolle sopivammaksi (1). Opp-3 on ABC-siirtäjäperheen jäsen, joka on mukana monissa toiminnoissa, jotka voisivat hyödyttää bakteerien selviytymistä ihon pinnalla, mukaan lukien peptidien ravinteiden otto, eukaryoottisten solujen adheesio ja resistenssi antimikrobisille peptideille. Näin ollen S. aureus, joka on ihon ohimenevä kolonisaattori, voi hankkia ACME:n, jolloin CA-MRSA voi kolonisoitua iholle pysyvästi, mikä lisää ihon infektion todennäköisyyttä ihoesteen häiriintyessä. Todisteet siitä, että CA-MRSA kolonisoituu ihoon paremmin verrattuna MSSA:han ja HA-MRSA:han, ovat toimittaneet Miller ja työtoverit (58). Toistaiseksi ei ole saatu suoraa näyttöä siitä, että ACME edistää ihon kolonisaatiota.
PSM-peptidien on aiemmin kuvattu edistävän CA-MRSA:n ihoinfektiota hiirillä (33). Vaikka PSM-peptidit eivät ole ainutlaatuisia CA-MRSA:lle, ne ilmentyvät korkeammalla tasolla CA-MRSA:ssa kuin HA-MRSA:ssa, mikä antaa aihetta olettaa, että erot globaalissa virulenssisäätelyssä voisivat olla tärkeä tekijä CA-MRSA:n virulenssissa. Montgomery ja muut (73) osoittivat, että CA-MRSA:n joukossa USA300-kannat ovat patogeenisempia kuin USA400-kannat. Ero virulenssissa korreloi USA300-kantojen useiden virulenssigeenien korkeamman ilmentymisen kanssa USA400-kantoihin verrattuna.
Monia muita CA-MRSA-kantojen ainutlaatuisesti ilmentämiä oletettuja virulenssitekijöitä on vielä tutkimatta (50,72). Ei tiedetä, miten kukin tuote voisi lisätä tietyn kannan patogeenisuutta. Jos CA-MRSA:n patogeneesin arviointia kuitenkin ohjaa Occamin partaveitsi, kliinisessä päätöksenteossa usein käytetty diagnostisen säästäväisyyden periaate, on todennäköistä, että yksi tai hyvin harva tekijä on viime kädessä vastuussa useiden CA-MRSA:n epidemiallisten kloonien samanaikaisesta ilmaantumisesta.
Tulevaisuuden suunnat.
CA-MRSA:n ilmaantuminen aloitti epävarmuuden aikakauden kansanterveydellisessä toiminnassa ja potilashoidossa antibioottiresistenssin ja virulenssin yhdistyessä merkittäväksi terveydenhuoltoon liittyvän kriisin synnyttämiseksi. Epidemian kehittyessä ja laajentuessa tutkimus on pyrkinyt saavuttamaan seuraavat tavoitteet: 1) tunnistaa epidemian taustalla oleva syy ja mekanismi; 2) kehittää antibiootteja, jotka eivät vanhene nopeasti; 3) kehittää tehokas rokote. Tähän mennessä tavoitteet on saavutettu vaihtelevalla menestyksellä.
Ymmärryksemme CA-MRSA-epidemiasta on edelleen rajallinen, vaikka epidemiologisia ja perustutkimuksia on tehty runsaasti. Pohjimmiltaan emme tiedä, mikä tekee bakteerista patogeenisemmän. S. aureuksen tutkiminen edellyttää sellaisten eläinmallien kehittämistä, jotka vastaavat paremmin ihmisen infektioita. S. aureus ei ole hiirten luontainen kolonisaattori, joten monia virulenssitekijöitä, joita S. aureus on kehittänyt välttääkseen ihmisen immuunijärjestelmän, voi olla vaikeampi tutkia hiirillä, ja PVL on tästä hyvä esimerkki. Vaikka perinteisellä hiiritutkimuksella, joka mahdollistaa isännän immuunitekijöiden manipuloinnin jo luotujen knockout-hiirten avulla, on edelleen tärkeä asema, ihmisen tautia jäljittelevä malli voitaisiin saada aikaan käyttämällä muita eläimiä tai kehittämällä osittain humanisoituja hiirimalleja, joissa hiiren synnynnäinen tai adaptiivinen immuunijärjestelmä korvataan ihmisen vastaavalla järjestelmällä (74).
Kuten aiemmin käsiteltiin, muutkin mekanismit kuin virulenssi saattaisivat selittää lisääntynyttä CA-MRSA-taudin ilmaantuvuutta ja sen vakavuutta. Siksi bakteeritekijöiden tutkimista on laajennettava perinteisen virulenssitestauksen lisäksi muihin määrityksiin, mukaan lukien kolonisaatio, resistenssi ympäristöärsykkeille, epidemiologisten havaintojen ohjaamana. Näissä tutkimuksissa olisi optimaalista tehdä yhteistyötä epidemiologien ja perustutkijoiden välillä.
Viime vuosina antibiooteille vastustuskykyisen S. aureuksen aiheuttama uhka on lisännyt tutkimustoimintaa uusien antibioottiluokkien löytämiseksi. Koska perinteiset lääkekirjastojen seulonnat ovat olleet hitaita uusien antibioottien löytämisessä, vaihtoehtoinen strategia on ollut tärkeiden virulenssitekijöiden kohdentaminen. Olemme esimerkiksi osoittaneet, että S. aureuksen kultainen pigmentti on virulenssitekijä, koska se suojaa bakteeria isännän hapettimien tappamiselta (75). Koska S. aureuksen pigmentti ja ihmisen kolesteroli syntetisoivat yhteisen esiasteen, olemme pystyneet tunnistamaan ihmisen kolesterolin estäjän, joka esti S. aureuksen pigmentoinnin ja vähensi S. aureuksen virulenssia hiirissä (76). Samoin alfatoksiini, jota monet mutta eivät kaikki kliiniset S. aureus -kannat tuottavat, on osoittanut virulenssitoimintansa CA-MRSA-keuhkoinfektiomallissa, ja spesifisten vasta-aineiden antamisen alfatoksiinia vastaan on osoitettu parantavan merkittävästi keuhkovaurioita (77). Nämä virulenssiin perustuvat strategiat voivat osoittautua hyödyllisiksi perinteisten terapeuttisten lääkkeiden täydentäjiksi.
Loppujen lopuksi MRSA:n aiheuttaman terveyskriisin ratkaisemiseksi tarvitaan tehokas rokote. Penisilliinille resistentin S. pneumoniae -ongelman huipulla 8 vuotta sitten tehokkaan rokotteen käyttöönotto vähensi nopeasti invasiivisten tautien esiintyvyyttä ja esti merkittävän terveyskriisin. Vastaava antibioottiresistenssiongelma ratkaistiin ottamalla käyttöön tehokas rokote H. influenzae -bakteeria vastaan. MRSA-epidemia on kuitenkin erilainen ja suurempi haaste. Ensinnäkin S. aureus on monimutkaisempi organismi, joka ei ole riippuvainen yhdestä ainoasta tärkeästä virulenssitekijästä aiheuttaessaan tautia. Sen virulenssitekijöiden valikoiva säätely infektion eri vaiheissa voi tehdä rokotteen yhtä tekijää vastaan suhteellisen tehottomaksi. Kapselipolysakkaridia (StaphVAX), ClfA:ta ja SdrG:tä (Veronate) (78) vastaan tehtyjen aktiivisten tai passiivisten immunisaatiokokeiden viimeaikaiset epäonnistumiset voivat olla osoitus tästä periaatteesta. Asiantuntijat ovatkin ehdottaneet, että S. aureus -rokote olisi tehokkaampi, jos se kohdistuisi useisiin valikoituihin tekijöihin (katsaus viitteessä 78).
Perusluonteisempi kysymys, jolla on suora vaikutus rokotekehitykseen, on se, miksi ihmisisäntä on koko elämänsä ajan pysyvästi altis S. aureus -infektiolle. Tutkimukset ovat osoittaneet, että bakteerituotteilla, kuten proteiini A:lla ja stafylokokin enterotoksiineilla, voi olla merkitystä T- ja B-solujen toimintojen moduloinnissa (38,39); S. aureus -infektion jälkeiset adaptiivisen immuniteetin väistämismekanismit ovat kuitenkin edelleen suurelta osin tuntemattomia. Näiden mekanismien ymmärtäminen voi olla perimmäinen avain onnistuneeseen rokotteeseen.
Yhteenvetona voidaan todeta, että S. aureus -bakteerin patogeneesi pysyy erittäin tärkeänä tutkimusalueena tulevina vuosina. Useimmat julkaistut tutkimukset arvioivat nykyisen CA-MRSA:n nenäkolonisaatioasteen olevan alle 5 % (79,80); jos kolonisaatioaste siis jatkaa nousuaan, epidemia todennäköisesti laajenee. Ei ole selvää, voisiko ihmisisäntä ajan mittaan kehittää adaptiivisen immuunivasteen CA-MRSA-kantojen ilmentämille uusille virulenssitekijöille. Jos nämä virulenssitekijät vaikuttavat merkittävästi epidemiaan, näiden tekijöiden neutralointi voi aiheuttaa epidemian laantumisen. Jos ihmisen immuunijärjestelmä ei kykene sopeutumaan, ihmiskunnan on puututtava ongelmaan tutkimuksen avulla, ja onnistuminen riippuu tutkimusponnistelujen keskittämisestä, rahoituksesta ja hyvin koordinoiduista monitieteellisistä lähestymistavoista, jotka on suunnattu valikoitujen avainkysymysten ratkaisemiseen.