S. aureus survival strategies during infection.図1
S.aureusの生存戦略。 MSCRAMM、接着マトリックス分子を認識する微生物表面成分、CHIP、化学走性抑制タンパク質、Eap、細胞外接着タンパク質、SOD、スーパーオキシドジスムターゼ、PSM、フェノール可溶性モジュリン、ISD、鉄制御表面決定因子、TCR、T細胞受容体、TSST、毒性ショック症候群トキシン。
S. aureus は上皮細胞、内皮細胞、およびマクロファージ内にまで潜伏できる (25)。 対照的に、好中球は黄色ブドウ球菌にとってより手ごわい挑戦となる。これは、好中球の機能不全(例えば、慢性肉芽腫性疾患や白血球接着不全)を有する患者における侵襲性黄色ブドウ球菌感染症の発生率が高いことからも証明されている。 黄色ブドウ球菌は、好中球の殺傷に抵抗するために様々な戦略を展開している。 まず、化学走性抑制タンパク質(CHIP)と細胞外付着タンパク質(Eap)という2つの分子を分泌し、それぞれ好中球の化学走性因子認識(26)と内皮付着分子ICAM-1への好中球の結合を阻害している(27)。 ICAM-1との結合を阻害することで、白血球の接着、拡張、血流から感染部位への滲出を防ぐ。
感染部位に到着した好中球は、抗菌ペプチド、活性酸素種(ROS)、活性窒素種、プロテアーゼ、リゾチームなどの抗菌物質の電池を放出して、感染部位に到達した後、抗菌物質を放出する。 活性酸素に対する防御は、黄色ブドウ球菌では、活性酸素や活性窒素種を中和する多数の抗酸化酵素(カタラーゼ、色素、スーパーオキシドジスムターゼなど)の発現によって担われている(3)。 負電荷を持つ細菌を標的とする抗菌ペプチドは、その表面電荷を変化させる黄色ブドウ球菌の戦略によってはじかれる(28,29)。 さらに、抗菌ペプチドは分解され(アウレオライシン)(30)、中和され(スタフィロキナーゼ)(31)、
先制攻撃として、黄色ブドウ球菌は好中球を溶かす特定の毒素を分泌し対抗している。 S. aureusは多数の二成分系毒素を発現しており(32)、その多くはヒトの細胞には特異性を持つがマウスの細胞には持たないため、その機能の多くが明らかにされていない。 最近同定されたphenol soluble modulin (PSM)は、以前S. epidermidisで報告された細菌ペプチドで、炎症と好中球の細胞溶解を誘導するものである。 PSMペプチドの病原性は、CA-MRSA皮膚感染モデルで確認されている(33)。
宿主免疫防御の回避とは別に、ヒト宿主内での細菌の生存は、栄養分、特に鉄をうまく獲得することに依存している(34)。 感染中、鉄の95%は宿主細胞内に隔離され、血清中の鉄はほとんどが宿主タンパク質に結合しており、容易にアクセスできない。 S. aureusは、鉄飢餓時に高親和性の鉄結合性化合物(オーレオケリンとスタフィロフェリン)を分泌する(35,36)。 さらに、低鉄分を感知すると、S. aureusは、細胞表面のヘムとハプトグロビンを捕獲し、鉄複合体を細胞膜を越えて輸送し、その後細胞質内でヘムを酸化分解する鉄獲得プログラム (isd) の転写を始める (34)。
通常、重度の細菌感染では、宿主は7~10日以内に適応免疫応答を起こし、進行中の感染を抑え、将来の再感染を防ぐ。 しかし、黄色ブドウ球菌の生物学的特徴の一つは、この病原体が生涯を通じて繰り返し宿主に感染する能力を持っていることである。 適応免疫反応を回避するメカニズムは十分に理解されていないが、スタフィロコッカル・エンテロトキシン、TSST、Eap(MHCクラスIIアナログ)はすべてT細胞受容体活性化経路を標的として、T細胞の機能を変化させることが研究で示されている(37,38)。 これは、長期記憶の発達を防ぐために黄色ブドウ球菌が考え出した戦術であると解釈されている。 同様に、プロテインAは、B細胞の前駆体である脾臓辺縁帯B細胞を枯渇させることが示されている(39)。 その結果、特異的なB細胞反応の発生が悪くなる可能性がある。 これらの機構は、先に述べた細菌表面への抗体の効果的な結合を阻害する戦略と相まって、私たちが生涯にわたって黄色ブドウ球菌感染症にかかりやすい重要な根本的理由となり得る。
臨床的に重要なその他の病原性機構には、黄色ブドウ球菌がプラスチック上に定着し、宿主防御や抗生物質に抵抗できるバイオフィルム形成(3)、黄色ブドウ球菌が厳しい環境下で代謝的に不活性となるような小さなコロニー変異(SSCV)が含まれる。 MRSAの病原性については、特に罹患率や死亡率などの疫学的特徴が異なるため、別途検討する必要がある。 2005年の米国におけるMRSAによる侵襲性疾患の発症数は94,360人、死亡数は18,650人と推定され、HIVによる死亡数を凌駕している(41)。 MRSAは、HA-MRSAとCA-MRSAに分類され、遺伝子型が異なる2つの細菌群が、異なるが重複する集団を対象とし、異なる疾患を引き起こす。
HA-MRSA.
MRSA は1960年代に出現したが、1990年代に特に集中治療室環境で問題となり、院内感染の主要原因となった(42)。 HA-MRSAは、ブドウ球菌の大きな染色体カセット(SCCmecタイプI〜III)を保有しており、このカセットには1つ(SCCmecタイプI)または複数の抗生物質耐性遺伝子(SCCmecタイプIIおよびIII)がコード化されている。
興味深いことに、医療現場から離れた場合、HA-MRSAは素因のない個人で病気を引き起こすことはほとんどない。 したがって、HA-MRSAは、抗生物質の圧力によって細菌の競争が制限される環境でのみ生き残ることができる、あまり強くない黄色ブドウ球菌の株であることが示唆されている(43)。 HA-MRSAは、メチシリン感受性黄色ブドウ球菌(MSSA)と比較して、より長い世代時間を示す(HA-MRSAは30分、MSSAは23分)(44)。 また、小さな研究だが、HA-MRSA株は好中球による殺傷能力が高く、マウスに全身投与した場合、病原性が低いことがわかった(45)。 さらに、CA-MRSAとHA-MRSAを直接比較すると、HA-MRSAはPSMペプチドの発現量が少なく、HA-MRSAの病原性制御の欠陥の可能性が指摘された(33)。 また、HA-MRSAの臨床分離株の多くは、agr-あるいはagr+とagr-の混合遺伝子型を示す(46)。 これらの遺伝子型は、HA-MRSAが免疫担当宿主に対して相対的に非病原性であることを説明し得るが、agr-あるいはagr+とagr-の混合遺伝子型は、医療環境におけるHA-MRSA生存にとって有益である可能性がある。 HA-MRSAがもたらす抗生物質耐性の問題に医師が取り組もうとする中、より毒性の強いCA-MRSAが医療現場に浸透しているとの報告が増えている(41,48)。 1990年代後半まで、MRSA感染は免疫不全者や医療従事者に限定されていた。 1997年、4人の健康な小児がMRSAによる肺炎と敗血症で死亡したことは、新しいタイプのMRSAの登場を告げるものであった(49)。 その後間もなく、MRSAの症例が世界各地で急増した。症例の大半は、HA-MRSAとは著しく異なり、小型のIV型SCCmecカセットを共有し、Panton-Valentine Leukocidin(PVL)の遺伝子をコードする少数のクローン系統に限定されていた(50)。
CA-MRSA 株は、特に皮膚や軟部組織の感染症の発生率を劇的に増加させ(51,52)、壊死性肺炎、壊死性筋膜炎、筋炎などの異常な重症感染症の原因として多く見られた(53-55)。 このようなS. aureusの臨床症状の変化から、CA-MRSA感染症はより毒性の強い菌株による感染を反映しているのではないかと推測されるようになった。 CA-MRSAとMSSAの病原性の比較研究はほとんど行われておらず、すべてのCA-MRSAクローンがより強毒性であるかどうかは明らかでない(56,57)。 しかし、CA-MRSA クローンの1つである USA300 は、米国のほとんどの地域で急速に増殖し、カナダやヨーロッパでも見られるようになった、特に優れたクローンであることが証明されています (58)。 USA300は、骨、皮膚、軟部組織のより重篤な感染症に関連しているという報告が多数ある(55,57)。 したがって,USA300の研究はCA-MRSAの病原性について重要な情報を提供する可能性がある。
疫学的知見は,より強毒な表現型を示唆するものであるが,慎重に解釈する必要がある。 具体的には、CA-MRSAの発病率の上昇は、1)環境生存率の向上(fomite、pets)、2)伝播の増加、3)より強固なコロニー形成、4)病原性遺伝子活性化の細菌閾値の低下、5)感染時の病原性の上昇に起因する可能性がある。 USA300 のアウトブレイクに関する複数の解析から、CA-MRSA クローンは皮膚と皮膚の接触や皮膚とフォマイトの接触による感染を促進した可能性が示唆されている(58,59)。 男性との性交渉を持つ男性を対象とした研究では、USA300による会陰、臀部および性器への高い感染率は、このクローンの高い感染効率を示唆している(59)。 また、HA-MRSA、CA-MRSA、MSSA感染者の皮膚コロニー形成率を比較すると、CA-MRSA感染者の皮膚コロニー形成率が有意に高いことが示された(58)。 CA-MRSA の病原性が MSSA よりも高いことを裏付ける疫学的根拠は、小児の骨髄炎に関するプロスペクティブ・レビューから得られています(57)。 この研究では、PVL+ CA-MRSA感染と判定された小児は、入院時の炎症マーカー(C反応性蛋白と血沈)の値が高かったため、抗生物質治療が予後に及ぼす交絡の可能性を排除することができました(57)。
CA-MRSA流行の主要な決定因子として提唱されている病原因子のうち、PVLは最も広範に研究されている(1,2,60)。 PVLは、1950年代に高い感染率を示したファージ80/81型流行性S. aureus株で発見され(61)、CA-MRSAのほとんどのクローンで検出されている(50)。 多くの症例で、重症壊死性肺炎(62)、癤腫症(63)、重症骨髄炎(57)と関連している。 二成分系毒素をウサギやマウスに注射すると、著しい炎症と壊死を引き起こし(64,65)、培養条件によって好中球の細胞溶解(66)、アポトーシス(67)、炎症性分子の分泌を誘導する能力があることが示されている(68)。 しかし、病原性の役割を直接的に証明することは、相反するものであった(69-71)。 Labandeira-Reyら(65)は、PVLを発現するベクターを導入した実験室株を用いたマウス壊死性肺炎モデルにおいて、PVLが主要な病原性決定因子であることを明らかにした。 一方、Voyichら(71)およびBubeck Wardenburgら(69)は、USA300およびUSA400のバックグラウンドでPVL変異体を用い、差がないか、PVLによる防御効果を見いだした。 PVL活性の標的であるマウス白血球は、ヒト白血球に比べてPVL溶解に対する感受性が低いので、マウスはヒト宿主に比べて感受性の低いモデルである可能性がある(66)。 我々は最近、2つのUSA300壊死性筋膜炎分離株のバックグラウンドでPVL変異体を作製し、この仮説を検証した。 重症軟部組織感染モデルにおいて、PVL+壊死性筋膜炎USA300株は、PVL-同系統変異株と比較して、より重大な筋損傷を引き起こすことを示した(Tseng and Liu 未発表データ)。 我々は、より高い接種量またはより感度の高い動物モデルの使用が、PVLの閾値効果を明らかにする鍵になると推測している。
I型アルギニン異化移動要素(ACME)は多くの特性を持ち、USA300の成功を説明するのに同様に魅力ある候補となる(72)。 ACMEは、どこにでもいる皮膚常在菌S. epidermidisから水平伝播したと考えられている(文献1参照)。 ACMEは複数の遺伝子をコードしているが、arc (arginine deiminase system)とopp-3 (ABC-transporter) という2つの遺伝子クラスターが特に注目される。 アルギニンデイミナーゼシステムは、ある種の細菌において、L-アルギニンを異化してATP源とし、酸性であるヒト皮膚のpHを細菌のコロニー形成に適したものに上昇させることが示されている(1)。 Opp-3はABCトランスポーターファミリーのメンバーであり、ペプチド栄養分の取り込み、真核細胞の接着、抗菌ペプチドに対する耐性など、皮膚表面での細菌の生存に有益な複数の機能に関与していると考えられている。 したがって、皮膚の一過性のコロニー形成者であるS. aureusがACMEを獲得することにより、CA-MRSAが恒久的に皮膚に定着し、皮膚バリアの崩壊に伴う皮膚感染の可能性が高くなると考えられる。 CA-MRSAがMSSAやHA-MRSAに比べて皮膚に定着しやすいことを示す証拠は、Millerらによって提供されている(58)。 これまでのところ、ACMEが皮膚のコロニー形成に寄与しているという直接的な証拠はない。
PSM ペプチドは、以前にマウスにおけるCA-MRSA皮膚感染に寄与していると報告されている(33)。 CA-MRSAに特異的ではないが、HA-MRSAと比較してCA-MRSAではPSMペプチドの発現量が多く、グローバルな病原性制御の違いがCA-MRSAの病原性に重要な因子である可能性が示唆される。 Montgomeryら(73)は、CA-MRSAのうちUSA300株はUSA400株よりも病原性が高いことを示している。 この病原性の違いは、USA300株がUSA400株に比べて複数の病原性遺伝子を高発現していることと相関していた。
CA-MRSA株が独自に発現する他の多くの推定病原性因子については、まだ検討されていない(50,72)。 それぞれの産物がどのように特定株の病原性を高めることができるかは不明である。 しかし、臨床的意思決定で頻繁に用いられる診断の単純化の原則であるOccamのカミソリがCA-MRSAの病因の評価を導くとすれば、1つまたは非常に少数の要因が、複数のCA-MRSA流行クローンの同時出現に最終的に関与していると思われる<959> <1107>今後の方向性<6181> <7829>抗生物質耐性と毒性の融合により大きな健康危機が生じたことから、CA-MRSAの出現は公衆衛生と患者のケアにおける不確実性の時代到来とされる。 流行が進化・拡大するにつれ、研究は以下の目標を達成するために努力してきた。 1)流行の原因とメカニズムを明らかにする、2)すぐに陳腐化しない抗生物質を開発する、3)有効なワクチンを開発する。
CA-MRSAの流行に関する理解は、豊富な疫学的・基礎的研究にもかかわらず、まだ限定的である。 最も基本的なことは、何がこの細菌の病原性を高めているのかが分かっていないことである。 S. aureusの研究には,よりヒトの感染症に近い動物モデルを開発することが必要であろう。 黄色ブドウ球菌はマウスに自然に定着するわけではないので、ヒトの免疫系を回避するために黄色ブドウ球菌が作り出した病原因子の多くは、マウスでの研究が困難であることが分かっている。 既に作製されたノックアウトマウスを用いて宿主免疫因子を操作する従来のマウス研究は重要な位置を占めているが、他の動物を用いたり、マウスの自然免疫系や適応免疫系をヒトに置き換えた部分ヒト化マウスモデルの開発により、ヒト疾患を模したモデルを実現することができる(74)
前述のように、病原性以外のメカニズムでCA-MRSA疾患の発生率と重症度が上昇していると考えることができる。 したがって、細菌因子の研究は、疫学的知見に導かれるように、コロニー形成、環境刺激に対する耐性など、従来の病原性試験以外のアッセイに拡大する必要がある。 近年、抗生物質耐性黄色ブドウ球菌の脅威は、新しい抗生物質群を発見するための研究活動に拍車をかけている。 従来の薬物ライブラリースクリーニングでは新しい抗生物質の同定に時間がかかったため、代替戦略として重要な病原性因子を標的とすることが行われてきました。 例えば、我々は、黄色ブドウ球菌の黄金色の色素が、宿主の酸化剤による死滅から細菌を保護するため、病原性因子であることを証明した(75)。 黄色ブドウ球菌の色素とヒトのコレステロールは共通の前駆体を合成しているため、我々は、黄色ブドウ球菌の色素形成を阻害し、マウスにおける黄色ブドウ球菌の病原性を低下させるヒトコレステロールの阻害剤を同定することができた(76)。 同様に、臨床的なS. aureus株の多くで精製されるが、すべてではないα毒素は、CA-MRSAの肺感染モデルにおいて病原性機能を示し、α毒素に対する特異的抗体の適用が肺障害を有意に改善することが示されている(77)。 これらの病原性に基づく戦略は、従来の治療法の有用な補助手段となる可能性がある。
最終的には、MRSAの健康危機を解決するために有効なワクチンが必要である。 8年前のペニシリン耐性肺炎球菌問題の最中には、有効なワクチンの導入により侵襲性疾患の発生が速やかに減少し、大きな健康危機を回避することができた。 同様の抗生物質耐性問題は、H. influenzaeに対する有効なワクチンの導入により解決された。 しかし、MRSAの流行は、それとは異なる、より手ごわい問題を提起している。 ひとつには、黄色ブドウ球菌はより複雑な生物であり、病気を引き起こすのに単一の主要な病原因子に依存しないことである。 また、感染の様々な段階で病原因子を選択的にアップレギュレートするため、単一の因子に対するワクチンは相対的に効果がない可能性がある。 最近、莢膜ポリサッカライド(StaphVAX)、ClfA、SdrG(Veronate)に対する能動・受動免疫試験が失敗した(78)ことは、この原則を証明するものかもしれない。 したがって、専門家は、複数の選択因子を標的とすれば、黄色ブドウ球菌ワクチンはより効果的であると提案している(文献78のレビュー)
ワクチン開発に直接関係する、より根本的な問題は、なぜヒト宿主が生涯にわたって黄色ブドウ球菌感染に持続的に感受性であるのかということである。 プロテインAやスタフィロコッカル・エンテロトキシンなどの細菌産物が、T細胞やB細胞の機能を調節する役割を持つことが研究で示されている(38,39)。しかし、黄色ブドウ球菌感染後の適応免疫回避機構は、まだほとんど解明されていない。 これらのメカニズムを理解することが、ワクチン成功の究極の鍵となるかもしれない。
まとめると、黄色ブドウ球菌の病原性は、今後何年にもわたって非常に重要な研究領域であり続けるだろう。 発表された研究の多くは、現在のCA-MRSA鼻腔内保菌率を5%未満と推定している(79,80)。したがって、保菌率が上昇し続ければ、流行は拡大すると思われる。 CA-MRSA株が発現する新規病原因子に対して、ヒトの宿主が時間をかけて適応免疫応答を獲得するかどうかは不明である。 これらの病原因子が流行に大きく寄与している場合、これらの因子を中和することで流行が沈静化する可能性がある。 ヒトの免疫系が適応できない場合、人類は研究を通じてこの問題に取り組む必要があり、その成功は、研究努力の集中、資金調達、および選択的重要課題の解決に向けた十分に調整された学際的アプローチに依存することになる。