De habitat van Coccidioides spp. en de rol van dieren als reservoirs en verspreiders in de natuur

Habitat van Coccidioides spp.

Regio’s die endemisch zijn voor coccidioidomycose worden over het algemeen gekenmerkt door een semi-aride klimaat dat de verspreiding van Coccidioides-sporen in de lucht vergemakkelijkt. Het milde winterweer dat typisch is voor endemische gebieden biedt optimale omstandigheden voor de groei van de schimmel, en de droge, hete zomers vergemakkelijken de verspreiding van de arthroconidia . De verspreiding van Coccidioides spp. in de bodem van endemische gebieden is echter onregelmatig, zelfs in gebieden met een hoge incidentie van infectie.

De eerste studies die de habitat van Coccidioides beschreven waren die van Egebert et al. , en Elconin et al. en Lacy en Swatek ; deze onderzoekers verkregen schimmelisolaten van bodemmonsters met een hoog zoutgehalte en suggereerden dat een verhoogd bodemzoutgehalte een vereiste kan zijn voor de ontwikkeling van de schimmel. Van de sporen van Coccidioides is ook bekend dat ze groeien in zandige alkalische bodems die rijk zijn aan organisch materiaal en zouten. Fisher et al. bevestigden dat de habitat van Coccidioides in endemische gebieden ook wordt gekenmerkt door bodems met hoge gehalten aan essentiële voedingsstoffen zoals ijzer, calcium en magnesium. Bovendien ondersteunen bijkomende bevindingen van Fisher et al. het vermogen van deze schimmel om te groeien in bijna elk type woestijngrond, met inbegrip van die met een lage pH-waarde; deze schimmel kan ook extreme luchttemperaturen verdragen die variëren van -40,0 tot 48,8 °C en bodemtemperaturen die variëren van -6,5 tot 60,5 °C. De auteurs benadrukken ook dat abiotische factoren in endemische gebieden gunstige omstandigheden kunnen creëren voor de groei van Coccidioides. Een hoger organisch gehalte in de bodem kan leiden tot een grotere beschikbaarheid van voedingsstoffen voor schimmelgroei, terwijl een verhoogd zoutgehalte en hoge temperaturen de concurrentie met andere micro-organismen kunnen verminderen. Hoge concentraties natriumboraat in de bodem kunnen bijvoorbeeld antiseptisch zijn voor sommige micro-organismen, maar niet noodzakelijk voor Coccidioides . Recenter werk van De Macedo et al. bevestigde de eerder beschreven milieukenmerken voor de habitat van Coccidioides spp. door de positieve identificatie van Coccidioides-isolaten in bodemmonsters verkregen uit semi-aride gebieden in de staat Piauí, in de noordoostelijke regio van Brazilië.

Dabrowa et al. bepaalden de aanwezigheid van potentieel pathogene schimmels in intergetijdengebieden. Hoewel de auteurs geen positieve isolaten van C. immitis konden bevestigen, is het mogelijk dat deze schimmel aanwezig is in intergetijdengebieden gezien de endemische aanwezigheid van Coccidioides in het zuidwesten van de VS. Bovendien werd eerder aangetoond dat C. immitis tot 6 weken in het laboratorium kan overleven in zeewater en verzadigd zout water. Belangrijk is dat C. immitis zelfs onder deze omstandigheden in staat blijft verschillende aquatische soorten te infecteren, zoals rivierkrabben, goudvissen, flesneusdolfijnen en leeuwvissen. De concentratie van C. immitis in deze sedimenten is van nature verhoogd tijdens het regenseizoen als gevolg van de afvloeiing van oceaan of rivier. In Mexico heeft, ondanks succesvolle klinische isolaties van Coccidioides spp., de screening van milieumonsters een lage effectiviteit gehad, zodat Catalán-Dibene et al. een zeer endemisch gebied nabij de grens tussen de VS en Mexico onderzochten, waar eerder Coccidioides met moleculaire methoden gedetecteerd was . In deze studie testten zij het serum van 40 gevangen knaagdieren met behulp van ELISA, en ontdekten antilichamen tegen Coccidioides bij twee soorten: Peromyscus maniculatus en Neotoma lepida. Deze studie legt de basis voor de analyse van deze ziekteverwekker in zijn natuurlijke omgeving.

Baptista-Rosas et al. genereerden een model voor de verspreiding van Coccidioides-soorten door gebruik te maken van een combinatie van verschillende milieuvariabelen en geospatiale referentiepunten in de VS en Mexico, die plaatsen zijn met positieve Coccidioides-isolaten. Dit model suggereert dat dorre bodems in Noord-Amerikaanse woestijnen waarschijnlijk dienen als ecologische niches voor Coccidioides, in overeenstemming met de grotere incidentie van ziekte in deze regio’s en bevindingen van anderen.

Momenteel zijn de bevindingen van verschillende studies het eens over de ecologische kenmerken die de habitat van Coccidioides bepalen. Dit soort schimmel wordt geassocieerd met bodems in aride, semi-aride en alkalische gebieden met een schaarse xerofytische vegetatie, hoge gemiddelde temperaturen en een lage gemiddelde jaarlijkse neerslag. Het vermogen van Coccidioides om onder dergelijke extreme omstandigheden te overleven is dus een voordeel ten opzichte van andere micro-organismen, zoals door Baumgardner is gesuggereerd. Op basis van het werk van De Hoog bestaat het geslacht Coccidioides uit xerotolerante schimmels omdat zij onder extreem vijandige omstandigheden kunnen groeien. Bovendien kunnen Coccidioides beschouwd worden als halotolerante organismen , omdat beide soorten van dit genus hoge zoutconcentraties tot 8 % verdragen . Er is echter weinig bekend over de mechanismen die Coccidioidesoorten gebruiken om te overleven in omstandigheden met een hoog zoutgehalte. Enkele strategieën die Coccidioides zouden kunnen gebruiken om onder deze omstandigheden te overleven zijn: (1) het handhaven van hoge intracellulaire zoutconcentraties, osmotisch of ten minste gelijkwaardig aan de externe concentratie (“zout-in”-strategie), waardoor het zich kan aanpassen aan een alkalisch milieu. Dit vereist echter een speciale aanpassing van zijn intracellulaire systemen; en (2) handhaving van lage zoutconcentraties in zijn cytoplasma (“compatibele-solute” strategie). De osmotische druk van het medium wordt in evenwicht gehouden door compatibele oplosmiddelen (2-sulfotrehalose, trehalose, sacharose, glycerol, betaïne-glycine, ectoïne en glycosilglycerol). Deze oplosmiddelen hebben geen invloed op de enzymatische activiteit, aangezien hoge concentraties anorganische zouten geen speciale aanpassing van de intracellulaire systemen vereisen. Het moet echter nog worden bepaald welke strategieën door Coccidioides worden gebruikt om onder omstandigheden van hoog zoutgehalte te overleven.

Rol van dieren als reservoirs

Er is gesuggereerd dat dieren een rol kunnen spelen bij bodemverrijking door als substraat of groeifactor te dienen voor sommige pathogenen . Zo wordt de groei van Histoplasma capsulatum of Cryptococcus neoformans bevorderd in bodems die rijk zijn aan uitwerpselen en organisch materiaal van dieren.

Auteurs stellen al meer dan vijf decennia voor dat kadavers van dieren als medium kunnen dienen voor de groei van Coccidioides in de bodem. Dit werd ondersteund door de vondst van schimmel-positieve isolaten in de buurt van dierlijke holen , in tegenstelling tot isolaten uit de bodem zonder dierlijk contact waren negatief voor de schimmel . Het is belangrijk te benadrukken dat, hoewel sommige werkzaamheden wijzen op het bestaan van “hot spots” in endemische gebieden of gebieden waar de aanwezigheid van Coccidioides zeer waarschijnlijk is, pogingen om de schimmel uit de bodem te isoleren niet succesvol zijn geweest. Niettemin wordt coccidioidomycose meestal beschouwd als een “klassieke” bodeminfectie. Werk door benadrukt echter de rol van dieren in de levenscyclus van Coccidioides, met de vondst van schimmel-positieve isolaten in monsters verzameld uit dierlijke holen in de stad Solonolpoles in de staat Ceara, in het noordoosten van Brazilië. Deze stad ligt op een hoogte van 155. 38 meter boven de zeespiegel, heeft een gemiddelde temperatuur van 26-28,8 °C, heeft een regenseizoen van januari tot april met een gemiddelde jaarlijkse neerslag van 700 mm en bevat xerofytische vegetatie. Solonolpoles ligt in een semi-aride gebied van Brazilië en wordt gekenmerkt door hoge temperaturen, frequente droogte en een brokkelige bodem. Deze kenmerken komen overeen met die welke eerder zijn beschreven voor de habitat van Coccidioides spp. en vormen een verdere ondersteuning van het idee dat dieren de bodem kunnen verrijken en als een belangrijke groeifactor voor deze schimmel kunnen fungeren. Bovendien is voorgesteld dat besmette dieren, zoals vleermuizen en gordeldieren, deel kunnen uitmaken van de levenscyclus van Coccidioides en aldus als reservoirs van de schimmel kunnen fungeren.

Recente bevindingen van vergelijkende genomische analyses suggereren dat Coccidioides spp. een aanzienlijk aantal genen bevat die belangrijk zijn voor gastheerinteracties, en dat het aantal genen dat betrokken is bij gastheerinteracties groter is dan het aantal genen dat belangrijk is voor overleving in hun natuurlijke habitat. Deze tendens wordt verder ondersteund door de vaststelling van talrijke veranderingen in de genetische samenstelling van Coccidioides, waarbij de grootste verandering optreedt in het aantal genen die belangrijk zijn voor het overleven in natuurlijke habitats. Zo gaat de afname van het aantal genen dat betrokken is bij de afbraak van de celwand (cellulase, tannase, cutinase en pectinelyase) gepaard met een toename van het aantal genen dat betrokken is bij het gebruik van kadavers als energiebron (protease en keratinase). Sommige van deze genen coderen voor protease-families, zoals extracellulaire serineproteasen, aspartische proteasen, en Meps. Er zijn ten minste tien Mep-genen (aangeduid als Mep1 tot Mep10) gevonden in Coccidioides posadasii, en de meeste daarvan zijn ingedeeld in de M35- (deuterolysine) en M36-familie (fungalysine). Samengevat suggereren deze veranderingen dat Coccidioides spp. geen typische bodemschimmels zijn in die zin dat zij een nauwe associatie onderhouden met keratinerijke dieren, zowel tijdens de infectie van een levende gastheer als nadat de gastheer is gestorven, door als mycelium in het karkas te groeien .

Over het geheel genomen kunnen deze bevindingen suggereren dat de plaats van Coccidiodes spp. in het milieu nauw verbonden is met de activiteiten van hun gastheer. Het lage aantal schimmelisolaten uit bodemmonsters lijkt overeen te stemmen met de waarneming dat Coccidiodes beter aangepast zijn aan een levenscyclus die een dierlijke gastheer omvat. Naast het lagere aantal schimmelisolaten dat uit bodemmonsters kan worden verkregen, ondersteunt ook de bevinding dat de meeste positieve bodemisolaten worden aangetroffen in associatie met organisch materiaal afkomstig van dierlijke karkassen, de ingewikkelde gastheerinteracties. Op basis van deze bevindingen stellen wij dan ook voor dat de levenscyclus van Coccidioides spp. in de natuurlijke bodemhabitat kort kan zijn. Zodra Coccidioides spp. een gastheer infecteert, kan de ziekte voortschrijden, wat uiteindelijk leidt tot de dood van de gastheer en de aanvoer van nieuw organisch materiaal bezaaid met schimmeldeeltjes. De hoge temperaturen in deze endemische gebieden, in combinatie met de verhoogde kooldioxideconcentraties die het gevolg zijn van het ontbindingsproces, vormen een optimale omgeving voor de dimorfische transformatie van de parasitaire structuren (sferules) van Coccidioides, waaruit de infectieuze vormen (arthroconidia) ontstaan. Na voltooiing van deze levenscyclus zijn nieuwe infectieuze schimmels beschikbaar voor verspreiding via gevestigde mechanismen (Fig. 1), waardoor de schimmels snel nieuwe gastheren kunnen infecteren en de cyclus opnieuw kunnen beginnen. De tijd die de schimmel doorbrengt zonder interactie met de gastheer is dus kort, wat gedeeltelijk verklaart waarom het zo moeilijk is om schimmelpositieve isolaten te verkrijgen uit bodemmonsters (Fig. 1). Het korte bestaan van Coccidioides spp. in afwezigheid van een gastheer kan te maken hebben met de extreme milieuomstandigheden van de ecologische niche. De hoge zoutconcentraties in de bodem of het water vormen een energetisch kostbare uitdaging voor het leven. Onder omstandigheden van hoog zoutgehalte moet de schimmel ionische concentratiegradiënten in stand houden om een osmotisch evenwicht te verzekeren. De extreme milieuomstandigheden hebben geleid tot aanpassingsveranderingen in het genoom van Coccidioides spp., die hebben geleid tot de verwerving van een klein aantal nieuwe genen die meestal in verband worden gebracht met de interacties tussen de schimmel en hun dierlijke gastheren. Deze genetische veranderingen zorgen er dus voor dat Coccidioides spp. dieren als reservoirs gebruikt, die een gunstige omgeving voor de ontwikkeling van de schimmel blijken te bieden.

De extreme milieuomstandigheden in de natuurlijke bodemhabitat van Coccidioides spp. zijn niet gunstig voor de geslachtelijke voortplanting van de schimmel, omdat dit proces een grotere energie-input vereist. Wij suggereren dat Coccidioides spp. de neiging heeft zich in de natuurlijke habitat ongeslachtelijk voort te planten; wanneer de schimmel daarentegen een geschikte dierlijke gastheer aantreft, kan de geslachtelijke voortplanting worden hervat; hoewel geslachtelijke voortplanting bij Coccidioides spp. niet is aangetoond, zijn er wel bewijzen voor dit type voortplanting . Deze veranderingen in voortplantingsmodaliteiten naar gelang van de habitat kunnen gedeeltelijk de genetische variabiliteit bij Coccidioides spp. verklaren.

Mechanismen voor de verspreiding van Coccidioides spp.

Coccidioidomycose is gemeld bij een aantal diersoorten (tabel 1); tot op heden is de rol van dieren in de epidemiologie van de ziekte bij de mens echter nog niet volledig onderzocht.

Er is gesuggereerd dat gedomesticeerde landdiersoorten en wilde diersoorten kunnen fungeren als verspreiders van Coccidioides in het milieu, bijvoorbeeld als gevolg van slechte praktijken voor het verwijderen van karkassen. Ziekteverwekkende schimmels, waaronder Coccidioides spp., kunnen “in vitro” groeien in de anorganische bestanddelen van beenderen. Daarom kunnen kadavers van besmette dieren pathogene Coccidioides spp. herbergen en dienen als een ecologische niche of reservoir van waaruit de pathogene schimmel gemakkelijk door de wind kan worden verspreid en snel over lange afstanden kan worden vervoerd (Fig. 1). De wind die over besmette karkassen of beenderen waait, kan bioaerosolen voortbrengen; dit is een waarschijnlijk verspreidingsmechanisme. Een ander belangrijk kenmerk van Coccidioides spp. dat overleving onder extreme milieuomstandigheden mogelijk maakt, is hun vermogen om melanine af te zetten in hun celwand en in het cytoplasma van arthroconidia, sferules en endosporen, met uitzondering van schimmelhyphae. De afzetting van melanine biedt bescherming tegen extreme temperaturen en ultraviolette straling (UV) en, in het algemeen, tegen zonnestraling . Gostinčar et al. stelden een mechanisme voor waardoor melanine de schimmel Hortae werneckii kan beschermen tegen hoge zoutgehalten. Deze schimmel is in staat 1,8-dihydroxy-melanine te synthetiseren als bescherming tegen osmotische stress, wat suggereert dat Coccidioides spp. die ook in staat zijn melanine te synthetiseren, gelijkaardige beschermingsmechanismen tegen hypersaliniteit kunnen gebruiken. Bovendien produceert Coccidioides hydrofobines die deze schimmel helpen om zich aan te passen en te overleven in hun omgeving. Het is interessant om te speculeren hoe deze structurele schimmelcomponenten zich verhouden tot verschillende fenomenen die zich voordoen aan de oppervlakken waarmee ze in contact komen. Op het niveau van het micro-organisme worden oppervlakteverschijnselen of -omstandigheden de dominante kracht, terwijl factoren zoals de zwaartekracht meestal onbelangrijk zijn. Eén van de functies van hydrofobines is het controleren van oppervlaktekrachten. Wanneer hyfen op waterige oppervlakken stuiten, zorgen de omringende hydrofobines voor een hydrofoob oppervlak dat helpt bij het breken van de oppervlaktespanning, waardoor de vorming van micellen mogelijk wordt die zich van de waterige media afscheiden en door de lucht reizen, waardoor de efficiëntie waarmee conidia zich door de lucht verspreiden toeneemt

De beweging van mensen en de migratie van andere zoogdieren kan dienen als een ander mechanisme voor schimmelverspreiding in het milieu . Een uitstekend voorbeeld is de lange afstand migratie van vleermuizen . Werk van Cordeiro et al. toonde aan dat deze zoogdieren besmet zijn met Coccidioides spp., wat het idee kan ondersteunen dat vleermuizen reservoirs en verspreiders van deze schimmel zijn. De overdracht van diersoorten in gevangenschap, bijvoorbeeld zee- of landzoogdieren uit endemische gebieden die besmet kunnen zijn met Coccidioides (tabel 1), kan dienen als een mechanisme voor de verspreiding van de ziekte naar niet-endemische gebieden. Deze twee vormen van schimmelverspreiding kunnen verklaren hoe overdracht plaatsvindt in klinische gevallen binnen niet-endemische gebieden, zoals beschreven in de staat Washington, waar verschillende gevallen van coccidioidomycose zijn gemeld, waaronder één geval van primaire cutane coccidioidomycose, twee gevallen van pneumonie en één geval dat zich ontwikkelde tot meningitis . Bovendien toonden Litvintseva et al. aanhoudende kolonisatie van de bodem door C. immitis in de staat Washington aan voor recente menselijke infecties en bevestigden genetische identiteit tussen isolaten uit de bodem en één van de casus-patiënten.

Deze verspreidingsmethode zou ook een verklaring bieden voor een positief C. posadasii isolaat dat werd verkregen van een patiënt die de ziekte verwierf uit een niet-endemische regio (Campeche, Mexico) en die geen excursies buiten zijn woonplaats meldde. Een andere waarneming waarnaar zelden wordt verwezen maar die van groot belang is voor de epidemiologie van coccidioidomycose is een verslag uit Nigeria van twee kippen die post mortem werden geanalyseerd en positieve Coccidioides spp. isolaten vertoonden. De relevantie van dit verslag ligt in twee specifieke elementen: ten eerste is dit het eerste verslag van coccidioidomycose in het niet-endemische gebied van Nigeria; ten tweede is dit het eerste verslag van de infectie bij vogels, wat bevestigt dat Coccidioides spp. ook niet-zoogdieren kunnen besmetten. Een ander interessant geval is dat van een 14-jarige Chinese jongen die nog nooit geïmporteerd materiaal uit voor Coccidioïden endemische gebieden had bezocht of eraan was blootgesteld, maar toch besmet was en aan coccidioidomycose leed. Niettemin werd gemeld dat de jongen was verdronken in zee. Hoewel de bron van de infectie onduidelijk was, is het bekend dat Coccidioides in zout water kunnen overleven , en dat ze aanwezig zijn bij zeezoogdieren . Er wordt gespeculeerd dat zeestromingen in staat zijn de arthroconidia naar niet-endemische zones te slepen. Deze feiten suggereren dat het geografische verspreidingsgebied voor Coccidioides zich uitbreidt en dat de schimmels die verantwoordelijk zijn voor coccidioidomycose zich aanpassen aan nieuwe habitats die andere kenmerken kunnen hebben dan die welke eerder zijn beschreven.

Overdracht van dier op dier vereist direct contact, zoals het hanteren van besmette dieren in de kliniek of directe inoculatie met besmet materiaal , wat gebeurt in een dierenbeet . Dit concept wordt ondersteund door het werk van Lacy en Swatek die rapporteerden over de vondst van levensvatbare sferules in het weefsel en de afscheiding van dieren.

Er zijn verschillende meldingen van coccidioidomycose bij huisdieren die zijn bevestigd door serologisch bewijs . Dit vormt een probleem voor de volksgezondheid, omdat de aanwezigheid van Coccidioides spp. in deze dieren suggereert dat zij kunnen dienen als verspreiders van de schimmel en daardoor een mogelijk gevaar voor de volksgezondheid kunnen zijn.