Siedlisko Coccidioides spp. i rola zwierząt jako rezerwuarów i rozprzestrzeniaczy w przyrodzie

Habitat of Coccidioides spp.

Regiony endemiczne dla kokcydioidomikozy charakteryzują się na ogół półsuchym klimatem, który ułatwia rozprzestrzenianie się zarodników Coccidioides w powietrzu. Łagodna zima typowa dla regionów endemicznych zapewnia optymalne warunki dla wzrostu grzyba, a suche, gorące lato ułatwia rozprzestrzenianie się artrokonidiów. Jednak rozmieszczenie Coccidioides spp. w glebie regionów endemicznych jest nieregularne, nawet w regionach o wysokiej zapadalności na infekcje .

Pierwszymi badaniami opisującymi siedlisko Coccidioides były badania Egeberta i wsp. oraz Elconin i wsp. oraz Lacy i Swatek ; badacze ci uzyskali izolaty grzybów z próbek gleby o wysokim zasoleniu i zasugerowali, że podwyższone zasolenie gleby może być warunkiem rozwoju grzybów. Wiadomo również, że zarodniki Coccidioides rosną w piaszczystych glebach alkalicznych, bogatych w materię organiczną i sole. Fisher i wsp. potwierdzili, że siedliska Coccidioides w regionach endemicznych charakteryzują się również glebami o wysokim poziomie niezbędnych składników odżywczych, takich jak żelazo, wapń i magnez. Co więcej, dodatkowe ustalenia Fishera i wsp. potwierdzają zdolność tego grzyba do wzrostu w niemal każdym rodzaju gleby pustynnej, w tym o niskim poziomie pH; grzyb ten toleruje również ekstremalne temperatury powietrza w zakresie od -40,0 do 48,8°C oraz gleby w zakresie od -6,5 do 60,5°C. Autorzy podkreślają również, że czynniki abiotyczne w strefach endemicznych mogą stwarzać korzystne warunki dla rozwoju Coccidioides. Większa zawartość substancji organicznych w glebie może prowadzić do większej dostępności składników pokarmowych dla wzrostu grzyba, natomiast zwiększone zasolenie i wysoka temperatura mogą zmniejszać konkurencję z innymi mikroorganizmami. Na przykład, wysokie stężenie boranu sodu w glebie może być antyseptyczne dla niektórych mikroorganizmów, ale niekoniecznie dla Coccidioides . Ostatnio, praca De Macedo i wsp. potwierdziła opisane wcześniej cechy środowiskowe dla siedliska Coccidioides spp. poprzez pozytywną identyfikację izolatów Coccidioides w próbkach gleby uzyskanych z półpustynnych regionów w stanie Piauí, w północno-wschodnim regionie Brazylii.

Dąbrowa i wsp. określili obecność potencjalnie patogenicznych grzybów w strefach międzypływowych. Chociaż autorzy nie byli w stanie potwierdzić pozytywnych izolatów C. immitis, możliwe jest, że grzyb ten może być obecny w strefach międzypływowych, biorąc pod uwagę endemiczne występowanie Coccidioides w południowo-zachodniej części USA. Ponadto, wcześniej wykazano, że C. immitis jest w stanie przetrwać w wodzie morskiej i nasyconej słonej wodzie przez okres do 6 tygodni w laboratorium. Co ważne, nawet w tych warunkach C. immitis zachowuje zdolność do zarażania różnych gatunków wodnych, takich jak kraby rzeczne, złote rybki, delfiny butelkonose i lwie ryby. Stężenie C. immitis w tych osadach jest naturalnie podwyższone w porze deszczowej w wyniku spływu wód oceanicznych lub rzecznych. W Meksyku, pomimo udanych klinicznych izolacji Coccidioides spp., badania przesiewowe próbek środowiskowych miały niską skuteczność, dlatego Catalán-Dibene i wsp. zbadali wysoce endemiczny obszar w pobliżu granicy USA i Meksyku, gdzie wcześniej wykryto Coccidioides metodami molekularnymi. W badaniu tym przetestowali surowicę 40 odłowionych gryzoni przy użyciu testu ELISA i wykryli przeciwciała przeciwko Coccidioides u dwóch gatunków: Peromyscus maniculatus i Neotoma lepida. Badanie to stanowi podstawę do analizy tego patogenu w jego naturalnym środowisku.

Baptista-Rosas i wsp. stworzyli model rozmieszczenia gatunków Coccidioides wykorzystując kombinację kilku zmiennych środowiskowych i geoprzestrzennych punktów odniesienia w USA i Meksyku, które są miejscami występowania pozytywnych izolatów Coccidioides. Model ten sugeruje, że jałowe gleby na północnoamerykańskich pustyniach prawdopodobnie służą jako nisze ekologiczne dla Coccidioides, co zgadza się z większą częstością występowania choroby w tych regionach i ustaleniami innych osób .

Obecnie ustalenia różnych badań są zgodne co do cech ekologicznych, które definiują siedlisko Coccidioides. Ten rodzaj grzyba jest związany z glebami w regionach suchych, półsuchych i alkalicznych, które charakteryzują się skąpą roślinnością kserofityczną, podwyższonymi średnimi temperaturami i niską średnią roczną sumą opadów. Dlatego też zdolność Coccidioides do przetrwania w tak ekstremalnych warunkach stanowi przewagę nad innymi mikroorganizmami, jak sugeruje Baumgardner . W oparciu o pracę De Hoog , rodzaj Coccidioides składa się z grzybów kserotolerancyjnych, ponieważ mogą one rosnąć w skrajnie nieprzyjaznych warunkach. Co więcej, Coccidioides można uznać za organizmy halotolerancyjne, ponieważ oba gatunki z tego rodzaju tolerują wysokie stężenia soli, nawet do 8%. Niemniej jednak, niewiele wiadomo na temat mechanizmów, które gatunki Coccidioides wykorzystują do przetrwania w warunkach wysokiego zasolenia. Niektóre strategie, które Coccidioides mogą wykorzystywać do przetrwania w tych warunkach, mogą obejmować: (1) utrzymywanie wysokiego wewnątrzkomórkowego stężenia soli, osmotycznie lub co najmniej równego jego zewnętrznemu stężeniu (strategia „salt-in”), co pozwala mu na przystosowanie się do środowiska alkalicznego. Wymaga to jednak specjalnego przystosowania jego systemów wewnątrzkomórkowych; oraz (2) utrzymywanie niskich stężeń soli w jego cytoplazmie (strategia „compatible-solute”). Ciśnienie osmotyczne medium jest równoważone przez kompatybilne soluty (2-sulfotrehaloza, trehaloza, sacharoza, glicerol, betaina glicyna, ektoina i glikozylglicerol). Rozpuszczalniki te nie wpływają na aktywność enzymatyczną, gdyż wysokie stężenia soli nieorganicznych nie wymagają specjalnego przystosowania systemów wewnątrzkomórkowych. Pozostaje jednak do ustalenia, jakie strategie są wykorzystywane przez Coccidioides do przetrwania w warunkach wysokiego zasolenia.

Rola zwierząt jako rezerwuarów

Zasugerowano, że zwierzęta mogą odgrywać rolę we wzbogacaniu gleby poprzez służenie jako substrat lub czynnik wzrostu dla niektórych patogenów. Na przykład wzrost Histoplasma capsulatum lub Cryptococcus neoformans jest korzystny w glebach bogatych w odchody zwierzęce i materię organiczną.

Autorzy proponowali przez ponad pięć dekad, że zwłoki zwierzęce mogą służyć jako pożywka dla wzrostu Coccidioides w glebie. Zostało to poparte znalezieniem dodatnich izolatów grzyba w pobliżu nor zwierzęcych, w przeciwieństwie do izolatów z gleby bez kontaktu ze zwierzętami, które były ujemne dla grzyba. Należy podkreślić, że chociaż niektóre prace sugerują istnienie „gorących punktów” w strefach endemicznych lub na obszarach, gdzie obecność Coccidioides jest wysoce prawdopodobna, próby wyizolowania grzyba z gleby nie powiodły się. Mimo to, kokcydioidomikoza była zwykle uważana za „klasyczną” infekcję nabytą przez glebę. Jednakże, prace podkreślają rolę zwierząt w cyklu życiowym Coccidioides, stwierdzając dodatnie izolaty grzyba w próbkach pobranych z nor zwierzęcych w mieście Solonolpoles w stanie Ceara, w północno-wschodniej Brazylii. Miasto to położone jest na wysokości 155. 38 metrów nad poziomem morza, ma średnią temperaturę 26-28,8 °C, ma porę deszczową od stycznia do kwietnia ze średnią roczną sumą opadów 700 mm i zawiera roślinność kserofityczną. Solonolpoles znajduje się w półpustynnym regionie Brazylii i charakteryzuje się wysokimi temperaturami, częstymi suszami i kruchą glebą. Cechy te są zgodne z tymi opisanymi wcześniej dla siedlisk Coccidioides spp. i stanowią dalsze potwierdzenie tezy, że zwierzęta mogą wzbogacać glebę i działać jako ważny czynnik wzrostu dla tego grzyba. Dodatkowo, zaproponowano, że zakażone zwierzęta, takie jak nietoperze i pancerniki, mogą stanowić część cyklu życiowego Coccidioides i w ten sposób działać jako rezerwuary grzyba .

Ostatnie ustalenia z porównawczych analiz genomicznych sugerują, że Coccidioides spp. zawierają znaczną liczbę genów, które są ważne dla interakcji z żywicielem, a liczba genów zaangażowanych w interakcje z żywicielem jest większa niż te, które są ważne dla przetrwania w ich naturalnym siedlisku . Tendencja ta jest dodatkowo poparta stwierdzeniem licznych zmian w składzie genetycznym Coccidioides, przy czym największa zmiana zachodzi w liczbie genów ważnych dla przetrwania w naturalnych siedliskach. Na przykład, zmniejszenie liczby genów zaangażowanych w degradację ściany komórkowej (celulaza, taninazy, kutynazy i liazy pektynowe) występuje wraz z rozszerzeniem liczby genów zaangażowanych w wykorzystanie padliny jako źródła energii (proteazy i keratynazy). Niektóre z tych genów kodują rodziny proteaz, takie jak zewnątrzkomórkowe proteazy serynowe, proteazy aspartylowe i Meps. Co najmniej dziesięć genów Mep (oznaczonych jako Mep1 do Mep10) znaleziono u Coccidioides posadasii, a większość z nich zaklasyfikowano do rodzin M35 (deuterolizyny) i M36 (fungalizyny). Podsumowując, zmiany te sugerują, że Coccidioides spp. nie są typowymi grzybami glebowymi, ponieważ utrzymują ścisły związek ze zwierzętami bogatymi w keratynę, zarówno podczas infekcji żywego gospodarza, jak i po jego śmierci, rosnąc w tuszy jako grzybnia .

Ogółem, wyniki te mogą sugerować, że lokalizacja Coccidiodes spp. w środowisku jest ściśle związana z działalnością ich gospodarza. Niska liczba izolatów grzyba z próbek gleby wydaje się zgadzać z obserwacją, że Coccidiodes są lepiej przystosowane do cyklu życiowego, który obejmuje żywiciela zwierzęcego. Poza niższą liczbą izolatów grzybów, które można uzyskać z próbek gleby, fakt, że większość pozytywnych izolatów glebowych znajduje się w połączeniu z materią organiczną pochodzącą z tusz zwierzęcych, dodatkowo przemawia za zawiłymi interakcjami między żywicielami. W związku z tym, w oparciu o powyższe ustalenia, proponujemy, aby cykl życiowy Coccidioides spp. w naturalnym środowisku glebowym był krótki. Gdy Coccidioides spp. zainfekują żywiciela, choroba może postępować, prowadząc ostatecznie do śmierci żywiciela i dostarczając nowej materii organicznej, zasianej cząsteczkami grzybów. Wysoka temperatura panująca w tych endemicznych strefach, w połączeniu z podwyższonym poziomem dwutlenku węgla, który powstaje w procesie rozkładu, stanowi optymalne środowisko dla dimorficznej przemiany struktur pasożytniczych (sferule) Coccidioides, dając początek formom infekcyjnym (artrokonidia). Po zakończeniu tego cyklu życiowego, nowe grzyby infekcyjne są dostępne do rozprzestrzeniania się dzięki ustalonym mechanizmom (Ryc. 1), co pozwala grzybom na szybkie zarażanie nowych żywicieli i ponowne rozpoczęcie cyklu. Dlatego też czas spędzony przez grzyba bez interakcji z gospodarzem jest krótki, co częściowo wyjaśnia trudności w uzyskaniu dodatnich izolatów grzyba z próbek gleby (Rys. 1). Krótka egzystencja Coccidioides spp. przy braku gospodarza może być związana z ekstremalnymi warunkami środowiskowymi niszy ekologicznej. Wysokie stężenie soli w glebie lub wodzie stanowi kosztowne energetycznie wyzwanie dla życia. W warunkach wysokiego zasolenia grzyb musi utrzymywać jonowe gradienty stężeń, aby zapewnić równowagę osmotyczną. Ekstremalne warunki środowiskowe spowodowały zmiany adaptacyjne w genomie Coccidioides spp., prowadząc do nabycia niewielkiej liczby nowych genów, które są w większości związane z interakcjami pomiędzy grzybami a ich zwierzęcymi gospodarzami. Dlatego te zmiany genetyczne zapewniają wykorzystanie zwierząt jako rezerwuarów przez Coccidioides spp., które wydają się zapewniać korzystne środowisko dla rozwoju grzybów.

Ekstremalne warunki środowiskowe obecne w naturalnym siedlisku glebowym Coccidioides spp. nie są korzystne dla rozmnażania płciowego grzyba, ponieważ proces ten wymaga większych nakładów energetycznych. Sugerujemy, że Coccidioides spp. mają tendencję do rozmnażania bezpłciowego w siedlisku naturalnym; w przeciwieństwie do tego, gdy grzyb napotyka odpowiedniego żywiciela zwierzęcego, rozmnażanie płciowe może zostać wznowione, chociaż rozmnażanie płciowe nie zostało wykazane w Coccidioides spp. istnieją dowody na ten rodzaj reprodukcji. Te zmiany w sposobach rozmnażania w zależności od siedliska mogą częściowo wyjaśniać zmienność genetyczną Coccidioides spp.

Mechanizmy rozprzestrzeniania się Coccidioides spp.

Coccidioidomycosis została opisana u wielu gatunków zwierząt (Tabela 1); jednak do tej pory rola zwierząt w epidemiologii tej choroby u ludzi nie została w pełni uwzględniona.

Zasugerowano, że domowe gatunki zwierząt lądowych i dzikie gatunki zwierząt mogą działać jako rozprzestrzeniacze Coccidioides w środowisku, na przykład w wyniku złych praktyk w zakresie usuwania zwłok. Grzyby patogeniczne, w tym Coccidioides spp. mogą rozwijać się „in vitro” w nieorganicznych składnikach kości. Dlatego też, zwłoki zakażonych zwierząt mogą być siedliskiem patogennych Coccidioides spp. i służyć jako nisza ekologiczna lub rezerwuar, z którego patogeniczne grzyby mogą być łatwo rozpraszane przez wiatr i szybko przenoszone na duże odległości (Rys. 1). Wiatr poruszający się nad zainfekowanymi zwłokami lub kośćmi może generować bioaerozole, jest to prawdopodobny mechanizm dyspersji. Inną ważną cechą Coccidioides spp. zapewniającą przetrwanie w ekstremalnych warunkach środowiskowych jest ich zdolność do odkładania melaniny w obrębie ściany komórkowej oraz w cytoplazmie artrokonidiów, sferuli i endospor, z wyłączeniem strzępek grzybni. Odkładanie się melaniny zapewnia ochronę przed ekstremalnymi temperaturami i promieniowaniem ultrafioletowym (UV) oraz, ogólnie, przed promieniowaniem słonecznym. Gostinčar i wsp. zaproponowali mechanizm, dzięki któremu melanina może chronić grzyb Hortae werneckii przed wysokim zasoleniem. Grzyb ten jest w stanie syntetyzować 1,8-dihydroksy-melaninę jako ochronę przed stresem osmotycznym, co sugeruje, że Coccidioides spp. które również są w stanie syntetyzować melaninę, mogą wykorzystywać podobne mechanizmy ochronne przed zasoleniem. Dodatkowo, Coccidioides wytwarza hydrofobiny, które pomagają tym grzybom przystosować się i przetrwać w środowisku, w którym żyją. Interesujące jest spekulowanie, jak te składniki strukturalne grzybów odnoszą się do różnych zjawisk zachodzących na powierzchniach, z którymi się stykają. Na poziomie mikroorganizmów, zjawiska lub warunki powierzchniowe stają się siłą dominującą, podczas gdy czynniki takie jak grawitacja są w większości przypadków nieistotne. Jedną z funkcji hydrofobin jest kontrola sił powierzchniowych. Kiedy hieny napotykają powierzchnie wodne, ich otaczające hydrofobiny zapewniają hydrofobową powierzchnię, która pomaga w przełamaniu napięcia powierzchniowego, umożliwiając w ten sposób tworzenie miceli, które oddzielają się od mediów wodnych i przemieszczają się w powietrzu, zwiększając efektywność, dzięki której konidia dyfundują przez powietrze .

Przemieszczanie się ludzi i migracja innych ssaków może służyć jako kolejny mechanizm rozpraszania grzybów w środowisku . Doskonałym przykładem jest długodystansowa migracja nietoperzy. Praca Cordeiro i wsp. wykazała, że ssaki te są zarażone Coccidioides spp. co może potwierdzać tezę, że nietoperze są rezerwuarami i rozprzestrzeniaczami tego grzyba. Przenoszenie gatunków zwierząt w niewoli, na przykład ssaków morskich lub lądowych z obszarów endemicznych, które mogą być zakażone Coccidioides (Tabela 1), może służyć jako mechanizm rozprzestrzeniania się choroby do regionów nieendemicznych. Te dwie formy rozprzestrzeniania się grzyba mogą wyjaśniać, w jaki sposób dochodzi do transmisji w przypadkach klinicznych w strefach nieendemicznych, jak te opisane w stanie Waszyngton, gdzie odnotowano różne przypadki kokcydioidomikozy, w tym jeden przypadek pierwotnej kokcydioidomikozy skórnej, dwa przypadki zapalenia płuc i jeden przypadek, który rozwinął się do zapalenia opon mózgowych. Ponadto, Litvintseva i wsp. wykazali trwałą kolonizację gleb przez C. immitis w stanie Waszyngton do niedawnych zakażeń u ludzi i potwierdzili identyczność genetyczną między izolatami z gleby i jednym z pacjentów, u których wystąpił przypadek.

Ta metoda rozprzestrzeniania się mogłaby również stanowić wyjaśnienie dla pozytywnego izolatu C. posadasii uzyskanego od pacjenta, który nabył chorobę w regionie nieendemicznym (Campeche, Meksyk) i który nie zgłaszał żadnych wycieczek poza miejsce zamieszkania. Inną obserwacją, na którą rzadko się powoływano, ale która ma duże znaczenie dla epidemiologii kokcydioidomikozy, jest doniesienie z Nigerii o dwóch kurczakach, u których w wyniku analizy pośmiertnej stwierdzono obecność izolatów Coccidioides spp. Znaczenie tego doniesienia polega na dwóch szczególnych elementach: po pierwsze, jest to pierwsze doniesienie o kokcydioidomikozie w nieendemicznym regionie Nigerii; po drugie, jest to pierwsze doniesienie o zakażeniu u ptaków, potwierdzające, że Coccidioides spp. są zdolne do zakażania zwierząt innych niż ssaki. Innym ciekawym przypadkiem jest przypadek 14-letniego chłopca z Chin, który nigdy nie odwiedzał ani nie był narażony na kontakt z materiałami importowanymi ze stref endemicznych dla Coccidioides, a mimo to został zakażony i zachorował na kokcydioidomikozę. Niemniej jednak, zgłoszono, że chłopiec ten doświadczył epizodu utonięcia w morzu. Chociaż źródło zakażenia było niejasne, wiadomo, że Coccidioides może przetrwać w słonej wodzie i wiadomo, że są one obecne w ssakach morskich. Spekuluje się, że prądy morskie mogą być w stanie przeciągnąć artrokonidia w kierunku stref nieendemicznych. Fakty te sugerują, że obszar geograficznej dystrybucji Coccidioides rozszerza się i że grzyby odpowiedzialne za kokcydioidomikozę przystosowują się do nowych siedlisk, które mogą mieć cechy odmienne od poprzednio opisanych.

Przenoszenie choroby ze zwierzęcia na zwierzę wymaga bezpośredniego kontaktu, takiego jak obchodzenie się z zakażonymi zwierzętami w klinice lub bezpośrednie zaszczepienie zakażonym materiałem, co ma miejsce w przypadku ukąszenia zwierzęcia. Koncepcja ta jest poparta pracą Lacy’ego i Swatka, którzy donieśli o znalezieniu żywych kulek w tkankach i wydzielinach zwierząt.

Istnieją różne doniesienia o kokcydioidomikozie u zwierząt domowych, które zostały potwierdzone przez dowody serologiczne. Stanowi to problem dla zdrowia publicznego, ponieważ obecność Coccidioides spp. u tych zwierząt sugeruje, że mogą one służyć jako rozprzestrzeniacze grzyba, a tym samym stanowić potencjalne zagrożenie dla zdrowia ludzkiego.

.