Od zakażenia dróg moczowych do ropnia mózgu: jak bakteryjne subpopulacje docierają do odległych narządów

W obrębie jednego zakażenia mogą jednocześnie występować subpopulacje bakterii o wyraźnie różnej zdolności do wywoływania ciężkiej choroby. Naukowcy opisali przypadek pacjenta, u którego w przebiegu przewlekłego zakażenia dróg moczowych wywołanego przez Klebsiella pneumoniae powstała znacznie bardziej wirulentna subpopulacja drobnoustrojów. Bakterie uzyskały zdolność skuteczniejszego unikania odpowiedzi immunologicznej, a następnie zostały wykryte w ropniu mózgu.

Różne subpopulacje bakterii w obrębie jednego zakażenia

Naukowcy z University of Cologne, German Center for Infection Research (DZIF) oraz Broad Institute of MIT and Harvard opisali na łamach The New England Journal of Medicine przypadek kliniczny dostarczający nowych informacji o ewolucji patogenów bakteryjnych zachodzącej bezpośrednio w organizmie zakażonego pacjenta.

Część drobnoustrojów należących do tego samego gatunku i wywodzących się ze wspólnego przodka może uzyskać cechy umożliwiające skuteczniejsze unikanie odpowiedzi immunologicznej, przeżywanie w określonych tkankach, namnażanie lub rozprzestrzenianie się do odległych narządów.

Takie warianty mogą stanowić tylko niewielką część całej populacji bakteryjnej. Pomimo niewielkiej liczebności mogą jednak w istotny sposób wpływać na przebieg kliniczny zakażenia.

Przewlekłe zakażenie dróg moczowych i ropień mózgu

Punktem wyjścia analizowanego przypadku było przewlekłe zakażenie dróg moczowych wywołane przez Klebsiella pneumoniae. Bakteria ta jest istotnym czynnikiem etiologicznym zakażeń związanych z opieką zdrowotną, w tym zakażeń układu moczowego, zapalenia płuc, bakteriemii i sepsy.

W toku choroby u pacjenta rozwinął się ropień mózgu. Szczegółowa analiza mikrobiologiczna wykazała, że w moczu chorego, obok dominującej populacji Klebsiella pneumoniae, występowała również druga subpopulacja bakterii charakteryzująca się znacznie większą wirulencją.

Tę bardziej wirulentną subpopulację wykryto następnie także w materiale pobranym z ropnia mózgu. Wyniki wskazywały, że bakterie zdolne do wywołania zakażenia w odległym narządzie mogły powstać w populacji rozwijającej się wcześniej w drogach moczowych.

Sekwencjonowanie genomu ujawniło wspólne pochodzenie bakterii

Przy wykorzystaniu sekwencjonowania całogenomowego naukowcy wykazali, że populacja typowa i bardziej wirulentna miały wspólne pochodzenie. Nie były to zatem dwa niezależne szczepy, którymi pacjent zakaził się w różnych okolicznościach.

Bardziej agresywna subpopulacja wyewoluowała z bakterii obecnych już w organizmie chorego. W dalszych badaniach mechanistycznych naukowcy wykorzystali ukierunkowane modyfikacje genomu, analizy funkcjonalne oraz modele zakażeń, aby odtworzyć kolejne etapy ewolucyjne prowadzące do powstania bardziej wirulentnego fenotypu.

Analiza wykazała, że do istotnego zwiększenia wirulencji wystarczyło kilka mutacji punktowych, czyli zmian obejmujących pojedyncze nukleotydy materiału genetycznego bakterii.

Większa otoczka chroniła bakterie przed układem odpornościowym

Kluczowym skutkiem wykrytych mutacji było zwiększenie produkcji otoczki bakteryjnej. Otoczka Klebsiella pneumoniae jest zbudowana głównie z polisacharydów i tworzy wokół komórki bakteryjnej warstwę ochronną.

W analizowanej subpopulacji mutacje prowadziły do powstania wyraźnie większej otoczki. Struktura ta utrudniała komórkom układu odpornościowego pochłanianie bakterii w procesie fagocytozy. W konsekwencji drobnoustroje mogły skuteczniej unikać eliminacji przez mechanizmy odporności wrodzonej.

W modelach zakażeń bakterie z powiększoną otoczką wykazywały większą wirulencję. Uzyskane wyniki wskazywały na bezpośredni związek pomiędzy konkretnymi mutacjami, zmianą fenotypu bakterii oraz wzrostem ich zdolności do wywoływania ciężkiej infekcji.

Wcześniejsze badania tego zespołu wskazywały już, że typowe szczepy Klebsiella pneumoniae mogą w wyniku stosunkowo prostych mutacji uzyskiwać zdolność wytwarzania większej otoczki i stawać się bardziej wirulentne. Mutanty o zwiększonej produkcji otoczki wiązano między innymi z zakażeniami krwi. W ograniczonej liczbie próbek moczu wykrywano również pierwsze przesłanki wskazujące na obecność subpopulacji różniących się budową otoczki.

Połączenie obserwacji klinicznej z mechanizmem molekularnym

Jak wyjaśnił prof. Christoph M. Ernst, pierwszy autor oraz jeden z autorów koordynujących publikację, opisany przypadek pozwolił bezpośrednio powiązać obserwację kliniczną z mechanizmami molekularnymi odpowiedzialnymi za wzrost wirulencji bakterii.

Prof. Ernst jest badaczem DZIF pracującym w Institute for Medical Microbiology, Immunology and Hygiene at University Hospital Cologne.

Wyniki wskazują, że wysoce wirulentne subpopulacje mogą rozwijać się w pozornie ograniczonym rezerwuarze, takim jak zakażenie dróg moczowych, a następnie uczestniczyć w rozsiewie infekcji w organizmie tego samego pacjenta.

Opisany przypadek potwierdza, że ewolucja bakterii o istotnych konsekwencjach klinicznych może zachodzić nie tylko w skali całych populacji patogenów, lecz także w obrębie pojedynczego chorego. Przebieg zakażenia może zależeć zarówno od mutacji powstających w populacji bakterii, jak i od indywidualnych cech oraz stanu klinicznego pacjenta.

Niekontrolowane zakażenia mogą sprzyjać heterowirulencji

Autorzy zwracają uwagę, że niekontrolowane zakażenia ostre oraz zakażenia utrzymujące się przez długi czas mogą tworzyć warunki sprzyjające rozwojowi heterowirulentnych populacji bakterii. Im dłużej drobnoustroje pozostają w organizmie i się namnażają, tym więcej powstaje okazji do pojawienia się nowych wariantów genetycznych.

Większość takich zmian może nie wpływać istotnie na przebieg zakażenia. Niektóre mutacje mogą jednak zapewnić bakteriom przewagę selekcyjną, na przykład poprzez zwiększenie odporności na mechanizmy immunologiczne, ułatwienie przeżycia w określonym środowisku tkankowym lub zwiększenie zdolności do rozsiewu.

Zjawisko to może mieć szczególne znaczenie w przypadku drobnoustrojów wielolekoopornych. Ograniczone możliwości skutecznego leczenia mogą przedłużać czas trwania zakażenia, a tym samym zwiększać prawdopodobieństwo powstawania i selekcji subpopulacji o nowych cechach.

W University Hospital Cologne prowadzone są badania finansowane przez DZIF, których celem jest zweryfikowanie tej hipotezy. Równolegle naukowcy pracują nad nowymi substancjami przeznaczonymi do leczenia zakażeń wywoływanych przez bakterie wielolekooporne.

Heterowirulencja a heterooporność

Naukowcy dostrzegają podobieństwo pomiędzy heterowirulencją a heteroopornością. W przypadku heterooporności w obrębie populacji uznawanej za wrażliwą na określony antybiotyk mogą występować niewielkie subpopulacje bakterii opornych na ten lek.

Takie subpopulacje mogą prowadzić do niepowodzenia terapii, mimo że standardowe oznaczenie lekowrażliwości początkowo wskazuje na podatność drobnoustroju na zastosowany preparat. Wykrywanie heterooporności jest trudne między innymi dlatego, że oporna subpopulacja może stanowić jedynie niewielki odsetek bakterii obecnych w próbce.

Heterowirulentne subpopulacje mogą być jeszcze trudniejsze do rozpoznania. Standardowa diagnostyka mikrobiologiczna koncentruje się przede wszystkim na identyfikacji gatunku patogenu oraz oznaczaniu jego wrażliwości na antybiotyki.

Ocena takich cech, jak nadmierna produkcja otoczki, zdolność unikania fagocytozy czy potencjał rozsiewu do odległych narządów, nie jest rutynowym elementem diagnostyki klinicznej.

Próbka pobrana od pacjenta może więc zostać zaklasyfikowana jako zawierająca jeden szczep bakteryjny, mimo że w rzeczywistości obejmuje kilka subpopulacji różniących się potencjałem chorobotwórczym.

Znaczenie dla diagnostyki i leczenia zakażeń

Badanie podkreśla potrzebę lepszego poznania procesów ewolucji bakterii zachodzących bezpośrednio w organizmie pacjenta. Ocena zakażenia wyłącznie na podstawie dominującej populacji drobnoustrojów może w niektórych przypadkach nie ujawniać obecności niewielkiej, lecz klinicznie szczególnie istotnej subpopulacji.

W przyszłości rozwój dokładniejszych metod genomowych i fenotypowych może umożliwić identyfikację wariantów bakterii o zwiększonej wirulencji. Mogłoby to mieć znaczenie zwłaszcza u pacjentów z przewlekłymi, nawracającymi lub wielolekoopornymi zakażeniami, a także w przypadkach nieoczekiwanego rozsiewu infekcji do odległych narządów.

Autorzy wskazują również na możliwość opracowania terapii ukierunkowanych nie tylko na przeżycie bakterii, lecz także na konkretne czynniki wirulencji. Jednym z potencjalnych celów może być otoczka bakteryjna albo szlaki regulujące jej powstawanie.

Wnioski

W obrębie przewlekłego zakażenia dróg moczowych wywołanego przez Klebsiella pneumoniae może powstać subpopulacja bakterii o znacznie zwiększonej wirulencji. W opisanym przypadku kilka mutacji punktowych doprowadziło do zwiększenia produkcji otoczki, ograniczenia fagocytozy i wzrostu zdolności bakterii do wywoływania ciężkiego zakażenia.

Wykrycie tej samej wirulentnej subpopulacji w moczu oraz w ropniu mózgu wskazuje, że bakterie mogły wyewoluować w drogach moczowych, a następnie rozprzestrzenić się do odległego narządu.

Odkrycie zwraca uwagę na złożoność populacji bakteryjnych występujących u jednego pacjenta oraz na potencjalne ograniczenia rutynowej diagnostyki, która standardowo nie obejmuje szczegółowej oceny cech wirulencji.

Źródło: The New England Journal of Medicine, „Klebsiella Brain Abscess and Evolution of Heterovirulence in the Urinary Tract”.
DOI: https://doi.org/10.1056/NEJMc2108952