Laseczka wąglika

Laseczka wąglika

Błędne wartości parametrów: | domena = | supergrupa = | królestwo = Bakterie Na ich podstawie nie jestem w stanie ustalić prawidłowo kolorystyki szablonu.
Systematyka
Domena	{{{domena}}}
Królestwo	Bakterie
Typ	Firmicutes
Klasa	Bacilli
Rząd	Bacillales
Rodzina	Bacillaceae
Rodzaj	Bacillus
Gatunek	Laseczka wąglika
Nazwa systematyczna
{{{nazwa łacińska}}} F. Cohn, 1872

{{Takson infobox}} Sugerowane pola (wstaw w kodzie): | synonimy = | alt grafiki = | nazwa łacińska = | grafika = | domena = | opis grafiki = Nieznane pola: "status", "obrazek", "systematyka_ref", "łacina" oraz "opis obrazka".

Laseczka wąglika (łac. Bacillus anthracis) - gatunek dużej Gram-dodatniej, tlenowej bakterii. Przyjmuje najczęściej kształt laseczki o średnich rozmiarach 1-1,5 × 3-10 μm. Charakterystyczną cechą tej bakterii jest tworzenie przetrwalnikowych spor, które umożliwiają jej przeżycie w niesprzyjających warunkach nawet przez dziesięciolecia. Laseczka wąglika jest czynnikiem etiologicznym wąglika, choroby głównie zwierzęcej, jednak okazjonalnie występującej również u ludzi, mogącej przyjąć postać skórną, żołądkowo-jelitową lub oddechową. W końcowym etapie którejkolwiek odmiany wąglika może również dojść do zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych.

Nazwa gatunku pochodzi od greckiego słowa άνθρακας (ánthrakas), oznaczającego węgiel co kojarzone było z charakterystycznym czarnym kolorem skórnych strupów towarzyszących skórnej odmianie wąglika. Laseczka wąglika jest jedynym obligatoryjnym patogenem w obrębie rodzaju Bacillus.

Ze względu na swoje chorobotwórcze cechy, Laseczka wąglika w formie spor, wyjątkowo dobrze nadaje się do wykorzystania jako broń biologiczna zarówno w formie proszku jak i aerozolu. Taki rodzaj broni był rozwijany przez co najmniej pięć państwowych programów broni biologicznej - Wielkiej Brytanii, Japonii, Stanów Zjednoczonych, Rosji oraz Iraku. Również w innych krajach były podejmowane badania nad wykorzystaniem jej jako broni.

Odkrycie

Laseczka wąglika została odkryta w 1850 roku przez Roberta Kocha. Prowadził on praktykę lekarską w Wolsztynie (ówczesnym niemieckim Wollstein) podczas której zajmował się badaniem wąglika. Niektóre pastwiska przeznaczone na wypas bydła były w tamtym czasie uważane za niebezpieczne, ze względu na wysoką śmiertelność na tą nieznaną wówczas chorobę. Badania Kocha wykazały obecność struktur w kształcie laseczki we krwi zwierząt dotkniętych chorobą. Odkrył on również, że choroba może być przenoszona poprzez transfuzję krwi od zwierząt chorych do zdrowych. Następnie przeprowadził szereg doświadczeń na zwierzętach, m.in. na myszach, świnkach morskich, królikach, psach, żabach i ptakach. Przenosił on krew od chorych zwierząt, wstrzykując ją zdrowym, co zawsze skutkowało pojawieniem się laseczkowatych struktur we krwi, węzłach chłonnych i śledzionie.

Kolejną obserwacją Kocha było zauważenie, że w optymalnych warunkach - w ciepłym, wilgotnym, natlenionym środowisku, bakterie będą rosły, wydłużały się i dzieliły tworząc podłużne filamenty. Z czasem w filamentach pojawiały się z granule, które z czasem kształtowały się się w kule. Po pewnym czasie filamenty zanikały, jednak pozostawały kulliste struktury, z których po wysuszeniu i ponownym umieszczeniu w wilgotnym środowisku wyłaniały się bakterie o pierwotnym, podłużnym kształcie. W istocie zjawiskiem zaobserwowanym przez Kocha był proces sporulacji, wytwarzania przez bakterie odpornych na nieprzyjazne środowisko spor (przetrwalników), z których, w sprzyjających warunkach bakterie ponownie kiełkowały w normalną formę wegetatywną. Badania Roberta Kocha skutkujące odkryciem Laseczki wąglika jako czynnika wywołującego wąglik były pierwszym w historii powiązaniem konkretnego drobnoustroju z konkretną jednostką chorobową.

Charakterystyka

Morfologia i fizjologia komórki

Wygląd kolonii Laseczki wąglika na podłożu agarowym z krwią

Bakteria ta jest fakultatywnym anaerobem co oznacza, że jest w stanie żyć zarówno w środowisku tlenowym jak i beztlenowym. Naturalnym środowiskiem w jakim występuje to gleba. Uważa się, że w środowisku zewnętrznym bakteria ta występuje głównie w formie przetrwalników i kiełkuje dopiero po znalezieniu się w organizmie gospodarza. Tak jak wszyscy przedstawiciele rodzaju Bacillus w barwieniu metodą Grama daje wynik dodatni. W obrębie swojego rodzaju jest lokowana w grupie Bacillus cereus razem z takimi gatunkami jak: B. cereus, B. thuringensis oraz B. mycoides. Pomimo bardzo dużego podobieństwa genetycznego i fenotypowego między tymi gatunkami, Laseczka wąglika różni się od nich m.in. brakiem wici, produkcją otoczki, wrażliwością na penicyliny i brakiem aktywności hemolitycznej. Otoczka bakterii zbudowana jest z polimerycznie związanych cząsteczek kwasu D-glutaminowego i może być ona łatwo wykryta przy pomocy barwienia negatywowego z użyciem np. tuszu chińskiego i obserwacji w mikroskopie świetlnym.

Morfologia kolonii

Laseczki wąglika hodowane na płytce z podłożem tworzą zazwyczaj długie łańcuchy, z kolei w zainfekowanych tkankach obserwowane są z reguły krótkie łańcuchy złożone z 2-3 komórek. Na ogół bakteria ta tworzy białawe, płaskie kolonie o nieregularnych brzegach mające na ogół 2-5 mm średnicy. W zależności od tego czy warunki będą sprzyjać formowaniu się otoczki, kolonie mogą mieć fakturę szorstką (bakterie bez otoczek) lub śluzowatą (bakterie otoczkujące). Bakterie na ogół są w łatwy sposób izolowane z tkanek gospodarza, jednak izolacja z gleby może wymagać zastosowania podłóż selekcyjnych ze względu na obecność innych przedstawicieli rodzaju Bacillus wykazujących bardzo zbliżoną morfologię kolonii.

Produkcja spor

Spory Laseczki wąglika widziane na obrazie ze skaningowego mikroskopu elektronowego

Spory Laseczki wąglika to odwodnione komórki posiadające grubą ścianę komórkową oraz dodatkowe warstwy po wewnętrznej stronie błony komórkowej. Bakteria w takim stanie jest przeżyć przez dekady. Sporulacja następuje w momencie zaistnienia w środowisku niekorzystnych warunków, np. braku składników odżywczych. W organizmie gospodarza spory są formowane w momencie, kiedy tkanki zostaną wyeksponowane na środowisko zewnętrzne. Ponowna germinacja (odtworzenie bakterii ze spory) następuje dopiero po dostaniu się do sprzyjającego środowiska jak tkanki bądź krew kolejnego gospodarza. Sporulacja zachodzi najczęściej w ciągu 48 godzin i wymaga obecności tlenu w środowisku. Rozpoczyna się ona od asymetrycznego przedzielenia się komórki w efekcie czego powstaje większy i mniejszy, zawierający materiał genetyczny przedział. Następnie mniejszy z przedziałów ulega opłaszczeniu przez 3 warstwy: najbardziej wewnętrzny rdzeń zbudowany z peptydoglikanu, płaszcz zawierający kwas dipikolinowy, oraz egzosporium będące luźno przylegającą, baloniastą strukturą złożoną z wielu białek i glikoprotein. Po uformowaniu spory reszta komórki ulega lizie co skutkuje uwolnieniem przetrwalnika do środowiska. Obecność egzosporium jest cechą diagnostyczną, odróżniającą Laseczkę wąglika od innych niektórych innych przedstawicieli rodzaju Bacillus, jak np. Bacillus subtilis. Dojrzałe, uśpione spory są odporne na niekorzystne warunki środowiska jak: wysoka lub niska temperatura, promieniowanie ultrafioletowe i jonizujące, zmiany ciśnienia oraz szereg związków chemicznych (w tym 95% etanol). Kiedy przetrwalniki znajdą się w środowisku wodnym o odpowiednich warunkach, kiełkują i rosną jako nowe komórki wegetatywne.

Genetyka

Laseczka wąglika posiada pojedynczy, kolisty chromosom składający się z 5 227 293 par zasad. Posiada również dwa plazmidy: pXO1 oraz pXO2, będące kolistymi, dwuniciowymi cząsteczkami DNA występującymi poza chromosomem.

Cecha	Chromosom	pXO1	pXO2
Rozmiar [pary zasad]	5 227 293	181 677	94 829
Liczba genów	5 508	217	113
Udział replikonów [%]	84,3	77,1	76,2
Średnia długość genu [nukleotydów]	800	645	639
Zawartość par G+C [%]	35,4	32,5	33,0
Operony rRNA	11	0	0
Geny kodujące tRNA	95	0	0
Geny kodujące sRNA (małe RNA)	3	2	0
Geny fagowe	62	0	0
Geny transpozonowe	18	15	6
Przerwane ramki odczytu	37	5	7
Geny z przypisaną funkcją	2 762	65	38
Hipotetyczne geny konserwatywne	1 212	22	19
Geny o nieznanej funkcji	657	8	5
Hipotetyczne geny	877	122	51

Chorobotwórczość

Czynniki wirulencji

Plazmidy

Otoczka Laseczki wąglika widoczna jako białe przejaśnienie wokół komórek

W pełni wirulentny szczep Laseczki wąglika posiada dwa duże plazmidy: pXO1 oraz pXO2, zawierające geny kodujące główne czynniki wirulencji: produkcję toksyny oraz formowanie się otoczki. Plazmid pXO1 zawiera geny kodujące zarówno strukturę białkowej toksyny: pagA, lef, cya; elementy regulacyjne; transpozazę i resolwazę oraz trzygenowy operon gerX odpowiedzialny za kiełkowanie spor. Wszystkie wymienione geny zgrupowane są w jednym regionie nazywanym wyspą patogenności. Plazmid posiada również gen kodujący topoizomerazę DNA i 15 otwartych ramek odczytu prawdopodobnie zaangażowanych w horyzontalny transfer genów.

Plazmid pXO2 zawiera geny capB, capC, oraz dep, które odpowiadają za syntezę i degradację otoczki oraz gen capA będący genem regulatorowym.

Otoczka

Otoczka Laseczki wąglika jest uważana za jeden z dwóch głównych czynników wirulencji. Przyczynia się ona do chorobotwórczości poprzez nadawanie zdolności do unikania immunologicznych mechanizmów obrony gospodarza oraz wywoływanie sepsy. Otoczka Laseczki wąglika hamuje fagocytozę, a jej budowa sprawia, że jest bardzo słabo immunogenna.

Toksyny

Toksyny Laseczki wąglika odgrywają kluczową rolę w patogenezie wąglika. Są to toksyny należące do cyklaz adenylowoych zależnych od kalmoduliny. Poza Laseczką wąglika podobne toksyny produkuje również Bordetella pertussis, czy Pseudomonas aeruginosa. Złożone są z trzech białek działających w kombinacjach podwójnych: antygenu ochronnego (PA, ang. protective antigen), ze względu na jego zdolność do wywoływania odpowiedzi immunologicznej gospodarza przeciwko wągliki; czynnika letalnego (LF, ang. lethal factor) oraz czynnika odpowiedzialnego za tworzenie strupów (EF, ang. edema factor). Czynnik PA oraz LF tworzą razem toksynę letalną (LeTx, ang. lethal toxin), która po dożylnej iniekcji wywołuje śmierć u zwierząt. podczas gdy zestawione ze sobą czynniki PA oraz EF będą tworzyły toksynę odpowiedzialną za powstawanie strupów na skórze (EdTx, ang. edema toxin). Oddzielnie, żadne z wymienionych białek nie jest toksyczne. Wymienione toksyny reprezentują wyjątkowy rodzaj toksyn typu A-B.

Strupy charakterystyczne dla skórnej odmiany wąglika

Wąglik

Laseczka wąglika jest czynnikiem etiologicznym wywołującym chorobę wąglik występującą głównie u zwierząt roślinożernych, jednak może wystąpić również u innych ssaków, w tym u człowieka. Choroba rozpoczyna się wniknięciem spor do ciała gospodarza. Może to nastąpić poprzez wniknięcie przez uszkodzoną skórę, poprzez ugryzienie komara, a także zjedzenie zainfekowanego mięsa lub inhalację zarodników obecnych w powietrzu. Istnieją trzy formy wąglika: skórna, żołądkowo-jelitowa oraz oddechowa. Każda z form może rozwinąć się w śmiertelną formę układową wąglika. Forma skórna, najpowszechniej występująca, charakteryzuje się występowaniem czarnych, bolących strupów będących cechą charakterystyczną tej formy. Wąglik żołądkowo-jelitowy oraz oddechowy mogą początkowo wykazywać niespecyficzne objawy jak: lekka gorączka i inne objawy grypopodobne, jednak formy te mogą rozwinąć się w infekcję systemową, której towarzyszą symptomy podobne do szoku, sepsa, czy niewydolność oddechowa prowadzące najczęściej do śmierci.

Leczenie

Antybiotykami pierwszego rzutu w leczeniu wąglika są penicyliny. Jedynie rzadko pojawiają się szczepy oporne na tą grupę antybiotyków. In vitro Laseczka wąglika jest wrażliwa na penicyliny, fluorochinolony, tetracykliny, chloramfenikol, aminoglikozydy, makrolidy, karbapenemy, ryfampicynę oraz wankomycynę. Z kolei antybiotyki na które bakteria ta jest oporna to przede wszystkim cefalosporyny, trimetoprim oraz sulfonamidy. Profilaktyka poekspozycyjna nie jest rekomendowana dla osób bez objawów wąglika, chyba że, zostaną one uznane za realnie narażone na zagrożenie ze strony spor Laseczki wąglika. Poza zahamowaniem wzrostu bakterii, w leczeniu wąglika ważne jest również neutralizowanie powstałych toksyn. W tym celu stosowane są leki zawierające przeciwciała monoklonalne anty-PA zatwierdzone przez FDA i stosowane w Stanach Zjednoczonych od 2012 roku. W Europie preparaty nie są dopuszczone do użytku.

Szczepienia

Prawie wszystkie szczepionki stosowane w profilaktyce wąglika opierają się na czynniku PA toksyny Laseczki wąglika, jako na głównym czynniku immunogennym. Pierwsza szczepionka przeciwko zakażeniom wywoływanym przez Laseczkę wąglika opracował Louis Pasteur już w 1881 roku. Była ona jednak stosowana jedynie do szczepienia zwierząt. Szczepionki do stosowania przez ludzi pojawiły się dopiero w połowie XX-go wieku. Mimo, że szczepionki zapewniały skuteczną ochronę przed zachorowaniem na wąglik, charakteryzowały się szeregiem niedogodności jak: brak standaryzacji, wysoki koszt produkcji szczepionki, wymaganie częstego podawania dawki przypominającej, czy efekty uboczne. W Chinach oraz w Rosji w produkcji szczepionek wykorzystywane są żywe, bezotoczkowe, toksykogenne szczepy Laseczki wąglika. W Stanach Zjednoczonych stosowana jest szczepionka opracowana w latach 60-tych XX wieku z kilkoma ulepszeniami mającymi na celu zmniejszenie dawki i wprowadzeniu nowych dróg podania. Trwają również testy kliniczne nowych szczepionek opartych na rekombinowanych czynnikach PA toksyny, co może wpłynąć na zmniejszenie jej toksyczności przy jednoczesnym poprawieniu immunizacji.

Od początku XXI wieku prowadzone są również badania nad szczepionką opartą na otoczce Laseczki wąglika, jako czynniku immunizującym. Jej niska zdolność do wywoływania odpowiedzi immunologicznej, a tym samym słaba zdolność do generowania odporności może zostać zniwelowana poprzez skoniugowanie otoczki z szeregiem różnych białek. Podejmowane były również próby koniugowania otoczki Laseczki wąglika z kompleksem białkowym błony zewnętrznej bakterii Neisseria meningitidis, co wywoływało silną odpowiedź ze strony układu odpornościowego jednak tylko częściowo chroniło przed infekcją jak również łączenie otoczki z peptydoglikanem co skutkowało nabyciem pełnej odporności przed infekcją skórną Laseczki wąglika. Obecnie stale rozwijane są również szczepionki doustne, oparte na składnikach roślinnych, wykorzystujące różne adiuwanty, czy drogi podania.