Patogen -Pathogen

W biologii patogen ( grecki : πάθος , pathos „cierpienie”, „pasja” i -γενής , -genēs producent”) w najstarszym i najszerszym znaczeniu to każdy organizm lub czynnik, który może wywoływać chorobę . Patogen może być również określany jako czynnik zakaźny lub po prostu zarazek .

Termin patogen wszedł do użytku w latach osiemdziesiątych XIX wieku. Zazwyczaj termin patogen jest używany do opisania zakaźnego mikroorganizmu lub czynnika, takiego jak wirus , bakteria , pierwotniak , prion , wiroid lub grzyb . Małe zwierzęta, takie jak robaki i owady, również mogą powodować lub przenosić choroby. Jednak zwierzęta te są zwykle określane jako pasożyty , a nie patogeny. Naukowe badanie mikroskopijnych organizmów, w tym mikroskopijnych organizmów chorobotwórczych, nazywa się mikrobiologią , podczas gdy parazytologia odnosi się do naukowych badań pasożytów i organizmów, które są ich żywicielami.

Istnieje kilka dróg, którymi patogeny mogą zaatakować gospodarza. Główne ścieżki mają różne epizodyczne ramy czasowe, ale gleba ma najdłuższy lub najbardziej trwały potencjał do przenoszenia patogenu.

Choroby u ludzi wywołane przez czynniki zakaźne są znane jako choroby patogenne. Nie wszystkie choroby są spowodowane przez patogeny, takie jak czarne płuca spowodowane narażeniem na zanieczyszczający pył węglowy , zaburzenia genetyczne , takie jak niedokrwistość sierpowatokrwinkowa i choroby autoimmunologiczne, takie jak toczeń .

Patogeniczność

Patogeniczność to potencjalna zdolność patogenów do wywoływania chorób, obejmująca połączenie zakaźności (zdolność patogenu do infekowania żywicieli) i wirulencji (powaga choroby gospodarza). Postulaty Kocha są wykorzystywane do ustalenia związków przyczynowych między drobnoustrojami chorobotwórczymi a chorobami. Podczas gdy zapalenie opon mózgowych może być spowodowane przez różne patogeny bakteryjne, wirusowe, grzybicze i pasożytnicze, cholerę wywołują tylko niektóre szczepy Vibrio cholerae . Ponadto niektóre patogeny mogą powodować chorobę tylko u gospodarzy z niedoborem odporności . Te infekcje oportunistyczne często obejmują infekcje szpitalne wśród pacjentów już walczących z innym schorzeniem.

Zakaźność obejmuje przenoszenie patogenu poprzez bezpośredni kontakt z płynami ustrojowymi lub kropelkami unoszącymi się w powietrzu zakażonych żywicieli, kontakt pośredni obejmujący zanieczyszczone obszary/przedmioty lub przenoszenie przez żywe wektory , takie jak komary i kleszcze . Podstawowy współczynnik reprodukcji infekcji to oczekiwana liczba kolejnych przypadków, które prawdopodobnie spowoduje w wyniku przeniesienia.

Zjadliwość polega na tym, że patogeny wydobywają składniki odżywcze żywiciela w celu przetrwania, unikają układu odpornościowego gospodarza poprzez wytwarzanie toksyn mikrobiologicznych i powodowanie immunosupresji . Optymalna zjadliwość opisuje teoretyczną równowagę między rozprzestrzenianiem się patogenu na dodatkowych żywicieli w celu pasożytowania zasobów, a jednocześnie obniżaniem ich zjadliwości, aby utrzymać żywicieli przy życiu w celu przenoszenia pionowego na ich potomstwo.

Rodzaje patogenów

glony

Glony to jednokomórkowe organizmy eukariotyczne , które na ogół nie są patogenne. Zielone algi z rodzaju Prototheca nie zawierają chlorofilu i wiadomo, że powodują protekozę choroby u ludzi, psów, kotów i bydła, zazwyczaj z udziałem gatunków związanych z glebą Prototheca wickerhami .

Bakteria

Bakterie to jednokomórkowe prokarioty o wielkości od 0,15 do 700 μM. Podczas gdy zdecydowana większość jest albo nieszkodliwa, albo korzystna dla swoich gospodarzy, na przykład członkowie ludzkiego mikrobiomu jelitowego , który wspomaga trawienie, niewielki procent jest patogenny i powoduje choroby zakaźne. Bakteryjne czynniki wirulencji obejmują czynniki przylegania do komórek gospodarza, czynniki inwazji wspierające wejście do komórek gospodarza, kapsułki zapobiegające opsonizacji i fagocytozie , toksyny i siderofory do pozyskiwania żelaza.

Mikrofotografia kału z czerwonką Shigella. Bakterie te zazwyczaj powodują choroby przenoszone przez żywność.

Gruźlica bakteryjna , powodowana głównie przez Mycobacterium tuberculosis , ma jedno z największych obciążeń chorobowych , zabijając 1,6 miliona ludzi w 2021 r., głównie w Afryce i Azji Południowo-Wschodniej. Bakteryjne zapalenie płuc jest powodowane głównie przez Streptococcus pneumoniae , Staphylococcus aureus , Klebsiella pneumoniae i Haemophilus influenzae . Choroby przenoszone przez żywność zazwyczaj obejmują Campylobacter , Clostridium perfringens , Escherichia coli , Listeria monocytogenes i Salmonella . Inne choroby zakaźne powodowane przez bakterie chorobotwórcze to tężec , dur brzuszny , błonica i trąd .

Grzyby

Grzyby to organizmy eukariotyczne, które mogą funkcjonować jako patogeny. Istnieje około 300 znanych grzybów chorobotwórczych dla ludzi, w tym Candida albicans , która jest najczęstszą przyczyną pleśniawki , oraz Cryptococcus neoformans , który może powodować ciężką postać zapalenia opon mózgowych . Typowe zarodniki grzybów mają długość 4,7 μm lub mniejszą.

Priony

Powiększony 100× i poplamiony. Ta mikrofotografia tkanki mózgowej pokazuje obecność wyraźnych zmian gąbczastych w korze mózgowej z utratą neuronów w przypadku wariantu choroby Creutzfeldta-Jakoba (vCJD)

Priony to nieprawidłowo sfałdowane białka, które przekazują swój nieprawidłowy wzór fałdowania innym kopiom białka bez użycia kwasów nukleinowych . Oprócz uzyskiwania prionów od innych, te nieprawidłowo sfałdowane białka wynikają z różnic genetycznych, albo z powodu historii rodziny, albo sporadycznych mutacji. Rośliny pobierają priony z zanieczyszczonej gleby i przenoszą je do łodygi i liści, potencjalnie przenosząc priony na zwierzęta roślinożerne . Ponadto wykazano, że drewno, skały, plastik, szkło, cement, stal nierdzewna i aluminium wiążą, zatrzymują i uwalniają priony, co pokazuje, że białka są odporne na degradację środowiskową.

Priony są najbardziej znane z wywoływania chorób pasażowalnej encefalopatii gąbczastej (TSE), takich jak choroba Creutzfeldta-Jakoba (CJD), odmiana choroby Creutzfeldta-Jakoba (vCJD), zespół Gerstmanna-Sträusslera-Scheinkera (GSS), śmiertelna bezsenność rodzinna (FFI) i kuru w ludziach.

Podczas gdy priony są zwykle postrzegane jako patogeny, które powodują gromadzenie się włókien amyloidu białkowego w blaszkach neurodegeneracyjnych, Susan Lindquist prowadziła badania wykazujące, że drożdże wykorzystują priony do przekazywania ewolucyjnie korzystnych cech.

Wiroidy

Nie mylić z wirusoidami lub wirusami , wiroidy są najmniejszymi znanymi patogenami zakaźnymi. Wiroidy to małe jednoniciowe, koliste RNA, o których wiadomo, że powodują choroby roślin, takie jak wiroid wrzecionowatości bulw ziemniaka , który atakuje różne uprawy rolne. Wiroid RNA nie jest chroniony płaszczem białkowym i nie koduje żadnych białek, działając jedynie jako rybozym katalizujący inne reakcje biochemiczne.

Wirusy

Wirusy mają na ogół średnicę od 20 do 200 nm. W celu przetrwania i replikacji wirusy wstrzykują swój genom do komórek gospodarza, wstawiają te geny do genomu gospodarza i przejmują kontrolę nad maszynerią gospodarza, aby wyprodukować setki nowych wirusów, aż komórka pęknie, uwalniając je do dodatkowych infekcji. Cykl lityczny opisuje ten aktywny stan szybkiego zabijania żywicieli, podczas gdy cykl lizogeniczny opisuje potencjalnie setki lat uśpienia podczas integracji z genomem gospodarza. Oprócz taksonomii zorganizowanej przez Międzynarodowy Komitet Taksonomii Wirusów (ICTV), klasyfikacja Baltimore dzieli wirusy na siedem klas produkcji mRNA :

Inne pasożyty

Dwa owsiki obok linijki, mierzące 6 milimetrów długości

Pierwotniaki to jednokomórkowe organizmy eukariotyczne, które żywią się mikroorganizmami i tkankami organicznymi. Wiele pierwotniaków działa jako pasożyty chorobotwórcze, powodując choroby, takie jak malaria , amebiaza , lamblioza , toksoplazmoza , kryptosporydioza , rzęsistkowica , choroba Chagasa , leiszmanioza , trypanosomatoza afrykańska (śpiączka), zapalenie rogówki Acanthamoeba i pierwotne pełzakowe zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych (negleriaza).

Robaki pasożytnicze (robaki) to makropasożyty, które można zobaczyć gołym okiem. Robaki żyją i żywią się żywym żywicielem, pozyskując składniki odżywcze i schronienie w przewodzie pokarmowym lub krwiobiegu żywiciela. Manipulują również układem odpornościowym żywiciela, wydzielając produkty immunomodulujące, co pozwala im żyć w żywicielu przez lata. Helminthiasis to uogólnione określenie infekcji robakami pasożytniczymi, które zwykle obejmują robaki obłe , tasiemce i płazińce .

Gospodarze patogenów

Bakteria

Podczas gdy bakterie są zwykle postrzegane jako patogeny, służą jako gospodarze dla wirusów bakteriofagowych (powszechnie znanych jako fagi). Cykl życiowy bakteriofaga polega na tym, że wirusy wstrzykują swój genom do komórek bakteryjnych, wstawiają te geny do genomu bakteryjnego i przejmują maszynerię bakteryjną w celu wytworzenia setek nowych fagów, aż komórka pęknie, uwalniając je do dodatkowych infekcji. Zazwyczaj bakteriofagi są zdolne do infekowania tylko określonego gatunku lub szczepu.

Streptococcus pyogenes wykorzystuje nukleazę Cas9 do rozszczepiania obcego DNA pasującego do Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats ( CRISPR ) związanego z bakteriofagami, usuwając geny wirusowe, aby uniknąć infekcji. Mechanizm ten został zmodyfikowany do sztucznej edycji genów CRISPR .

Rośliny

Rośliny mogą być siedliskiem wielu rodzajów patogenów, w tym wirusów, bakterii, grzybów, nicieni, a nawet innych roślin. Godne uwagi wirusy roślinne obejmują wirus pierścieniowej plamistości papai , który spowodował miliony dolarów szkód u rolników na Hawajach i w Azji Południowo-Wschodniej, oraz wirus mozaiki tytoniu , który spowodował, że naukowiec Martinus Beijerinck ukuł termin „wirus” w 1898 r. Bakteryjne patogeny roślin powodują liście plamy, zarazy i gnicie wielu gatunków roślin. Najczęstszymi bakteryjnymi patogenami roślin są Pseudomonas syringae i Ralstonia solanacearum , które powodują brązowienie liści i inne problemy u ziemniaków, pomidorów i bananów.

Choroba grzybicza brązowej zgnilizny jabłka. Brązowa zgnilizna zwykle atakuje różne najlepsze owoce.

Grzyby to kolejny główny typ patogenu dla roślin. Mogą powodować wiele różnych problemów, takich jak krótsza wysokość roślin, narośla lub doły na pniach drzew, gnicie korzeni lub nasion oraz plamy na liściach. Powszechne i poważne grzyby roślinne obejmują zarazę ryżu , holenderską chorobę wiązów , zarazę kasztanowca oraz choroby czarnego sęka i brązowej zgnilizny wiśni, śliwek i brzoskwiń. Szacuje się, że same grzyby chorobotwórcze powodują nawet do 65% spadek plonów.

Ogólnie rzecz biorąc, rośliny mają szeroki wachlarz patogenów i szacuje się, że tylko 3% chorób powodowanych przez patogeny roślin można opanować.

Zwierząt

Zwierzęta często zarażają się wieloma takimi samymi lub podobnymi patogenami jak ludzie, w tym prionami, wirusami, bakteriami i grzybami. Podczas gdy dzikie zwierzęta często chorują, większe niebezpieczeństwo dotyczy zwierząt gospodarskich. Szacuje się, że na obszarach wiejskich 90% lub więcej zgonów zwierząt gospodarskich można przypisać patogenom. Pasażowalna encefalopatia gąbczasta zwierząt (TSE) z udziałem prionów obejmuje gąbczastą encefalopatię bydła (choroba wściekłych krów), przewlekłą chorobę wyniszczającą , trzęsawkę , pasażowalną encefalopatię norek , gąbczastą encefalopatię kotów i gąbczastą encefalopatię zwierząt kopytnych. Inne choroby zwierzęce obejmują różne zaburzenia niedoboru odporności spowodowane przez wirusy spokrewnione z ludzkim wirusem niedoboru odporności (HIV), takie jak BIV i FIV .

ludzie

Ludzie mogą zostać zarażeni wieloma rodzajami patogenów, w tym prionami, wirusami, bakteriami i grzybami, powodując objawy, takie jak kichanie, kaszel, gorączka, wymioty i potencjalnie śmiertelna niewydolność narządów . Podczas gdy niektóre objawy są spowodowane patogenną infekcją, inne są spowodowane wysiłkami układu odpornościowego mającymi na celu zabicie patogenu, na przykład gorączkowo wysoką temperaturą ciała mającą na celu denaturację komórek chorobotwórczych.

Leczenie

Priony

Pomimo wielu prób nie wykazano, aby terapia zatrzymała postęp chorób prionowych.

Wirus

W przypadku niektórych patogenów wirusowych istnieje wiele opcji zapobiegania i leczenia. Szczepionki są powszechnym i skutecznym środkiem zapobiegawczym przeciwko różnym patogenom wirusowym. Szczepionki wzmacniają układ odpornościowy gospodarza, więc gdy potencjalny gospodarz napotka wirusa na wolności, układ odpornościowy może szybko obronić się przed infekcją. Szczepionki zaprojektowane przeciwko wirusom obejmują coroczne szczepionki przeciw grypie oraz dwudawkową szczepionkę MMR przeciwko odrze , śwince i różyczce . Szczepionki przeciwko wirusom odpowiedzialnym za HIV/AIDS , dengę i chikungunya nie są dostępne .

Leczenie infekcji wirusowych często obejmuje leczenie objawów infekcji, a nie dostarczanie leków do zwalczania samego patogenu wirusowego. Leczenie objawów infekcji wirusowej daje układowi odpornościowemu gospodarza czas na wytworzenie przeciwciał przeciwko patogenowi wirusowemu. Jednak w przypadku HIV prowadzona jest wysoce aktywna terapia antyretrowirusowa (HAART) , aby zapobiec postępowi choroby wirusowej w AIDS w miarę utraty komórek odpornościowych.

Bakteria

Struktura doksycykliny, antybiotyku z grupy tetracyklin

Podobnie jak w przypadku patogenów wirusowych, infekcji niektórymi patogenami bakteryjnymi można zapobiegać za pomocą szczepionek. Szczepionki przeciwko patogenom bakteryjnym obejmują szczepionkę przeciw wąglikowi i szczepionkę przeciw pneumokokom . W przypadku wielu innych patogenów bakteryjnych brakuje szczepionek jako środka zapobiegawczego, ale zakażenie tymi bakteriami często można leczyć lub zapobiegać za pomocą antybiotyków . Typowe antybiotyki obejmują amoksycylinę , cyprofloksacynę i doksycyklinę . Każdy antybiotyk ma inne bakterie, przeciwko którym jest skuteczny i ma różne mechanizmy zabijania tych bakterii. Na przykład doksycyklina hamuje syntezę nowych białek zarówno w bakteriach Gram-ujemnych , jak i Gram-dodatnich , co czyni ją antybiotykiem o szerokim spektrum działania , zdolnym do zabijania większości gatunków bakterii.

Z powodu niewłaściwego stosowania antybiotyków, na przykład przedwcześnie zakończonych recept, narażających bakterie na presję ewolucyjną w subletalnych dawkach, niektóre patogeny bakteryjne rozwinęły oporność na antybiotyki . Na przykład genetycznie odrębny szczep Staphylococcus aureus zwany MRSA jest odporny na powszechnie przepisywane antybiotyki beta-laktamowe . W raporcie Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom (CDC) z 2013 r. oszacowano, że w Stanach Zjednoczonych co najmniej 2 miliony ludzi zapada na bakteryjną infekcję oporną na antybiotyki, a co najmniej 23 000 z tych pacjentów umiera z powodu infekcji.

Ze względu na ich niezbędność w zwalczaniu bakterii, w opiece medycznej potrzebne są nowe antybiotyki. Jednym z celów nowych leków przeciwdrobnoustrojowych jest hamowanie metylotransferaz DNA , ponieważ białka te kontrolują poziomy ekspresji innych genów, takich jak te kodujące czynniki wirulencji.

Grzyby

Zakażenie patogenami grzybiczymi leczy się lekami przeciwgrzybiczymi. Grzybica stóp , świąd jock i grzybica to grzybicze infekcje skóry, które leczy się miejscowymi lekami przeciwgrzybiczymi, takimi jak klotrimazol . Zakażenia z udziałem drożdżaków Candida albicans powodują pleśniawki jamy ustnej i drożdże pochwy . Te wewnętrzne infekcje można leczyć kremami przeciwgrzybiczymi lub lekami doustnymi. Typowe leki przeciwgrzybicze stosowane w infekcjach wewnętrznych obejmują rodzinę leków echinokandynowych i flukonazol .

glony

Podczas gdy glony są powszechnie uważane za patogeny, rodzaj Prototheca powoduje choroby u ludzi . Leczenie prototekozy jest obecnie badane i nie ma spójności w leczeniu klinicznym.

Interakcje seksualne

Wiele patogenów jest zdolnych do interakcji seksualnych. Wśród bakterii chorobotwórczych interakcje płciowe zachodzą między komórkami tego samego gatunku w procesie transformacji genetycznej . Transformacja polega na przeniesieniu DNA z komórki dawcy do komórki biorcy i integracji DNA dawcy z genomem biorcy poprzez rekombinację genetyczną . Patogeny bakteryjne Helicobacter pylori , Haemophilus influenzae , Legionella pneumophila , Neisseria gonorrhoeae i Streptococcus pneumoniae często przechodzą transformację w celu zmodyfikowania ich genomu w celu uzyskania dodatkowych cech i uniknięcia komórek odpornościowych gospodarza.

Patogeny eukariotyczne są często zdolne do interakcji seksualnych w procesie obejmującym mejozę i zapłodnienie . Mejoza obejmuje bliskie parowanie homologicznych chromosomów i rekombinację między nimi. Przykłady eukariotycznych patogenów zdolnych do rozmnażania płciowego obejmują pierwotniaki pasożytnicze Plasmodium falciparum , Toxoplasma gondii , Trypanosoma brucei , Giardia intestinalis oraz grzyby Aspergillus fumigatus , Candida albicans i Cryptococcus neoformans .

Wirusy mogą również wchodzić w interakcje seksualne, gdy dwa lub więcej genomów wirusowych dostanie się do tej samej komórki gospodarza. Proces ten obejmuje parowanie homologicznych genomów i rekombinację między nimi w procesie określanym jako reaktywacja wielokrotności. Wirus opryszczki pospolitej , ludzki wirus niedoboru odporności i wirus krowianki podlegają tej formie interakcji seksualnych.

Te procesy rekombinacji płciowej między homologicznymi genomami wspierają naprawę uszkodzeń genetycznych spowodowanych przez stresory środowiskowe i układ odpornościowy gospodarza.

Zobacz też

Bibliografia

Linki zewnętrzne