Инфекции на уринарния тракт и Escherichia coli

Escherichia coli е най–честия причинител на ИУТ и уропатогенните щамове притежават допълнителен генетичен материал, допринасящ за вирулентността и патогенността им.

Електронно–микроскопска снимка на E. coli Escherichia coli е най-честия причинител на ИУТ и уропатогенните щамове притежават свойствa, които са редки или липсват в непатогенните. Тези свойства са наречени вирулентни фактори, но точните клетъчни механизми, чрез които те действат, са в процес на установяване. Уропатогенните щамове E. coli имат допълнителен генетичен материал, който кодира експресията на фактори, допринасящи за вирулентността и патогенността им. Тези фактори включват мембранно-свързани и секреторни протеини, липополизахариди, капсули, хемолизини и фимбрии.

Пикочните пътища са сравнително негостоприемно място за бактериална колонизация. Потенциалният патоген трябва да устои на ефекта на честата ексфолиация на епителни клетки, както и отмиващия ефект при извеждането на урината. Адхезивните свойства на бактериите се оказват най-важният фактор за колонизация на пикочните пътища. Над 80% от уропатогенните бактерии имат способността да адхерират към уроепителните клетки.

Над 80% от уропатогенните бактерии имат способността да адхерират, като това свойствo е най–важният фактор за колонизация на пикочните пътища.

Уропатогенните E. coli експресират няколко типа фимбрии (P, тип 1, S, Dr, F1C, M), които се свързват към специфични рецептори по целия ход на пикочните пътища. Всички видове фимбрии са разделени в две групи: маноза чувствителни (MSHA)—тип 1 фимбрии и маноза резистентни (MRHA) — типове P, S, Dr, F1C, M фимбрии.

Маноза чувствителни (MSHA)—тип 1 фимбрии

Тип 1 фимбриите са най–често срещаният вирулентен фактор експресиран от E. coli. 

Тип 1 фимбриите не хемаглутинират еритроцити в присъствието на маноза и затова се наричат маноза-чувствителни, докато другите видове фимбрии са маноза-резистентни. Това показва, че тип 1 фимбриите предпочитано се свързват със свободните манозни молекули, вместо с манозните мономери по повърхността на еритроцитите. Установено е, че след като тип 1 фимбриите се захванат за уроепитела или мукозата на пикочният мехур, индуцират апоптоза в уроепителните клетки, a след като навлязат на дълбочина в тъканите, последващата уроинфекция е неизбежна.

Тип 1 фимбриите са най-често срещаният вирулентен фактор, който E. coli експресира. Те определят бактериалната вирулентност при инфекции на пикочния мехур. Установено е, че почти всички щамове на E. coli, причиняващи цистит, експресират тип 1 фимбрии. Адхезините FimH в тип 1 фимбриите разпознават маноза съдържащи олигозахариди по повърхността на клетките и се свързват с тях.

Тип 1 фимбриите предопределят бактериалната вирулентност при инфекциите на пикочния мехур.

Разпространението на щамовете E. coli с тип 1 фимбрии е 92% при пиелонефрит, 84% при цистит, 76% при асимптомна бактериурия

Тип 1 фимбриите са най-често експресираните от бактериите органели за адхезия, следвани по честота от тип Р фимбриите.

Прикрепяне на E. coli за уроепитела на пикочния мехур посредством тип 1 фимбрии

Прикрепяне на E. coli за уроепитела на пикочния мехур посредством тип 1 фимбрии

Маноза резистентни (MRHA) — тип P фимбрии

Тип Р фимбриите са вторите по честота, експресирани от уропатогенните E. coli и имат висок афинитет за свързване с уроепитела на бъбрека.

Тип Р фимбриите са едни от най-добре проучените. Те са хромозомно кодирани и имат като рецептор дизахиридът α-D-галактоза(1-4)-β-D-галактоза, влизащ в състава на гликосфинголипидите на еритроцитите от група Р и на епителните клетки. Тези фимбрии се наричат още gal-gal пили (от галактоза – галактоза) или PAP пили (англ. Pyelonephritis – Associated Pili – свързани с пиелонефрит пили). Тип Р фимбриите се свързват с рецепторите на кръвните P антигени, които се срещат и на повърхността на уроепителните клетки.

P кръвният антиген се среща в над 99.9% от световната популация. Тип P фимбриите се експресират от повечето щамове E. coli, причиняващи остър пиелонефрит (90%) и от няколко щамове причиняващи безсимптоми бактериурия (20%). В ин витро и ин виво проучвания, тип P фимбиите посредничат за прикрепянето на бактериите към епителните клетки на пикочните пътища, като увеличват секрецията на цитокините IL-6 и IL-8 от епителните клетки.

Това илюстрира как различните фимбрии, а вероятно и други вирулентни фактори действат съгласувано, за да се постигане конкретен вирулентен фенотип.

Експресията на тип Р фимбрии определя бактериалната вирулентност при пиелонефрити и спомага за придвижването на уропатогена по хода на урогениталния тракт.

Острия пиелонефрит се причинява от щамове E. coli, експресиращи тип Р фимбрии. Разпространението на щамовете E. coli с експресия на тип Р фимбрии е 77% при пиелонефрит, 23% при цистит и 20% при асимптомна бактериурия.

Прикрепяне на E. coli за уроепитела на бъбреците посредством тип Р и тип 1 фимбрии

Прикрепяне на E. coli за уроепитела на бъбреците посредством тип Р и тип 1 фимбрии

Регулация на експресията на типовете фимбрии

В множество проучвания се показва, че има свързана регулация на експресията на тип 1 фимбриите и на тип Р фимбриите. Тази регулация при щамовете, причиняващи пиелонефрит позволява първоначалната колонизация на пикочния мехур да се осъществи посредством тип 1 фимбрии, в първите 24 часа. След колонизацията на пикочния мехур, започва експресията на тип Р фимбриите, което позволява на бактериите да се придвижват по уретерите и да колонизират бъбреците. Това може да доведе до спиране на експресията на тип 1 фимбриите, позволявайки на бактериите да избегнат изолиране на инфекцията само в пикочния мехур. Останалите типове фимбрии (Dr, F1C и S) се свързват с епитела на пикочния мехур и тип IV колаген. Хроничният пиелонефрит се свързва с щамове на E. coli, експресираши тип Dr фимбрии. 

Ролята на тип F1C и тип S фимбриите в патогенезата на уроинфекциите все още не е изяснена, но те се асоциират с неонаталния менингит.

Експресията на фимбрии в клетките на E. coli варира в зависимост от температурата, pH и хранителната среда.

Свързаната регулация в експресията на тип 1 и на тип Р фимбриите позволява колонизирането от един и същи щам на пикочния мехур, уретерите и бъбреците. Тя е факторът осигуряващ адхезията, в зависимост от типа епителни клетки, за които трябва да се захванат фимбриите на уропатогена.

Механизъм на инфектиране на пикочните пътища с E. coli

Първоначалното прикрепване към уроепителните клетки се извършва посредством адхезини, разположени в дисталните краища на фимбриите. След като единични бактериални клетки се закрепят за епителната повърхност, започва вторият стадий, който се характеризира с образуването на микроколонии. Микроколониите се образуват вследствие на продукцията на екстрацелуларни субстанции — екзополизахариди и капсулни полизахариди. Тези вещества засилват прикрепването на бактериите към епитела и адхезионният процес става необратим. В тази нова среда едининичните бактериални клетки се прилепват плътно една към друга създавайки плътен биофилм. Зреенето на биофилма започва, веднага след осъществяване на перманентно прикрепване на бактериите към уроепитела. Този етап се характеризира с допълнително 
секретиране на екзополизахариди, което укрепва структурата на биофилма и предпазва бактериалните клетки от външни атаки, като например имунен отговор и антибиотици.

В този екстрацелуларен матрикс, бактериалните клетки започват да се разможават и биофилма нараства като размер и като гъстота на бактериите. Когато биофилма достигне критичната си маса, най-външният му слой се отделя и освобождава единични бактериални клетки. Тези клетки се придвижват и закрепват на неинфектирано място и отново стартират цикъла на образуване на биофилм.


Прикрепяне на E. coli за уроепитела на бъбреците посредством тип Р и тип 1 фимбрии

Образуване на биофилм от E. coli — биологичен цикъл

Процесът на образуване на биофилм и инфектирането на нови тъкани е свързан и с ескпресията на различните типове фимбрии в зависимост от условията на средата, което улеснява прикрепването и придвижването на причинителя по хода на уринарния тракт.

Образуването на биофилм е сложен процес, който се контролира от стабилен биологичен цикъл, включващ фазите на инициация, съзряване, поддържане и дисоциация на биофилма, което гарантира устойчивостта на уропатегена в променящата се среда.