Chronická rinosinusitida s nosními polypy a Staphylococcus aureus

Overview

Chronická rinosinusitida s nosními polypy je onemocnění neznámé etiologie. V etiopatogenezi se asi jako jeden z více faktorů může uplatňovat bakteriální infekce. Poznatky o bakteriích umožňují klinikovi nový a zajímavý pohled na chronickou rinosinusitidu. Bakterie mají vynikající schopnost adaptace, za určitých okolností jsou schopny vytvářet společenství, ve kterém spolupracují, a mohou měnit fenotyp. Patogenní bakterie mají celou řadu faktorů virulence, které poškozují hostitele a umožňují ochranu proti imunitním reakcím. Všechny tyto vlastnosti se podílejí na rozvoji chronické bakteriální infekce způsobené Staphylokokem aureem, který je nejčastěji prokázaným patogenem u nemocných s chronickou rinosinusitidou.

Klíčová slova:
Staphylococcus aureus, biofilm, chronická rinosinusitida.

ÚVOD

Chronická rinosinusitida je onemocnění definované jako zánět nosu a vedlejších nosních dutin. Chronické rinosinusitidy (CHRS) dělíme na CHRS bez nosních polypů, s nosními polypy a alergické fungální rinosinusitidy. Etiologie CHRS je neznámá, podle konsenzu z roku 2004 (21) jsou některými možnými příčinami zánětu perzistující infekce vázané na biofilm alergie, dispozice respirační sliznice, Staphylococcus aureus (STA) jako potenciální producent superantigenů, plísně nebo metabolické změny (například syndrom kyseliny acetylsalicylové). Tyto faktory se mohou vzájemně kombinovat.

Klinické projevy bakteriální infekce jsou u ně-kterých nemocných s CHRS a nosními polypy velmi časté nebo i trvalé, stejně tak kultivační  nálezy zlatých stafylokoků jsou u těchto nemocných často opakovaně pozitivní. STA se může podílet na zánětu sliznice jako původce chronické infekce s tvorbou biofilmu a/nebo jako zdroj superantigenu/ů. STA nemusí pronikat do sliznice, kolonizuje pouze povrchy a vyvolává slizniční zánět  aktivací imunitních mechanismů (reakcí) směřujících k jeho eliminaci. 

Znalosti o vlastnostech bakterií obecně a  vlastnostech STA nám pomohou lépe porozumět možnému významu STA v etiopatogenezi chronické rinosinusitidy. Náš souborný referát shrnuje základní poznatky o adaptaci bakterií, o mechanismech patogenity, o významu biofilmu především ve vztahu k STA.

BAKTERIE A JEJICH SCHOPNOST ADAPTACE

Bakterie jsou jednobuněčné organismy schopné za vhodných podmínek samostatného růstu a dělení. Z biologického hlediska jsou to prokaryotní organismy, které ve srovnání s eukaryotními buňkami vykazují jisté významné odlišnosti. Jejich buněčné jádro není ohraničeno vůči cytoplazmě jadernou membránou a nedělí se mitoticky, dále cytoplazma neobsahuje mitochondrie ani chloroplasty a sedimentační koeficient ribozomů se liší od eukaryotických buněk (26). Součástí bakteriální buňky je buněčná stěna, která určuje morfologii a současně  zvyšuje odolnost vůči zevním vlivům. Bakterie často obsahují extrachromozomální úseky DNA, plazmidy, které mohou být nositeli informace ovlivňující schopnost příslušného mikroorganismu uplatnit se v patogenezi konkrétní infekce. Například kódují produkci různých toxinů, adhezinů a dalších faktorů virulence, stejně jako mechanismy rezistence k antibiotikům (19).

Bakterie jsou sice považovány ve srovnání s mnohobuněčnými organismy za jednoduché, mnohdy primitivní mikroorganismy, ale z jejich  dlouhodobé existence na zemském povrchu (podle současných odhadů více než 3,5 miliardy let) a prakticky univerzálního rozšíření pramení jejich téměř neomezená adaptabilita. Jak dlouhodobá evoluční přizpůsobivost, tak i rychlá aktuální adaptace jsou podmíněny jednak mutacemi, kdy krátká generační doba umožňuje rychlé uplatnění mutací zvýhodněných mikroorganismů, jednak ještě efektivnější horizontální směnou genů, umožňující výměnu až 30 % veškerých  genetických informací, kterými disponují (7). Podstatný je i vertikální přenos genů, tedy předávání genetické informace dceřiným buňkám. Kromě jiného právě tyto adaptační schopnosti mohou hrát klíčovou roli v etiologii a patogenezi infekcí ve smyslu výměny genů kódujících rozmanité faktory virulence. Také rychlost s jakou se v bakteriálních společenstvech šíří odolnost vůči antibiotikům je dramatickým důkazem vysoké efektivity bakteriální komunikační sítě. Díky těmto vlastnostem jsou bakterie  schopny přizpůsobení na podstatné změny v prostředí v průběhu několika let, zatímco vyšší organismy potřebují pro takovouto adaptaci několik tisíc roků (7).

Existence biofilmu, kterému je v posledních letech věnována v medicíně stále větší pozornost v souvislosti s různými typy hlavně chronických infekcí,  je příkladem komplexně organizovaného společenství mikroorganismů s vysoce efektivní kooperací, značnou přizpůsobivostí a odolností. 

BIOFILM

Biofilm je definován jako organizované heterogenní seskupení bakterií, které jsou v jeho rámci schopné komunikace a efektivní spolupráce. Adheruje k přirozeným nebo pro organismus cizorodým povrchům a vyjma vlastních bakteriálních buněk je až z 98 % tvořen mezibuněčnou matrix, která se skládá z exopolysacharidů, nukleových kyselin a bílkovin. Biofilm představuje vysoce odolný způsob existence mikrobiální populace na rozdíl od planktonické (pohyblivé) formy, kdy jsou mikroorganismy volně přítomny (například v extracelulární tekutině, hostitelské buňce). Organizovanosti celé struktury přispívá komunikační systém, tzv. „quorum sensing“,  neboli signalizace mezi bakteriálními druhy na molekulární úrovni. Jeho účelem je výměna informací, které  například v závislosti na vnějších podmínkách umožňují aktivovat různé obranné mechanismy, faktory virulence, regulovat metabolismus, rychlost množení apod. (30).

Biofilm se vytvoří  za vhodných podmínek na každém povrchu smáčeném tekutinou. Vyskytuje se jak na anorganických tak na organických látkách. Jestliže pohybující se (planktonické) buňky hladovějí, přichytí se svými aktivními molekulami na nějaký pevný povrch, který skýtá dostatečný přísun živin. Podle této funkce se těmto molekulám říká adheziny (29). V lékařství se  problém biofilmu stal velmi aktuální zejména v souvislosti s používáním  implantátů jako jsou intravenózní katetry, chlopenní náhrady, cévní stenty, shunty a kloubní náhrady. Jakýkoliv implantát tedy představuje riziko tvorby biofilmu a chronické infekce. Kromě tendence formování biofilmu na cizorodém materiálu se biofilm může tvořit i na přirozených površích, kde se pak může uplatnit zejména v etiologii a udržování chronických infekcí. K místům nejčastějšího výskytu biofilmu patří sliznice dýchacích cest, sliznice urogenitálního systému, výjimkou není chronické postižení tkání pohybového aparátu (osteomyelitida a artritida), vegetace na chlopních apod.  Biofilm bývá příčinou chronické infekce, jejíž příznaky nejsou tak zřetelně vyjádřeny jako při akutní infekci (29). Podle některých pramenů je více než 50 % všech léčených infekcí v souvislosti s výskytem biofilmu. Medicínsky závažný je fakt, že chronické infekce vázané na biofilm jsou vesměs refrakterní na konzervativní léčbu.

Bakterie tedy existují v zásadě ve dvou formách, z nichž jedna je planktonická a druhá přisedlá.  Bakterie v  planktonické formě se jednotlivě vznášejí v tekutině, jsou mobilní, ale málo odolné. Bakterie přisedlé žijí ve společenství nazývaném biofilm, jsou  přichyceny na nějakém povrchu a jsou odolné proti zevním vlivům. Asi 80 % bakterií se  vyskytuje ve formě přisedlé, jen asi 20 % jsou bakterie planktonické. Bakterie přecházejí z jedné formy do druhé podle okolních podmínek. Planktonické bakterie z tekutiny se mohou adhezí reverzibilně přichytit k povrchu. Za vhodných podmínek některé bakterie začnou produkovat polysacharid, který umožňuje intercelulární fixaci. Vznikají vrstvy bakterií fixovaných jak k sobě navzájem, tak k povrchu. Přichycení bakterií k povrchu epitelu je za normálních podmínek velmi obtížné, neboť respirační epitel je pokryt sekretem obsahujícím antimikrobiální látky a je neustále očišťován mukociliární clearencí. Přichycení bakterie je za normálních podmínek zřejmě velmi nepravděpodobné. Vlivem multifaktoriálních vlivů s narušením lokálních obranných mechanismů sliznice, včetně složení bakteriální flóry, dochází k vytváření biofilmu. Dosud není také zcela vyjasněno, jaké jsou spouštěcí mechanismy a regulátory přechodu planktonicky rostoucích bakterií do stadia biofilmu. K mikroorganismům, o kterých je známo, že se mohou podílet na tvorbě biofilmu, patří například Pseudomonas aeruginosa, řada zástupců enterobakterií, legionely, některé druhy ústních streptokoků, listerie, Staphylococcus aureus, některé koaguláza negativní stafylokoky, kandidy a mnoho dalších. Průmyslově se zatím nepodařilo vyrobit látku, jejíž povrch by byl odolnější  proti tvorbě biofilmu než jsou zdravé lidské sliznice.

Biofilm je tvořen trojrozměrnými strukturami složenými z matrix a společenství bakterií. Uvnitř biofilmu proudí tekutina, která přináší živiny a odvádí metabolické produkty. Na schématu 1 je biofilm tvořený čtyřmi věžovitými útvary, ve kterých jsou bakterie. Mezi těmito strukturami jsou  kanály označené šipkou, kterými proudí tekutina. Velikost struktur je řádově v mikrometrech a lze je sledovat konfokálním mikroskopem nebo elektronovým skenovacím mikroskopem. Obě tyto metody umožňují sledovat 3D obraz, ale  konfokální mikroskopie má výhodu v tom, že umožní vyšetření v reálném čase,  a to na živých preparátech. U tohoto vyšetřování dochází k prokrájení vzorku nikoliv mechanicky, ale pouze opticky, takže tkáň není nutno před vyšetřením destruovat řezáním.

Biofilm je problematický z hlediska rutinní bakteriologické diagnostiky; jeho kultivační vyšetření může být falešně negativní, protože se při odběru nemusí zdařit získat životaschopné, kultivačně prokazatelné bakterie. Pro vyšší pravděpodobnost průkazu bakterií se proto někdy používá sonifikace cizorodých materiálů, např. umělých kloubů nebo katétrů, s cílem rozrušení biofilmu a uvolnění mikrobů, další možností jsou speciální barvící techniky, případně molekulární metody s průkazem mikrobiální DNA.

Biofilm je tedy společenství bakterií, které můžeme v jistém smyslu přirovnat ke kolonii mravenců nebo roji včel. Všechna takováto společenství projevují swarm inteligenci, což je kolektivní chování nezávislých, poměrně jednoduchých prvků systému, které není centrálně řízeno a vychází z interakcí mezi jednotlivými prvky systému navzájem a mezi těmito prvky a prostředím. Tato společenství představují decentralizovaný systém schopný řešení problémů (6). Od dob Kochova objevu se tradovalo, že bakterie jsou malé, jednoduché a jsou původci infekčních onemocnění. Poměrně nový je poznatek, že bakterie jsou schopny komunikace a koordinace svého chování, takže fungují jako vícebuněčný organismus (2, 20, 31). Tyto schopnosti vyplývají z jejich inteligence (typu swarm intelligence). Inteligenci u bakterií můžeme přirovnat i k sociální inteligenci lidí, což jsou schopnosti, které jim umožňují vést úspěšný sociální život na základě chápání identity sebe a skupiny, chápání společných cílů, schopnosti sociálních interakcí a schopnosti akce pro vlastní a kolektivní dobro (18). Termín sociální inteligence byl dříve užíván pouze v souvislosti s člověkem. Pro ostatní organismy, včetně bakterií, je preferován termín inteligence roje (swarm intelligence).

Pro sociální inteligenci je důležitá schopnost komunikace na základě lingvistických schopností. Lingvistika se zabývá studiem jazyka a ten je definován jako systém signálů, které kódují a dekódují informace. Také lingvistika se dříve zabývala pouze komunikací mezi lidmi, ale od dob dešifrování kódu v DNA se pravidla lingvistiky uplatňují i v biologii. Lingvistické schopnosti mají i bakterie (18, 3), které mezi sebou komunikují, jsou schopny kódovat a dekódovat informace  pomocí jednodušších chemických signálů vysílaných do prostředí  a pomocí DNA. Bakterie  jsou schopny zjistit, kolik jich je. Tato schopnost se nazývá quorum sensing. Bakterie do svého okolí uvolňuje chemickou látku, se stoupajícím počtem bakterií stoupá i koncentrace této látky v prostředí a bakterie jsou potom schopny detekovat koncentraci této látky a tím i počet okolních bakterií. Tuto informaci potom využijí pro kolektivní rozhodování. Bakterie komunikují nebo-li kódují a dekódují informace výměnou DNA, kterou si mohou v biofilmu předávat, a tak mezi sebou šířit například rezistenci na antibiotika.

Kolektivní rozhodování bakterií se projevuje koordinací chování. Ve vhodný okamžik začnou všechny bakterie, které spolu komunikovaly, produkovat extracelulární polymer a z něj vytvářet trojrozměrné struktury biofilmu, nebo všechny začnou exprimovat geny pro faktory virulence.

Biofilm chrání bakterie před imunitními mechanismy makroorganismu i před antibiotiky. Biofilm přichycený k povrchu sliznice nemůže již být eliminován mukociliární clearancí. Mukopolysacharid, který tvoří větší část biofilmu než vlastní bakterie, brání kontaktu s imunitními buňkami i s rozpustnými látkami uplatňujícími se v imunitních reakcích.

Bakterie v biofilmu mají nižší nároky na živiny i kyslík a mají exprimované jiné geny než bakterie planktonické (3). Tím se vysvětluje jejich zvýšená odolnost na antibiotika (17, 32) a fakt, že výsledky antibiotické terapie neodpovídají  výsledkům předpokládaným na základě vyšetření bakterií na živných půdách v laboratoři. Je možno in vitro určit minimální biofilm inhibiční koncentrací antibiotika (16), která je mnohdy mnohonásobně vyšší než běžně určovaná minimální inhibiční koncen-trace pro bakterie vyskytující se planktonicky. Biofilm je rovněž vhodným prostředím pro šíření rezistence na antibiotika horizontálním transferem genů (14).

Biofilm může působit jako faktor virulence u chronických infekcí. V horních dýchacích cestách byl biofilm prokázán u chronické otitidy, adenoitidy (22) a chronické rinosinusitidy (13, 24, 27).

V práci týkající se chronické rinosinusitidy s nosními polypy byla zjištěna korelace mezi schopností bakterií tvořit biofilm a nepříznivým průběhem onemocnění po funkční endoskopické chirurgii (4). V 80 % vzorků sliznice odebraných při chirurgii pro chronickou rinosinusitidu byl prokázán biofilm, který nebyl blíže specifikován mikrobiologicky (27). Jedním z nejčastěji s tvorbou biofilmu uváděným bakteriálním druhem je STA (15).

STAPHYLOCOCCUS AUREUS - jeho obecné vlastnosti a vztah k chronické rinosinusitidě s nosními polypy

Staphylococcus aureus  je nepohyblivý fakultativně anaerobní gram pozitivní kok. Na krevním agaru vyrůstá v makroskopicky charakteristických žlutavých koloniích s hemolýzou na půdách s obsahem beraní krve (obr. 1). V  mikroskopickém obraze se shlukuje do útvarů připomínajících hrozny (staphylé - hrozen). V rodu  Staphylococcus je zahrnuto kolem 35 druhů, z nichž v otorinolaryngologii, stejně v jako ostatních medicínských oborech, je nejvýznamnější právě Staphylococcus aureus. Stafylokoky se obecně rozlišují podle produkce plazmakoagulázy na: koagulázu pozitivní, kam v humánní medicíně patří především STA, a koagulázu negativních stafylokoků, z nichž je velká většina z nich kožními a slizničními komenzály. Z této skupiny je nejznámějším druhem Staphylococcus epidermidis. Význam koagulázy negativních stafylokoků narůstá hlavně v souvislosti s infekcemi katetrů a aplikací dalších cizorodých materiálů do makroorganismu.