Первичный резервуар патогенных для человека микроорганизмов

Предыстория проблемы. Простейшие и их паразиты. Границы феномена сапронозного существования патогенных для людей микроорганизмов. Предаптация к макрофагам. Исторические свидетельства.

Для прорывов в науке важно уметь выявлять артефакты, т. е. отдельные природные явления, не укладывающиеся в общепринятые научные представления. Собственно задачей ученого и является выявление таких артефактов и затем их объяснение. Но по сложившейся в науке практике в этом случае он рискует нажить себе много неприятностей, и, прежде всего, обвинений в «ненаучности». Чем банальней «научность», тем меньше, к сожалению, она вызывает к себе критическое отношение ученых. Однако если артефакт существует в объективной реальности, он неизбежно обвалит господствующую концепцию при дальнейшем совершенствовании методологии исследований. Ниже мы очень кратко рассмотрим ряд таких артефактов, меняющих наши представления о первичных резервуарах возбудителей опасных болезней человека, важных уже с точки зрения планирования противоэпидемических мероприятий, но одновременно необходимых и для понимания роли иммунной системы позвоночных в распространении ретровирусов.

Предыстория проблемы. Выдающийся немецкий гигиенист М. Петтен- кофер (М. Pettenkofer, 1818-1901) известен еще и тем, что возражал против ведущей роли «заноса» микробного фактора в этиологии холеры как пандемической болезни. По Петтенкоферу, если холерный зародыш обозначить буквой X, а благоприятную для его развития почву буквой Y₁ а происходящий от их взаимодействия яд буквой Z₁ то ни X, ни Y не могут сами по себе вызывать холеру, а только один Z₁ т. е. яд. При этом специфическая природа яда определяется специфическим зародышем, а количество яда свойствами почвы. Благоприятной для развития яда, по мнению Пет- тенкофера, была почва, в верхних своих слоях пористая и проницаемая для воздуха и воды, и загрязненная в то же время отбросами органических веществ.

Направление в эпидемиологии, связывающее развитие эпидемических болезней со свойствами почвы, называлось тогда локалишом. Петгенкофер не был ни голословен, ни одинок в своих взглядах.

Один из последователей Петтенкофера в России, профессор Казанского университета Н. К. Щепотъев (1884), исследуя географию появления вспышек чумы в Астраханской области, пришел к выводу, что для объяснения эпидемического распространения чумы «еще недостаточно одной переносчивости ее». По его наблюдениям, существуют местности, в которые чума не заносится никогда и ни при каких обстоятельствах. Для развития же эпидемии необходимо временное и местное появление еще особого фактора, независимого от чумного агента. Только с появлением этого фактора открывается возможность чумному агенту фиксироваться, развиваться и существовать в данной местности. C исчезновением этого фактора исчезает и чума; а чумный агент, выделенный больными организмами, быстро разрушается. Фактор должен иметь в различное время различную степень интенсивности и экстенсивности. Разность поражения чумой одной и той же местности в различные годы и в различные месяцы одного и того же года обусловливается именно различной степенью напряженности действия этого неизвестного фактора. Его природа определяется «совокупностью наблюдения над движением и развитием эпидемий». Щепотъев считал, что развитие чумного агента зависит от теплоты и влажности почвы. Какой-то еще не распознанный продукт разложения органических веществ почвы, образовавшийся под влиянием определенных физико-химических процессов, и составляет фактор X, столь необходимый для эпидемического развития чумы (Супотницкий М. В., Супотницкая Н, C., 2006).

К числу сторонников Петгенкофера относился знаменитый патолог того времени Р, Вирхов (R. Virchow, 1821-1902). Но в конечном итоге его взгляды на доминирующую роль неизвестных науке факторов почвы (Y) в развитии эпидемий большая часть ученых проигнорировала. После открытия микроорганизмов — возбудителей инфекционных болезней — «вес» набирало другое направление, контагионистическое (Р. Кох, Г. Гафки и др.), видевшее только в контактной передаче микроорганизмов причину возникновения инфекционных болезней у людей, Бактерии прекрасно «состыковывались* со средневековым учением о контагии. Но теперь стало ясно, что это живой организм (contagium vivum), а не «яд», и что его можно получать в большом количестве и изучать в лабораторных условиях. У ученых появилась новая положительная мотивация — возможность разрабатывать вакцины, сыворотки, диагностические препараты и пр., и никто не обязан был верить теоретическим выкладкам ученого — реликта добактериологической эпохи. Сам Петтенкофер покончил жизнь самоубийством, а его фамилия в бактериологии стала нарицательной и упоминалась в XX в. лишь в связи со случаем, когда он, чтобы доказать непричастность холерных вибрионов к холерным эпидемиям, выпил холерную культуру. В общем, был такой ретроград — Макс Петтенкофер, не верил в очевидное, в то, что холерные пандемии вызываются холерным вибрионом, тем и запомнился.

Причина научного поражения Петгенкофера и других локалистов заключалась не в отсутствии у них аргументов своей правоты, с этим все обстояло скорее наоборот (см. «Исторические свидетельства»). Как правило, локалисты представляли своим оппонентам обширные и убедительные описания эпидемических процессов и примеры медицинской статистики. Читатель может найти некоторые из них в книге Ф. Ф. Эрисмана (1893) и убедиться в том, что сегодня на таком уровне эпидемиологический анализ уже не проводят. Дело тут было в используемой локалистами методологии — они не могли инструментально продемонстрировать факторы X, Y и Z. Их взгляды на эпидемический процесс на фоне достижений бурно развивающейся тогда медицинской бактериологии стали выглядеть умозрительными, а обнаруженные особенности таких процессов, необъяснимые как передача «контагия», считаться артефактами.

Для контагионистов различия в условиях существования микроорганизмов в естественных условиях и в питательном бульоне в лаборатории носили лишь количественный характер (концентрация и соотношение питательных веществ, температура среды, содержание кислорода и т. п.). В рамках этого подхода для них не существовало методических ограничений еще почти 100 лет. Методический уровень бактериологии, необходимый для экспериментального обоснования экологических позиций локалистов и позволяющий изучатъ патогенные для людей микроорганизмы в водных и почвенных экосистемах, не был достигнут не только в конце XIX в., но и почти на всем протяжении двадцатого.

Оставшись без оппонентов, ученые-контагионисты уже не стремились искать иные причины появления эпидемий и пандемий инфекционных болезней вне общих рассуждений о возможности «заноса» их возбудителей- контагиев. Эпидемиологи, сами того не подозревая, вернулись к взглядам средневековых врачей где-то времен после «черной смерти» (1346-1351). C конца XIX в. в эпидемиологии и микробиологии господствуют антро- поцентристские представления о причинах существования в природе патогенных микроорганизмов. Они очень просты и хорошо запоминаются студентами — все патогенные микроорганизмы поддерживаются в природе дикими животными и от них передаются людям, а затем распространяются между людьми. Когда реальная эпидемиология инфекционной болезни не вписывалась в эту схему, ее просто придумывали.

«Выдающимися» примерами такого подхода стали объяснения холерных пандемий заносом больными холерного вибриона из холерных местностей и возрождение раннесредневековых взглядов на эпидемиологию чумы, как на болезнь, распространяемую кораблями.

Нельзя утверждать, что противоречий и «пробелов» в этих представлениях никто не замечал. Артефакты накапливались и требовали объяснения. Еще в 1956 г. W. Drozanaki описал облигатные внутриклеточные паразиты свободно живущих амеб. Тогда эти микроорганизмы назвали Sarcobium Iyticum, но в последствии было установлено, что они относятся к опасному для людей семейству бактерий Legionella и их реклассифицировали. Сегодня они известны как Legionella Iytica. В 1958 г. В. И. Терских на основе

после проникновения в организм позвоночных, пользоваться этим механизмом для выживания в макрофагах (например, Legionella pneumophila; см. ниже) (Harb О. et аі., 2000).

В основе взаимодействия простейших с микроорганизмами (бактерии, дрожжи, вирусы и др.) лежит способность группы их поверхностных рецепторов взаимодействовать со структурами, богатыми углеводом маннозой. Они получили общее название — маннозные рецепторы. Их присутствие на поверхности амебы необходимо для связывания микроорганизмов, инициирования их поглощения клеткой и доставки в лизосомы для переваривания (Allen Р. G. et аі., 1990). Позже было показано, что и сами одноклеточные паразиты проникают в эпителиальные клетки высших животных посредством взаимодействия с маннозными рецепторами этих клеток. Посредством такого механизма Acanthamoeba проникает в роговицу глаза человека и вызывает кератит (Zhantao Y. et аі., 1997).

Механизмы проникновения свободноживущих почвенных амеб в организм позвоночных также сложно опосредованы с рецепторными структурами внеклеточного матрикса. Например, почвенная амеба Balamuthia mandrillaris, возбудитель смертельного для человека гранулематозного амебного энцефалита (granulomatous amoebic encephalitis), использует для проникновения в мозг три типа компонентов внеклеточного матрикса; коллаген I, главный компонент соединительной ткани; молекулы фибро- нектина, имеющие критическое значение для адгезионных процессов; и ламинин-1 (laminin-Ι), ключевая молекула для формирования базального слоя.

Весьма любопытно в аспекте понимания эволюции иммунной системы то обстоятельство, что амебы в условиях in vitro реагируют на фактор некроза опухолей (TNF), интерлейкин- 1β (IL-Ιβ), интерлейкин-8 (IL-8) и циклооксигеназу-2 точно также, как нейтрофилы и макрофаги — т. е. как на хемоаттрактанты (Blazquez S. et аі., 2006). C филогенетической точки зрения, направленное движение клеток в ответ на внешние раздражители, является давно известной биологической реакцией (New D. C., Wong J. T., 1999). Следовательно, сигнальные молекулы фагоцитирующих клеток, которые мы сегодня, пугаясь в определениях, называем хемокинами и цитокинами, а также их рецепторы стали «средством общения» между простейшими задолго до появления нейтрофилов и макрофагов как клеток иммунной системы позвоночных организмов.

Уже в этом десятилетии обнаружены микроорганизмы — внутриклеточные паразиты простейших, не растущие на искусственных питательных средах, но являющиеся патогенными для человека. Например, Т. J. Marrie et аі. (2001) установили, что такие микроорганизмы, как LLAPs (LegioneIla- Iike amoebal pathogens — возбудители пневмоний), Parachlamydia acantha- moeba BN9 (болезнь Кавасаки) и Aflpia felis (болезнь кошачьей царапины), паразитирующие в свободноживущих почвенных амебах, очень хорошо размножаются в человеческих моноцитах, но не растут на искусственных питательных средах.

Если пойти в обратную сторону, т. е. проверить способность уже охарактеризованных на искусственных питательных средах патогенных для человека микроорганизмов паразитировать внутри макрофагов, непрофессиональных фагоцитов и даже в нефагоцитирующих клетках (фибробластах, эпителиоцитах), то можно обнаружить, что все они способны к такому паразитизму. Подготовленный О. В. Бухариным (1999) ретроспективный обзор таких экспериментов включает не менее 20 патогенных для человека видов бактерий. Более поздний обзор G. Greub, D. Raoult (2004) включает уже около 50 видов бактерий и отдельные виды риккетсий и вирусов.

Экспериментальные данные также свидетельствуют о другом феномене паразитизма патогенных для человека микроорганизмов у простейших — упрощении генома паразита при специализации его к своему одноклеточному хозяину. Например, сравнение геномов Yersinia pseudotuberculosis и Y. pestis для ученого, привыкшего считать, что патогенность микроорганизмов обусловлена приобретением генов факторов патогенности (т. е. усложнением генома), требует преодоления некоторого психологического барьера. Возбудитель чумы, более патогенный для человека и большинства модельных животных, чем возбудитель псевдотуберкулеза, утрачивает значительную часть генов, которые традиционно относят к генам вирулентности и патогенности. Поданным, обобщенным А. П. Анисимовым (2002), по сравнению с псевдотуберкулезным микробом, Y. pestis утрачивает гены адгези- нов, уреазы (сдвиг рамки считывания), инвазииов Inv и Ail (вставка IS-элементов), подвижности, способности к синтезу О-боковых цепей ЛПС (неустановленные механизмы образования мутаций) и ряд других. Из 17 «биосинтетических» генов, выявленных у псевдотуберкулезного микроба, 5 в геноме Y, pestis инактивированы за счет вставок и делеций. Компьютерный анализ полного генома чумного микроба (штамм С092, био- вар Orientalis; выделен от человека, погибшего от легочной чумы) показал наличие 149 псевдогенов.

Объяснение этому феномену я вижу в сравнении экологии обоих микробов. У псевдотуберкулезного микроба очень широкий круг хозяев, в основном среди гидробионтов. Он является комменсалом для зоопланктона (дафнии, циклопы), бентосных животных (кольчатые черви, моллюски, личинки насекомых и др.) и высших растений. Возбудитель же чумы специализирован на узком круге почвенных простейших. Следовательно, упрощение его генома является следствием дегенеративной эволюции, характерной для видовой специализации любого паразита. Но специализации не к отдельным видам позвоночных животных (включая человека), а к простейшим.