Clostridium botulinum

Clostridium botulinum
Clostridium botulinum barwione fioletem goryczki .
Klasyfikacja naukowa
Domena:	Bakteria
Gromada:	Bacillota
Klasa:	Clostridia
Zamówienie:	eubakterie
Rodzina:	Clostridiaceae
Rodzaj:	Clostridium
Gatunek:	C. jad kiełbasiany
Nazwa dwumianowa
Clostridium botulinum van Ermengem, 1896

Clostridium botulinum to Gram -dodatnia, beztlenowa , tworząca przetrwalniki , ruchliwa bakteria w kształcie pałeczki , posiadająca zdolność do wytwarzania neurotoksyny botulinowej .

Toksyna botulinowa może powodować zatrucie jadem kiełbasianym , ciężką wiotką chorobę porażenną u ludzi i innych zwierząt i jest najsilniejszą toksyną znaną ludzkości, naturalną lub syntetyczną, ze śmiertelną dawką 1,3–2,1 ng / kg u ludzi.

C. botulinum to zróżnicowana grupa bakterii chorobotwórczych , początkowo zgrupowana ze względu na ich zdolność do wytwarzania toksyny botulinowej, a obecnie znana jako cztery odrębne grupy, grupy C. botulinum I–IV, a także niektóre szczepy Clostridium butyricum i Clostridium baratii , które bakterie odpowiedzialne za wytwarzanie toksyny botulinowej.

C. botulinum jest odpowiedzialna za zatrucie jadem kiełbasianym przenoszonym przez żywność (spożycie wcześniej przygotowanej toksyny), zatrucie jadem kiełbasianym niemowląt (zakażenie jelit wytwarzającym toksynę C. botulinum ) i zatrucie jadem kiełbasianym (zakażenie rany C. botulinum ). C. botulinum wytwarza odporne na ciepło przetrwalniki , które są powszechnie spotykane w glebie i są w stanie przetrwać w niesprzyjających warunkach.

C. botulinum jest powszechnie kojarzona z wypukłymi puszkami ; wypukłe, zniekształcone puszki mogą być spowodowane wewnętrznym wzrostem ciśnienia spowodowanym gazem wytwarzanym przez bakterie.

Mikrobiologia

C. botulinum jest Gram-dodatnią bakterią tworzącą przetrwalniki w kształcie pałeczki . Jest bezwzględnym beztlenowcem , co oznacza, że ​​tlen jest trujący dla komórek. Jednak C. botulinum toleruje śladowe ilości tlenu dzięki enzymowi dysmutazy ponadtlenkowej , która jest ważną obroną antyoksydacyjną w prawie wszystkich komórkach narażonych na działanie tlenu. C. botulinum jest w stanie wytworzyć neurotoksynę tylko podczas sporulacji, co może mieć miejsce tylko w środowisku beztlenowym. C. botulinum dzieli się na cztery odrębne grupy fenotypowe (I-IV), a także na siedem serotypów (A-G) w oparciu o antygenowość wytwarzanej toksyny botulinowej.

Grupy

Różnice fizjologiczne i sekwencjonowanie genomu na poziomie 16S rRNA wspierają podział gatunku C. botulinum na grupy I-IV.

Grupy C. botulinum

Grupa	Serotypy
I (proteolityczny)	Wszystkie szczepy typu A i szczepy proteolityczne typu B i F
II (nieproteolityczny)	Wszystkie szczepy typu E i nieproteolityczne szczepy typu B i F
III	Typ C i D
IV	typ G

Jedną z podstawowych różnic między grupą I a grupą II jest to, że C. botulinum grupy I może lizować natywne białka, takie jak skoagulowane białko jaja , cząstki gotowanego mięsa, podczas gdy grupa II nie. Jednak grupa II może fermentować różne węglowodany, takie jak sacharoza i mannoza , i obie mogą rozkładać pochodne białko, żelatynę . Zatrucie jadem kiełbasianym u ludzi jest powodowane głównie przez grupę I lub II C. botulinum . Organizmy grupy III powodują choroby głównie u zwierząt innych niż ludzie. Nie wykazano, aby grupa IV C. botulinum powodowała choroby u ludzi lub zwierząt.

Toksyna botulinowa

Główny artykuł: toksyna botulinowa

neurotoksyn jest cechą jednoczącą gatunek. Zidentyfikowano osiem rodzajów toksyn , którym przypisano literę (A – H), z których kilka może powodować choroby u ludzi. Są odporne na degradację przez enzymy występujące w przewodzie pokarmowym. Pozwala to na wchłanianie połkniętych toksyn z jelit do krwioobiegu. Jednak wszystkie rodzaje toksyny botulinowej są szybko niszczone przez ogrzewanie do 100°C przez 15 minut (900 sekund). Toksyna botulinowa, jedna z najbardziej trujących substancji biologicznych, jest neurotoksyną wytwarzaną przez bakterię Clostridium botulinum . C. botulinum rozwija osiem rozróżnialnych antygenowo egzotoksyn (A, B, C1, C2, D, E, F i G).

Większość szczepów wytwarza jeden typ neurotoksyny , ale opisano szczepy wytwarzające wiele toksyn. C. botulinum wytwarzające toksyny typu B i F zostały wyizolowane z przypadków zatrucia jadem kiełbasianym u ludzi w Nowym Meksyku i Kalifornii . Typ toksyny został oznaczony jako Bf, ponieważ toksyna typu B została znaleziona w nadmiarze w stosunku do typu F. Podobnie opisano szczepy wytwarzające toksyny Ab i Af.

Dowody wskazują, że geny neurotoksyn były przedmiotem poziomego transferu genów , prawdopodobnie ze źródła wirusowego ( bakteriofaga ). Teorię tę potwierdza obecność miejsc integracyjnych otaczających toksynę w niektórych szczepach C. botulinum . Jednak te miejsca integracji są zdegradowane (z wyjątkiem typów C i D), co wskazuje, że C. botulinum nabyła geny toksyny dość daleko w ewolucyjnej przeszłości. Niemniej jednak dalsze transfery nadal mają miejsce za pośrednictwem plazmidów i innych ruchomych elementów, na których znajdują się geny.

Rodzaje toksyny botulinowej

Tylko toksyny botulinowe typu A, B, E, F i H powodują choroby u ludzi. Typy A, B i E są związane z chorobami przenoszonymi przez żywność, podczas gdy typ E jest szczególnie związany z produktami rybnymi. Typ C powoduje zwiotczenie szyi u ptaków, a typ D powoduje zatrucie jadem kiełbasianym u innych ssaków. Żadna choroba nie jest powiązana z typem G. „Złotym standardem” określania typu toksyny jest test biologiczny na myszach, ale geny dla typów A, B, E i F można teraz łatwo rozróżnić za pomocą ilościowego PCR . Ponieważ nie jest jeszcze dostępna antytoksyna typu H, odkryta w 2013 roku i zdecydowanie najbardziej śmiercionośna, szczegóły są trzymane w tajemnicy.

Kilka szczepów organizmów zidentyfikowanych genetycznie jako inne gatunki Clostridium spowodowało zatrucie jadem kiełbasianym u ludzi: C. butyricum wytwarza toksynę typu E, a C. baratii wytwarza toksynę typu F. Zdolność C. botulinum do naturalnego przenoszenia genów neurotoksyn do innych Clostridium jest niepokojąca, zwłaszcza w przemyśle spożywczym , gdzie systemy konserwacji są zaprojektowane tak, aby niszczyć lub hamować tylko C. botulinum , ale nie inne gatunki Clostridium .

Grupy fenotypowe Clostridium botulinum

Nieruchomości	Grupa I	Grupa II	Grupa III	Grupa IV
Rodzaje toksyn	A, B, F	B, E, F	PŁYTA CD	G
Proteoliza	+	–	słaby	–
sacharoliza	–	+	–	–
Gospodarz choroby	człowiek	człowiek	zwierzę	–
Gen toksyny	chromosom/plazmid	chromosom/plazmid	fag	plazmid
Bliscy krewni	C. sporogenes C. putrificum	C. butyricum C. beijerinickii	C. haemolyticum C. novyi typ A	C. subterminale C. haemolyticum

Izolacja laboratoryjna

W laboratorium C. botulinum jest zwykle izolowany w pożywce wzrostowej zawierającej siarczyn tryptozocykloseryny (TSC) w środowisku beztlenowym z mniej niż 2% tlenu. Można to osiągnąć za pomocą kilku komercyjnych zestawów , które wykorzystują reakcję chemiczną w celu zastąpienia O ₂ CO ₂ . C. botulinum jest lipazo -dodatnim mikroorganizmem, który rośnie w zakresie pH od 4,8 do 7,0 i nie może wykorzystywać laktozy jako podstawowego źródła węgla, co jest cechą ważną dla identyfikacji biochemicznej.

Historia taksonomii

Informacje genomowe

Identyfikator genomu NCBI
Ploidia	haploidalny
Rozmiar genomu	3,91 MB
Liczba chromosomów	1
Rok ukończenia	2007

C. botulinum została po raz pierwszy rozpoznana i wyizolowana w 1895 roku przez Emile'a van Ermengema z szynki peklowanej w domu, która była przyczyną wybuchu zatrucia jadem kiełbasianym. Izolat pierwotnie nosił nazwę Bacillus botulinus , od łacińskiego słowa oznaczającego kiełbasę, botulus . („Zatrucie kiełbasą” było powszechnym problemem w XVIII i XIX wieku w Niemczech i najprawdopodobniej było spowodowane zatruciem jadem kiełbasianym ) . organizm można zaliczyć do rodzaju Clostridium , ponieważ rodzaj Bacillus był ograniczony do tlenowych pałeczek tworzących przetrwalniki.

Od 1959 r. wszystkie gatunki wytwarzające neurotoksyny botulinowe (typy A–G) są określane jako C. botulinum . Istnieją istotne dowody fenotypowe i genotypowe wykazujące heterogeniczność w obrębie gatunku . Doprowadziło to do przeklasyfikowania C. botulinum typu G na nowy gatunek, C. argentinense .

C. botulinum grupy I , które nie wytwarzają toksyny botulinowej, są określane jako C. sporogenes .

Cały genom C. botulinum został zsekwencjonowany w Wellcome Trust Sanger Institute w 2007 roku.

Patologia

Botulizm pokarmowy

„Oznaki i objawy zatrucia jadem kiełbasianym zwykle zaczynają się od 18 do 36 godzin po przedostaniu się toksyny do organizmu, ale mogą trwać od kilku godzin do kilku dni, w zależności od ilości spożytej toksyny”.

• Podwójne widzenie
• Rozmazany obraz
• Opadające powieki
• Nudności, wymioty i skurcze brzucha
• Bełkotliwa wymowa
• Problemy z oddychaniem
• Trudności w połykaniu
• Suchość w ustach
• Słabe mięśnie
• Zaparcie
• Zmniejszone lub nieobecne reakcje głębokich ścięgien, takie jak w kolanie

Botulizm rany

Większość osób, u których rozwija się zatrucie jadem kiełbasianym, wstrzykuje leki kilka razy dziennie, dlatego trudno jest określić, ile czasu zajmuje pojawienie się objawów przedmiotowych i podmiotowych po przedostaniu się toksyny do organizmu. Najczęstsze objawy u osób, które wstrzykują heroinę z czarnej smoły, to:

• Trudności w połykaniu lub mówieniu
• Osłabienie twarzy po obu stronach twarzy
• Niewyraźne lub podwójne widzenie
• Opadające powieki
• Problemy z oddychaniem
• Paraliż

Zatrucie jadem kiełbasianym niemowląt

Jeśli botulizm niemowlęcy jest związany z pokarmem, takim jak miód, problemy zwykle zaczynają się w ciągu 18 do 36 godzin po przedostaniu się toksyny do organizmu dziecka. Oznaki i objawy obejmują:

• Zaparcia (często pierwszy objaw)
• Ruchy wiotkie z powodu osłabienia mięśni i problemów z kontrolowaniem głowy
• Słaby płacz
• Drażliwość
• Ślinienie się
• Opadające powieki
• Zmęczenie
• Trudności w ssaniu lub karmieniu
• Paraliż

Dobroczynne działanie toksyny botulinowej

Oczyszczona toksyna botulinowa jest rozcieńczana przez lekarza w celu leczenia:

• Wrodzone pochylenie miednicy
• Dysfazja kurczowa (niezdolność mięśni krtani)
• Achalazja (zwężenie przełyku)
• Zez (zezem)
• Porażenie mięśni twarzy
• Niewydolność szyjki macicy
• Często miga
• Dostarczanie leków przeciwnowotworowych

Zatrucie jelitowe dorosłych

Bardzo rzadka postać zatrucia jadem kiełbasianym, która występuje tą samą drogą co zatrucie jadem kiełbasianym niemowląt, ale występuje u dorosłych. Występuje rzadko i sporadycznie. Oznaki i objawy obejmują:

• Ból brzucha
• Rozmazany obraz
• Biegunka
• dyzartria
• Brak równowagi
• Słabość w ramionach i okolicy dłoni

C. botulinum w różnych lokalizacjach geograficznych

Szereg badań ilościowych dotyczących przetrwalników C. botulinum w środowisku sugeruje występowanie określonych typów toksyn na danych obszarach geograficznych, co pozostaje niewyjaśnione.

Ameryka północna

Typ A C. botulinum dominuje w próbkach gleby z regionów zachodnich, podczas gdy typ B jest głównym typem występującym na obszarach wschodnich. Organizmy typu B należały do ​​proteolitycznego typu I. Osady z regionu Wielkich Jezior badano po wybuchach zatrucia jadem kiełbasianym wśród ryb hodowanych komercyjnie i wykryto jedynie zarodniki typu E. W ankiecie szczepy typu A wyizolowano z gleb o odczynie od obojętnego do zasadowego (średnie pH 7,5), podczas gdy szczepy typu B wyizolowano z gleb lekko kwaśnych (średnie pH 6,23).

Europa

C. botulinum typu E występuje powszechnie w osadach wodnych Norwegii i Szwecji, Danii, Holandii, polskiego wybrzeża Bałtyku i Rosji. Zasugerowano, że C. botulinum typu E jest prawdziwym organizmem wodnym , na co wskazywała korelacja między poziomem zanieczyszczenia typu E a zalaniem lądu wodą morską. Gdy ziemia wyschła, poziom typu E spadł, a typ B stał się dominujący.

W glebie i osadach z Wielkiej Brytanii dominuje C. botulinum typu B. Na ogół częstość występowania jest zwykle mniejsza w glebie niż w osadach . We Włoszech badanie przeprowadzone w pobliżu Rzymu wykazało niski poziom zanieczyszczenia; wszystkie szczepy były proteolitycznymi C. botulinum typu A lub B.

Australia

Stwierdzono obecność C. botulinum typu A w próbkach gleby z obszarów górskich Wiktorii . Organizmy typu B wykryto w błocie morskim z Tasmanii . C. botulinum typu A wykryto na przedmieściach Sydney , a typy A i B wyizolowano z obszarów miejskich . Na dobrze zdefiniowanym obszarze regionu Darling-Downs w stanie Queensland badanie wykazało częstość występowania i utrzymywanie się C. botulinum typu B po wielu przypadkach zatrucia jadem kiełbasianym u koni .

Używanie i wykrywanie

C. botulinum służy do przygotowania leków Botox , Dysport , Xeomin i Neurobloc służących do selektywnego paraliżu mięśni w celu czasowego odciążenia funkcji mięśni. Ma inne cele medyczne „ poza wskazaniami ”, takie jak leczenie silnego bólu twarzy, takiego jak ten spowodowany neuralgią nerwu trójdzielnego .

Toksyna botulinowa wytwarzana przez C. botulinum jest często uważana za potencjalną broń biologiczną , ponieważ jest tak silna, że ​​do zabicia człowieka potrzeba około 75 nanogramów ( ng _LD50 1 /kg, przy założeniu, że przeciętna osoba waży ~ 75 kg); 1 kilogram wystarczyłby do zabicia całej populacji ludzkiej . Dla celów porównawczych jedna czwarta masy typowego ziarnka piasku (350 ng) toksyny botulinowej stanowiłaby dawkę śmiertelną dla człowieka.

Test „ochrony myszy” lub „testu biologicznego myszy” określa rodzaj obecnej toksyny C. botulinum przy użyciu przeciwciał monoklonalnych . Do wykrycia toksyny można również zastosować test immunoenzymatyczny ( ELISA ) z przeciwciałami znakowanymi digoksygeniną , a ilościowy PCR może wykryć geny toksyn w organizmie.

Warunki wzrostu i profilaktyka

Zobacz także: zatrucie jadem kiełbasianym § Zapobieganie

C. botulinum jest bakterią glebową. Zarodniki mogą przetrwać w większości środowisk i są bardzo trudne do zabicia. Mogą przetrwać temperaturę wrzącej wody na poziomie morza, dlatego wiele produktów spożywczych jest puszkowanych z gotowaniem pod ciśnieniem, które osiąga jeszcze wyższe temperatury, wystarczające do zabicia zarodników. Ta bakteria jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie i można założyć, że jest obecna na wszystkich powierzchniach żywności. Jego optymalna temperatura wzrostu mieści się w mezofilnym . W postaci zarodników jest patogenem odpornym na ciepło, który może przetrwać w żywności o niskiej zawartości kwasu i rosnąć, aby wytwarzać toksyny. Toksyna atakuje układ nerwowy i zabija osobę dorosłą w ​​dawce około 75 ng. Ta toksyna jest odtruwana przez trzymanie żywności w temperaturze 100 ° C przez 10 minut.

Zatrucie jadem kiełbasianym może wystąpić z powodu konserwowanej lub konserwowanej w domu żywności o niskiej kwasowości, która nie została przetworzona przy użyciu odpowiednich czasów konserwacji i / lub ciśnienia. Wzrostowi bakterii można zapobiec poprzez wysoką kwasowość , wysoki stosunek rozpuszczonych cukrów , wysoki poziom tlenu, bardzo niski poziom wilgoci lub przechowywanie w temperaturach poniżej 3 ° C (38 ° F) dla typu A. Na przykład w niskokwasowe warzywa w puszkach, takie jak fasolka szparagowa , które nie są wystarczająco ogrzane, aby zabić zarodniki (tj. środowisko pod ciśnieniem), mogą zapewnić pozbawioną tlenu pożywkę dla zarodników do wzrostu i produkcji toksyny. Jednak pikle są wystarczająco kwaśne, aby zapobiec wzrostowi; nawet jeśli zarodniki są obecne, nie stanowią zagrożenia dla konsumenta.

Miód , syrop kukurydziany i inne słodziki mogą zawierać zarodniki, ale zarodniki nie mogą rosnąć w silnie stężonym roztworze cukru; jednakże, gdy środek słodzący zostanie rozcieńczony w układzie pokarmowym niemowlęcia o niskiej zawartości tlenu i kwasowości, zarodniki mogą rosnąć i wytwarzać toksyny. Gdy tylko niemowlęta zaczynają jeść pokarmy stałe, soki trawienne stają się zbyt kwaśne, aby bakterie mogły się rozwijać.

Zwalczanie zatrucia jadem kiełbasianym wywołanego przez C. botulinum opiera się prawie wyłącznie na termicznym niszczeniu (ogrzewaniu) zarodników lub hamowaniu kiełkowania zarodników w bakteriach i umożliwianiu komórkom wzrostu i produkcji toksyn w żywności. Warunki sprzyjające wzrostowi są uzależnione od różnych czynników środowiskowych . Wzrost C. botulinum stanowi zagrożenie w żywności o niskiej kwasowości, zgodnie z definicją pH powyżej 4,6, chociaż wzrost jest znacznie opóźniony przy pH poniżej 4,9.

Na początku XXI wieku odnotowano przypadki i specyficzne warunki podtrzymujące wzrost przy pH poniżej 4,6. ale w wyższej temperaturze.

Diagnoza

Lekarze mogą rozważyć rozpoznanie zatrucia jadem kiełbasianym na podstawie obrazu klinicznego pacjenta, który klasycznie obejmuje ostry początek obustronnych neuropatii czaszkowych i symetryczne zstępujące osłabienie. Inne kluczowe cechy zatrucia jadem kiełbasianym to brak gorączki, symetryczne deficyty neurologiczne, prawidłowe lub wolne tętno i prawidłowe ciśnienie krwi oraz brak deficytów czuciowych z wyjątkiem niewyraźnego widzenia. Dokładny wywiad i badanie fizykalne są najważniejsze w celu zdiagnozowania typu zatrucia jadem kiełbasianym, a także wykluczenia innych stanów z podobnymi objawami, takich jak zespół Guillain-Barré , udar mózgu i myasthenia gravis . W zależności od rodzaju rozważanego zatrucia jadem kiełbasianym, mogą być wskazane różne testy diagnostyczne.

• Zatrucie jadem kiełbasianym przenoszonym przez żywność: należy przeprowadzić analizę surowicy pod kątem toksyn za pomocą testu biologicznego u myszy, ponieważ wykazanie obecności toksyn ma charakter diagnostyczny.
• Botulizm rany: należy podjąć próbę izolacji C. botulinum z rany, ponieważ wzrost bakterii jest diagnostyczny.
• Zatrucie jadem kiełbasianym dorosłych i niemowląt: izolacja i wzrost C. botulinum z próbek kału ma charakter diagnostyczny. Zatrucie jadem kiełbasianym niemowląt to diagnoza, której często nie dostrzega się na izbie przyjęć.

Inne testy, które mogą być pomocne w wykluczeniu innych warunków, to:

• Elektromiografia (EMG) lub badania przeciwciał mogą pomóc w wykluczeniu miastenii i zespołu miastenicznego Lamberta-Eatona (LEMS).
• Pobieranie białka płynu mózgowo-rdzeniowego (CSF) i krwi pomaga z wykluczeniem zespołu Guillana-Barre'a i udaru mózgu .
• Szczegółowe badanie fizykalne pacjenta pod kątem wysypki lub obecności kleszczy pomaga wykluczyć porażenie kleszczowe przenoszone przez kleszcze.

Leczenie

W przypadku rozpoznania lub podejrzenia zatrucia jadem kiełbasianym, pacjentów należy natychmiast hospitalizować, nawet jeśli diagnoza i/lub badania są w toku. Jeśli podejrzewa się zatrucie jadem kiełbasianym, pacjentów należy natychmiast leczyć terapią antytoksynami w celu zmniejszenia śmiertelności. Natychmiastowa intubacja jest również wysoce zalecana, ponieważ niewydolność oddechowa jest główną przyczyną śmierci z powodu zatrucia jadem kiełbasianym.

W Kanadzie dostępne są obecnie tylko trzy terapie antytoksynowe, które są dostępne w ramach programu Health Canada Special Access Program (SAP). Trzy rodzaje terapii antytoksynami to: 1) trójwalentna globulina GlaxoSmithKline typu ABE, 2) NP-018 (siedmiowalentna) typu A do G oraz 3) BabyBIG, immunoglobulina botulizmu dożylna (ludzka) (BIG-IV) dla dzieci poniżej wiek jednego roku.

Wyniki wahają się od jednego do trzech miesięcy, ale przy szybkiej interwencji śmiertelność z powodu zatrucia jadem kiełbasianym waha się od mniej niż 5 procent do 8 procent.

Szczepionka

Kiedyś istniała traktowana formaliną toksoidowa szczepionka przeciwko zatruciu jadem kiełbasianym (serotypy AE), ale została ona wycofana w 2011 r. Z powodu malejącej siły działania toksoidu. Pierwotnie był przeznaczony dla osób zagrożonych narażeniem. Trwają prace nad kilkoma nowymi szczepionkami.

Linki zewnętrzne

•   Sobel J (październik 2005). "Botulizm". Kliniczne choroby zakaźne . 41 (8): 1167–73. doi : 10.1086/444507 . PMID 16163636 .