Tropizm gospodarza
Tropizm żywiciela to specyficzność infekcji niektórych patogenów w stosunku do określonych żywicieli i tkanek żywiciela. To wyjaśnia, dlaczego większość patogenów jest zdolna do infekowania tylko ograniczonego zakresu organizmów żywicieli.
Naukowcy mogą klasyfikować organizmy chorobotwórcze według zakresu gatunków i typów komórek, wobec których wykazują tropizm gospodarza. Na przykład patogeny, które są zdolne do infekowania szerokiego zakresu żywicieli i tkanek, są uważane za amfotropowe . Z drugiej strony patogeny ekotropowe są zdolne do infekowania tylko wąskiego zakresu żywicieli i tkanek żywiciela. Znajomość specyfiki żywiciela patogenu pozwala profesjonalistom z branży badawczej i medycznej modelować patogenezę i opracowywać szczepionki , leki i środki zapobiegawcze do walki z infekcją. Metody, takie jak inżynieria komórkowa, inżynieria bezpośrednia i wspomagana ewolucja patogenów przystosowanych do żywiciela oraz badania przesiewowe całego genomu są obecnie wykorzystywane przez naukowców w celu lepszego zrozumienia zakresu żywicieli różnych organizmów chorobotwórczych.
Mechanizmy
Patogen wykazuje tropizm do konkretnego żywiciela, jeśli może wchodzić w interakcje z komórkami gospodarza w sposób, który wspiera patogenny wzrost i infekcję. Różne czynniki wpływają na zdolność patogenu do infekowania określonej komórki, w tym: struktura receptorów powierzchniowych komórki; dostępność czynników transkrypcyjnych, które mogą zidentyfikować patogenny DNA lub RNA; zdolność komórek i tkanek do podtrzymywania replikacji wirusa lub bakterii; oraz obecność barier fizycznych lub chemicznych w komórkach iw całej otaczającej tkance.
Receptory powierzchniowe komórki
Patogeny często przedostają się do komórek lub tkanek gospodarza lub przylegają do nich, zanim wywołają infekcję. Aby to połączenie nastąpiło, patogen musi rozpoznać powierzchnię komórki, a następnie związać się z nią. Wirusy , na przykład, często muszą wiązać się ze specyficznymi receptorami na powierzchni komórki , aby dostać się do komórki. Wiele błon wirusowych zawiera białka powierzchniowe wirionów, które są specyficzne dla określonych receptorów powierzchniowych komórki gospodarza. Jeśli komórka gospodarza wyraża komplementarny receptor powierzchniowy dla wirusa, wówczas wirus może przyczepić się i wejść do komórki. Jeśli komórka nie wykazuje ekspresji tych receptorów, wirus nie może jej normalnie zainfekować. Dlatego, jeśli wirus nie może związać się z komórką, nie wykazuje tropizmu dla tego gospodarza.
Bakterie infekują gospodarzy inaczej niż wirusy. W przeciwieństwie do wirusów, bakterie mogą samodzielnie replikować i dzielić się bez wnikania do komórki gospodarza. Mimo to, aby rosnąć i dzielić się, bakterie wymagają pewnych składników odżywczych ze swojego środowiska. Te składniki odżywcze często mogą być dostarczane przez tkanki żywiciela i dlatego niektóre bakterie potrzebują żywiciela do przeżycia. Gdy bakteria rozpozna receptory komórki gospodarza lub bogate w składniki odżywcze otoczenie, kolonizuje powierzchnię komórki. Bakterie mają różne mechanizmy kolonizacji tkanek żywiciela. Na przykład biofilm produkcja pozwala bakteriom przylegać do powierzchni tkanki gospodarza i zapewnia ochronne środowisko idealne do wzrostu bakterii. Niektóre bakterie, takie jak krętki, są zdolne do namnażania komórki lub tkanek gospodarza. Dzięki temu bakteria może otoczyć się środowiskiem bogatym w składniki odżywcze, które chroni ją przed reakcjami immunologicznymi i innymi czynnikami stresogennymi.
Czynniki transkrypcyjne, składniki odżywcze i replikacja patogenów
Aby wirusy mogły replikować się w komórce gospodarza, a bakterie mogły przeprowadzać procesy metaboliczne potrzebne do wzrostu i podziału, muszą najpierw pobrać niezbędne składniki odżywcze i czynniki transkrypcyjne z otoczenia. Nawet jeśli wirus jest w stanie związać się z komórką gospodarza i przenieść swój materiał genetyczny przez błonę komórkową, komórka może nie zawierać niezbędnych polimeraz i enzymów niezbędnych do replikacji wirusa i kontynuacji patogenezy.
Wiele patogenów zawiera również ważne czynniki wirulencji w swoich genomach. W szczególności bakterie chorobotwórcze są zdolne do translacji genów wirulencji znajdujących się w ich plazmidach na różne czynniki wirulencji, aby wspomóc bakterię w patogenezie. W patogenach istnieje wiele różnych typów czynników wirulencji, w tym: czynniki przylegania, czynniki inwazji, otoczki, siderofory , endotoksyny i egzotoksyny . Wszystkie te czynniki wirulencji albo bezpośrednio pomagają w kolonizacji żywiciela, albo w uszkodzeniu komórek i tkanek gospodarza.
Mechanizmy obronne komórki gospodarza
Organizmy gospodarza są wyposażone w szereg różnych mechanizmów obronnych stosowanych w celu ochrony gospodarza przed patogenną infekcją. W szczególności ludzie posiadają wiele linii obrony, które wpływają na patogenezę od początku do końca. Aby wirus lub bakteria wykazywał tropizm w stosunku do konkretnego żywiciela, musi najpierw mieć możliwość przebicia się przez linię obrony organizmu żywiciela. Pierwsza linia obrony, znana jako wrodzony układ odpornościowy , ma na celu zapobieganie początkowemu wejściu i zadomowieniu się patogenu. Wrodzony układ odpornościowy jest tylko ogólnie swoisty dla patogenów i obejmuje: bariery anatomiczne, zapalenie , fagocytoza i niespecyficzne inhibitory.
Bariera anatomiczna to każda bariera fizyczna lub chemiczna, która pomaga zapobiegać przedostawaniu się mikroorganizmów do organizmu. Obejmuje to skórę , pot, warstwę śluzu , ślinę, łzy, wyściółkę śródbłonka i naturalną ludzką mikroflorę . Naskórek skóry zapewnia fizyczną barierę przed patogenami, ale może być łatwo naruszony przez ukąszenia owadów, ukąszenia zwierząt, zadrapania lub inne drobne urazy skóry. Pot, ślina i łzy to bariery chemiczne zawierające enzymy, takie jak lizozymy , które mogą zabijać bakterie i wirusy. Warstwa śluzu wyściela nosogardła i służy jako fizyczna bariera otaczająca obce patogeny i usuwająca je z organizmu przez smarki i flegmę . Mikrobiota człowieka, inne mikroorganizmy żyjące w organizmie i na jego powierzchni, konkurują z organizmami chorobotwórczymi i odgrywają dużą rolę w zwalczaniu patogenów. Wreszcie, półprzepuszczalna membrana znana jako bariera krew-mózg jest wyściółką komórek śródbłonka oddzielającą krew od tkanek i narządów. Bez tej wyściółki wirusy i bakterie mogłyby z łatwością zainfekować ważne narządy ludzkie, takie jak mózg, płuca i łożysko.
Zapalenie jest jedną z pierwszych odpowiedzi immunologicznych na patogenną infekcję, którą posiada wiele organizmów gospodarza. Zapalenie obejmuje podwyższoną temperaturę otaczającą miejsce infekcji, nagromadzenie CO2 i kwasów organicznych oraz spadek prężności tlenu w zakażonej tkance w odpowiedzi na uszkodzenie komórek wywołane przez patogen. Koagulacja krwi (krzepnięcie) występuje również w obszarze objętym stanem zapalnym, zapewniając fizyczną barierę przed patogenną infekcją. Zmiany te ostatecznie tworzą niekorzystne warunki życia dla patogenu (tj. zmiany pH, spadek ATP i zmiany w metabolizmie komórkowym) oraz uniemożliwiają dalszą replikację i wzrost.
Gdy bakteria lub wirus pokona wrodzony układ odpornościowy organizmu, nabyty układ odpornościowy organizmu gospodarza przejmuje kontrolę. Ta odpowiedź immunologiczna jest wysoce specyficzna dla patogenów i zapewnia gospodarzowi długotrwałą odporność na przyszłe infekcje tym specyficznym patogenem. Kiedy limfocyty rozpoznają antygeny na powierzchni patogenu, wydzielają przeciwciała , które wiążą się z patogenem i alarmują makrofagi i komórki NK . Komórki te celują w sam patogen, zabijając go lub czyniąc go nieaktywnym. Proces ten dalej wytwarza komórki pamięci B i komórki pamięci T , które umożliwiają wystąpienie długotrwałej odporności.
Podsumowując, jeśli patogen jest zdolny do przezwyciężenia różnych mechanizmów obronnych gospodarza, rozpoznania komórki gospodarza do infekcji i pomyślnej replikacji w tkance gospodarza, to patogen prawdopodobnie posiada tropizm dla tego konkretnego gospodarza.
Wirusowy tropizm
Wirusowy tropizm gospodarza jest określany przez połączenie podatności i pobłażliwości: komórka gospodarza musi być zarówno permisywna (umożliwiać replikację wirusa), jak i podatna (posiadać dopełnienie receptora potrzebne do wniknięcia wirusa), aby wirus mógł wywołać infekcję. Gdy wirus zwiąże się z komórką gospodarza, komórka gospodarza musi dostarczyć niezbędnych czynników transkrypcyjnych potrzebnych do zajścia replikacji wirusa. Kiedy wirus jest w stanie wykorzystać komórkę do replikacji swojej informacji genetycznej, wirus może rozprzestrzeniać infekcję w całym ciele.
Ludzki wirus niedoboru odporności (HIV)
Ludzki wirus niedoboru odporności wykazuje tropizm gospodarza względem komórek odpornościowych związanych z CD4 (np. pomocniczych komórek T, makrofagów lub komórek dendrytycznych). Komórki te wyrażają receptor CD4, z którym HIV może się wiązać, poprzez białka gp120 i gp41 na swojej powierzchni. HIV wymaga również drugiego współreceptora wraz z kompleksem CD4-gp120, aby dostać się do komórek docelowych - CCR5 lub CXCR4 . Pokazuje to przykład, w jaki sposób receptory powierzchniowe komórki mogą wpływać na tropizm patogenu wirusowego. Ponieważ ludzie są jedynymi organizmami, które mają komórki z tymi receptorami, HIV wykazuje tropizm gospodarza tylko dla ludzi. Małpi wirus upośledzenia odporności (SIV), wirus podobny do HIV, może zarażać naczelne.
Wirus Epsteina-Barra (EBV)
Epsteina -Barra (EBV) jest jednym z ośmiu znanych herpeswirusów. Wykazuje tropizm gospodarza do ludzkich limfocytów B poprzez CD21 -gp350/220 i uważa się, że jest przyczyną mononukleozy zakaźnej , chłoniaka Burkitta , choroby Hodgkina , raka nosogardła i chłoniaków . EBV dostaje się do organizmu poprzez doustny transfer śliny i uważa się, że zaraża ponad 90% dorosłej populacji świata. EBV może również infekować komórki nabłonkowe, komórki T i komórki NK poprzez mechanizmy inne niż proces, w którym pośredniczy receptor CD21 w komórkach B.
Wirus Zika (ZIKV)
Wirus Zika jest przenoszonym przez komary arbowirusem z rodzaju Flavivirus , który wykazuje tropizm w stosunku do ludzkiej doczesnej matki , łożyska płodu i pępowiny. Na poziomie komórkowym wirus Zika celuje w makrofagi, fibroblasty , trofoblasty , komórki Hofbauera i mezenchymalne komórki macierzyste ze względu na ich zwiększoną zdolność do wspierania replikacji wirionów. U dorosłych zakażenie wirusem Zika może prowadzić do gorączki Zika ; a jeśli infekcja wystąpi w pierwszym trymestrze ciąży, mogą wystąpić powikłania neurologiczne, takie jak małogłowie .
Tropizm bakteryjny
Prątek gruźlicy
Mycobacterium tuberculosis to bakteria pochodzenia ludzkiego, która powoduje gruźlicę – drugą najczęstszą przyczynę śmierci z powodu czynnika zakaźnego. Glikokoniugaty otoczki komórkowej otaczające M. tuberculosis umożliwiają bakteriom infekowanie ludzkiej tkanki płucnej, zapewniając jednocześnie wewnętrzną oporność na środki farmaceutyczne. M. tuberculosis dostaje się do pęcherzyków płucnych przez kropelki aerozolu, a następnie jest fagocytowana przez makrofagi. Ponieważ jednak makrofagi nie są w stanie całkowicie zabić M. tuberculosis , ziarniniaki powstają w płucach, zapewniając idealne środowisko do dalszej kolonizacji bakteryjnej.
Staphylococcus aureus
Szacuje się, że ponad 30% światowej populacji jest skolonizowane przez Staphylococcus aureus , mikroorganizm zdolny do wywoływania infekcji skóry, zakażeń szpitalnych i zatruć pokarmowych ze względu na jego tropizm do ludzkiej skóry i tkanek miękkich. Wiadomo, że kompleks klonalny CC121 S. aureus wykazuje tropizm wielu żywicieli zarówno u ludzi, jak iu królików. Uważa się, że jest to spowodowane mutacją pojedynczego nukleotydu, która przekształciła kompleks CC121 w klonalny kompleks ST121, klon zdolny do infekowania królików.
Escherichia coli
Enteropatogenne i enterokrwotoczne Escherichia coli ( odpowiednio EPEC i EHEC ) wykazują tropizm w stosunku do ludzkich komórek nabłonka jelit, co prowadzi do zatruć pokarmowych i problemów trawiennych. Wydzielanie typu III jest głównym sposobem patogenezy tych dwóch patogennych postaci E. coli , który obejmuje przyleganie intyminy do translokowanych receptorów powierzchniowych komórek intiminy prezentowanych na powierzchni komórek nabłonkowych w jelicie. Wraz z systemem wydzielniczym typu III temperatura może również wpływać na wydzielanie intyminy, która zwiększa ilość E. coli zakaźność i tropizm dla ludzkich komórek jelitowych.