POST. MIKROBIOL., 2016, 55, 1, 45–56 http://www.pm.microbiology.pl
ZNACZENIE UROPATOGENNYCH SZCZEPÓW ESCHERICHIA COLI (UPEC) W ETIOPATOGENEZIE ZAKAŻEŃ UKŁADU MOCZOWEGO
Sylwia Joanna Chmielewska1*, Krzysztof Fiedoruk1, Tamara Daniluk1, Małgorzata Ściepuk1, Dorota Kaczmarzyk1, Katarzyna Leszczyńska1 1
Zakład Mikrobiologii, Uniwersytet Medyczny w Białymstoku Wpłynęło w kwietniu 2015 r. Zaakceptowano w lipcu 2015 r.
1. Wstęp. 2. Klasyfikacja zakażeń układu moczowego (ZUM). 3. Przyczyny, czynniki ryzyka oraz objawy ZUM. 4. Czynniki etiologiczna ZUM. 4.1. Zakażenia układu moczowego u osób dorosłych. 4.2. ZUM u dzieci. 4.3. ZUM u osób starszych. 5. Uropatogenne szczepy Escherichia coli. 5.1. Adhezyny. 5.2. Odpowiedź immunologiczna gospodarza na zakażenie UPEC. 6. Podsumowanie Significance of uropathogenic strains of Escherichia coli (UPEC) in the pathogenesis of urinary tract infections Abstract: Urinary tract infections (UTIs) are one of the most widespread infections, particularly among women (40–50%) as well as newborns, infants and elderly persons. In addition, recurrent episodes of UTIs are common and frequently become chronic. Escherichia coli is the most common cause of UTIs, bothcommunity- and hospital-acquired, followed by other Enterobacteriaceae (Proteus spp., Klebsiella spp.), Pseudomonas spp. and Gram-positive cocci. The majority of UTIs are caused by uropathogenic E. coli (UPEC) characterized by the presence of various adhesive fimbriae (pili) e.g., type 1 or P, S and Afa/Dr fimbriae, the crucial virulence factors for their pathogenic capabilities. For example, type 1 fimbriae are common among cystitis-associated UPEC, P fimbriae are characteristic adhesins in E. coli pyelonephritis, and Dr fimbriae UPEC strains are frequently isolated (40%) from pregnancy-associated pyelonephritis cases. In consequence, Dr+ E. coli may contribute to serious pregnancy complications, including premature births or damage of the fetus. Therefore, the more extensive knowledge about mechanisms of pathogenesis of UPEC strains may facilitate development of novel diagnostic methods and might prove essential for better risk assessment for patients with UTIs. 1. Introduction. 2. Classification of urinary tract infections (UTIs). 3. The causes, risk factors and symptoms of UTIs. 4. Etiological factors of UTIs. 4.1. Urinary tract infections in adults. 4.2. UTIs in children population. 4.3. UTIs in the elderly. 5. Uropathogenic strains of Escherichia coli (UPEC). 5.1. Fimbriae. 5.2. Host immune response against UPEC colonization of the urinary tract. 6. Summary Słowa kluczowe: Fimbrie, UPEC, zakażenia układu moczowego Key words: Fimbriae, UPEC, urinary tract infections
1. Wstęp Zakażenia układu moczowego (ZUM, Urinary Track Infections) stanowią poważny problem kliniczny, w Polsce klasyfikują się na drugim miejscu zaraz po infekcjach układu oddechowego. Należy jednak podkreślić, że ze względu na możliwość częstych nawrotów i powikłań ZUM są poważnym problemem zdrowotnym na całym świecie. U pacjentów z ostrym zapaleniem pęcherza w 15–50% przypadków rozwija się odmiedniczkowe zapalenie nerek, z kolei u 12% tych pacjentów pojawia się później bakteriemia. Szacuje się, że ZUM stanowią ok. 10–20% wszystkich zakażeń pozaszpitalnych oraz ok. 40–50% zakażeń szpitalnych, a także są częstą przyczyną wypisywania leków przeciwbakteryjnych [6, 40, 58]. W USA w 2012 r. zarejestrowano ponad 7 milionów wizyt lekarskich spowodowanych przez infekcje układu moczowego, z czego 100 tysięcy pacjentów wymagało hospitalizacji, najczęściej z powodu odmiedniczkowego zapalenia nerek. Całkowite wydatki związane z leczeniem pacjentów ambulatoryjnych i szpitalnych ocenia się na
ok. 1,6 miliarda dolarów rocznie [21]. W skali globalnej odnotowuje się szacunkowo 150 milionów przypadków ZUM rocznie [50]. Dlatego też tak ważna jest właściwa terapia zakażeń układu moczowego, która może przyczynić się do zmniejszenia wskaźnika zachorowań oraz obniżenia kosztów związanych z ich leczeniem [8, 45]. 2. Klasyfikacja zakażeń układu moczowego (ZUM) W piśmiennictwie stosowane są różne klasyfikacje ZUM, jednak przeważa kryterium praktyczne, w którym zwraca się uwagę przede wszystkim na lokalizację anatomiczną zakażenia i przebieg zakażenia (powikłane, niepowikłane, nawracające, ponowne, objawowe, bezobjawowe) [11, 21, 57]. Biorąc pod uwagę anatomiczną lokalizację ZUM wyróżnia się infekcje obejmujące górne (nerki, moczowody) i dolne (pęcherz moczowy, cewka moczowa) odcinki układu moczowego. Granicę między nimi wyznaczają ujścia moczowodów do pęcherza moczowego [11, 21, 57].
* Autor korespondencyjny: Zakład Mikrobiologii, Uniwersytet Medyczny w Białymstoku, ul. Mickiewicza 2C, 15-222 Białystok; tel/fax (85) 748-55-62; e-mail:
[email protected]
46
S.J. CHMIELEWSKA, K. FIEDORUK, T. DANILUK, M. ŚCIEPUK, D. KACZMARZYK, K. LESZCZYŃSKA
Niepowikłane ZUM występują u pacjentów z prawidłowym pod względem anatomicznym i czynnościowym układem moczowym oraz sprawnymi mechanizmami obronnymi. Natomiast powikłane ZUM wywołane często przez nietypowe drobnoustroje, dotyczą osób z anomaliami strukturalnymi lub funkcjonalnymi w obrębie układu moczowego oraz pacjentów z upośledzonym układem immunologicznym [11, 21, 57]. Nawrót ZUM występuje po leczeniu przeciwdrobnoustrojowym, a czynnikiem etiologicznym jest drobnoustrój przetrwały w drogach moczowych będący przyczyną poprzedniego ZUM. W praktyce za nawrót ZUM przyjmuje się, objawy pojawiające się do 2 tygodni od zakończenia terapii. Reinfekcja, czyli ponowne ZUM to infekcja wywołana nowym czynnikiem etiologicznym pochodzącym spoza układu moczowego [17, 57]. Bakteriuria bezobjawowa powinna być traktowana, jako szczególna jednostka, ponieważ może mieć swoje źródło zarówno w obrębie dolnych jak i górnych dróg moczowych. W bakteriurii bezobjawowej stwierdza się obecność bakterii w moczu (bakteriuria znamienna), przy czym brak jest leukocyturii oraz klinicznych objawów zakażenia. Bakteriuria bezobjawowa wymaga leczenia tylko w określonych przypadkach np. dotyczy około 4–10% kobiet w ciąży [17, 21, 57]. Występowanie bakteriurii bezobjawowej szacowane jest na około 3,5% populacji i wzrasta wraz z wiekiem; częściej dotyczy kobiet, a także mężczyzn powyżej 70 r.ż. z zapaleniem gruczołu krokowego [17, 30]. Czynnikiem sprzyjającym bakteriurii bezobjawowej jest cukrzyca. Przeprowadzone badania wskazują, że u kobiet z cukrzycą typu 2, u których stwierdzono bezobjawową bakteriurię istnieje większe ryzyko rozwoju objawowego zakażenia układu moczowego. Ponadto bakteriuria bezobjawowa u osób chorych na cukrzycę wiąże się z czterokrotnie wyższym ryzykiem hospitalizacji [30]. 3. Przyczyny, czynniki ryzyka oraz objawy ZUM W warunkach zdrowia drogi moczowe powyżej zwieracza pęcherza są jałowe (nie zawierają bakterii), w niektórych sytuacjach dochodzi jednak do wniknięcia drobnoustrojów i ich namnożenia. Bakterie mogą przedostać się do układu moczowego na kilka sposobów np. drogą wstępującą przez cewkę moczową (zakażenie urogenne), drogą krwionośną (zakażenie hematogenne), drogą naczyń chłonnych (zakażenie limfogenne) oraz przez przetoki pomiędzy drogami moczowymi a pochwą lub macicą, lub przez przetoki moczowodowo-pęcherzowo-jelitowe, istnieje również możliwość przedostania się bakterii poprzez naruszenie ciągłości tkanek [44, 57, 58]. Do czynników utrudniających drobnoustrojom kolonizację układu moczowego należą:
1) wypłukiwanie drobnoustrojów w czasie opróżniania pęcherza moczowego (mikcji), co zapobiega namnażaniu się bakterii, 2) kwaśne pH moczu oraz wydzieliny z pochwy (hamowanie wzrostu bakterii), 3) przeciwbakteryjne działanie wydzieliny gruczołu krokowego, 4) obecność białka Tamma-Horsfalla, które chroni przed adhezją bakterii, 5) naturalna mikroflora okolicy cewki moczowej zapobiegająca kolonizacji patogennych bakterii, 6) mukopolisacharydy błony śluzowej pęcherza moczowego uniemożliwiające przyleganie bakterii, 7) obecność wydzielniczej immunoglobuliny IgA, 8) fagocytarne działanie leukocytów, 9) złuszczanie się komórek nabłonka dróg moczowych [57]. Dodatkowo bardzo ważną funkcję ochronną pełni uroepithelium, spełniające rolę bariery przeciwko patogenom, toksynom, jonom zapobiegając ich przejściu do głębszych warstw tkanek [3]. Główne czynniki ryzyka zakażeń układu moczowego przedstawiono na Rys. 1 [44, 51]. ZUM stwierdza się najczęściej w okresie niemowlęctwa oraz u osób po 65 roku życia, u których infekcje dróg moczowych odnotowuje się u ponad 20% kobiet i ponad 10% mężczyzn. Kobiety (z wyjątkiem pierwszych kilku miesięcy) są zdecydowanie bardziej podatne na ZUM. Określa się, że schorzenia układu moczowego występują nawet 14 razy częściej u kobiet niż u mężczyzn. Szacuje się około 40–50% dorosłych kobiet doświadczyła przynajmniej raz w życiu zakażenia dróg moczowych, z czego u większości obserwuje się wielokrotne zakażenia. Ponadto częstotliwość ta zwiększa się wraz z wiekiem; u kobiet w przedziale 65–70 lat bakteriomocz stwierdzono w 10–15% przypadków, zaś u pacjentek po 80 r.ż. u 15–20%. Zmiany hormonalne po menopauzie, powodują, że liczba zakażeń układu moczowego wzrasta nawet, o 40%, co związane jest z niedoborem estrogenów zapewniających prawidłową florę pochwy oraz z nadmiernym namnażaniem się Escherichia coli. Do wad anatomicznych lub czynnościowych dróg moczowych utrudniających odpływ moczu i predysponujących do ZUM zalicza się: przerost gruczołu krokowego, zaburzenia w odpływie pęcherzykowo-moczowodowym, neurogenne zaburzenia czynności pęcherza, niedrożność spowodowana kamicą dróg moczowych. Wśród innych przyczyn i czynników ryzyka infekcji dróg moczowych należy wymienić: cukrzycę (zwłaszcza niekontrolowaną i źle leczoną), nabyte niedobory odporności (zakażenie wirusem HIV), niektóre zabiegi diagnostyczne lub lecznicze wykonywane w obrębie dróg moczowych (cewnikowanie, chirurgia urologiczna, przezcewkowa resekcja gruczołu krokowego), stany zapalne w okolicy krocza, pochwy, stulejkę z zapaleniem żołędzi, złe nawyki higieniczne, zaparcia oraz zbyt rzadkie oddawanie moczu (przetrzymywanie moczu w pęcherzu) [11, 17, 44, 57]. Do głównych objawów zakażenia układu moczowego należą – trudności w oddawaniu moczu, dysu-
ZNACZENIE UROPATOGENNYCH SZCZEPÓW ESCHERICHIA COLI (UPEC) W ETIOPATOGENEZIE
47
Rys. 1. Czynniki sprzyjające zakażeniom układu moczowego
ria (bolesność przy oddawaniu moczu), częstomocz, nykturia (oddawanie moczu w nocy, więcej niż jeden raz), tkliwość pęcherza, gorączka, bóle w okolicy lędźwiowej, bóle brzucha, czasami bóle głowy i nudności [21]. W około 30% przypadków ostrego odmiedniczkowego zapalenia nerek może rozwinąć się bakteriemia prowadząca do posocznicy, a nawet do śmierci pacjenta [8, 21, 45]. 4. Czynniki etiologiczne ZUM Czynniki etiologiczne ZUM zostały dobrze poznane, jednak w ciągu ostatnich 10 lat obserwuje się znaczne zmiany w profilu lekooporności drobnoustrojów, co stanowi poważny problem współczesnej medycyny. Leczenie empiryczne wymaga stałej oceny wrażliwości bakterii na antybiotyki, a wybór skutecznego przeciwbakteryjnego leku pozwalającego na właściwe wyleczenie pacjenta oraz niepowodującego selekcji szczepów opornych jest wyzwaniem dla urologii [21, 51]. Głównymi czynnikami etiologicznymi zakażeń układu moczowego są bakterie. Zdecydowanie w mniejszym stopniu za infekcje odpowiedzialne są wirusy,
grzyby, pierwotniaki oraz pasożyty [21, 51]. W przypadku bakterii w przeważającej większości izoluje się bakterie Gram-ujemne kolonizujące przewód pokarmowy, a także przedsionek pochwy u kobiet czy okolicę podnapletkową u mężczyzn [32]. W ostatnim czasie bakteryjne czynniki etiologiczne ZUM ulegają licznym zmianom. Wprawdzie E. coli jest nadal najczęstszą przyczyną infekcji, to udział innych pałeczek jelitowych i niefermentujących glukozy takich jak Pseudomonas aeruginosa i Acinetobacter baumannii znacząco wzrósł. Spośród pałeczek z rodziny Enterobacteriaceae narastającym problemem jest Klebsiella pneumoniae szczególnie szczepy wytwarzające karbapenemazy KPC, które powodują ZUM zarówno u pacjentów szpitalnych jak i ambulatoryjnych. Opcje terapeutyczne tych zakażeń są bardzo ograniczone [20]. W chwili obecnej coraz częściej diagnozuje się ZUM wywołane przez bakterie atypowe Chlamydia tracho matis, Mycoplasma spp. i Ureaplasma urealyticum. Grzyby, a zwłaszcza gatunek Candida albicans odpowiedzialne są za zakażenia obserwowane u wcześniaków, noworodków, zaś u osób dorosłych powodują infekcje u chorych z zaburzeniami odporności lub kobiet cierpiących na grzybicze zapalenie pochwy [32].
48
S.J. CHMIELEWSKA, K. FIEDORUK, T. DANILUK, M. ŚCIEPUK, D. KACZMARZYK, K. LESZCZYŃSKA
Tabela I Drobnoustroje odpowiedzialne za zakażenia układu moczowego Zapalenie cewki moczowej (łac. urethritis)
ZAKAŻENIA WSTĘPUJĄCE
Bakterie Gram-ujemne Escherichia coli, Proteus spp., Klebsiella spp., Neisseria gonorrhoeae
Bakterie Gram-dodatnie Staphylococcus aureus, Staphylococcus saprophyticus
Bakterie atypowe Chlamydia trachomatis, Ureaplasma urealyticum, Mycoplasma hominis, Mycoplasma genitalium
Zapalenie pęcherza moczowego (łac. cystitis) Bakterie Gram-ujemne Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Inne pałeczki z rodziny Enterobacteriaceae
Bakterie Gram-dodatnie Enterococcus spp., Staphylococcus saprophyticus (młode kobiety), Corynebacterium urealyticum
ZAKAŻENIA ZSTĘPUJĄCE
Ostre odmiedniczkowe zapalenie nerek (łac. pyelonephritis acuta) Bakterie Gram-ujemne Escherichia coli, Klebsiella spp., Proteus spp., Pseudomonas aeruginosa
Najważniejsze bakteryjne czynniki etiologiczne infekcji dróg moczowych z uwzględnieniem ich anatomicznej lokalizacji przedstawiono w Tabeli I [51, 57]. 4.1. Zakażenia układu moczowego u osób dorosłych Najczęstszym czynnikiem etiologicznym zakażeń układu moczowego zarówno górnych jak i dolnych odcinków jest E. coli (75–90%) odpowiedzialna za około 80–90% niepowikłanych infekcji oraz około 40–60% zakażeń szpitalnych [28, 35, 45, 58]. Bakterie z rodzaju Proteus spp. odpowiedzialne są za 7% przypadków ZUM, ale odsetek ten może wzrosnąć nawet do 20% u pacjentów ze współistniejącą patologią układu moczowego [4, 25, 45]. W mniejszym odsetku izoluje się pozostałe pałeczki z rodziny Enterobacteriaceae takie jak: Klebsiella spp. czy Enterobacter spp. [4, 11, 36, 45, 51]. Bakterie z rodzaju Proteus izoluje się najczęściej z moczu od pacjentów ze współistniejącymi zaburzeniami dróg moczowych. Wśród mężczyzn ważną rolę odgrywa P. vulgaris, gdyż stanowi on florę fizjologiczną okolicy napletka, a w sprzyjających okolicznościach może stać się przyczyną wstępującego zakażenia (30% zakażeń u chłopców po 6 m.ż.). Pałeczka odmieńca jest najczęstszym czynnikiem etiologicznym skomplikowanych ZUM oraz drugą, co do częstości przyczyną bakteriurii związanej z długoterminowym cewnikowaniem. Z kolei P. mirabilis jest powszechnym czynnikiem zakażeń szpitalnych, aczkolwiek procentowy udział tej bakterii różni się w zależności od specyfiki oddziału szpitalnego [32, 45]. Wydalany przez nerki mocznik stymuluje produkcję ureazy przez bakterie z rodzaju Proteus, zwiększając stężenie tego enzymu od 5 do nawet 25 razy [52]. Tworzenie złogów jest w szczególności udziałem
Bakterie Gram-dodatnie Enterococcus faecalis, Staphylococcus saprophyticus (młode kobiety), Staphylococcus aureus, Streptococcus agalactiae
P. mirabilis [57]. W układzie moczowym ureaza katalizuje reakcję hydrolitycznego rozkładu mocznika na amoniak i dwutlenek węgla, uwalniany wówczas amoniak uszkadza nabłonek i alkalizuje mocz, co skutkuje precypitacją jonów wapnia i magnezu z utworzeniem kryształów struwitu i apatytu [41, 49, 57]. Powstające kryształy łączą się z bakteriami i rozpoczyna się proces krystalizacji. W ten sposób mogą formować się pierwsze jądra krystalizacji. Bakterie z rodzaju Proteus zdolne są do przeżycia wewnątrz tworzonych kamieni, gdyż są one trudno dostępne dla stosowanych antybiotyków, co dodatkowo ogranicza skuteczne leczenie przeciwbakteryjne. Co więcej bakterie umożliwiają ciągłość reakcji chemicznych pozwalających na utrzymanie zasadowego pH moczu, które zapewnia nierozpuszczalność kryształów struwitu i apatytu [52, 57]. Kamienie moczowe zwiększają ryzyko infekcji dróg moczowych, zwężając średnicę przewodów moczowych, co skutkuje zastojem moczu. Utworzone kamienie mogą zwiększać adhezję bakterii do błony śluzowej układu moczowego, w wyniku jej uszkodzenia bądź podrażnienia [44]. Infekcje wywołane przez bakterie Gram-dodatnie występują zdecydowanie rzadziej i stanowią
