Artyku³ przegl¹dowy Review
Nauka prowadzi do w¹tpliwej prawdy. Dowodem s¹ ci¹gle dokonywane odkrycia. Okazuje siê, ¿e wczorajsza prawda ju¿ dzisiaj prawd¹ nie jest, bo nowe odkrycia j¹ zdewaluowa³y. Zatem nauka jest ci¹gle pochodem w kie-runku prawdy ks. kard. Stanis³aw Nagy, Pos³aniec, 12-20 luty 2010.
W 2010 roku up³ywa 100 lat od mierci Roberta Kocha, jednego z twórców wspó³czesnej bakteriologii i zasad, zgodnie z którymi mo¿na wykazaæ specyficz-ny zwi¹zek przyczynowy pomiêdzy drobnoustrojem a chorob¹ zakan¹ (2, 10, 14). Koch by³ równie¿ od-krywc¹ wielu chorobotwórczych bakterii, jak Bacil-lus anthracis, czynnika etiologicznego w¹glika (1876), Mycobacterium tuberculosis, czynnika etiologiczne-go grulicy (1882), twórc¹ wielu technik bakteriolo-gicznych, w tym wprowadzenia do hodowli bakterii
in vitro pod³o¿a sta³ego, metod barwienia bakterii, technik mikroskopowych (ogl¹danie w imersji), de-zynfekcji i wprowadzenia mikrofotografii do doku-mentowania wyników badañ (1876-1882), odkrywc¹ tuberkuliny PPD (1883-1892). Ws³awi³ siê równie¿ opracowaniem metod kontrolowania i zapobiegania chorobom zakanym, jak np. cholerze (1883-1892) oraz wieloma odkryciami i pracami z zakresu medy-cyny i weterynarii tropikalnej (1890-1906), jak np. poznaniem cyklu ¿yciowego Plasmodium falciparum, zastosowaniem chininy do zapobiegania i leczenia malarii, badañ nad ksiêgosuszem (zaraza bydlêca), surra (pierwotniacza choroba byd³a i koni), gor¹czk¹ Teksasu, gor¹czk¹ rodezyjsk¹, pi¹czk¹ afrykañsk¹ (trypanosomiaza) itp. (10, 14, 20, 27). Aby zrozumieæ i w pe³ni doceniæ osi¹gniêcia Kocha, nale¿y cofn¹æ siê do czasów XIX-wiecznej medycyny, w której
do-Od postulatów Kocha do socjomikrobiologii
MARIAN BINEKZak³ad Bakteriologii i Biologii Molekularnej Katedry Nauk Przedklinicznych Wydzia³u Medycyny Weterynaryjnej SGGW, ul. Ciszewskiego 9, 02-786 Warszawa
Binek M.
From Kochs postulates to sociomicrobiology
Summary
The year 2010 marks the 100th anniversary of Robert Kochs death. His name is well known as one of the founders of modern microbiology, the discoverer of the etiologic agents of anthrax, tuberculosis, cholera and wound infection. What is equally important, he developed the methodologies and concepts that made microbiology a scientific discipline. He is best known for having developed the rules, or postulates, that determine the specific agent of an infectious disease. Kochs postulates were a landmark in medical microbiology because they could be used to prove beyond any doubt that specific bacteria were the cause of an infectious disease. However, significant limitations to the postulates were soon recognized and restricted their wider scientific application. Now, over a century later, a more rigorous method to test causability still has to be developed. Technological advances led to the discovery of viruses, prions and new classes of bacteria that cannot fulfill Kochs postulates. Advances in molecular microbiology have demonstrated that virtually all microorganisms can be considered opportunistic. They constantly turn their virulence genes on and off in a context-dependent manner to acquire unique phenotypes. They have evolved sophisticated mechanisms to sense changes in the environment and respond accordingly when their survival is threatened. Local environmental cues are gathered by bacteria at the membrane level and transmitted do deeper circuits within their cytoplasm, where they are processed by another sensing system, known as the quorum sensing signaling system. As a result of the processing of environmental information, the bacteria shift their phenotype to adjust better to the local conditions, resulting in either pathogenic or non-pathogenic behavior. Infectious pathogenesis is dictated by the chemical crosstalk between the complex network of bacteria--bacteria, hostbacteria--bacteria, and host-host. The ability of bacteria to intercommunicate and process information about resource availability and the health status of the host has led to the concept of bacteria behaving like a social group. The study of social networks developed among bacteria in their natural habitats is called sociomicrobiology.
minowa³y pogl¹dy anatomopatologów reprezentowa-ne miêdzy innymi przez Rudolfa Virchowa, zgodnie z którymi pod³o¿a choroby upatrywano w zaburzeniach wewnêtrznej struktury i funkcji cia³a. Oficjalnie uzna-wana by³a w tym czasie teoria samorództwa, któr¹ dopiero w 1864 r. obali³ Louis Pasteur (1822-1895), udowadniaj¹c, ¿e za fermentacjê i gnicie odpowiedzial-ne s¹ drobnoustroje (9).
Nieliczni lekarze dopuszczali wp³yw w wywo³ywa-niu chorób czynników zewnêtrznych. Nale¿a³ do nich miêdzy innymi Friedrich Jakob Henle, który zasadni-czo podziela³ pogl¹dy Virchowa, jednak¿e spekulowa³, ¿e pod³o¿em wielu z nich mog¹ byæ mikroorganizmy (On miasmata and contagie, (1840). S¹dzi³ jednak, ¿e w celu udowodnienia przyczyny choroby wykazanie prostego zwi¹zku pomiêdzy drobnoustrojem i gospo-darzem to za ma³o. Koch w 1862 r. podj¹³ studia me-dyczne na uniwersytecie w Getyndze i pozna³ oraz zaprzyjani³ siê z Henle. Wspó³czesny Kochowi Edwin Klebs, uczeñ Virchowa, w swoich badaniach koncen-trowa³ siê na zewnêtrznych czynnikach chorób i s¹-dzi³, ¿e mog¹ one byæ wywo³ane przez mikroorganiz-my, je¿eli okrelone z nich stwierdzane s¹ wy³¹cznie u chorego na dan¹ chorobê lub te¿ chorobê mo¿na przenieæ przez organizmy wyhodowane poza ustro-jem. Koch zna³ prace Klebsa i powo³ywa³ siê na nie w swoich publikacjach (2, 9, 20).
Droga do ustanowienia postulatów
W 1873 r. Koch podejmuje prace nad w¹glikiem. Choroba ta w tamtym czasie dziesi¹tkowa³a prze¿u-wacze, szczególnie owce i przynosi³a olbrzymie straty gospodarcze w ca³ej Europie. Z prac Casimir, Joseph Davaine (1812-1882) wynika³o, ¿e we krwi zwierz¹t chorych na w¹glik obecne s¹ mikroorganizmy o wy-d³u¿onym kszta³cie, które wspomniany badacz uwa-¿a³ za przyczynê choroby (14). Koch w swoich bada-niach w przydomowym, prowizorycznym laborato-rium wstrzykiwa³ krew chorych na w¹glik owiec i byd³a dzikim myszom z³apanym w stodole. Odkry³, ¿e u myszy dochodzi³o do powstania podobnych obja-wów, a na sekcji do podobnych zmian, jak u zwierz¹t gospodarskich choruj¹cych na w¹glik.
Izolowa³ bakterie na po¿ywce, któr¹ by³a ciecz wod-nista przedniej komory oka byd³a. Obserwowa³ ich spl¹tane nici i wytwarzanie spor. Nastêpnie, po zaka-¿eniu uzyskan¹ kultur¹ bakterii kolejnych myszy, od-kry³ u nich charakterystyczne symptomy w¹glika, a w krwi stwierdza³ bakterie. W ten sposób Koch zamkn¹³ pewien cykl badañ nad przyczyn¹ i skutkiem choro-by, zgodnie z którym wymagania postawione przez Henlego dla zdefiniowania przyczyny choroby za-kanej zosta³y spe³nione. Udowodni³, ¿e specyficzne bakterie wywo³uj¹ specyficzne i charakterystyczne za-ka¿enia. Za cykl badañ nad w¹glikiem zyska³ uzna-nie ze strony Ferdynanda Cohna, botanika z Instytutu Fizjologii Rolin na uniwersytecie we Wroc³awiu (Breslau), a wyniki pracy pt. The etiology of anthrax
based on the development of Bacillus anthracis opub-likowa³ w 1876 r. w Beitr.z.Biol.d.Pfanzen 2.277-310 (2, 9, 10, 14, 27).
Prace nad chorobami zakanymi i zaka¿eniami ran u ¿o³nierzy podczas wojny prusko-francuskiej 1870--1871 przynios³y Kochowi uznanie wiata naukowe-go i w 1880 r. stanowisko dyrektora laboratorium bakteriologicznego w Cesarskim Instytucie Zdrowia w Berlinie. Rozwija³ tam metody badañ bakteriolo-gicznych i podejmowa³ badania nad plagami tamtych czasów: grulic¹ (white plaque), b³onic¹ i durem brzusznym. Pewne dane na temat zakanej natury grulicy by³y ju¿ znane z prac Jean-Antoine Villemin (Francja) i Juliusza Cohnheim (Niemcy), którzy od-tworzyli chorobê u zwierz¹t inokulownych materia-³em klinicznym. Clemens von Baumgarten w Königs-bergu (Królewiec) zidentyfikowa³ czynnik wywo³u-j¹cy grulicê, nie wyizolowa³ jednak bakterii in vitro i nie odtworzy³ choroby. Zrobi³ to Koch, izoluj¹c pr¹t-ki na ciêtej termicznie surowicy bydlêcej lub owczej i zaka¿aj¹c nimi winki morskie, u których dochodzi-³o do rozwoju grulicy. Wyniki pracy nad etiologi¹ grulicy przedstawi³ 24 marca 1882 r. (st¹d 24 marca jest wiatowym dniem grulicy), daj¹c wyk³ad w Ber-liñskim Towarzystwie Fizjologicznym, przedstawia-j¹c jednoczenie now¹ koncepcjê przyczyny choroby w oparciu o postulaty Kocha-Henlego (Koch nie by³ zaproszony do przedstawienia wyk³adu w bardziej presti¿owym Berliñskim Towarzystwie Lekarskim opanowanym przez Virchowa zwolennika teorii po-wstawania choroby z powodów nieprawid³owej czyn-noci w³asnych komórek) (14, 27).
Formalnie postulaty zosta³y opublikowane w 1884 r. przez Friedricha Loefflera w odniesieniu do b³onicy z powo³aniem siê na zasady ustanowione przez R. Ko-cha, zgodnie z którymi w 1882 r. udowodni³ etiolo-giczn¹ rolê pr¹tków w wywo³ywaniu grulicy (18). W nawi¹zaniu do nich, w celu udowodnienia zaka-nej natury choroby powinny byæ spe³nione nastêpuj¹-ce warunki:
mikroorganizm o okrelonych kszta³tach i u³o¿e-niu konsekwentnie musi byæ obecny w chorobowo zmienionych tkankach,
mikroorganizm odpowiedzialny za wywo³anie specyficznej choroby musi zostaæ wyizolowany od chorych i rosn¹æ w czystej kulturze,
zaka¿enie czyst¹ kultur¹ drobnoustrojów zwierz¹t dowiadczalnych musi spowodowaæ u nich chorobê.
Postulaty by³y kamieniem milowym w mikrobiolo-gii medycznej, poniewa¿ przy ich pomocy poza wszel-k¹ w¹tpliwoci¹ mo¿na by³o udowodniæ, ¿e poszcze-gólne drobnoustroje stanowi¹ przyczynê choroby za-kanej. Równoczenie jednak wp³ynê³y na utrwalenie siê pogl¹du, ¿e specyficzny drobnoustrój (inny czyn-nik) wywo³uje specyficzn¹ chorobê (jeden drobno-ustrój inny czynnik odpowiedzialny jest za jedn¹ cho-robê) bêd¹cy podstaw¹ jednoczynnikowej koncepcji choroby (3, 10, 14, 20).
Cholera przyk³adem biokompleksowego modelu przyczyny choroby
Cholera, która endemicznie wystêpowa³a w Indiach, podejrzewana by³a o bakteryjn¹ etiologiê. Kiedy w 1883 r. zaatakowa³a Egipt i pojawi³a siê obawa, ¿e mo¿e równie¿ dotkn¹æ Europê, rz¹dy europejskie wys³a³y tam swoich najlepszych badaczy. Prusy wy-s³a³y Roberta Kocha, Georga Gaffkyego i Bernharda Fischera. Zespó³ niemiecki, dziêki zastosowaniu pod-³ó¿ sta³ych, doæ szybko wyizolowa³ w czystej kultu-rze Vibrio cholerae ze rodowiska i próbek od pacjen-tów. Przecinkowce spe³nia³y pierwszy i drugi postulat Kocha. Trzeci zosta³ wype³niony przez przypadek, kie-dy lekarz z ekipy francuskiej po³kn¹³ bakterie i dosz³o u niego do rozwoju choroby. Zwierzêcy model (win-ka mors(win-ka) zosta³ odkryty po powrocie Kocha do Ber-lina w czasie wybuchu cholery w 1884 r. w Europie. Podczas pracy nad choler¹ okaza³o siê jednak, ¿e Vi-brio cholerae obecne s¹ równie¿ u osobników zdro-wych (nosicielstwo), co sta³o w sprzecznoci do wy-nikaj¹cego z postulatu 2 specyficznego zwi¹zku po-miêdzy drobnoustrojem i chorob¹. Podobnie rzecz siê mia³a w odniesieniu do Plasmodium falciparum, czyn-nika etiologicznego malarii, którego nie udawa³o siê wyizolowaæ in vitro (9, 14, 20, 27). Koch mia³ wia-domoæ pewnych ograniczeñ w udowodnieniu etiolo-gicznej roli okrelonego czynnika wynikaj¹cych z po-stulatów i uwa¿a³, ¿e je¿eli dwa pierwsze z nich s¹ spe³niane, to zwi¹zek przyczynowy pomiêdzy czynni-kiem a chorob¹ mo¿na udowodniæ (9).
Wspó³czesne prace nad Vibrio cholerae i odkrycie rodowiskowego rezerwuaru tych bakterii w luzowej otoczce niebiesko-zielonych alg, a tak¿e wp³ywu na ich namna¿anie siê temperatury wód oceanicznych i zmian klimatycznych wp³ynê³y na opracowanie bio-kompleksowego modelu ryzyka wyst¹pienia cholery. Uwzglêdnia on molekularne pod³o¿e chorobotwór-czoci bakterii, ale równie¿ wi¹¿e wyst¹pienie cho-roby z socjalno-bytowymi uwarunkowaniami ludzi i zmianami klimatycznymi (6, 13, 17).
W podejciu Kocha i jemu wspó³czesnych do przy-czyny choroby dominuje przekonanie o wa¿noci po-jedynczego drobnoustroju lub jego toksycznego pro-duktu. Na przyk³adzie cholery po ponad 100 latach od ustanowienia postulatów Kocha widzimy biokomplek-sowe podejcia do ustanowienia zwi¹zku przyczyno-wego pomiêdzy chorob¹ a drobnoustrojem (3, 6). Nie-zale¿nie od wspó³czesnego spojrzenia na postulaty Kocha, jego prace nad chorobami zakanymi (zasady higieny, oczyszczanie wody podczas epidemii cholery w Hamburgu w 1892 r. itp.), odnosz¹ce siê do popula-cji, da³y pocz¹tek epidemiologii chorób zakanych i rozwojowi metod im zapobiegania (14).
Wspó³czesna koncepcja bakteryjnych zaka¿eñ Kolejne odkrycia w mikrobiologii, wirusologii znacznie rozszerzy³y listê czynników zakanych o no-we bakterie, wirusy czy priony, za postêp w
genomi-ce, proteomice przyczyni³ siê do poznania szczegó-³ów patogenezy chorób, których wystêpowanie prze-bieg i skutku nie da siê wyjaniæ w oparciu o postulaty Kocha (9, 12, 15, 19, 21, 25). Ich rozwiniêcie stano-wi³y postulaty molekularne zaproponowane przez Stanley Falkova, koncentruj¹ce siê na ekspresji genów, których produkty wp³ywaj¹ na chorobotwórczoæ czyn-ników zakanych. W relacji z gospodarzem dynamika ekspresji bakteryjnych genów bêdzie ostatecznie wp³y-wa³a na to, czy namna¿anie siê bakterii bêdzie ograni-czone, czy bêdzie dochodziæ do zaka¿enia (7, 8).
Odkrycie wród bakterii podyktowanego okrelon¹ sytuacj¹ zjawiska ci¹g³ej wymiany genów powoduje, ¿e pozyskuj¹ one nowe unikatowe cechy. Okazuje siê równie¿, ¿e odpowied ze strony gospodarza nie za-le¿y tylko od potencjalnych cech kodowanych w bak-teryjnym genomie, ale równie¿ od procesów na pozio-mie molekularnym towarzysz¹cych relacjom bakterie gospodarz, ich dynamiki i przestrzeni, w której maj¹ miejsce, jak równie¿ czasu ich trwania. Wynik zaka-¿enia w tej sytuacji nie jest jedynie kwesti¹ interakcji pomiêdzy patogenem i odpowiedzi¹ immunologiczn¹ gospodarza, jak powszechnie siê s¹dzi, ale równie¿ od biochemicznego dialogu pomiêdzy patogenem i gos-podarzem, skutkiem którego mo¿e dochodziæ do sym-biozy, jako wyrazu molekularnego uspokojenia lub konfliktu manifestuj¹cego siê zapaleniem, uszkodze-niem komórek, tkanek itp. To sprawia, ¿e ponownie kwestia ustalenia czynnika odpowiedzialnego za za-ka¿enia wymaga doprecyzowania (4, 9, 16, 24).
Faktycznie, wszystkie mikroorganizmy mo¿na uznaæ za oportunistyczne. Wykszta³ci³y one z³o¿ony system odczuwania zmian w rodowisku, w którym wystêpu-j¹ i reagowania na nie. Na ujawnianie siê zjadliwoci czy te¿ kontrolowanie liczebnoci populacji wp³ywa rozeznanie przez nie potencjalnych korzyci, jakie mog¹ osi¹gn¹æ lub te¿ kosztów, jakie mog¹ ponieæ. W warunkach dostatku sk³adników pokarmowych i braku czynników niekorzystnych zbiorowisko mi-kroorganizmów wykazuje stabilny i powolny wzrost. W sytuacji zagro¿enia i wspó³zawodnictwa o pokarm wspólnota mikroorganizmów ulega destabilizacji, do-chodzi do ujawnienia siê cech zjadliwoci, jak np. wspó³zawodnictwa z gospodarzem o sk³adniki od¿yw-cze, inwazji do komórek i tkanek, np. poprzez trzeci system sekrecji, uruchomienia szeregu procesów obronnych, jak np. tworzenie biofilmu, wytwarzanie toksyn itp. Bakterie wykszta³caj¹ w tym celu wiele struktur i mechanizmów b³onowego i transos³onowe-go przekanictwa i przetwarzania sygna³ów, poprzez które odbieraj¹ bodce ze rodowiska i odpowiadaj¹ na nie. Wielosk³adnikowe b³onowe bioczujniki zdol-ne s¹ do odbierania zarówno sygna³ów fizjochemicz-nych, jak np. pH, obecnoci sk³adników pokarmowych, cinienia osmotycznego, jak równie¿ rozpuszczalnych i strukturalnych sk³adników gospodarza, jak np. sk³a-dowych powierzchni jego komórki, stanu mikroro-dowiska, obecnoci sk³adników odpornociowych,
jak np. interferonu gamma, dynorfin oraz produktów uszkodzenia tkanek, jak np. adenozyny (1, 16, 22). Czynniki rodowiskowe zbierane s¹ na powierzchni komórki bakteryjnej i nastêpnie transportowane do cytoplazmy, gdzie s¹ przetwarzane przez drugi system czuciowy, znany jako quorum sensing signaling sys-tem. Jest to hierarchiczny system regulacji, poprzez który zbiorowisko bakterii mo¿e oszacowaæ i regulo-waæ swoj¹ liczebnoæ, jak równie¿ zsynchronizoregulo-waæ zachowanie populacji za pomoc¹ ma³ych dyfunduj¹-cych cz¹steczek przep³ywaj¹dyfunduj¹-cych pomiêdzy s¹siadu-j¹cymi komórkami. Okazuje siê, ¿e bakterie wykorzy-stuj¹ quorum sensing system nie tylko do kontrolowa-nia swojej populacji, ale równie¿ do odpowiedzi na czynniki gospodarza uwolnione w nastêpstwie uszko-dzenia jego tkanek, elementy uk³adu odpornociowe-go, koñcowe produkty niedotlenienia tkanek, jak np. adenozynê itp. Co wiêcej, mo¿liwy jest miêdzydome-nowy molekularny dialog pomiêdzy bakteriami po-przez ich quorum sensing system a ró¿nymi tkankami gospodarza. W ten sposób np. cz¹steczki uczestnicz¹-ce w systemie obronnym gospodarza mog¹ aktywo-waæ lub wyciszaæ bakteryjny quorum sensing system i podobnie cz¹steczki uczestnicz¹ce w quorum sen-sing system mog¹ aktywowaæ sygna³y wysy³ane przez gospodarza lub je wyciszaæ (1, 22).
Pokazuje to istnienie wielokierunkowej sieci, po-przez któr¹ mo¿liwe jest przesy³anie sygna³u i poro-zumiewanie siê bakterii z bakteriami, bakterii z gos-podarzem i gospodarza z bakteriami, i jest ilustracj¹ chemicznego jêzyka zaka¿enia. Zdolnoæ drobnoustro-jów do wzajemnego komunikowania siê i przetwarza-nia informacji na temat dostêpnoci po¿ywieprzetwarza-nia, sta-nu zdrowia gospodarza by³a podstaw¹ uznania bak-terii za zdolne do tworzenia grup spo³ecznych (mi-krobiologicznych konsorcjów). Zagadnieniami tymi zajmuje siê nowa ga³¹ mikrobiologii socjomikro-biologia, opisuj¹ca chemiczne procesy, poprzez które budowane s¹ powi¹zania pomiêdzy bakteriami, two-rzone strukturalne i socjalne wspólnoty z wyodrêbnio-nymi wêz³ami i centrami. Dziêki badaniom socjo-mikrobiologicznym mo¿na siê dowiedzieæ, jak i co od-czuwa nasz bakteryjny partner w sytuacji fizjologicz-nego stresu gospodarza, np. podczas transplantacji narz¹dów, niedotlenienia tkanek, farmakologicznej immunosupresji, antybiotykoterapii i innych czynni-ków oddzia³uj¹cych na gospodarza (22, 23, 26).
Sprawowanie kontroli nad zaka¿eniem w sytuacji silnego fizjologicznego stresu, któremu poddawany jest makroorganizm, wymaga zrozumienia i oceny prze-biegu tych interakcji w czasie rzeczywistym pomiê-dzy ró¿nymi wspólnotami bakteryjnymi w reakcji na sygna³y wysy³ane przez gospodarza. Z punktu widze-nia potencjalnie patogennego drobnoustroju nieprzy-zwyczajonego do ¿ycia w takim rodowisku, poszcze-gólne sygna³y wysy³ane przez gospodarza mog¹ akty-wowaæ programy ekspresji genów koduj¹cych czyn-niki wirulencji bêd¹ce mierteln¹ ofensyw¹,
skierowa-n¹ przeciwko gospodarzowi. Przez niektórych mikro-biologów takie zachowanie drobnoustrojów okrela-ne jest jako krótkowzroczokrela-ne, prowadz¹ce do nadmier-nego zu¿ycia zasobów pokarmowych przynosz¹cych szkodê gospodarzowi, od którego zale¿y ich prze¿y-cie. Takie sytuacje zdarzaj¹ siê w trakcie intensywnej terapii i przypadkowych zasiedleñ drobnoustrojami, które nie koewoluowa³y z gospodarzem, jak np. mety-cylino-opornych gronkowców z³ocistych (MRSA), pa³eczek Pseudomonas itp., które w odpowiedzi na sygna³y odbierane ze rodowiska zaczynaj¹ ujawniaæ swój zjadliwy fenotyp. Istniej¹ liczne dowody na to, ¿e taktyka ujawniania zjadliwoci przez wiele przy-padkowych patogenów jest nieprzewidywalna. Takie drobnoustroje czêsto znajduj¹ siê w okrelonym tylko miejscu i s¹ niewykrywalne metodami klinicznymi i molekularnymi. W przedstawionym kontekcie po-wszechne twierdzenie, ¿e zaka¿enie nastêpuje w na-stêpstwie przypadkowego wnikniêcia drobnoustrojów do uszkodzonej tkanki przy niedostatecznej reakcji ze strony uk³adu immunologicznej jest zatem daleko id¹-cym uproszczeniem (1, 22, 26).
Zmiana w nastawieniu do rozumienia patofizjologii zaka¿enia przyczyni³a siê równie¿ do zmiany w spo-sobach leczenia zaka¿eñ, które okrela siê terminem leczenia zjadliwoci virulence-based therapy. Istot¹ takiego postêpowania jest hamowanie ujawniania siê zjadliwoci bakterii bez ich zabijania, stymulowanie stabilnoci mikroflory przy pomocy probiotyków, wp³ywanie przy pomocy rodków farmakologicznych na stabilnoæ mikrorodowiska, tak aby wp³ywaæ w ten sposób na wyt³umianie sygna³ów mog¹cych sty-mulowaæ drobnoustroje do zmiany ich fenotypu na zjadliwy (5).
Patogeny, które uczestnicz¹ w kolonizacji okrelo-nych nisz u gospodarza, wykszta³ci³y na drodze ewo-lucyjnej mechanizmy zmiennoci i przystosowawcze, daleko bardziej z³o¿one ni¿ nasze wspó³czesne tech-nologiczne mo¿liwoci ich oceny i kontroli. Nie za-wsze dla nas jasne sygna³y uwalniane do rodowiska np. podczas zabiegów chirurgicznych powoduj¹, ¿e bakterie zmieniaj¹ swój charakter i z niegronego ko-lonizatora staj¹ siê patogenami zagra¿aj¹cymi ¿yciu pacjenta. Czy zatem mo¿liwe jest kontrolowanie uwal-niania podobnych sygna³ów? S¹ pierwsze doniesienia, ¿e jest to w okrelonych sytuacjach mo¿liwe. Badacze z zespo³u J. C. Alveredy (22) opisali wyniki dowiad-czenia, w którym udowodnili, ¿e zwiêkszaj¹c stê¿e-nie fosforanów podczas zabiegów na jelitach zapobiega siê powstaniu sepsy jelitowej spowodowanej przez Pseudomonas aeruginosa. Udowodnili oni, ¿e niedo-statek fosforanów w luzówce jelita biodrowego i gru-bego podczas zabiegu na nim jest sygna³em odbiera-nym przez pa³eczki Pseudomonas do ujawniania le-talnego fenotypu. Dochodzi do ekspresji zale¿nego od quorum sensing bia³ka zjadliwoci, PA-I pektyny/ad-hezyjny. Powsta³e bia³ko u³atwia przyczepianie siê bakterii do komórek nab³onka jelitowego, dochodzi
do prze³amania bariery jelitowej i dostawania siê do kr¹¿enia systemowego produkowanych letalnych cy-totoksyn, jak np. egzotoksyny A, skutkuj¹cego seps¹. Niedostatek fosforanów w jelicie jest skutkiem uwal-niania siê fosfatoniny podczas zabiegów chirurgicz-nych, która zwiêksza wydalanie fosforanów wraz z moczem. Jelitowe szczepy P. aeruginosa odczuwaj¹ brak fosforanów poprzez wysoce konserwatywny wie-losk³adnikowy fosfoczuciowy system regulatorowy PstS-PhoB powi¹zany z quorum sensing, obecny tak-¿e u innych patogenów jelitowych, jak np. Klebsiella, Serratia czy Enterococcus. W warunkach dowiadcze-nia na myszach, doustne podanie fosforanów podczas zabiegów chirurgicznych na jelitach chroni³o zwierzêta przed rozwojem sepsy jelitowej spowodowanej przez P. aeruginosa, w tym równie¿ przez szczepy wielo-oporne, co mo¿e potwierdzaæ, ¿e podjêta terapia przy-czyni³a siê do niwelacji sygna³ów wys³anych do rodo-wiska przez gospodarza i braku reakcji ze strony poten-cjalnych patogenów. Dodatkowe wnioski, jakie mo¿-na wyci¹gn¹æ z przeprowadzonego dowiadczenia, to: niedostatek fosforanów mo¿e byæ uniwersalnym sygna³em dla wielu patogenów do ujawniania swoje-go zjadliweswoje-go fenotypu oraz ¿e
obecnoæ fosforanów u gospodarza mo¿e byæ wyrazem jego dobrej kondycji.
Opisany przyk³ad pokazuje, ¿e kontrolowanie mi-krorodowiska poprzez terapiê zjadliwoci w przestrze-ni okrelanej jako obszar kontaktu pomiêdzy drobno-ustrojami i gospodarzem (interactome) jest nowym ekonaturalnym podejciem do rozwoju zaka¿enia i jego zapobiegania. Wspó³czenie podejmowane ba-dania, w oparciu o metagenomikê, metatranskrypto-mikê, proteomikê i metabolomikê maj¹ na celu sper-sonalizowanie odpowiedzi gospodarza na zaka¿enie i podejmowane leczenie poprzez rozpoznanie jego puli bakteryjnego DNA (mikrobiom). Byæ mo¿e, w przy-sz³oci bêdziemy dysponowali kompletn¹ wiedz¹ na temat obecnych u cz³owieka i zwierz¹t mikroorganiz-mów, wystêpuj¹cych u nich genów i potencjalnych ich produktów, które w danym czasie i miejscu bêd¹ akty-wowane przez sygna³y wysy³ane przez gospodarza i bêd¹ wp³ywa³y na powstanie i rozwój okrelonego zaka¿enia. Pozwoli nam to na zrozumienie, dlaczego te same drobnoustroje czasami pozostaj¹ niegrony-mi kolonizatoraniegrony-mi naszych tkanek, a czasaniegrony-mi gro-nymi dla ¿ycia patogenami. Aktualnie matematyczne metody modelowania i symulacji w oparciu o dotych-czas poznane molekularne dane na temat drobnoustro-jów, komórek i tkanek gospodarza bêd¹ce ekstrapola-cj¹ danych laboratoryjnych i badañ klinicznych, stara-j¹ siê komputerowo wizualizowaæ okrelone scenariu-sze s³u¿¹ce rozwi¹zywaniu problemów klinicznych, koordynowaniu terapii i rozwoju badañ nad nowymi lekami. Tysi¹ce danych dotycz¹cych mierzalnych war-toci, podlegaj¹cych dynamicznym zmianom analizo-wane s¹ przez komputery i na ich podstawie rysoanalizo-wane okrelone scenariusze s³u¿¹ce prognozowaniu relacji
pomiêdzy mikroorganizmami i gospodarzem, przy-czyniaj¹ siê do rozwijania personalnej medycyny. W przedstawionym kontekcie postulaty Kocha wy-magaj¹ ponownego ich przystosowania do nowych, wynikaj¹cych z poznania, paradygmatów (5, 22).
Podsumowanie
Spojrzenie na postulaty Kocha z dzisiejszej perspek-tywy, to w gruncie rzeczy spojrzenie na przyczyny chorób przez pryzmat osi¹gniêæ mikrobiologii, nauk biomedycznych i weterynaryjnych ostatnich ponad stu lat i ewolucji tych dyscyplin w kierunku molekularnej mikrobiologii, genomiki i proteomiki (2, 8, 9). Odkry-cie wirusów i innych subkomórkowych czynników zakanych, specyficzny zwi¹zek niektórych paso¿y-tów z jednym gatunkiem gospodarza, nosicielstwo, powstawanie zmian chorobowych w nastêpstwie uwal-nianych przez drobnoustroje toksyn czy mechanizmów immunologicznych, indukcja ekspresji lub zanik funk-cji okrelonego genu, koinfekcja bakterii i fagów, re-kombinacja genetyczna, czynniki ze strony gospoda-rza, jak: odpornoæ, stan fizjologiczny, predyspozycja genetyczna i wreszcie czynniki rodowiskowe, w tym rola wektorów, rezerwuaru czynników zjadliwoci itp. powoduj¹, ¿e ramy nakrelone przez Kocha dla przy-czynowego zwi¹zku drobnoustroju z chorob¹ staj¹ siê zbyt ciasne i schematyczne. Podzia³ na organizmy patogenne i niepatogenne by³ zasadny i zrozumia³y w odniesieniu do klasycznych czynników etiologicz-nych chorób zakaetiologicz-nych w minioetiologicz-nych czasach. Po-wszechne wprowadzenie sanitacji, szczepieñ, surowic odpornociowych czy chemioterapii praktycznie spo-wodowa³o wyeliminowanie klasycznych patogenów i problemu chorób zakanych w wiêkszoci wiata. Wprowadzenie jednak terapii kortykosteroidowej, rodków cytotoksycznych, upowszechnienie transplan-tologii i chirurgii inwazyjnej, a tak¿e katastroficzna epidemia HIV i podobnych wirusów u zwierz¹t i cz³o-wieka spowodowa³y wzrost populacji osobników z os³abionym uk³adem immunologicznym, wra¿liwych na zaka¿enia drobnoustrojami uwa¿anymi wczeniej za niechorobotwórcze (13, 19, 21, 24). Do dominacji okrelonych patogenów przyczyni³a siê równie¿ selek-cja antybiotykowa bakterii prowadzona od lat 40. XX wieku. Wspó³czesne odkrycia weryfikuj¹ zatem jed-noczynnikowy model przyczyny choroby na rzecz wie-lu czynników. Nie mo¿na jednak odmówiæ postula-tom Kocha fundamentalnego znaczenia w budowaniu nowoczesnej wiedzy na temat przyczyny chorób za-kanych, uwzglêdniaj¹cej nie tylko drobnoustroje, ale równie¿ ich relacje z gospodarzem w okrelonym ro-dowisku.
Pimiennictwo
1.An D., Shapiro M., Crandall M., Issa M., West M.: Critical illness as eco-logical collapse: modeling the impact of stress, ischemia, and therapy on host-bacterial ecology of the gut. Surg. Infect. 2008, 9, 277.
2.Binek M.: Spojrzenie na postulaty Kocha po stu latach od mierci ich Twór-cy. Post. Mikrobiol. 2010, 49, 157-164.
3.Broadbent A.: Causation and model of disease in epidemiology. Stud. Hist. Philos. Biol. Biomed. Sci. 2009, 40, 302-311.
4.Casadevall A., Pirofski L. A.: Host-pathogen interactions: Basic concepts of microbial commensalism, colonization, infection, and disease. Infect. Immun. 2000, 68, 6511-6518.
5.Clatworthy A. E., Pierson E., Hung D. T.: Targeting virulence: a new para-digm for antimicrobial therapy. Nat. Chem. Biol. 2007, 342, 161-167. 6.Colwell R. W.: Biocomplexity. The 99th Annual General Scientific Meeting
of the American Society for Microbiology, McCornik Place, Chicago, IL 1999. 7.Falkov S.: Molecular Kochs postulates applied to microbial pathogenicity.
Rev. Infect. Dis. 1988, 10 (suppl. 2), S274-S276.
8.Falkov S.: Molekular Kochs postulates applied to bacterial pathogenicity a personal recollection 15 years later. Nature Rev. Microbiol. 2004, 2, 67-72. 9.Fredricks D. N., Relman D. A.: Sequence-based identification of microbial pathogens: a reconsideration of Kochs postulates. Clin. Microbiol. Rev. 1996, 9, 18-33.
10.Gradmann C.: A matter of methods: the historicity of Kochs postulates 1840--2000. Medizinhhist J. 2008, 42, 121-148.
11.Gradmann C.: Robert Koch and the pressure of scientific research: tubercu-losis and tuberculin. Medical History 2001, 45, 1-32.
12.Hanson R. P.: Koch is dead. J. Wildlife Dis. 1988, 24, 193-200.
13.Inglis T. J. I.: Principia aetiologica: taking causability beyond Kochs postu-lates. J. Med. Microbiol. 2007, 56, 1419-1422.
14.Kaufmann S. H. E., Schaible U. E.: 100th anniversary of Robert Kochs
Nobel Prize for the discovery of the tubercle bacillus. Trends Microbiol. 2005, 13, 469-475.
15.Ksiazek T. G., Peters C. J., Rollin P. E., Zaki S., Nichol S., Spiropoulou C., Morzunov S., Feldmann H., Sanchez A., Khan A. S.: Identification of a new North American hantavirus that cause acute pulmonary insufficiency. Am. J. Trop. Med. Hyg. 1995, 52, 117-123.
16.Levin B. R., Antia R.: Why we dont get sick: the within-host population dynamics of bacterial infections. Science 2001, 292, 112-115.
17.Lipp E. K., Huq A., Colwell R. R.: Effects of global climate on infectious disease: the cholera model. Clin. Microbiol. Rev. 2002, 15, 757-770. 18.Loeffler F.: Untersuchungen über die Bedeutung der Mikroorganismen für
die Entstehung der Diphtherie beim Menschen, bei der Taube und beim Kalbe. Mitth. A. d. Kaiserl. Gesundheitsamtes 1884, 2, 421-499.
19.Mortimer P. P.: Five postulates for resolving outbreaks of infectious disease. J. Med. Microbiol. 2003, 52, 447-451.
20.Munch R., Biel S. S.: Expedition, experiment and expertise reflected in Robert Kochs assets. Sudhoffs Arch. 1998, 82, 1-29.
21.Relman D. A.: Detection and identification of previously unrecognized microbial pathogens. Emerging Infect. Dis. 1998, 4, 382-389.
22.Seal J. B., Morowitz M., Zabornia O., An G., Alverdy J. C.: The molecular Kochs postulates and surgical infection: a view forward. Surgery 2010, 147, 757-765.
23.Shapiro J. A.: Bacteria are small but not stupid: cognition, natural genetic engineering and socio-bacteriology. Stud. Hist. Philos. Biol. Biomed. Sci. 2007, 38, 807-819.
24.Stephens D. S., Moxon E. R., Adams J., Altizer S., Antonovics J., Aral S., Berkelman R., Bond E., Bull J., Gauthen G., Farley M. M., Glasgow A., Glasser J. W., Katner H. P., Kelley S., Mittler J., Nahmias A. J., Nichol S., Perrot V., Pinner R. W., Schrag S., Small P., Thrall P. H.: Emerging and reemerging infectious diseases: a multidisciplinary perspective. Am. J. Med. Sci. 1998, 315, 64-75.
25.Walker L., Le Viene H., Jucker M.: Kochs postulates and infectious proteins. Acta Neuropathol. 2006, 112, 1-4.
26.West S. A., Griffin A. S., Gardner A., Diggle S. P.: Social evolution theory for microorganisms. Nat. Rev. Microbiol. 2006, 4, 597-607.
27.Zwolska Z.: Robert Koch twórca bakteriologii chorób zakanych. Wyd. Via Medica, Gdañsk 2006.
Adres autora: prof. dr hab. Marian Binek, ul. Ciszewskiego 9, 02-786 Warszawa
