Klostridije (Clostridia): anaerobne, sporogene bakterije — bolezni in toksini

Klostridije: anaerobne, sporogene bakterije — bolezni in nevarni toksini (botulizem, tetanus, C. difficile), pregled vrst, mehanizmov in preventive.

Klostridiji so razred Firmicutes, ki vključuje Clostridium in druge podobne rodove.

Značilnosti in morfologija

Klostridiji so obligatni anaerobi, kar pomeni, da rastejo in se razmnožujejo le v okoljih brez prostega kisika, ki je zanje strupen. Večina pripada skupini gram-pozitivnih bakterij in ima paličasto obliko; vse vrste rodu Clostridium so grampozitivne in lahko tvorijo spore. Spore so zelo odporne na toploto, sušo, nekatere kemikalije in pomanjkanje hranil ter omogočajo dolgotrajno preživetje v tleh in drugih okoljih. Ko spore pridejo v ugodne, anaerobne razmere, lahko ponovno izcvetijo v vegetativne, toksično aktivne celice.

Taksonomija in filogenetske odnose

Študije so pokazale, da niso monofiletična skupina; pravzaprav so zelo polifilni in njihovi medsebojni odnosi še niso povsem dorečeni. Večino uvrščamo v skupino Clostridiales, ki pa ni nujno naravna (monofiletična) skupina. Zaradi molekularnih podatkov in genomike se pričakuje nadaljnja reorganizacija in preimenovanja rodov v prihodnosti.

Toksini in mehanizmi delovanja

Veliko pomena klostridije pridobijo zaradi močnih toksinov, ki jih proizvajajo nekateri patogeni. Najbolj znani sta tetanusni toksin (tetanospazmin), ki ga proizvaja C. tetani, in botulinski toksin, ki ga proizvaja C. botulinum. Ti toksini delujejo na živčni sistem, vendar z nasprotnimi učinkovanji:

• Botulinski toksin blokira sproščanje acetilholina na presinaptičnih koncih živčnih celic, kar povzroči flakidno (sproščeno) paralizo in lahko vodi do respiratorne insuficience.
• Tetanospazmin blokira sproščanje inhibitornih nevrotransmiterjev (glicin, GABA) v hrbtenjači, kar povzroči nepravilno sproščanje mišic in spastično paralizo (tetanus).

Poleg teh sta pomembna še številna druga strukturno in funkcionalno različna toksina: npr. alfa-toxin (lecitinaza) pri C. perfringens, ki prispeva k nekrozi tkiv in gasni gangreni, ter toksini C. difficile (toxin A in toxin B), ki poškodujeta epitel črevesja in sprožita psevdomembranski kolitis.

Pomembne vrste in bolezni

Večina vrst iz rodu Clostridium so saprofitski organizmi, navadno prisotni v okolju (predvsem v zemlji), vendar rod vsebuje tudi pomembne človeške patogene. Toksini, ki jih proizvajajo nekateri pripadniki rodu Clostridium, so med najnevarnejšimi znanimi. Primera sta tetanusni toksin (znan kot tetanospazmin), ki ga proizvaja C. tetani, in botulinski toksin, ki ga proizvaja C. botulinum.

Pomembne vrste tega razreda so:

• Clostridium perfringens (gangrena, zastrupitev s hrano)
• Clostridium difficile (psevdomembranski kolitis)
• Clostridium tetani (tetanus)
• Clostridium botulinum (botulizem)
• Clostridium acetobutylicum
• Clostridium haemolyticum
• Clostridium novyi
• Clostridium oedematiens

Podrobneje o nekaterih vrstah:

• Clostridium perfringens – pogosto povzroča gasno gangreno (nekrotizirajoča infekcija mišičnega in vezivnega tkiva) in je tudi eden najpogostejših povzročiteljev zastrupitev s hrano (enterotoksin). Pri globokih ranah in poškodbah, kjer je prisoten anaerobni mikrookolj, se razmnožuje in proizvaja nekrotizirajoče toksine.
• Clostridium difficile – povezan z antibiotikom sproženim driskam in psevdomembranskim kolitisom. Po antibiotični terapiji se poruši normalna črevesna mikrobiota, kar omogoči razrast C. difficile in sproščanje toksinov A in B.
• Clostridium tetani – izvira iz tal in prašnih materialov; preko poškodovane kože vstopi v rane in proizvaja tetanospazmin, kar vodi v trdno (spastično) paralizo. Cepljenje je zelo učinkovito preprečevalni ukrep.
• Clostridium botulinum – proizvaja botulinski toksin, močan nevrotoksin, ki povzroča flakidno paralizo pri botulizmu; pogosti viri so kontaminirana domače konzervirana hrana, med in ranjeni pri dojenčkih.
• Clostridium acetobutylicum – pomemben v industriji, znan po ABE-fermentaciji (produkcija acetona, butanola in etanola).

Diagnostika in laboratorijsko delo

Vzročnike klostridij obravnavamo z anaerobno kulturovno tehniko. Diagnostika pogosto vključuje kulturo bakterij, detekcijo toksinov s preskusi (npr. imunoeseji) ali molekularne metode (PCR). Ker nekateri klostridiji proizvajajo izjemno močne toksine, laboratorijsko delo z ogroženimi sevi zahteva ustrezne varnostne ukrepe (biosafety level glede na vrsto, uporaba anaerobnih inkubatorjev, zaščitna oprema).

Zdravljenje in preprečevanje

Za nekatere klostridijske infekcije so na voljo specifični ukrepi:

• Tetanus: zdravljenje vključuje podporno nego (vključno z nadzorovanim prezračevanjem, če je potrebno), antitetanusni hiperimun globulin (neutralizacija nevezanega toksina) in antibiotike za odpravo bakterije. Najpomembnejša preventiva je cepljenje s tetanusnim anatoksinom.
• Botulizem: zahtevna podpora dihanju in obravnava v enoti intenzivne nege; uporaba antitoksina (histaminsko prilagojen konjski antitoksin ali humani antitoksin) lahko zmanjša težo bolezni, najboljša preventiva pa je varna obdelava in konzerviranje hrane.
• Clostridium difficile: zdravljenje običajno vključuje prenehanje sprožilnega antibiotika, specifične antibiotike proti C. difficile (sodobni protokoli pogosto priporočajo vancomycin ali fidaxomicin kot prve izbire); pri ponovitvah je učinkovita tudi fekalna mikrobiota transplantacija (FMT).
• Gasna gangrena in rane: nujna kirurška dekortikacija in odstranjevanje nekrotičnega tkiva, ustrezni antibiotiki ter v nekaterih primerih hiperbarična kisikova terapija zaradi oksidativne občutljivosti klostridij.

Vloga v okolju in industriji

Klostridiji so pomembni v ekoloških procesih kot razkrojitelji organske snovi v anaerobnem okolju. Nekatere vrste imajo industrijsko vrednost: Clostridium acetobutylicum se uporablja za proizvodnjo topil (acetona, butanola) in potencialno biogoriv; drugi se uporabljajo za proizvodnjo encimov, biokonverzijo in raziskave biotehnologije. Poleg tega se botulinski toksin v zelo majhnih, nadzorovanih odmerkih uporablja v medicini in estetski kirurgiji (npr. Botox) za zdravljenje nekaterih mišičnih motenj in gub.

Opomba o heliobakterijah

Heliobakterije so tudi članice razreda klostridij. Gre za fototrofne, obligatno anaerobne bakterije z edinstveno biologijo, ki fotosintezo izvajajo z bakteriochlorofilom g in so značilne za nekatera tla in površine, kjer je prisotna anoksična svetloba.

Skupaj so klostridiji raznolika skupina z velikim ekološkim, medicinskim in industrijskim pomenom; pravilna taksonomija in razumevanje njihove biologije sta ključna za uspešno preprečevanje, diagnostiko in zdravljenje bolezni, ki jih povzročajo.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je razred Firmicutes, ki vključuje Clostridium?

V: Ali so pripadniki rodu Clostridium obvezni anaerobi?

V: Ali so vrste rodu Clostridium monofilne ali polifilne?

V: Kje najdemo večino vrst tega rodu?

V: Katere toksine proizvajajo nekateri predstavniki tega razreda?

V: Kateri drugi organizmi spadajo v ta razred?

V: Navedite pet pomembnih vrst, ki spadajo v ta razred?

Išči po črki