virulens eller Nischfaktorer: Vad finns i ett namn?

introduktion

mikrobiologiska läroböcker beskriver vanligtvis virulensfaktorer som strukturer eller strategier som bidrar till den infektiösa potentialen hos en patogen mikrobe (5). Dessa strukturer kan vara kapslar, flagella, pili eller typ III sekretionssystem, medan strategier kan innebära produktion av exotoxiner, järnförvärv, immunflykt (t.ex. antigen variation eller fasvariation) eller translokation av eller störning av värdmembran. Vanligtvis kan dessa strukturer och strategier tilldelas två primära kategorier, de som främjar kolonisering och överlevnad och de som orsakar skada på värden. Ett fall kan emellertid göras att många av virulensfaktorerna i den tidigare kategorin bör karakteriseras mer korrekt som nischfaktorer, eftersom de ofta delas av ofarliga kommensala organismer som upptar samma kroppsplats.

ett exempel på en struktur som kan användas för att illustrera detta fenomen är den nyligen identifierade typen IVb tight adherence (Tad) pili i Bifidobacterium breve UCC2003 (7). Genom att använda en elegant gen knockout-strategi visade sig dessa bifidobakteriella pili selektivt transkriberas i mag-tarmkanalen (GI) i murina modeller, där de främjar kolonisering och biståndskonkurrens med andra medlemmar av tarmmikrobiota. De associerade generna finns också i många andra Bifidobacteriumarter. Tad typ IV (TadIV) pili är dock väletablerade virulensfaktorer hos patogener; en ny studie om liknande pili i Yersinia enterocolitica börjar med uttalandet ”typ IV pili är virulensfaktorer i många bakterier” (9). Är tad pili virulensfaktorer eller är det bättre att hänvisa till dem som nischfaktorer utformade för att främja konkurrenskraften i den dynamiska miljön i GI-kanalen? Detta är inte bara en pedantisk eller semantisk fråga, inte bara för att språket är viktigt utan för att brist på precision kan leda till förvirring och kan påverka framsteg inom vetenskaplig förståelse. En alternativ beskrivning kan vara att ” typ IV pili är nischfaktorer som många patogena bakterier har.”Detta är ett lika informativt, men kanske mer exakt, uttalande. Samma fenomen gäller för en allmänt kommersialiserad probiotisk stam, Lactobacillus rhamnosus GG, som har proteinhaltig pili som också finns i Gram-positiva patogener, inklusive Enterococcus faecalis, där de har visat sig spela en roll i patogenesen (4, 6).

denna nomenklatur har uppstått delvis eftersom mikrobiologer som arbetar med smittsamma organismer rutinmässigt definierar någon genprodukt som bidrar till den totala virulenspotentialen hos en patogen som en ”virulensfaktor.”Det här är hur många virulensfaktorer som har präglats under år av forskning. Vi följde denna praxis när vi identifierade ett galltoleranssystem i Listeria monocytogenes benämnt gall, vilket är en viktig strategi för patogenens gastrointestinala överlevnad (10). Celler som uttrycker galla kan utesluta galla, förmodligen genom utflöde, även om detta förblir obevisat i detta skede. I Oralt infekterade möss har frånvaron av gall en signifikant skadlig effekt på virulenspotentialen hos mutantstammen, vilket inte observeras hos intraperitonealt infekterade djur. Vi antog att gallan var en virulensfaktor baserad på det faktum att gallan endast uppträder i kroppen och även på det faktum att gallgenerna är under kontroll av master virulensregulatorn i L. monocytogenes, PrfA. Vi drog slutsatsen att gallan var en gastrointestinal virulensfaktor, eftersom det är tydligt viktigt i organismens övergripande patogena potential. Men i efterhand är detta ett bra exempel på en ”nischfaktor”, eftersom liknande galltoleransmekanismer (oavsett om de är genotypiskt lika eller inte) måste existera i kommensala organismer som gör sitt hem i de gallrika regionerna i GI-kanalen. Kanske borde det inte längre vara tillräckligt att definiera en virulensfaktor genom dess övergripande inverkan på patogenens infektiösa dos eller virulenspotential, utan snarare bör det vara mandat att det måste visas att det specifika systemet båda spelar en viktig roll i patogenesen och inte finns i kommensala bakterier som upptar samma kroppsställe eller nisch. Galla kan bättre beskrivas som en nischfaktor som krävs för gastrointestinal överlevnad av Listeria, som spelar en viktig roll i patogenens infektiösa livsstil. Ett annat relaterat exempel är närvaron av gallsalthydrolaser i tarmkommentaler och i patogener. En elegant studie uppgav tydligt att” Listeria monocytogenes gallsalthydrolas är en PrfA-reglerad virulensfaktor ” (3). Vi har dock visat att radering av BSh-gener i L. monocytogenes minskar organismens förmåga att kolonisera genom att minska dess förmåga att hantera gallan i tarmen (1) och gallsalthydrolas (BSH) – aktivitet finns också i många kommensaler som marknadsförs som probiotika (2). Detta skulle vara ett annat exempel på en nischfaktor snarare än en virulensfaktor. I allmänhet bör vi undvika att använda termen virulensfaktor för att beskriva genprodukter och strategier som sprids allmänt i samboende kommensala mikrober.

behovet av mer exakt språk är särskilt relevant i det specifika fallet med probiotika. Probiotika är mikrober som när de konsumeras i tillräckliga mängder ger en positiv effekt på värden. Probiotika och gastrointestinala patogener delar en liknande uppsättning utmaningar vid intag (Fig. 1), och det är därför inte förvånande att de delar liknande strategier för att hantera dessa utmaningar. Detta gäller särskilt med tanke på att den ursprungliga källan till de flesta probiotika och många patogener är själva mag-tarmkanalen, där de flesta av dessa utmaningar kontinuerligt kommer att uppstå. Detta kan få betydande konsekvenser för probiotisk vetenskap, eftersom tillsynsmyndigheter sannolikt kommer att kräva fullständiga genomsekvenser och bevis på att ”virulensfaktorer” saknas i någon ny commensal som föreslås för användning som probiotikum. I riktlinjerna för Europeiska myndigheten för livsmedelssäkerhet (EFSA) om mikrober som uppnår status som kvalificerad Säkerhetspresumtion (QPS) används termerna virulensfaktor och virulensdeterminanter, men utan definition (8). Den reglerande avsikten är tydlig, eftersom vi bör undvika att använda organismer som potentiellt kan skada värden under omständigheterna för deras leverans i stort antal till GI-kanalen. De flesta mikrober som föreslås för användning som probiotika kommer emellertid att ha många av koloniserings-och överlevnadsstrategierna som också används av patogener, vilket mycket väl kan ha fastställts i litteraturen som bona fide virulensfaktorer. Detta kan oavsiktligt leda till regleringsförvirring, eftersom en bokstavlig tolkning skulle förbjuda användningen av Bifidobacterium breve och många andra bifidobakterier som probiotika på grundval av närvaron av gener som kodar för TadIV pili, vilket säkert inte är tillsynsmyndigheternas avsikt och inte är till fördel för konsumenten.

för att skapa diskussion om detta ämne kan det föreslås att en sann virulensfaktor skulle definieras som en produkt, struktur eller strategi som hjälper en mikrobe att få tillgång till eller överleva i normalt icke-koloniserade kroppsställen eller cellulära fack (t. ex. internalin och invasin), orsaka skador på kroppen (t. ex. cytolytiska eller hemolytiska toxiner), orsaka dysregulering av immunsystemet i den utsträckning att skapa sjukdomssymptom (t. ex. t. ex., superantigener), eller orsaka ett neurologiskt svar som återigen leder till sjukdomssymptom (t.ex. neurotoxiner). Nischfaktorer skulle inkludera produkter eller strategier som främjar motilitet, galltolerans, immunflykt i icke – sterila kroppsställen, makro-och mikronäringsämnen, fästmekanismer och olika andra koloniserings-och mikrobe-värdkommunikationsstrategier.

det kommer att finnas fall där koloniseringsfaktorer som adhesiner som främjar bindning till normalt okoloniserade platser, såsom Pap pili i uropatogena Escherichia coli, skulle behålla sin status som virulensfaktorer, eftersom commensala motsvarigheter inte är rikliga och kolonisering av en normalt okoloniserad plats är till stor del ansvarig för sjukdomssymptomen. På samma sätt skulle faktorer för att undvika komplement och serumantikroppar också fortsätta att definieras som virulensfaktorer, medan faktorer som främjar avskiljning från mucin i tarmen skulle bli nischfaktorer. Även om detta förslag inte är ett försök att vara normativt eller fullständigt, skulle det helst framkalla en övervägande om ett visst system är en nisch-eller virulensfaktor från fall till fall. Även om alla kanske inte håller med varje slutsats eller förslag, verkar det föredraget för en standardkarakterisering av varje system som påverkar övergripande virulens som en virulensfaktor.

Vi har ett komplicerat förhållande till mikroberna som bor i alla våra exponerade kroppsställen, från kommensaler som kan bli opportunistiska patogener i komprometterade värdar till patogener som kan existera i ett bärartillstånd som kommensaler hos friska försökspersoner. För att mer exakt beskriva dessa interaktioner kräver vi exakt språk som informerar snarare än komplicerar vår förståelse. Termen nischfaktorer kan gälla för tarmen, munhålan, huden och urogenitala kanalen—eller någon plats som normalt koloniseras i den mänskliga superorganismen. Naturligtvis kan nischfaktorer också gälla andra miljöplatser utanför kroppen, och det är viktigt i alla fall att termen nischfaktor endast används i samband med en angiven miljönisch.