Вирулентность патогенов и изменчивость штаммов

Патогены различаются по своей способности вызывать заболевание, как и штаммы внутри одного вида. Вирулентность — степень вреда, причиняемого патогеном, наряду с межштаммовыми различиями в трансмиссивности и тяжести — помогает объяснить, почему одни инфекции протекают легко, а другие смертельно, и почему вспышки, вызванные одним и тем же видом, могут резко отличаться. Эта тема представляет вирулентность как концепцию, эволюционные силы, формирующие ее, и то, как изменчивость штаммов способствует популяционным различиям в заболеваемости.

Definition

Вирулентность — это степень или способность патогена вызывать повреждение или заболевание у хозяина; изменчивость штаммов — это различия в вирулентности, трансмиссивности, антигенности или других признаках между генетическими вариантами одного и того же вида патогена, которые способствуют вариациям исходов инфекции в разных популяциях.

Scope

Тема охватывает патогенную сторону изменчивости «хозяин-патоген»: что означают вирулентность и патогенность, как они концептуализируются, эволюционные компромиссы, объясняющие, почему вирулентность принимает те или иные значения, и как различия штаммов или генотипов приводят к популяционным различиям в тяжести и передаче. Она рассматривается концептуально и эпидемиологически, а не как микробиологический лабораторный протокол или клиническое ведение. Она дополняет темы, касающиеся хозяина, объясняя, почему один и тот же хозяин может по-разному реагировать на разные штаммы.

Core questions

• Что означают вирулентность и патогенность, и являются ли они свойствами только микроба?
• Почему вирулентность большинства патогенов не является ни максимальной, ни минимальной?
• Как вирулентность эволюционирует в связи с передачей?
• Как вариации штаммов или генотипов способствуют различиям в тяжести и распространении заболевания?

Key concepts

• Вирулентность
• Патогенность
• Факторы вирулентности
• Изменчивость штаммов и генотипов
• Компромисс между передачей и вирулентностью
• Аттенуация
• Антигенная изменчивость

Key theories

Гипотеза компромисса в эволюции вирулентности

Гипотеза компромисса утверждает, что вирулентность формируется отбором, поскольку вред, причиняемый патогеном, связан с его передачей, поэтому часто благоприятствуется промежуточная вирулентность; Ализон и коллеги рассматривают ее историю, доказательства и ограничения, а Андерсон и Мэй заложили основу коэволюционного моделирования.

Реляционный взгляд на вирулентность (модель «повреждение-ответ»)

Касадевалл и Пирофски утверждали, что вирулентность и патогенность не являются фиксированными микробными свойствами, а возникают из взаимодействия «хозяин-патоген», при этом результирующее повреждение зависит как от иммунного статуса хозяина, так и от микробных характеристик.

Mechanisms

На молекулярном уровне вирулентность опосредуется факторами, которые обеспечивают адгезию, инвазию, репликацию, уклонение от иммунного ответа и выработку токсинов. На популяционном уровне гипотеза компромисса (trade-off hypothesis) рассматривает вирулентность как эволюционный компромисс: более интенсивная эксплуатация хозяина может увеличить передачу, но также быстрее нанести вред или убить хозяина, поэтому отбор часто благоприятствует промежуточным значениям, как это рассмотрено Ализоном и коллегами и смоделировано в рамках коэволюционной модели Андерсона и Мэя. Изменчивость штаммов возникает в результате мутаций, рекомбинаций и отбора, производя варианты, которые различаются по трансмиссивности, тяжести или антигенности. Касадевалл и Пирофски предостерегают, что ущерб, приписываемый вирулентности, также зависит от хозяина, поэтому вирулентность лучше рассматривать как реляционное, а не как фиксированное микробное свойство.

Clinical relevance

Различия в вирулентности и штаммах помогают объяснить, почему один и тот же вид может вызывать легкое или тяжелое заболевание и почему вспышки варьируются, что актуально для интерпретации данных эпиднадзора и сигналов о тяжести на популяционном уровне. Эта тема является концептуальным справочником по вкладу патогенов в вариабельность заболеваний; она не предоставляет диагностических или лечебных рекомендаций.

Epidemiology

Изменчивость штаммов способствует популяционным различиям в заболеваемости: варианты одного вида могут различаться по трансмиссивности и тяжести, формируя вариации от вспышки к вспышке и от места к месту. Эволюционная перспектива компромисса объясняет, почему большинство циркулирующих патогенов не являются ни авирулентными, ни равномерно летальными, — равновесие, которое постоянно проверяется эпиднадзором за появляющимися вариантами.

History

Ранняя микробиология рассматривала вирулентность как фиксированное, измеримое свойство микроба. Коэволюционное моделирование Андерсона и Мэя в 1982 году поместило вирулентность в динамику популяций «хозяин-паразит», что послужило основой для концепции компромисса между передачей и вирулентностью, которую Ализон и коллеги позже рассмотрели и критически оценили. Параллельно работа Касадевалла и Пирофски с 1999 года переопределила вирулентность и патогенность как реляционные свойства взаимодействия «хозяин-патоген», сместив акцент в этой области от исключительно микробного взгляда.

Debates

Адекватно ли компромисс между передачей и вирулентностью объясняет наблюдаемую вирулентность?

Гипотеза компромисса является влиятельной, но ее общность и эмпирическая поддержка обсуждаются; Ализон и коллеги рассматривают, где она применима, где доказательства слабы, и какие существуют альтернативные или дополнительные объяснения эволюции вирулентности.

Key figures

• Arturo Casadevall
• Liise-anne Pirofski
• Samuel Alizon
• Roy Anderson
• Robert May

Seminal works

• casadevall-pirofski-1999
• anderson-may-1982
• alizon-2009

Frequently asked questions

Является ли вирулентность просто свойством микроба?

В современном представлении — нет. Хотя микробы обладают факторами вирулентности, такие концепции, как модель «повреждение-ответ», рассматривают вирулентность как реляционную: вред от инфекции зависит от взаимодействия между патогеном и хозяином, включая иммунный статус хозяина.

Почему патогены не эволюционируют просто к максимально возможной вредоносности?

Потому что вред, наносимый хозяину, может снизить собственную передачу патогена. Гипотеза компромисса предполагает, что отбор часто благоприятствует промежуточной вирулентности, балансируя эксплуатацию хозяина с необходимостью распространения на новых хозяев.