การยึดเกาะและการตั้งรกรากของแบคทีเรีย

การยึดเกาะเป็นขั้นตอนแรกที่สำคัญของการติดเชื้อแบคทีเรียส่วนใหญ่: ก่อนที่เชื้อโรคจะสามารถตั้งรกราก บุกรุก หรือปล่อยสารพิษได้ จะต้องยึดเกาะตัวเองกับพื้นผิวของโฮสต์เพื่อต้านทานแรงชะล้างของเมือก การบีบตัวของลำไส้ และปัสสาวะ แอดฮีซิน (adhesins) ซึ่งเป็นโมเลกุลบนพื้นผิวที่ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการยึดเกาะนี้ จะจดจำตัวรับจำเพาะของโฮสต์ และช่วยกำหนดว่าเชื้อโรคชนิดใดสามารถอาศัยอยู่ในเนื้อเยื่อใดได้

Definition

การยึดเกาะของแบคทีเรีย (bacterial adherence) คือการจับกันอย่างจำเพาะของแบคทีเรียกับเซลล์หรือพื้นผิวของโฮสต์ผ่านแอดฮีซิน (adhesins) (ไพไล/ฟิมเบรีย (pili/fimbriae) หรือโปรตีนที่ยึดติดกับพื้นผิว) ที่จดจำตัวรับของโฮสต์ที่เข้าคู่กัน; การตั้งรกราก (colonization) คือการก่อตั้งและการเพิ่มจำนวนของประชากรแบคทีเรีย ณ ตำแหน่งนั้นในภายหลัง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมกลไกระดับโมเลกุลของการยึดเกาะของแบคทีเรีย ความแตกต่างระหว่างแอดฮีซินชนิดไพไล (pilus) และชนิดไม่ใช่ไพไล (non-pilus) ความจำเพาะของตัวรับที่เป็นพื้นฐานของภาวะเนื้อเยื่อจำเพาะ (tissue tropism) และการเปลี่ยนผ่านจากการยึดเกาะเริ่มต้นไปสู่การตั้งรกรากที่มั่นคงและการสร้างไบโอฟิล์ม (biofilm) นี่เป็นหัวข้ออ้างอิงในพยาธิกำเนิดของแบคทีเรีย ไม่ใช่คำแนะนำทางคลินิก

Core questions

• โมเลกุลใดที่ทำหน้าที่เป็นตัวกลางในการยึดเกาะ และพวกมันจดจำตัวรับของโฮสต์ชนิดใด?
• ความจำเพาะของแอดฮีซิน-ตัวรับมีผลต่อภาวะเนื้อเยื่อจำเพาะอย่างไร?
• การสัมผัสเริ่มต้นที่ผันกลับได้พัฒนาไปสู่การตั้งรกรากที่มั่นคงและการสร้างไบโอฟิล์มได้อย่างไร?

Key concepts

• แอดฮีซิน (Adhesins)
• ไพไลและฟิมเบรีย (Pili and fimbriae)
• แอดฮีซินที่ปลาย (เช่น FimH)
• แอดฮีซินชนิดไม่ใช่ไพไล (afimbrial) (Non-pilus (afimbrial) adhesins)
• ความจำเพาะของตัวรับและภาวะเนื้อเยื่อจำเพาะ (Receptor specificity and tissue tropism)
• การตั้งรกราก (Colonization)
• การสร้างไบโอฟิล์ม (Biofilm formation)

Mechanisms

การยึดเกาะมักเริ่มต้นด้วยไพไลหรือฟิมเบรียที่มีลักษณะคล้ายเส้นผมยาว ซึ่งประกอบขึ้นโดยวิถีเฉพาะ (เช่น ระบบชาเปอโรน-อัชเชอร์ (chaperone-usher system)) โดยที่แอดฮีซินที่ปลายจะจับกับไกลแคนหรือโปรตีนของโฮสต์ที่กำหนดไว้ ตัวอย่างเช่น ไพไลชนิดที่ 1 ของเชื้อ Escherichia coli ที่ก่อโรคทางเดินปัสสาวะใช้แอดฮีซิน FimH เพื่อจับกับตัวรับที่มีหมู่แมนโนส (mannosylated receptors) จากนั้นแอดฮีซินชนิดไม่ใช่ไพไลที่สั้นกว่าซึ่งยึดติดอยู่ในผนังเซลล์สามารถเป็นตัวกลางในการสัมผัสที่ใกล้ชิดได้ ความจำเพาะของตัวรับเป็นตัวกำหนดภาวะเนื้อเยื่อจำเพาะ โดยจำกัดเชื้อโรคให้อยู่บนพื้นผิวที่แอดฮีซินของมันจดจำตัวรับได้ การยึดเกาะที่มั่นคงช่วยให้ประชากรแบคทีเรียสามารถต้านทานการชะล้างทางกล เพิ่มจำนวน และในหลายชนิดสามารถพัฒนาไปเป็นชุมชนไบโอฟิล์มที่ยึดติดกับพื้นผิวได้

Clinical relevance

เนื่องจากการยึดเกาะเป็นขั้นตอนแรกของการติดเชื้อ แอดฮีซินจึงเป็นเป้าหมายของการวิจัยวัคซีนและการวิจัยต้านการยึดเกาะ และความจำเพาะของตัวรับช่วยอธิบายว่าทำไมแบคทีเรียบางชนิดจึงติดเชื้อในเนื้อเยื่อบางชนิดได้ บทความนี้อธิบายกลไกการยึดเกาะเพื่อการอ้างอิงและไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

History

การตระหนักว่าโมเลกุลบนพื้นผิวที่จำเพาะควบคุมการยึดเกาะของแบคทีเรียได้นั้นพัฒนามาจากการศึกษาฟิมเบรียและการรวมตัวของเม็ดเลือดแดง (haemagglutination) ในช่วงกลางศตวรรษที่ 20 และเติบโตเต็มที่ด้วยการวิเคราะห์ระดับโมเลกุลของวิถีไพไลแบบชาเปอโรน-อัชเชอร์ และแอดฮีซินที่ปลาย เช่น FimH ซึ่งให้ภาพโครงสร้างที่เป็นรูปธรรมว่าแบคทีเรียจดจำตัวรับของโฮสต์ได้อย่างไร

Key figures

• Pascale Cossart
• Javier Pizarro-Cerda
• Stanley Falkow
• Scott Hultgren

Seminal works

• pizarro-cerda-cossart-2006
• finlay-falkow-1997

Frequently asked questions

เหตุใดการยึดเกาะจึงถือเป็นขั้นตอนแรกของการติดเชื้อ?

พื้นผิวของโฮสต์จะถูกชะล้างออกไปอย่างต่อเนื่องด้วยการไหลของเมือก การเคลื่อนที่ของของเหลว และการหลุดลอก เว้นแต่แบคทีเรียจะยึดเกาะตัวเองด้วยแอดฮีซิน มิฉะนั้นจะถูกชะล้างออกไปก่อนที่จะสามารถตั้งรกราก บุกรุก หรือส่งสารพิษได้

การยึดเกาะเกี่ยวข้องกับภาวะเนื้อเยื่อจำเพาะอย่างไร?

แอดฮีซินจะจับกับตัวรับจำเพาะของโฮสต์ ดังนั้นเชื้อโรคจึงสามารถตั้งรกรากได้เฉพาะในเนื้อเยื่อที่แสดงตัวรับที่เข้าคู่กัน ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญที่กำหนดว่าการติดเชื้อจะเกิดขึ้นที่ใด