ความรุนแรงของเชื้อก่อโรคและความหลากหลายของสายพันธุ์

เชื้อก่อโรคมีความสามารถในการก่อโรคแตกต่างกันไป เช่นเดียวกับสายพันธุ์ภายในสปีชีส์เดียวกัน ความรุนแรง (virulence) ซึ่งเป็นระดับของอันตรายที่เชื้อก่อโรคก่อให้เกิด ร่วมกับความหลากหลายระหว่างสายพันธุ์ในด้านการแพร่เชื้อและความรุนแรง ช่วยอธิบายว่าเหตุใดการติดเชื้อบางชนิดจึงไม่รุนแรง ในขณะที่บางชนิดถึงแก่ชีวิต และเหตุใดการระบาดของเชื้อชนิดเดียวกันจึงอาจมีความแตกต่างกันอย่างมาก หัวข้อนี้จะแนะนำแนวคิดเรื่องความรุนแรง แรงผลักดันทางวิวัฒนาการที่กำหนดความรุนแรง และวิธีที่ความหลากหลายของสายพันธุ์มีส่วนทำให้เกิดความแตกต่างของโรคในระดับประชากร

Definition

ความรุนแรง (Virulence) คือระดับหรือความสามารถของเชื้อก่อโรคในการก่อให้เกิดความเสียหายหรือโรคในโฮสต์; ความหลากหลายของสายพันธุ์ (strain variation) คือความแตกต่างในด้านความรุนแรง การแพร่เชื้อ แอนติเจนิกซิตี หรือลักษณะอื่น ๆ ระหว่างสายพันธุ์ทางพันธุกรรมของเชื้อก่อโรคชนิดเดียวกัน ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดความหลากหลายของผลลัพธ์การติดเชื้อในประชากร

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมด้านเชื้อก่อโรคของความหลากหลายระหว่างโฮสต์กับเชื้อก่อโรค: ความหมายของความรุนแรง (virulence) และความสามารถในการก่อโรค (pathogenicity) แนวคิดเกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้ แนวคิดการแลกเปลี่ยนทางวิวัฒนาการที่อธิบายว่าเหตุใดความรุนแรงจึงมีค่าเช่นนั้น และวิธีที่ความแตกต่างของสายพันธุ์หรือพันธุกรรมส่งผลให้เกิดความหลากหลายของความรุนแรงและการแพร่เชื้อในประชากร หัวข้อนี้ได้รับการพิจารณาในเชิงแนวคิดและระบาดวิทยา ไม่ใช่ในฐานะระเบียบวิธีปฏิบัติการทางจุลชีววิทยาหรือการจัดการทางคลินิก โดยเสริมหัวข้อด้านโฮสต์โดยการกล่าวถึงว่าเหตุใดโฮสต์เดียวกันจึงอาจมีผลลัพธ์ที่แตกต่างกันเมื่อเผชิญกับสายพันธุ์ที่แตกต่างกัน

Core questions

• ความรุนแรง (virulence) และความสามารถในการก่อโรค (pathogenicity) หมายถึงอะไร และเป็นคุณสมบัติของจุลินทรีย์เพียงอย่างเดียวหรือไม่?
• เหตุใดความรุนแรงจึงไม่สูงสุดหรือต่ำสุดในเชื้อก่อโรคส่วนใหญ่?
• ความรุนแรงมีวิวัฒนาการอย่างไรเมื่อเทียบกับการแพร่เชื้อ?
• ความหลากหลายของสายพันธุ์หรือพันธุกรรมมีส่วนทำให้เกิดความแตกต่างในความรุนแรงของโรคและการแพร่กระจายได้อย่างไร?

Key concepts

• ความรุนแรง (Virulence)
• ความสามารถในการก่อโรค (Pathogenicity)
• ปัจจัยความรุนแรง (Virulence factors)
• ความหลากหลายของสายพันธุ์และพันธุกรรม (Strain and genotype variation)
• การแลกเปลี่ยนระหว่างการแพร่เชื้อและความรุนแรง (Transmission-virulence trade-off)
• การลดความรุนแรง (Attenuation)
• ความหลากหลายของแอนติเจน (Antigenic variation)

Key theories

สมมติฐานการแลกเปลี่ยนของวิวัฒนาการความรุนแรง (Trade-off hypothesis of virulence evolution)

สมมติฐานการแลกเปลี่ยนระบุว่าความรุนแรงถูกกำหนดโดยการคัดเลือกเนื่องจากอันตรายที่เชื้อก่อโรคก่อให้เกิดนั้นเชื่อมโยงกับการแพร่เชื้อ ดังนั้นความรุนแรงระดับปานกลางจึงมักได้รับการส่งเสริม; Alizon และคณะได้ทบทวนประวัติ หลักฐาน และข้อจำกัดของสมมติฐานนี้ และ Anderson กับ May ได้วางรากฐานการสร้างแบบจำลองร่วมกันทางวิวัฒนาการ

มุมมองเชิงสัมพันธ์ของความรุนแรง (กรอบการตอบสนองต่อความเสียหาย) (Relational view of virulence (damage-response framework))

Casadevall และ Pirofski โต้แย้งว่าความรุนแรงและความสามารถในการก่อโรคไม่ใช่คุณสมบัติที่ตายตัวของจุลินทรีย์ แต่เกิดขึ้นจากการปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฮสต์กับเชื้อก่อโรค โดยความเสียหายที่เกิดขึ้นขึ้นอยู่กับสถานะภูมิคุ้มกันของโฮสต์และคุณลักษณะของจุลินทรีย์

Mechanisms

ในระดับโมเลกุล ความรุนแรงถูกควบคุมโดยปัจจัยที่ช่วยให้เกิดการยึดเกาะ การบุกรุก การจำลองแบบ การหลบเลี่ยงภูมิคุ้มกัน และการผลิตสารพิษ ในระดับประชากร สมมติฐานการแลกเปลี่ยน (trade-off hypothesis) กำหนดให้ความรุนแรงเป็นการประนีประนอมที่เกิดจากวิวัฒนาการ: การใช้ประโยชน์จากโฮสต์ที่มากขึ้นอาจเพิ่มการแพร่เชื้อ แต่ก็อาจทำอันตรายหรือฆ่าโฮสต์ได้เร็วขึ้น ดังนั้นการคัดเลือกมักจะส่งเสริมค่ากลาง ดังที่ Alizon และคณะได้ทบทวนไว้ และได้มีการสร้างแบบจำลองภายใต้กรอบการทำงานร่วมกันทางวิวัฒนาการของ Anderson และ May ความหลากหลายของสายพันธุ์เกิดขึ้นจากการกลายพันธุ์ การรวมตัวกันใหม่ และการคัดเลือก ทำให้เกิดสายพันธุ์ที่แตกต่างกันในด้านการแพร่เชื้อ ความรุนแรง หรือแอนติเจนิกซิตี Casadevall และ Pirofski เตือนว่าความเสียหายที่เกิดจากความรุนแรงยังขึ้นอยู่กับโฮสต์ด้วย ดังนั้นความรุนแรงจึงควรอ่านว่าเป็นความสัมพันธ์มากกว่าปริมาณจุลินทรีย์ที่ตายตัว

Clinical relevance

ความแตกต่างในด้านความรุนแรงและสายพันธุ์ช่วยอธิบายว่าเหตุใดเชื้อชนิดเดียวกันจึงสามารถก่อให้เกิดโรคที่ไม่รุนแรงหรือรุนแรงได้ และเหตุใดการระบาดจึงแตกต่างกัน ซึ่งเกี่ยวข้องกับการตีความการเฝ้าระวังและสัญญาณความรุนแรงในระดับประชากร หัวข้อนี้เป็นข้อมูลอ้างอิงเชิงแนวคิดสำหรับการมีส่วนร่วมของเชื้อก่อโรคต่อความหลากหลายของโรค; ไม่ได้ให้คำแนะนำในการวินิจฉัยหรือการรักษา

Epidemiology

ความหลากหลายของสายพันธุ์มีส่วนทำให้เกิดความแตกต่างของโรคในระดับประชากร: สายพันธุ์ของสปีชีส์หนึ่งๆ อาจแตกต่างกันในด้านการแพร่เชื้อและความรุนแรง ซึ่งกำหนดความหลากหลายของการระบาดแต่ละครั้งและในแต่ละสถานที่ มุมมองการแลกเปลี่ยนทางวิวัฒนาการอธิบายว่าเหตุใดเชื้อก่อโรคส่วนใหญ่ที่แพร่กระจายอยู่จึงไม่เป็นอันตรายหรือไม่ถึงแก่ชีวิตโดยสิ้นเชิง ซึ่งเป็นสมดุลที่การเฝ้าระวังสายพันธุ์ที่เกิดขึ้นใหม่อย่างต่อเนื่องกำลังทดสอบอยู่

History

จุลชีววิทยาในยุคแรกถือว่าความรุนแรงเป็นคุณสมบัติที่ตายตัวและวัดได้ของจุลินทรีย์ การสร้างแบบจำลองร่วมกันทางวิวัฒนาการของ Anderson และ May ในปี 1982 ได้วางความรุนแรงไว้ในพลวัตของประชากรโฮสต์-ปรสิต ซึ่งเป็นแรงจูงใจให้เกิดการแลกเปลี่ยนระหว่างการแพร่เชื้อและความรุนแรงที่ Alizon และคณะได้ทบทวนและประเมินอย่างวิพากษ์วิจารณ์ในภายหลัง ในขณะเดียวกัน งานของ Casadevall และ Pirofski ตั้งแต่ปี 1999 เป็นต้นมาได้ให้นิยามใหม่ของความรุนแรงและความสามารถในการก่อโรคว่าเป็นคุณสมบัติเชิงสัมพันธ์ของการปฏิสัมพันธ์ระหว่างโฮสต์กับเชื้อก่อโรค ซึ่งเปลี่ยนมุมมองของสาขาจากมุมมองที่เน้นจุลินทรีย์เพียงอย่างเดียว

Debates

การแลกเปลี่ยนระหว่างการแพร่เชื้อและความรุนแรงสามารถอธิบายความรุนแรงที่สังเกตได้อย่างเพียงพอหรือไม่?

สมมติฐานการแลกเปลี่ยนมีอิทธิพล แต่ความเป็นสากลและการสนับสนุนเชิงประจักษ์ยังคงเป็นที่ถกเถียงกัน; Alizon และคณะได้ทบทวนว่าสมมติฐานนี้ใช้ได้ในกรณีใด หลักฐานอ่อนแอในกรณีใด และมีคำอธิบายทางเลือกหรือเสริมใดบ้างสำหรับวิวัฒนาการของความรุนแรง

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

ความรุนแรงเป็นเพียงคุณสมบัติของจุลินทรีย์เท่านั้นหรือ?

ไม่ใช่ในมุมมองสมัยใหม่ แม้ว่าจุลินทรีย์จะมีปัจจัยความรุนแรง แต่กรอบการทำงานเช่นแบบจำลองการตอบสนองต่อความเสียหายถือว่าความรุนแรงเป็นเชิงสัมพันธ์: อันตรายของการติดเชื้อขึ้นอยู่กับการปฏิสัมพันธ์ระหว่างเชื้อก่อโรคและโฮสต์ รวมถึงสถานะภูมิคุ้มกันของโฮสต์ด้วย

เหตุใดเชื้อก่อโรคจึงไม่วิวัฒนาการให้เป็นอันตรายที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้?

เนื่องจากอันตรายต่อโฮสต์สามารถลดการแพร่เชื้อของเชื้อก่อโรคเองได้ สมมติฐานการแลกเปลี่ยนเสนอว่าการคัดเลือกมักจะส่งเสริมความรุนแรงระดับปานกลาง โดยรักษาสมดุลระหว่างการใช้ประโยชน์จากโฮสต์กับความจำเป็นในการแพร่กระจายไปยังโฮสต์ใหม่