Adherencja i inwazja komórek przez E. coli – mechanizmy molekularne

Proces adherencji bakterii E. coli do komórek gospodarza stanowi fundamentalny krok w patogenezie, determinujący powodzenie kolonizacji i rozwój choroby¹. Patogenne bakterie zanieczyszczające środowisko są spożywane przez podatne zwierzęta i dostają się do przewodu pokarmowego, gdzie posiadają rzęskowe adhezyny pośredniczące w przyleganiu do specyficznych receptorów na komórkach nabłonka jelitowego¹.

Struktury odpowiedzialne za adherencję

Adhezyny, które pojawiają się jako włosowate włókna zwane rzęskami (lub pili), ułatwiają kolonizację E. coli w różnych częściach organizmu poprzez przyleganie do komórek nabłonka gospodarza². Te wyspecjalizowane struktury powierzchniowe umożliwiają bakteriom rozpoznanie i wiązanie się ze specyficznymi receptorami komórkowymi, zapobiegając ich eliminacji przez naturalne mechanizmy oczyszczające organizmu.

W przypadku uropatogennych E. coli (UPEC), bakterie wykorzystują fimbrie P (pili związane z zapaleniem miednicy nerkowej) do wiązania z komórkami urotelium dróg moczowych i kolonizacji pęcherza³. Te bakterie są szczególnie wirulentne ze względu na zdolność do produkowania adhezyn, które wiążą się z komórkami wyściełającymi pęcherz i górne drogi moczowe, zapobiegając eliminacji bakterii w oddawanym moczu⁴.

Mechanizm przylegania i wygładzania (A/E)

Jednym z najlepiej poznanych mechanizmów adherencji jest proces przylegania i wygładzania (A/E), charakterystyczny dla enterpatogennych E. coli (EPEC). Centralny mechanizm patogenezy EPEC to zmiana zwana przyleganiem i wygładzaniem, która charakteryzuje się niszczeniem mikrokosmków, intymnym przyleganiem bakterii do nabłonka jelitowego, tworzeniem podstawek oraz gromadzeniem spolaryzowanej aktyny i innych elementów cytoszkieletu w miejscach przylegania bakterii⁵.

Interakcja między EPEC a komórkami gospodarza jest opisywana jako proces czterostopniowy⁶. W drugim kroku szczepy EPEC przylegają do nabłonka jelitowego poprzez Bfp i EspA, tworząc gęste mikrokolonie na powierzchni komórki w wzorze opisywanym jako zlokalizowane przyleganie⁶. System sekrecyjny typu III tworzy pory, umożliwiając bakteriom wstrzyknięcie Tir i dużej liczby (co najmniej 25, do 50) molekuł efektorowych do komórki gospodarza⁶.

Rola systemów sekrecyjnych w adherencji

Systemy sekrecyjne typu III (T3SS) odgrywają kluczową rolę w procesie adherencji i inwazji. System sekrecyjny typu III tworzy pory przypominające strzykawkę, umożliwiając bakteriom wstrzyknięcie własnych białek do komórki, którą infekują⁸. Bakteria wykorzystuje system iniekcyjny podobnie jak strzykawkę do wprowadzania kilku białek bakteryjnych do komórki jelitowej, które zmuszają ją do współpracy we własnym zakażeniu⁸.

Determinanty genetyczne dla produkcji zmian A/E znajdują się na wyspie patogenności zwanej LEE (Locus of Enterocyte Effacement) o wielkości 35 kb⁵. Ta wyspa patogenności koduje system sekrecyjny typu III, szereg sekretowanych (Esp) białek oraz translokowany receptor intiminy zwany Tir⁵.

Molekularne podstawy intymnej adherencji

Intimina, białko błony zewnętrznej o masie 94 kDa kodowane przez gen eae, jest odpowiedzialna za intymne przyleganie między bakteriami a błonami enterocytów⁵. Jedno białko, translokowany receptor intiminy (Tir), jest wstawiane do błony komórki nabłonkowej i funkcjonuje jako receptor dla bakteryjnej adhezyny błony zewnętrznej, intiminy⁹.

Wiązanie intiminy z Tir powoduje polimeryzację aktyny, akumulację elementów cytoszkieletu pod przylegającymi bakteriami, utratę integralności powierzchni komórki i ostatecznie śmierć komórki⁹. Bakteria jest teraz mocno związana z powierzchnią komórki jelitowej poprzez interakcję między białkami Tir i intiminy⁸.

Tworzenie struktur pedestalnych

Podczas czwartego etapu infekcji EPEC elementy cytoszkieletu zgromadzone w pobliżu miejsca przylegania prowadzą do tworzenia struktury podstawkowej, charakterystycznej dla EPEC¹⁰. Sygnały bakteryjne stymulują wygładzanie mikrokosmków (szczoteczkowatej granicy) i reorganizację cytoszkieletu komórki⁷. Przylegające bakterie również stymulują degenerację komórek nabłonkowych i naciek PMN w blaszce właściwej⁷.

Różnorodność mechanizmów adherencji

Różne patotypy E. coli wykorzystują różne strategie adherencji dostosowane do swoich nisz ekologicznych. Enterotoksygenne E. coli (ETEC) skutecznie penetrują warstwę śluzu poprzez białka degradujące mucynę, promując przyleganie ETEC do komórek nabłonka jelitowego¹². Taka adhezja jest organizowana przez główny zestaw rzęskowych (np. CFA, FimH), nierzęskowych (np. Tia) adhezyn i pomocniczych czynników kolonizacyjnych, takich jak EtpA¹².

Początkowa agregacja typowych EPEC prowadząca do tworzenia mikrokolonii na powierzchni komórki nabłonkowej jest pośredniczona przez kodowane przez plazmid pili tworzące wiązki (BFP); jednak ten plazmid nie jest obecny w atypowych EPEC⁹. Kolejne etapy przylegania są regulowane przez geny kodowane na wyspie patogenności LEE⁹.

Konsekwencje adherencji dla komórki gospodarza

Po pomyślnej adherencji bakterie mogą manipulować funkcjami komórki gospodarza. EPEC mogą zaburzyć równowagę transportu elektrolitów komórek gospodarza, a poprzez dysregulację tych szlaków transportowych są odpowiedzialne za szybki początek objawów¹⁰. EPEC są zdolne do zakłócania funkcji i struktury bariery nabłonkowej¹⁰.

Objawy kliniczne choroby biegunkowej EPEC występują przed całkowitym ustanowieniem zmian A/E i utratą mikrokosmków, więc mechanizmy te są najprawdopodobniej zaangażowane w zaostrzenie biegunki¹⁰. Odpowiedź zapalna jest uważana za bardziej prawdopodobną do zaangażowania w nasilenie i czas trwania choroby niż we wczesnych stadiach infekcji¹⁰.

Specyficzne mechanizmy inwazji

W przypadku patogenów wewnątrzkomórkowych, takich jak enteroinwazyjne E. coli (EIEC), proces adherencji prowadzi do inwazji komórki. Bakterie inwadują i powodują zniszczenie nabłonka okrężnicy, a inwazyjna zdolność bakteryjna jest pośredniczona przez geny pInv¹³. Bakterie powodują lizę wakuoli fagocytowych i namnażają się w cytoplazmie, a tworzenie ogonów aktynowych pomaga bakteriom poruszać się w cytoplazmie i przechodzić przez sąsiednie komórki nabłonkowe¹³.