Wielolekooporne grzyby: nowe wyzwanie w środowisku szpitalnym

Czy grzyby wielolekooporne stanowią nowe wyzwanie?

Candida auris i kompleks Candida haemulonii stanowią coraz większe zagrożenie w warunkach szpitalnych ze względu na ich oporność na leki oraz zdolność do przetrwania w trudnych warunkach środowiskowych. Grzyby te, choć stanowią jedynie niewielki odsetek gatunków grzybów występujących na Ziemi, zyskują na znaczeniu klinicznym ze względu na ich zdolność do wywołania poważnych infekcji u pacjentów hospitalizowanych. Szczególnie niepokojące są wielolekooporne szczepy C. auris, które po raz pierwszy wyizolowano w Japonii w 2008 roku, a obecnie stanowią globalne zagrożenie dla zdrowia publicznego, z pięcioma genetycznie odmiennymi szczepami pojawiającymi się jednocześnie na kilku kontynentach.

C. auris wyróżnia się większą tolerancją na stresory środowiskowe, w tym zdolnością do wzrostu w temperaturze 47°C, co sprzyja nie tylko przetrwaniu w trudnych warunkach, ale także przezwyciężaniu mechanizmów obronnych gospodarza przeciwko kolonizacji. Niedawne badania sugerują, że globalne ocieplenie spowodowane przez człowieka mogło przyczynić się do pojawienia się patogenów grzybiczych. W czasie niedawnej pandemii COVID-19 odnotowano ogniska zakażeń C. auris na oddziałach intensywnej terapii w Kolumbii, Niemczech i Stanach Zjednoczonych. Śmiertelność związana z patogenną C. auris waha się od 27% do 60% u hospitalizowanych pacjentów. Co istotne, C. auris jest blisko spokrewniona z kompleksem C. haemulonii i często błędnie identyfikowana, co komplikuje diagnostykę i leczenie.

Podczas gdy C. auris głównie kolonizuje skórę, a czasem błony śluzowe jelit, jamy ustnej i przełyku, kompleks C. haemulonii powoduje głównie głębokie i powierzchowne infekcje, takie jak fungemia związana z cewnikiem, zapalenie otrzewnej i zapalenie kości. Mimo że częstość występowania infekcji C. auris i kompleksu C. haemulonii stale rośnie na całym świecie, mechanizmy leżące u podstaw patogenności, adaptacji do ciepła i oporności na leki pozostają niejasne.

Czy różnice w tolerancji cieplnej i oporności na leki definiują wirulencję?

Badania porównawcze tolerancji cieplnej, wrażliwości na leki przeciwgrzybicze i patogenności między C. auris a członkami kompleksu C. haemulonii wykazały istotne różnice. C. auris wykazuje znacznie większą tolerancję na wysokie temperatury, zachowując zdolność do wzrostu nawet w 41°C, podczas gdy szczepy kompleksu C. haemulonii wykazują zahamowany wzrost już w temperaturze 37°C, a w 41°C nie rosną wcale. Ta różnica w tolerancji cieplnej może częściowo wyjaśniać większą zdolność C. auris do wywoływania infekcji u ludzi i przetrwania w warunkach gorączki.

Badania wrażliwości na leki przeciwgrzybicze wykazały, że zarówno C. auris, jak i kompleks C. haemulonii wykazują zmniejszoną wrażliwość na flukonazol (FLC), worikonazol (VRZ), itrakonazol (ITZ) i pozakonazol (PSZ). Dodatkowo, C. auris wykazuje również zmniejszoną wrażliwość na kaspofunginę (CAS), mikafunginę (MCF) i anidulafunginę (ANI), co znacznie ogranicza opcje terapeutyczne. Ta wielolekooporność stanowi poważne wyzwanie kliniczne, szczególnie w przypadku pacjentów z osłabionym układem odpornościowym.

Analiza patogenności z wykorzystaniem modelu zakażenia larw Galleria mellonella wykazała, że C. auris jest bardziej wirulentna niż szczepy kompleksu C. haemulonii. Co ciekawe, chociaż szczepy C. haemulonii wytwarzały wyższe obciążenie grzybicze w organizmie larw, to C. auris powodowała wyższą śmiertelność. Może to wynikać z różnic w ekspresji czynników wirulencji, takich jak zdolność do tworzenia biofilmu, hydrofobowość powierzchni komórkowej oraz sekrecja enzymów, takich jak fosfolipazy i proteazy aspartylowe.

Badania wykazały, że szczep C. auris charakteryzuje się najsilniejszą zdolnością do tworzenia biofilmu, podczas gdy nie zaobserwowano istotnych różnic między szczepami C. duobushaemulonii i C. haemulonii. Ponadto, wszystkie trzy szczepy wydzielały fosfolipazę, ale tylko szczep C. auris wydzielał proteazę aspartylową. Hydrofobowość powierzchni komórkowej, która jest niespecyficznym czynnikiem wirulencji grzybów patogennych, była umiarkowana u wszystkich trzech szczepów, przy czym szczep C. auris wykazywał silniejszą hydrofobowość niż szczepy kompleksu C. haemulonii.

Jakie molekularne strategie wspierają przetrwanie grzybów?

Szczegółowe badania mechanizmów odpowiedzi na stres cieplny wykazały, że wszystkie trzy badane szczepy (cau, cd i ch) reagują na podwyższoną temperaturę poprzez akumulację pirogronianu, który działa jako zmiatacz reaktywnych form tlenu (ROS), zmniejszając uszkodzenia oksydacyjne. Jednakże mechanizmy akumulacji pirogronianu różnią się między szczepami. W przypadku C. auris, ekspresja genów związanych z pobieraniem glukozy i syntezą pirogronianu była zwiększona, podczas gdy geny związane z konsumpcją pirogronianu były obniżone. Natomiast w szczepie C. haemulonii (ch) akumulacja pirogronianu była osiągana poprzez zwiększoną ekspresję genów związanych ze szlakiem syntezy pirogronianu, a w szczepie C. duobushaemulonii (cd) kluczowe geny szlaku konsumpcji pirogronianu były obniżone.

Badania transkryptomiczne ujawniły, że w odpowiedzi na stres cieplny szczep C. auris wykazywał 627 różnicowo ekspresjonowanych genów, które były skoncentrowane w szlakach metabolizmu glukozy i transportu żelaza. Geny związane z transporterami glukozy o wysokim powinowactwie (HGT1), transporterami glukozy o niskim powinowactwie (RAG1, HXT10 i HXT4) oraz karboksykinazą fosfoenolopirogronianu były znacząco podwyższone, podczas gdy ekspresja genu dekarboksylazy pirogronianowej była znacząco obniżona.

Dodatkowo, C. auris wykazuje unikalny mechanizm ochronny polegający na zwiększonym pobieraniu i wykorzystywaniu żelaza w odpowiedzi na stres cieplny. Ekspresja genów związanych z pobieraniem żelaza, takich jak PAG7, CAS1 i CAS2, była znacząco zwiększona, podobnie jak ekspresja genów kodujących białka błonowe transportujące żelazo (Str3, Sit1 i ARN1). Odpowiednia ilość żelaza może pomóc drożdżom tolerować stres oksydacyjny, a przyspieszone pobieranie żelaza przez C. auris w odpowiedzi na stres cieplny może zwiększać aktywność cyklu kwasu cytrynowego jako mechanizmu ochronnego regulującego dynamikę pirogronianu. Badania potwierdziły, że zwiększone pobieranie żelaza zwiększało odporność szczepu C. auris na stres cieplny, podczas gdy medium ubogim w żelazo znacząco zmniejszało proliferację.

Różnice w mechanizmach oporności na stres cieplny między C. auris a kompleksem C. haemulonii mogą częściowo wyjaśniać różnice w ich patogenności i zdolności do wywoływania infekcji u ludzi. C. auris posiada bardziej złożony i skuteczny mechanizm ochronny, obejmujący nie tylko akumulację pirogronianu, ale także regulację pobierania i wykorzystania żelaza oraz ekspresję genów związanych z odpowiedzią na stres, takich jak HSF1, HSP90 i SKN7.

W odpowiedzi na stres cieplny, szczep C. auris wykazywał znaczące zmiany w ekspresji genów związanych z odpowiedzią na ciepło. W porównaniu do inkubacji w temperaturze 39°C przez 12 godzin, poziomy ekspresji HSF1, HSP90 i SKN7 były znacząco podwyższone, podczas gdy ekspresja HOG1 była obniżona w temperaturze 41°C przez 12 godzin. W przypadku szczepu C. duobushaemulonii, w porównaniu do inkubacji w temperaturze 37°C przez 8 godzin, poziomy ekspresji HSF1 i HSP90 były podwyższone, podczas gdy poziomy ekspresji MSN2/4, HSP70 i SKN7 były obniżone w temperaturze 39°C przez 8 godzin. W przypadku szczepu C. haemulonii, w porównaniu do inkubacji w temperaturze 37°C przez 1 godzinę, ekspresja SKN7 była podwyższona, podczas gdy ekspresja innych genów związanych z odpornością na ciepło, z wyjątkiem HSP90, była obniżona po inkubacji w temperaturze 39°C przez 1 godzinę.

Jak zrozumienie mechanizmów oporności wpływa na praktykę kliniczną?

Zrozumienie tych mechanizmów ma istotne znaczenie kliniczne. Po pierwsze, może pomóc w opracowaniu bardziej skutecznych strategii leczenia infekcji wywołanych przez te patogeny. Po drugie, może przyczynić się do lepszego zrozumienia epidemiologii i ewolucji tych patogenów w środowisku szpitalnym. Po trzecie, może pomóc w identyfikacji nowych celów terapeutycznych dla leków przeciwgrzybiczych.

Podsumowując, pojawienie się wielolekoopornych grzybów stanowi poważne wyzwanie dla opieki zdrowotnej na całym świecie. Kompleksowa analiza porównawcza ujawniła różnice w mechanizmach patogenności i ochrony przed stresem cieplnym między C. auris a kompleksem C. haemulonii. Szczep C. auris opiera swoją odporność na stres cieplny poprzez utrzymywanie odpowiedniego poziomu jonów żelaza wewnątrzkomórkowego, akumulację pirogronianu oraz zwiększoną ekspresję genów GRX5 i AOX. Natomiast szczepy kompleksu C. haemulonii opierają swoją odporność na stres cieplny wyłącznie na akumulacji wewnątrzkomórkowego pirogronianu. Dane te dodatkowo ujawniają różnice w cechach biologicznych C. auris i kompleksu C. haemulonii oraz stanowią użyteczne odniesienie dla klinicznego leczenia i zapobiegania infekcjom wywoływanym przez te patogeny.

Podsumowanie

Candida auris i kompleks Candida haemulonii to patogenne grzyby stanowiące rosnące zagrożenie w środowisku szpitalnym. C. auris charakteryzuje się wysoką tolerancją na stres cieplny, zdolnością do wzrostu w temperaturze do 47°C oraz wielolekoopornością. Śmiertelność związana z infekcjami C. auris wynosi od 27% do 60% u hospitalizowanych pacjentów. Badania wykazały, że C. auris posiada bardziej zaawansowane mechanizmy obronne niż kompleks C. haemulonii, w tym złożony system regulacji pobierania żelaza i akumulacji pirogronianu. C. auris wykazuje również większą wirulencję i zdolność do tworzenia biofilmu. Zrozumienie tych mechanizmów ma kluczowe znaczenie dla opracowania skutecznych strategii leczenia i identyfikacji nowych celów terapeutycznych.