Aspergillus fumigatus

Aspergillus fumigatus je pleseň, tzv. huba, rodu "Aspergillus" a je jedným z najbežnejších druhov "Aspergillus" spôsobujúcich ochorenia u pacientov so zníženou imunitou.
Ako saprotrofická pleseň, "Aspergillus fumigatus" sa nachádza bežne v prírode, najmä v pôde a rozkladajúcej sa biomase (napr. kompost), kde hrá zásadnú úlohu pri recyklácii uhlíka a dusíka. Kolónie plesne vytvárajú konidiofóry, ktoré produkujú tisícky drobných sivozelených výtrusov/spórov nazývaných konídia o veľkosti 2–3 μm. Konídia majú dobrú vznášanlivosť, a tak sa pleseň rozmnožuje na veľké vzdialenosti. Dlhé roky sa predpokladalo, že "A. fumigatus" sa rozmnožuje len nepohlavne kvôli nedostatkom vo výskume, no v roku 2008 sa ukázalo, že "A. fumigatus" má plne funkčný sexuálny reprodukčný cyklus, 145 rokov po jeho pôvodnom opise Freseniusom. Hoci sa "A. fumigatus" vyskytuje v oblastiach s veľmi rozdielnym podnebím a prostredím, vykazuje nízku genetickú variáciu a nedostatok genetickej diferenciácie populácie v globálnom meradle. Pohlavné rozmnožovanie je teda zachované, hoci vedie k nízkej genetickej rozmanitosti.
Pleseň je schopná rastu pri telesnej teplote (37°C) a môže rásť pri teplotách až do 50°C, pričom konídia prežívajú až do 70°C – podmienky, s ktorými sa pravidelne stretáva v samoohrievajúcich sa kompostových zásobníkoch. Konídia sú všadeprítomné v atmosfére - každý vdýchne niekoľko stoviek konídií denne; u zdravých pacientov ich imúnny systém rýchlo eliminuje. U pacientov s oslabenou imunitou, ako sú príjemcovia transplantovaných orgánov a ľudia s AIDS alebo leukémiou, je možné, že sa pleseň stane patogénnou, prekoná oslabenú obranu hostiteľa a spôsobí niektorú zo škály chorôb, ktoré sa všeobecne nazývajú aspergilóza. V dôsledku nedávneho nárastu používania imunosupresívych liečiv na liečbu ľudských chorôb sa odhaduje, že "A. fumigatus" môže byť zodpovedný za viac ako 600 000 úmrtí ročne s mierou úmrtnosti medzi 25 a 90%. Viaceré virulenčné faktory predpokladané byť možným dôvodom tohto oportunistického správania.
Viaceré indolové alkaloidy s antimitotickými vlastnosťami boli skúmané v štúdiách metabolitov v tekutých kultúrach "A. fumigatus". Niektoré z týchto zlúčenín patria do triedy známej ako tryprostatiny, pričom spirotryprostatín B je zvlášť zaujímavý ako protirakovinová látka.
"Aspergillus fumigatus" rastúci na určitých stavebných materiáloch môže produkovať genotoxické a cytotoxické mykotoxíny, ako je gliotoxín.
Genóm.
"Aspergillus fumigatus" má stabilný haploidný genóm o dĺžke 29,4 miliónov párov báz. Genómové sekvencie troch druhov "Aspergillus" - "Aspergillus fumigatus", "Aspergillus nidulans" a "Aspergillus oryzae" - boli publikované v "Nature" v decembri 2005.
Patogenéza.
"Aspergillus fumigatus" je najčastejšou príčinou invazívnej mykózy u pacientov s nízkou imunitou - napr. pacienti, ktorí dostávajú imunosupresívnu liečbu, príjemcovia transplantovaných orgánov a pacienti s AIDS. "A. fumigatus" spôsobuje najmä invazívnu infekciu v pľúcach a predstavuje hlavnú príčinu úmrtia u týchto pacientov. "A. fumigatus" taktiež spôsobuje chronické pľúcne infekcie, alergickú bronchopulmonárnu aspergilózu (APBA) alebo alergické ochorenia u zdravých pacientov.
Odpoveď nešpecifického imunitného systému.
Ľudia každodenne vdychujú konídia kvôli ich všadeprítomnej distribúcii v životnom prostredí. Avšak u zdravých pacientov je vrodený imunitný systém účinnou bariérou proti infekcii "A. fumigatus." Väčšina vdýchnutých konídií je odstránená mukociliárnym kmitaním rias respiračného epitelu. Kvôli malým rozmerom konídií sa mnohé z nich usadia v alveolách, kde prichádzajú do kontaktu s epitelovými a vrodenými efektorovými bunkami. Alveolárne makrofágy fagocytujú a ničia konídia vo svojich fagozómoch. Epitelové bunky, konkrétne pneumocyty typu II, taktiež pohlcujú konídia, ktoré sú presnuté do lyzozómu, kde sú požité konídia zničené. Imunitné bunky prvej línie tiež slúžia na nábor neutrofilov a iných zápalových buniek prostredníctvom vypúšťania cytokínov a chemokínov, ktorých vypúšťanie je vyvolané kontaktom medzi špecifickými plesňovými časticami a pathogen recognition receptormi (PRR) na fagocytoch. Neutrofily sú nevyhnutné proti aspergilóze, ako sa preukázalo u neutropenických pacientoch, a sú schopné sekvestrovať konídia aj hýfy prostredníctvom nefagocytárnych mechanizmov. Hýfy sú príliš veľké na pohltenie bunkami, a preto poškodenie NADPH-oxidázou pod kontrolou neutrofilov predstavuje hlavnú obranu hostiteľa proti hýfam. Okrem týchto bunkovo-sprostredkovaných mechanizmov likvidácie, antimikrobiálne peptidy vylučované respiračným epitelom taktiež prispievajú k obrane hostiteľa. Pleseň a jej polysacharidy majú schopnosť regulovať funkcie dendritických buniek použitím signálnej dráhy Wnt-β-Catenin na indukciu PD-L1 a na podporu reakcií regulačných T lymfocytov.
Invázia.
Pacieni zo zníženou imunitou sú citliví na invazívnu infekciu "A. fumigatus", ktorá sa najčastejšie prejavuje ako invazívna pľúcna aspergilóza (IPA). Vdýchnuté konídia, ktoré sa vyhnú likvidácii imunitou hostiteľa, sú zárodkami invazívneho ochorenia a klíčia v teplom, vlhkom a na živiny bohatom prostredí pľúcnych alveol. Klíčenie prebieha extracelulárne alebo v endozómoch pneumocytov typu II obsahujúcich konídia. Následne po vyklíčení, rast filamentóznych hýf preniká do epitelu a následne do vaskulárneho endotelu. Proces angioinvázie spôsobuje poškodenie endotelu a vyvoláva zápalovú odpoveď, expresiu tkanivového faktora III a aktiváciu koagulačnej kaskády. Tento proces následne vytvára intravaskulárnu trombózu a lokalizovaný infarkt tkaniva, avšak šírenie fragmentov hýf je zvyčajne obmedzené. K šíreniu krvným obehom dochádza len u pacientov s veľmi nízkou imunitou.
Odpoveď na hypoxiu.
Ako je bežné v nádorových bunkách a u iných patogénov, invazívne hýfy "A. fumigatus" narážajú na hypoxické (nízke hladiny kyslíka, ≤ 1 %) mikroprostredia v mieste infekcie v hostiteľskom organizme. Súčasný výskum naznačuje, že pri infekcii, nekróza a zápal spôsobujú poškodenie tkaniva, ktoré znižuje dostupné koncentrácie kyslíka v dôsledku lokálneho zníženia prechodu tekutín do orgánov. Konkrétne v infekciách "A. fumigatus" sa zistilo, že sekundárne metabolity zabraňujú vývoju nových krvných ciev, čo vedie k poškodeniu tkaniva, inhibícii opravy tkaniva a nakoniec k vytvoreniu lokalizovaných hypoxických mikroprostredií. Presné dôsledky hypoxie na patogenézu plesní nie sú v súčasnosti známe, avšak tieto prostredia s nízkym obsahom kyslíka sú už dlho spojené so zlými klinickými výsledkami. Vzhľadom na významné korelácie identifikované medzi hypoxiou, plesňovými infekciami a zlými klinickými výsledkami sú mechanizmy, ktorými sa "A. fumigatus" adaptuje na hypoxiu, čoraz väčším zameraním výskumu nových antimykotík.
Ukázalo sa, že dva vysoko opísané, sterol-regulačné prvkovo-viažúce proteíny, SrbA a SrbB, spolu s ich procesnými dráhami ovplyvňujú zdatnosť "A. fumigatus" v hypoxických podmienkach. Transkripčný faktor SrbA je hlavným regulátorom v reakcii plesní na hypoxiu "in vivo" a je nevyhnutný v mnohých biologických procesoch vrátane homeostázy železa, rezistencie na antimykotické azolové liečivá a virulencie. Dôsledne, strata SrbA vedie k neschopnosti "A. fumigatus" rásť v podmienkach s nízkym obsahom železa; vyššej citlivosti na antifungálne azolové lieky; a k úplnej strate virulencie v myších modeloch IPA (invazívnej pľúcnej aspergilózy). Keď že "knock-out" mutácie, t.j. mutanty bez génu SrbA, nevykazujú žiadne známky rastu "in vitro" pri nízkom kyslíku, predpokladá sa, že tento stav súvisí s oslabenou virulenciou. Funkcia SrbA pri hypoxii závisí od procesu štiepenia upstream, t.j. smerom k N-terminálu, ktorý vykonávajú proteíny RbdB, SppA a Dsc A-E. SrbA je štiepený z 1015 aminokyselinového predchodcu na funkčnú formu dlhú 381 aminokyselín v endoplazmatickom retikulu. Strata ktoréhokoľvek z vyššie uvedených proteínov SrbA má za následok vytvorenie dysfunkčnej kópie SrbA a následnú stratu "in vitro" rastu pri hypoxii, ako aj oslabenú virulenciu. Chromatínové imunoprecipitačné štúdie s proteínom SrbA viedli k identifikácii druhého regulátora hypoxie, SrbB. Hoci je o spracovaní SrbB málo známe, tento transkripčný faktor sa tiež ukázal ako kľúčový proteín vo virulencii a v plesňovej odpovedi na hypoxiu. Podobne ako SrbA, aj SrbB knockout mutant viedol k strate virulencie, avšak nedochádzalo k zvýšenej citlivosti na antimykotiká, ani k úplnej strate rastu v hypoxických podmienkach (50 % zníženie SrbB namiesto 100 % zníženie SrbA). Stručne povedané, SrbA aj SrbB sa ukázali ako kritické proteíny pri adaptácii "A. fumigatus" u cicavčieho hostiteľa.
Získavanie živín.
"Aspergillus fumigatus" musí získavať živiny zo svojho vonkajšieho prostredia, aby prežil a bujnel vo svojom hostiteľovi. Prostredníctvom štúdií genetických mutácií sa ukázalo, že mnohé z génov zapojených do takýchto procesov ovplyvňujú virulenciu. Príklady príjmu živín zahŕňajú príjem kovov, dusíka a makromolekúl, ako sú peptídy.
Získavanie železa.
Železo je nevyhnutným kofaktorom mnohých enzýmov a môže pôsobiť ako katalyzátor v systéme prenosu elektrónov. "A. fumigatus" má dva mechanizmy na príjem železa, redukčné získavanie železa a sprostredkované siderofórmi, t.j. molekulami, ktoré preferenčne viažu železo. Redukčné získavanie železa zahŕňa premenu železa z železitého (Fe +3 ) do železnatého (Fe +2 ) stavu a následné vychytávanie prostredníctvom FtrA, železnej permeázy. Cielená mutácia génu ftrA neindukovala zníženie virulencie v myšom modeli invázie "A. fumigatus". Naopak, cielená mutácia sidA, prvého génu v dráhe biosyntézy siderofórov, dokázala, že vychytávanie železa sprostredkované siderofórmi je nevyhnutné pre virulenciu. Mutácia downstream génov (t.j. smerom ku 3' koncu) biosyntézy sideroforov sidC, sidD, sidF a sidG viedla ku vytvoreniu kmeňom "A. fumigatus" s podobným znížením virulencie. Zdá sa, že tieto mechanizmy získavania železa fungujú paralelne a oba sú upregulované v reakcii na nízku koncentráciu železa.
Asimilácia dusíka.
"Aspergillus fumigatus" môže prežiť na rôznych zdrojoch dusíka a asimilácia dusíka má klinický význam, pretože sa ukázalo, že ovplyvňuje virulenciu. Proteíny zapojené do asimilácie dusíka sú transkripčne regulované génom AfareA v "A. fumigatus". Cielená mutácia génu afareA ukázala zníženie nástupu úmrtnosti na myšom modeli invázie. Ras-regulovaný proteín RhbA sa tiež podieľa na asimilácii dusíka. Zistilo sa, že RhbA je transkripčne upregulovaný po kontakte "A. fumigatus" s ľudskými endotelovými bunkami a kmene s cielenou mutáciou génu "rhbA" vykazovali znížený rast na slabých zdrojoch dusíka a zníženú virulenciu "in vivo."
Proteinázy.
Ľudské pľúca obsahujú veľké množstvo kolagénu a elastínu, proteínov, ktoré umožňujú pružnosť tkaniva. "Aspergillus fumigatus" produkuje a vylučuje elastázy - proteázy, ktoré štiepia elastín, aby rozložili tieto makromolekulárne polyméry na príjem aminokyselín. Významná korelácia medzi množstvom produkcie elastázy a tkanivovou inváziou bola prvýkrát objavená v roku 1984. Zistilo sa tiež, že klinické vzorky majú väčšiu aktivitu elastázy ako environmentálne kmene "A. fumigatus". Veľké množstvo elastáz je už popísané, vrátane tých zo skupín serínových proteáz, aspartátových proteáz a metaloproteáz. Napriek tomu veľký prebytok týchto elastáz bráni identifikácii špecifických účinkov na virulenciu.
Rozvinutá proteínová odpoveď.
Viaceré štúdie popísali, že signálna dráha odpovedi na nezbalené proteíny (unfolded protein response, UPR) taktiež prispieva k virulencii "A. fumigatus."
Sekundárny metabolizmus.
Sekundárne metabolity vo vývoji plesni.
Životný cyklus vláknitých plesní vrátane druhu "Aspergillus" pozostáva z dvoch fáz: hyfálnej rastovej fázy a reprodukčnej (sporulačnej) fázy. Zmeny medzi rastovou a reprodukčnou fázou týchto plesní sú čiastočne regulované úrovňou produkcie sekundárnych metabolitov. Predpokladá sa, že sekundárne metabolity sú produkované na aktiváciu sporulácie (tzv. konidiogenézy) a pigmentov potrebných pre konidiofóry. Signalizácia G proteínov reguluje produkciu sekundárnych metabolitov. Sekvenovanie genómov odhalilo 40 potenciálnych génov podieľajúcich sa na produkcii sekundárnych metabolitov vrátane mykotoxínov, ktoré sú vyrábané v čase sporulácie.
Gliotoxín.
Gliotoxín je mykotoxín schopný meniť obranyschopnosť hostiteľa tlmením imúnneho systému. Neutrofily sú hlavným cieľom gliotoxínu. Gliotoxín prerušuje funkciu leukocytov inhibíciou migrácie a tvorby a spôsobuje apoptózu v makrofágoch. Gliotoxín narúša zápalovú odpoveď prostredníctvom inhibície transkripčného faktoru NF-kB.
Transkripčná regulácia gliotoxínu.
LaeA a GliZ sú transkripčné faktory, o ktorých je známe, že regulujú produkciu gliotoxínu. LaeA je univerzálny regulátor produkcie sekundárnych metabolitov druhu "Aspergillus." LaeA ovplyvňuje expresiu 9,5% genómu "A. fumigatus", vrátane mnohých génov, ktoré ovplyvňujú biosyntézu sekundárnych metabolitov, ako sú neribozomálne peptidové syntetázy. Produkcia mnohých sekundárnych metabolitov, vrátane gliotoxínu, bola narušená v kmeni mutanta LaeA (ΔlaeA). Mutant AlaeA vykazoval zvýšenú náchylnosť na fagocytózu makrofágov a zníženú schopnosť zabíjať neutrofily "ex vivo." Toxíny regulované faktorom LaeA majú okrem gliotoxínu pravdepodobne úlohu vo virulencii, pretože samotná strata produkcie gliotoxínu nenavrátila virulenciu patotypu ∆laeA.
Súčasné liečby proti infekciám "A. fumigatus".
Súčasné neinvazívne liečby používané proti plesňovým infekciám pozostávajú z triedy liekov známych ako azoly. Azolové lieky ako vorikonazol, itrakonazol a imidazol zabíjajú huby inhibíciou produkcie ergosterolu — kritického prvku bunkových membrán plesní a húb. Mechanicky tieto lieky pôsobia inhibíciou enzýmu cytochrómu p450 známeho ako sterol-14α-demetyláza. Hlavný spôsob rezistencie je prostredníctvom mutácií v géne "cyp51a." Boli však pozorované iné spôsoby rezistencie, ktoré predstavujú takmer 40% rezistencie v klinických vzorkách. V nových štúdiách boli tieto výsledky podopreté pangenomickými analýzami, ktoré dokázali, že vzorky "A. fumigatus" sa geneticky zaradzujú do dvoch kladov, ktoré sa od seba líšia v génoch a polymorfizmoch spojených s rezistenciou - klad A je spojený s mutáciami v géne "cyp51A", klad B je spojený s doteraz neskúmanými mechanizmami. Tento výskum taktiež dokázal, že klinické vzorky sú veľmi podobné k tým zo životného prostredia, a tak je čoraz viac evidentné, že rezistencia "A. fumigatus" voči azolom sa zvyšuje kvôli používaniu azolov v poľnohospodárstve. Spolu s azolmi existujú aj iné triedy antimykotických liekov, napr. echinokandíny. "V tomto článku bol použitý preklad textu z článku na anglickej Wikipédií."