Soolekepike

Ajalugu

Escherichia coli ja Salmonella typhimurium lahknesid umbes 102 miljonit aastat tagasi, mis langeb kokku nende imetajatest peremeeste evolutsiooniga.
Soolekepikesed avastas 1885. aastal saksa lastearst ja bakterioloog Theodor Escherich, uurides tervete inimeste fekaale. Ta pani neile nimeks Bacterium coli commune, kuna neid leidub käärsooles. Hiljem paigutati nad uue perekonna Escherichia alla, mis sai oma nime avastaja järgi.
Arvatakse, et algupärane Escherichi kirjeldatud tüvi on välja surnud ning seetõttu on valitud uus tüüpesindaja NCTC 9001, mis on patogeenne kanadele ja omab serotüüpi O1:K1:H7. Kuid sellegipoolest kasutatakse uurimistöödes esindustüvena kas O157:H7, K-12 MG1655 või K-12 W3110 tüve.

Bioloogia ja biokeemia

Soolekepike on gramnegatiivne pulkbakter suurusega 0,5–0,8 × 1,0–2,0 μm. Suurem osa tüvedest omavad vibureid ja on liikuvad. Ta on fakultatiivne anaeroob, kelle olulisemateks omadusteks on gaasi tekitamine glükoosist, laktoosi fermentatsioon ja aminohappe lüsiini lõhustamine. Nad suudavad oma geneetilist materjali horisontaalselt üle kanda bakteriaalse konjugatsiooni, transduktsiooni ja transformatsiooni teel. Selle mehhanismiga kandsid üle bakteriofaagid Shiga toksiini kodeerivad geeni Shigellalt Escherichia coli O157:H7 tüvele.
E. coli optimaalne kasvutemperatuur on 37 °C, kuid mõned laboritüved suudavad paljuneda ka 49 °C juures.

Mitmekesisus

Escherichia coli hõlmab väga suurt bakterite populatsiooni, millel on väga kõrge geneetiline ja fenotüübiline mitmekesisus. E. coli isolaatide ja temaga suguluses olevate bakterite genoomide sekveneerimine on andnud alust kaaluda taksonoomilist ümberpaigutamist, kuid seda pole tehtud tema meditsiinilise olulisuse tõttu. Escherichia coli on geneetiliselt kõige kirjum bakteriliik, kuna ainult 20% genoomist on ühine kõikidele tüvedele. Evolutsiooniliselt peaksid Shigella perekonna liikmed klassifitseeruma E. coli tüvedena, kuid nad on märgitud hoopiski parafüleetilise rühmana. Kuid seevastu E. coli tüvi K-12, keda kasutatakse sageli rekombinantse DNA tegemiseks, peaks kuuluma hoopis teise perekonda, kuna on piisavalt erinev tüüptüvest.
Tüvi on liigi alarühm, kes on oma omadustelt väga ainulaadne ja erineb seega oluliselt teistest tüvedest. Need erinevused on sageli tuvastatavad ainult molekulaarsel tasemel, kuid sellegipoolest võivad nad põhjustada muutusi bakteri füsioloogias või elutsüklis. Tüvi võib saavutada võime patogeensuse tekitamiseks, kasutada unikaalset süsinikuallikat, kasutada konkreetset ökoloogilist nišši või taluda antimikroobseid ühendeid. Erinevad Escherichia coli tüved on sageli peremehespetsiifilised ja selle tõttu on võimalik tuvastada keskkonnaproovidest fekaalireostust. Kui on teada, mis E. coli tüvi esineb veeproovis, on võimalik teadlastel teha oletusi, kas reostus on pärit inimeselt, teistel imetajatelt või lindudelt.

Genoomi plastilisus

Uued Escherichia coli tüved tekivad sarnaselt kõikide teiste eluvormidega läbi looduslike bioloogiliste protsesside, milleks võivad olla näiteks mutatsioonid, geeni duplikatsioonid ja horisontaalsed ülekanded. Umbes 18% laboratoorse E. coli tüve MG1655 genoomist on horisontaalselt omandatud Salmonella'-st lahkemise käigus. Mikrobioloogias pärinevad kõik kolibakteri tüved E. coli K-12 või B tüvedest. Mõnel tüvel arenevad tunnused, mis võivad olla kahjulikud oma peremehele. Virulentsed tüved põhjustavad tavaliselt kõhulahtisuse hooge, mis on tervetele täiskasvanutele ebameeldiv, kuid arengumaades elavatele lastele võib olla letaalne. Tüvi O157:H7 on rohkem virulentne ning võib põhjustada vanematel inimestel, noortel või immuunpuudulikkusega indiviididel tõsiseid haigusi ja koguni surma.

Viimased sündmused

Teatud kolibakteri tüved on põhilised toidumürgistuse põhjustajad. Näiteks 2011. aasta mais sai Saksamaalt alguse bakteripuhang, mille põhjustas E. coli O104:H4. Puhang sai alguse, kui mitmed sakslased nakatusid enterohemorraagilisse (EHEC) E. coli bakterisse, mis põhjustas neil hemolüütilis-ureemilise sündroomi (HUS), mis vajab kiiret meditsiinilist sekkumist. 30. juunil 2011 teatas Saksamaa Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR; Föderaalne Riskianalüüsi Instituut), et tõenäoliselt olid enterohemorraagilise gastroenteriidi puhangu põhjustajaks Egiptusest pärinenud lambaläätse (Trigonella) seemned.

Genoom

Esimene Escherichia coli täielik DNA sekveneerimine toimus aastal 1997 ja seda tehti laboratoorse tüve K-12 derivaadi MG1655-ga. Selgus, et tema genoomiks on tsirkulaarne DNA molekul, pikkuseks 4,6 miljonit aluspaari ja proteiine kodeerivaid geene on 4288, mis on organiseeritud 2584 operoni. Samuti leiti ka seitse ribosomaalse RNA operoni ning 86 transport RNA geeni. Hoolimata faktist, et teda on intensiivselt kasutatud juba umbes 40 aastat geneetilises analüüsis, oli suur hulk neid geene varem teadmata. Kodeerimise intensiivsus on väga kõrge, keskmine distants kahe geeni vahel on ainult 118 aluspaari pikk. Genoomis täheldati ka suurt hulka transponeerivaid ja korduvaid elemente, arusaamatuid profaage ja bakteriofaagi jääke.
Nüüdseks on saadaval üle 60 Escherichia ja Shigella liigi täieliku genoomse järjestuse. Nende kahe liigi järjestuste võrdlemisel on nähtud väga suurt mitmekesisust, umbes 20% genoomsest järjestusest on esindatud kõikides isolaatides. Iga individuaalne genoom koosneb 4000–5500 geenist, kuid täielik arv erinevaid geene, mis on E. coli kõikidest sekveneeritud tüvedest pärit, ületab 16 000. Selline suur varieeruvus komponentsete geenides osas tähendab seda, et kaks kolmandikku kolibakteri täielikust genoomist on pärit teistelt liikidelt ning on omandatud horisontaalse geeniülekande teel.

Roll normaalses mikroflooras

Tavaliselt koloniseerub E. coli vastsündinu seedetraktis 40 tunniga, pärinedes toidust või inimestelt, kellega imik kokku puutub. Sisikonnas kinnitub ta jämesoole lima külge. On seega inimese sooletrakti primaarne fakultatiivne anaeroob, kes suudab elada nii hapniku juuresolekul kui ka hapnikuvaeguses. Kuni bakterid ei omanda geneetilisi elemente, mis kodeerivad virulentsusfaktoreid, jäävad nad healoomulisteks kommensalistideks.
Mittepatogeenseid E.coli tüvesid kasutatakse probiootikumide toimeainena meditsiinis, põhiliselt mitmesuguste seedetrakti infektsioonide raviks.

Patogeenne Escherichia coli

E. coli on fakultatiivselt patogeenne, tema adhesiooni ja invasiooni kodeerivad geenid asuvad sageli plasmiidides ning tal on palju virulentsusfaktoreid. Lisaks üldistele faktoritele, mis esinevad kõikidel enterobakteritel, esinevad uropatogeensetel ja gastroenteriiti põhjustavatel tüvedel veel spetsiifilised virulentsusfaktorid, mis jagunevad kahte suurde kategooriasse – adhesiinid ja eksotoksiinid.

Epidemioloogia

Lisaks seedetraktile võib E. coli esineda väikestes hulkades ka suguteedes. Väliskeskkonnas on nad vastupidavad ja esinevad pinnases, vees ja taimedel.
Kui haigust tekitavad kolibakteri tüved pärinevad inimese enda sooletraktist, nimetatakse seda endogeenseks nakkuseks. Saastunud toidust või veest pärinev nakkus on fekaal-oraalne seedeinfektsioon ning haigla personali kätelt või määrdunud instrumentidelt saadud on hospitaalinfektsioon. Samuti esineb kaasasündinud infektsiooni, mis on saadud ema sünniteedest.

Kliiniline pilt

Escherichia coli on kõige sagedasem uroinfektsioonide tekitaja. Nakkus on astsendeeruv, mille puhul jämesooles elutsevad tüved koloniseerivad lahkliha ja ureetrat ning satuvad sealt kusepõide, kus migreeruvad neeruvaagnasse. Infektsiooni põhjustavad spetsiifilised E. coli serogrupid, kes omavad erilisi pilisid, mis on vajalikud kinnitumiseks kuseteede epiteelirakkudele. Samuti on ta kõige sagedasem sepsisehaige verest isoleeritud gramnegatiivne mikroorganism.
Gastroenteriiti põhjustavad E. coli tüved jagatakse 5 gruppi: enteropatogeenne (EPEC), enterotoksigeenne (ETEC), enterohemorraagiline (EHEC), enteroinvasiivne (EIEC) ja enteroagregatiivne (EAEC).

ETEC

Kõige sagedasem E. coli põhjustatud enteriit on niinimetatud reisijate kõhulahtisus, mis on eriti sage arengumaades. Põhilised serotüübid on O6:H16, O8:H9, O27:H7 ja O78:H11. Haiguse patogeneesi aluseks on enterotoksiinide produktsioon. Esmalt peab mikroob adheeruma spetsiifiliste pilide abil ning sellele järgneb enterotoksiini produktsioon. Toksiinid on seotud plasmiidide esinemisega mikroobirakus. ETEC põhjustatud haiguse puhul soole limaskestas põletikulisi muutusi ei täheldata.
Pärast fekaaloraalset nakatumist tekib 1–2-päevase inkubatsiooni järel 3–4 päeva kestev keskmise raskusastmega vesine diarröa. Esineda võivad ka iiveldus ja oksendamine. Arengumaades on praktiliselt kõik inimesed lapseeas selle haiguse läbi põdenud, seetõttu kohalikel täiskasvanutel seda haigust ei täheldata.

EPEC

EPEC on üks esimesena avastatud kõhulahtisust tekitavatest E. coli tüvedest ja põhjustab haigestumist peamiselt alla kahe aasta vanustel lastel. Sageli tekib nakkus üleminekul rinnapiimatoidult kunstlikele piimasegudele, sest rinnapiimas leiduvad oligosahhariidid inhibeerivad EPEC adhesiooni. Täiskasvanud haigestuvad harva, haiguse teket soodustab alatoitlus. Spetsiifilisteks serotüüpideks on O111:H7, O86:H34 ja O55:H7.
Haigusele on iseloomulik bakterite adhesioon peensoole epiteelrakkudele. Mikroob kinnistub lühikeste ja peente pilide kimbu abil mikrohattudele, seejuures peab sellele eelnema mikroobide omavaheline kokkukleepumine ja infektsioossete ühikute teke. Virulentsus on määratud mikroobi plasmiidide ja kromosoomis olevate adhesiooni geenide olemasoluga. Haigusspekter võib olla kergest vormist (vesine diarröa) raske kurnava pikaajalise diarröani. EPEC kõhulahtisus on tavaliselt mitteverise roojaga, kuigi mikroob on võimeline sisenema rakku. Kaasneb ka oksendamine, alatoitlus, kaalukaotus ja arengupeetus.

EIEC

Enteroinvasiivse E. coli põhjustatud infektsioone esineb tänapäeval arenenud maades harva, sagedasemateks serotüüpideks on O28, O29, O124, O143, O164. EIEC tüved on biokeemiliselt, geneetiliselt ja patogeneetiliselt sarnased Shigella spp. tüvedega. Nende tüvede patogeneesis on oluline penetratsioon läbi epiteeli, endotsütoosi põiekeste lüüs, intratsellulaarne paljunemine ning levik mööda aktiininiite lähedalasuvatesse epiteelirakkudesse. Tulemuseks võib olla tugev põletikuline reaktsioon ja jämesoole haavandite teke.
EIEC põhjustatud haiguse korral esinevad palavik ja kõhukrambid, roojast leitakse rohkesti leukotsüüte ja erütrotsüüte. Mõnikord võib tegemist olla ka vesise diarröaga.

EHEC

EHEC on tänapäeval arenenud riikides peamine verise kõhulahtisuse tekitaja. Haigus pärineb tõenäoliselt koduloomadelt. Inimesele kandub nakkus üle toidu ja määrdunud kätega. Mikroob on väga virulentne, infektsiooni tekkeks on tarvis vähem kui 100 mikroobirakku. Enamik haigusi on tekitatud O157:H7 serotüübi poolt. EHEC tüved on tundlikud mao madalale pH-le. Infektsiooni patogeneesi aluseks on Shiga toksiinide produktsioon, mis sisenevad rakku peremehe soole hattudel ja neeru endoteelil asetseva glükolipiidi retseptori abil. Kliinilist pilti iseloomustab hemorraagilise koliidi esinemine, mis mõnikord tüsistub hemolüütilis-ureemilise sündroomi tekkega.
Enterohemorraagiline E. coli tuvastati ebatavalise soolenakkuse põhjustajana esimest korda 1982. aastal. EHEC nakkus võib põhjustada hemolüütilis-ureemilist sündroomi, mille puhul vere punalibled lagunevad, vereliblede arv väheneb ning tekib äge neerupuudulikkus. See võib tekitada püsivaid neerukahjustusi ja lõppeda surmaga.

EAEC

Võib põhjustada kauakestvat vesist diarröad arengumaades nii lastel kui ka sinna reisivatel täiskasvanutel. EAEC bakterid kleepuvad pilide toimel omavahel kokku ja adheeruvad enterotsüütidele. Tema toimel soole hatud lühenevad, hatu tipus tekib hemorraagiline nekroos ja põletikureaktsioon.