מיקרוביולוגיה קלינית

מיקרוביולוגיה קלינית היא ענף של מדע הרפואה העוסקת במניעה, אבחון וטיפול במחלות זיהומיות. בנוסף לכך,  תחום זה של מדע עוסק במחקרים קליניים יישומיים שונים על אורגניזמים פתוגניים, לשיפור הטיפול והגברת הידע הרפואי. קיימים ארבעה סוגים של מיקרואורגניזמים מחוללי מחלות זיהומיות (פתוגנים): חיידקים, פטריות, טפילים ונגיפים. כמו כן קיים סוג נוסף של הדבקה על ידי חלבון בשם פריון.
מיקרוביולוג קליני חוקר את המאפיינים של הפתוגנים, את מנגנוני ההעברה וההדבקות, ואת מנגנוני הזיהום והצמיחה. באמצעות מידע זה, ניתן להנגיש את הטיפול המתאים. מיקרוביולוגים קליניים משמשים לעיתים קרובות  כיועצים לרופאים, על ידי זיהוי ואפיון הפתוגנים המעורבים וייעוץ לאפשרויות טיפול שונות.
פעילויות אחרות עשויות לכלול זיהוי של סיכון בריאותי פוטנציאלי לקהילה או לניטור התפתחות פוטנציאלית של מחלות מתפרצות חדשות או התפתחות של זנים עמידים לתרופות אנטיביוטיות של פתוגנים, עיסוק הסברה וחינוך במסגרת הקהילה וכן סיוע בפיתוח פרקטיקות רפואיות. הם עשויים לסייע גם במניעה ובקרה של מגיפות והתפרצויות של מחלות.
לא כל המיקרוביולוגים הקליניים חוקרים חיידקים פתוגניים; יש ביניהם העוסקים בחקר זני חיידקים לא-פתוגניים במגמה ללמוד על המאפיינים שלהם, כדי ללמוד על דרכים לפיתוח תרופות אנטיביוטיות חדשות או שיטות טיפול אחרות.
בעוד שאפידמיולוגיה עוסקת בחקר דפוסים, גורמים והשפעות בריאות ומחלות באוכלוסיות, המיקרוביולוג קליני מתמקד בעיקר בנוכחות והצמיחה של זיהומים מיקרוביאליים של יחידים, ההשפעות שלהם על הגוף האנושי, ובשיטות הטיפול בזיהומים אלה.

היסטוריה

בשנת 1676, הבחין אנטון ואן ליוונהוק בחיידקים ומיקרואורגניזמים אחרים, תוך שימוש במיקרוסקופ בעל עדשה אחת שפיתח.
בשנת 1796, פיתח אדוארד ג'נר שיטה באמצעות תרכיב שנוצר מאבעבועות של בקר והצליח לחסן ילד נגד אבעבועות שחורות. עקרונות זהים משמשים גם כיום לפיתוח חיסונים.
בהמשך, פיתח לואי פסטר בשנת 1857, חיסונים נגד מספר מחלות כגון אנתרקס, ותרכיב נגד כלבת. כמו כן פיתח פסטר את תהליך הפיסטור לשימור מוצרי מזון הקרוי על שמו.
בשנת 1867 פיתח ג'וזף ליסטר, הנחשב כאבי שיטת החיטוי, את טכניקת החיטוי במהלך הניתוח, על ידי עיקור המכשירים באמצעות חומצה קרבוקסילית מדוללת וכן שימוש בחומצה זו לצורך ניקוי וחיטוי פצעים. כתוצאה מכך, שיעור הזיהומים לאחר ניתוחים פחתו מאוד, מה שהפך את הניתוח לבטוח יותר עבור המטופלים.
בין השנים 1876 ל 1884 הצליח רוברט קוך לספק מספר תובנות לגבי מהותן של מחלות זיהומיות. הוא היה אחד המדענים הראשונים שהתמקד על בידודם של חיידקים ופיתח שיטות לתרבית טהורה של חיידקים, מה שהוביל בסופו של דבר לפיתוחה של תאוריית החיידקים (Germ theory), שגרסה של התפרצותה של מחלה מסוימת עלולה להיגרם כתוצאה מנוכחותו של מיקרואורגניזם מסוים. קוך פיתח סדרה של קריטריונים סביב תאוריה זו. קריטריונים אלה ידועים כיום בשם ההשערות (פוסטולציות) של קוך.
ציון דרך משמעותי נוסף בהתפתחות המיקרוביולוגיה הקלינית הייתה פיתוחה של שיטת צביעה הקרויה צביעת גראם. בשנת 1884 פיתח הנס כריסטיאן גראם את שיטה לצביעת חיידקים במגנה להפוך את המבנים התאיים שלהם לגלויים יותר וניתנים להבחנה מבדלת תחת מיקרוסקופ. טכניקה זו מצויה בשימוש נרחב גם כיום.
בשנת 1929 פיתח אלכסנדר פלמינג את השימוש בחומר האנטיביוטי הנפוץ גם כיום: פניצילין.
רצוף DNA, שיטה שפותחה על ידי וולטר גילברט ופרדריק סאנגר בשנת 1977, וגרמה לשינוי מהיר בפיתוחם של חיסונים (תרכיבים), טיפולים רפואיים חדשניים, וכן בשיטות אבחון מעבדתיות חדשות. ניתן למנות ביניהם למשל את הייצור הסינתטי של אינסולין, שהופק ב-1979 באמצעות DNA רקומביננטי המהונדס גנטית הראשון. כמו כן פיתוחו של החיסון כנגד הפטיטיס B, בשנת 1986.
בשנת 1995 חקר ופיצח צוות של המכון המחקר הגנומי - The Institute for Genomic Research (שבינתיים התאחד עם מכון מחקר אחר ליצור את J. Craig Venter Institute ) את הרצף הראשון של הגנום של חיידקי Haemophilus influenzae. חודשים מספר מאוחר יותר, הושלם הרצוף הראשון של גנום התא האויקריוטי. לפתוח זה נודעת חשיבות רבה לאין שיעור בטכניקות האבחון.

בדיקות אבחון

אבחון של מחלה זיהומית קלה, עשוי להתבסס על סממנים קליניים; כגון מחלות במערכת העיכול, דלקות בעור. לביצוע מושכל של אבחון סוג הפתוגן - מחולל המחלה, יש לקחת בחשבון גורמים אפידמיולוגיים, כגון של הסבירות שהחולה נחשף לפתוגן החשוד וכן את שכיחות נוכחות זן הפתוגן הספציפי בקהילה.
אבחון של מחלות זיהומיות נעשה כמעט תמיד תוך בחינת ההיסטוריה רפואית של המטופל, תוך ביצוע בדיקה גופנית. אבחון מפורט יותר מערב טכניקות לזיהוי מיקרואורגניזמים המעורבים כמו של תרביות מיקרוביאליות, מיקרוסקופייה, בדיקות ביוכימיות ואבחון גנוטיפי (genotyping). בטכניקות אחרות פחות נפוצות (כגון צילומי רנטגן, סריקות CT, סריקות PET או NMR) משמשים כדי ליצירת הדמיות פנימיות של חריגות במבנה הרקמות כתוצאה מצמיחת הפתוגן.

תרביות דם

מטרת לקיחת התרבית היא כדי לקבוע האם לחולה יש פתוגנים (מחוללי מחלות) בדם. חשוב שההליך יתבצע באופן סטרילי עד כמה שניתן, למניעת תמונת מצב שגויה בדם והתרבית תצביע לכאורה על נוכחות פתוגנים שגויה.
הדם נאסף לתוך בקבוקים מיוחדים להעברה. כמות הדם שנאספת קריטית להתאוששות מיטבית של מיקרואורגניזמים. כאשר נאסף מהמטופל דם יתר על המידה, עשוי הדבר לגרום לאנמיה במטופל. בנוסף לכך, יחס דם / מצע מזון גבוה מדי יוביל לצמיחה לא אופטימלית.
דגימות הדם מודגרות בבקבוקים, ביחידות מיוחדות למשך 24 שעות טרם מבצעים עליהם בדיקות. שלב זה מאפשר למספר נמוך מאוד של חיידקים להיות מוכפלים בסדרי גודל, לרמה מספקת לצורך בדיקת גילוי וזיהוי של החיידק וקביעת עמידותו לאנטיביוטיקה.

מיקרוסקופיה

לעיתים קרובות כאשר משתמשים בטכניקות של תרביות משתמשים בבדיקה מיקרוסקופית כדי לסייע בזיהוי של המחולל/פתוגן. מכשירים כמו מיקרוסקופ אור מסייעים בהערכת היבטים קריטיים של המיקרואורגניזם. שיטה זו יכולה להתבצע מיד לאחר שהדגימה נלקחה מן המטופל, ומשתמשים בה בדרך כלל בשילוב עם טכניקות צביעה, המאפשרות רזולוציה של תכונות תאיות שונות. במיקרוסקופיה אלקטרונית ומיקרוסקופיה פלואורסצנטית ניתן לבחון מיקרואורגניזמים ברזולוציה גבוהה יותר.

בדיקות ביוכימיות

בדיקות ביוכימיות פשוטות הן דרך מהירה יחסית לזיהוי פתוגנים. לזיהוי חיידקים, השימוש באפיון מטבולי או אנזימטי נפוץ בשל יכולתם להגיב לפחמימות בדפוסים אופייניים לסוג ולמין. חומרים שונים כמו חומצות, אלכוהולים וגזים ניתנים בדרך כלל לזיהוי פשוט בבדיקות אלה, כאשר החיידקים גדלים במצע סלקטיבי נוזלי או מוצק.
על מנת לבצע את הבדיקות הללו בעומסים האופייניים למעבדות גדולות בקופות חולים ובתי חולים גדולים, משתמשים במכשור אוטומטי. מכשור כזה מסוגל לבצע מספר בדיקות ביוכימיות בו זמנית, באמצעות כרטיסים המכילים בארות (בדרך כלל שורות חורים קטנים בתוך מעמדים מחומר פלסטי) עם מגיבים (ריאגנטים) שונים לביצוע תגובות ביוכימיות שונות. מרכיבים שונים של המיקרואורגניזם יגיבו באופן ספציפי וייתנו חיווי מתאים למין ולזן המיקרואורגניזם.

בדיקות סרולוגיות

בדיקות סרולוגיות שיטות רגישות, ספציפיות, לעיתים קרובות גם מאוד מהירות לאבחון וזיהוי סוגים שונים של מיקרואורגניזמים. הבדיקות מבוססות על היכולת של נוגדנים ספציפיים להתקשר לאתר מיוחד של אנטיגן. אנטיגן (שהוא בדרך כלל חלבון או פחמימה שנוצר על ידי הפתוגן) נקשר על ידי הנוגדן, מאפשר לבצע סוג זה של בדיקה עבור אורגניזמים שאינם חיידקים. קישור זה מפעיל שרשרת של אירועים שניתן לזהות ולאבחן בקלות, בתלות בבדיקה. כאשר משתמשים בסדרת תגובות מורכבות יותר הידועות כאימונואסיי על בסיס מנגנון דומה ניתן לזהות, או למדוד, אנטיגנים הן של פתוגנים והן של חלבונים שנוצרו על ידי המאחסן המודבק על ידי הפתוגן כתגובה להדבקה.

תגובת שרשרת של פולימראז

תגובת שרשרת של פולימראז (PCR) הם מבחנים הנפוצים ביותר בשימוש בטכניקות מולקולריות לצורך זיהוי וחקר חיידקים. בהשוואה לשיטות אחרות, שיטת הריצוף וניתוח הרצפים היא החלטית, מדויקת, אמינה ומהירה. היום שיטת PCR כמותי (Real-time polymerase chain reaction) הוא הטכניקה העיקרית בשימוש, כיוון ששיטה זו מספקת נתונים במהירות גדולה יותר לעומת מבחן ה PCR המסורתי. כך למשל בטכניקות PCR מסורתיות, נדרש השימוש בג'ל אלקטרופורזה כדי להמחיש את ההגברה של מולקולות ה-DNA לאחר סיום התגובה. PCR כמותי אינו מחייב זאת, כמו כן PCR כמותי מונע את הסיכון של הזדהמות שעלול לחול בעת הרצת מבחן PCR מסורתי .
יתרון נוסף של שימוש PCR כדי לזהות וללמוד חיידקים זיהומיים חדשים המתגלים, זה השוואת רצף ה-DNA שלהם עם זנים או מינים שכבר רשומים ומפוענחים גנטית במאגר מידע. מה שמסייע ומאפשר להגדיל את ההבנה על האורגניזם מחולל המחלה הזיהומית, ולכן גם מאפשר קבלת מידע על שיטות טיפול אפשריות. טכניקה זו משמשת בעשור השני של המאה ה-21 באופן תקני באבחון זיהומים נגיפיים כגון איידס וצהבת.

ג'ל אלקטרופורזה

משמשת באופן שגרתי במיקרוביולוגיה קלינית להפרדה של DNA ו-RNA, או מולקולות חלבון, תוך שימוש בתכונות של שדה חשמלי והפרדה לפי גודל צורה ומטען חשמלי של המולקולות.

בלוטינג (blotting)

שיטה להעברה של מולקולות חלבון, או DNA או RNA לתוך ממברנות (למשל מניילון, ניטרוצלולוז, פוליוינילידן פלואוריד וכו'), לאחר ג'ל אלקטרופורזה בדרך כלל. אפשר אחרי כן לצבוע או לסמן אותם בדרך אחרת, לקשור אותם עם נוגדנים ספציפיים ולהגיב עם אנזימים ספציפיים ובאופן זה להבחין בהם, לצלם אותם, ולזהותם ביחס לחומרי ייחוס ידועים.
מבחינים בין טכניקות סוגי בלוטינג שונים, לפי השימוש שלהם להפרדות וגילוי המולקולות השונות שצוינו לעיל:
( Southern blotting, northern blotting, western blotting ו- Eastern blotting ).

מיקרואריי של DNA

שיטה חדשנית יותר, המחליפה פעמים רבות את שיטות הבלוטינג, מאפשרת חקירתם של אלפי רצפים שונים של פתוגנים שונים, (באוויר, במים ברקמות וכו') בו זמנית תוך זמן קצר. השיטה משמשת דם לגלות שוני גנטי בין זנים שונים של מיקרואורגניזמים.

ריצוף DNA

משמשת כבר עשורים אחדים במחקר מיקרואורגניזמים. קיים כיום מאגר עצום של רצוף גנום מפוענח לגבי אלפי מינים של מיקרואורגניזמים.

איטרפירנס של RNAi- RNA interference) RNA) 

טכניקה שבה מולקולות RNA משמשות לעיכוב הביטוי של גנים או התרגום שלהם על ידי ניטרול מולקולות mRNA.

טיפולים

מרגע שהרופא איבחן וזיהה זיהום, עליו להעריך את האפשרויות השונות לטיפול המתאים, תוך התייעצות עם רופא מומחה למחלות זיהומיות או המיקרוביולוג הקליני. זיהומים מסוימים יכולים להיות מטופלים על ידי המערכת החיסונית של הגוף עצמו, אך זיהומים קשים יותר מטופלים באמצעות תרופות אנטימיקרוביאליות. זיהומים חיידקיים מטופלים עם חומרים אנטיבקטריאליים (הקרויים בדרך כלל אנטיביוטיקה) ואילו זיהומים פטרייתיים ונגיפיים מטופלים על ידי חומרים אנטי פטרייתיים או אנטי נגיפיים בהתאמה. שורה שלמה של תרופות המכונות אנטיפרזיטיות (antiparasitics) משמשות לטיפול במחלות טפיליות.
מיקרוביולוגים קליניים ממליצים לעיתים קרובות לרופא המטפל על טיפול המבוסס על איבחון זן הפתוגן ועל מידת העמידות האנטיביוטית שלו, אתר ההדבקה, פוטנציאל הרעילות של התרופות המיקרוביאליות והאלרגיות הידועות של המטופל לתרופות.
בנוסף לכך תרופות הידועות כספציפיות לסוג מסוים של האורגניזם (חיידקים, פטריות, וכו'.), ישנן תרופות מסוימות אשר פועלות ספציפית כנגד מינים או זנים מסוימים של המיקרואורגניזם, ולא יפעלו על מיקרואורגניזמים אחרים. מסיבה זו חובתם של המיקרוביולוגים הקליניים לשקול את יעילות של התרופות האנטיביוטיות בעת מתן ההמלצות. בנוסף לכך, זנים מסוימים של מיקרואורגניזמים עשויים להיות עמידים בפני סוג מסוים או משפחה מסוימת של תרופות, גם כאשר הן בדרך כלל יעילות נגד אותו מין. זנים אלה, שכונו זנים עמידים, מעמידים בעיה רצינית בפני רשויות בריאות הציבור קיימת דאגה הולכת וגוברת לתעשיית התרופות ככל שהעמידות לאנטיביוטיקה מתפשטת. עמידות אנטימיקרוביאלית היא עניין בעייתי יותר ויותר המוביל מיליוני מקרי מוות בכל שנה.
בעוד שעמידות לתרופות בחיידקים קשורה בדרך כלל מעורבות כימית על ידי עיכוב פעילות התרופה האנטימיקרוביאלית או עיכוב מכני של ספיגת התרופה על ידי התא, קיימת צורה נוספת של התרופה עמידות היכולה לנבוע מהיווצרות של ביופילמים. חיידקים מסוימים מסוגלים ליצור ביופילמים על ידי הידבקות למשטחים של להתקנים מושתלים כגון צנתרים ותותבות תוך יצירת מטריצה חוץ-תאית, המאפשרים הצמדות של תאים אחרים. דבר זה מאפשר קיומה של סביבה יציבה שממנה החיידקים יכולים להתפזר ולהדביק חלקים אחרים של המאחסן. בנוסף לכך, המטריצה החוץ-תאית ושכבת התאית החיידקית החיצונית הצפופה מאפשרת הגנה לחיידקים שבפנים השכבה, מפני התרופות האנטיביוטיות.
מיקרוביולוגיה קלינית אינה עוסקת באבחון וטיפול במחלה בלבד, היא עוסקת גם בחקר חיידקים מועילים. חיידקים הוכחו כמועילים במאבק נגד מחלות זיהומיות, וקידום בריאות. טיפולים יכולים להתפתח מחיידקים, כפי שהודגם על ידי אלכסנדר פלמינג תוך גילוי הפניצילין, כמו גם פיתוח של אנטיביוטיקה חדשה מחיידק מסוג Streptomyces וכך מחיידקים אחרים. מיקרואורגניזמים אינם משמשים כמקור לאנטיביוטיקה בלבד, אלא יכולים לפעול גם כפרוביוטיקה כדי לספק יתרונות בריאותיים למאחסן, כגון הספקת שיפור בריאות מערכת העיכול או עיכוב פתוגנים.