Modul 4 - Mag- och tarminfektioner & antimikrobiell behandling

Kurs: Basvetenskap 6

Infektiösa agens som orsakar mag- och tarminfektioner

Bakterier

Helicobacter pylori antas smitta via avföring (direktkontakt eller vatten/föda, inte helt säkert). Kan tillhöra normalfloran men orsakar hos vissa magkatarr och magsår.

1. Verkar i magsäcken.
2. Frisätter mucinas, som bryter ner mukuslagret.
3. Samverkan mellan mucinas, pepsin och magsyra skadar mukos och epitel.
4. Neutrofiler migrerar in från blodet, orsakar inflammation.
5. Kan leda till magkatarr och magsår.
6. Långvarig inflammation kan leda till magcancer.

Salmonella delas i två arter: S. bongori (nästan enbart kallblodiga djur) och S. enterica. S. enterica delas i sin tur i sex underarter:

• S. enterica subsp. enterica (subsp. I) - varmblodiga djur och människa, står för >99 % av humana fall.
• salamae (II), arizonae (IIIa), diarizonae (IIIb), houtenae (IV) och indica (VI) - främst kallblodiga djur och miljö; ovanliga hos människa men förekommer hos immunsupprimerade och efter reptilkontakt.

Underarten enterica rymmer ca 2500 serotyper, som typas serologiskt enligt Kauffmann-White-schemat (O-antigen = LPS, H-antigen = flagellin, Vi-antigen = kapsel). Serotyperna delas kliniskt i tyfoidala och icke-tyfoidala beroende på infektionssätt. Går via matstrupe → magsäck → tunntarm.

• Icke-tyfoidal salmonella (t.ex. S. enterica serovar Enteritidis, vanligast vid gastroenterit/matförgiftning): smittar via vatten, livsmedel eller munnen. Patogenes: bakterien simmar i tunntarmen → M-celler (immunceller som fångar upp hela bakterien från tarmlumen) signalerar till immunsystemet → parallellt injicerar bakterien effektorproteiner i epitelceller via sitt Typ 3-sekretionssystem (T3SS). Både M-cellsupptag och epitelinvasion ger neutrofilinflux i tarmen - bekämpar bakterien men orsakar samtidigt vätskeutflöde till tarmlumen → kraftig diarré.
• Tyfoidal salmonella (S. enterica serovar Typhi): orsakar tyfoidfeber (systemisk infektion), sprids med dålig hygien och förorenat dricksvatten, vanligast i Afrika och Asien (Indien mest drabbat). Går via M-celler vidare till dendritceller och monocyter, kan överleva intracellulärt i dessa celler (majoriteten av tiden intracellulärt i makrofager). Använder T3SS för att injicera effektorer som modulerar värdcellens funktion. Sprids via immunceller till en lymfkörtel i mesenteriet, sedan vidare till lever och mjälte - systemisk infektion.

Vibrio cholerae orsakar kolera. Går via matstrupe/magsäck till tunntarmen, problem uppstår främst vid förorenat dricksvatten (utbrott kopplade till hälsokriser). I tunntarmen utsöndras Koleratoxin.

• Koleratoxinet är ett AB-toxin: A-subenheten har enzymatisk (toxisk) aktivitet, B-subenheten möjliggör cellbindning.
  1. Smutsigt vatten med V. cholerae dricks.
  2. Bakterien tar sig till tunntarmen.
  3. Koleratoxinets B-subenhet binder receptorn på målcellen (tarmepitel); A-subenheten frisätts och aktiverar adenylatcyklas.
  4. Utströmning av joner och vatten ur cellen (osmotiskt tryck).
  5. Ger “rice water stool” - extremt vätskerik diarré → dehydrering.

Tarmpatogena Escherichia coli: en grupp toxinmedierade sjukdomar.

• ETEC (enterotoxinbildande E. coli): sprider via förorenade livsmedel/vatten, klassisk “turistdiarré”. Använder två enterotoxiner: värmekänsligt toxin (LT) (A-B-toxin, B binder GM1/GD1b-receptorn, A aktiverar intracellulärt adenylatcyklas) och värmestabilt toxin (ST) (aktiverar membranbundet guanylatcyklas). Båda ger jon-/vätskeutströmning → diarré.
• EHEC (enterohemorragisk E. coli): toxinmedierad zoonos, nötkreatur är huvudreservoar. Börjar med magkramper/diarré (blodblandad efter 2-3 dagar), illamående, kräkningar, feber. Kan ge hemolytiskt uremiskt syndrom (HUS) - sönderfall av RBK och njursvikt, ibland blödningar; kan drabba alla åldrar men framförallt barn under 5 år. Orsakar mest skada i tjocktarmen.
  • Shigatoxin (Stx): A-B-toxin, B-subenheten binder cellytreceptorn, A-subenheten verkar intracellulärt genom att klyva ribosomalt RNA (28S rRNA) - förhindrar proteinsyntes. Kan ha systemisk påverkan förbi tarmepitelet och skada blodkärl → blodig diarré. Toxinet tas upp i en endosom → till golgiapparaten där subenheterna går isär → A-subenheten frisätts till cytoplasman och klyver 28S rRNA.
  • EHEC kan bilda “piedestaler” (mekanismen är oklar, men bakterien kan kontrollera cellen via detta) genom att injicera effektorer (Esps) via T3SS.

Protozoer

Giardia lamblia (Giardia intestinalis/duodenalis), en flagellat och zoonos, vanligast i utvecklingsländer men förekommer även i rika länder. Låg dödlighet men kan ge stor invaliditet.

1. Vi får i oss beständiga cystor via fekal-oral smitta (10-25 cystor räcker för sjukdom).
2. Kontakt med magsäckssyra och pankreasenzymer utlöser excystering - trofozoiter frisätts i proximala tunntarmen.
3. Trofozoiterna binder till tarmepitelet och delar sig via binär fission.
4. Utvecklas till cystor i distala tunntarmen/kolon, lämnar kroppen via avföring.

• Speciell morfologi: flera cellkärnor, mitosomer istället för mitokondrier, en adhesiv disk för bindning till epitelceller med villi.
• Trofozoiterna frisätter proteaser/enzymer som skadar mikrovilli, disackaridaser och transportproteiner → försämrad vätske-/elektrolytabsorption. Brist på gallsalter (parasiten tar upp dem) → gallsalter dekonjugeras → fettmalabsorption.
• Symtom: mestadels asymtomatisk. Efter 3-20 dagars inkubation: akut vattnig diarré, steatorré, flatulens, magkramp; kan bli kronisk återkommande diarré, viktnedgång, vitamin A/B12-brist, sekundär laktosintolerans.
• Behandling: metronidazol (Flagyl) - en prodrug som tas upp och aktiveras i giardians reducerande miljö till en aktiv radikal.

Cryptosporidium spp, nära besläktad med Giardia symtommässigt. ~20 arter, C. parvum och C. hominis vanligast. Zoonos (kalvar, får), orsakar 1-3% av diarréer i rika länder, 15-20% i fattiga länder - stor orsak till diarrédödsfall.

1. Fekal-oral smitta via beständiga oocystor (överlever länge, även i klorinerat vatten).
2. Oocystor excysterar, sporozoiter frisätts i tunntarmen → omvandlas till trofozoiter som infekterar enterocyter i jejunum/ileum.
3. Asexuell reproduktion → merozoiter som antingen fortsätter asexuell cykel eller startar sexuell cykel.
4. Sexuell cykel: befruktning mellan mikro- och makrogameter → nya oocystor (tunnväggade = autoinfektion, tjockväggiga = sprids vidare).
5. Snabb asexuell fortplantning + inflammation orsakar villusatrofi → reducerad disackaridasaktivitet, ökad intestinal permeabilitet/kloridsekretion, försämrad absorption. Kroppen kompenserar genom ökad enterocytmitos → fler omogna enterocyter, sämre absorption.

Entamoeba histolytica: använder Pseudopodier, kan innehålla RBK. Stora cystor med flera cellkärnor. Identisk med E. dispar (dock inte patogen) och snarlik E. coli. Fekal-oral smitta, zoonos (primärt människor, även andra primater som reservoar).

1. Tåliga cystor excysterar i tunntarmen efter passage genom magsäcken.
2. Frisatta trofozoiter mognar i tjocktarmen, multiplicerar, bildar cystor.
3. Trofozoiter kan ge icke-invasiv kolonisering, invasion av mukosan, eller invasion av blodcirkulationen (→ extraintestinala komplikationer).
4. Cystor/trofozoiter lämnar kroppen med avföringen.

• Patogenes: trofozoiterna stimulerar slembildning (mucin från gobletceller), lyserar enterocyter (via proteas), inflammatoriskt svar frisätter ROS som förstör vävnaden, karakteristiska flaskformade ulcerationer bildas. Trofozoiter kan spridas via portablodflödet till lever (och andra vävnader: hjärna, hud, brosk, skelett) och orsaka granulom/abscesser.
• Intestinala protozoer kan generellt ge: dysenteri (mycket smittsam akut tarminfektion), akuta kortvariga diarrébesvär, långdragen/kronisk diarré/malabsorption, samt artspecifika extraintestinala komplikationer.

Maskar

Enterobius vermicularis (springmask): liten, humanspecifik nematod (till skillnad från de tidigare zoonoserna), vanligare hos barn, mycket vanlig i t.ex. förskolor.

1. Fekal-oral transmission av embryonerade ägg.
2. Äggen kläcks i tunntarmen.
3. Larverna migrerar till caecum, utvecklas till adulta maskar.
4. Efter parning dör hanen och honan migrerar till anus för äggläggning.

• Kliniskt: små vita maskar kan ses i perianala veck/vagina, oftast asymtomatisk; klåda kopplas till sekretet från äggläggningen (nattlig klåda = autoinfektion, sömnförlust, trötthet). Kan i sällsynta fall migrera upp i vagina (vulvovaginit hos flickor). Vissa associationer gjorda mellan springmask och blindtarmsinflammation.

Virus

Diarrésjukdom är näst vanligaste dödsorsaken hos barn under fem år trots att den kan förebyggas/behandlas med rent dricksvatten och sanitet. Viktigaste virus: Rotavirus, Norovirus (calicivirus), Adenovirus (typ 40/41), astrovirus. Infekterar tunntarmen (inte kolon), skadar slemhinnan och dess villi → malabsorption av vatten/elektrolyter → diarré/kräkningar, självläker om vätske-/elektrolytrubbningar behandlas. Fekal-oral spridning.

Rotavirus: stor orsak till spädbarnsdöd i låginkomstländer (förbättrat sedan vaccin infördes). Familjen Reoviridae, hjullik struktur med tre proteinlager, ikosahedral kapsid, saknar hölje. Dubbelsträngat, segmenterat genom (11 segment). Rotavirus A vanligast hos människa. Rotaviruset är en infektiös subviral partikel (ISVP) - kräver aktivering av ett extracellulärt proteas i tarmen. Ger diarré, kräkningar, hög feber hos barn.

• Replikationscykel: aktivering av extracellulärt proteas → ISVP → cellbindning och penetration → dsRNA transkriberas till mRNA → inkapsling i eget hölje → translation → aggregering → sammansättning i ER → utsöndring genom cellulär lys.
• Patogenes: direkt lytisk cellskada (förklarar inte hela symtombilden ensamt). Det icke-strukturella proteinet NSP4 fungerar som ett enterotoxin - stimulerar serotoninfrisättning, som i sin tur stimulerar frisättning av kloridjoner och vatten → diarré, kräkning. Extraintestinala manifestationer: encefalit, myokardit, förhöjda leverenzymer.
• Vaccin (levande försvagat) ger god, ffa IgA-medierad immunitet som förbättras efter reinfektion, med korsimmunitet mellan stammar. Ingår i svenska barnvaccinationsprogrammet.

Calicivirus (vinterkräksjukan): familjen Caliciviridae, enkelsträngat positivt RNA-virus utan hölje, replikerar i enterocyternas cytoplasma. Genomgången infektion ger dålig immunitet mot nya stammar och kortvarig immunitet mot samma stam (pandemier motsäger detta delvis). Delas i norovirus (flest infektioner) och sapovirus. Akut insjuknande med explosiva kräkningar, även diarré, buksmärtor, yrsel, feber; självläkande inom några dygn men kan kräva vätskebehandling. Mycket smittsam, motståndskraftig mot inaktivering.

• Sprids fekal-oralt, främst vintertid, drabbar barn/vuxna/vårdpersonal, hög koncentration i feces. Ca 20% av européer är FUT-2-negativa (resistenta mot många norovirusgenotyper, inklusive vanligaste GII.4) - FUT-2 (fukosyltransferas-2) bidrar till syntes av sockermolekyler (ABO, H typ 1-glykaner) i mukosan, viktigt för norovirusinfektion. Blodgrupp B ger minskad risk för ovanliga genotyper.

Enteriska adenovirus: serotyp 40 och 41 vanligast, förekommer under hela året (till skillnad från övriga). Associerade med gastroenterit hos barn.

Immunförsvarets bekämpning av mag- och tarminfektioner

• Neutrofiler angriper Helicobacter pylori och Salmonella enteritidis, vilket oftast leder till att neutrofilerna själva bidrar till patogenesen (vävnadsskada via inflammation) - se avsnitten ovan.

Verkningsmekanismer för antivirala läkemedel

Antivirala läkemedel är relativt nya, specifika och effektiva; kan behandla både akuta och kroniska infektioner.

Akuta infektioner:

• Influensa: neuraminidashämmare (Oseltamivir/Tamiflu, Zanamivir/Relenza); Baloxavir hämmar det cap-beroende endonukleaset som initierar transkription av viralt mRNA. Måste startas snabbt (<48 h).
• RS-virus: Palivizumab - monoklonal antikropp mot ett glykoprotein på RS-virusets yta, förhindrar fusion med cellmembranet.
• SARS-CoV-2: proteashämmare (Nirmatrelvir) och ribonukleosidanalog (Remdesivir, hämmar replikation). Viktigaste profylax är vaccination.

Kroniska infektioner: flera herpesvirus (HSV-1/2, CMV, VZV), HIV, hepatit B och C.

Direktverkande antiviralers verkningsmekanismer:

1. Blockera receptorbindning (t.ex. CCR5-blockerare vid HIV).
2. Blockera ett viralt enzym (nukleosidanaloger, proteashämmare, integrashämmare, neuraminidashämmare).
3. Blockera viral proteinsyntes (t.ex. antisense RNA).
4. Blockera virusfrisättning (t.ex. neuraminidashämmare).

Ytterligare principer: modulera immunreaktioner (t.ex. interferon), passiv immunisering (tillsätta antikroppar), terapeutisk vaccination (kroppen tillverkar egna antikroppar).

• Nukleosidanaloger (NA): prodrugs, måste trifosforyleras i cellen för att aktiveras. Många har en förändrad hydroxylgrupp i 3’-positionen - när nukleosidanalogen inkorporeras i den växande DNA-/RNA-strängen saknas kopplingspunkten för vidare förlängning (“chain terminators”). Används bl.a. vid hepatit B (interferon ger bestående effekt vid lyckad behandling, men NA har bäst antiviral effekt).
• HIV behandlas även med inträdeshämmare, omvänt transkriptas (RT)-hämmare, integrashämmare och proteashämmare.
• Aciklovir (nukleosidanalog mot herpesvirus): monofosforyleras av herpesvirusets tymidinkinas (HSV-1-TK), inte av cellulärt tymidinkinas - aktiveras alltså endast i infekterade celler. Efter första fosforyleringen difosforyleras det av cellens egna kinaser (GMPK, NDPK). Immunsupprimerade har förhöjd risk för aciklovirresistens.
• Ribavirin: ribonukleosid-(guanosin)-analog med brett antiviralt spektrum, hydroxylgrupp i 2’-positionen (skiljer den från NA). Verkningsmekanismer: hämning av viralt polymeras, ökad mutationsfrekvens, hämning av RNA-capping, uttömning av GTP-pool, immunmodulerande effekt mot Th1-respons.
• Icke-nukleosidanaloger (NNRTI): hämmar aktiva siten i omvänt transkriptas, används mot HIV.
• Interferon (typ I-IFN/alfa-interferon): kroppseget cytokin vid virusinfektion, kan även ges farmakologiskt. Inducerar transkription av proteinkinas R (fosforylerar en transkriptionsfaktor som hämmas → hämmar proteinsyntes) och kan bryta ner RNA via aktivering av RNas L. Används idag vid hepatit B (inte längre vid hepatit C). Konjugeras ofta med polyetylenglykol för längre halveringstid.
• Direktverkande antiviraler mot hepatit C hämmar något av proteinerna NS5B, NS5A eller NS3/4A.
• Inträdeshämmare: Maraviroc blockerar den cellulära co-receptorn CCR5 som HIV behöver för att binda till cellen. Fostemsavir (prodrug → aktiv form temsavir) blockerar istället bindningen mellan HIV:s virala protein gp120 och den cellulära receptorn CD4.
• Proteashämmare: hämmar mognad av viruspartiklar genom att blockera deras aktiva site (HIV).
• Integrashämmare: blockerar HIV-**Integras**ets aktiva site, förhindrar integrering i värdgenomet.
• HIV behandlas oftast med kombinationsbehandling: två nukleosidanaloger + en NNRTI, proteashämmare ELLER integrashämmare - pga hög mutationsfrekvens och snabb resistensrisk vid monoterapi.
• Neuraminidashämmare (Oseltamivir/Tamiflu, Zanamivir/Relenza): hämmar influensavirusets Neuraminidas (klyver sialinsyra, virusets receptor) - blockerar frisättning av nybildade viruspartiklar.
• Resistenstest: fenotypiskt (virus odlas i närvaro av läkemedel) och genotypiskt (sekvensering för kända resistensmutationer). Resistens kan uppstå vid selektion av redan existerande varianter eller vid de novo-mutationer under viral replikation i närvaro av läkemedlet. Låg genetisk barriär = få mutationer krävs för höggradig resistens. De flesta resistensmutationer har en fitnesskostnad (försämrad replikationsförmåga).

Mekanismer hos bakterier som bidrar till antibiotikaresistens

• Punktmutationer i genen för penicillin-bindande protein kan ge ett förändrat protein som vissa betalaktamer inte längre kan binda in till.
• Förvärvning av gen för betalaktamas - bakterien kan producera enzymet Betalaktamas som bryter ner betalaktamer.
• Naturlig resistens i form av avsaknad av cellvägg (t.ex. Mycoplasma) - ingen måltavla för betalaktamer finns.
• Antibiotikaresistens = bakterier har förlorat känsligheten för specifika antibiotikas dödande/tillväxthämmande förmåga.
• Tre typer av antibiotikaresistens:
  1. Intrinsisk resistens: en bakterieart kan medfött motstå ett antibiotikum pga funktionella/strukturella egenskaper - t.ex. den gramnegativa bakteriens yttre membran. Grampositiva bakterier är mer permeabla än gramnegativa eftersom gramnegativa har ett yttre membran som blockerar passage av stora antibiotikamolekyler - bidrar till intrinsisk resistens.
  2. (Förvärvad resistens via mutation - se punktmutationer i PBP ovan.)
  3. (Förvärvad resistens via horisontell genöverföring - se Konjugation, Transformation, Transduktion i Modul 1.)

Fördjupning: Molekylära detaljer kring invasion och antibiotikamekanismer

• Helicobacter pylori frisätter enzymet mucinas, som bryter ner mukuslagret i magsäcken. Samverkan mellan mucinas, pepsin och magsyra skadar mukos och epitel, vilket ger neutrofilinflux, magkatarr, magsår och vid långvarig inflammation risk för magcancer.
• Salmonella tar sig till tunntarmens M-celler, som fångar upp hela bakterien och signalerar till immunsystemet. Bakterien injicerar samtidigt effektorproteiner i tarmepitelceller via sitt Typ 3-sekretionssystem (T3SS). Både M-cellsupptag och epitelinvasion resulterar i neutrofilinflux som bekämpar bakterien men samtidigt orsakar kraftig vätskeutströmning till tarmlumen (diarré). Vid tyfoidfeber överlever bakterien intracellulärt i dendritceller och monocyter och sprids systemiskt via lymfkörtlar till lever och mjälte.
• **Vibrio cholerae**s Koleratoxin är ett AB-toxin: B-subenheten binder till receptorer på tarmepitelcellen, varefter A-subenheten frisätts och aktiverar adenylatcyklasenzymet, vilket ger massiv jon- och vätskeutströmning (‘rice water stool’).
• Tarmpatogena Escherichia coli-varianter är alla toxinmedierade: ETEC använder ett värmekänsligt AB-toxin (LT, binder GM1/GD1b-receptor, aktiverar adenylatcyklas) och ett värmestabilt toxin (ST, aktiverar membranbunden guanylatcyklas) - båda leder till jon- och vätskeutströmning. EHEC producerar Shigatoxin (Stx), ett AB-toxin där B-subenheten binder cellytreceptorn och A-subenheten klyver 28S rRNA i ribosomen, vilket stoppar proteinsyntesen; toxinet kan orsaka systemisk skada på blodkärl och ge blodig diarré samt Hemolytiskt uremiskt syndrom. EHEC bildar dessutom ‘piedestaler’ som ger bakterien kontroll över värdcellen, medierat av T3SS-injicerade effektorer (Esps).
• Giardia lamblia har en unik morfologi med flera cellkärnor och mitosomer istället för mitokondrier, samt en adhesiv disk för bindning till tarmepitelet. Trofozoiterna frisätter proteaser som skadar mikrovilli, disackaridaser och transportproteiner, vilket försämrar vätske- och elektrolytabsorption och ger sekundär laktosintolerans.
• Cryptosporidium genomgår både asexuell (merozoiter) och sexuell (mikro-/makrogameter) reproduktion i tarmepitelceller; medföljande villusatrofi minskar disackaridasaktivitet och ökar intestinal permeabilitet.
• Entamoeba histolytica stimulerar slembildning, lyserar enterocyter via proteaser och ger karakteristiska flaskformade ulcerationer i tarmen; trofozoiter kan spridas via portablodflödet till lever och andra vävnader och orsaka abscesser.
• Rotavirus icke-strukturella protein NSP4 fungerar som ett enterotoxin som stimulerar serotoninfrisättning, vilket i sin tur stimulerar klorid- och vattenutströmning - en mekanism utöver den direkta lytiska cellskadan.
• Antibiotikamekanismer i molekylär detalj: Betalaktamantibiotika har en struktur som liknar peptidoglykanets D-Ala-D-Ala-ände och ‘lurar’ penicillin-bindande protein att binda in antibiotikan istället för sitt naturliga substrat, vilket blockerar cellväggssyntesen. Glykopeptider (t.ex. vankomycin) binder istället direkt till D-Ala-D-Ala och hindrar PBP från att utföra sin funktion. Tetracykliner blockerar A-platsen på ribosomens 30S-subenhet. Makrolider binder till NPET (utgångskanalen) på 50S-subenheten och blockerar förlängning av peptidkedjan. Fluorokinoloner (t.ex. ciprofloxacin) hämmar **DNA gyras**s förmåga att återligera DNA-fragment efter att ha kapat DNA:t för att lätta på supercoiling, vilket lämnar DNA:t ‘sönderklippt’.

Tenta-fokus

Skilj tydligt mellan betalaktamers mekanism (binder PBP, hämmar D-Ala-D-Ala-igenkänning) och glykopeptiders mekanism (binder direkt till D-Ala-D-Ala-substratet) - båda hämmar cellväggssyntes men på olika molekylär nivå, vilket förklarar varför de har olika resistensmönster.

Klinisk pärla

Antibiotikabehandling vid EHEC-infektion kan öka risken för HUS genom att öka toxinfrisättningen från döende bakterier - undviks därför ofta.