Enterohemoragické kmeny Escherichia coli – nebezpečné novější patogeny

Souhrn

Enterohemoragické kmeny Escherichia coli, které byly poprvé popsány v USA v roce 1983, jsou důležitými, celosvětově rozšířenými zoonotickými patogeny s významným epidemickým potenciálem. Vedle nekomplikovaného průjmu mohou vyvolávat u dětí i dospělých závažné komplikace, a to hemolyticko-uremický syndrom a vzácně trombotickou trombocytopenickou purpuru. Hemolyticko-uremický syndrom je nejčastější příčinou akutní renální insuficience v dětském věku. V článku jsou vedle etiologie, epidemiologie, klinického obrazu, komplikací, léčby a prevence zmíněna i nejnovější data z Národní referenční laboratoře pro Escherichia coli a shigely v Praze o výskytu a komplikacích této infekce v České republice.

Klíčová slova:
Shiga toxin produkující Escherichia coli, enterohemoragická Escherichia coli, Shiga toxin, hemolyticko-uremický syndrom.

Úvod

Escherichia coli (E. coli) je nejen běžným komensálem lidského střeva, ale může být i vyvolavatelem střevních infekcí. Kmeny E. coli, které gastrointestinální onemocnění vyvolávají, se rozdělují do pěti skupin, z nichž některé mohou vyvolávat velmi těžké, někdy i smrtelné komplikace, nebo zanechávat dlouhodobé následky. Podle mechanismu účinku se jedná o enterotoxigenní E. coli (ETEC), které jsou nejčastější příčinou průjmu cestovatelů, enteroinvazivní E. coli (EIEC) vyvolávající onemocnění podobné bacilární úplavici, enteropatogenní E. coli (EPEC) způsobující v minulosti rozsáhlé epidemie průjmů u kojenců a v současné době méně časté sporadické průjmy u dětí, dále enteroagregativní kmeny (EAEC) způsobující průjmy cestovatelů a chronické průjmy malých dětí v rozvojových zemích (1). Poslední skupinou, která je příkladem vývoje a nebezpečnosti patogenních E. coli, jsou kmeny produkující dva typy toxinu nazývaného verotoxin, nebo Shiga toxin (Stx1 a 2) – odtud název verotoxigenní (VTEC) nebo Shiga toxin produkující E. coli (STEC) (2). STEC vyvolávající závažná lidská onemocnění, a to hemoragickou kolitidu, hemolyticko-uremický syndrom (HUS) a vzácně zřejmě i trombotickou trombocytopenickou purpuru (3), pak tvoří podskupinu známou jako enterohemoragické E. coli (EHEC) (4) (obr. 1, 2). Tyto kmeny jsou známé relativně krátce, od počátku osmdesátých let 20. století, kdy byly popsány v Kanadě, USA a v Evropě. V dalších částech světa byly diagnostikovány později (5). První případy v České republice byly zaznamenány již v roce 1988 (6). Nejzávažnější komplikací, někdy i smrtelnou, je HUS, který je vyvoláván především kmeny EHEC produkujícími Stx2 (7, 8). EHEC jsou celosvětově rozšířené a vzhledem k malé infekční dávce a vysoké nakažlivosti mají i významný epidemický potenciál. Lidská onemocnění se vyskytují jak sporadicky, tak epidemicky; ve světě byly popsány již stovky epidemií (9).

Etiologie, patogeneze

Je známa celá řada sérotypů EHEC, z nichž celosvětově nejčastěji izolovaným je O157:H7 (somatický antigen O, bičíkový antigen H) (10), který je také nejčastějším sérotypem izolovaným od pacientů s HUS (4). Kromě EHEC O157:H7 vyvolává lidská onemocnění řada non-O157:H7 sérotypů, z nichž nejčastější jsou O26:H11/H- (nepohyblivé kmeny), O103:H2/H-, O111:H8/H-, O145:H25/H28/H- a sorbitol-fermentující kmeny sérotypu O157:H- (4). V patogenezi onemocnění vyvolaných EHEC se uplatňuje několik faktorů virulence, z nichž nejdůležitější jsou již zmiňované Shiga toxiny (11). Stx1 je sekvencí nukleotidů velmi podobný Stx produkovanému Shigella dysenterie, zatímco Stx2 sdílí pouze asi 50 % podobnost s Stx1 (12). Shiga toxiny jsou produkovány EHEC kolonizujícími kolon, vstřebávají se ze střeva do krevního oběhu a jsou transportovány do cílových orgánů, kterými jsou v případě HUS primárně ledviny, eventuálně další orgány jako centrální nervový systém či pankreas (13). V cílových orgánech se toxin váže na povrchové receptory mikrovaskulárních endotelových buněk zejména v ledvinných glomerulech a mozku (14, 15) pomocí B podjednotky, zatímco enzymaticky aktivní podjednotka A vstupuje do buněk, kde inhibuje proteosyntézu (5). Toto vede k buněčné smrti různými mechanismy (nejčastěji nekróza či apoptóza). Kromě toho působí toxin na buňky bílé krevní řady (monocyty a leukocyty), kde stimuluje produkci a uvolnění zánětlivých cytokinů, které dále přispívají k patogenezi HUS a hemoragické kolitidy (14). Vedle Shiga toxinů se v patogenezi uplatňují i další faktory jako kolonizace střevní sliznice pomocí adhezinu intiminu, která rezultuje v tzv. attaching and effacing (A-E) léze a další, tzv. non-Stx toxiny (především EHEC hemolysin, cytoletální distendující toxin a serinová proteáza EspP) (2, 16–20). Výsledkem je endoteliální dysfunkce a následná mikroangiopatie (5, 14) s mikrovaskulární trombózou v různých orgánech.

Epidemiologie, přenos, výskyt

Rezervoárem kmenů EHEC je především hovězí dobytek, který vylučuje asymptomaticky bakterie stolicí. Dále jsou to především další přežvýkavci – ovce a kozy, ale vyskytují se i u prasat, koní, kuřat a krůt (10). U divokých zvířat je výskyt vzácnější, popsán byl např. u jelenů a daňků, sporadicky mohou být nosiči i synantropní hlodavci a ptáci. EHEC byly zjištěny dokonce i u obojživelníků, ryb a bezobratlých (10). Nejvyšší výskyt je u telat, která však na rozdíl od člověka neonemocní (21); z mnoha bovinních kmenů jsou pro člověka nebezpečné jen některé z nich (10). U prasat má infekce EHEC i klinický korelát v podobě edémové nemoci, projevující se u selat edémy podkoží, víček, žaludku a zejména edémem mozku, který vede k poruchám pohybu, křečím a úhynu. Vylučování u zvířat bývá obvykle jen krátkodobé, ale u tzv. „supervylučovatelů“ (supershedders), u kterých jsou počty bakterií ve střevě vysoké, trvá i déle (10, 22). Prevalence EHEC v chovech je zřejmě vyšší, než je známo, na některých farmách se mohou udržovat i měsíce až léta. Nejvyšší výskyt se objevuje v létě (8).

Přenos EHEC na člověka je fekálně – orální cestou, nejčastěji kontaminovanými potravinami, z nichž je rizikové hlavně nedostatečně tepelně upravené hovězí maso (hamburgery, tatarský biftek, kebab, sušené maso, salám) a zvěřina (5, 21), nepasterizované kravské a kozí mléko a mléčné výrobky – jogurt, máslo, sýry aj. (5, 23). V poslední době je stále častější přenos sekundárně kontaminovanou syrovou zeleninou a ovocem, a to především špenátem, hlávkovým a zelným salátem, ředkvičkovými výhonky, zeleninovými klíčky používanými do salátů aj. (24, 25), ale i jablečným džusem či melouny. K nákaze ve světě dochází i kontaminovanou vodou z veřejných i malých zdrojů pitné vody, často v souvislosti s dešti či povodněmi, které vedou k fekální kontaminaci vody, ale i z plováren či bazénů, jezer či rybníků (5, 26). Zdrojem může být i kontaminovaný led (5). Další možností je přímý kontakt s hospodářskými zvířaty, koňmi, chlévskou mrvou, hnojem ap. (10), ke kterému může dojít např. i při stále oblíbenější agroturistice (8). Podobně může dojít k nákaze i v zoo pro děti, kde je možné hladit zvířata (23); popsána byla i onemocnění laboratorních pracovníků. Protože infekční dávka je velmi nízká (jen kolem 10 bakterií), může docházet i k interpersonálnímu přenosu a vzniku sekundárních infekcí, které tvoří v epidemiích až 20 % případů (5). Vylučování EHEC u lidí je většinou krátkodobé, u nekomplikovaného onemocnění se udává průměrně 13 dnů, u případů s HUS 21 dnů (5). Známé jsou i nákazy z prostředí a asi u třetiny případů není zdroj nalezen (5).

Vysoký výskyt a nízká infekční dávka vede ve světě ke vzniku mnoha epidemií s různými zdroji, počtem případů i tíží klinického průběhu. Popsána jich byla celá řada, známé jsou americké epidemie vyvolané požitím hamburgerů z řetězců rychlého občerstvení (5) nebo syrového, omytého a ke konzumaci připraveného špenátu (27). Jedna z největších světových epidemií, která vypukla v roce 1986 v japonském městě Sakai po konzumaci ředkvičkových výhonků, postihla téměř 8000 lidí, a to především děti ve školním věku (28). Dobře známá a v odborném i laickém tisku široce komentovaná byla i loňská velká evropská epidemie, která zasáhla celkem 13 evropských států s maximem případů v Německu a Francii. Onemocnělo celkem 3842 lidí, komplikace (HUS) se vyskytly u 23 % z nich (5). Tato epidemie, jejíž příčinu se dlouho nedařilo najít (zdrojem nákazy byly mylně označeny např. španělské okurky), měla určitá specifika. Od ostatních se lišila vyšším věkem postižených lidí (zejména dospělí), vyšším počtem žen a svou závažností s vysokým počtem komplikací; HUS se vyskytl u více než 20 % případů (33). V České republice byl zaregistrován v souvislosti s touto epidemií jen jeden případ u 62leté americké turistky, která se před příjezdem do České republiky nakazila v severním Německu (30). Takto neobvykle závažný průběh epidemie mohl souviset s vlastnostmi vyvolávajícího kmene E. coli O104:H4, který pravděpodobně vznikl kombinací enteroagregativního afrického kmene E. coli O104 a EHEC, od kterého získal schopnost produkovat Stx2. Jednalo se tedy o „enteroagregativní hemoragické“ E. coli („EAHEC“), jehož zdrojem byly s největší pravděpodobností klíčky z kontaminovaných semen pískavice dovezené z Egypta, které byly použity do zeleninových salátů (31). Tuto teorii podporuje i vyšší počet postižených žen, které konzumují podobné zeleninové saláty častěji než muži. Na rozdíl od typických EHEC, epidemický kmen neobsahoval geny eae a EHEC-hlyA, kódující adherenční faktor intimin a EHEC hemolysin. Podobně, jako je tomu u klasické EHEC O157:H7, i německý epidemický kmen nesl klastr ter genů, zodpovědných za rezistenci k telluritu. EAHEC O104:H4 obsahoval klastr genů aggABCD, kódujících schopnost adherovat agregativním způsobem na střevní epitelové buňky, což je vlastnost, která je typická pro kmeny EAEC (32). Největší epidemií z kontaminované vody byla epidemie v kanadském Walkertonu z kontaminované vody ve veřejném vodovodu, která postihla 2300 lidí (26). V poslední době je sice zaznamenáván pokles počtu epidemií vyvolaných nákazou z masa, ale naopak se zvyšuje počet epidemií, jejichž zdrojem je syrová zelenina (33).

Výskyt STEC je celosvětový, incidence se liší podle kontinentů i jednotlivých států. Národní referenční laboratoř (NRL) pro E. coli a shigely při Státním zdravotním ústavu v Praze se zabývá podrobnou analýzou kmenů EHEC i následky těchto infekcí od roku 2006. Nelze však vyloučit, že následující čísla o výskytu EHEC v České republice nejsou úplně přesná, protože do Národní referenční laboratoře se obvykle dostává materiál hlavně od komplikovaných případů.

V České republice je frekvence záchytu infekcí vyvolaných EHEC nízká, v průměru asi šest případů za rok. Od roku 2006 do srpna 2012 bylo v NRL pro E. coli a shigely zaznamenáno 38 případů onemocnění vyvolaných kmeny EHEC, z toho 21 případů HUS a 17 případů nekomplikovaného průjmu či hemoragické enterokolitidy. Více než polovina EHEC izolovaných z těchto případů (celkem 23) produkovala Shiga toxin 2, čtyři kmeny byly producenty Shiga toxinu 1 a 11 kmenů bylo pozitivních na oba typy, Stx1 + Stx2.

Nejčastěji se jednalo o EHEC sérotypu O26:H11 (16 kmenů) a O157:H7 klasických, tj. sorbitol-nefermentujících (NSF) (13 kmenů). Dále to bylo po třech kmenech sorbitol-fermentujících (SF) O157:H- a séroskupiny O111, 2 izoláty O145 a jeden již výše zmíněný importovaný kmen STEC O104:H4 z velké německé epidemie z loňského roku. Se dvěma výjimkami se vždy jednalo o děti do 7 let věku, nejmladšímu bylo 10 měsíců. Bohužel i v tomto malém souboru skončily tři případy úmrtím. V červnu 2009 zemřela po velice těžkém průběhu onemocnění přes veškerou intenzivní snahu lékařů po týdenní hospitalizaci 2,5letá dívka. Původcem byla EHEC O26:H11 s produkcí Shiga toxinu 2 (34).V letošním roce zemřel jednoroční chlapec (agens EHEC SF O157:NM pozitivní na Stx2) a jednoroční dívka (agens EHEC O26:H11 pozitivní na Stx2). Ve všech případech se jednalo o velice těžký průběh HUS. Z literárních údajů je známé, že kmeny EHEC s produkcí Shiga toxinu 2 jsou obvykle původci závažnějších průběhů onemocnění (7).

V naší republice je dlouhodobá tradice průkazu EHEC. První hromadný výskyt byl popsán v roce 1989 (35), 5 let po první informaci prof. M. A. Karmaliho (Kanada) o E. coli – jako původci onemocnění HUS (36). V okrese Česká Lípa tehdy onemocnělo HUS pět dětí ve věku od 4 do 20 měsíců, jeden pacient zemřel. Původcem byla „klasická“ (tj. sorbitol nefermentující) EHEC O157:H7. Jako suspektní vehikulum byla uvedena kontaminovaná pitná voda (6,35). Další epidemie HUS byla zaznamenána roku 1995 v okresech Ústí nad Labem a Teplice. Po požití nepasterizovaného kozího mléka onemocněly čtyři děti ve věku od 10 měsíců do 3 let věku, původcem byla EHEC O157:H7 (37).

Klinický obraz, komplikace a následky

EHEC mohou vyvolat širokou škálu onemocnění a komplikací. Pro vývoj onemocnění a případný vznik komplikací jsou důležité jak faktory virulence patogena, tak faktory ze strany hostitele. U původce je důležitý především typ Shiga toxinu (kmeny produkující Stx2 vyvolávají HUS signifikantně častěji než kmeny produkující pouze Stx1) (38, 39) a přítomnost dalších non-Stx faktorů virulence, dále velikost inokula aj. Z faktorů ze strany hostitele záleží na jeho věku, imunitě, žaludeční aciditě, léčbě antibiotiky a antimotiliky aj. (7, 33). V okolí diagnostikovaného případu se často vyskytují i asymptomatičtí nosiči (16, 40), v proběhlých epidemiích tvořili 12–50 % nakažených (5). Nejčastějším klinickým obrazem je zpočátku nekomplikovaný průjem, ale později se většinou objeví příměs krve ve stolici (41). Po inkubační době 3–9 dnů dochází k rozvoji průjmu, kdy stolice jsou zpočátku bez příměsi krve, ale obvykle během 1–5 dnů, maximálně do týdne dochází k rozvoji hemoragické kolitidy, kdy krev je přítomna až v 80 % případů (15, 42) a příměs může být i masivní. Krev je přítomna zejména u infekcí vyvolaných E. coli O157:H7, u ostatních sérotypů je její výskyt menší (5). Počet stolic za den je obvykle pět a více. Na rozdíl od ostatních průjmů s přítomností krve ve stolici vyvolaných invazivními bakteriálními patogeny (shigely, kampylobaktery, yersinie, EIEC aj.) a koronaviry, pro které je typická horečka, se u infekcí vyvolaných EHEC setkáváme obvykle s afebrilním průběhem onemocnění, subfebrilie či febrilie se nevyskytují často. Zvracení není typické, pacienti obvykle udávají křečovité bolesti břicha (42).

K rozvoji komplikací dochází většinou během akutního stadia nemoci či krátce po něm (5–13 dní po začátku onemocnění), a to zejména u dětí mladších 5 let a u starších osob (14). Nejčastější je HUS, a to tzv. typický, D+ HUS („diarrhoea-associated“ HUS), který vzniká asi u 10–15 % nemocných (13, 43), v případě antibiotické léčby to však může být až v 50 % (44). Postiženy jsou více děti než dospělí, a to v poměru 90 % : 10 % (30). Histopatologickým podkladem HUS je mikroangiopatie vyvolaná působením toxinu na endotel kapilár především v glomerulech (7); onemocnění je charakterizováno triádou mikroangiopatické hemolytické anémie, trombocytopenie a renální insuficience (14). Musíme na něj myslet tehdy, jestliže je pacient správně rehydratován, a přesto laboratorně stoupá urea a kreatinin, bilirubin, LDH a v krevním obrazu se objevuje anémie, trombocytopenie a atypické deformované erytrocyty zvané schistocyty, v moči hematurie a proteinurie. V klinickém obrazu je typický bledý až subikterický kolorit kůže, vzácně i krvácivé projevy do kůže a oligurie až anurie. Pacienta s těmito příznaky a laboratorními nálezy je nutné předat na pracoviště, kde je možné provést dialýzu. Velký význam v prevenci anurie má dostatečné zavodnění pacienta izotonickými roztoky hned v počátečním stadiu HUS („volume expansion“) (45). STEC jsou ve světě hlavní příčinou postižení ledvin u dětí a velké morbidity a mortality u starších pacientů (15). HUS je u dětí hlavní příčinou akutní renální insuficience a velmi častou příčinou chronické renální insuficience (15, 29, 42, 46–48). U D+ HUS u dětí se v 90 % případů funkce ledvin upraví, 10 % (některé prameny uvádějí až 20 %) má pozdní následky či na HUS zemře (49, 50). Následkem může být postižení ledvin ve formě hypertenze, tubulopatie, reziduálních nálezů v moči. Dle literárních údajů z Kanady byla během 5 let po známé kanadské vodní epidemii zjištěna souvislost mezi hypertenzí v těhotenství a expozicí E. coli O157:H7 během této epidemie. Předpokládá se, že hypertenze vznikla jako následek subklinického postižení ledvin (51). Zejména u dospělých se může vzácně vyskytnout také trombotická trombocytopenická purpura – závažné onemocnění se řadou možných příčin obvykle neinfekčních; z infekcí není vyloučena souvislost s EHEC a HIV. Onemocnění je charakterizováno podobně jako HUS trombocytopenií, hemolytickou anémií a postižením ledvin, mohou být i horečky. Kromě toho se objevují projevy orgánové dysfunkce, a to vedle ledvin zejména CNS. Neurologické postižení se může projevit kvalitativní či kvantitativní poruchou vědomí až komatózním stavem, pacient může mít bolesti hlavy a křeče. Vzácně byly popsány i další extrarenální komplikace HUS jako pankreatitida, rhabdomyolýza, nekróza stěny tlustého střeva a myokarditida (5). Dle dalších literárních údajů mají pacienti, kteří prodělali HUS vyvolaný E. coli O157:H7, signifikantně vyšší incidenci diabetu 2. typu (40).

Diagnostika

Rutinní diagnostika STEC se provádí pomnožením a kultivací stolice na specifických a selektivních diagnostických půdách následovaných průkazem genů kódujících Shiga toxiny metodou polymerázové řetězové reakce (PCR)/RT PCR (Real Time PCR), případně fenotypovým průkazem Shiga toxinů (např. metodou reverzní pasivní latexové aglutinace či ELISA). V každém případě je třeba věnovat maximální úsilí izolaci kmene EHEC ze stolic pozitivních ve screeningových testech a fenotypové a genotypové charakterizaci izolátů (přinejmenším sérotypizaci metodou sklíčkové aglutinace nebo PCR (38), určení typu stx genu, což je důležité pro určení rizika rozvoje HUS u infikovaného jedince).

Terapie

Kauzální léčba neexistuje. Základem terapie je proto symptomatická léčba, především včasné zavodnění a úprava vnitřního prostředí (45). Vzhledem ke zvýšenému riziku vzniku HUS jsou kontraindikována antibiotika a antimotilika. V případě, že se onemocnění již rozvine, neexistuje mechanismus, který by zabránil rozvoji komplikací (5). Pokud se komplikace objeví, je nutné se zaměřit na jejich léčbu. Podávají se transfuze erytrocytů a trombocytů, u těžké renální insuficience při HUS je nutná hemodialýza, případně peritoneální dialýza, a to u 30–60 % dětí s HUS (15). U pacientů s reziduálním renálním postižením se uplatňují ACE inhibitory. V poslední době se vyvíjejí nové metody léčby zaměřené proti toxinu, které působí vazbou toxinu či jeho neutralizací – jako např. monoklonální protilátky neutralizující toxin, malé molekuly blokující Stx indukovanou cestou buněčné aktivace a apoptózy aj. (11, 15, 52).

Prevence

Vzhledem k léčbě s nejistým výsledkem a nemožnosti zabránit komplikacím při již rozvinutém onemocnění je velmi důležitá prevence. Řadě onemocnění, úmrtí, dlouhodobých následků i epidemií by bylo vzhledem k fekálně-orálnímu přenosu možné zabránit dodržováním preventivních opatření týkajících se správného zacházení s potravinami a vodou a dodržováním osobní hygieny. Právě jejich selhání vedlo v minulosti ve světě často k rozvoji velkých epidemií, např. ve Velké Británii, Kanadě či v USA (5). Je nutná zejména dostatečná tepelná úprava masa, pasterizace mléka, úprava pitné vody chlorováním stejně jako dostatečná osobní hygiena (důkladné mytí rukou) při návštěvě farem, kontaktu se zvířaty či jejich exkrety, chlévskou mrvou, hnojem, ale také u lidí kempujících v přírodě. U lidí, kteří si před jídlem neumyli ruce, je riziko nákazy EHEC v rizikovém prostředí až 9krát vyšší než u lidí dodržujících osobní hygienu (5). K šíření patogenů včetně EHEC přispívá i současná zvyšující se globalizace zdrojů potravin, jak názorně ukázala německá epidemie, a proto se EHEC stávají globální hrozbou (14). Na tomto poli je proto nutná i mezinárodní spolupráce na surveillance EHEC infekcí (53). Zatím neexistují metody, které by trvale redukovaly vylučování a nosičství STEC u zvířat. Nadějně se zatím jeví vývoj vakcín proti Stx, které by mohly vylučování u zvířat, bohužel ale většinou pouze přechodně, omezit (15).

Zkratky

• CNS – centrální nervový systém
• E. coli – Escherichia coli
• DNA – kyselina desoxyribonukleová
• HUS – hemolyticko-uremický syndrom
• D+HUS – „diarrhoea – associated“ hemolyticko – uremický syndrom
• EAEC – enteroagregativní kmen Escherichia coli
• EAHEC – enteroagregativní hemoragický kmen Escherichia coli
• EHEC – enterohemoragický kmen Eschericha coli
• EIEC – enteroinvazivní kmen Escherichia coli
• EPEC – enteropatogenní kmen Escherichia coli
• ETEC – enterotoxigenní kmen Escherichia coli
• HIV – virus lidské imunodeficience
• NRL – Národní referenční laboratoř
• NSF – sorbitol nefermentující
• PCR – polymerázová řetězová reakce
• SF – sorbitol fermentující
• STEC – Shiga toxin produkující kmen Escherichia coli
• Stx – Shiga toxin
• VTEC – verotoxin produkující Escherichia coli

Autoři děkují doc. MUDr. Martině Bielaszewské, Ph.D. z Institut für Hygiene und Konsiliarlaboratorium für Hämolytisch-Urämisches Syndrom, Universität Münster, Německo, za přečtení a kritické připomínky při přípravě tohoto rukopisu.

Adresa pro korespondenci:

MUDr. Helena Ambrožová, PhD.

I. infekční klinika 2. LF UK a Nemocnice Na Bulovce

Budínova 2, 180 00 Praha 8

fax: +420 283 840 517, e-mail: h.ambrozova@seznam.cz