Publisher

National Public Health Institute

Mikrobiekologia

Ekologia tutkii organismin ja sen luonnollisen ympäristön välisiä vuorovaikutuksia. Mikrobiekologia kartoittaa mikro-organismien eli mikrobien (bakteerit, arkkibakteerit, sienet, virukset) ja niiden elinympäristön välisiä vuorovaikutuksia ja sen tavoitteena on selvittää mikrobien runsauteen ja monimuotoisuuteen vaikuttavia tekijöitä ja sitä miten mikrobit muokkaavat ympäristöään.

Molekylaarinen mikrobiekologia

Mikrobiologinen, erityisesti bakteriologinen, tutkimus on perinteisesti tukeutunut mikrobien eristämiseen niiden luonnollisesta ympäristöstä ja kasvattamiseen puhdasviljelminä laboratorioissa. Tämä periaate toimii hyvin esimerkiksi suurimmalle osalle tauteja aiheuttavista bakteereista. Tällaiset bakteerit pystyvät yksinään tunkeutumaan elimistöön ja lisääntymään siellä, joten niiden eristäminen on helppoa eivätkä ne tarvitse kasvaakseen muiden bakteerien tuottamia ravintoaineita.

Tutkittaessa erilaisia mikrobipopulaatioita on törmätty uuteen ongelmaan. Suurin osa mikrobeista kasvaa hyvin luonnollisessa ympäristössään muiden mikrobien kanssa, mutta niitä ei osata viljellä keinotekoisilla ravintoalustoilla laboratorioissa. Ne ovat sopeutuneet olosuhteisiin, joiden luominen laboratorioon on vaikeaa, jopa mahdotonta. Tämä koskee erityisesti hyvin monimuotoisia mikrobipopulaatioita kuten maaperän mikrobistoa, mutta myös esimerkiksi ihmisen ruuansulatuskanavan bakteeristoa. Tällaisia mikrobipopulaatiota tutkittaessa mikrobeja ei kasvateta laboratorioissa vaan niiden määriä ja monimuotoisuutta selvitetään molekyylibiologisten menetelmien avulla. Esimerkiksi bakteerien tunnistamiseen voidaan käyttää tiettyjen niille elintärkeiden geenien nukleiinihapposekvenssejä. Tutkimalla näiden geenien esiintymistä ja määriä bakteeripopulaatioissa saadaan tietoa vastaavien bakteerien esiintymisestä ja määristä kyseisessä bakteeripopulaatiossa.

Normaalimikrobisto

Normaalimikrobisto on terveelle organismille luonnollisessa ympäristössä kehittyvä mikrobisto. Normaalimikrobisto ei välttämättä pysy samana koko eliön elämän ajan. Esimerkiksi lapsen ruuansulatuskanavan bakteeristo on erilainen kuin aikuisen ruuansulatuskanavan bakteeristo. Ympäristötekijät vaikuttavat normaalimikrobiston koostumukseen ja toimintaan, joten se ei täysin muuttumaton. Ihmisellä normaalimikrobistoa, erityisesti normaalibakteeristoa, on iholla, suussa, nielussa, ruuansulatuskanavassa ja genitaalialueella. Ihmisen normaalimikrobistoon kuuluu satoja erilaisia bakteerilajeja, mahdollisesti useita sienilajeja, viruksia ja bakteerien viruksia.

ß- laktamaasit

ß-laktamaasit ovat entsyymejä, jotka hajottavat ß-laktaamirenkaan. Mikäli kyseessä on ß-laktaamiryhmän antibiotti, johtaa ß-laktaamirenkaan hajoaminen antibiootin inaktivoitumiseen. Bakteerien ß-laktamaasit muodostavat rakenteellisesti ja toiminnallisesti laajan ryhmän. Ne voidaan entsyymimekanismin perusteella jakaa kahteen luokkaan. Ensimmäisen luokan muodostavat ns. seriini- ß-laktamaasit, joiden aktiivisessa keskuksessa on seriini-aminohappo. Näille entsyymeille on ominaista kovalenttisen välivaiheen muodostuminen ß-laktaamirenkaan ja entsyymin välille ß-laktaamirenkaan hydrolyysin yhteydessä. Seriini- ß-laktamaaseihin kuuluvat A-, C- ja D-ryhmien ß-laktamaasit. Sekvenssivertailut osoittavat seriini- ß-laktamaasien kehittyneen bakteerien soluseinän synteesiin tarvittavista entsyymeistä eli ns penicillin binding-proteiineista. Toisen luokan muodostavat ns metallo - ß-laktamaasit, jotka tarvitsevat bivalenttisen kationin, yleensä sinkin, katalysoimaan ß-laktaamirenkaan hydrolyysiä. Historiallisista syistä sinkki- ß-laktamaaseja kutsutaan myös B-luokan ß-laktamaaseiksi. Seriini- ja metallo- ß-laktamaasit eroavat toisistaan merkittävästi, eikä niitä pidetä homologisina molekyyleinä ( Kuva 1).

Gramnegatiivisten bakteerien β-laktaamiresistenssi

Gramnegatiivisilla bakteereilla β-laktaamiresistenssi aiheutuu yleensä monen eri tekijän yhteisvaikutuksesta. Gramnegatiivisilla bakteereilla on useita β-laktalaktamaaseja, jotka kykenevät hydrolysoimaan eli hajottamaan β-laktaameja ja siten aiheuttamaan resistenssin β-laktaameja kohtaan. Lisäksi β-laktaamiresistenssin syntyyn vaikuttavat muutokset bakteerien ulkokalvon proteiineissa eli poriineissa (OMP) ja lisääntynyt lääkeaineen pumppaaminen ulos solusta (efflux).

Laajakirjoiset β-laktamaasit (ESBL, extended-spectrum β-lactamases) ovat β-laktamaaseja, jotka pystyvät hajottamaan kolmannen polven kefalosporiineja (esim. kefotaksiimi, keftatsidiimi, keftriaksoni), IV-polven kefalosporiineja (esim. kefepiimi) ja monobaktaameja (esim. atstreonaami). Ne pystyvät yleensä hajottamaan myös penisilliinejä sekä ensimmäisen ja toisen polven kefalosporiineja. Laajakirjoiset β-laktamaasit eivät ole karbapenemaaseja eli ne eivät hajota karbapeneemeja ja siten ne eivät yksinään voi aiheuttaa resistenssiä karbapeneemeja kohtaan.

Karbapenemaasit ovat β-laktamaaseja jotka pystyvät hajottamaan karbapeneemeja (meropeneemi, imipeneemi ja ertapeneemi) ja siis aiheuttamaan karbapeneemiresistenssiä. Lisäksi ne pystyvät hajottamaan kolmannen polven kefalosporiineja ja IV-polven kefalosporiineja. Ne pystyvät hajottamaan myös penisilliinejä sekä ensimmäisen ja toisen polven kefalosporiineja (vrt. ESBL). Osa karbapenemaaseista pystyy hajottamaan monobaktaameja, mutta kaikki eivät pysty. Tärkeää on kuitenkin muistaa, että myös nämä kannat ovat hyvin usein resistenttejä monobaktaameille koska niillä on usein karbapenemaasin lisäksi joku laajakirjoinen β-laktamaasi (ESBL) joka hajottaa monobaktaameja.

Sekä ESBL-geenit että karbapeneemiresistenssigeenit voivat olla kromosomaalisia, mutta usein ne leviävät resistenssiplasmidien välityksellä. Resistenssiplasmideihin on kerääntynyt usein monia eri resistenssigeenejä. Esimerkkeinä mainittakoon siirtyvät fluorokinoloniresistenssitekijät ja aminoglykosidiresistenssiä aiheuttavat geenit. Tästä seuraa se, että ESBL:ja tai karbapenemaaseja ilmentävät bakteerikannat ovat usein resistenttejä monille muillekin tärkeille mikrobilääkeryhmille. Nämä resistenssiplasmidit voivat lisäksi siirtyä eri bakteerilajien välillä, mikä tehostaa niiden leviämistä.