医療微生物学

解剖顕微鏡で培養物を検査する微生物学者

医学微生物学は、微生物学の大きなサブセットであり、医学応用されています。これは、感染症の予防、診断、治療を扱う医学の一分野です。さらに、この科学分野では、健康増進のための微生物の様々な臨床応用を研究しています。感染症を引き起こす微生物には、細菌真菌寄生虫ウイルスの4種類と、プリオンと呼ばれる感染性タンパク質があります。

医療微生物学者は、病原体の特性、その伝染様式、感染および増殖のメカニズムを研究します。病院または医療研究センターの臨床/医療微生物学者としての学歴には、通常、学士号が必要ですが、国によっては微生物学の修士号に加えて、生命科学(生化学、微生物、バイオテクノロジー、遺伝学など)のいずれかの博士号も必要です。[ 1 ]医療微生物学者は、病原体の特定や治療オプションの提案など、医師のコンサルタントとして働くことがよくあります。この情報を使用して、治療法を考案できます。その他のタスクには、地域社会への潜在的な健康リスクの特定、潜在的に毒性または耐性のある微生物株の進化のモニタリング、地域社会への教育、健康習慣の設計支援などがあります。彼らはまた、病気の伝染病や大発生の予防や制御を支援することもあります。すべての医療微生物学者が微生物病理学を研究するわけではありません。中には、一般的な非病原性の種を研究し、その特性が抗生物質または他の治療法の 開発に使用できるかどうかを決定する人もいます。

疫学は、集団の健康状態や病状のパターン、原因、および影響を研究する学問であり、医療微生物学の重要な部分を占めています。ただし、この分野の臨床的側面は、主に個人における微生物感染の存在と増殖、それらが人体に与える影響、そしてそれらの感染の治療法に焦点を当てています。この点において、応用科学としてのこの分野全体は、概念的には学術分野と臨床分野に細分化できますが、実際には、公衆衛生微生物学臨床微生物学の間には流動的な連続性があり、臨床検査室の最新技術が、学術医学および研究室の継続的な改善に依存しているのと同じです。

歴史

アントン・ファン・レーウェンフックは顕微鏡を使って微生物を初めて観察した人物です。
ベルリンのロベルト・コッホ広場にある「医学細菌学の父」ロベルト・コッホの像[ 2 ]

1676年、アントン・ファン・レーウェンフックは独自に設計した単レンズ顕微鏡を用いて細菌やその他の微生物を観察した。 [ 3 ]

1796年、エドワード・ジェンナーは牛痘を用いて天然痘に対する子供の免疫を獲得する方法を開発しました。同じ原理が今日のワクチン開発にも用いられています。[ 4 ]

これに続き、1857年にルイ・パスツールは炭疽菌、鳥コレラ狂犬病などのいくつかの病気に対するワクチンと、食品保存のための低温殺菌法を設計しました。[ 5 ]

1867年、ジョセフ・リスターは防腐手術の父とされています。希釈した石炭酸で器具を滅菌し、創傷の洗浄にも使用することで、術後感染が減少し、患者にとって手術がより安全になりました。[ 6 ]

1876年から1884年にかけて、ロベルト・コッホは感染症に関する多くの洞察をもたらしました。彼は純粋培養による細菌の分離に焦点を当てた最初の科学者の一人です。この発見は、特定の微生物が特定の疾患の原因となるという細菌説を生み出しました。彼はこの説に基づいて、コッホの原則として知られる一連の基準を考案しました。[ 7 ]

医学微生物学における画期的な出来事の一つはグラム染色です。1884年、ハンス・クリスチャン・グラムは、細菌を顕微鏡下でより鮮明に観察し、識別しやすくする染色法を開発しました。この技術は今日広く利用されています。[ 8 ]

1910年、パウル・エールリッヒは梅毒に感染したウサギに対し、ヒ素を主成分とする複数の化学物質の組み合わせを試験しました。その結果、アルスフェナミンが梅毒スピロヘータに有効であることを発見しました。アルスフェナミンは1910年にサルバルサンとして販売開始されました。[ 9 ]

1929年、アレクサンダー・フレミングは当時も現在も最も一般的に使用されている抗生物質の一つであるペニシリンを開発しました。[ 10 ]

1939年、ゲルハルト・ドーマクは、プロントシルレッドが毒性を示さずにマウスを病原性連鎖球菌およびブドウ球菌から保護することを発見しました。ドーマクはサルファ剤の発見によりノーベル生理学・医学賞を受賞しました。[ 9 ]

ウォルター・ギルバートフレデリック・サンガーが1977年に開発したDNAシーケンシング[ 11 ]は、ワクチン、治療法、診断法の開発に急速な変化をもたらしました。その一例として、1979年に組み換えDNAを用いて製造された合成インスリンや、1986年に初めて遺伝子組み換えワクチンが開発されたB型肝炎などが挙げられます。

1995年、ゲノム研究所のチームが初めて細菌ゲノムインフルエンザ菌)の配列を解読しました。[ 12 ]数か月後、真核生物ゲノムの解読が完了しました。これは診断技術にとって非常に貴重なものとなりました。[ 13 ]

2007年、デンマークの食品会社ダニスコのチームは、CRIPR-Casシステムの目的がファージに対する適応免疫であることを特定しました。その後すぐに、このシステムは二本鎖切断を引き起こす能力を通じてゲノム編集に役立つことが分かりました。2019年7月には、鎌状赤血球症の患者がCRISPRを用いた遺伝性疾患の治療を受けた最初の患者となりました。[ 14 ]

一般的に治療される感染症

細菌性

バイラル

寄生虫

真菌

プリオン- 脳内で発生するミスフォールドタンパク質の一種で、他の正常なタンパク質のミスフォールドを引き起こす。極めて稀であり、蓄積したタンパク質は合併症を引き起こす。[ 27 ]

感染症の原因と感染経路

感染症は、細菌ウイルス真菌プリオン寄生虫によって引き起こされます。病気を引き起こす病原体は、外因性(外部から感染するもの、例えばインフルエンザなど、環境、動物、または他者から感染するもの)と内因性(常在菌叢から感染するもの、例えばカンジダ症)の場合があります。[ 31 ]

微生物が体内に侵入する部位を侵入口といいます。[ 32 ]侵入口には、呼吸器消化管泌尿生殖器皮膚非経口輸血先天性視神経粘膜などがあります。[ 33 ] [ 34 ]特定の微生物の侵入口は、通常、その微生物が自然の生息地から宿主までどのように移動するかによって異なります。[ 32 ]

病気が個人間で伝染する方法は様々である。これには以下が含まれる:[ 32 ]

  • 直接接触 - 感染した宿主に触れること(性的接触を含む)
  • 間接接触 - 汚染された表面に触れる
  • 飛沫感染- 咳やくしゃみ
  • 糞口経路- 汚染された食物や水源を摂取する
  • 空気感染 - 病原体を運ぶ胞子
  • 媒介生物- 病気そのものは引き起こさないが、病原体をある宿主から別の宿主へ運ぶことで感染を媒介する生物
  • 媒介感染- 感染性の細菌や寄生虫を運ぶことができる無生物または物質
  • 環境 - 院内感染(院内感染

他の病原体と同様に、ウイルスもこれらの感染経路を用いて体内に侵入しますが、ウイルスは宿主の細胞自体にも侵入する必要があるという点で異なります。ウイルスが宿主の細胞に侵入すると、ウイルスの遺伝物質(RNAまたはDNA)が細胞内に導入される必要があります。ウイルス間の複製は大きく異なり、関与する遺伝子の種類によって異なります。ほとんどのDNAウイルスは核内で増殖しますが、ほとんどのRNAウイルスは細胞質内でのみ増殖します。[ 35 ] [ 36 ]

ウイルスが宿主細胞に感染し、増殖し、持続するメカニズムは、ウイルスの生存にとって極めて重要です。例えば、麻疹などの一部の疾患は、複数の宿主へと伝播していく戦略を採用しています。これらのウイルス感染では、多くの場合、体自身の免疫反応によって治療されるため、ウイルスは免疫抵抗や宿主の死によって破壊される前に、新たな宿主へと拡散する必要があります。[ 37 ]一方、ネコ白血病ウイルスなどの感染性病原体は、免疫反応に耐え、個々の宿主内で長期にわたり生存することが可能であり、同時に、次の宿主へと伝播する能力も保持しています。[ 38 ]

毒性とは、生物が宿主細胞に侵入し、病気を引き起こす能力を指します。毒性因子は、細菌が宿主細胞に付着して侵入することを可能にする分子です。これらの因子は、分泌型、膜型、または細胞内部(細胞質)に局在します。細胞質因子は、細菌が代謝、物理的、構造的特性を迅速に適応させるのに役立ちます。膜結合型因子は、細菌が宿主に付着し、宿主の免疫系による検出を回避するのに役立ちます。分泌因子は、細菌が体内の自然免疫および獲得免疫防御を克服するのを助けます。細胞外からの脅威に対しては、分泌因子が協力して宿主細胞を破壊します。[ 39 ]

診断検査

軽度の疾患における感染性病原体の特定は、消化器疾患や皮膚感染症といった臨床症状から容易に判断できる場合もあります。どの微生物が疾患の原因となっているかを的確に推定するためには、患者が疑わしい微生物に曝露される可能性や、地域社会における微生物株の存在と蔓延状況といった疫学的要因を考慮する必要があります。

感染症の診断は、ほとんどの場合、患者の病歴聴取と身体診察から始まります。より詳細な診断技術としては、微生物培養顕微鏡検査生化学検査遺伝子型判定などが用いられます。また、あまり一般的ではない技術(X線CTスキャンPETスキャンNMRなど)は、感染性病原体の増殖によって生じた内部異常の画像を作成するために使用されます。

微生物培養

一般的なグラム陰性細菌のコロニーを増殖させた4つの栄養寒天培地

微生物学的培養は、実験室で感染症を分離して研究するために用いられる主要な方法です。組織または体液サンプルを検査し、選択培地または分画培地での増殖によって特定の病原体の存在を確認します。

検査に使用される主な3種類のメディアは以下のとおりです。[ 40 ]

顕微鏡検査

培養技術では、微生物の同定を助けるために顕微鏡検査がしばしば用いられます。複合光学顕微鏡などの機器は、微生物の重要な側面を評価するために用いられます。これは患者からサンプルを採取した直後に行うことができ、生化学染色技術と組み合わせて用いることで細胞の特徴を解明することができます。電子顕微鏡蛍光顕微鏡も、研究のために微生物をより詳細に観察するために用いられます。[ 42 ]電子顕微鏡法には、走査型電子顕微鏡法と透過型電子顕微鏡法の2つの主要な種類があります。透過型電子顕微鏡法は、対象となる細胞の薄い断面に電子を通過させ、その電子を蛍光スクリーン上に再投影します。この方法は、細胞内部、特に細胞壁や細胞膜などの構造を観察するのに役立ちます。走査型電子顕微鏡法は、細胞表面で反射された電子を読み取ります。そして、細胞の大きさと外部構造を示す3次元画像が作成されます。どちらの技術も、微生物の構造に関するより詳細な情報を提供するのに役立ちます。そのため、多くの医療分野、例えば身体の様々な部位の診断や生検、衛生、ウイルス学などで有用です。病原体の構造に関する重要な情報を提供し、医師はより深い知識に基づいて治療を行うことができます。[ 43 ]

生化学検査

迅速で比較的簡便な生化学検査は、感染性病原体の同定に利用できます。細菌の同定では、細菌がに特徴的なパターンで炭水化物を発酵する能力があるため、代謝特性や酵素特性を利用するのが一般的です。前述のように、細菌を選択液体培地または固体培地で培養すると、酸、アルコール、ガスなどの生化学検査で検出されることがよくあります。これらの検査を大量に実施するために、自動装置が使用されます。これらの装置は、複数のウェルに異なる乾燥化学物質が入ったカードを用いて、複数の生化学検査を同時に行います。対象となる微生物はそれぞれの化学物質と特異的に反応するため、同定に役立ちます。

血清学的検査法は、非常に感度が高く、特異的で、多くの場合極めて迅速な臨床検査であり、さまざまな種類の微生物を同定するために用いられます。この検査は、抗体が抗原に特異的に結合する能力に基づいています。抗原(通常は感染性病原体によって生成されたタンパク質または炭水化物)は抗体と結合するため、このタイプの検査は細菌以外の生物にも使用することができます。この結合により、検査に応じて容易かつ明確に観察できる一連のイベントが開始されます。より複雑な血清学的手法は免疫測定法として知られています。上記と同様の原理を用いて、免疫測定法は感染性病原体由来の抗原、または感染に反応して感染した宿主によって生成されたタンパク質を検出または測定することができます。[ 40 ]

ポリメラーゼ連鎖反応

ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)アッセイは、微生物の検出と研究に最も一般的に使用されている分子技術です。[ 44 ]他の方法と比較して、配列決定と分析は決定的で、信頼性が高く、正確で、高速です。[ 45 ]今日では、定量PCRが主要な技術として使用されています。これは、この方法が標準的なPCRアッセイと比較してより高速なデータを提供するためです。たとえば、従来のPCR技術では、反応の終了後に増幅されたDNA分子を視覚化するためにゲル電気泳動を使用する必要があります。定量PCRでは、検出システムが蛍光プローブを使用して増幅中のDNA分子を検出するため、この必要はありません。[ 46 ]これに加えて、定量PCRでは、標準的なPCR手順中に発生する可能性のあるコンタミネーションのリスク(PCR産物が後続のPCRに持ち込まれる)も排除されます。[ 44 ] PCR法を用いて微生物を検出・研究するもう一つの利点は、新たに発見された感染性微生物や菌株のDNA配列を、データベースに既に登録されているものと比較できることです。これにより、どの生物が感染症を引き起こしているのか、またどのような治療法があるのか​​についての理解が深まります。[ 45 ]この技術は、エイズ肝炎などのウイルス感染を検出するための現在の標準技術となっています。

治療

感染症が診断され、特定されたら、医師と医療微生物学者が適切な治療法を検討する必要があります。一部の感染症は体自身の免疫システムで対処できますが、より重篤な感染症は抗菌薬で治療されます。細菌感染症は抗菌薬(抗生物質と呼ばれることが多い)で治療され、真菌感染症は抗真菌薬、ウイルス感染症は抗ウイルス薬で治療されます。寄生虫疾患の治療には、抗寄生虫薬と呼ばれる幅広い薬剤が使用されます。

医療微生物学者は、微生物の株や抗生物質耐性、感染部位、抗菌薬の潜在的毒性、患者 の薬物アレルギーなどに基づいて、患者の主治医に治療を勧めることが多いです。

抗生物質耐性試験:左側の培養物中の細菌は、白い紙ディスクに含まれる抗生物質に感受性を示します。右側の培養物中の細菌は、ほとんどの抗生物質に耐性を示します。

薬剤は特定の種類の生物(細菌、真菌など)に特異的であるだけでなく、特定のまたはの生物に特異的で、他の生物には効果がない薬剤もあります。この特異性のため、医療微生物学者は推奨を行う際に特定の抗菌薬の有効性を考慮する必要があります。さらに、ある種に対して通常は効果がある薬剤であっても、ある菌株が特定の薬剤または薬剤クラスに対して耐性を示す場合があります。これらの菌株は耐性菌と呼ばれ、抗生物質耐性の蔓延が深刻化するにつれて、医療業界にとってますます重要な公衆衛生上の懸念事項となっています。抗菌薬耐性はますます深刻な問題となっており、毎年数百万人の死につながっています。[ 47 ]

抗生物質への適応とは、もはや細菌を殺したり増殖を止めたりできなくなることを意味します。これらの細菌感染症は、細菌を除去する選択肢が狭まるため、治療が非常に困難になる可能性があります。抗生物質耐性は、過剰使用誤用、自然耐性、そして伝播耐性によって引き起こされる可能性があります。処方されていない抗生物質を服用すると、自然耐性菌が生き残り、「スーパーバグ」になります。抗生物質の誤用には、1回以上の抗生物質の服用を忘れること、治療を早期に中止すること、または他の人の薬を使用することが含まれます。変異した細菌は、薬剤に対する耐性をますます強めます。[ 48 ]

薬剤耐性は、通常、微生物が抗菌薬を化学的に不活性化するか、細胞が機械的に薬剤の取り込みを阻害することで生じますが、別の形態の薬剤耐性はバイオフィルムの形成によっても生じます。一部の細菌は、カテーテルやプロテーゼなどの埋め込み型デバイスの表面に付着し、他の細胞が付着するための細胞外マトリックスを形成することでバイオフィルムを形成します。 [ 49 ]これにより、細菌は安定した環境から分散し、宿主の他の部位に感染することができます。さらに、細胞外マトリックスと細菌細胞の緻密な外層は、内部の細菌細胞を抗菌薬から保護することができます。[ 50 ]

ファージ療法は抗生物質よりも前に発見された技術ですが、抗生物質が主流になるにつれて忘れ去られました。現在、抗菌薬耐性の増加に対する潜在的な解決策として検討されています。細菌にのみ感染するウイルスであるバクテリオファージは、目的の細菌を特異的に標的とし、そのゲノムを注入することができます。このプロセスにより、細菌は自身の産生を停止してより多くのファージを産生します。これは、細菌が自身を溶解してファージを周囲の環境に放出するまで続きます。ファージ療法は特異的であるため、微生物叢を死滅させることがなく、抗生物質アレルギーを持つ人にも役立ちます。欠点は、特定の細菌を特定する必要があるため、時間のかかるプロセスであることです。また、抗生物質のようにその効果と安全性を裏付ける研究は現在のところありません。細菌は、CRISPR / Cas9システムなどのシステムを通じて、最終的に耐性を獲得する可能性もあります。しかし、多くの臨床試験で有望な結果が出ており、抗菌薬耐性の問題に役立つ可能性があることが示されています。抗生物質と併用することで累積効果を得ることもできます。[ 51 ]

医療微生物学は、病気の診断と治療だけでなく、有益な微生物の研究も行っています。微生物は感染症の予防と健康増進に役立つことが示されています。アレクサンダー・フレミングによるペニシリンの発見や、ストレプトマイセス属細菌由来の新しい抗生物質の開発など、微生物から治療法を開発することが可能です。[ 52 ]微生物は抗生物質の供給源となるだけでなく、プロバイオティクスとして作用し、胃腸の健康改善や病原体の抑制など、宿主に健康上の利益をもたらすものもあります。[ 53 ]

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