Mechanizmy immunologiczne dolnych dróg moczowych, które chronią je przed drobnoustrojami, przez wiele lat były bardzo słabo poznane. Dopiero w ostatnim dziesięcioleciu wzrosło zainteresowanie układem odpornościowym pęcherza moczowego. Znaczna większość badań w tym zakresie dotyczyła bakterii Escherichia coli, dlatego zdobyta wiedza pozwala zrozumieć, jak przebiega zakażenie tymi bakteriami. Wiele opisanych procesów jest uniwersalnych dla wszystkich Enterobacteriaceae, ale już zakażenie florą Gram dodatnią przebiega inaczej i wymaga niezależnych, równie żmudnych badań.

Poniżej podsumowano te wiadomości o patofizjologii ostrego zakażenia dolnych dróg moczowych wywołanych przez Escherichia coli, które potwierdzili niezależni badacze i które stały się obowiązującą już wiedzą.

Cewka moczowa i pęcherz moczowy - podobnie jak drogi oddechowe, przewód pokarmowy oraz drogi rodne - stanowią wrota wnikania drobnoustrojów patogennych do organizmu. Wszystkie te układy mają swoiste mechanizmy zapobiegania rozwojowi zakażenia. W przypadku dolnych dróg moczowych odpowiadają za to między innymi: regularne, mechaniczne spłukiwanie nabłonka podczas mikcji, złuszczanie się komórek nabłonka przejściowego (urothelium), występowanie komensalicznej flory bakteryjnej w okolicy ujścia cewki, bariera mechaniczna w postaci zwieracza cewki moczowej, szczególna budowa nabłonka dolnych dróg moczowych i substancje przez niego wydzielane. W błonie śluzowej dróg moczowych stale bytują również komórki układu odpornościowego. Współdziałanie tych sił zapewnia utrzymanie moczu gromadzącego się w pęcherzu w stanie jałowym lub zbliżonym do jałowego. Pojedyncze bakterie, które przedostają się do pęcherza, są zwykle szybko niszczone i usuwane. Jeśli jednak w wyniku osłabienia mechanizmów obronnych, instrumentacji, stosunku płciowego itp. wniknie do pęcherza większa liczba bakterii, układ odpornościowy związany z błonami śluzowymi ulega pobudzeniu. Stężenia cytokin oraz liczebność komórek odpornościowych w urotelium i w moczu wzrastają w ciągu kilku godzin tysiące razy. Pojawiają się charakterystyczne objawy ostrego zapalenia pęcherza moczowego.

Adhezyny bakteryjne

Czynnikiem warunkującym jakiekolwiek interakcje między patogenami a tkankami gospodarza jest obecność u obu stron białek mających zdolność wiązania się ze sobą. Uropatogeny są wyposażone w adhezyny, które swoiście łączą się z molekularnymi elementami urotelium. Część adhezyn jest swoista dla gatunków, a nawet dla poszczególnych szczepów bakterii, inne stwierdza się u wielu gatunków. Połączenie z nabłonkiem (adhezja) zapobiega spłukiwaniu bakterii w czasie mikcji, aktywuje szlaki sygnalizacyjne w komórce bakteryjnej i nabłonkowej, ułatwia oddziaływanie toksyn bakteryjnych na komórki gospodarza, a także umożliwia wnikanie bakterii do komórek urotelialnych i w głąb nabłonka. Do najlepiej zbadanych adhezyn należą fimbrie typu 1, fimbrie P, fimbrie S oraz rodzina białek Dr.

Rycina 1	Schemat przedstawiający rozwój zakażenia bakteryjnego w ścianie pęcherza moczowego

Fimbrie typu 1 są najczęściej spotykanymi organellami służącymi adhezji uropatogennych Escherichia coli (UPEC) [1]. Występują również u innych gatunków bakterii z rodziny Enterobacteriaceae. Są to włosowate struktury zakończone białkiem FimH, które potrafi wiązać się z różnymi cząsteczkami gospodarza. W drogach moczowych wiąże się z uroplakiną 1a (UP1a) [2]. Uroplakiny są glikoproteinami występującymi w błonie komórek urotelialnych od strony światła dróg moczowych. Ich rolą jest uszczelnienie urotelium, zmniejszenie jego przepuszczalności dla jonów i substancji rozpuszczonych w moczu [3]. Bez FimH UPEC nie potrafią skolonizować dróg moczowych.

Organizm będący celem inwazji bakterii ma jednak mechanizmy chroniące przed czynnikami wirulencji, takimi jak FimH. Przykładem jest wydzielanie przez nerki białka Tamma-Horsfalla, które ma zdolność łączenia się z FimH [4]. W ten sposób część bakterii wnikających do pęcherza traci zdolność adhezji do nabłonka dróg moczowych. Fimbrie P rozpoznaje się często u szczepów UPEC wywołujących odmiedniczkowe zapalenie nerek [5]. Odpowiedzialne za ten tropizm jest białko PapG znajdujące się na końcu organelli o budowie podobnej do fimbrii typu 1. PapG rozpoznaje glikolipidy występujące na erytrocytach i komórkach nerek. Możliwe, że w dolnych drogach moczowych występują również miejsca wiązania PapG, które nie uaktywniaj ą jednak reakcji zapalnej. Obserwowano bowiem obecność bakterii wyposażonych w fimbrie P w przebiegu przewlekłej bakteriurii bezobjawowej [6].

Fimbrie S mają molekułę adhezyjną zwaną SfaS, która ma zdolność wiązania się z resztami kwasu sialowego. Związki te są obecne między innymi na powierzchni komórek nerkowych, śródbłonka, ale również w dolnych drogach moczowych w połączeniu z jedną z uroplakin. Przypuszczalnie fimbrie S ułatwiają bakteriom przenikanie w głąb tkanek, gdyż wykrywane są często u bakterii odpowiedzialnych za posocznicę, zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych czy odmiedniczkowe zapalenia nerek [1].

Rodzina białek Dr to grupa cząsteczek błonowych oraz adhezyn związanych z organellami. Wyposażone w nie bakterie mają zdolność długotrwałego utrzymywania się w zakażonych tkankach. Być może dlatego nawroty zakażeń w przypadku bakterii Dr+ są dwa razy częstsze. Receptory dla białek Dr występują w wielu tkankach, w tym również na komórkach urotelialnych [1].

Reakcja błony śluzowej pęcherza moczowego na zakażenie

Komórki nabłonka dróg moczowych mają również receptory rozpoznające obecność bakterii. Przyłączenie się do nich bakterii lub ich składników powoduje szybką i gwałtowną odpowiedź immunologiczną. Najlepiej poznanym tego typu receptorem jest TLR4 (toll-like receptor 4). Ma on zdolność wiązania lipopolisacharydu (LPS - inaczej: toksyna endogenna), podstawowego składnika ściany komórkowej bakterii Gram ujemnych [7]. Sygnał, jaki powstaje w wyniku połączenia LPS z TLR4 i kostymulacja przez fimbrie typu 1 lub fimbrie P powodują wydzielanie przez urotelium interleukiny 8 (IL-8), która przyciąga w miejsce inwazji neutrofile. Neutrofile działają niespecyficznie, niszcząc bakterie i zakażone nimi komórki na drodze fagocytozy oraz w wyniku uwalniania aktywnych form tlenu lub substancji przeciwbakteryjnych. Aktywność neutrofilów jest najważniejszym elementem odpowiedzi immunologicznej w ostrym zakażeniu dolnych dróg moczowych. Myszy z nieczynnymi receptorami TLR 4 nie potrafią samoistnie pozbyć się bakterii z dolnych dróg moczowych, ponieważ neutrofile nie są przyciągane do zakażonych tkanek. U ludzi ekspresja TLR4 na komórkach urotelium została wielokrotnie potwierdzona. Jednocześnie nie stwierdzono jej zmniejszenia u osób podatnych na zakażenia układu moczowego. TLR4 nie jest jedynym białkiem błonowym koniecznym dla przekazania sygnału o obecności bakterii. Istnieją rozbieżności co do występowania w urotelium innego białka, zwanego CD14, które współpracuje z TLR 4 i to ono jest typowane jako czynnik, od którego może zależeć podatność na infekcje.

Odpowiedź immunologiczna pęcherza moczowego nie ogranicza się do wydzielania IL-8 i pojawienia się neutrofilów. W dużych ilościach wydzielana jest także IL-6. Rola interleukiny 6 w drogach moczowych nie została jednoznacznie przyporządkowana [8], ale spośród jej licznych właściwości w ostrym zapaleniu pęcherza z pewnością istotne jest pobudzanie limfocytów B do przekształcania się w komórki plazmatyczne i wydzielania przeciwciał oraz różnicowanie się limfocytów T w kierunku limfocytów cytotoksycznych. W nacieku zapalnym oprócz neutrofilów pojawiają się wszystkie inne komórki układu odpornościowego, tj. makrofagi, komórki tuczne, komórki NK, limfocyty T i B, komórki plazmatyczne, komórki prezentujące antygeny. Jednocześnie komórki plazmatyczne rozpoczynają wydzielanie przeciwciał. Neutrofile - główny element obrony dolnych dróg moczowych - należą do nieswoistych mechanizmów odpornościowych. Odpowiedź swoista, zależna od prezentacji antygenów limfocytom i od produkcji przeciwciał, ma również swój udział w zwalczaniu zaka żeń układu moczowego. Zauważono, że kolejne zakażenie pęcherza tym samym szczepem bakterii eliminowane jest szybciej niż zakażenie pierwsze [9]

Usuwanie bakterii z dróg moczowych ułatwiają częste mikcje i masywne złuszczanie się nabłonka. Złuszczanie zależy od związania białka fimbrialnego FimH z nieznanym receptorem błonowym. Zainicjowany tym sygnał prowadzi do wejścia komórki na szlak apoptozy i do jej śmierci. Złuszczanie powoduje usuwanie komórek wraz z przylegającymi do nich bakteriami, ale tym samym odsłania głębsze warstwy nabłonka, narażając je na zakażenie. Jest to jednak dość skuteczny mechanizm przeciwbakteryjny. Zastosowanie inhibitora apoptozy powoduje zahamowanie złuszczania i długotrwałe utrzymywanie się bakterii w drogach moczowych [10].

Jeszcze jedną taktyką niszczenia patogenów jest wydzielanie substancji przeciwbakteryjnych przez urotelium [11]. Niektóre z nich są uwalniane przez nabłonek stale, dzięki czemu zapobiegają rozwojowi zakażenia. Należy do nich alfa defensyna HD5 i beta defensyna HBD 1. Inne peptydy są wydzielane przez nabłonek i neutrofile dopiero w czasie rozwinięcia się reakcji zapalnej. Należą do nich beta-defensyna 2 (HBD 2) oraz katelicydyna LL-37/hCAP-18, a także uwalniane przez pobudzone neutrofile ludzkie defensyny neutrofilowe 1, 2 i 3. (HND 1-3). Te naturalne antybiotyki mają szerokie spektrum działania, obejmujące bakterie Gram dodatnie, Gram ujemne, a także grzyby i niektóre wirusy. Mające dodatni ładunek peptydy wchodzą w interakcje z ujemnie naładowaną błoną komórkową bakterii i, tworząc w niej kanały lub spłaszczając, powodują, że błona staje się przepuszczalna dla jonów. Defensyny i katelicydyny potrafią również wiązać się z lipopolisacharydami i inaktywować tę bakteryjną endotoksynę. Odporność bakterii na endogenne antybiotyki jest niewielka.

Inwazja wewnątrzkomórkowa

Coraz większą rolę w patogenezie zakażeń wywołanych przez UPEC przypisuje się procesowi wnikania bakterii do komórek nabłonka i wytwarzania wewnątrzkomórkowych "fabryk" bakterii. Proces przedostawania się do wnętrza komórek porównywany jest do działania zamka błyskawicznego: rozmieszczone równomiernie na powierzchni bakterii białka FimH wiążą się kolejno z receptorami znajdującymi się na komórkach urotelialnych, co prowadzi ostatecznie do całkowitego otoczenia bakterii błoną komórkową i przemieszczenie powstałej wakuoli w głąb komórki [1]. Z nieznanych przyczyn nie dochodzi do połączenia wakuoli zawierających bakterie z lizosomami zawierającymi substancje zabójcze dla bakterii. Wręcz przeciwnie, bakterie znajdujące się wewnątrz komórek nabłonka chronione są przed odpowiedzią układu immunologicznego i mogą swobodnie się namnażać. Zdolność rozmnażania wewnątrzkomórkowego jest charakterystyczną cechą UPEC. Laboratoryjne szczepy Escherichia coli potrafią wnikać do wnętrza komórki i przebywać w niej przez jakiś czas, ale nie potrafią się rozmnażać. Nie wykryto jeszcze czynnika odpowiedzialnego za ten proces. FimH uruchamia zarówno proces internalizacji oraz wewnątrzkomórkowego rozmnażania bakterii, jak i złuszczania się komórek zainfekowanych, dlatego procesy te przebiegają równolegle. Kolonie wewnątrzkomórkowe UPEC składają się początkowo z pałeczkowatych bakterii luźno rozmieszczonych w komórce, dzielących się co 30 minut. W ciągu sześciu godzin od zakażenia kolonie zawierają gęsto upakowane ziarenkowate formy bakterii, charakteryzujące się dłuższym, 45-minutowym czasem podwojenia. Po dalszych 10 godzinach bakterie znajdujące się na obrzeżach kolonii przekształcają się ponownie w formy pałeczkowate, stają się ruchome, migrują w kierunku błony komórkowej i wreszcie uwalniają się z komórki-fabryki. Przynajmniej część bakterii uwalnia się z komórek gospodarza przed złuszczeniem. Zostają wydalone wraz z moczem albo przylegają do kolejnych, zdrowych komórek nabłonka. Cykl powtarza się, z tym że druga generacja bakterii rozmnaża się wolniej niż pierwsza. W czasie ucieczki bakterii z komórek gospodarza pojawia się trzecia, nitkowata forma UPEC [12]. Ta forma bytowania UPEC charakteryzuje się ograniczoną aktywnością życiową, ale i dużą odpornością na szkodliwe czynniki zewnętrzne, w tym antybiotyki.

UPEC rozmnażają się in vivo w powierzchownej, najbardziej zróżnicowanej warstwie nabłonka (komórki baldaszkowate), niszcząc ją i odsłaniając warstwy głębsze. Mniej zróżnicowane, głębiej położone komórki nabłonka są również celem inwazji bakteryjnej, ale nie stają się już "fabrykami bakterii". Mogą natomiast być miejscem, w którym bakterie rezydują przez wiele tygodni, a nawet miesięcy, stanowiąc niewykrywalne i trudne do usunięcia źródło zakażenia nawracającego. Bakterie rezydujące w nabłonku są niewrażliwe na antybiotyki. Może to być związane z ich lokalizacją lub stanem nieaktywnym. Nie uwalniają się do światła dróg moczowych, dlatego posiewy moczu się jałowe. W badaniach na myszach stwierdzono, że po 6 tygodniach zaledwie 30% zwierząt usunęło przetrwalnikowe formy bakterii z nabłonka dróg moczowych. Za wnikanie w głąb tkanek mogą odpowiadać takie adhezyny, jak na przykład fimbrie S. Postuluje się, że pobudzenie tych organelli powoduje uwalnianie przez bakterię enzymów degradujących komórki i składniki istoty międzykomórkowej, umożliwiając coraz głębsze wynikanie patogenów [1].

Opisany mechanizm stanowi nową teorię patogenezy nawracających zakażeń dolnych dróg moczowych. Jeśli jest ona słuszna, jasne staje się, dlaczego krótkotrwałe terapie antybiotykowe są nieskuteczne.

Pomimo wyjaśnienia niektórych procesów toczących się w pęcherzu moczowym w czasie zakażenia, wiele pytań dotyczących układu odpornościowego dróg moczowych czeka wciąż na odpowiedź, np.:

• Dlaczego nie ma chorób wirusowych układu moczowego?
• Jak wygląda aktywacja zapalenia w cewce moczowej?
• Jaki jest mechanizm ostrego i przewlekłego zakażenia bakteriami Gram (+).

Ostatecznej odpowiedzi nie doczekało się również fundamentalne dla praktyki urologicznej pytanie o przyczynę nawracających zakażeń dolnych dróg moczowych u kobiet. Zaniedbywana przez lata dziedzina może stać się wkrótce obszarem wielu nowych, fascynujących odkryć.

Piśmiennictwo:

1. Mulvey M.A. Adhesion and entry of uropathogenic Escherichia coli. Cell Microbiol 2002; 4(5): 257-271.
2. Zhou G i wsp. Uroplakin Ia is the urothelial receptor for uropathogenic Escherichia coli: evidence from in vitro FimH binding J Cell Sci 2001; 114: 4095-4103.
3. Apodaca G. The uroepithelium: not just a passive barrier. Traffic 2004: 5:117-128.
4. Säemann M.D. i wsp. Tamm-Horsfall protein: a multilayered defence molecule against urinary tract infection. Eur J Clin Invest 2005; 35:227-235.
5. Roberts J.A. i wsp. The Gal a (1-4) Gal-specific tip adhesin of Esherichia coli P-fimbriae is needed for pyelonephritis to occur in the normal urinary tract. Proc Natl Acad Sci USA 1994; 91:11889-11893.
6. Wullt B. i wsp. P fimbriae enhance the early establishment of Escherichia coli in the human urinary tract. Mol Microbiol 2000; 38: 456-464.
7. Samuelsson P. i wsp. Toll-like receptor 4 expression and cytokine responses in the human urinary tract mucosa. Infect Immun 2004; 72(6): 3179-3186.
8. Uehling D.T. i wsp. The urinary tract response to entry of pathogenes. World J Urol 1999; 17: 351-358.
9. Sivan Y i wsp.: Comparative histology of the mouse bladder following initial infection and re-infection with Escherichia coli. J Pathol 1982; 138: 353-364.
10. Mulvey M.A. i wsp. Induction and evasion of host defenses by type 1-piliated uropathogenic Escherichia coli. Science 282, 1494-1497
11. Bals L. Epithelial antimicrobial peptides in host defense against infection. Respir Res 2000; 1: 141-150.
12. Justice S.S. i wsp. Filamentation by Escherichia coli subverts innate defenses during urinary tract infection. Proc Natl Acad Sci 2006 103(52): 19884-19889.