百日咳菌

百日咳菌（Bordetella pertussis）は、グラム陰性、好気性、病原性、莢膜を有する球桿菌で、ボルデテラ属に属します。百日咳の原因菌です。ワクチン接種が広く普及しているにもかかわらず、免疫力の低下と病原体の適応により、百日咳菌は世界中で病気や死を引き起こし続けています。その病原性因子には、百日咳毒素、アデニル酸シクラーゼ毒素、線状ヘマグルチニン、パータクチン、線毛、気管細胞毒素などがあります。

百日咳菌はヒトにのみ感染する病原体であり、飛沫感染によって伝染します。この病気の潜伏期間は平均7～10日ですが、6～20日と幅があります。^{[ 1 ] [ 2 ]} この細菌は、特殊な表面タンパク質を用いて呼吸器系の繊毛上皮細胞に付着し、そこに留まります。その後、毒素を放出し、正常な細胞機能を阻害してヒト宿主に症状を引き起こします。ヒトは百日咳菌の唯一の既知の宿主です。^{[ 3 ]}

百日咳菌 の完全なゲノムは4,086,186塩基対で、2003年に発表された。^{[ 4 ]}これは、近縁種のB. bronchisepticaの520万塩基対のゲノムよりも小さい。^{[ 5 ]}一方、B. bronchisepticaと同様に、百日咳菌は通常は非運動性細菌に分類されるが、鞭毛のような構造を発現することができる。^{[ 6 ] [ 7 ]}

ボルデテラ属には、 B. pertussis、B. parapertussis、B. bronchiseptica、B. avium、B. hinzii、B. holmesii、B. trematum、B. ansorpii、およびB. petriiの9種が含まれる。 ^{[ 6 ]}

B. pertussis、B. parapertussis、およびB. bronchisepticaは、系統発生的に密接に関連したグループを形成します。B . parapertussisはヒトに百日咳に似た病気を引き起こし、B. bronchisepticaはヒトを含むさまざまな哺乳類宿主に感染し、さまざまな呼吸器疾患を引き起こします。^{[ 6 ]}

百日咳は、1578年の流行後にフランスの医師ギヨーム・ド・バイユーによって初めて記述されました。この病気は、それ以前に韓国の医学教科書に記載されていた可能性があります。 ^{[ 8 ]}百日咳の原因菌は、1906年にジュール・ボルデとオクターブ・ゲンゴウによって特定され、分離されました。16S rRNA遺伝子配列データによると、ボルデテラ属は土壌中で生存できる祖先から進化したと考えられています。 ^{[ 9 ]} 16S rRNAは、サンプル内の門を比較できるすべての細菌の構成要素です。農業分野への人間の開発の拡大により、人間と土壌の接触が増加しました。この増加は、ボルデテラの祖先が繁栄するだけでなく、人間に広がるのに有利な環境を作り出しました。百日咳菌は、高いワクチン接種率にもかかわらず、乳幼児の間で持続することができます。^{[ 10 ]}過去 10 年間に世界的に流行が発生しています。2012 年に、カナダ、オーストラリア、フランス、英国、日本、米国で流行が蔓延しました。^{[ 11 ]}アフリカにおける百日咳菌の症例は公表されていないようですが、主に乳幼児を標的としているため増加傾向にあります。^{[ 12 ]}

当初、百日咳菌は単型病原体であり、発見された株の大部分はptxA1またはptxA2という同じ2種類の対立遺伝子を持っていたことが判明した。^{[ 13 ]}ゲノムシーケンスの最近の進歩により、百日咳菌の研究が進み、ptxP領域の発見が可能になった。この遺伝子の研究を通じて、DNA鎖上に欠落したゲノムが存在することを示す遺伝子内の変異の証拠が得られた。Bartらによる研究では、百日咳菌配列のTohama I参照株の遺伝子の25%が祖先株と比較して欠落していることが明らかになった。これらの変異は、DNAの喪失を伴うゲノム内組換えの増加によって引き起こされたと指摘されている。BvgASシステムによって制御される遺伝子により、百日咳菌ははるかに伝染性の高い病原体へと変化した。 ^{[ 13 ]}特に、近年の突然変異によって生じたptxP3アレルを持つ株は、毒素の発現が増加しています。最終的に、これは感染時の疾患の重症度を高めます。^{[ 13 ]}このため、特に発展途上国では、百日咳菌の症例のほとんどがptxP3株である傾向が強まっています。1990年代以降、米国などの先進国では、ptxA1ではなくptxP3分離株が症例の大部分を占めるようになり、ptxP3がより優勢な株となっています。^{[ 14 ]} 

百日咳菌は、pH 7.0～7.5の好気性条件を好みます^{[ 15 ]。}これは人体内で増殖するのに最適な条件です。増殖に最適なpHレベルは8.0で、増殖が最小限となるpH範囲は6.0～6.5です。pH 5.0未満では細菌は増殖できません。

さらに、百日咳菌は 35 ℃から37  ℃の温度範囲を好む。 ^{[ 16 ]}この菌種は偏性好気性菌であり、ニコチンアミド補給を必要とするなど、栄養要求が非常に厳格である。脂肪酸、過酸化物培地、金属イオン、硫化物の存在下では、細菌の増殖が阻害されることが確認されている。

厳密な好気性菌として、この細菌は増殖と維持に酸素を必要とする。このような好気性菌は、酸素を利用して物質を代謝するために細胞呼吸を行う。このような呼吸において、電子伝達系の最終電子受容体は酸素である。^{[ 17 ]}この生物はオキシダーゼ陽性であるが、ウレアーゼ、硝酸還元酵素、クエン酸還元酵素は陰性である。^{[ 18 ]}

百日咳菌は細胞外病原体だけではなく、細胞外で増殖するだけでなく、内部環境にも効率的に適応できる。^{[ 19 ]}また、BvgAS二成分系のレベルを低下させることで、病原性遺伝子の発現と非病原性表現型につながる。^{[ 19 ]}さらに、中心代謝とエネルギー代謝、細胞壁の強化、適切な酸化還元と金属ホメオスタシスの維持、損傷した高分子の修復を調整することができる。[19] また、^{システインジオキシゲナーゼ}遺伝子を欠損した変異体はTHP-1細胞に対する細胞毒性が減弱することが研究で示されており、宿主と病原体の相互作用における硫黄代謝の役割が強調されている。^{[ 19 ]}

B. pertussis は、特に病原体としての再出現を考慮すると、代謝モデリングにおいて特有の課題と機会をもたらします。グルタミン酸レベルの上昇は酸化ストレスにより成長を遅らせることがわかっており、複雑な関係が明らかになっています。この効果は、少数の初期集団がクオラムセンシングを介して酸化ストレスを増幅する可能性があることを示唆する観察によってさらに複雑化しており、この現象はさらなる調査に値します。^{[ 20 ]}

乳酸とグルタミン酸のバランスのとれたアンモニウム蓄積のない培地で百日咳菌を培養すると、百日咳菌のクエン酸回路に部分的な異常が生じ、 β-ヒドロキシ酪酸の合成と分解能力が低下することが観察された。この培地で百日咳菌を培養すると、ポリヒドロキシ酪酸がいくらか生成されたが、β-ヒドロキシ酪酸は排出されなかった。これは、既存の培地組成と比較して、炭素からバイオマスへの変換効率が高いことを示している。^{[ 21 ]}

バイオフィルム条件下では、百日咳菌細胞は毒素レベルの上昇と特定のタンパク質の発現低下を示し、グリオキシル酸回路よりも完全なトリカルボン酸（TCA）回路を利用する方向への代謝シフトを示した。^{[ 22 ]}これらの変化は、ポリヒドロキシ酪酸の蓄積とスーパーオキシドジスムターゼ活性の上昇と相関しており、バイオフィルム内での長期生存に寄与する可能性がある。^{[ 22 ]}タンパク質発現と代謝応答の相互作用は、百日咳菌の増殖と適応に影響を与える複雑なメカニズムを浮き彫りにする。^{[ 23 ]}ヒト呼吸器系などの宿主組織と比較して負のエネルギープロファイルが少ないにもかかわらず、百日咳菌は生合成と異化を効率的に結合させ、長期間の培養後でも強力な増殖を維持する。^{[ 23 ]}

百日咳菌は糖を炭素源として利用できないため、アミノ酸が利用され、その中でもグルタミン酸が最も効率的である。グルタミン酸はグルタミン酸デヒドロゲナーゼによって変換されるとTCAサイクルを経る。^{[ 24 ]}また、グルコース新生などの他の経路にも利用される。

百日咳菌の宿主種はヒトのみです。^{[ 25 ]}百日咳菌は哺乳類の食細胞内で細胞内生存することができます。百日咳菌は代謝、ストレス応答、鉄の取り込み、および調節を助けるタンパク質を放出し、細菌の生存能力を高めます。宿主細胞によっては、百日咳菌はヒトのマクロファージおよび上皮細胞内で3日間生存することができます。^{[ 26 ]} 百日咳菌は宿主タンパク質から鉄を獲得することができ、これは代謝的に適応する方法の一つです。鉄欠乏状態では、百日咳菌は感染後期にヘムを促進するBhuシステムなどの鉄調節システムを増加させることで適応します。鉄はシデロフォアの産生またはヘムから獲得されます。鉄欠乏状態になると、病原体が代謝的にストレスを受ける可能性があります。^{[ 24 ]}

動物園のチンパンジーや野生のゴリラの間で百日咳の発生が観察されており、どちらの場合も、感染は人間との密接な接触の結果として獲得された可能性が高いと考えられている。^{[ 27 ]}いくつかの動物園では、霊長類に百日咳のワクチンを接種するという長年の慣習がある。^{[ 28 ]}

研究によると、一部の霊長類は百日咳菌に非常に敏感で、少量の接種量に曝露されると高頻度で百日咳を発症することがわかっています。^{[ 29 ] [ 30 ]}野生動物集団で細菌が自然に広がるかどうかは、実験室診断によって十分に確認されていません。^{[ 31 ]}研究環境では、ヒヒが感染のモデルとして使用されていますが、ヒヒの病理がヒトと同じかどうかはわかりません。^{[ 32 ]}

百日咳は、呼吸器系の感染症で、息を吸い込むときに「ヒューヒュー」という音がするのが特徴です。^{[ 33 ]}百日咳菌は、肺上皮細胞に定着することで宿主に感染します。この細菌は、上皮細胞の繊毛にあるスルファチドに結合する表面タンパク質である線状ヘマグルチニン接着因子を持っています。他の接着因子には、線毛とペトラクチンがあります。^{[ 34 ]}いったん定着すると、細菌は気管細胞毒素を産生し、繊毛の拍動を停止させます。これにより、繊毛が肺から老廃物を取り除くことができなくなり、体は宿主に咳の発作を起こさせることで反応します。^{[ 35 ]}百日咳菌は、宿主の免疫系の機能を阻害することができます。百日咳毒素として知られるこの毒素は、アデニル酸シクラーゼを介したATPから環状アデノシン一リン酸への変換を調節するGタンパク質結合を阻害します。その結果、食細胞はアデノシン三リン酸を環状アデノシン一リン酸に過剰に変換し、細胞シグナル伝達機構に障害を引き起こし、食細胞が感染に正しく反応するのを妨げます。以前はリンパ球増加促進因子として知られていた百日咳毒素は、リンパ節へのリンパ球の侵入を減少させ、成人ではリンパ球数が4000/μl以上、小児では8000/μl以上とな​​るリンパ球増加症と呼ばれる状態を引き起こす可能性があります。リンパ球を標的とするだけでなく、好中球の肺への遊走も制限します。また、細菌の除去に関与する組織常在マクロファージの機能も低下させます。^{[ 36 ]}

百日咳菌の感染は、主に1歳未満の乳幼児（この時期は免疫がない）または免疫力が低下している子供（通常11歳から18歳頃）に起こります。症状は風邪に似ており、鼻水、くしゃみ、軽い咳、微熱などがあります。^{[ 37 ]}患者は感染のカタル期に最も感染力が強くなり、通常は咳が出始めてから2週間後です。咳、くしゃみ、笑うと空気感染する可能性があります。発作性の咳に続いて、百日咳特有の吸気音である「ヒューヒュー」という音がします。発作の後、患者は息を吸うときに「ヒューヒュー」という音を出したり、嘔吐したりすることがあります。百日咳菌の総生菌数が最大になる、宿主の感染力が最も強い時期に感染率が上昇すると予想されます。宿主が咳をすると、呼吸器系の細菌がエアロゾル化した飛沫によって空気中に放出され、近くにいる人間に感染する恐れがあります。^{[ 38 ]}百日咳は激しい咳の発作を繰り返すため、このプロセスが頻繁に起こり、密接な接触環境では非常に感染力が強くなります。

ヒト宿主は、百日咳菌病原体の結果として、感染と戦う体の能力に応じて、さまざまな身体的反応を示す可能性があります。^{[ 38 ]}成人は、「ヒュー」という音を伴わない長引く咳など、より軽度の症状を示します。生後6か月未満の乳児も、典型的なヒューという音を発しない場合があります。咳の発作は1分以上続くことがあり、チアノーゼ、無呼吸、けいれんを引き起こします。 

百日咳は3つの異なる段階で発症する。潜伏期から発作性咳嗽に至る明確な段階を特徴とする百日咳の動的な進行は、この疾患の臨床症状の複雑さを強調し、症状を引き起こす毒素放出の潜在的な重要性を浮き彫りにする。^{[ 45 ]}

曝露後、症状が現れるまで5～7日間の潜伏期間が続く。^{[ 45 ]}

続いてカタル期が訪れ、風邪のような症状が約1週間続き、病原体の分離率が高いのが特徴です。この段階は発作期に移行し、乾いた咳が粘液の分泌と嘔吐を伴う激しい発作性の咳へと変化します。^{[ 45 ]}

呼吸器分泌物を排出しようとする努力を特徴とする咳の発作は、特徴的なヒューヒューという音を伴うことがある。この段階では、病原体の回復は著しく低下する。病原体は血液中から検出されることはまれであるが、臨床症状は主に毒素の放出に起因すると考えられている。発作期は通常、最低でも2週間続く。^{[ 45 ]}

鼻咽頭スワブまたは吸引液を細菌検査室に送付し、グラム染色（グラム陰性、球桿菌、双球菌配列）を行い、ボルデ・ゲンゴウ寒天培地またはセファロスポリンを添加した緩衝炭末酵母エキス寒天培地で培養して、水銀滴状のコロニーを形成する菌を選択的に増殖させます。気管内チューブ吸引液または気管支肺胞洗浄液は、繊毛上皮細胞と直接接触し、病原体の分離率が高いため、検査診断に好まれます。

百日咳菌（B. pertussis）の同定に用いられる臨床検査法：

1. 血清学^{[ 46 ]}
   1. 患者の血清中に存在する特異的な凝集抗体を、高い感度と特異度で同定する。
   2. 病原体の毒性レベルを検出し、病原体に対する免疫反応を測定することができる。
   3. 疾患のカタル期に対応する検査を推奨します。乳幼児では陽性結果が出るまでに時間がかかるため、使用しないでください。陽性結果が出ない場合、疾患が進行していることが多いためです。
   4. ELISAキットの開発のきっかけとなった。
2. 微生物培養^{[ 46 ] [ 47 ]}
   1. 高い特異性、コロニーのサブタイプ分類能力、そして限られた感度で知られています。抗菌薬耐性モニタリングに最適です。特異性の結果は、年齢、予防接種状況、症状の持続期間、さらには検体の取り扱いによっても影響を受ける可能性があります。
   2. 病原体を個別に培養することは非常に難しく、細菌量が多い場合にのみ培養陽性となる。分離に最適な時期は、カタル期または発作期の初期である。ワクチン接種者では分離率も低い。
   3.  結果を得る前に、プレートを36℃の高湿度条件下で7～10日間培養する。
3. 古典的なPCRアッセイ^{[ 46 ]}
   1. この検査法は、迅速性と高い感度で知られているため、最もよく用いられる検査法であるが、ボルデテラ属菌の種を識別する際にはしばしば不正確である。
   2. PCRに使用されるプライマーは通常、転移因子IS481とIS1001を標的とする。^{[ 48 ]}
   3. 乳幼児およびカタル期にある患者への実施が推奨されます。培養法と比較して、非典型的な症状を示す患者やワクチン接種を受けた患者において、より長期間にわたり病原体を検出できます。
   4. 百日咳菌（B. pertussis）の標的遺伝子はIS481、IS1002、ptxS1、Ptx-Pr、およびBP3385であるが、B. bronchisepticaとB. holmesiiは類似した遺伝子発現を示すため、実験室で両菌を区別することは困難である。両菌を区別する最も効果的な方法は、ヒトおよび動物由来の分離株を用いることである。シングルプレックスPCRにより、標的遺伝子ptxS1が同定される。
4. 直接蛍光抗体検査（DFA）^{[ 46 ]}
   1. ボルデテラ菌の検出において、安価で直接的な結果が得られるものの、感度と特異性は低い。この検査では、鼻咽頭分泌物を蛍光標識抗体で染色し、百日咳菌（B. pertussis）またはパラ百日咳菌（B. parapertussis ）に直接結合させる。陽性の場合、結合した抗体は顕微鏡下で光る。特異性が低いため、ポリクローナル抗体による偽陽性が頻繁に発生する。

いくつかの診断検査が利用可能であり、特に酵素結合免疫吸着アッセイ（ELISA）キットが挙げられる。これらは、線状赤血球凝集素（FHA）および/またはIgG、IgA、またはIgMの百日咳毒素に対する抗体を検出するように設計されている。一部のキットは抗原の組み合わせを使用しており、感度が高くなるが、どの抗体が検出されたのかがわからないため、結果の解釈が難しくなる可能性もある。^{[ 49 ]}

診断技術の不備、検査室における菌種間の誤同定、臨床医のミスなどにより、誤診は頻繁に発生する。ボルデテラ 属菌種間の誤診は、抗生物質耐性の可能性をさらに高める。これらの要因から、特異的かつ迅速な方法で全ての菌種を標的とする検査手順の必要性が浮き彫りになる。

• 麻疹ウイルス
• 水痘帯状疱疹ウイルス
• ジフテリア菌
• 破傷風菌

• Bac Dive（細菌多様性メタデータベース）における百日咳菌のタイプ株