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医用微生物学は、微生物学の大きなサブセットであり、医学に応用される分野です。感染症の予防、診断、治療に関わる医学の一分野です。さらに、この分野では、健康増進のための微生物の様々な臨床応用についても研究しています。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1種類あります。
医療微生物学者は、病原体の特性、その伝播様式、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で臨床/医療微生物学者としての学術的資格を取得するには、一般的に学士号が必要ですが、国によっては微生物学の修士号と生命科学（生化学、微生物学、バイオテクノロジー、遺伝学など）の博士号が必要です。[ 1 ]医療微生物学者は、医師のコンサルタントとして、病原体の特定と治療オプションの提案を行うことがよくあります。この情報を使用して、治療法を考案することができます。その他の業務には、地域社会に対する潜在的な健康リスクの特定、潜在的に毒性のあるまたは耐性のある微生物株の進化の監視、地域社会への教育、および健康慣行の設計の支援などが含まれます。また、病気の流行や発生の予防または制御にも役立つことがあります。すべての医療微生物学者が微生物病理学を研究しているわけではありません。一般的な非病原性種を研究して、その特性が抗生物質やその他の治療法の開発に利用できるかどうかを判断する人もいます。
疫学とは、集団における健康状態や疾病状態のパターン、原因、影響を研究する学問であり、医学微生物学の重要な分野である。ただし、この分野の臨床面は主に、個人における微生物感染の存在と増殖、人体への影響、およびそれらの感染症の治療法に焦点を当てている。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るが、実際には、公衆衛生微生物学と臨床微生物学の間には流動的な連続性があり、臨床検査室の最先端技術は、学術医学と研究室における継続的な改善に依存している。
1676年、アントン・ファン・レーウェンフックは、自ら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子供に天然痘の免疫を与える方法を開発し、成功した。今日でもワクチンの開発には同じ原理が用いられている。[ 4 ]
これに続いて、1857年にルイ・パスツールは炭疽病、鶏コレラ、狂犬病などのいくつかの病気に対するワクチンや、食品保存のための低温殺菌法も考案した。[ 5 ]
1867年、ジョセフ・リスターは消毒外科の父とみなされている。器具を希釈した石炭酸で滅菌し、傷口の洗浄にも使用することで、術後感染症が減少し、手術が患者にとってより安全になった。[ 6 ]
1876年から1884年の間に、ロベルト・コッホは感染症に関する多くの知見を提供しました。彼は純粋培養による細菌の分離に着目した最初の科学者の一人でした。これにより、特定の微生物が特定の病気の原因であるという細菌説が生まれました。彼はこれに関する一連の基準を開発し、それはコッホの原則として知られるようになりました。[ 7 ]
医学微生物学における重要なマイルストーンはグラム染色である。1884年、ハンス・クリスチャン・グラムは、顕微鏡下で細菌をより見やすく、区別しやすくするために細菌を染色する方法を開発した。この技術は今日広く使用されている。[ 8 ]
1910年、ポール・エールリッヒは梅毒に感染したウサギにヒ素系化学物質の複数の組み合わせを試験した。エールリッヒはその後、アルスフェナミンが梅毒スピロヘータに対して有効であることを発見した。アルスフェナミンはその後1910年にサルバルサンとして利用可能になった。[ 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物質の1つであるペニシリンを開発した。[ 10 ]
1939年、ゲルハルト・ドマクは、プロントシルレッドが毒性なくマウスを病原性連鎖球菌とブドウ球菌から守ることを発見した。ドマクは、サルファ剤の発見によりノーベル生理学・医学賞を受賞した。[ 9 ]
1977年にウォルター・ギルバートとフレデリック・サンガーによって開発されたDNAシーケンシング法[ 11 ]は、ワクチン、医療処置、診断法の開発に急速な変化をもたらしました。これらの中には、 1979年に組換えDNAを使用して製造された合成インスリンや、1986年に作成された最初の遺伝子組み換えB型肝炎ワクチンなどがあります。
1995年、ゲノム研究所のチームが最初の細菌ゲノムであるインフルエンザ菌のゲノム配列を解読した。[ 12 ]数か月後、最初の真核生物ゲノムが解読された。これは診断技術にとって非常に貴重なものとなるだろう。[ 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、このシステムは二本鎖切断を生成する能力によりゲノム編集に役立つことがすぐに判明しました。鎌状赤血球症の患者が、2019年7月にCRISPRで遺伝性疾患の治療を受けた最初の人物となりました。[ 14 ]
プリオン- 通常は脳内で発生し、他の正常なタンパク質のミスフォールディングを引き起こすミスフォールディングタンパク質。これらは極めてまれであり、蓄積されたこれらのタンパク質は合併症を引き起こします。[ 27 ]
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る可能性がある。病気を引き起こす病原体は、外因性（環境、動物、または他の人から獲得される、例：インフルエンザ）または内因性（常在菌叢から、例：カンジダ症）である可能性がある。[ 31 ]
微生物が体内に侵入する部位は、侵入口と呼ばれます。[ 32 ]これらには、呼吸器系、消化器系、泌尿生殖器系、皮膚、非経口、輸血、先天性、眼、粘膜が含まれます。[ 33 ] [ 34 ]特定の微生物の侵入口は、通常、その微生物が自然生息地から宿主へどのように移動するかに依存します。[ 32 ]
病気が人から人へと伝染する様々な方法があります。これらには以下が含まれます。[ 32 ]
他の病原体と同様に、ウイルスもこれらの伝播方法を使用して体内に侵入しますが、ウイルスは宿主の実際の細胞にも侵入する必要がある点で異なります。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なければなりません。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依存します。ほとんどのDNAウイルスは核内で組み立てられますが、ほとんどのRNAウイルスは細胞質内でのみ発達します。[ 35 ] [ 36 ]
ウイルスが宿主細胞内で感染、増殖、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ある。例えば、麻疹などの一部の疾患は、一連の宿主に広がる必要があるという戦略を採用している。このようなウイルス感染症では、病気はしばしば身体自身の免疫応答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、新しい宿主に拡散する必要がある。[ 37 ]対照的に、ネコ白血病ウイルスなどの一部の感染性病原体は、免疫応答に耐えることができ、個々の宿主内で長期にわたって生存することができ、同時に次の宿主に広がる能力も保持している。[ 38 ]
病原性とは、生物が宿主に侵入して病気を引き起こす能力を指します。病原性因子は、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、分泌されるもの、膜上に存在するもの、または細胞内（細胞質）に存在するものがあります。細胞質因子は、細菌が代謝的、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。細胞外の脅威では、分泌因子が協力して宿主細胞を破壊します。[ 39 ]
軽度の疾患（胃腸疾患や皮膚感染症など）の場合、感染原因菌の特定は臨床症状から容易に行えることもあります。しかし、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、患者が疑われる病原体に曝露した可能性や、地域社会における当該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、ほぼ常に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あります。その他、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る体内の異常を画像化するために用いられます。
微生物培養は、感染症を分離して研究室で調べるための主要な方法です。組織または体液サンプルを検査し、特定の病原体の存在を確認します。これは、選択培地または鑑別培地での増殖によって判定されます。
テストに使用される主なメディアの種類は次の 3 つです。[ 40 ]
培養技術では、微生物の同定に役立てるために顕微鏡検査がよく用いられます。複合光学顕微鏡などの機器は、生物の重要な側面を評価するために使用できます。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、生化学的染色技術と併用して細胞の特徴を解像することができます。電子顕微鏡や蛍光顕微鏡も、研究のために微生物をより詳細に観察するために使用されます。[ 42 ]電子顕微鏡の主な種類は、走査型電子顕微鏡と透過型電子顕微鏡の2つです。透過型電子顕微鏡は、電子を対象細胞の薄い断面に通過させ、その後、電子を蛍光スクリーンにリダイレクトします。この方法は、細胞の内部、特に細胞壁や細胞膜などの内部構造を観察するのに役立ちます。走査型電子顕微鏡は、細胞の表面から反射された電子を読み取ります。その後、細胞のサイズと外部構造を示す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得るのに役立ちます。これにより、診断や多くの身体部位の生検、衛生、ウイルス学など、多くの医療分野で有用になります。病原体の構造に関する重要な情報を提供し、医師がより多くの知識に基づいて治療することを可能にします。[ 43 ]
迅速かつ比較的簡単な生化学検査を用いて、感染性病原体を特定することができる。細菌の同定においては、その属や種に特有のパターンで炭水化物を発酵させる能力に基づき、代謝特性や酵素特性を利用するのが一般的である。前述のように、細菌を選択培地（液体または固体）で培養すると、これらの検査で酸、アルコール、ガスが検出されることが多い。これらの検査を大量に実施するために、自動化された装置が用いられる。これらの装置は、複数のウェルに異なる脱水化学物質が入ったカードを使用し、複数の生化学検査を同時に行う。目的の微生物はそれぞれの化学物質と特異的に反応し、その同定に役立つ。
血清学的検査法は、さまざまな種類の微生物を同定するために使用される、感度が高く、特異性が高く、多くの場合非常に迅速な検査法です。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作られるタンパク質または炭水化物）は抗体によって結合されるため、このタイプの検査は細菌以外の生物にも使用できます。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事象が開始されます。より複雑な血清学的技術は、免疫測定法として知られています。上記と同様の原理を使用して、免疫測定法は、感染性病原体または感染した宿主が感染に反応して生成するタンパク質のいずれかの抗原を検出または測定できます。[ 40 ]
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る分子技術です。[ 44 ]他の方法と比較して、シーケンスと分析は確定的で信頼性が高く、正確で迅速です。[ 45 ]現在、定量PCRは、この方法が標準的なPCRアッセイよりも高速なデータを提供するため、主要な技術として使用されています。たとえば、従来のPCR技術では、反応終了後に増幅されたDNA分子を可視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とプローブを使用してDNA分子が増幅されている間に検出するため、これは必要ありません。 [ 46 ]さらに、定量PCRは、標準的なPCR手順中に発生する可能性のある汚染のリスク（PCR産物が後続のPCRに持ち越されること）も排除します。[ 44 ] PCRを用いて微生物を検出・研究するもう1つの利点は、新たに発見された感染性微生物や株のDNA配列をデータベースに登録されているものと比較できることであり、これにより、どの生物が感染症を引き起こしているのか、そしてどのような治療法が使えるのかについての理解が深まる。[ 45 ]この技術は、エイズや肝炎などのウイルス感染症を検出するための現在の標準技術である。
感染症が診断され特定されたら、医師と臨床微生物学者が適切な治療法を検討する必要があります。感染症の中には、体の免疫系で対処できるものもありますが、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、真菌感染症とウイルス感染症はそれぞれ抗真菌薬と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種類の薬剤が使用されます。
医療微生物学者は、微生物の株とその抗生物質耐性、感染部位、抗菌薬の潜在的な毒性、および患者の薬物アレルギーに基づいて、患者の主治医に治療に関する推奨事項を提示することが多い。
薬剤は特定の種類の生物（細菌、真菌など）に特異的であることに加えて、特定の属または種の生物に特異的で、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しなければなりません。さらに、生物の株は、その種に対して通常は有効な特定の薬剤または薬剤クラスに対して耐性を持つ場合があります。耐性株と呼ばれるこれらの株は、抗生物質耐性の蔓延が悪化するにつれて医療業界にとって重要性が増している深刻な公衆衛生上の懸念となっています。抗菌薬耐性は、毎年何百万人もの死者を出しているますます深刻な問題です。[ 47 ]
抗生物質に適応すると、抗生物質ではもはや細菌を殺したり、増殖を止めたりすることができなくなります。細菌を除去する選択肢が少なくなるため、これらの細菌感染症の治療は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、および伝達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、自然に耐性のある細菌が生き残り、「スーパーバグ」になります。抗生物質の誤用には、1回または複数回の抗生物質の服用を忘れること、治療を途中で中止すること、または他人の薬を使用することが含まれます。変異した細菌は、薬に対する耐性がますます高まります。[ 48 ]
薬剤耐性は通常、微生物が抗菌薬を化学的に不活性化したり、細胞が機械的に薬剤の取り込みを阻害したりすることによって生じますが、バイオフィルムの形成によって別の形態の薬剤耐性が生じることもあります。一部の細菌は、カテーテルや人工装具などの埋め込み型医療機器の表面に付着し、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することができます。 [ 49 ]これにより、細菌が宿主の他の部分に拡散して感染できる安定した環境が提供されます。さらに、細胞外マトリックスと細菌細胞の密な外層は、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廃れていきました。しかし現在、抗菌薬耐性の増加に対する潜在的な解決策として注目されています。バクテリオファージは、細菌のみに感染するウイルスであり、標的とする細菌を特異的に標的としてゲノムを注入することができます。このプロセスにより、細菌はファージの産生を停止し、細菌が自己溶解してファージを周囲環境に放出するまでこのプロセスが続きます。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はなく、抗生物質アレルギーのある人にも有効です。欠点としては、特定の細菌を特定する必要があるため、時間がかかることが挙げられます。また、現時点では、抗生物質ほどその効果と安全性を裏付ける研究データが蓄積されていません。さらに、細菌はCRISPR/Cas9システムなどのシステムによっ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得られており、抗菌薬耐性問題の解決に役立つ可能性が示されています。また、抗生物質と併用することで累積効果が得られる場合もある。[ 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含まれています。微生物は、感染症と闘い、健康を促進するの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からの新しい抗生物質の開発など、多くの例からもわかるように、微生物から治療法を開発することができます。[ 52 ]微生物は抗生物質の供給源であるだけでなく、宿主に健康上の利益をもたらすプロバイオティクスとして作用するものもあり、例えば、胃腸の健康を改善したり、病原菌を抑制したりします。[ 53 ]