医療微生物学

医療微生物学は、医学に応用される微生物学の大きなサブセットであり、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、この科学分野では、健康増進のための微生物のさまざま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の 1 種類があります。

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、コミュニティ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監視、コミュニティの教育、および健康習慣の設計の支援が含まれます。また、伝染病や病気の発生を予防または制御するのに役立つこともあります。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。一部の医療微生物学者は、一般的な非病原性種を研究し、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します。

疫学は、集団の健康状態や病気の状態のパターン、原因、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が、臨床面では主に、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の治療方法に焦点を当てています。この点で、応用科学としてのこの分野全体は、概念的には学術的および臨床的なサブスペシャリティに細分化できますが、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体があり、臨床検査室の最新技術が学術医学と研究室の継続的な改善に依存しているのと同じです。

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使用して細菌やその他の微生物を観察しました。^[3]

1796年、エドワード・ジェンナーは牛痘を利用して天然痘に対する子供の免疫をつけ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使われています。^[4]

これに続いて、1857年にルイ・パスツールは炭疽菌、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と、食品保存のための低温殺菌法も設計しました。^[5]

1867年、ジョセフ・リスターは消毒手術の父とみなされています。希釈した石炭酸で器具を殺菌し、傷口を洗浄することで、術後の感染が減り、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・コッホは感染症について多くの洞察を提供しました。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。彼はこれに基づいて、コッホの原則として知られる一連の基準を開発しました。^[7]

医学微生物学における大きなマイルストーンはグラム染色です。1884年にハンス・クリスチャン・グラムは、細菌を染色して顕微鏡下でより目立たせ、区別しやすくする方法を考案しました。この技術は今日広く使用されています。^[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ベースの化学物質を複数組み合わせてテストしました。エールリッヒは、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なく病原性連鎖球菌やブドウ球菌からマウスを守ることを発見した。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シークエンシング法^[11]は、ワクチン、医療、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年に組み換えDNAを使用して生産された合成インスリンや、1986年にB型肝炎用に作られた最初の遺伝子組み換えワクチンが含まれます。

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配列を決定しました。^[12]数か月後、最初の真核生物ゲノムが完成しました。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することができました。その後、このシステムは二本鎖切断を生成する能力を通じてゲノム編集に役立つことがすぐにわかりました。2019年7月、鎌状赤血球症の患者がCRISPRによる遺伝性疾患の治療を受けた最初の人となりました。^[14]

細菌性

• 連鎖球菌性咽頭炎^[15]
• クラミジア^[16]
• 腸チフス^[17]
• 結核^[18]

バイラル

• ロタウイルス^[19]
• C型肝炎^[20]
• ヒトパピローマウイルス（HPV）^[21]

寄生虫

• マラリア^[18]
• ジアルジアランブリア^[22]
• トキソプラズマ・ゴンディ^[23]

真菌

• カンジダ^[24]
• ヒストプラズマ症^[25]
• フケ^[26]

感染症は細菌、ウイルス、真菌、寄生虫によって引き起こされることがあります。病気を引き起こす病原体は外因性（インフルエンザなど環境、動物、他の人など外部から感染）または内因性（カンジダ症など常在菌叢から感染）の場合があります。^[27]

微生物が体内に侵入する部位を侵入口と呼びます。^{[28]侵入口には}、呼吸器、胃腸管、泌尿生殖器、皮膚、粘膜などがあります。^[29]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。^[28]

病気が個人間で伝染する方法は様々ですが、その中には次のようなものがあります。^[28]

• 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
• 糞口感染- 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
• ベクター伝達- 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に運ぶことで感染を伝播する生物
• 媒介感染- 感染性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、ウイルスはこれらの感染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ウイルスは核内で集合しますが、ほとんどのRNAウイルスは細胞質内でのみ発生します。^{[30] [31]}

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戦略を採用している。これらの形態のウイルス感染では、病気はしばしば体自身の免疫反応によって治療されるため、ウイルスは免疫学的抵抗または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。^{[32]対照的に、}ネコ白血病ウイルスなどの一部の感染性因子は、免疫反応に耐えることができ、個々の宿主内で長期にわたって留まることができ、同時に次の宿主に広がる能力も保持している。^[33]

軽度の病気の感染性因子の特定は、胃腸疾患や皮膚感染症などの臨床症状と同じくらい簡単な場合があります。どの微生物が病気の原因となっている可能性があるかを推測するには、患者が疑わしい微生物にさらされる可能性や、コミュニティ内での微生物株の存在と蔓延などの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、患者の病歴を調べ、身体検査を行うことから始まります。より詳細な識別技術には、微生物培養、顕微鏡検査、生化学検査、遺伝子型判定が含まれます。その他のあまり一般的ではない技術（X線、CATスキャン、PETスキャン、NMRなど）は、感染性因子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。

微生物培養は、実験室で感染症を分離して研究するために使われる主な方法です。組織または体液サンプルを検査して、選択培地または差別培地での増殖によって特定の病原体の存在を判断します。

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。^[34]

• 固体培養: 栄養素、塩、寒天の混合物を使用して固体表面が作成されます。寒天プレート上の単一の微生物は、数千の細胞を含むコロニー (細胞が互いに同一であるクローン) に成長します。これらは主に細菌や真菌の培養に使用されます。
• 液体培養：細胞は液体培地内で培養されます。微生物の増殖は、液体がコロイド懸濁液を形成するのにかかる時間によって決まります。この技術は、寄生虫の診断や結核菌の検出に使用されます。^[35]
• 細胞培養: ヒトまたは動物の細胞培養に、対象の微生物を感染させます。その後、これらの培養を観察し、微生物が細胞に与える影響を判断します。この技術は、ウイルスの特定に使用されます。

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使用されます。複合光学顕微鏡などの機器を使用して、生物の重要な側面を評価することができます。これは、患者からサンプルを採取した直後に実行でき、生化学的染色技術と組み合わせて使用​​することで、細胞の特徴を解明することができます。電子顕微鏡と蛍光顕微鏡も、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。^[36]電子顕微鏡には、走査型電子顕微鏡と透過型電子顕微鏡の 2 つの主な種類があります。透過型電子顕微鏡は、対象の細胞の薄い断面に電子を通過させ、次にその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、および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、細胞の表面で反射された電子を読み取ります。次に、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。両方の技術は、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。これにより、多くの体の部位の診断や生検、衛生、ウイルス学など、多くの医療分野で役立ちます。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を持って治療できるようにします。^[37]

迅速で比較的簡単な生化学検査を使用して、感染性因子を識別できます。細菌の識別では、細菌がその属や種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が一般的に使用されます。前述のように、細菌を選択液体または固体培地で増殖させると、通常、酸、アルコール、ガスがこれらの検査で検出されます。これらの検査を大量に実行するには、自動化された機械が使用されます。これらの機械は、さまざまな脱水化学物質が入った複数のウェルが付いたカードを使用して、複数の生化学検査を同時に実行します。対象の微生物は、特定の方法で各化学物質に反応し、その識別に役立ちます。

血清学的方法は、さまざまな種類の微生物を識別するために使用される、感度が高く、特異的で、多くの場合は極めて迅速な実験室検査です。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（通常は感染性因子によって生成された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、このタイプの検査を細菌以外の生物に使用できます。この結合により、検査に応じて、簡単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技術は、免疫測定として知られています。上記と同様の基礎を使用して、免疫測定は、感染性因子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のいずれかの抗原を検出または測定できます。^[34]

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。^[38]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。^[39]今日では、定量PCRが主に使用されている技術であり、この方法は標準的なPCRアッセイと比較してより高速なデータを提供します。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とプローブを使用して増幅中のDNA分子を検出するため、これは必要ありません。 ^{[40]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汚染のリスク（PCR産物が後続のPCRに持ち越される）も排除されます。^[38] PCR法を用いて微生物を検出し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、すでに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、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。^{[39]この技術は、}エイズや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です。

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オプションを評価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します。細菌感染症は抗菌薬（抗生物質と呼ばれることが多い）で治療し、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します。抗寄生虫薬として知られる幅広いクラスの薬が寄生虫性疾患の治療に使用されます。

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。

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、一部の薬剤は特定の属または種の生物に特異的で、他の生物には効きません。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、特定の薬剤または薬剤クラスが通常はその種に有効であっても、生物の株は耐性を示す場合があります。耐性株と呼ばれるこれらの株は、抗生物質耐性の拡大が悪化するにつれて、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、毎年何百万人もの死者を出しています。^[41]

薬剤耐性は、通常、微生物が化学的に抗菌薬を不活性化するか、細胞が機械的に薬剤の取り込みを阻止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生じることもあります。一部の細菌は、カテーテルやプロテーゼなどのインプラント機器の表面に付着してバイオフィルムを形成し、他の細胞が付着するための細胞外マトリックスを作り出します。^[42]これにより、細菌が分散して宿主の他の部分に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。^[43]

ファージ療法は抗生物質より前に発見された技術ですが、抗生物質が主流になると忘れ去られました。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、特定の細菌を標的とし、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、細菌は自身の生産を停止してより多くのファージを作ります。これは、細菌が自分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、微生物叢を殺さず、抗生物質アレルギーを持つ人々を助けることができます。欠点は、特定の細菌を識別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の体系は現在ありません。細菌は、CRISPR / Cas9システムなどのシステムを通じて、最終的に耐性になることもあります。しかし、多くの臨床試験は有望であり、抗菌薬耐性の問題に役立つ可能性があることを示しています。抗生物質と併用することで累積的な効果を得ることもできます。^[44]

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わかっています。アレクサンダー・フレミングのペニシリンの発見や、細菌属ストレプトマイセスから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できます。^{[45]微生物は抗生物質の供給源であるだけでなく、一部の微生物は}プロバイオティクスとして作用し、胃腸の健康を改善したり病原体を抑制したりするなど、宿主に健康上の利益をもたらすこともあります。^[46]