病原体

生物学において、病原体（ギリシャ語：πάθος、pathos「苦しみ」、「情熱」、-γενής、-genēs「生産者」）とは、最も古く広い意味では、病気を引き起こす可能性のあるあらゆる生物または因子のことである。病原体は感染因子、または単に細菌と呼ばれることもある。^[1]

病原体という用語は1880年代に使われるようになりました。^{[2] [3]}通常、病原体という用語は、ウイルス、細菌、原生動物、プリオン、ウイロイド、真菌などの感染性 微生物または病原体を表すために使用されます。^{[4] [5] [6]}蠕虫や昆虫などの小動物も病気を引き起こしたり伝染させたりすることがあります。ただし、これらの動物は通常、病原体ではなく寄生虫と呼ばれます。 ^{[7]病原性微生物を含む微生物の科学的研究は}微生物学と呼ばれ、寄生虫学は寄生虫とそれらを宿主とする生物の科学的研究を指します。

病原体が宿主に侵入する経路はいくつかあります。主な経路はそれぞれ異なる時間枠で発生しますが、土壌は病原体を最も長期間、または最も持続的に潜ませる可能性があります。

感染性因子によって引き起こされる人間の病気は、病原性疾患として知られています。汚染物質である石炭粉塵にさらされることによる黒色肺、鎌状赤血球症などの遺伝性疾患、狼瘡などの自己免疫疾患など、すべての病気が病原体によって引き起こされるわけではありません。

病原性は、病原体の潜在的な疾患誘発能力であり、感染性（病原体が宿主に感染する能力）と毒性（宿主疾患の重症度）の組み合わせを含む。コッホの原則は、微生物病原体と疾患の因果関係を確立するために使用される。髄膜炎は、さまざまな細菌、ウイルス、真菌、寄生虫病原体によって引き起こされる可能性があるが、コレラはコレラ菌の特定の株によってのみ引き起こされる。さらに、一部の病原体は、免疫不全の宿主にのみ疾患を引き起こす可能性がある。これらの日和見感染は、すでに別の病気と闘っている患者の院内感染を伴うことが多い。^[8]

感染には、感染者の体液や空気中の飛沫との直接接触、汚染された場所や物品との間接接触、蚊やダニなどの生きた媒介動物による感染などによる病原体の伝播が含まれる。感染症の基本再生産数とは、感染によって引き起こされる可能性のあるその後の症例数の予測値である。^[9]

毒性とは、病原体が生存のために宿主の栄養分を抽出し、微生物毒素を産生して宿主の免疫系を回避し、免疫抑制を引き起こすことです。最適な毒性とは、病原体が他の宿主に拡散して資源を寄生させながら、毒性を下げて宿主を生かして子孫に垂直感染させるという理論上の均衡を指します。 ^[10]

藻類は単細胞の真核生物で、一般的には病原性はありません。プロトテカ属の緑藻はクロロフィルを欠いており、ヒト、犬、猫、牛にプロトテコシスという病気を引き起こすことが知られており、典型的には土壌に生息する種であるプロトテカ・ウィッカーハミが関与しています。^{[11] [12] [13]}

細菌は単細胞の原核生物で、大きさは0.15～700μMです。^[14]大半は無害か、消化を助けるヒトの腸内微生物叢のメンバーのように宿主に有益なものですが、少数は病原性があり感染症を引き起こします。細菌の毒性因子には、宿主細胞に付着するための接着因子、宿主細胞への侵入をサポートする侵入因子、オプソニン化と貪食を防ぐカプセル、毒素、鉄を獲得するためのシデロフォアなどがあります。^[15]

結核は主に結核菌によって引き起こされる細菌性疾患であり、最も高い疾病負担を抱える疾患の一つであり、2021年には主にアフリカと東南アジアで160万人が死亡している。^{[16] 細菌}性肺炎は主に肺炎球菌、黄色ブドウ球菌、肺炎桿菌、インフルエンザ菌によって引き起こされる。 [17]食中毒には、通常、カンピロバクター、ウェルシュ菌、大腸菌、リステリア菌、サルモネラ菌が関与する。^[18]病原菌によって引き起こされるその他の感染症には、破傷風、腸チフス、ジフテリア、ハンセン病などがある。^[15]

真菌は病原体として機能する真核生物です。カンジダ症の最も一般的な原因であるカンジダ・アルビカンスや、重篤な髄膜炎を引き起こすクリプトコッカス・ネオフォルマンスなど、ヒトに病原性のある真菌は約300種知られています。^[19]典型的な真菌胞子の長さは4.7μm以下です。^[20]

プリオンは誤って折り畳まれたタンパク質であり、核酸を使用せずに異常な折り畳みパターンをタンパク質の他のコピーに伝達します。プリオンを他人から受け取ることに加えて、これらの誤って折り畳まれたタンパク質は、家族歴または散発的な突然変異による遺伝的差異によって発生します。^[21]植物は汚染された土壌からプリオンを取り込み、茎と葉に運び、プリオンを草食動物に感染させる可能性があります。^[22]さらに、木材、岩、プラスチック、ガラス、セメント、ステンレス鋼、アルミニウムはプリオンを結合、保持、放出することが示されており、タンパク質が環境による劣化に抵抗することを示しています。^[23]

プリオンは、クロイツフェルト・ヤコブ病（CJD）、変異型クロイツフェルト・ヤコブ病（vCJD）、ゲルストマン・シュトロイスラー・シャインカー症候群（GSS）、致死性家族性不眠症（FFI）、クールー病などの伝染性海綿状脳症（TSE）を引き起こすことで最もよく知られています。^[24]

プリオンは一般的にタンパク質アミロイド繊維を神経変性プラークに蓄積させる病原体と考えられていますが、スーザン・リンドクイストは酵母がプリオンを利用して進化的に有益な形質を伝達することを示す研究を主導しました。^[25]

ウイロイドは、ウィルスイドやウイルスと混同しないように注意すべきで、知られている感染性病原体の中で最も小さいものです。ウイロイドは、ジャガイモの紡錘形塊茎ウイロイドなど、植物病を引き起こすことが知られている小さな一本鎖の環状RNAです。ウイロイドRNAはタンパク質の殻で保護されておらず、タンパク質をコードしておらず、他の生化学反応を触媒するリボザイムとしてのみ機能します。 ^[26]

ウイルスの直径は一般に 20～200 nm です。^[27]ウイルスは生存と複製のために、自身のゲノムを宿主細胞に注入し、それらの遺伝子を宿主ゲノムに挿入し、宿主の機構を乗っ取って何百もの新しいウイルスを生成し、細胞が破裂してそれらを放出してさらなる感染を引き起こします。溶菌サイクルは、宿主を急速に殺すこの活動状態を表し、溶原性サイクルは、宿主ゲノムに組み込まれたまま数百年も休眠状態にあることを表します。^[28]国際ウイルス分類委員会(ICTV)によって組織された分類法と並んで、ボルチモア分類は、 mRNA生成の 7 つのクラスによってウイルスを分類します。^[29]

• I: dsDNAウイルス（例：アデノウイルス、ヘルペスウイルス、ポックスウイルス）は、ヘルペス、水痘、天然痘を引き起こす。
• II: ssDNAウイルス（+鎖または「センス」）DNA（例：パルボウイルス）にはパルボウイルスB19が含まれる
• III: dsRNAウイルス（例：レオウイルス）にはロタウイルスが含まれる
• IV: (+)ssRNAウイルス（+鎖またはセンス）RNA（例：コロナウイルス、ピコルナウイルス、トガウイルス）は、COVID-19、デング熱、A型肝炎、C型肝炎、風疹、黄熱病を引き起こす。
• V: (−)ssRNAウイルス（−鎖またはアンチセンス）RNA（例：オルトミクソウイルスおよびラブドウイルス）は、エボラ、インフルエンザ、麻疹、おたふく風邪、狂犬病を引き起こす。
• VI: ssRNA-RTウイルス（+鎖またはセンス）ライフサイクル中のDNA中間体を含むRNA（例：レトロウイルス）がHIV/AIDSを引き起こす
• VII: dsDNA-RTウイルス ライフサイクル中にRNA中間体を持つDNA（例：ヘパドナウイルス）はB型肝炎を引き起こす

原生動物は微生物や有機組織を食べる単細胞の真核生物です。多くの原生動物は病原性寄生虫として働き、マラリア、アメーバ症、ジアルジア症、トキソプラズマ症、クリプトスポリジウム症、トリコモナス症、シャーガス病、リーシュマニア症、アフリカ睡眠病、アカンサメーバ角膜炎、原発性アメーバ性髄膜脳炎（ネグレリア症）などの病気を引き起こします。^[30]

寄生虫（蠕虫）は肉眼で確認できるマクロ寄生虫です。蠕虫は宿主の体内で生活し、消化管や血流から栄養分や隠れ場所を得ます。また、免疫調節物質を分泌して宿主の免疫系を操作し、宿主の体内で何年も生き続けます。^[31] 蠕虫症は、回虫、条虫、扁形動物などの寄生虫感染症の総称です。^[32]

細菌は一般的に病原体とみなされているが、バクテリオファージウイルス（一般にファージと呼ばれる）の宿主として機能している。バクテリオファージのライフサイクルでは、ウイルスが細菌細胞にゲノムを注入し、その遺伝子を細菌ゲノムに挿入し、細菌の機構を乗っ取って何百もの新しいファージを生成し、細胞が破裂してそれらを放出してさらなる感染を引き起こす。通常、バクテリオファージは特定の種または株にのみ感染することができる。^[33]

化膿連鎖球菌は、バクテリオファージに関連するCRISPR（Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats）に一致する外来DNAをCas9 ヌクレアーゼで切断し、ウイルス遺伝子を除去して感染を回避します。このメカニズムは、人工的なCRISPR遺伝子編集のために改良されています。 ^[34]

植物は、ウイルス、細菌、真菌、線虫、さらには他の植物を含む、幅広い種類の病原体の宿主となる可能性があります。^[35]注目すべき植物ウイルスには、ハワイと東南アジアの農家に数百万ドルの損害をもたらしたパパイヤリングスポットウイルス^[36]や、科学者マルティヌス・ベイエリンクが1898年に「ウイルス」という用語を作ったタバコモザイクウイルスなどがあります。 ^[37]細菌性植物病原体は、多くの植物種に斑点、枯死、腐敗を引き起こします。 [38]植物にとって最も一般的な細菌性病原体は、ジャガイモ、トマト、バナナの葉の褐変やその他の問題を引き起こすPseudomonas syringaeとRalstonia solanacearumです。^[38]

真菌は植物にとってもう一つの主要な病原体です。植物の背丈を低くしたり、幹に腫瘍や穴があいたり、根や種子が腐ったり、葉に斑点ができたりと、さまざまな問題を引き起こします。^[39]一般的な深刻な植物真菌には、イネいもち病、オランダニレ病、クリ疫病、サクランボ、プラム、モモの黒結節病や褐色腐朽病などがあります。病原菌だけでも、作物の収穫量が最大65%減少すると推定されています。^[38]

全体的に、植物にはさまざまな病原体が存在し、植物病原体によって引き起こされる病気のうち管理可能なものはわずか3％であると推定されています。^[38]

動物は、プリオン、ウイルス、細菌、真菌など、人間と同じまたは類似の病原体に感染することがよくあります。野生動物は病気になることが多いですが、より大きな危険は家畜動物にあります。農村部では、家畜の死亡の90％以上が病原体に起因すると推定されています。^{[40] [41]}プリオンが関与する動物伝染性海綿状脳症（TSE）には、牛海綿状脳症（狂牛病）、慢性消耗病、スクレイピー、伝染性ミンク脳症、ネコ海綿状脳症、有蹄類海綿状脳症などがあります。^{[24] [42]その他の動物疾患には、} BIVやFIVなど、ヒト免疫不全ウイルス（HIV）に関連するウイルスによって引き起こされるさまざまな免疫不全疾患があります。^[43]

人間はプリオン、ウイルス、細菌、真菌など多くの種類の病原体に感染する可能性があり、くしゃみ、咳、発熱、嘔吐、致命的な臓器不全などの症状を引き起こします。一部の症状は病原体感染によって引き起こされますが、他の症状は病原体細胞を変性させるための高熱など、免疫システムが病原体を殺そうとする努力によって引き起こされます。^[4]

多くの試みにもかかわらず、プリオン病の進行を止める治療法は見つかっていない。^[44]

一部のウイルス病原体には、さまざまな予防法や治療法があります。ワクチンは、さまざまなウイルス病原体に対する一般的で効果的な予防法の1つです。^[45]ワクチンは宿主の免疫系を準備するため、潜在的な宿主が野生でウイルスに遭遇した場合、免疫系は感染を素早く防御できます。ウイルスに対するワクチンには、毎年のインフルエンザワクチンや、麻疹、おたふく風邪、風疹に対する2回接種のMMRワクチンがあります。^[46] HIV / AIDS、デング熱、チクングニア熱の原因となるウイルスに対するワクチンはありません。^[47]

ウイルス感染症の治療では、ウイルス病原体そのものに対抗する薬を投与するのではなく、感染の症状を治療することが多い。^{[48] [49]}ウイルス感染症の症状を治療することで、宿主の免疫系にウイルス病原体に対する抗体を生成する時間を与える。しかし、HIVの場合、免疫細胞が失われてウイルス性疾患がエイズに進行するのを防ぐために、高活性抗レトロウイルス療法（HAART）が行われる。^[50]

ウイルス性病原体と同様に、特定の細菌性病原体による感染はワクチンによって予防できる。^[46]細菌性病原体に対するワクチンには、炭疽菌ワクチンや肺炎球菌ワクチンなどがある。他の多くの細菌性病原体には予防策としてのワクチンがないが、これらの細菌による感染は抗生物質で治療または予防できることが多い。一般的な抗生物質には、アモキシシリン、シプロフロキサシン、ドキシサイクリンなどがある。抗生物質ごとに有効な細菌が異なり、その細菌を殺すメカニズムも異なる。例えば、ドキシサイクリンはグラム陰性細菌とグラム陽性細菌の両方で新しいタンパク質の合成を阻害するため、ほとんどの細菌種を殺すことができる広域スペクトルの抗生物質となっている。 ^[51]

抗生物質の誤った使用、例えば処方箋の途中で中止され、細菌が致死量以下の量で進化圧力にさらされるなどにより、一部の細菌性病原体は抗生物質耐性を獲得した。^{[52]例えば、} MRSAと呼ばれる遺伝的に異なる黄色ブドウ球菌株は、一般的に処方されるベータラクタム系抗生物質に耐性がある。米国疾病管理予防センター（CDC）の2013年の報告書によると、米国では毎年少なくとも200万人が抗生物質耐性細菌感染症にかかり、そのうち少なくとも23,000人の患者が感染症で死亡していると推定されている。^[53]

細菌と戦うために不可欠なため、新しい抗生物質が医療に必要とされています。新しい抗菌薬のターゲットの1つは、DNAメチルトランスフェラーゼを阻害することです。これらのタンパク質は、毒性因子をコードする遺伝子などの他の遺伝子の発現レベルを制御するためです。^{[54] [55]}

真菌性病原体による感染症は抗真菌薬で治療します。水虫、いんきんたむし、白癬は真菌性皮膚感染症で、クロトリマゾールなどの局所抗真菌薬で治療します。^[56]酵母菌種カンジダアルビカンスによる感染症は、口腔カンジダ症や膣真菌感染症を引き起こします。これらの内部感染症は、抗真菌クリームまたは経口薬で治療できます。内部感染症によく使われる抗真菌薬には、エキノキャンディン系薬剤やフルコナゾールがあります。^[57]

藻類は一般的に病原体とは考えられていないが、プロトテカ属はヒトに病気を引き起こす。^{[58] [13]}プロトテカ症の治療法は現在研究中であり、臨床治療に一貫性はない。^[13]

多くの病原体は性的相互作用が可能である。病原細菌の間では、遺伝子形質転換のプロセスによって同種の細胞間で性的相互作用が起こる。形質転換には、ドナー細胞からレシピエント細胞へのDNAの転移と、遺伝子組み換えによるドナーDNAのレシピエントゲノムへの統合が含まれる。細菌性病原体であるヘリコバクター・ピロリ、インフルエンザ菌、レジオネラ・ニューモフィラ、淋菌、肺炎球菌は、追加特性や宿主免疫細胞の回避のためにゲノムを改変する形質転換を頻繁に受ける。^[59]

真核生物の病原体は、減数分裂と受精を伴うプロセスによって、しばしば性的な相互作用を行うことができる。減数分裂は、相同染色体の密接な対合とそれらの間の組み換えを伴う。性的な相互作用が可能な真核生物の病原体の例としては、原生動物の寄生虫である熱帯熱マラリア原虫 、トキソプラズマ・ゴンディ、トリパノソーマ・ブルーセイ、ジアルジア・インテスティナリス、真菌であるアスペルギルス・フミガーツス、カンジダ・アルビカンス、クリプトコッカス・ネオフォルマンスなどがある。^[59]

ウイルスは、2つ以上のウイルスゲノムが同じ宿主細胞に入ると、性的相互作用を起こすこともあります。このプロセスには、相同ゲノムのペアリングと、多重性再活性化と呼ばれるプロセスによるそれらの組換えが含まれます。単純ヘルペスウイルス、ヒト免疫不全ウイルス、およびワクシニアウイルスは、この形態の性的相互作用を起こします。^[59]

相同ゲノム間の性的組み換えのこれらのプロセスは、環境ストレスや宿主の免疫システムによって引き起こされる遺伝的損傷の修復をサポートします。^[60]

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