Streptococcus i witamina D3

Gatunki bakterii Streptococcus są częstą przyczyną infekcji u ludzi. Te Gram-dodatnie patogeny bakteryjne infekują różne przestrzenie anatomiczne, prowadząc do infekcji, w tym infekcji skóry i tkanek miękkich, zapalenia wsierdzia, zapalenia płuc, zapalenia opon mózgowo-rdzeniowych, zapalenia zatok, zapalenia ucha środkowego, zapalenia błon płodowych, posocznicy, a nawet śmierci. Są "wyzwalaczem" zespołu PANDAS u dzieci. Ryzyko zakażenia paciorkowcami wzrasta jeśli w organizmie jest niedobór mikroelementów. Dane epidemiologiczne ujawniają, że niedobór witaminy D3 wiąże się ze zwiększonym ryzykiem zakażenia paciorkowcami i powikłaniami tego zakażenia. Dodatkowo witamina D3 poprawia obronę antybakteryjną poprzez stymulację wrodzonych procesów odpornościowych, takich jak fagocytoza i zwiększenie produkcji reaktywnych form tlenu (wybuch oksydacyjny) i peptydów przeciwdrobnoustrojowych (w tym katelicydyny i laktoferyny), które są ważne dla skutecznego zabijania bakterii. W niniejszym przeglądzie przedstawiono ostatnio opublikowaną pracę badającą interakcje pomiędzy mikroelementem – witaminą D3, układem odpornościowym gospodarza i patogennymi paciorkowcami, a także porównania z innymi modelami infekcji.

 

WITAMINA D3

Witamina D3 reguluje homeostazę wapnia i fosforu w różnych organizmach oraz utrzymuje szkielet u kręgowców. Pozaszkieletowe funkcje witaminy D3 stały się oczywiste, gdy badania wykazały, że witamina D3 ma wpływ na proliferację, różnicowanie i regulację komórek układu odpornościowego. Badania nad niedoborem witaminy D3 i jej suplementacją wykazały jej ochronną rolę przed nadciśnieniem, infekcjami, chorobami autoimmunologicznymi, chorobami układu krążenia, cukrzycą i niektórymi nowotworami, oprócz jej działania przeciw krzywicy.

Rodzaj Streptococcus zawiera zarówno bakterie komensalne, które wchodzą w skład ludzkiej mikroflory niemal w każdej części ludzkiego ciała, jak i kilka ważnych ludzkich patogenów. Poszczególne gatunki tego rodzaju są zdolne do wywoływania inwazyjnych infekcji na każdym etapie życia człowieka, od okresu okołoporodowego do zaawansowanego wieku. W różnych grupach wiekowych gatunki paciorkowców powodują różne infekcje, od infekcji skóry i tkanek miękkich po zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych i zapalenie wsierdzia.

Niedobór witaminy D3 jest dość powszechny, a wcześniejsze badania sugerowały związek pomiędzy częstotliwością i ciężkością infekcji paciorkowcami u osób z niedoborem witaminy D3.

 

PACIORKOWIEC

Rodzaj Streptococcus to zróżnicowana grupa otoczkowych bakterii Gram-dodatnich, katalazoujemnych, które wykazują morfologię okrągłą lub ziarniakową, łańcuchową lub ułożoną diploidalnie. Rodzaj jest dalej podzielony na 49 gatunków, z których wiele występuje jako część normalnej ludzkiej mikroflory kolonizującej drogi oddechowe, żołądkowo-jelitowe i moczowo-płciowe. Trzydzieści pięć z tych gatunków powiązano z różnymi infekcjami u ludzi, od ograniczonych infekcji skóry/tkanek miękkich po infekcje inwazyjne, takie jak zapalenie wsierdzia i zapalenie opon mózgowo-rdzeniowych. Cztery z tych gatunków powodują większość infekcji u ludzi: Streptococcus grupy A (w tym Streptococcus pyogenes), Streptococcus grupy B (w tym Streptococcus agalactiae), paciorkowce jamy ustnej (w tym Streptococcus mutans) i Streptococcus pneumoniae (powszechnie zwane pneumokokami).

 

Streptococcus grupy A.

Streptococcus grupy A (GAS) wywołuje u ludzi choroby od łagodnych infekcji, takich jak zapalenie gardła i liszajec, po infekcje zagrażające życiu, w tym martwicze zapalenie powięzi i paciorkowcowy zespół wstrząsu toksycznego, które powodują rozległe ogólnoustrojowe rozszerzenie naczyń i/lub perfuzję ważnych narządów. Na całym świecie GAS powoduje choroby aż do 7 milionów ludzi rocznie, a większość przypadków (6 milionów) objawia się zapaleniem gardła, powszechnie określanym jako „angina paciorkowcowa”. Powtarzające się zakażenia GAS mogą wywołać poważne następstwa immunologiczne, w tym ostre kłębuszkowe zapalenie nerek i reumatyczne choroby serca, a także zespół PANDAS. W raporcie Światowej Organizacji Zdrowia oszacowano, że GAS jest dziewiątą najczęstszą zakaźną przyczyną śmiertelności ludzi.

 

Streptococcus grupy B.

Streptococcus agalactiae lub Streptococcus grupy B (GBS) jest częstą przyczyną infekcji okołoporodowych, ale zakaża także pacjentki w podeszłym wieku lub osoby z chorobami współistniejącymi, takimi jak cukrzyca. GBS stanowi szczególnie duże obciążenie zdrowotne dla matek i noworodków w krajach rozwijających się, ze szacunkowo 21,7 milionów ciężarnych matek skolonizowanych GBS w 2015 r. Kolonizacja pochwy GBS zwiększa częstość występowania infekcji okołoporodowych, w tym zapalenia błon płodowych, grzybicy, posocznicy noworodkowej, zapalenia sutka, a także zwiększa ryzyko przedwczesnego porodu spowodowanego infekcją. Zakażenie GBS objawia się głównie infekcjami tkanek miękkich, chociaż mogą wystąpić inne powikłania. Badanie epidemiologiczne przeprowadzone w USA w latach 2008–2016 wykazało rosnącą częstość występowania inwazyjnego zakażenia GBS u pacjentek niebędących w ciąży, a u większości pacjentek występowała co najmniej jedna choroba podstawowa, do której często zaliczano otyłość, cukrzycę i starszy wiek.

 

Streptococci w jamie ustnej (w tym Streptococcus mutans).

Paciorkowce są gatunkami dominującymi w jamie ustnej i górnych drogach oddechowych, a wiele z tych gatunków paciorkowców jamy ustnej zostało historycznie sklasyfikowanych jako „Streptococcus viridans”, ponieważ wiele z nich wykazuje jedynie częściową hemolizę w hodowli na agarze z krwią. Grupę tę rozdzielono dalej na podstawie właściwości biochemicznych, a obecnie podejścia filogenetycznego. Pomimo tego, że paciorkowce jamy ustnej stanowią część normalnej mikroflory komensalnej, mogą powodować choroby u ludzi, od próchnicy zębów po choroby inwazyjne, takie jak bakteriemia lub zapalenie wsierdzia. S. mutans, pospolity gatunek bytujący w jamie ustnej, jest najbardziej znany z wywoływania próchnicy zębów u ludzi. S mutans przystosował się do bycia komensalnym członkiem mikroflory jamy ustnej, gdzie organizm ten jest składnikiem biofilmu jamy ustnej obecnym na zębach i jest głównym inicjatorem powstawania płytki nazębnej oraz silnym producentem kwasu, co prowadzi do zaostrzenia próchnicy zębów i chorób jamy ustnej. S mutans może kolonizować uszkodzone zastawki serca i powodować zapalenie wsierdzia, ponieważ łatwo przedostaje się do krwiobiegu podczas zabiegów stomatologicznych. Próchnica zębów jest najczęstszą i najbardziej kosztowną chorobą jamy ustnej na świecie.

 

Streptococcus pneumoniae.

Streptococcus pneumoniae, określany również jako pneumokok, powoduje do 4 milionów przypadków chorób w Stanach Zjednoczonych i 450 000 hospitalizacji rocznie. Zakażenia te wiążą się z dużą śmiertelnością, ponieważ badania wskazują, że 10% pacjentów z inwazyjną chorobą pneumokokową umiera z powodu inwazyjnej choroby pneumokokowej. Podczas gdy S. pneumoniae kolonizuje w sposób komensalny gardło i górne drogi oddechowe zdrowych ludzi, inwazyjna infekcja pneumokokowa może rozwinąć się w różnych miejscach, w tym w miąższu płuc i oponach mózgowych. W zależności od lokalizacji, S. pneumoniae można izolować z około 5–90% zdrowej populacji ludzkiej. S. pneumoniae jest powszechnie powiązana z infekcjami dróg oddechowych u osób z obniżoną odpornością oraz jest główną przyczyną pozaszpitalnego zapalenia płuc, ważną przyczyną bakteriemii u niemowląt i dzieci oraz starszych dorosłych.

 

BIOSYNTEZA WITAMINY D3

Witamina D3 jest niezbędnym składnikiem odżywczym, który może być biosyntezowany lub wchłaniany poprzez spożycie z dietą. Biosynteza witaminy D3 rozpoczyna się od prekursora cholesterolu 7-dehydrocholesterolu, który występuje w warstwie naskórka skóry (ryc. 1). Kiedy naskórek jest wystawiony na działanie promieniowania ultrafioletowego B (UVB), 7-dehydrocholesterol strukturalnie ulega fotochemicznemu otwarciu pierścienia, w wyniku czego powstaje pośrednia prewitamina D3. W dolnych warstwach skóry prewitamina D3 ulega izomeryzacji termicznej, w wyniku czego powstaje witamina D3 (cholekalcyferol). Witamina D3 przemieszcza się po organizmie za pośrednictwem białek wiążących witaminę D (DBP). Następnie enzymy 25-hydroksylazy w wątrobie, w szczególności CYP2R1 i CYP27A1, katalizują utlenianie witaminy D3 do 25-hydroksycholekalcyferolu (25(OH)D). 25(OH)D jest główną formą magazynowania witaminy D w organizmie. W nerkach 25(OH)D jest utleniany przez CYP27B1 z wytworzeniem 1,25-dihydroksycholekalcyferolu (1,25(OH)2D3), substancji czynnej o postaci hormonu witaminy D. Kataliza do 1,25(OH)2D3 jest ściśle kontrolowana przez wapń, fosforan i czynnik wzrostu fibroblastów 23 (FGF23) w mechanizmie kontroli z ujemnym sprzężeniem zwrotnym regulującym homeostazę wapnia. Jako taka, aktywna forma witaminy D (1,25(OH)2D3) pomaga w utrzymaniu poziomu wapnia w surowicy w połączeniu z parathormonem. Dodatkowo 1,25(OH)2D3 zwiększa wchłanianie wapnia w jelitach i wspomaga mineralizację szkieletu.

Oprócz biosyntezy witamina D3 wchłania się w przewodzie pokarmowym po spożyciu pokarmów takich jak tłuste ryby (łosoś, sardynki i makrela) czy żółtka jaj. Dla porównania witamina D2 (ergokalcyferol) pochodzenia roślinnego, która jest często dodawana do produktów odżywczych i sprzedawana jako metabolicznie analogiczna do witaminy D3. Jednakże badania sugerują, że suplementacja witaminą D2 nie jest tak skuteczna w zwiększaniu stężenia 25(OH)D w surowicy, a suplementacja witaminą D3 pozostaje najlepszym źródłem witaminy D w diecie.

 

WITAMINA D I JEJ DZIAŁANIE IMMUNOMODULUJĄCE

Wrodzona odporność i witamina D.

Badania ostatnich lat wykazały, że aktywna postać witaminy D, 1,25-dihydroksywitaminy D (1,25(OH)2D), ma nie tylko kluczowe znaczenie dla homeostazy wapnia i kości, ale także moduluje wrodzoną odporność. 1, 25(OH)2D tłumi prozapalne cytokiny i chemokiny in vitro w odpowiedzi na czynniki zapalne i/lub infekcyjne. Oprócz działania przeciwzapalnego, 1,25(OH)2D stymuluje fagocytozę i wzmaga produkcję reaktywnych form tlenu (wybuch oksydacyjny - może stąd wiele dzieci odczuwa czasem negatywne efekty jej stosowania) i uwalnianie peptydów przeciwdrobnoustrojowych (w tym katelicydyny i laktoferyny), pomagając w ten sposób wrodzonym komórkom odpornościowym w skutecznym zabijaniu atakujących bakterii.

Witamina D ma szereg właściwości immunomodulacyjnych przeciwko gatunkom Streptococcus, zarówno w odporności wrodzonej, jak i nabytej. W ludzkich neutrofilach witamina D zwiększa ekspresję receptorów rozpoznawania wzorców w odpowiedzi na stymulację S. pneumoniae, szczególnie TLR2 i NOD2. Ponadto witamina D nasila wydzielanie peptydów przeciwdrobnoustrojowych, indukując jednocześnie program przeciwzapalny. Rodzi to możliwość, że witamina D może usprawnić zabijanie pneumokoków poprzez neutrofile, jednocześnie ograniczając nieuzasadniony stan zapalny. Witamina D wpływa również na aktywację komórek dendrytycznych (DC), stanowiących pomost do odporności nabytej , w odpowiedzi na antygeny pneumokoków.

Witamina D (1,25(OH)2D3) zmniejsza stan zapalny w mysim modelu stwardnienia rozsianego, dzięki czemu objawy eksperymentalnego autoimmunologicznego zapalenia mózgu i rdzenia znacznie ustępują. Li i in. wykazali, że stosowanie witaminy D3 jako terapii zapobiegawczej lub leczenia po chorobie hamuje ekspresję w rdzeniu kręgowym endosomalnego receptora Toll-podobnego, TLR8, o którym wiadomo, że znajduje się powyżej ekspresji cytokin zapalnych. Co ważne, te wyniki sugerują, że szlak TLR8 jest celem 1,25(OH)2D3 i że TLR8 może odgrywać rolę w przeciwzapalnym działaniu witaminy D. Jest to prawdopodobnie ważne w kontekście infekcji paciorkowcami, ponieważ TLR8 uważa się za krytyczny czujnik bakteryjnego RNA w ludzkich komórkach monocytów i, jak wykazano, ułatwia rozpoznawanie przez gospodarza S. pyogenes, S. pneumoniae i S. agalactiae.

Podczas gdy IL-17-zależna odpowiedź komórek pomocniczych T CD4 (Th17) jest związana z infekcją paciorkowcami, stymulacja witaminą D hamuje programowanie Th17. Jeśli chodzi o odpowiedź humoralną, u osób chorych na astmę poziom 25-hydroksywitaminy D (25[OH]D) w surowicy korelował dodatnio z przeciwciałami przeciw pneumokokom, ale korelacja ta była znacznie słabsza u osób nie cierpiących na astmę.

 

WITAMINA D MA DZIAŁANIE ANTYBAKTERYJNE I ZAPOBIEGA TWORZENIU BIOFILMÓW

Badania in vitro wykazały, że witamina D3 wykazuje silne hamowanie wzrostu Streptococcus pyogenes, Klebsiella pneumoniae i Escherichia coli.

Aktywność przeciwdrobnoustrojowa witaminy D nie ogranicza się do gatunku Streptococcus. Wczesne doniesienia wykazały, że suplementacja witaminą D ma silne działanie przeciwbakteryjne przeciwko infekcjom Mycobacterium tuberculosis in vivo. Ekspresja genów receptora witaminy D i hydroksylazy witaminy D-1 poprzez aktywację TLR prowadzi do indukcji peptydu przeciwdrobnoustrojowego katelicydyny. Wykazano, że liczba prątków gruźlicy zmniejsza się w ciągu dni lub tygodni, gdy do kultur M. tuberculosis dodano miejscowo witaminę D zarówno w oleju, jak i glikolu propylenowym. Ponadto M. tuberculosis nie mógł rosnąć na podłożach wzbogaconych witaminą D. Co ciekawe, olej z ryb dorsza (główne źródło witaminy D) był stosowany w Europie w XVIII wieku w leczeniu gruźlicy, na długo przed poznaniem jego działania bakteriobójczego.

Wykazano, że witamina D hamuje wzrost i ekspresję czynników zjadliwości patogenu zębów Porphyrmonas gingivalis. Ekspresja genów fimA, hagA i hagB, które są czynnikami zjadliwości biorącymi udział w kolonizacji, została zmniejszona o 43, 48 i 21 %, odpowiednio, gdy dodano 1 µg/ml witaminy D (1,25(OH)2D3). Ponadto w tym samym raporcie opisano addytywne działanie przeciwdrobnoustrojowe przeciwko P. gingivalis, gdy witamina D była stosowana w połączeniu z antybiotykami, takimi jak tetracyklina i metronidazol.

Wykazano, że produkty degradacji witaminy D wykazują silne działanie bakteriobójcze przeciwko patogenowi żołądka Helicobacter pylori. Chociaż witamina D (cholekalcyferol) może być metabolizowana przez CYP2R1, CYP27A1 i CYP27B1 z wytworzeniem 25(OH)D i 1,25(OH) 2D3, naturalna (niebiologiczna) degradacja może nastąpić pod wpływem wysokiej wilgotności i wysokiej temperatury. Wykazano, że 25(OH)D i 1,25(OH)2D3 wytwarzane w wyniku rozkładu niebiologicznego zmniejszają wzrost H. pylori odpowiednio 104- i 106-krotnie w porównaniu z kulturami traktowanymi nierozłożonym cholekalcyferolem. Wykazano, że te produkty degradacji witaminy D działają poprzez destabilizację błony H. pylori i ostatecznie powodują utratę integralności strukturalnej, powodując lizę komórek.

 

NIEDOBÓR WITAMINY D I PODATNOŚĆ NA ZAKAŻENIE

Niedobór witaminy D wiąże się ze zwiększonym ryzykiem infekcji, a suplementacja zmienia interakcje żywiciel-patogen. Niedobór witaminy D powiązano ze zwiększonym ryzykiem pozaszpitalnego zapalenia płuc i zapalenia migdałków i gardła wywołanego paciorkowcami. Neutrofile zwiększa ekspresję CYP27B1 w obecności IFN-γ, powodując w ten sposób zwiększenie poziomu alfa-defensyn (HNP1–3), które pośredniczą w zabijaniu pneumokoków. Retrospektywne badanie z udziałem 54 pacjentów z nawracającym zapaleniem migdałków i gardła wywołanym przez GAS wykazało, że stężenie witaminy D w surowicy (25(OH)D) poniżej 20 ng/ml było powiązane z chorobą. Wyniki te dodatkowo potwierdzają wcześniejsze badanie, w którym stwierdzono, że u mężczyzn z poziomem 25(OH)D w surowicy poniżej 40 nmol/l stwierdzono cięższe objawy zakażenia dróg oddechowych. Ponadto przekrojowe badanie z udziałem 300 pacjentów wykazało, że stężenie w surowicy 1,25(OH)2D3, aktywnej formy witaminy D, było odwrotnie skorelowane z ciężkością pozaszpitalnego zapalenia płuc wywołanego przez różne patogeny, w tym pneumokoki. Nie stwierdzono jednak korelacji pomiędzy stężeniem 25(OH)D w surowicy, formą magazynującą witaminy D i ciężkością pozaszpitalnego zapalenia płuc. Wyniki tego badania sugerują, że niemożność przekształcenia witaminy D w formie magazynowanej w formę aktywną, prowadząca do niskiego poziomu 1,25(OH)2D3 w surowicy, jest czynnikiem ryzyka paciorkowcowego zapalenia płuc.

 

CZY SUPLEMENTACJA WITAMINY D OGRANICZA RYZYKO CHORÓB POWIĄZANYCH Z STREPTOKOKAMI?

Wykazano również, że suplementacja witaminą D nasila działanie biobójcze neutrofilów wobec patogennych bakterii paciorkowcowych, jednocześnie tłumiąc nadmierne reakcje zapalne i apoptozę, co wskazuje, że witamina D ma potencjał chemioterapeutyczny przeciwko infekcjom paciorkowcowym. Jednakże większość dotychczasowych badań nad interakcjami paciorkowców i witaminy D koncentruje się na pracy komórek in vitro, a niewiele prac prowadzi się in vivo. W jednym badaniu dotyczącym zakażenia Candida na myszach niski poziom witaminy D zmniejsza obciążenie grzybami i poprawiał wyniki w zakresie przeżycia - może stąd częste pogorszenia u dzieci podczas jej stosowania?

W badaniu ex vivo tkanki pęcherza moczowego kobiet po menopauzie grupa odkryła, że witamina D wzmaga produkcję katelicydyny, peptydu przeciwdrobnoustrojowego, gdy tkanki zostały zakażone uropatogenną E. coli. Korzystając z eksperymentów kolokalizacji, Hertting i wsp. wykazali, że komórki pęcherza moczowego traktowane witaminą D miały zwiększoną ekspresję katelicydyny. Ta obserwacja, że witamina D prowadzi do zwiększonej produkcji katelicydyny i innych peptydów przeciwdrobnoustrojowych, zachęca do powiązania witaminy D z infekcjami paciorkowcami. W rzeczywistości katelicydyny powiązano z ochroną miękkiej skóry przed zakażeniem Streptococcus grupy A.

Wysokie stężenie witaminy D w osoczu wiąże się ze zmniejszonym ryzykiem zakażenia Clostridium difficile u pacjentów z nieswoistym zapaleniem jelit.
Witamina D wywiera szeroki zakres działania zarówno na komórki gospodarza, jak i patogenu (ryc. 2). Witamina D hamuje wzrost, żywotność i tworzenie biofilmu paciorkowców. Witamina D prawdopodobnie przekazuje sygnały poprzez receptor witaminy D i promuje wrodzone funkcje komórek odpornościowych, w tym fagocytozę, wytwarzanie peptydów przeciwdrobnoustrojowych (AMP) i reaktywnych form tlenu (ROS), regulację w górę receptorów rozpoznających wzorce (PRR) i produkcję TIMP-1, który negatywnie reguluje metaloproteinazy macierzy (MMP), które przyczyniają się do uszkodzenia tkanek. Witamina D hamuje również produkcję MMP i cytokin prozapalnych i prowadzi do represji programowania Th17, faworyzując zamiast tego fenotyp regulatorowych limfocytów T. Łącznie dane te wskazują, że witamina D wspomaga wrodzony klirens immunologiczny komórek paciorkowców i immunoregulację odpowiedzi zapalnej, co poprawia rokowanie choroby. Zatem dokładny przegląd istniejącej literatury sugeruje, że homeostaza witaminy D wpływa na wynik infekcji paciorkowcami.

Literatura:

Guevara MA, Lu J, Moore RE, Chambers SA, Eastman AJ, Francis JD, Noble KN, Doster RS, Osteen KG, Damo SM, Manning SD, Aronoff DM, Halasa NB, Townsend SD, Gaddy JA. Vitamin D and Streptococci: The Interface of Nutrition, Host Immune Response, and Antimicrobial Activity in Response to Infection. ACS Infect Dis. 2020 Dec 11;6(12):3131-3140. doi: 10.1021/acsinfecdis.0c00666. Epub 2020 Nov 10. PMID: 33170652; PMCID: PMC7852033.