Gramnegatiiviset bakteerit: määritelmä, rakenne ja resistenssi

Gramnegatiiviset bakteerit: selkeä määritelmä, solurakenne ja LPS-kerros sekä antibioottiresistenssin mekanismit — ymmärrä vaikutukset ehkäisyyn, diagnostiikkaan ja hoitoon.

Gramnegatiiviset bakteerit ovat bakteereja, jotka eivät säilytä kristalliviolettiväriainetta Gram-värjäyksessä. Gram-värjäystestissä bakteerialukseen lisätään ensin kristallivioletti, sen jälkeen jodi (kuivattava kompleksi), minkä jälkeen väriaine poistetaan dekolorisaatiolla (yleensä etanoli tai asetonietanoli). Lopuksi käytetään vastavärjäystä, esimerkiksi safraniinia, joka värjää kaikki gramnegatiiviset bakteerit punaiseksi tai vaaleanpunaiseksi.

Rakenne

Gramnegatiivisten bakteerien solurakenne eroaa grampositiivisista useilla keskeisillä tavoilla:

• Neilä on kaksikerroksinen solukalvorakenne: ulompi kalvo (outer membrane) ja sisempi plasmamembraani.
• Ulompi kalvo sisältää lipopolysakkaridia (LPS), joka on rakenteeltaan kolmi-osainen (O-polysakkaridi, keskiosa ja Lipid A). Lipid A on endoksiinin aktiivinen osa.
• Peptidoglykaanikerros (muuri) sijaitsee solujen ulko- ja sisäkalvojen välisessä periplasmaattisessa tilassa ja on gramnegatiivisilla bakteereilla ohuempi kuin grampositiivisilla.
• Ulompi kalvo sisältää poriineja (porins) ja muita kuljetusproteiineja, jotka säätelevät molekyylien kulkua soluun.

Miksi gramnegatiiviset eivät pidä kristallivioletista

Kun dekolorisaatio tehdään, ulompi kalvo ja ohut peptidoglykaani eivät pidä kiinni kristallivioletti-jodikompleksista samalla tavalla kuin paksu peptidoglykaanikerros grampositiivisilla bakteereilla. Ulompi kalvo voi estää väriaineen tunkeutumisen ja lisäksi dekolorisaatio huuhtoo värin pois. Tämän seurauksena gramnegatiiviset bakteerit värittyvät lopuksi safraniinilla punaisiksi tai vaaleanpunaisiksi.

Lipopolysakkaridi (LPS) ja immuunivaste

Lipopolysakkaridikerros (LPS-kerros) on gramnegatiivisten ulomman kalvon keskeinen osa. LPS:n Lipid A toimii endotoksiinina: ihmisissä LPS laukaisee synnynnäisen immuunivasteen, joka aktivoituu muun muassa Toll-like receptor 4 (TLR4) -välitteisesti. Tämä johtaa immuunijärjestelmän aktivoitumiseen, laajaan sytokiinituotantoon ja usein voimakkaaseen Tulehdus-reaktioon. Vakavissa tapauksissa tiheä sytokiinivaste voi johtaa septiseen sokkiin (endotoksiseen sokkiin).

Antibioottiresistenssi ja mekanismit

Gramnegatiiviset bakteerit ovat usein alttiimpia resistenssikehitykselle ja voivat olla vaikeampia hoitaa johtuen useista mekanismeista:

• Ulompi kalvo toimii fysikaalisena esteenä, joka vähentää monien antibioottien pääsyä soluun.
• Poriinien olemassaolo ja muutos voivat rajoittaa lääkkeen kulkua soluun.
• Periplasmaattinen tila voi sisältää entsyymejä, kuten beetalaktamaaseja, jotka inaktivoivat antibiootteja ennen kuin ne saavuttavat kohteen.
• Efflux-pumput vievät antibiootteja pois solusta, pienentäen intrasyto-plasmista pitoisuutta.
• Plasmidit ja transposonit voivat levittää resistenssigeenejä helposti populaatioissa (esimerkiksi ESBL-, carbapenemasa- ja metalli-beetalaktamaasit).
• Biofilmitilat suojaavat bakteereja lääkkeiltä ja immuunivasteelta.

Tämän vuoksi gramnegatiiviset lajit ovat usein vastustuskykyisempiä antibiooteille kuin grampositiiviset, ja hoito voi vaatia yhdistelmähoitoja, spesifejä inhibiittoreita (esim. beetalaktamaasin estäjiä) tai uusia antibioottiryhmiä.

Esimerkkejä ja kliininen merkitys

Monet kliinisesti merkittävät taudinaiheuttajat ovat gramnegatiivisia, esimerkiksi Escherichia coli, Klebsiella spp., Pseudomonas aeruginosa, Neisseria gonorrhoeae, Salmonella- ja Shigella-lajit. Ne voivat aiheuttaa virtsatie-, hengitystie-, suolisto- ja verensisäisiä infektioita sekä paikallisia ja systemaattisia tulehduksia.

Diagnoosi ja laboratoriotutkimukset

Gram-värjäys on nopea ja perustutkimus kliinisissä näytteissä. Lisäksi viljely, identifiointi (esim. MALDI-TOF, biokemialliset testit) ja antibioottien herkkyysmääritykset (AST) ovat tärkeitä hoitopäätösten kannalta. On huomattava, että jotkin bakteerit ovat gram-variabeleja tai gram-epätyypillisiä (esim. Mycoplasma ilman soluseinää, Mycobacteriumin vahvasti lipidoitu seinämä), jolloin Gram-värjäys ei anna luotettavaa luokittelua.

Ennaltaehkäisy ja hoitostrategiat

• Infektioiden ehkäisy: käsi- ja laitehygienia, potilasohjaus ja tartuntatautivalvonta terveydenhuollossa.
• Antibioottien vastuullinen käyttö (antibioottistwardship) estää resistenssin leviämistä.
• Hoitona käytetään herkkyystulosten mukaan valittuja antibiootteja; vaikeissa infektioissa voidaan tarvita yhdistelmähoitoa tai laajakirjoisia ja uusien mekanismien omaavia lääkkeitä.
• Tulevaisuuden lähestymistapoja ovat uusien antibioottien kehitys, antitoksiset hoidot (esim. LPS-välitteisen toksisuuden vähentäminen) sekä vaihtoehtoiset menetelmät kuten fagiterapia ja antibioottien lähdeohjaus.

Gramnegatiiviset bakteerit ovat biologisesti ja kliinisesti monimuotoinen ryhmä, jonka rakenne (erityisesti ulkoinen kalvo ja LPS) vaikuttaa sekä värjäystulokseen että hoitovasteeseen. Ymmärrys näistä rakenteellisista ja funktionaalisista eroista on tärkeää diagnostiikassa, infektiotautien hoidossa ja resistenssin torjunnassa.

Grampositiivisiin bakteereihin verrattuna gramnegatiiviset bakteerit pitävät kristalliviolettiväriainetta harvemmin; värinpoistoliuoksessa.

Kysymyksiä ja vastauksia

Kysymys: Mitä ovat gramnegatiiviset bakteerit?

K: Miten gramnegatiiviset bakteerit tunnistetaan Gram-värjäystestissä?

K: Miksi gramnegatiiviset bakteerit värjäytyvät punaisiksi tai vaaleanpunaisiksi Gram-värjäystestissä?

K: Mikä tekee gramnegatiivisista bakteereista vastustuskykyisempiä antibiootteja vastaan?

K: Mikä on gramnegatiivisten bakteerien lipopolysakkaridikerroksen merkitys?

K: Mitä LPS:n ihmisessä laukaisema sytokiinituotanto aiheuttaa?

K: Mikä on Gram-värjäystestin hyödyllisyys?

Hae kirjaimella