Mikrobiologia lekarska - ebook

Wykaz autorów

Mgr n. biol. Anna Bielecka-Oder

Pracownia Epidemiologii, Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii w Warszawie

Prof. dr hab. n. wet. Marian Binek

Zakład Mikrobiologii, Katedra Nauk Przedklinicznych, Wydział Medycyny Weterynaryjnej, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie

Dr hab. n. med. Małgorzata Bulanda, prof. nadzw. UJ

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Dr n. biol. Agnieszka Chmielarczyk

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Dr n. med. Artur Drzewiecki

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Dr hab. n. med. Tomasz Dzieciątkowski

Katedra i Zakład Mikrobiologii Lekarskiej, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. med. Danuta Dzierżanowska-Madalińska

Zakład Mikrobiologii i Immunologii Klinicznej, Instytut „Pomnik – Centrum Zdrowia Dziecka” w Warszawie

Dr n. med. Małgorzata Fleischer

Katedra i Zakład Mikrobiologii, Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu

Prof. dr hab. n. med. Stefania Giedrys-Kalemba

Katedra i Zakład Mikrobiologii i Immunologii, Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

Prof. dr hab. n. med. Eugenia Gospodarek

Katedra i Zakład Mikrobiologii, Collegium Medicum w Bydgoszczy, Uniwersytet Mikołaja Kopernika w Toruniu

Prof. dr hab. med. Piotr B. Heczko

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Prof. dr hab. n. med. Elżbieta Katarzyna Jagusztyn-Krynicka

Zakład Genetyki Bakterii, Instytut Mikrobiologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski

Dr n. med. Piotr Kochan

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Dr n. med. Janusz Kocik

Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii w Warszawie

Dr hab. n. biol. Magdalena Kosz-Vnenchak, prof. nadzw. UJ

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Dr n. med. Paweł Krzyściak

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Dr n. med. Paweł Łaniewski

Zakład Genetyki Bakterii, Instytut Mikrobiologii, Wydział Biologii, Uniwersytet Warszawski

Prof. dr hab. n. med. Anna B. Macura

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Prof. dr hab. n. med. Gayane Martirosian

Katedra i Zakład Mikrobiologii Lekarskiej, Śląski Uniwersytet Medyczny w Katowicach

Dr n. biol. Marcin Niemcewicz

Ośrodek Diagnostyki i Zwalczania Zagrożeń Biologicznych w Puławach, Wojskowy Instytut Higieny i Epidemiologii w Warszawie

Dr hab. n. med. Małgorzata Paul

Katedra i Klinika Chorób Tropikalnych i Pasożytniczych, Uniwersytet Medyczny w Poznaniu

Prof. dr hab. n. med. Zbigniew Pawłowski,

emerytowany kierownik Katedry i Kliniki Chorób Tropikalnych i Pasożytniczych, Uniwersytet Medyczny w Poznaniu

Dr n. biol. Agata Pietrzyk

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Prof. dr hab. n. med. Anna Przondo-Mordarska

Katedra i Zakład Mikrobiologii, Uniwersytet Medyczny we Wrocławiu

Dr n. med. Maciej Przybylski

Katedra i Zakład Mikrobiologii Lekarskiej, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Prof. dr hab. n. biol. Barbara Różalska

Katedra Immunologii i Biologii Infekcyjnej, Uniwersytet Łódzki

Dr hab. n. biol. Beata Sadowska, prof. nadzw. UŁ

Katedra Immunologii i Biologii Infekcyjnej, Uniwersytet Łódzki

Dr n. med. Magdalena Skóra

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Prof. dr hab. n. med. Jerzy Stefaniak

Katedra i Klinika Chorób Tropikalnych i Pasożytniczych, Uniwersytet Medyczny w Poznaniu

Dr hab. n. med. Magdalena Strus

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Prof. dr hab. med. Hanna Stypułkowska-Misiurewicz

Zakład Bakteriologii, Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego – Państwowy Zakład Higieny w Warszawie

Dr n. biol. Sława Szostek

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Prof. dr hab. n. med. Janusz Ślusarczyk

Katedra Zdrowia Publicznego, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr hab. n. med. Jadwiga Wójkowska-Mach

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Dr hab. n. med. Marta Wróblewska

Katedra i Zakład Mikrobiologii Lekarskiej, Warszawski Uniwersytet Medyczny

Dr hab. n. med. Barbara Zawilińska

Katedra Mikrobiologii, Uniwersytet Jagielloński Collegium Medicum w Krakowie

Prof. dr hab. n. med. Andrzej Zieliński

Zakład Epidemiologii, Narodowy Instytut Zdrowia Publicznego – Państwowy Zakład Higieny w Warszawie

Prof. dr hab. n. biol. Zofia Zwolska

Zakład Mikrobiologii, Krajowe Referencyjne Laboratorium Prątka, Instytut Gruźlicy i Chorób Płuc w WarszawiePrzedmowa

Polscy studenci medycyny i kierunków pokrewnych otrzymują pierwszy zbiorowy podręcznik mikrobiologii napisany przez duży zespół naukowców i dydaktyków reprezentujących większość polskich uczelni i instytutów medycznych. W imieniu redaktorów chciałbym im bardzo serdecznie podziękować za owocną, chociaż na pewno niełatwą pracę. Jestem pewien, że Czytelnik doceni fakt, iż wiadomości zawarte w każdym z rozdziałów zostały zebrane i opracowane przez wybitnego specjalistę z danej dziedziny mikrobiologii. Niezwykle trudno, pracując w dużym zespole, stworzyć podręcznik odbierany przez studentów jako taki, który łatwo i przyjemnie podaje niezbędne wiadomości potrzebne do zdania egzaminu. Natomiast wydaje się nam, że udało się stworzyć podręcznik zawierający dużo ważnych i aktualnych wiadomości przeznaczonych nie tylko dla studentów niższych lat studiów, ale także dla studentów i lekarzy poszukujących wiadomości z mikrobiologii klinicznej i epidemiologii szpitalnej w trakcie studiowania medycyny klinicznej zarówno przed dyplomem, jak i po jego uzyskaniu.

Podręcznik zawiera przede wszystkim tradycyjne rozdziały poświęcone wszystkim działom mikrobiologii lekarskiej, ale został też poszerzony – wzorem współczesnych podręczników anglosaskich – o rozdziały odnoszące się do mikrobiologii klinicznej w postaci opisów form zakażeń w poszczególnych układach organizmu i ich leczenia oraz do epidemiologii szpitalnej z kontrolą zakażeń. Tak szerokie zadanie było na pewno trudne do wykonania i dlatego specjalne podziękowania należą się zespołowi redaktorów wydawcy tego podręcznika, którzy w sprawny, ale taktowny sposób pokonali wiele rozbieżności powstających zawsze przy pisaniu i redagowaniu dzieła zbiorowego.

Mam nadzieję, że odbiorcy podręcznika dobrze go przyjmą i ocenią go jako przydatny zarówno do uczenia się mikrobiologii lekarskiej i klinicznej, jak i do odnajdywania istotnych informacji o zakażeniach w trakcie szkolenia podyplomowego i w codziennej praktyce.

Prof. dr hab. med. Piotr B. Heczko1 Historia mikrobiologii

Marian Binek

Mikrobiologia, jako dyscyplina naukowa, powstała stosunkowo późno. Liczy sobie niespełna 150 lat. Za datę jej narodzin można przyjąć początek drugiej połowy XIX wieku , kiedy to za pomocą naukowych metod udało się rozwiązać fundamentalne dla tej dyscypliny kwestie – Louis Pasteur obalił teorię samorództwa (1861 r.), a Robert Koch udowodnił bakteryjną etiologię chorób zakaźnych. W 1884 r. Friedrich Loeffler opublikował zasady, zgodnie z którymi można wykazać etiologiczny związek pomiędzy drobnoustrojem i chorobą, znane jako postulaty Kocha. Do ojców bakteriologii należy również zaliczyć Ferdinanda Juliusa Cohna, niemieckiego botanika i bakteriologa, pracującego na uniwersytecie we Wrocławiu. W 1875 r. jako pierwszy dokonał on klasyfikacji bakterii (zakwalifikował je do rzędu Schizomycetes), uznawanych wówczas za rośliny zgodnie z zasadami ustanowionymi przez Karola Linneusza. Cohn stworzył w ten sposób formalne podstawy do uznania bakteriologii za dyscyplinę naukową.

Tabela 1.1

Ważniejsze odkrycia z początków mikrobiologii ogólnej i medycznej

----------- --------------------------------- ------------------------------------------------
Rok Badacz(e) Odkrycie
1798 Edward Jenner Szczepienia przeciwko ospie prawdziwej
1867 Joseph Lister Zasady antyseptyki w chirurgii
1876 Ferdinand Cohn Odkrycie endospor
1882 Ilia Miecznikow Zjawisko fagocytozy
1884 Hans Christian Gram Barwienie metodą Grama
1889/1890 Sergei Winogradsky Chemolitotrofizm
1889/1901 Martinus Beijerinck Koncepcja wirusa/Podłoża wzbogacone
1908 Paul Ehrlich Chemioterapia, czynnik chemioterapeutyczny
1911 Francis Rous Odkrycie wirusa onkogennego
1915/1917 Frederick Twort/Félix d’Hérelle Odkrycie wirusów bakterii (bakteriofagii)
1928 Frederick Griffith Odkrycie transformacji u pneumokoków
1928 Aleksander Fleming Odkrycie penicyliny
1935 Gerhard Domagk Odkrycie sulfonamidów jako środków leczniczych
1935 Wendell Stanley Krystalizacja wirusa mozaiki tytoniowej
----------- --------------------------------- ------------------------------------------------

Mykologia medyczna rozwijała się wolniej. Znaczącą dla niej datą było wprowadzenie w 1910 r. przez Raymonda Sabourauda przydatnego do izolacji i hodowli chorobotwórczych grzybów podłoża.

Za narodziny wirusologii uważa się odkrycie przez Dmitrija Iwanowskiego w 1892 r. przesączalnych czynników odpowiedzialnych za chorobę mozaikową tytoniu. Koncepcję wirusa, a jednocześnie doktrynę wirusologii, przedstawił Martinus Beijerinck. Wykazał on, że wirus jest związany z komórką gospodarza i wymaga żywych komórek do namnażania się.

Pojęcie prionu (od ang. proteinaceous infectious particle, białkowa cząsteczka zakaźna) wprowadził Stanley Prusiner w 1981 r. Rozszerzył tym samym listę czynników zakaźnych o cząsteczki białka, stanowiące czynniki etiologiczne m.in. choroby kuru, choroby Creutzfeldta-Jakoba (ang. Creutzfeldt-Jakob disease, CJD), encefalopatii gąbczastej bydła (ang. bovine spongiform encephalopathy, BSE) i scrapie.

Współczesna mikrobiologia to era badań molekularnych – genomiki, której przedmiotem zainteresowania jest porównawcza analiza genów różnych organizmów, oraz proteomiki, zajmującej się oceną ekspresji białek w komórkach.

1.1. Mikrobiologia XIX i początku XX w. zdominowana przez mikrobiologię medyczną

Mikroorganizmy jako submikroskopowe formy życia znane były już wcześniej, między innymi dzięki badaniom Anglika Roberta Hooke’a, który obserwował w powiększeniu komórki roślin i zobaczył również strzępki grzybów pleśniowych. Wykonany przez niego rysunek został opublikowany w Micrographia w 1655 r. Mikroskop, którego używał Hooke, nie pozwalał na dostrzeżenie bakterii. Te, jako tzw. małe zwierzęta (ang. little animalcules), zobaczył Holender Anton van Leeuwenhoek przez skonstruowany własnoręcznie mikroskop dający powiększenie od 30 do 266 razy. Swoje obserwacje w 1676 r. przesłał do Towarzystwa Królewskiego w Londynie. Jego publikacja została zamieszczona w Philosophical Transactions. Kilka lat później zaobserwował organizmy w osadzie na zębach. Doniesienie to wraz z rysunkami odpowiadającymi dzisiejszym znanym formom morfologicznym bakterii zostało opublikowane w 1684 r. Leeuwenhoekowi nauka zawdzięcza również pierwszy opis pasożytniczych pierwotniaków, znanych współcześnie jako Giardia intestinalis, które wykrył we własnym kale....

Odkrycia submikroskopowych form życia nie przełożyły się jednak na sposób myślenia ludzi i zmianę poglądów na temat udziału mikroorganizmów w wywoływaniu chorób, które, jak sądzono, biorą się z oddziaływania szkodliwych wyziewów czy morowego powietrza. Próby udowodnienia, że tak nie jest, zostały podjęte przez Francesco Rediego, który wykazał, że larwy much nie powstają w mięsie zabezpieczonym od środowiska zewnętrznego przez zamknięcie w słoju, a także później przez Lazarro Spallanzaniego, który udowodnił, że w przegotowanym bulionie zatopionym w szklanym pojemniku nie rosną mikroorganizmy. Nie zmieniło to jednak istniejących przekonań. W dalszym ciągu sądzono, że mikroorganizmy ze względu na niewielkie rozmiary muszą być niezwykle prostymi organizmami. Takie natomiast powstają spontanicznie. Opublikowanie w 1858 r. przez Félixa Poucheta pracy na temat spontanicznego powstawania protoorganizmów w odżywczym powietrzu i tlenie skłoniło Francuską Akademię Nauk do zaoferowania nagrody dla tego, kto ostatecznie wyjaśni wszystkie kontrowersje związane z samoistnym powstawaniem mikroorganizmów. Wyzwanie podjął Louis Pasteur. Wzorując się na doświadczeniu przeprowadzonym przez Theodora Schwanna (wykazał w 1837 r., że podgrzane, a następnie oziębione powietrze nie zakaża przegotowanego bulionu), przeprowadził swoje badania. Zastosował kolby do przetrzymywania bulionu z tzw. zakończeniem w formie łabędziej szyi, w których pożywka była podgrzewana do zagotowania się, a po ochłodzeniu powietrze mogło ponownie płynąć do wnętrza kolby. Wygięcie szyjki zapobiegało wnikaniu cząstek materii zanieczyszczonych drobnoustrojami. Zagotowana zawartość kolby tego typu pozostawała jałowa dopóty, dopóki wygięcie szyjki nie zetknęło się z zawartym w kolbie płynem. Pasteur udowodnił w ten sposób, że mikroorganizmy nie powstają samoistnie, nawet przy dostępie powietrza, którego brak był koronnym argumentem przeciwników Spallanzaniego, tłumaczących, że do rozwoju mikroorganizmów jest ono niezbędne. Wyniki swojej pracy opublikował w 1861 r., uznawanym za datę obalenia teorii samorództwa, i otrzymał nagrodę Akademii.

Wykrycie przez Ferdinanda Cohna (w 1877 r. opublikował pracę na temat pałeczkowatych bakterii wytwarzających formy przetrwałe) i Johna Tyndalla (w 1877 r. przedstawił przed Towarzystwem Królewskim w Londynie pracę na temat sterylizacji) ciepłoopornych form przetrwałych bakterii ostatecznie wyeliminowało argumenty zwolenników samorództwa.

Odkrycie mikroorganizmów i wykazanie przez Pasteura ich obecności w powietrzu nie było równoznaczne z powiązaniem bakterii z chorobami. W XIX w. oficjalnie obowiązywały poglądy upowszechniane przez anatomopatologów, m.in. Rudolfa Virchowa, zgodnie z którymi do powstania choroby dochodziło w wyniku zaburzenia wewnętrznej struktury i funkcji ciała. Istniała pewna świadomość co do tego, że zakażenie może być spowodowane przez cząstki organiczne, jednakże natura tego zjawiska była nieznana. Wykazanie w końcu lat 30. XIX w. przez Schwanna i Charlesa Cagniarda de Latour, że procesy fermentacji i gnicia substancji organicznej spowodowane są obecnością zorganizowanych „małych stworzeń”, nasunęło skojarzenie, że być może podobnie dzieje się w przypadku choroby, która niejednokrotnie charakteryzuje się rozkładem tkanek, a więc również może zachodzić pod wpływem żywych czynników. Idea taka nie była obca Jacobowi Henlemu, który, mimo że wywodził się ze szkoły Virchowa, widział potrzebę eksperymentalnego wyjaśnienia tych wątpliwości. W 1865 r. Pasteur na podstawie wykonanych przez siebie doświadczeń wysunął sugestię, że choroba musi brać się z powietrza.

Ostatecznych dowodów na powiązanie zakażenia z chorobą dostarczył Robert Koch. Jako lekarz powiatowy w Wolsztynie, dysponując mikroskopem, oglądał preparaty z krwi i narządów wewnętrznych owiec padłych z powodu choroby znanej współcześnie jako wąglik. Stwierdził w nich wydłużone ciałka (laseczki Bacillus anthracis) . Znając idee Henlego, którego poznał, jako profesora, w czasie studiów medycznych na Uniwersytecie w Getyndze, podjął próbę wywołania choroby z wykorzystaniem zaobserwowanych ciałek. W prowizorycznym przydomowym laboratorium wstrzykiwał krew chorych na wąglik owiec i bydła dzikim myszom złapanym w stodole. Odkrył, że u myszy występowały podobne objawy i zmiany sekcyjne, jak u zwierząt gospodarskich. Bakterie wyizolował na pożywce z cieczy wodnistej przedniej komory oka bydła. Zaobserwował splątane nici bakterii i wytwarzanie przez nie spor. Po zakażeniu uzyskaną kulturą bakterii kolejnych myszy następnego dnia stwierdził u nich charakterystyczne symptomy wąglika i wykrył bakterie we krwi. W ten sposób Koch zamknął pewien cykl badań, zgodnie z którym wymagania postawione przez Henlego w celu zdefiniowania przyczyny choroby zakaźnej zostały spełnione. Udowodnił, że specyficzne bakterie wywołują specyficzne i charakterystyczne zakażenia.

Tabela 1.2

Ważniejsze gatunki bakterii chorobotwórczych dla człowieka i zwierząt odkryte w latach 1877–1898

------ -------------------- ---------------------------- ---------------------------------------------
Rok Odkrywca Bakterie Choroba
1877 Robert Koch Bacillus anthracis Wąglik
1879 Albert Neisser Neisseria gonorrhoeae Rzeżączka
1881 Aleksander Ogston Staphylococcus aureus Ropne zakażenia
1882 Robert Koch Mycobacterium tuberculosis Gruźlica
1884 Arthur Nicolaier Clostridium tetani Tężec
1884 Robert Koch Vibrio cholerae Cholera
1884 Georg Gaffky Salmonella Typhi Dur brzuszny
1887 David Bruce Brucella melitensis Bruceloza
1888 August Gärtner Salmonella Enteritidis Toksykoinfekcje pokarmowe (gastroenteritis)
1892 William Welch Clostridium perfringens Zgorzel gazowa
1894 Alexandre Yersin Yersinia pestis Dżuma
1897 Emile van Ermengem Clostridium botulinum Botulizm
1898 Kiyoshi Shiga Shigella dysenteriae Dyzenteria (czerwonka)
------ -------------------- ---------------------------- ---------------------------------------------

Prace nad chorobami zakaźnymi i zakażeniami ran u żołnierzy podczas wojny prusko-francuskiej (1870–1871) przyniosły Kochowi uznanie świata naukowego i w 1880 r. stanowisko dyrektora laboratorium bakteriologicznego w Cesarskim Instytucie Zdrowia w Berlinie. Rozwijał tam metody badań bakteriologicznych i przeprowadzał doświadczenia nad plagą tamtych czasów – gruźlicą (nazywaną białą plagą), a także błonicą i durem brzusznym. Tezę o specyficznym związku między drobnoustrojem i wywoływaną przez niego chorobą potwierdził w badaniach nad gruźlicą. Koch izolował prątki na ściętej termicznie surowicy bydlęcej lub owczej i zakażał nimi świnki morskie, u których dochodziło do rozwoju gruźlicy. Wyniki pracy nad etiologią gruźlicy przedstawił 24 marca 1882 r. (stąd 24 marca jest światowym dniem gruźlicy) w Berlińskim Towarzystwie Fizjologicznym, ogłaszając jednocześnie nową koncepcję przyczyny choroby na podstawie postulatów Kocha i Henlego. Koch nie został zaproszony do przedstawienia wykładu w bardziej prestiżowym Berlińskim Towarzystwie Lekarskim, zdominowanym przez Virchowa, zwolennika teorii powstawania choroby z powodu nieprawidłowej czynności własnych komórek. Formalnie postulaty zostały opublikowane w 1884 r. przez Friedricha Loefflera, współpracownika Kocha, w odniesieniu do błonicy, z powołaniem się na zasady ustanowione przez Kocha. We współczesnej formie postulaty Kocha można przedstawić w sposób następujący:

- Mikroorganizm występuje u wszystkich chorych osobników i jest odpowiedzialny za obserwowane zmiany chorobowe i objawy kliniczne.

- Mikroorganizm nie bierze udziału w wywoływaniu innej choroby i nie stwierdza się go jako czynnika przypadkowego lub niechorobotwórczego.

- Mikroorganizm po wyizolowaniu od chorego i pasażowaniu w czystej kulturze jest zdolny do wywołania identycznej choroby u innego osobnika.

Z czasem dodano jeszcze jeden warunek, że ten sam drobnoustrój powinien móc zostać ponownie wyizolowany od doświadczalnie zakażonego osobnika, co wynika z logicznych następstw wcześniejszych założeń. Sam Koch nie widział potrzeby w szczególny sposób podkreślania tego warunku.

Ustanowione przez Kocha postulaty były kamieniem milowym w mikrobiologii medycznej, ponieważ dzięki nim poza wszelką wątpliwością można było udowodnić, że poszczególne drobnoustroje stanowią przyczynę choroby zakaźnej. Równocześnie wpłynęły niestety na utrwalenie się w medycynie schematycznego i prostego myślenia o chorobie jako wyniku oddziaływania jednego szczególnego czynnika (tzw. jednoczynnikowa koncepcja choroby).

Jeszcze za życia Kocha zaczęły pojawiać się wątpliwości, czy w oparciu o te postulaty zawsze można wyjaśnić przyczynę choroby. Wynikały one m.in. z badań nad cholerą. Choroba ta endemicznie występowała w Indiach i podejrzewano jej bakteryjną etiologię. Gdy w 1883 r. zaatakowała Egipt, pojawiła się obawa, że może dotrzeć do Europy. Rządy europejskie wysłały do Afryki najlepszych badaczy. Prusy wysłały Roberta Kocha, Georga Gaffky’ego i Bernharda Fische’a. Dzięki zastosowaniu podłóż stałych dość szybko wyizolowali oni w czystej kulturze Vibrio cholerae ze środowiska i próbek od pacjentów. Przecinkowce spełniały pierwszy i drugi postulat Kocha. Trzeci został wypełniony przez przypadek, kiedy lekarz z ekipy francuskiej połknął bakterie i doszło u niego do rozwoju choroby. Zwierzęcy model (świnka morska) został odkryty po powrocie Kocha do Berlina w czasie wybuchu epidemii cholery w Europie w 1884 r. Okazało się jednak, że Vibrio cholerae obecne są również u osobników zdrowych (nosicielstwo), co stało w sprzeczności z wynikającym z 2. postulatu specyficznym związkiem między drobnoustrojem i chorobą.

Trudności napotkano również w odniesieniu do Plasmodium falciparum, czynnika etiologicznego malarii, nad którą również pracował Koch (uznawany jest również za ojca medycyny tropikalnej). Nie udawało się go bowiem wyizolować in vitro. Koch miał świadomość pewnych ograniczeń w wykazaniu etiologicznej roli określonego czynnika wynikających z postulatów i uważał, że jeżeli dwa pierwsze z nich są spełnione, to związek przyczynowy między czynnikiem a chorobą można jednak udowodnić.

Współczesne prace nad Vibrio cholerae i odkrycie środowiskowego rezerwuaru tych bakterii w śluzowej otoczce niebieskozielonych alg, a także wpływu na ich namnażanie się temperatury wód oceanicznych i zmian klimatycznych, pozwoliły na opracowanie biokompleksowego modelu ryzyka wystąpienia cholery. Uwzględnia on molekularne podłoże chorobotwórczości bakterii, ale również wiąże wystąpienie choroby z socjalno-bytowymi uwarunkowaniami ludzi i zmianami klimatycznymi. Późniejsze odkrycie biofilmów uświadomiło badaczom rolę w tym procesie konsorcjów drobnoustrojów czy polimikrobiologicznych kompleksów, będących swego rodzaju prototkankami, które w takiej formie uorganizowania uczestniczą w procesach patofizjologicznych. Nie zawsze przy takiej formie organizacji drobnoustrojów daje się zauważyć związki przyczynowe pomiędzy jednym gatunkiem bakterii i zakażeniem obejmującym jedną specyficzną tkankę.

Niezależnie od współczesnego spojrzenia na postulaty Kocha, jego prace nad chorobami zakaźnymi (zasady higieny, oczyszczanie wody podczas epidemii cholery w Hamburgu w 1892 r. itp.) odnoszące się do populacji dały początek epidemiologii chorób zakaźnych i rozwojowi metod im zapobiegania.

W czasach, gdy rodziła się mikrobiologia, na mapie Europy nie było Polski, nie było państwa, które stwarzałoby instytucjonalne ramy do rozwoju kultury, oświaty i nauki. Ośrodki naukowe w Warszawie i Wilnie podlegały represjom. Nieco lepiej funkcjonowały Uniwersytet Jagielloński i Uniwersytet Lwowski. Do wybitnych Polaków, twórców mikrobiologii lekarskiej na ziemiach polskich, należy zaliczyć Odo Bujwida, który, po ukończeniu studiów lekarskich na Uniwersytecie Warszawskim, odbył staże naukowe w Berlińskim Instytucie Higieny u Roberta Kocha i w Instytucie Pasteura w Paryżu. Zdobytą wiedzę i doświadczenie wykorzystał do stworzenia pracowni bakteriologicznych w Polsce. Powołał filie Instytutu Pasteura w Warszawie i Krakowie. Podjął badania nad chorobotwórczymi mikroorganizmami i wywoływanymi przez nie chorobami (m.in. nad gruźlicą, wścieklizną, promienicą) oraz zainicjował szczepienia. Wytworzył również surowice odpornościowe, m.in. przeciwko błonicy, tężcowi, czerwonce i przeciwko różycy dla potrzeb weterynarii. Wychował wielu lekarzy i mikrobiologów kontynuujących badania mikrobiologiczne. Jednym z nich był Julian Nowak. Specjalizował się w bakteriologii i po odbyciu stażu w Instytucie Pasteura w Paryżu objął Katedrę Weterynarii na Uniwersytecie Jagiellońskim (1899). Zajmował się bakteriologią lekarską i weterynaryjną. Jest odkrywcą mykoplazm i jednym z nielicznych polskich mikrobiologów cytowanym przez Bergey’s Manual of Determinative Bacteriology.

Do światowej elity polskich mikrobiologów należy zaliczyć również Ludwika Hirszfelda, odkrywcę pałeczki duru rzekomego C (Salmonella paratyphi C – Salmonella hirschfeldi) i odczynu serodiagnostycznego (tzw. koaguloreakcji) wykorzystywanego do diagnozowania kiły.

1.2. Dyscypliny towarzyszące mikrobiologii medycznej

W czasach, w których rodziła się mikrobiologia, powstawało również wiele innych dyscyplin, wtedy wyraźnie z niej nie wyodrębnionych, a obecnie mających statut niezależnych nauk, np. wakcynologia, immunologia, antyseptyka czy chemioterapia.

1.2.1. Wakcynologia

Za moment narodzin wakcynologii można uznać wprowadzenie szczepień przeciwko ospie (wywołanej przez wirusa ospy prawdziwej) u ludzi za pomocą inokulacji materiałem pochodzącym ze zmian od krów chorych na ospę bydlęcą (wywoływaną przez wirusa krowianki). Ospa była straszną chorobą, atakującą ludzi od tysiącleci. Charakteryzowała się 40% śmiertelnością i prowadziła do potwornych oszpeceń poprzez pozostawianie blizn i zniekształceń na całym ciele u pacjentów, którzy chorobę przeżyli. Jeszcze w starożytnych Chinach zauważono, że osoby, które łagodnie przechorowały ospę, np. miały tylko kilka krost, stawały się odporne na nowe zakażenia. W Azji, a od XVII w. również w Europie, spostrzeżenie to wykorzystywano do wywoływania łagodnej formy ospy, specjalnie zakażając strupami pobranymi od chorych dotychczas niechorujących w celu wytworzenia odporności. Nie zawsze się to jednak udawało i prowadziło czasem do ostrej formy choroby.

Edward Jenner, jako młody chłopiec żyjący na angielskiej wsi, słyszał od dojarki, że nie musi się ona obawiać ospy, ponieważ ma ospę bydlęcą. Choroba ta manifestowała się u ludzi drobną, niegroźną wysypką na rękach, jednakże chroniła przed zachorowaniem na ospę prawdziwą. Już jako praktykujący na wsi lekarz usłyszał, że jeżeli chce mieć żonę nieoszpeconą przez ospę, powinien ożenić się z dojarką. Gdy w 1788 r. ospa pojawiła się w Anglii, Jenner wykorzystał zasłyszane opowieści do eksperymentowania na ludziach. Wykonał inokulację miejscowego chłopca materiałem pobranym z rąk dojarki, a po 8 tygodniach materiałem pobranym od osoby chorej na ospę prawdziwą. Chłopiec okazał się odporny na zakażenie, a Jenner w 1798 r. zaprezentował swoje badania Towarzystwu Królewskiemu. W 1803 r. szczepienia przeciwko ospie prawdziwej z wykorzystaniem materiału pobranego od krów wprowadzono w całej Anglii. Wkrótce Benjamin Franklin rozpowszechnił je również w Stanach Zjednoczonych. Inokulację materiałem powodującym powstawanie odporności nazwano wakcynacją, od łacińskiego vacca, czyli krowa.

Znaczący wpływ na rozwój wakcynologii miał w późniejszym okresie Pasteur. Podczas badań nad cholerą u drobiu (wywoływaną przez Pasteurella multocida) zauważył, że gdy zwierzętom podaje się osłabiony drobnoustrój (forma awirulentna), nie dochodzi do zakażenia, natomiast uzyskuje się dobrą odporność na ponowne zakażenie szczepem zjadliwym. Zdobyte doświadczenia wykorzystał w pracach nad szczepionkami przeciwko wściekliźnie i wąglikowi. W 1885 r. zastosował po raz pierwszy szczepionkę (homogenat mózgu królika zakażonego wścieklizną, inaktywowany formaliną) przeciwko wściekliźnie u 9-letniego chłopca pogryzionego przez wściekłego psa, zapoczątkowując w ten sposób erę immunizacji.

W 1882 r. Rosjanin Ilia Miecznikow dokonał pierwszych obserwacji związanych z odpornością komórkową i wprowadził termin fagocytoza, a w 1891 r. Paul Ehrlich zróżnicował odporność na bierną i czynną.

Emil von Behring i Shibasaburo Kitasato wykryli, że króliki uodparniane inaktywowaną toksyną tężcową wykazują odporność na tężec. Co więcej surowica takich zwierząt podana innym zwierzętom, np. myszom, również chroni je przed chorobą. Surowica zawierała więc antytoksynę i można było przenieść odporność w sposób bierny. Podobne badania von Behring (1890 r.) przeprowadził z toksyną błoniczą, która w formie toksoidu (zneutralizowana toksyna) służyła do uodporniania ludzi przeciwko błonicy. Léon Calmette i Camillie Guérin po kilkunastu latach pracy nad atenuacją prątków bydlęcych wynaleźli w 1921 r. pierwszą szczepionkę BCG (Bacillus Calmette-Guérin) przeciwko gruźlicy.

Znaczące osiągnięcia w światowej wakcynologii mieli również polscy badacze, tacy jak Rudolf Weigl i Hilary Koprowski. Rudolf Weigl pracował w Instytucie Biologii na Uniwersytecie Jana Kazimierza we Lwowie. Jako pierwszy na świecie zastosował szczepionkę przeciwko tyfusowi epidemicznemu wywoływanemu przez Rickettsia prowazekii. Ponieważ bakterie nie rosły in vitro, opracował oryginalną metodę ich namnażania in vivo. W tym celu wyprowadził specjalny szczep wszy, w jelitach których namnażał bakterie. Gdy ich liczba osiągała 107 komórek w komórce nabłonka jelitowego, wypreparowywał jelita i przygotowywał z nich zawiesinę bakterii, które inaktywował fenolem. Szczepionka dawała doskonałą odporność, jednakże z powodu trudnego wojennego okresu, podczas którego przypadł moment jej opracowania, nie była powszechnie znana na świecie. Instytut Weigla w czasie II wojny światowej dawał schronienie wielu prześladowanym i poszukiwanym przez hitlerowców wybitnym przedstawicielom polskiej kultury i nauki, a wytwarzana w nim szczepionka przez polski ruch oporu była przemycana m.in. do warszawskiego getta.

Hilary Koprowski, lekarz pracujący w Lederle Laboratories w Nutley w Stanach Zjednoczonych, uważany jest za prawdziwego ojca żywej szczepionki przeciwko poliomyelitis (znanej również jako choroba Heinego-Medina). Dokonał on pasażu szczepu wirusa polio typu drugiego u szczurów bawełnianych, a następnie podał go domózgowo małpom. Małpy nie zachorowały i nie wystąpiły u nich objawy neurologiczne. Na bazie tak atenuowanego wirusa przygotowano pierwszą partię doustnej szczepionki, którą przyjęli najpierw sami jej twórcy. Pierwsze zastosowanie szczepionki u pacjentów miało miejsce w 1950 r. Podano ją grupie zagrożonych epidemią choroby niepełnosprawnych dzieci z Litchworth Village sąsiadującej z Lederle Laboratories, które po przyjęciu szczepionki uodporniły się na polio. Wyniki badań nad uodparnianiem przeciwko poliomyelitis Koprowski przedstawił na konferencji w Hershley w Pensylwanii, na której obecny był sceptycznie nastawiony do całego przedsięwzięcia Albert Sabin (uznany później za odkrywcę tej szczepionki). W 1952 r. badacze opublikowali w „American Journal of Hygiene” artykuł na temat zastosowania po raz pierwszy u ludzi doustnej szczepionki przeciwko polio. Koprowski przekazał uzyskany przez siebie szczep wirusa Sabinowi, który wraz z Jonasem Salkiem kontynuował prace nad szczepionką. Szczepy wirusa obecnie używane w szczepionce doustnej nie mają nic wspólnego z oryginalnymi szczepami Koprowskiego i Sabina. Reprezentują one liczne pasaże oryginalnego szczepu. Hilary Koprowski opracował i wprowadził do praktyki wiele innych szczepionek przygotowanych w komórkach ssaków, a w ostatnim okresie pracy również w komórkach roślin (genetycznie modyfikowane jadalne szczepionki roślinne) jako w systemie alternatywnym.

1.2.2. Higiena i antyseptyka

Połowa XIX w. to również początki powstawania higieny, aseptyki i antyseptyki. Miano pioniera higieny można przypisać węgierskiemu lekarzowi Ignazowi Semmelweisowi. W 1844 r. rozpoczął on pracę na oddziale położniczym Głównego Szpitala w Wiedniu. Szpitale w tamtych czasach były miejscami leczenia głównie biednych ludzi i miały złą reputację. Umieralność matek z powodu gorączki połogowej i dzieci, jak można by to dziś nazwać, z powodu sepsy była bardzo wysoka. Na oddziałach chirurgicznych często dochodziło do masowych śmiertelnych zakażeń. Oczywiście były to czasy, gdy oficjalnie panowała jeszcze teoria samorództwa i nie wiedziano o roli drobnoustrojów w wywoływaniu chorób. Semmelweis miał zmysł obserwacyjny i analityczny. Spostrzegł, że gorączka połogowa występowała częściej u chorych w tej części szpitala, która służyła nauczaniu, z czym wiązało się częstsze badanie pacjentek zarówno przez lekarzy, jak i studentów. Swoje obserwacje poparł badaniami statystycznymi i wyciągnął wniosek, że to za sprawą lekarzy i studentów dochodzi do zwiększonych zachorowań. Zauważył również, że lekarze przychodzą na oddział bezpośrednio z sali sekcyjnej, w tej samej odzieży, i bez mycia rąk badają pacjentki. Zakładał, że przenoszą w ten sposób niewidzialne czynniki powodujące śmierć rodzących matek i ich dzieci. Wprowadził zasadę zmiany odzieży i mycia rąk przez lekarzy w wodzie chlorowanej przed badaniem pacjentek. Tak prosty i oczywisty z dzisiejszego punktu widzenia, a wyśmiewany przez współczesnych Semmelweisowi, zabieg spowodował, że umieralność spadła prawie o dwie trzecie.

Po obaleniu w 1865 r. przez Pasteura tezy, że choroby mogą rodzić się z powietrza, angielski chirurg Joseph Lister przyjął założenie, że można zmniejszyć liczbę śmiertelnych zakażeń, jeżeli rany zabezpieczy się opatrunkiem polewanym środkami chemicznymi. W ten sposób ograniczało się dostęp do rany bakteriom z powietrza i zabijało je. Lister wiedział, że do sterylizacji ścieków używano kwasu karbolowego, który ze względu na silny i nieprzyjemny zapach nie mógł być stosowany u chorych. Jednak po jego oczyszczeniu uzyskano środek o przyjemniejszym zapachu nazywany fenolem, którego Lister z powodzeniem używał do przemywania ran i nasączania opatrunków. Wyniki swojej pracy opublikował w 1867 r. w „The Lancet”. Odkrycie Listera w przeciwieństwie do zaleceń Semmelweisa zostało przychylnie przyjęte przez środowisko lekarskie, co zainicjowało okres antyseptyki w chirurgii.

1.2.3. Chemioterapia

Erę chemioterapii zapoczątkował niemiecki chemik Paul Ehrlich, współpracownik Kocha. Związki używane do specyficznego wybarwiania bakterii próbował wykorzystać w celu hamowania wzrostu drobnoustrojów. Poszukiwał takich połączeń związków chemicznych, które zabijałyby bakterie, nie szkodząc gospodarzowi (selektywna toksyczność). W 1881 r. odkrył, że błękit metylenowy jest skuteczny przeciwko malarii. Nie znalazł on jednak szerszego zastosowania w leczeniu tej choroby ze względu na udowodnioną wyższą skuteczność chininy. Na początku XX w., wraz z japońskim asystentem Kiyoshim Shigą, rozpoczęli badania nad zastosowaniem organicznych związków arsenu w leczeniu trypanosomozy. W doświadczeniach na myszach, prawdopodobnie wskutek niewyjaśnionego do dziś błędu, wykazali, że kwas arsanilowy jest nieskuteczny przeciwko tej chorobie. Wkrótce brytyjski bakteriolog Harold Thomas dowiódł jednak niezwykłej skuteczności arsenu przeciwko trypanosomozie u myszy.

Drugim błędem, który tym razem szczęśliwie wpłynął na zainteresowanie arsenem, było uznanie przez Fritza Schaudinna i Ericha Hoffmana krętków Treponema pallidum za pierwotniaki, dzięki czemu preparaty arsenowe można było zastosować również do leczenia kiły.

Ehrlich został pierwszym dyrektorem Instytutu George’a Speyera, powołanego w celu prowadzenia badań nad chemioterapią. W 1907 r. doszło tu do odkrycia salwarsanu, który Sahachirō Hata wykorzystał w leczeniu kiły. W 1909 r. środek ten został zastosowany u ludzi.

Kolejnym ważnym wydarzeniem, które wpłynęło na rozwój chemioterapii, było odkrycie w 1935 r. przez Gerharda Domagka antybakteryjnego działania czerwonego barwnika – prontosilu. Był on z powodzeniem stosowany w leczeniu płatowego zapalenia płuc i przyczynił się do zmniejszenia śmiertelności z powodu tej choroby o dwie trzecie. W tym samym roku francuskie małżeństwo Jacques i Thérèse Tréfouël wykazało, że aktywnym składnikiem prontosilu nie jest barwnik, lecz sulfonamid – sulfanilamid.

W 1928 r. szkocki lekarz Aleksander Fleming odkrył penicylinę. Zaobserwował on, że pleśnie Penicillium, które przerosły hodowle gronkowców na pozostawionej w laboratorium płytce Petriego, powodowały lizę bakterii. Uznał, że dzieje się tak za sprawą lizozymu znajdowanego przez niego w różnych płynach tkankowych, uwalnianego tym razem przez grzyby. Zjawisko antagonizmu między drobnoustrojami było znane od czasów Pasteura i nie wzbudzało większego zainteresowania, tym razem jednak doszło do lizy bakterii w wyniku oddziaływania grzybów, co było nowym wydarzeniem. Fleming zdawał sobie sprawę z ważności dokonanej obserwacji. Poszukując mechanizmu odpowiedzialnego za zabijanie bakterii przez grzyby, stwierdził antybakteryjną substancję w płynnej hodowli grzyba i nazwał ją penicyliną. Zastosował bogate w nią filtraty hodowli płynnej grzybów w leczeniu powierzchownych zakażeń bakteryjnych, jednak bez większego sukcesu. Niestety ani jemu, ani jego kolegom nie udało się oczyścić penicyliny. W publikacji poświęconej tej substancji stwierdził, że zabija ona m.in. gronkowce, paciorkowce i gonokoki, a nie działa lub działa bardzo słabo na Salmonella i prątki gruźlicy. Fleming brał pod uwagę lecznicze zastosowanie penicyliny i sugerował, że bakterie mogą stać się na nią oporne.

W 1939 r. René Dubos odkrył gramicydynę. Okazała się ona jednak tak toksyczna, że znalazła zastosowanie tylko w miejscowym leczeniu niektórych zakażeń powierzchownych.

Dopiero w czasie II wojny światowej Howard Florey i Ernst Chain oczyścili penicylinę i odkryli sposób uzyskiwania jej w ilości tak dużej, że można ją było zastosować w lecznictwie. Przemysłową produkcję tego leku rozpoczęto w ramach wojennego projektu z udziałem Stanów Zjednoczonych i Wielkiej Brytanii. Fleming, Florey i Chain za prace nad penicyliną otrzymali Nagrodę Nobla. Momentem przełomowym w syntezie tych leków było uzyskanie w 1959 r. kwasu 6-aminopenicylinowego.

Bakteriobójcze właściwości penicyliny i wprowadzenie tego antybiotyku do lecznictwa spowodowały, że zaczęto intensywnie szukać podobnych substancji. Jeden z programów poszukiwania antybiotyków wytwarzanych przez glebowe promieniowce kierowany był przez Selmana Waksmana. W 1944 r. odkrył on streptomycynę, a później kolejne aminoglikozydy. Wkrótce pojawiły się inne antybiotyki, kolejno m.in. tetracykliny, syntetyczne antybiotyki (np. chloramfenikol), oporne na penicylinazy antybiotyki β-laktamowe i półsyntetyczne penicyliny (np. ampicylina).

Opisane powyżej substancje w większości z powodzeniem stosowane są do dziś, choć często po licznych modyfikacjach.