HELICOBACTER PYLORI – ČIMBENICI VIRULENCIJE KOJI POMAŽU U NJENOJ KOLONIZACIJI I PATOGENOSTI

Helicobacter pylori je mikroaerofilna, spiralna bakterija a predstavlja jedan od najvažnijih rizičnih čimbenika u razvoju gastritisa, ulkusa želuca i dvanaesnika, a neliječena infekcija može rezultirati razvojem karcinoma želuca i rijetkog tipa limfatičkog tumora – MALT limfom.

Procjenjuje se da je H.pylori inficirano oko 50% odraslog stanovništva u razvijenim i oko 80% stanovnika zemalja u razvoju. Njen način preživljavanja u kiseloj sredini, patogenost i način izazivanja bolesti vrlo su kompleksni, još uvijek u fazi istraživanja i nedovoljno upotrebljeni u kliničkoj praksi. Nakon prijelaza u lumen želuca, H. pylori kolonizira područje antruma i korpusa želuca, a dobro razvijeni mehanizmi prilagodbe omogućuju joj preživljavanje u kiselim uvjetima i uspostavljanje trajne infekcije.

Mehanizmi prilagodbe H.pylori:

1. Čimbenici virulencije povezani s preživljavanjem u kiselim uvjetima:

a) Ureaza – H. pylori proizvodi veliku količinu intracelularne ureaze, a uz unutarstaničnu ureazu H. pylori sadrži i izvanstaničnu ureazu na bakterijskoj površini. Hidroliza uree katalizirana ureazom rezultira proizvodnjom amonijaka i karbamata. Amonijak u svom protoniranom obliku (NH4+), neutralizira želučanu kiselost i igra važnu ulogu u osiguravanju povoljnog gotovo neutralnog mikrookruženja oko H. pylori. Razgradnjom karbamata, stvara se ugljična kiselina koja se razgrađuje do CO2 i vode, a stvoreni CO2 pretvara se u bikarbonat koji pomaže u održavanju periplazmatskog pH oko 6,1. Proizvodnja amonijaka oštećuje međustanične veze, narušava stanični integritet, što posljedično dovodi do oštećenja želučanog epitela. CO2 štiti H.pylori od baktericidnog djelovanja dušikovog oksida i procesa fagocitoze. Nedavne studije ukazuju da ureaza može pridonijeti rastu tumora i metastatskoj diseminaciji induciranjem angiogeneze, a također ureaza aktivira put PI3K-AKT-mTOR u želučanim stanicama. Aktivacija ovog puta povećava ekspresiju HIF-α. Ureaza pokreće diferencijaciju endotelnih stanica stvaranjem reaktivnih vrsta kisika i aktiviranjem puta lipoksigenaze putem proupalnih svojstava, pridonoseći napredovanju infekcije H. pylori do karcinogeneze želuca. Nadalje, pokazalo se da se H. pylori ureaza veže na molekule klase II glavnog histokompatibilnog kompleksa (MHC) i inducira apoptozu stanice.

b) Oblik bakterije – spiralni oblik bakterije koji omogućava pokretljivost bakterija također pomaže u izbjegavanju kiselih uvjeta u želucu. Nakon ulaska u želudac, bakterije prelaze iz kiselih uvjeta u sloj sluzi koji stvara zašitni sloj, prije nego H.pylori prijeđe na želučani epitel i započne kolonizaciju i infekciju stanica.

c) Polarne flagele – H. pylori normalno ima dvije do šest flagela, a izloženost kiselini aktivira flagelin (flagelarni protein) koji pojačava pokretljivost i “bijeg” iz kiselih uvjeta.

2. Čimbenici koloniziranja epitelnih stanica

Proteini vanjske membrane poput adhezina koji veže antigen krvne grupe (BabA), adhezina koji veže sijalnu kiselinu (SabA), proteina vanjske upale (OipA), proteina vanjske membrane H. pylori (HopQ) i drugih proteina stupaju u interakciju s receptorima koji se nalaze na epitelnim stanicama želuca, igrajući ključnu ulogu u patološkim događajima kroničnih infekcija. Interakcija ovih čimbenika sa stanicama domaćina, štiti bakteriju od odstranjivanja tijekom lučenja sluzi, osiguravaju joj pristup hranjivim tvarima te potiču prijenos bakterijskih toksina stanicama domaćina.

3. Čimbenici virulencije povezani s patogenošću H.pylori

a) Otok patogenosti H.pylori – Cag

Otok patogenosti Cag (Cag PAI) je DNA insercijski element od 40kB koji sadrži približno 32 gena koji kodiraju bakterijski sustav izlučivanja tip IV. Iako svi sojevi H.pylori izazivaju gastritis, sojevi koji sadrže Cag PAI (Cag+) povećavaju rizik pojavnosti kroničnog gastritisa, atrofije, displazije i želučanog adenokarcinoma u odnosu na Cag negativne sojeve. Sojevi H.pylori koji su Cag negativni nalaze se pretežno u sloju mukusnog gela, dok Cag pozitivni sojevi prijanjaju uz želučane epitelne stanice.

Sustav izlučivanja tipa IV omogućuje isporuku bakterijskih efektorskih molekula u stanice želučanog epitela domaćina. CagA (citotoksin vezan uz gen A) završni je genski produkt otoka Cag i translociran je u stanice domaćina sustavom izlučivanja tipa IV nakon pričvršćivanja bakterije. CagA potiče hiperproliferaciju želučanih epitelnih stanica implicirajući ovu molekulu kao bakterijski onkoprotein.  Nakon unošenja u epitelne stanice želuca CagA prolazi fosforilaciju tirozina od strane članova Abl i Src obitelji kinaza. Intracelularni, fosforilirani-CagA, zauzvrat, aktivira eukariotsku fosfatazu (SHP-2) i izvanstanični signal-reguliranu kinazu 1 i 2 (Erk1/2), što dovodi do raspršenja stanica, snažne reorganizacije aktina i drugih morfoloških promjena.  Konkretno, studije transfekcije CagA pokazale su da interakcije fosforiliranog-CagA-SHP-2 pridonose preustroju citoskeleta i produljenju stanica aktivacijom Erk-signalnog puta. Nedavne studije ukazale su da CagA stimulira aktivaciju YAP signalnog puta što dovodi do želučane tumorogeneze
u umjereno diferenciranim hiperdiploidnim stanična linijama želučanog adenokarcinoma.

Uz CagA, H. Pylori peptidoglikan (PGN) koji ulazi u stanice putem sustava izlučivanja tipa IV I vanjskih membranskih vezikula stimulira proizvodnju proupalnih citokina MIP-2, β-defenzina i IL-8. Nedavna studije također ukazuju da CagA može inducirati ekspresiju gena CDX1, a njegova aktivacija potiče proliferaciju stanica, invaziju/migraciju, intestinalizaciju želučanih epitelnih stanica i indukciju fenotipa sličnog matičnim stanicama što dovodi do razvoja karcinoma i neuspjeha uobičajenih kemoterapijskih pristupa u liječenju karcinoma želuca. Nedavno je otkriveno da CagA akutno potiskuje ekspresiju proteina toplinskog šoka (HSP1) nakon infekcije s H.pylori pri čemu bakterija lako izbjegava imunološki odgovor domaćina i na lakši način potiče uspostavljanje infekcije.

b) Vakuolizirajući citotoksin (VacA) koji izlučuje Helicobacter pylori povećava sposobnost bakterije da kolonizira želudac i pridonosi patogenezi želučanog adenokarcinoma i peptičkog ulkusa. VacA ima nekoliko uloga u staničnoj patogenosti, a smatra se multifunkcionalnim toksinom koji izaziva vakuolizaciju stanica i staničnu nekrozu. Brojne studije ukazale su na indukciju stanične apoptoze oštećenjem mitohondrijskih funkcija u epitelnim stanicama želuca, a dodatni apoptotski potencijal ostvaren je kroz poticanje stresa endoplazmatskog retikuluma kako bi se aktivirala autofagija i stanična smrt. Vakuolizirajući citotoksin potiče preživljavanje H.pylori neovisno o prisustvu CagA.

c) Htr A proteza je novo otkriveni čimbenik virulencije koji pomaže H. Pylori u razgradnji pogrešno formiranih proteina, transport CagA na bazolateralnu mebranu stanica te cijepanju proteina “tight junctions” kao što su okludin, klaudin-8 i molekule E-kadherina na želučanim epitelnim stanicama, koji su važni spojni proteini i supresori tumora. Štoviše, njihovo uništenje snažno je povezano s progresijom i metastazama želučanih karcinoma.

d) Vanjske membranske vezikule (OMV) su mjehurići koje prirodno izlučuje H. pylori tijekom njenog rasta u logaritamskoj fazi. Budući da se OMV oslobađaju iz vanjske membrane bakterije, sadrže nekoliko fosfolipida specifičnih za vanjsku membranu kao što su fosfatidilglicerol, fosfatidiletanolamin, lizo-PE, fosfatidilkolin, lizo-PC, kardiolipin, lipopolisaharide i nekoliko bakterijskih čimbenika virulencije poput adhezina, proteaza i toksina. Nakon otpuštanja, preuzimaju ih endocitozom ovisnom o klatrinu ili mehanizmom neovisnom o klatrinu, epitelne stanice želuca. Biopsijom želučane sluznice OMV se mogu detektirati i unutar i izvanstanično. Dokazano je da vanjske membranske molekule štite patogen od djelovanja slobodnih radikala kisika, a osim zaštitne uloge dokazano je da OMV potiču infekciju, oštećuju staničnu funkciju i moduliraju imunološku obranu domaćina putem imunosupresivne proizvodnje citokina IL-10 u mononuklearnim stanicama ljudske periferne krvi. Nedavne studije dokazale su značajno veću količinu H.pylori i OMV -a u želučanom soku pacijenata s karcinomom želuca u usporedbi sa zdravim kontrolnim osobama.

e) H. pylori γ-Glutamil transpeptidaza je enzim koji katalizira transpeptidaciju i hidrolizu γ-glutamilnog dijela glutationa i spojeva konjugiranih s glutationom u amino H. pylori gGT izaziva apoptozu, inhibira proliferaciju želučanih stanica, zaustavlja stanični ciklus i stvara reaktivne radikale kisika, a značajno veća aktivnost gGT utvrđena je u sojevima H.pylori izoliranim iz bolesnika s peptičkim ulkusom i karcinomom želuca, što ukazuje da H.pylori gGT doprinosi ozbiljnoj patogenosti. Također otkrivena je i važna uloga gGT-a u naglašavanju vakuolizacije epitelnih stanica ovisne o VacA, što se povezuje s hidrolizom izvanstaničnog glutamina, čime se oslobađa amonijak koji naglašava vakuolizaciju ovisnu o VacA.

4. H. pylori i mikrobiota u karcinogenezi želuca

H. pylori potiče karcinogenezu utječući na sastav mikrobne populacije
(mikrobiota) u želucu, međutim, mehanizam nije u potpunosti definiran. Precizna ravnoteža komenzalne mikrobiote u gastrointestinalnom traktu igra važnu ulogu u regulaciji imunološkog odgovora sluznice domaćina, učinkovitom ubijanju potencijalnih patogena i karcinogenezi. Istraživanja su pokazala da neki mikroorganizmi poput Escherichia coli, Lactobacillus spp., Nitrospirae spp., Clostridium spp., Veillonella spp., Haemophilus spp. i Staphylococcus spp. pretvaraju dušikove spojeve u potencijalno kancerogene N-nitrozo spojeve u želučanoj tekućini i povećavaju rizik razvoja karcinoma, dok su oralni komenzali kao što su Streptococcus spp., Prevotella spp. i Neisseria spp. povezani nižim rizikom za razvoj karcinoma želuca. Nasuprot tome, drugi oralni mikrobi kao što su Pasteurella stomatis, Spodoptera exigua, Parvimonas micra, Streptococcus anginosus i Dialister pneumosintes pokazuju povezanost s razvojem karcinoma želuca. Iako su mikrobiološki čimbenici još uvijek u fazi istraživanja očito je da želučana mikrobiota koja kolonizira tumorsko mikrookruženje dodatno važan čimbenik karcinogeneze i njenog napredovanja.

Reference:

1. Ansari S, Yamaoka Y. Helicobacter pylori Virulence Factors Exploiting Gastric Colonization and its Pathogenicity. Toxins 2019,11(11), 677;https://doi.org/10.3390/toxins11110677
2. Schoep, T.D.; Fulurija, A.; Good, F.; Lu, W.; Himbeck, R.P.; Schwan, C.; Choi, S.S.; Berg, D.E.; Mittl, P.R.; Benghezal, M.; et al. Surface properties of Helicobacter pylori urease complex are essential for persistence. PLoS ONE 2010, 5, e15042
3. Yao, Y.; Shen, Y.; Zhu, L.; Ni, Y.; Wang, H.; Shao, S. Preliminary study and bioinformatics analysis on the potential role of CagQ in type IV secretion system of H. pylori. Microb. Pathog. 2018, 116, 1–7
4. Tohidpour, A. CagA-mediated pathogenesis of Helicobacter pylori. Microb. Pathog. 2016, 93, 44–55
5. Abdullah, M.; Greenfeld, L.K.; Bronte-Tinkew, D.; Capurro, M.I.; Rizzuti, D.; Jones, N.L. VacA promotes CagA accumulation in gastric epithelial cells during Helicobacter pylori infection. Sci. Rep. 2019, 9, 38
6. Ricci, V. Relationship between VacA toxin and host cell autophagy in Helicobacter pylori infection of the human stomach: A few answers, many questions. Toxins 2016, 8, 203.
7. Winter, J.L.D.; Rhead, J.; Atherton, J.; Robinson, K. Helicobacter pylori membrane vesicles stimulate innate proand anti-inflammatory responses and induce apoptosis in Jurkat T cells. Infect. Immun. 2014
8. Bravo, J.; Díaz, P.; Corvalán, A.H.; Quest, A.F.G. A Novel Role for Helicobacter pylori Gamma-Glutamyltranspeptidase in Regulating Autophagy and Bacterial Internalization in Human Gastric Cells. Cancers 2019, 11, 801
9. Jo, H.J.; Kim, J.; Kim, N.; Park, J.H.; Nam, R.H.; Seok, Y.J.; Kim, Y.R.; Kim, J.S.; Kim, J.M.; Kim, J.M.; et al. Analysis of gastric microbiota by pyrosequencing: Minor role of bacteria other than Helicobacter pylori in the gastric carcinogenesis. Helicobacter 2016, 21, 364–74