Микробиология с микробиологическими исследованиями

С.А. ПАВЛОВИЧ





                МИКРОБИОЛОГИЯ с микробиологическими исследованиями




Допущено
Министерством образования Республики Беларусь в качестве учебного пособия для учащихся специальности «Медико-диагностическое дело» учреждений, обеспечивающих получение среднего специального образования
















Минск «Вышэйшая школа» 2009

УДК 579(075.32)
ББК 28.4я723
     П12




    Рецензенты: цикловая комиссия по специальности «Медико-диагностическое дело» У О «Гомельский государственный медицинский колледж» (председатель Л.В. Речиц); профессор кафедры медицинской биологии и общей генетики УО «Гродненский государственный медицинский университет» В.П. Андреев

    Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может быть осуществлено без разрешения издательства.




























ISBN 978-985-06-1498-8

        © Павлович С.А., 2009
                              © Издательство «Вышэйшая школа», 2009

ПРЕДИСЛОВИЕ




   Учебное пособие соответствует программе, утвержденной Министерством образования Республики Беларусь для специальности 2-79 01 04 «Медико-диагностическое дело».
   Оно состоит из трех разделов, включающих лабораторный практикум, что позволит учащемуся освоить практические навыки, базирующиеся на полноценной научной информации.
   В первом разделе «Общая микробиология» изложены систематика, номенклатура, морфология и ультраструктура, экология, физиология и генетика прокариот и вирусов. В главах «Антибиотики», «Инфекция», «Иммунитет» представлены общие механизмы функционирования иммунной системы и все реакции иммунитета, использующиеся в оценке иммунного статуса человека и диагностике инфекционных болезней.
   Во втором разделе «Частная микробиология» детально описаны видовые особенности наиболее значимых в эпидемиологическом отношении возбудителей бактериальных, вирусных инфекций и микозов, а также обобщенная лабораторная диагностика риккетсиозов, хламидиозов и протозойных инвазий у человека.
   Третий раздел «Основы клинической и санитарной микробиологии» объединяет два подраздела. В первом из них кратко сформулированы задачи клинической микробиологии, и с учетом произошедших изменений в клинических проявлениях классических инфекций внимание учащихся нацелено на комплексное исследование, позволяющее в сжатые сроки установить природу возбудителя заболеваний. Особое внимание уделено внутрибольничным инфекциям, возникающим у госпитализированных лиц на фоне иммунодефицитов. В подразделе «Санитарная микробиология» даны обстоятельные рекомендации санитарно-микробиологических исследований объектов окружающей среды, а также контроля обслуживающего персонала за соблюдением мер личной и общественной гигиены.
   Автор выражает глубокую благодарность рецензентам за ценные замечания и пожелания, учтенные при подготовке пособия к изданию.
Автор

3

            Раздел I. ОБЩАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ




МИКРОБИОЛОГИЯ КАК НАУКА И ЭТАПЫ ЕЕ РАЗВИТИЯ

   Микробиология (mikros — малый, bios — жизнь, logos — учение) — наука о микроорганизмах, их строении и жизнедеятельности, наследственности и изменчивости, значении в природе и народном хозяйстве. Микроорганизмы могут иметь клеточное и неклеточное строение. Размеры отдельных особей микробов, имеющих клеточное строение, составляют 0,2—20 мкм (чаще 0,5—10 мкм), что позволяет легко обнаружить их под иммерсионным микроскопом. Неклеточные организмы, или вирусы (virus — яд), во много раз меньше. Диаметр самых больших из них, например вируса натуральной оспы, не превышает 300 нм, а у самых мелких составляет 10—15 нм. Для выявления вирусов используются электронные микроскопы.
   Подразделы микробиологии. По целевой направленности и решению практических задач различают общую, техническую (промышленную), медицинскую, ветеринарную, санитарную, радиационную и космическую микробиологию. При этом общая микробиология изучает систематику, структурную организацию, химический состав, ферментные системы, культивирование и генетику микроорганизмов; техническая — использование микроорганизмов в производстве антибиотиков, ферментов, витаминов, стероидов, аминокислот и прочих биологически активных веществ, молочных и других продуктов, чая, кофе, какао, обработке каучука, хлопка, шелка, дублении кож и др.; медицинская и ветеринарная микробиология — закономерности жизнедеятельности патогенных для человека и животных микроорганизмов, механизмы инфекции и иммунитета, методы специфической профилактики и терапии инфекционных заболеваний; санитарная — микробную обсемененность окружающей среды, в частности выживаемость на различных объектах санитарно-показательных и патогенных микробов, их влияние на здоровье человека и естественные процессы; радиационная и космическая микробиология — влияние ионизирующих излучений и космических частиц на микроорганизмы.


4

Краткие сведения по истории микробиологии, вирусологии и иммунологии


   Заразные болезни были известны людям уже в античном мире. В те далекие времена их называли «прилипчивыми» и, как свидетельствуют древние источники, боясь заразиться ими, больных проказой изгоняли или заключали в особые «дворы прокаженных». По той же причине более трех тысячелетий тому назад в Китае, а позже в других странах, начала применяться вариоляция, т. е. искусственная прививка против человеческой «черной оспы». Древние евреи, индусы и китайцы, а затем греки и римляне в борьбе с заразными болезнями широко практиковали изоляцию больных и гигиенические мероприятия. Так, в Древнем Риме расход воды на одного человека в 10 раз превышал норму, принятую сейчас в Европе.
   Первые представления о том, что возбудителями заразных болезней могут являться мельчайшие организмы, которым итальянский ученый Т. Седильо в конце XIX в. дал название «микробы», начали формироваться в трудах крупнейших ученых-философов и произведениях поэтов и писателей Древней Греции и Рима. В частности, Тит Лукреций Кар в оде «О природе вещей» (I в. н. э.), касаясь заразных болезней, предполагал, что каждая из них зарождается «семенами», а спартанский философ Фукидид возбудителей инфекций называл contagium animatum или живым контагием — термином, который до сих пор применяется в медицине как синоним слова «заразность». Однако дальше умозаключений античные прорицатели пойти не смогли ввиду относительно низкого уровня техники того времени.
   Условия для быстрого накопления современных знаний по этиологии инфекционных болезней появились лишь в эпоху Возрождения и промышленной революции, давших толчок развитию физики, химии, естествознанию и медицине, из которой выделилась эпидемиология как самостоятельная отрасль, призванная исследовать эпидемии. Глубже стали изучаться природа инфекционных болезней, причины их возникновения и распространения. Огромный вклад в этот вопрос внес итальянский эпидемиолог Джироламо Фрокасторо (1483—1553). С его именем связывают всеобщее признание живого болезнетворного начала (contagium vivum) в возникновении инфекционных болезней и выделении их в отдельную группу из много

5

численных соматических заболеваний. Благодаря активной деятельности эпидемиологов XVII—XVIII вв. в Европе повсеместно стала снижаться заболеваемость натуральной оспой, проказой и чумой. Следует отметить, что полное Собрание законов Российской империи, изданное в 1728 г., содержало многочисленные разделы, касавшиеся противоэпидемических мероприятий. Примечательно, что в нем признавался заразный характер эпидемических болезней, а причиной их считался «яд», который «так прилипчив... что... может заразить и вред наносить». К концу столетия в России появился «Устав о карантинах», где регламентировались меры против заноса из Европы чумы, сыпного тифа и других эпидемических болезней. Его разработали русские врачи-эпидемиологи, среди которых история медицины навеки запечатлела деятельность почетного члена многих западноевропейских академий Данилы Самойловича (1724— 1810), организатора карантинной и противоэпидемической службы на Черноморском побережье, лично участвовавшего в борьбе с эпидемией чумы в Москве в 1771—1772 гг., участника военных походов Потемкина и взятия Очакова.
   Вторая половина XIX в. ознаменовалась появлением микробиологии, вирусологии и тесно связанной с ними инфекционной иммунологии. В их недрах абстрактные рассуждения гениальных мыслителей о существовании в природе contagium получили неоспоримые экспериментальные доказательства.
   Этапы развития медицинской микробиологии. В становлении микробиологии как науки выделяют два этапа — описательный (морфологический) и физиологический.
   Морфологический период берет начало от первых наблюдений голландского естествоиспытателя Антония ван Левенгука (1632—1723), который, изготовив микроскоп, увеличивающий объекты до 200 раз, сумел увидеть и описать все основные формы бактерий и простейших. В 1695 г. был издан труд «Тайны природы, открытые Антонием Левенгуком при помощи микроскопов».
   После исследований Левенгука были сделаны попытки доказать роль микробов в происхождении инфекционных заболеваний. В 1840 г. в печати появилась статья Генле «О миазмах и контагиях», где автор обосновал этиологическое значение микробов в происхождении инфекционных заболеваний. Эта концепция, впоследствии названная триадой Генле—Коха, гласит: 1) предполагаемый возбудитель должен обнаруживаться при

6

определенной болезни и не встречаться при других заболеваниях и у здоровых людей; 2) патогенный микроб должен быть выделен из организма больного в чистом виде; 3) должна быть доказана способность микроба вызывать специфические заболевания у экспериментальных животных.
   В период описательной микробиологии были установлены возбудители трихомоноза (А. Донне, 1836), фавуса (И. Шен-ляйн, 1839), стригущего лишая (Д. Груби, 1843), сибирской язвы (А. Поллендер, 1849; К. Давен, 1850), балантидиаза (П. Мальмстен, 1856), лямблиоза (Д.Ф. Лямбль, 1859).
   Разрозненные факты описательного периода микробиологии были обобщены и приумножены основателем научной микробиологии Луи Пастером (1822—1895), с именем которого связано развитие второго, физиологического, периода микробиологии и эпохальные открытия сущности брожения (1857), невозможности самопроизвольного зарождения (1860), природы порчи пива и вина (1865), болезней шелковичных червей (1868), микробной обусловленности и заразности инфекционных болезней (1881), методов изготовления вакцин и способов предохранения от куриной холеры, сибирской язвы и бешенства (1882—1885).
   Большую роль в истории развития микробиологии сыграли труды Роберта Коха (1843—1910), который разработал метод выделения чистых культур микроорганизмов на плотных питательных средах, в частности ввел в практику агар-агар, желатин, свернутую сыворотку, кусочки овощей, предложил методы окраски бактерий анилиновыми красителями, усовершенствовал микроскоп, использовал микрофотографию. Благодаря усовершенствованию техники и методики микробиологических исследований Кох установил природу сибирской язвы, туберкулеза, холеры, а его ученики и последователи к концу XIX в. открыли почти все возбудители бактериальных инфекций (К. Эберт и Г. Гаффки — брюшнотифозную палочку; Г. Шоттмюллер — палочку паратифа В; Т. Эшерих — кишечную палочку; Э. Клебс и Ф. Леффлер — возбудителя дифтерии; Ф. Леффлер и X. Шютц — возбудителя сапа; С. Китазато — столбнячную палочку).
   Этапы развития вирусологии. Основоположником современной вирусологии является русский ученый, профессор ботаники Д.И. Ивановский (1864—1920), установивший в 1892 г., что мозаичная болезнь табака (МБТ) вызывается инфекционным агентом, фильтрующимся через фарфоровые свечи Шамберла
7

на с такими мелкими порами, которые задерживали известные в то время микроорганизмы. Более того, он гениально предположил, что мельчайший агент фильтрата листьев МБТ имеет корпускулярную структуру, а не является contagium vivum fluidum (жидким живым началом), как утверждал в 1899 г. повторивший исследование Ивановского знаменитый голландский микробиолог Мартин Бейеринк.
   В клетках пораженных МБТ листьев Ивановский сумел в световом микроскопе увидеть также кристаллы, представляющие собой скопления вируса табачной мозаики, которые в 1935 г. получил в чистом виде выдающийся американский ученый-биохимик, первый лауреат Нобелевской премии по вирусологии Уэнделл Стенли. Позже, анализируя становление вирусологии, он скажет: «В науке о вирусах имя Ивановского следует рассматривать почти в таком же свете, как имена Пастера и Коха в бактериологии».
   В истории развития вирусологии можно выделить три периода.
   Первый из них начался с исследований Д.И. Ивановского. Используя его методику обнаружения вирусов, Ф. Леффлер и П. Фрош в 1898 г. доказали, что ящур коров, как и возбудитель МБТ, является фильтрующимся вирусом. Это первое открытие вирусной природы широко распространенной и очень опасной зоонозной болезни парнокопытных позволило признать, что описанные в 1892—1906 гг. внеклеточные элементарные тельца Э. Пашена и цитоплазматические включения Г. Гуарниери в эпителиальных клетках содержимого везикул и пустул (пузырьков) при натуральной оспе человека — тоже вирусы. Такие же включения — колонии вирусов обнаружили в 1898—1903 гг. В. Бабеш и А. Негри в цитоплазме нейронов мозга погибших от бешенства животных.
   Большее число открытий новых вирусов пришлось на первое десятилетие XX в. Так, в 1901 г. возглавляемая У. Ридом государственная комиссия США по выяснению происхождения и природы желтой лихорадки выяснила, что она передается москитами и вызывается фильтрующимся вирусом. Семь лет спустя было доказано, что вирусными болезнями являются также полиомиелит (К. Ландштейнер и Э. Поппер), денге (П. Ашбери и Ч. Крейг) и лейкоз кур (В. Эллерманн и О. Банг), который в то время считали простым «системным разрастанием кроветворной ткани». Через 3 года в 1911 г. Пейтон Раус, использовав все тот же метод фильтрации вытяжки

8

тканей саркомы кур, привел неопровержимые доказательства наличия в ней онкогенного ультравируса, способного вызывать аналогичную опухоль у здоровых птиц. К сожалению, это великое открытие было отмечено Нобелевской премией только спустя 55 лет. Меньше времени понадобилось ждать Б.Э.Арагао и Э. Пашену (1911-1917), чтобы наконец была признана вирусная природа ветряной оспы, в кожных высыпаниях при которой закономерно выявляются элементарные тельца Арагао, всецело сходные с отмеченными выше тельцами его неутомимого соавтора, посвятившего вирусологии всю свою жизнь. Одновременно с ними Т. Андерсон и Дж. Гольдберг (1911) установили вирусную этиологию кори. Революционное открытие в 1917 г. сделал канадский ученый Ф. д’Эрелль, обнаружив фильтрующийся ультравирус, лизирующий дизентерийные бактерии, которые он назвал бактериофагом («пожирателем бактерий»). Стало очевидным, что среди вирусов имеются не только вредоносные, но и полезные для человека и животных вирусы-фаги.
   Вторая волна открытий вирусов антропонозных болезней последовала за установлением в 1933 г. вирусной природы гриппа (У. Смит, К. Эндрюс и П. Лейдлоу). К началу Второй мировой войны к вирусным болезням были причислены эпидемический паротит (К. Джонсон и Э. Гудпасчур, 1934), японский летнеосенний комариный энцефалит (М. Хаяши и А.С. Смородин-цев, 1934—1938), дальневосточный клещевой весенне-летний энцефалит (Л.А. Зильбер, М.П. Чумаков, В.Д. Соловьев и др., 1937), краснуха (Дж. Хиро, С. Тасака, 1938). Переломным в бурном развитии вирусологии первого периода явился 1940 г., когда Э. Гудпасчур предложил для выделения вирусов из материалов использовать куриные эмбрионы.
   Второй, более высокий по своему уровню период развития в вирусологии стал возможным после того, как лауреаты Нобелевской премии Дж. Эндерс, Ф. Роббинс и Т. Уэллер завершили исследование по созданию однослойных культур клеток, а Н. Руск сконструировал электронный микроскоп, усовершенствование которого позволило в 50-60-е гг. ХХ в. У. Роу с сотрудниками получить в чистой культуре аденовирусы, Г. Далдорфу и Г. Сиклсу — коксакивирусы, Дж. Эндерсу и Дж. Мельнику — экховирусы, Р. Чаноку—вирусы парагриппа, Дж. Моррису—респираторно-синцитиальный вирус, а С. Стюарту и Б. Эдди — вирус полиомы, вызывающий множественные опухоли у мышей.

9

   Начало третьего периода в вирусологии связывают с исследованиями лауреатов Нобелевской премии Х.М. Темина и Д. Балтимора, которые, выделив в 1970 г. из ретровирусов обратную транскриптазу, положили начало становлению генной инженерии. Поиски вирусной природы болезней человека и животных в этом периоде завершились выделением вирусов гепатита В (Д. Дейна, 1970) и гепатита А (С. Файнстоу и соавторы, 1974), вироидов, вызывающих заболевания у растений (Т.О. Дайнер, 1972), близких к ним по свойствам прионов (С. Прузинер, 1982) и вируса иммунодефицита человека (Л. Монтанье, Ф. Барре-Синусси, 1983; Р. Галло, 1984).
   Этапы развития иммунологии. Основоположниками иммунологии, зародившейся в недрах микробиологии, являются лауреаты Нобелевской премии И.И. Мечников (1845—1916) и П. Эрлих (1854—1915), разработавшие клеточную и гуморальную теории иммунитета, которые в 50—70-х гг. XX в. получили всестороннее обоснование в исследованиях Ф. Бернета, создавшего современную клонально-селекционную теорию, согласно которой в процессе длительной эволюции в организме человека и животных сформировалась гетерогенная популяция лимфоидных клеток, способных распознавать «свое» и «чужое» в борьбе с «чужим» и продуцировать всевозможные антитела. Экспериментальное подтверждение этому дал П. Медавар, открывший иммунологическую природу отторжения аллотрансплантатов. Дж. Эдельман и Р. Портер расшифровали структуру иммуноглобулинов, а Г. Келер и Ц. Мильштейн разработали способ получения моноклональных антител на основе полученных ими гибридов. Иммунологическая роль В- и Т-лимфоцитов была установлена после открытия главного комплекса гистосовместимости, генов иммунного ответа (Дж. Снелл, Ж. Доссе, Б. Бе-нацерраф) и теории «сетей» Н. Йерне, раскрывшей механизм регуляции иммунитета. В последние два десятилетия выяснены генетические механизмы соматической рекомбинации генов иммуноглобулинов как основы формирования разнообразия антигенраспознающих рецепторов лимфоцитов (С. Тонегава) и роль молекул МНС в презентации антигенов (Р. Цинкерна-гель и П. Догерти). Все эти выдающиеся открытия были удостоены Нобелевских премий.
   Российская школа бактериологов, вирусологов, иммунологов. Дореволюционная российская школа микробиологов формировалась в институте Л. Пастера. Среди овеянных немеркну



10