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炭疽菌Bioterrorism
1 炭 疽 菌
山本達男
新潟大学大学院医歯学総合研究科 国際感染医学講座
細菌学分野 (細菌学教室)
Bacillus anthracis
T a t s u o Y A M A M O T O
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o n of B a ct e nl
ol oB y ,D e p a rt m e n t Of l d e cti o u s D )
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G r ad u a te S ch o ol of M e d )'
c al aL]d D e n t al S c)'
e n c e s
わが国の炭痘
炭痕 は動物由来感染症で, わが国に も存在して
い た ( 図 1) .ヒ ト の 感染が 最後 に報告 され た の
は平成 6 年 (1 994 年) で, 東京都と宮城県で 1 名
ずつ, 合計 2 名の患者が発生 して い る . そ の 内東
京都 の 患者は死亡 . 1 995 年以降は炭痕は発生 して
い ない.
ウ シ で の 感染は,
ヒ トで の 感染より多く報告 さ
れ て お り , 激減 傾 向 を示 し な が ら も平成 3 年
(1 99 1 年) まで続い た . そ の後 8 年間は報告が途
絶 えて い た が,
9 年後の 平成 12 年 (2 0 0 0 年) に
宮崎県で 2 例の 発生 があ っ た .
炭痘菌と感染サイク ル
炭痘菌 (栄養型) は グ ラ ム 陽性の 梓菌で, 長 さ
が およそ 4 /∠ m , 幅がおよそ 0 .5 〃 m- 1 / ∠ m で あ
る ( 図 2 上) . 寒天平板上で培養すると, 長く つ な
が っ て 竹 の よ うな形 を した連鋳梓 菌がみ られ る .
8 7
培養が進むと菌体内に丸 い 芽胞 ( サイ ズ約 1 〃 m )
が形成 される . 芽胞 は炭痘菌の 耐久型構造で, 乾
燥や 熱に強く, 土壌中など の 自然界 で長く生存す
る こ とが でき る .
炭痘菌の 自然界 で の 宿主 ( リザ - バ ー ) は ヒ ツ
ジ,
ウ シ,
ヤギなど の 草食動物で あ る. こ の よう
な草食動物の 感受性は高く, 牧草などに付い て い
た た っ た 数個の 芽胞 で 感染する と言 われて い る .
オオ カミ や野生 の イ ヌ などの 肉食動物は感染しな
い .
芽胞が生体内に 入 る と, 発芽 して栄養型菌 (秤
菌) に変わり, 活発に分裂し, 増殖を始 め る .
こ
の ような生体に感染 した炭痕菌は, 連鎮は少し短
く て,
2 - 3 個が つ なが っ た連銭菌の こ と が多い .
ま た,
生体内で は炭酸ガ ス ( 垂炭酸イ オ ン) の 存
在によ っ て , 炭痘菌は英膜をも つ ように なる . 莱
膜 は宿主の 免疫に抗 して 炭痕菌が増殖するた め の
構造で あり, 炭 痘菌は血液中で も殺菌されず, 牌
臓で も活発 に増殖する . 英膜 をも っ た炭痕菌は強
毒型菌で ある .
R e p ri n t r e q u e st s t o : T at s u o Y A M A M O T O
D ivi si o n of B a c t e ri ol o g y
D e p a rt m e n t of I nf e cti o u s D is e a s e
C o nt r ol a n d I n t e r n atio n al M e dici n e
N iig at a U niv e r sit y G r ad u at e S c h o ol of
M e di c al a n d D e n t al S ci e n c e s
1 - 7 5 7 A s ab i m a cb i - d o ri,
N iig at a 9 5 1 - 8 5 10 J a p a n
別 刷請求先 : 〒95 1 - 8 5 1 0 新潟市旭町通り 1 - 7 5 7
新潟大学大学院医歯学総合研究科国際感染医学講座
細菌学分野 山 本 達 男
8 8
Z 5
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新潟医学会雑誌 第 1 1 8 巻 第 2 号 平成 1 6 年 (2 0 04) 2 月
ヒ ト
ロ 患者数
小 党 亡者教
1 9 6 5 1 9 7 O 1 9 7 S 1 9 8 O 1 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 0
ウ シ
露 分群数
1 9 6 5 1 9 7 0 1 9 7 5 1 9 8 0 1 9 8 5 1 9 9 0 1 9 9 5 2 0 0 0
図 l 我 が国に おけ る炭痘 の 発生状況
感染 した動物 ( ヒ ト) が死 ぬと, 体内の炭痕菌
は酸素に触れ, 芽胞 を作る よう になる .
炭痘菌の 芽胞は , 安定で, 小さく, 空気感染す
る こ と か ら細菌兵器 と して 使用され る .
炭痘菌の細胞感染の電子顕微鏡角牢析
炭痘菌は, 細胞侵入性の 細菌で ある . 培養細胞
に炭痕菌を感染させ ると特異 な感染構造が観察さ
れ る . 感染部位の 細胞膜に は ト ン ネル 状の 穴 が 開
普, 炭痘菌がそ こ に めり込ん で い る ( 図 2 下) . そ
の ト ンネ ル 構造に は, 炭 痘菌の 線毛 ( T F P l) 柄
造が多数観察され る . 炭痘菌は T F P l 線毛を使い,
標的と なる細胞 の_細胞膜 に強 い刺激を与え, 酵素
図 2 炭痘菌 の 走査型電子顕微鏡像
上 : 寒天平板上 の 炭痘菌 ( 連鐘状梓菌 で あ
る. )
下 : 細胞表面 に 感染 し た 炭痘菌 ( 炭痘菌は
細胞 に感染すると,
特異な線毛 を発現
し,細胞表面 に ト ン ネ ル 状 の 穴をあけて
い く . )
反応 に よ っ て 巨大な穴を作 っ て, 細胞 (膜) に侵
入すると考えられ る . 線毛 ( T F P l) は, 新 し い コ
ンポ ー ネ ン ト型 の炭 痘 ワ クチ ン候補で ある .
炭痘菌の病原性 因子
図3 は炭痕菌の 病原性因子 と遺伝子をまと め た
もの で ある1)
. 炭痕菌の 全ゲ ノ ム 配列 は未だ報告
は されて い ない が, 病原性発現で重要な2 つ の プ
ラ ス ミ ド ( p X O l と p X O 2) に つ い て は全 塩基配
炭痘菌 B i ot e rr o ri s m
防潮童琵擾
致死際予 浮腰弼予
染色体
a
A
藩療寮鞠
F、豊臣盛 ?
#ISヱ豊≧ヱ
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遺伝 子
Ie f
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千幽
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p東O l
1 8 1,6 5 4 b p
Q 睦
顔
二義怒十繁藤
AIS 斗6之7
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*
p X O 芝
&&C a e
墓地
紬p
図 3 炭痘菌が も つ 病原性遺伝子
炭痘菌 の 主要な病原性遺伝子 は プ ラ ス ミ ド に存在 して い る . 2 つ の
病原性プ ラ ス ミ ド p X O l と p X O 2 に つ い て は,
全塩基配列が 決定 され
て い る .
列 が解析済み で あり, 病原性遺伝子 とそ の産物を
把握する こ とが でき る .
p X O l は長 さ 1 8 1 k b p で, ホ ロ 毒素の 構成成分
であ る防御抗原 (p r ot e cti v e a n tig e n,P A) , 致死因
チ (1 e th al f a ct o r , L F) そ して 浮腫因子 ( e d e m a
f a ct o r,E F) を コ ー
ドする遺伝子をも つ . また,
こ
の よう な毒素遺伝子群 は ま と ま っ て 存在 して い
て, まとま っ た遺伝子構造を病原性遺伝子島(p a 也-
o g e n i cit y i sl a n d,
PI) と呼ん で い る . 炭痕菌は進
化 の 過程で こ の 病原性遺伝子 島を獲得 して 病原菌
に変化した と考 えられ る .
もう一
つ の プ ラ ス ミ ド p X O 2 は 長 さが 9 6 k b p
で , 英膜を産生するた め の遺伝子群をも っ て い る .
炭痘菌の D N A 診断と堪別
炭痘 が起き た場合の 診断 に は,
P C R を用 い る .
8 9
標的遺伝子 は, 英膜遺伝子 と毒素 (防御抗原, 致
死因子 , 浮腫 因子) 遺伝子で ある .P C R によ っ て
,
炭痕菌で あるか どう か,
そ して その 炭痘菌が強毒
株で ある の か弱毒株で ある の か を鑑別する こ と が
で きる . 米国や わがB] で 問題 に な っ て い る 「白い
粉+ で も数時間以 内に結果を出す こ と がで き る .
リ ア ル タイ ム P C R 法 を用 い る と判定時間が さら
に短縮され る .
米国で は, 複数 の 患者が 出た場合に は分子疫学
解析 と呼ばれ る調査 が行 われ る . 患者か ら試料
(炭痘菌) を分離 ・ 培養し,
D N A を抽出する .こ
の D N A を制限酵素で切断 し, 例えば リボタイ ピ
ン グ法によ っ て その 切断 パ タ ー ン を解析 して , 複
数 の 炭痕菌が 同一
菌か どうか を判定す るもの で あ
る .こ の他に,
パ ル ス フ ィー ル ドゲル電気泳動法
と呼ばれ る方法が ある . い ずれの 方法で も判定に
4,5 日を要する .
9 0 新潟医学会雑誌 第 1 1 8 巻 第 2 号 平成 1 6 年 (2 00 4) 2 月
リ ン パ管閉塞 イ卜 - 出血性縦隔炎 → 敗血症~ 1 0
8/ m I
1 1肺水腫 髄膜炎
図 4 肺炭痘 : 感染と発症 の メ カ ニ ズ ム
空気感染 し た 炭痘菌 の 芽胞 は 肺胞 に達し, 肺胞 マ ク ロ フ ァ
ー ジ に 取
り込まれ る . 発芽後,
炭痘菌は マ ク ロ フ ァー ジ内で増加 し
,
一
部 は 脱
出する . さ ら に,
リ ン パ 管 を通 っ て リ ン パ 節 に到達 し た 炭痘菌 ,あ る
い は 芽胞 は一
連 の 深部感染症 の 原因となる.
主な症状 : 軽度 の 発熱,疲労感, 頭痛, 筋肉痛
,胸部の 軽度の痔痛
D N A 診断と 同時に, 検体 ( 菌株) の 生物性状
検査を行う . まず, レ シ チナ - ゼ活性を検査する .
卵黄培地 ( レ シ チ ン を含ん だ培地) に炭痘菌を培
養すると, 炭痘菌は菌体の外に レ シチナ - ゼ を産
生するた め に, 集落の周 りに白い沈殿 ( レ シ チ ン
が分 解され て 生 じた 不溶性の リ ン脂 質) を生 じ
る . また,
マ ン ニ ッ トを分解しな い の で, ( ア ミ ノ
酸を分解 して ア ン モ ニ ア を産生 して) 培地 を赤く
B B
変色 さ せ る . 卵黄反応 は枯草菌と の鑑別 に有用 で
あ る . 赤血球溶解反応 は,
セ レ ウ ス 菌 ( 食中毒の
原因菌) との鑑別 に用い られ る . ヒ ツ ジ血液寒天
培地 で培養すると,
セ レ ウ ス 菌集落は溶血性を示
すが, 炭痘菌集落は溶血性を示さ ない
. また , 両
者を運動性で鑑別する こ ともで き る . SI M 軟寒天
培地 に針で 穿刺 し, 培養する と,
セ レ ウ ス 菌は遊
走 して培地全体に広が る . 炭痕菌は鞭毛を作らな
炭痘菌 Bi o t e r r o ri s m 9 1
い た め に運動性 が無く, 穿刺した場所だけに菌 が
増殖 する .
発症 メカ ニ ズム
肺炭痘 :
約 1 F L m と小さな構造で ある芽胞を吸 い 込む と,
芽胞 は肺胞 にま で到達して しまう ( 図 4) 2) 3). 肺
胞 に は肺 胞 マ ク ロ フ ァー ジが 多数存在 して い る .
炭痕菌芽胞 はその 肺胞 マ ク ロ フ ァー ジ に侵入 , 内
部 の フ ァ ゴ ソ- ム に取り込まれ ると
,リ ソ ソ ー ム
と融合する . こ の 段階で, リ ソ ソ ー ム 内の殺菌物
質によ っ て 芽胞 が刺激され, 発芽が促進される .
一 般細菌で は こ の 融合 によ っ て ( リ ソ ソ ー ム 内の
加水分解酵素や活性酸素が作用 して) 殺菌されて
しまう . ま た, 結核菌の 場合には, 炭痕菌と 同様
に肺胞 マ ク ロ フ ァー ジ内に侵入 し, そ こ で増殖す
るが, リ ソ ソ ー ム に対して は融合を阻止する .
発芽 して 栄養型 に な っ た炭痘菌は フ ァ ゴリ ソ ソ
ー ム を脱出して細胞質内に移行 し, 細胞質内で増
殖す る. その一
部は細胞膜を破 り, 細胞外に出る .
こ の段階で は英膜や毒素は不要であ る .
細胞外の 炭痘菌ある い は肺胞マ ク ロ フ ァー
ジに
こ取り込 まれ た状態 の炭 痘菌 ( 芽胞) は傍気管支 リ
ン パ 節に移動 し, さら に胸郭リ ン パ 節に移動 して
そ こ で増殖し, 毒素を産生 して 出血性の リ ン パ 節
炎を惹起する . 毒素の作用によりリ ン パ 節 ・
リ ン
パ 管を閉塞させ , 浮腫を起 こす. さらに, 菌血症
や 敗血症 を起 こす. 血中の 炭痘菌濃度 が菌血症 と
して は最高 レ ベ ル の 10 8/ m l に達する こ と が ある .
こ の状態 の 炭痘菌は血液脳 開門 の細胞 をも突破 し
て髄液中に入 り, 深刻な髄膜炎を起 こす.
腸炭痘 :
炭痘菌はサ ル モ ネ ラ や赤痢菌と同様に,パ イ エ
ル 板の M 細胞か ら侵入 する可能性 があ る . 侵人
後, 炭痘菌は増殖 して 毒素を産生 し, 腸管粘膜 に
浮腫を起 こ した り, 壊死 を起 こ した り して腸管に
穿孔を形成する. 稀に, 炭痘菌が リ ン パ 節 ・
リ ン
パ管を経て静脈中に侵入 し, 敗血症を惹起する.
皮膚炭痕 :
炭痘菌が皮膚の 傷か ら侵入 し, 増殖 して毒素を
産生す る . 毒素の 作用 の 1 つ と して サイ トカイ ン
を誘導 し, リ ン パ 球の浸潤や , 発疹, 水痘 を形成
し,さらに潰癌と壊死を起 こす.
炭痕毒素 :
炭痘毒素とは, 防御抗原 と敦死 因子か ら なる敦
死毒素 (1 e 也 al t o x i n) と, 防御抗原と浮腫 因子 か
ら な る浮腫毒素 ( e d e m a t o xi n) の 2 種類か ら な
る複合毒素である . 敦死毒素と浮腫毒素は A B 型
毒素で ある . 防御抗原は,
感染防御抗原と して炭
痕を防御する こ と がで きる因子と考えられて い た
が, 実際に は病原性因子で ある . 毒素の Ⅹ線構造
が 明ら か に な っ た .
防御抗原は単量体で,
N 末端側に P A 20 と呼ぶ
ド メ イ ン が,
C 末端側に P A 6 3 と 呼ぶ ド メ イ ン が
位置する . 防御抗原が細胞表面 の レ セ プタ ー を認
識 して結合する と, 細胞表面 の プ ロ テ ア ー ゼ ( プ
リ ン) に よ っ て 切断され, N 末端側 の Pj u O が切
り離されて , C 末端側の P A6 3 だけが残る . P A 6 3
は細胞表面で 7 量体を形成 し, 中心 に穴が空 い た
構造を取る .こ の 7 量体 に致死因子や 浮腫 因子 が
結合する .こ の 状態で毒素が フ ァ ゴ ソ - ム に取り
込まれ,さ らに防御抗原の 働きで致死因子と浮腫
因子が細胞質内に注入され る .
敦死 因子 は メ タ ロ ( 亜鉛) プ ロ テ ア ー ゼ で あ
る .マ イ ト ジ ュ ン活性化プ ロ テ イ ン キナ
- ゼ キナ
- ゼ ( M A P K K) を分解する . M A P K K は,
マ ク ロ
フ ァー ジ内におい て は マ イ トジ ュ ン活性化プ ロ テ
イ ン キナ - ゼ ( M A P K) をリ ン酸化 して マ ク ロ フ
ァー ジを活性化させ る . 炭痕菌は致死因子に よ っ
て マ ク ロ フ ァー ジ の機能を低下させ
,マ ク ロ フ ァ
ー ジ内で生存し続ける . ま た, M A P K K の 切断に
よ っ て T N F -
α,IL - 1β等の サ イ トカイ ン が細胞
か ら大量 に放出され,シ ョ ッ クを惹起する.
浮腫因子も致死 因子 と同様の メ カ ニ ズ ム で細胞
質内に取り込まれる . そ こ で 浮腫因子 は カ ル モ ジ
ュ リ ン依存性ア デ ニ レ ー
ト シ ク ラー ゼ を活性化す
る . 活性化された カ ル モ ジ ュ リ ン依存性ア デ ニ レ
ー ト シ ク ラ ー ゼ は A T P か ら サイ ク リ ッ ク A M P
( C A M P) を生成する . 細胞内で c A M P 濃度が上
昇する と, 水の 透過性が変化 して浮腫 が惹起 され
る . ポ ー
リ ン や Cl ‾チ ャ ネル 等の 水透過 に関与す
9 2 新潟医学会雑誌 第 1 1 8 巻 第 2 号 平成 1 6 年 ( 20 0 4) 2 月
るチ ャ ネ ル を活性化さ せ ると考え られて い る .
納豆菌との関連
炭 痘菌の 英腰 は γ- ポリ グ ル タ ミ ン酸で 構成さ
れて い る . 日本で よく食 べ られて い る納豆 の"
ネ
バ ネバ”
,つ まり納 豆菌 ( B a cill u s s u b t7
'
11'
s) が つ く
る粘着質の 構造 も同じく γ- ポ リグ ル タ ミ ン 酸で
で きて い る . 両者の γ- ポリ グ ル タ ミ ン酸 の 合成
遺伝子 (4 つ の 遺伝子) に も相同性がある.
た だ し, 違い もある . 炭痘菌の γ
- ポリグ ル タ ミ
ン酸 ( 英膜) は D 型で あり, 菌表層結合型で ある .
一 方, 納豆菌の γ- ポリ グ ル タ ミ ン 酸は D 型と L
型の 混 ざりで, 菌体から分泌 される物質で ある .
納豆菌はその粘着性 ("
ネバ ネ バ”
) によ っ て納
豆に付着するが , 炭痘菌の場合も, 英膜は組織に
結合するた め の 構造で ある可能性があ る . ある い
は , 納豆 の"
ネバ ネ バ”
で炭痘が防御で き る の で
あろうか .
お わ り に
炭痘菌テ ロ 対策と して, 市民用 の ワ クチ ン 開発,
そ して交差耐性を引き起 こ さな い新 し い概念 の 抗
菌薬 ( 抗炭痘菌薬) の 開発が 必要で ある.
文 献
1 ) M o c k M a n d F o u et A : A n th r a x . A n n u R e v
M i c r o bi o1 5 5: 6 4 7 - 6 7 1 2 0 0 1 .
2 ) I n g l e s b y T V,
H e n d e r s o n D A,
B a rtl ett J G ,
A s c h e r M S,
Eit z e n E,
F ri e dl a n d e r A M,
H a u e r∫,
M c D a d e ∫, O st e rh ol m M T , OIT o ol e T , P a rk e r
G , P e rl T M,
R u s s ell P K a n d T o n at K : A nth r a x a s
a bi ol o g i c al w e a p o n : m e di c al a n d p u bli c h e alt h
m a n a g e m e n t . W o r ki n g G r o u p o n Ci v ili a n
Bi o d ef e n s e . J A M 2 8 1: 1 7 3 5 - 1 7 4 5 1 9 9 9 .
3 ) D i x o n T C,
M e s el s o n M,
G uill e m i n ∫a n d H a n n a
P C : A n 也r a x . N E n gl J M e d 3 4 1 : 8 1 5 - 8 2 6 1 9 9 9 .
2 私の経験 した炭痘
川名 林治
岩手医科大学名誉教授
A n th r a x t h a t I E x p e ri e n c e d
R i nji E A W A N A
P T O 丘s s o L・
E m e n'
t u s,IT 和 t e M e d )
'
c aI U n J'
v e r:S L'
伊
R e p ri n t r e q u e s t s t o : Ri nji K A W A N A
1 - l l - 6 T s u k ig a o k a,
M o ri o k a 0 2 0 - 0 12 1 J a p a n
別刷請求先 : 〒 02 0 - 0 1 2 1 盛岡市月が 丘 1 - l l - 6
川 名 林 治