Газовая гангрена (газовая флегмона) — это чрезвычайно тяжелый инфекционный процесс, развивающийся при инфицировании ран анаэробными патогенными бактериями рода Clostridium. Заболевание сопровождается тяжелой интоксикацией, быстро прогрессирующим омертвением (некрозом) тканей, отеком и газообразованием.
Клостридии обитают в земле, их много в уличной пыли. Предрасположены к заболеванию травмированные люди с обширными участками размозжения мышечной ткани, где резко снижено кровоснабжение и образуется множество «карманов». Бактерии размножаются только в среде, где отсутствует кислород. При попадании в кислородную среду микроорганизмы образуют споры и в таком состоянии сохраняются многие десятилетия. Они обитают в кишечнике человека и травоядных животных, с калом попадают в грунт, и далее с уличной пылью распространяются по объектам внешней среды. При благоприятных условиях клостридии активизируются и начинают интенсивно размножаться. Из множества видов клостридий, в основном, только 7 вызывают газовую гангрену. 70-80% всех заболеваний приходится на Clostridium perfringens. Основной метод лечения заболевания — хирургический. Производятся вскрытие раны лампасными разрезами. При прогрессировании заболевания конечность ампутируется.
Рис. 1. На фото газовая гангрена нижней конечности.
Эпидемиология
На сегодняшний день описано около 80 видов бактерий рода Clostridium. Причиной газовой гангрены у человека являются лишь патогенные виды клостридий: Clostridium perfringens (70 — 80% всех случаев заболевания), Clostridium novi и Clostridium septicum. Описаны также другие виды патогенных бактерий рода Clostridium, но они встречаются значительно реже. Все микроорганизмы являются облигатными анаэробами — растут и размножаются в условиях отсутствия доступа кислорода.
При неблагоприятных условиях бактерии образуют споры. В таком состоянии они могут пребывать значительное количество времени. Споры устойчивы к солнечному свету, высушиванию и высокой температуре. Рост и развитие клостридий происходит только в анаэробных условиях. Восприимчивы к заболеванию человек и все виды животных.
Источники инфекции
Клостридии постоянно присутствуют в почве, кишечнике человека и травоядных животных, в ряде случаев при плохой гигиене бактерии можно обнаружить на кожных покровах.
Пути передачи
Газовая гангрена развивается при инфицировании клостридиями обширных размозженных ран (огнестрельных, рвано-ушибленных), чаще нижних конечностей и туловища, ранениях толстого кишечника. Бактерии проникают в поврежденные ткани с землей, пылью, через обрывки одежды, осколки снарядов, при оперативных вмешательствах, инъекциях лекарственных препаратов, внебольничных абортах. При шахтных и транспортных травмах ранения чаще возникают в области ягодиц и бедер. Подвержены заболеванию лица, травмированные крупным рогатым скотом, свиньями, овцами и козами. Раны при этом загрязняются навозом животных. В некоторых случаях заболевание развивается при небольших, но загрязненных порезах. Заболевание развивается быстро. Первые его признаки появляются уже с первых суток травмирования.
Рис. 2. 90% всех случаев заболевания газовой гангреной приходится на Clostridium perfringens.
Клостридии — факультативные анаэробы (бактерии растут и размножаются при отсутствии доступа кислорода). Являются сапрофитами. Освобождают природу от мертвого органического материала через процессы брожения и гниения. Они присутствуют в кишечнике животных и человека, где питаются органическими остатками, но не инвазируют (проникают) в живые здоровые ткани.
Клостридии — это бактерии палочковидной формы (бациллы), продуцирующие целый ряд токсинов и ферментов, образующие при неблагоприятных условиях споры. Патогенные формы возбудителей вызывают такие грозные заболевания, как столбняк, ботулизм и газовую гангрену. Они вырабатывают самые сильные из известных ядов — тетаноспазмин (Clostridium tetani), ботулотоксин (Clostridium botulinum) и а-токсин (Clostridium perfringens).
Основными возбудителями газовой гангрены являются Clostridium perfringens (70 — 80% случаев), Clostridium novyi (20 — 43%) и Clostridium septicum (5 — 18%). Значительно реже встречаются такие виды клостридий, как Clostridium histolyticum, Clostridium sordellii, Clostridium difficile, Clostridium fallax и др.
Газовая гангрена практически всегда является смешанной инфекцией. Часто при инфицировании к клостридиям присоединяются аэробные микроорганизмы: стрептококки, стафилококки, кишечная палочка, протей и др.
Таксономия клостридий
Возбудители газовой гангрены относятся к семейству Bacillaceae, роду Clostridium. К роду Clostridium относятся многочисленные (около 80) видов клостридий.
Морфология
Возбудитель газовой гангрены — грамположительная палочка. Бактерии обычно подвижны, имеют капсулу. некоторые виды клостридий лишены капсулы, но имеют жгутики. Самая большая по размеру из всех клостридий является С. novyi. Все остальные бактерии значительно меньших размеров.
Клостридии при неблагоприятных условиях образуют споры, расположенные центрально или субтерминально. При центральном расположении спор палочка становится похожей на веретено (closter — веретено).
Споры клостридий устойчивы к высушиванию, высокой температуре и солнечному свету. Они способны выживать в солевых растворах, переносить длительное кипячение, промораживание, ультрафиолетовое облучение, радиацию и вакуум. Споры проявляют устойчивость к целому ряду токсических и дезинфицирующих веществ.
В спорообразном состоянии бактерии могут находиться сотни лет. При благоприятных условиях внешней среды споры прорастают. Процесс прорастания длится 4 — 5 часов.
Рис. 4. Споры Clostridium perfringens.
Рис. 5. На фото спора клостридии. В ее сердцевине находится покоящаяся вегетативная клетка.
Рис. 6. Деление вегетативной клетки после прорастания споры.
Биохимические свойства и токсины клостридий
Возбудители газовой гангрены ферментируют углеводы с образованием газа и кислоты, образуют сложные экзотоксины — 12 ферментов (токсинов) и энтеротоксин, вызывающий воспаление кишечника. Бактерии делятся на шесть сероваров (А, В, С, D, E, F), каждый из которых имеет свои некротические характеристики. Серовар А является основным возбудителем газовой гангрены. Он формирует до 90% всех случаев заболевания. Основные мишени для токсинов являются мембраны клеток. Ферменты способствуют их расщеплению с последующим за этим отеком и аутолизом (саморастворением).
Бактерии типов А и С выделяют энтеротоксины, являющихся причиной пищевых токсикоинфекций и некротического энтерита.
Clostridium perfringens — основной возбудитель газовой гангрены
Газовую гангрену, пищевые токсикоинфекции и некротический энтерит у человека и животных вызывают Clostridium perfringens типов А, С и D. Аналогичные заболевания, но только у животных вызывают Clostridium perfringens типов В, С, D и Е.
Возбудитель впервые был открыт Уэлчем и Нетталом в 1892 году.
Морфология Clostridium perfringens
Бактерии имеют вид палочек с закругленными концами. Они крупные, имеют размер 3-9 × 0,9-1,2 мкм. Неподвижные. Располагаются поодиночке. Выделенные из чистых культур клостридии имеют капсулу. Окрашиваются по Граму в фиолетовый цвет. Старые культуры утрачивают эту способность. Образуют споры, сохраняющие в окружающей среде многие десятилетия.
Рис. 7. Мазок из чистой культуры Clostridium perfringens (фото слева). Спора бактерии (фото справа).
Рис. 8. На фото бактерии клостридий перфингенс и споры.
Культивирование Clostridium perfringens
Clostridium perfringens являются строгими облигатными анаэробами, хемоорганогетеротрофами. Растут на простых питательных средах — сахарно-кровяном агаре и среде Китта-Тароцци. Рост бактерий сопровождается газообразованием и снижением рН в кислую сторону.
На сахарно-кровяном агаре бактерии образуют гладкие, блестящие, округлой формы (S-колонии), либо колонии сероватого цвета, плоские, шероховатые с зазубренными краями (R-колонии). Вокруг колоний образуется зона гемолиза. При контакте с воздухом колонии приобретают зеленоватую окраску. Колонии в толще агара приобретают чечевицеобразную форму.
При росте в жидких средах (среда Китта-Тароцци) образуется помутнение с интенсивным газообразованием. В последующем среда просветляется и на дно выпадает беловатого цвета пластиноподобный осадок.
При росте на желчном агаре образуются зоны преципитации.
При росте на молоке уже через 4 часа отмечается его интенсивное сворачивание, а сгусток из-за газообразования приобретает дырчатую структуру и часто подпрыгивает вверх. Подобная реакция используется в лабораториях для проведения экспресс-диагностики.
При росте на мясном бульоне бактерии образуют уксусную и масляную кислоты, а также большое количество таких газов, как H2S, NH3 и CО.
Рис. 9. Колонии Clostridium perfringens на кровяном агаре.
Рис. 10. C. perfringens идентифицируют по характерной «двойной зоне» гемолиза.
Биохимические свойства клостридий
Мощная ферментативная активность бактерий послужила присуждению им эпитета perfringens, что обозначает разламывающий, прорывающий. Благодаря интенсивному газообразованию происходит отек поврежденных тканей и разрывы питательных сред. Clostridium perfringens вырабатывают огромное число сахаролитических ферментов, сбраживающих глюкозу, лактозу, мальтозу и сахарозу с последующим образованием кислоты и газа. Они интенсивно створаживают молоко с последующим образованием губчатого крупноячеистого сгустка («штормовая реакция»).
Бактерии разлагают желатин, яичный белок, свернувшуюся сыворотку и коллаген. Не разлагает казеин.
В ходе ацетобутиратного брожения Clostridium perfringens синтезируют масляную кислоту, восстанавливают нитраты в нитриты, образуют лецитиназу.
Рис. 11. Определение лецитиназной активности. Вокруг колоний отчетливо видны зоны мутного ореола, состоящие из преципитированных липидов.
Рис. 12. В левой пробирке культура Clostridium perfringens на сахарном агаре. В результате интенсивного газообразования в гелиевоподобной среде образовались зоны разрывов.
Токсинообразование
Бактерии Clostridium perfringens по спектру продуцируемых ими токсинов (ферментов) подразделяются на типы A, B, C, и Е. Газовая гангрена и пищевые токсикоинфекции чаще связаны с типом А, некротизирующий энтероколит — с типом С. Понятие «токсин» объединяет около 12 идентифицированных сегодня токсинов (ферментов) и энтеротоксин. Выброс ферментов в области поврежденных тканей приводит к расщеплению сложных веществ и нарушению клеточной проницаемости, в результате чего клетки отекают и расплавляются.
Основные экзотоксины клостридий
а-токсин (фосфолипаза С). Более интенсивно продуцируется клостридиями типа А. Является основным и самым мощным токсином. Фермент гидролизирует (расщепляет) фосфолипиды клеточных мембран, что приводит к разрушению (лизису) клеток. Оказывает дерматонекротическое и летальное действие, является главным фактором внутритканевой инвазии и внутрисосудистого гемолиза — символа смертельной клостридиальной токсинемии. Обладает лецитиназной активностью.
b-токсин (цитотоксин). В основном, продуцируется клостридиями типов В и С. Оказывает дерматонекротическое и летальное действие, не вызывает гемолиз. Является причиной развития некротического энтерита.
Тета-токсин. Обладает гемолитическим и дерматонекротическим действием. Чувствителен к кислороду. Имеет схожесть с О-стрептолизином стрептококков.
v-токсин (протеиназы). Нарушают реакции белкового синтеза путем расщепления нуклеиновых кислот.
р-токсин (коллагеназа и желатиназа). Продуцируется клостридиями типов А, С и Е, а также некоторыми штаммами бактерий типа D. Ферменты расщепляют желатин и коллагеновые волокна соединительной ткани. Оказывают некротизирующее и летальное действие.
Мю-токсин (гиалуронидаза). Является фактором проникновения клостридий. Ферменты расщепляют кислые мукополисахариды и гиалуроновую кислоту.
Ню-токсин (ДНК-за). Разрушает клеточную ДНК.
q-гемолизин. При участии комплемента разрушает мембраны эритроцитов.
Фибринолизин. Растворяет волокна фибрина.
Гемагглютинин. При его участии происходит реакция агглютинации эритроцитов.
у-токсин (протеиназа). По своему действию напоминает фибринолизин. Не расщепляет нативный (природный) коллаген, но разрушает азоколл (денатурированный коллаген), казеин и желатин.
Дельта -токсин (эластаза). Является протеолитическим ферментом. Расщепляет белки и пептиды.
Сигма-токсин. Продуцируют клостридии типа В и С. Оказывает летальное действие, проявляет гемолитическую активность.
Омега-токсин. Продуцируется, в основном, клостридиями типа С. Оказывает дерматонекротическое и летальное действие.
Эпсилон -токсин. Продуцируется клостридиями типовВ и D, l-токсин — клостридиями типа Е. Проявляют летальное и дерматонекротизирующее действие.
у- и n-токсины. Биохимическая природа этих токсинов остается неизвестной.
р-токсин. Является фактором проницаемости тканей.
Энтеротоксин возбудителя газовой гангрены
Энтеротоксин продуцируют клостридии типов А и С.
Энтеротоксин Clostridium perfringens штамма А представляет собой термолабильный белок, выделяющийся в тонком кишечнике в процессе образования спор. При его воздействии капилляры расширяются, повышается их проницаемость, усиливается секреция воды, ионов натрия и хлора, повреждаются мембраны энтероцитов.
Энтеропатогенность Clostridium perfringens типа С связана с b-токсином. Заболевание протекает по типу некротизирующего энтерита.
Рис. 13. При неблагоприятных условиях некоторые бактерии образуют споры. Они помогают выжить микроорганизму в неблагоприятных условиях много десятилетий. На фото споры бактерий рода Clostridium.
Clostridium novyi являются одним из основных возбудителей газовой гангрены. В годы Великой Отечественной войны причиной газовой гангрены в 42% случаев были бактерии этого вида. Впервые выделили возбудитель и дали ему название Clostridium oedematiens Э. Сэген и М. В. Вейнберг в 1891 году. Позже более полно этот вид клостридий был описан американским бактериологом Ф. Нови, чьим именем в дальнейшем стали называть этот вид бактерий.
Морфология Clostridium novyi
Клостридии представляют собой палочки, крупные, иногда слегка изогнутые, размером 4 — 22 х 1,4 — 2 мкм, подвижные, имеют до 25 жгутиков, располагаются часто цепочками. Возбудитель, как и все клостридии, являются облигатными анаэробами. Капсулу не образуют. Окрашиваются по Граму в фиолетовый цвет (грамположительные). Старые культуры утрачивают эту способность. Образуют овальной формы споры, располагающиеся центрально и субтерминально.
Рис. 14. Clostridium novyi. Крупные палочки, располагаются одиночно или цепочками.
Культивирование
Clostridium novyi являются строгими анаэробами. Высокочувствительны к кислороду. Растут на простых средах: углеводных, казеиновых и мясопептонных.
При росте на плотных средах через 48 часов образуются полупрозрачные, сочные колонии сероватого цвета. Края неровные. Поверхность зернистая. Клостридии типов А, В и С иногда образуют дочерние колонии. Колонии окружены зоной гемолиза. Клостридии типа D эритроциты не разрушают.
В глубине агара колонии напоминают комочки ваты или снежные хлопья, часто окрашенные в коричневый или желтый цвет.
При росте на жидких средах образуется газ и помутнение питательной среды, на дно выпадает осадок. рН сдвигается в кислую сторону за счет образования H2S и органических кислот.
Антигенная структура
Clostridium novyi идентифицируются по выявлению соматических антигенов. Существует 4 серовара, различные по антигенным характеристикам и синтезируемых токсинов — серовары А, В, С и D.
Биохимические свойства
Серовары типов А, В и С ферментируют фруктозу, глюкозу и мальтозу, серовары типа D ферментируют только глюкозу. Серовары типов А, С и D разлагают глицерин. Все штаммы свертывают молоко и разлагают желатин. Клостридии типа D образуют сероводород и индол, остальные типы бактерий — нет.
Токсины Clostridium novyi
Clostridium novyi продуцируют такой фермент патогенности, как фосфолипазу (а-токсин), а также b, у, сигма, е и n — токсины, обладающие некротическим, гемолитическим и летальным действиями. Нарушая проницаемость сосудов, они приводят к развитию желеобразного отека.
Clostridium septicum впервые были описаны в 1877 году Л. Пастером. Эти бактерии являются условно-патогенными. В обычных условиях они пребывают в кишечнике человека и не вызывают заболевание. В случае дефектов кишечника, например при колоректальном раке, инфекция повреждает кишечник и с кровью (гематогенным путем) распространяется по организму. В отличие от Clostridium perfringens газовая гангрена может возникнуть без предварительных травм и повреждений. Инфекция чаще встречается у людей с травмами и ожогами кожи, после хирургических вмешательств и септических абортах, заболеваниях периферических сосудов, сахарном диабете, раке толстой кишки.
Заболевание развивается быстро. До 80% взрослых погибает в течение первых 2-х суток. Выживаемость повышается у лиц без сопутствующих заболеваниях нижних конечностей.
Clostridium septicum поражают как человека, так и домашних животных: крупный и мелкий рогатый скот.
Морфология
Clostridium septicum представляет собой бактерию палочковидной формы. с размерами 3 — 4 х 1,1 — 1,6 мкм. В культурах иногда образуются нитевидные формы бактерий, имеющие в длину до 50 мкм в длину. Подвижны (имеют жгутики). Капсулу не образуют. Грамположительны. Со временем клостридии теряют эту особенность. Являются строгими анаэробами.
Clostridium septicum образуют споры. Споры чаще всего располагаются субтерминально, реже — центрально.
Рис. 16. Clostridium septicum под микроскопом.
Культуральные свойства
Clostridium septicum хорошо растут на казеиновых и мясных средах с добавлением глюкозы.
На поверхности глюкозокровяного агара бактерии образуют полупрозрачные колонии, блестящие, состоящие из переплетающихся нитей с зоной гемолиза по периферии.
При росте на 2% агаре колонии имеет вид дисков.
При росте на агаре Цейсслера по истечении 48 часов образуется сплошной нежный налет с зоной гемолиза по периферии.
При росте в 1% сахарном агаре колонии образуются в глубине. У них уплотненный центр, от периферии отходят переплетающиеся нити.
При росте на мясопептонном бульоне образуется равномерное помутнение. Далее отмечается выпадение рыхлого осадка и газообразование.
При росте на среде Китта-Тароцци бактерии растут с интенсивным газообразованием.
Рис. 17. При росте в 1% сахарном агаре колонии образуются в глубине. У них уплотненный центр, от периферии отходят переплетающиеся нити.
Антигенная структура
Clostridium septicum имеют Н и О антигены. По антигенам Н определяется 6 сероваров: А, В, С, D, E и F.
Биохимические свойства
Clostridium septicum синтезируют ряд ферментов. Они живут на различных органических субстратах, в том числе содержащих сахара и аминокислоты с выделением углекислого газа и молекулярного водорода.
Бактерии ферментируют некоторые углеводы: глюкозу, мальтозу и лактозу с образованием газа и кислоты. Нитраты переводят в нитриты. Расщепляют белки с выделением аммиака и сероводорода. Молоко под действием бактерий свертывается медленно. Не разлагают сахарозу, глицерин и маннит. Не образуют индол.
Токсины
Clostridium septicum выделяют 4 экзотоксина: а, р, у и s. обладающие некротическим, гемолитическим и летальным действиями.
Рис. 18. Рост Clostridium septicum на питательных средах.
