結核の原因
最後に見直したもの： 04.07.2025
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結核菌の分類
すべての結核菌は、ヒトに対して病原性のものと日和見感染性のものに分けられます。
臨床微生物学では、結核菌を分類するためにいくつかのアプローチが用いられています。
- 成長の速度と最適温度、色素形成能力によって;
- 臨床的に重要な複合体の場合。
結核を引き起こす結核菌種は、M. tuberculosis 複合体に統合されており、これにはM. tuberculosis、M. bovis、M. bovis BCG、M. africanum、M. microti、M. canettiiが含まれます。近年、M. microtiおよびM. bovisと系統学的に関連するM. pinnipediiおよびM. sarraeがこれに加わりました。
様々な結核性結核症を引き起こす残りの結核性結核菌は、非結核性結核菌群に分類されます。この群からは、M. avium（M. avium、M. intracellulare、M. scrofulaceum）、M. fortuitum（亜種M. fortuitumおよびM. chelonaeを含む）、M. terrae（M. terrae、M. triviale、M. nonchromogenicumを含む）が区別されます。最も重要な群は、ハンセン病の病原体であるM. lepraeと、潰瘍性病変の病原体であるBuruli M. ulceransです。
この分類は、より詳細な区別が必須ではない場合に、臨床的意義が同一の結核菌種を統合するものです。グループおよび複合体内の種を同定するために、生物学的、生化学的、分子生物学的手法が用いられます。
文化的な違いに基づく非結核性抗酸菌の分類は、1959 年に Runyon によって開発されました。これによると、抗酸菌は 4 つのグループに分類されます。
グループI - 光発色性結核菌
このグループには、暗所では色素沈着を示さないが、光に曝露されると鮮やかな黄色または黄橙色の色素を呈する結核菌が含まれます。このグループに属する潜在的に病原性のある菌株には、M. asiaticum、M. kansasii、M. marinum、M. simiae などがあります。このグループの結核菌には、増殖の速いもの（M. marinum）と増殖の遅いもの（M. asiaticum、M. kansasii）が存在します。最適増殖温度は、M. simiae では25 ℃、M. marinum では32～33 ℃ 、M. asiaticum では37 ℃です。
我が国において臨床的に最も重要な種は、水域に生息するM. kansasiiです。M. kansasii株（M. luciflavum）はヒトに疾患を引き起こします。卵培地中で粗面または滑面コロニーとして増殖し、最適温度は37 ℃です。形態学的には、細菌は中程度の長さです。M. kansasiiには、これまでにオレンジ色と白色の2つの変異体が記載されています。モルモットに導入されると、M. kansasiiは局所リンパ節の浸潤および圧迫を引き起こします。
グループ II - スコトクロモジェニックマイコバクテリア（ギリシャ語の「スコトス（暗闇）」に由来）
このグループには、暗闇で色素を形成する結核菌が含まれます。増殖速度は30～60日です。このグループには、M. aquae（M. gordonae）とM. scrofulaceumが含まれます。
M. scrofulaceumは潜在的に病原性のある菌種と考えられています。卵培地上では、この種の細菌はオレンジ色の滑らかなまたは粗いコロニーとして増殖します。形態学的には、結核菌は桿菌で、短形または長形です。生育温度は25～37℃です。小児では、リンパ節と肺に損傷を引き起こします。
M. aquae（M. gordonae）は、腐生性スコトクロモジェニックマイコバクテリアに分類されます。卵培地中では、25～37℃の温度でオレンジ色のコロニーとして増殖します。形態学的には、本菌は桿菌で、中程度の長さ（>5 μm）を有します。水域に生息します。
グループIII - 非光発色性結核菌
このグループには、色素を形成しない、または淡黄色で光に反応して発色しない結核菌が含まれます。発育期間は2～3週間または5～6週間です。M. avium、M. intracelluare、M. xenopi、M. terrae、M. gastri、M. hattey、M. bruiienseなどが含まれます。
M. avium（鳥類結核菌）は、Lowenstein-Jensen培地上で、37 ℃および45 ℃で、有色または弱有色のコロニーとして生育します。形態学的には中程度の長さの桿菌です。ヒト、多くの実験動物、家畜（豚など）に対して病原性を示すことがあります。水や土壌中に生息します。
M. xenopiはヒキガエルから分離されます。幼若培養では無色のコロニーとして成長しますが、後に黄色の色素が出現します。形態学的には、長い糸状の桿体です。生育温度は40～45 ℃です。ヒトに対して条件付きで病原性を示します。
M. terraeはダイコンから初めて分離されました。Lowenstein-Jensen培地上で無色素コロニーとして生育します。最適生育温度は37 ℃です。形態学的には、中程度の長さの桿菌で、腐生菌として特徴付けられます。
グループIV - 急速に増殖する結核菌
このグループに属するマイコバクテリアは、急速な増殖（最大7～10日間）を特徴とします。有色または無色のコロニーを形成し、多くの場合R型コロニーを形成します。25℃の温度で2～5日間は良好な増殖を示します。このグループには、潜在的に病原性のあるマイコバクテリアM.fortuitumに加え、M.phlei、M.smegmatisなどの腐生性マイコバクテリアが含まれます。M.fortuitumは、卵培地上で2～4日目に「ロゼット」状に目に見える増殖を示します。形態学的には、マイコバクテリアは短い桿菌で表されます。Lowenstein-Jensen培地では、マラカイトグリーンを吸収して緑色に変化します。自然界に広く分布しています。
ランヨン分類は、最も一般的な種類の結核菌を同定するのに非常に便利であることが証明されています。しかしながら、新種の発見や結核菌の中間形態の増加により、それらをランヨン分類群のいずれかに分類することが困難になっています。
M. tuberculosis は進化の初期段階にあります。近年、M. tuberculosis をクラスターまたはファミリーに分類する傾向が見られます。最も重要な株は北京ファミリーに属する株であり、クローン行動と結核の微小アウトブレイクを引き起こす能力によって区別されます。
結核菌の形態
マイコバクテリアは細い桿菌で、耐酸性および耐アルコール性（成長段階の1つ）という特徴があり、好気性です。グラム染色では弱グラム陽性です。マイコバクテリアは不動性で、胞子を形成しません。分生子や莢膜は形成されません。濃厚な栄養培地上では、ゆっくり、あるいは非常にゆっくり増殖します。最適な温度では、2～60日後に目に見えるコロニーが現れます。コロニーはピンク、オレンジ、または黄色で、特に明るい場所で増殖するとその色になります。色素は拡散しません。コロニーの表面は通常、マット（S型）またはざらざら（R型）です。マイコバクテリアは粘液性またはしわのあるコロニーとして増殖することがよくあります。液体培地では、マイコバクテリアは表面で増殖します。繊細な乾燥膜は時間の経過とともに厚くなり、凹凸がありしわになり、黄色がかった色になります。培養液は透明なままで、洗剤の存在下では拡散増殖が可能です。 M.tuberculosis の微小コロニー（初期段階）では、コードに似た構造が形成されます。これはコード因子に関連する特徴です。
カルボールフクシンで染色すると、結核菌は、さまざまな数の顆粒を含む、ラズベリーレッド色の細くわずかに湾曲した棒として現れます。
結核菌の長さは約1～10µm、幅は0.2～0.7µmです。湾曲したりねじれたりした変異体が見られる場合もあります。微生物は、単独、ペア、または集団で存在し、他の成分の青い背景に対して非常に目立ちます。細菌細胞は、ローマ数字の「V」の形に配列されることがよくあります。
標本標本では、病原体の球状耐酸性形態の変化、すなわち球状または菌糸体様構造が明らかになる場合もあります。この場合、陽性反応は追加の検査によって確認する必要があります。
結核菌の細胞壁の構造
結核菌の細胞壁は他の原核生物に比べて最も複雑です。
グラム陰性細菌は二重膜を有するのに対し、結核菌の細胞壁は複数の層から構成され、その一部は糖を含み、比較的一定の組成を特徴としています。外層は化学組成が変化し、主に脂質で構成されており、そのほとんどはミコール酸とその誘導体です。通常、これらの層は電子顕微鏡では観察できません。細胞壁の主要な骨格は、架橋ペプチドグリカン、つまり電子密度の高い層です。アラビノガラクタン層はペプチドグリカン層を繰り返し、細胞壁の多糖類ストローマを形成します。アラビノガラクタン層はペプチドグリカン層との接続点と、ミコール酸とその誘導体が付着するための構造を有しています。
ミコール酸は遊離スルホリピドおよびコード因子の形で存在し、細胞表面への存在は、M. tuberculosisの鞭毛状のコロニー形成に特徴的な役割を果たします。ミコール酸の独自性と、結核菌の構造および生理における重要な役割は、病因療法の優れた標的となります。
糖脂質層は「マイコシド」と呼ばれ、マイクロカプセルに例えられることもあります。マイコシドは、グラム陰性細菌の外膜を構成するリポ多糖類と構造的にも機能的にも類似していますが、グラム陰性細菌ほどの攻撃性はありません。しかしながら、マイコシドは毒性があり、（コード因子やスルホリピドと同様に）肉芽腫の形成を引き起こします。
細胞膜と細胞壁の層にはチャネルまたは細孔が浸透しており、その中で、物質の制御された拡散を提供する寿命の短い受動的な細孔と、エネルギー依存の物質の輸送を提供する寿命の長いチャネルを区別することができます。
結核菌細胞壁のもう一つの成分はリポアラビノマンナンです。これは細胞膜に固定され、細胞壁を貫通して表面に出てきます。この点で、グラム陽性細菌のリポタイコ酸やグラム陰性細菌のリポ多糖O抗原に類似しています。リポアラビノマンナンの末端断片、特にマンノース基は、末梢血中のTリンパ球および白血球の活性化を非特異的に抑制します。これにより、結核菌に対する免疫応答が阻害されます。
結核菌の多様性と存在形態
細菌の持続性は、病原性において特別な意義を有する。in vitroおよびin vivo実験では、殺菌薬イソニアジドおよびピラジナミドは、増殖期の結核菌のみを殺菌することが示された。結核菌が代謝活性が低い段階（すなわち、細菌の増殖がほぼ完全に停止し、「休眠状態」にある状態）にある場合、殺菌薬は効果を発揮しない。この状態は通常、休眠状態と呼ばれ、この状態で微生物は持続性細菌と呼ばれる。持続性細菌は化学療法薬に感受性がなく、耐性微生物のように振舞う。実際には、薬剤に対する感受性を維持する可能性がある。
結核菌細胞を休眠状態へ移行させる強力な刺激因子は、化学療法薬と宿主の免疫系因子です。持続型結核菌は、病変部に数ヶ月、あるいは数年も留まることができます。持続型結核菌はL型結核菌に変異する可能性があります。このL型結核菌は代謝活性が極めて低く、主に細胞壁と細胞外マトリックスの厚みを増すことで、物質の単純な拡散を抑制します。さらに、結核菌は遺伝物質を蓄積するため、好条件が整うと正常に機能する細胞を再生する可能性が高まります。L型結核菌は標準的な微生物学的手法では検出が困難です。
化学療法中に休眠中の結核菌が代謝活動を再開し増殖を開始すると、すぐに死滅します。化学療法が終了した後も、このように「復活」した結核菌は増殖を続け、病気の再発を引き起こします。これが、長期にわたる化学療法と、その後に続く通常は季節的な短期予防化学療法の正当性を説明するものです。
結核菌の生理学
原核生物界において、マイコバクテリアは複雑な有機化合物の合成において紛れもないリーダーです。マイコバクテリアはおそらく最も柔軟な代謝を有し、外部環境と微生物内部の両方において生存に必要な多様性を提供しています。現在までに100以上の酵素反応が報告されており、マイコバクテリアの代謝の分岐した複雑な性質が示されています。マイコバクテリアは、基質の利用可能性、化学的環境、呼吸サイクルに必要な成分（金属イオン、酸素分圧、二酸化炭素分圧など）の提供状況に応じて、複数の代謝経路を並行して実行することで、最終化合物を合成し、必要な生理機能を発現することができます。
結核菌の生化学的性質
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脂質代謝
細胞壁脂質は細胞の乾燥質量の最大 60% を占め、結核菌の非標準的な色合い、生理学的および生態学的特性を決定します。
これまでに報告されている結核菌の特定の脂質は、構造的特徴に応じて 7 つの主要なグループに分類されます。
- 炭水化物の脂肪酸誘導体（主にトレハロース - コード因子）：
- ホスファチジルミオイノシトールマンノシド：
- ペプチドの脂肪酸誘導体;
- N-アシルペプチドグリコシド - ミコシド C;
- フチオセロールの脂肪酸エステル;
- ミコシドA、B、G;
- グリセロールミコレート。
グループ 4 ～ 6 の脂質は結核菌にのみ存在します。
ユニークなものの中では、ミコール酸の前駆体である結核ステアリン酸と結核パルミチン酸が注目に値します。
ミコール酸は、最大84個の炭素原子からなる鎖長を持つ高分子脂肪酸群であり、その主鎖構造は微生物の系統的位置と生育条件によって決定されます。ミコール酸は反応性が低いため、結核菌の細胞壁は高い耐薬品性を有します。ミコレートは、細胞壁の酵素分解とフリーラジカル反応を抑制します。
コード因子は脂質グループ 1 に分類されます。結核菌の毒性と毒性が強いことが知られています。
表面活性脂質、すなわちスルホリピドは、結核菌の細胞内適応において重要な役割を果たします。コード因子と共に、細胞傷害性膜向性複合体を形成します。
リポアラビノマンナンは、アラビノースとマンノースの分岐ポリマーとパルミチン酸および結核ステアリン酸のジアシルグリセロール誘導体からなる高分子リポ多糖類の不均一な混合物です。
ミコシドCは、結核菌の外膜を形成するペプチド糖脂質であり、電子顕微鏡下では細胞周縁部の透明帯として観察できます。ミコシドは種特異的な化合物であり、結核菌の抗原性はその種類によって異なります。
結核菌の脂質化合物の量的・質的構成は動的であり、細胞の年齢、栄養培地の組成、そして環境の物理化学的特性に依存します。若い結核菌細胞は、比較的短い脂肪族鎖を持つリポ多糖を合成することで細胞壁を形成し始めます。この段階では、細胞壁は非常に脆弱で、免疫系に容易にアクセス可能です。細胞壁が成長し、高分子脂質が形成されるにつれて、結核菌は免疫系との相互作用において抵抗性を獲得し、無関心になります。
炭水化物代謝
結核菌にとって最も好ましい炭素源はグリセロールです。
最も重要な炭水化物はアラビノース、マンノース、マルトースであり、これらは全糖類の半分以上を占めています。さらに、トレハロース、グルコース、フルクトース、ガラクトース、ラムノースなどの糖類も細胞の生命活動において重要な役割を果たしています。これらの糖類の合成は、加水分解酵素経路とアルドラーゼ経路によって行われます。ピルビン酸経路はグリコーゲンの合成に用いられます。アラビノースとマンノースは重要な構造化合物の形成に関与しています。グルコース酸化のペントースリン酸経路はエネルギーを得るために用いられます。このエネルギーは、リンゴ酸、イソクエン酸、コハク酸脱水素酵素によって供給され、呼吸器系に柔軟性をもたらします。
マイコバクテリアが増殖中に蓄積する遊離脂肪酸をトリカルボン酸回路に組み込む際に用いるグリオキシル酸経路は、非常に独特です。この回路は、マイコバクテリアの持続感染時の走化性を促進する可能性のあるメカニズムとして、研究者の注目を集めています。
窒素およびアミノ酸代謝
結核菌による硝酸塩、亜硝酸塩、ヒドロキシルアミンの利用率は、菌種の同定に利用できます。結核菌は窒素源としてアスパラギンを好みます。アミノ酸の合成はエネルギー依存的なプロセスであり、グルタミン酸などの他のアミノ酸化合物の利用を可能にする一連の酵素によって行われます。
亜硝酸塩および硝酸塩還元酵素活性
結核菌は、O 2ではなくNO 3 -で終わるキャリア鎖に沿って電子を移動させることで、アデノシン三リン酸（ATP）を生成できます。これらの反応は、アミノ酸、プリン塩基、ピリミジン塩基の合成に必要な量のNO 3 をNH3に還元します。これは、硝酸還元酵素と亜硝酸還元酵素の連続的な作用によって行われます。
カタラーゼおよびペルオキシダーゼ活性
カタラーゼは、還元型フラビンタンパク質の好気的酸化の際に生成される過酸化水素の蓄積を防ぎます。酵素活性は培地のpHと温度に依存します。56℃ではカタラーゼは活性がありません。カタラーゼの熱不安定性に基づき、結核菌の病原性複合体に属するかどうかを検査する方法があります。
イソニアジドに耐性のある結核菌株の 70% はカタラーゼとペルオキシダーゼの活性を失っていることが知られています。
ペルオキシダーゼとカタラーゼの活性は同じ酵素複合体によって実行されます。
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ビタミンと補酵素
M.tuberculosis には、ビタミン B 群（リボフラビン、ピリドキシン、シアノコバラミン、チアミン）、ビタミン C および K、パラアミノ安息香酸、パントテン酸およびニコチン酸、ビオチンおよび葉酸が含まれています。
結核菌の代謝、栄養、呼吸
通常、好ましい条件下では、結核菌は厳密な好気性菌または中温菌として、酸素存在下、30～42℃の温度範囲、特に37℃で増殖します。しかし、外部条件が不利な場合や酸素欠乏状態にある場合、結核菌は微好気性菌、さらには嫌気性菌として増殖します。この場合、その代謝は大きく変化します。
酸素消費と酸化酵素系の発達という点では、マイコバクテリアは真菌に類似しています。ビタミンK9は、マイコバクテリア属の転移系において、NADH脱水素酵素とシトクロムbを繋ぐ役割を果たします。このシトクロム系はミトコンドリアのシトクロム系に類似しており、高等生物と同様にジニトロフェノールに感受性を示します。
上述の呼吸法は、ATP生成の唯一の供給源ではありません。結核菌は、O2末端に加えて、電子伝達を経て硝酸塩（NO3- ）を生成する呼吸鎖も利用します。結核菌の呼吸器系における予備手段は、グリオキシル酸回路です。
酸素濃度が 1% 未満の大気中で起こる無酸素呼吸 (内因性呼吸) は、ピルビン酸またはトレハロースの酸化を減らすアジド化合物によって刺激されます。
結核菌の増殖と繁殖
結核菌（Mycobacterium tuberculosis）の増殖速度は極めて遅く、倍加期間は18～24時間です（通常の細菌は15分ごとに分裂します）。そのため、典型的なコロニーが目に見えるほど成長するには、少なくとも4～6週間かかります。結核菌の増殖速度が遅い理由の一つは、その顕著な疎水性によって栄養素の拡散が困難になることだと考えられています。しかし、これは遺伝的に決定され、結核菌のより複雑な構造と関連している可能性が高いです。例えば、ほとんどの細菌はリボソームリボ核酸（rRNA）オペロンを複数コピーしていることが知られています。増殖速度の遅い結核菌（M. tuberculosis、M. leprae）はオペロンを1コピーしか持たず、増殖速度の速い結核菌（M. smegmatis）は2コピーしか持たません。
液体培地で培養すると、結核菌は表面で増殖します。この繊細な乾燥膜は時間の経過とともに厚くなり、凹凸やしわが増し、黄色がかった色を帯びるようになります。この色はしばしば象牙色に例えられます。培養液は透明のままで、拡散増殖はTween-80などの界面活性剤の存在下でのみ可能です。微小コロニー（すなわち初期段階）では、束状の構造が形成されます。これはM.tuberculosisのコード因子に関連する特徴です。
結核菌の遺伝学
マイコバクテリウム属は遺伝的に非常に多様性に富んでいます。多くの腐生性および非結核性マイコバクテリアとは異なり、Mycobacterium tuberculosisは染色体外封入体（例えばプラスミド）を含みません。Mycobacterium tuberculosisの特性の多様性はすべて染色体によって決定されます。
M. tuberculosis群のゲノムは極めて保存的であり、その代表株のDNA相同性は85～100%であるのに対し、他の結核菌種のDNA相同性はわずか4～26%です。
マイコバクテリア属の代表的な菌は、他の原核生物と比較してゲノムサイズが大きく、3.1～4.5×10 9 Daです。しかし、病原菌のゲノムサイズは他のマイコバクテリア（M. tuberculosis）よりも小さく、2.5×10 9 Daです。ヒト結核の典型的な病原体であるM. tuberculosisは、進化の過程で遺伝物質の一部を失ったM. africanumやM. bovisよりも多くの遺伝子を有しています。
1998年、M. tuberculosis（結核菌）H37Rv株の染色体のヌクレオチド配列が公開されました。その長さは4,411,529塩基対です。結核菌の染色体は環状構造をしており、タンパク質をコードする約4,000個の遺伝子と、機能的なRNA成分をコードする60個の遺伝子を含んでいます。これらのRNA成分には、非定型マトリックスRNAによるタンパク質分解に関与する、独自のリボソームRNAオペロン、10Sa RNA、45個の輸送RNA（tRNA）、90個以上のリポタンパク質が含まれています。
ゲノムの20%以上は、ミコール酸、グリシンリッチ酸性ポリペプチド（PEファミリーおよびPPEファミリー）を含む細胞壁脂肪酸代謝遺伝子で占められており、これらはそれぞれPGRS（多型GCリッチ反復配列）ゲノムおよびMPTR（主要多型タンデム反復配列）ゲノムの多型領域（ゲノム染色体地図の5番目と4番目のリング）によってコードされています。これらのゲノム領域の多様性により、抗原の多様性が確保され、免疫応答を抑制する能力が生まれます。結核菌のゲノムには、病原性因子を制御する遺伝子が広く含まれています。
結核菌は、代謝に必要なすべての成分、すなわち必須アミノ酸、ビタミン、酵素、補因子を合成します。他の細菌と比較して、結核菌は脂肪生成酵素の活性が高まっています。2つの遺伝子は、抗酸化物質として、あるいは細胞内の過剰な酸素を捕捉する役割を果たすヘモグロビン様タンパク質をコードするため、結核菌は環境条件の急激な変化に迅速に適応することができます。
M. tuberculosis複合ゲノムの特徴的な特徴は、多数の反復DNA配列です。そのため、M. tuberculosis H37Rvの染色体には、結核菌のDNA多型性を提供するISエレメント（挿入配列）が最大56コピー含まれています。IS6110エレメントを除き、そのほとんどは変化していません。結核菌の様々な株の染色体には、通常5～20コピーのIS6110が含まれていますが、このエレメントを持たない株も存在します。ゲノムには、ISエレメントに加えて、数種類の短いヌクレオチド反復配列（PGRSおよびMPTR）と、DR領域に位置し、可変配列であるスペーサー（染色体地図上の6番目のリング）によって区切られた直接反復配列DR（Direct Repeat）が含まれています。これらの遺伝要素のコピー数と染色体上の局在の違いは、分子疫学において結核菌（Mycobacterium tuberculosis）の株を区別するために用いられます。結核菌の遺伝子型判定における最も先進的な手法は、IS6110要素、DR、およびそのスペーサーによって引き起こされるゲノム多型の検出に基づいています。M. tuberculosisの種の分岐は、通常、異なる遺伝子を挟むIS6110要素のコピー間の組換えによって生じるという特徴があります。
H37Rvゲノムには、phiRv1とphiRv2という2つのプロファージが発見されました。これらのゲノム領域は、M. tuberculosis H37Ra株およびM. bom BCG株の類似領域とは異なるため、Dra1多型部位と同様に、病原性因子と関連していると考えられます。また、加圧条件下での結核菌の突然変異率と適応を高めるゲノム領域（mutT遺伝子、ogt遺伝子）が特定されました。結核菌の休眠を引き起こすトリガー遺伝子の発見は、潜在性結核感染の概念を一変させました。
カタラーゼ、ペルオキシダーゼ、およびDNAジャイレースのAサブユニットをコードする遺伝子の多型性に関する研究。M. tuberculosis複合体には3つの遺伝子型グループが同定された。進化の観点から最も古いのはグループIであり、M. africanum、M. bovis、M. tuberculosis、およびM. microtiである。グループIIとIIIには、一部の地理的地域に広く分布するM. tuberculosisの異なる株が含まれる。グループIとIIはクローン行動を特徴としており、グループIIIの株が集団感染を引き起こすことは極めてまれである。ハーレム、アフリカ、フィリピンという名前で呼ばれるM. tuberculosisの遺伝子ファミリーは、世界のさまざまな地域に広く分布している。
北京ファミリーは特別な位置を占めており、1956年から1990年にかけて北京郊外の患者の肺組織の組織学的標本から初めて同定されました。現在までに、このファミリーの系統はアジア諸国、南アフリカ、カリブ海諸国、そしてアメリカ合衆国で発見されています。この遺伝子型の地域における広がりは、先住民と移民の民族的特徴によって決定づけられています。最近、ロシアのヨーロッパ地域北西部（サンクトペテルブルク）とシベリア地方におけるSI/北京遺伝子型の系統の広がりに関するデータが得られました。
結核菌耐性
結核性抗酸菌は進化の過程で、不利な環境要因を克服あるいは不活性化するための様々なメカニズムを発達させてきました。第一に、強力な細胞壁です。第二に、広範な代謝能力です。これらの能力は、細胞膜を破壊する多くの細胞毒素や物質（様々な過酸化物、アルデヒドなど）を不活性化することができます。第三に、形態学的可塑性です。これは、結核性抗酸菌の形態変化（L型休眠細胞の形成）に表れます。その安定性において、結核性抗酸菌は胞子形成菌に次いで原核生物界で主導的な地位を占めています。
病原体は乾燥状態で最大3年間生存します。加熱すると、結核菌は80℃をはるかに超える温度にも耐えることができます。現在では、痰に含まれる結核菌は、痰を5分間煮沸しても生存すると考えられています。
結核菌は、有機酸、無機酸、アルカリ、多くの酸化剤、そして他の病原微生物に有害な影響を与える多くの防腐剤や脱水剤に対して耐性を示します。また、アルコールやアセトンにも耐性を示します。
第四級アンモニウムをベースとした製品は抗結核活性を示さないことが指摘されています。また、特定の条件下では、塩素および酸素ラジカルの濃度が0.5%までであっても、結核菌に悪影響を与えません。つまり、このような製品を痰やその他の感染した生物学的物質の滅菌に使用することは不可能です。
結核菌は拡散光に対して無反応であり、外部環境下でも1年以上生存し、生存能力を失うことはありません。短波長紫外線はあらゆる微生物に対して普遍的な殺菌効果を有します。しかし、実際の環境下では、結核菌が塵埃粒子を含む細胞凝集体の形で浮遊すると、紫外線に対する耐性が高まります。
結核菌の高い生存率は、気候条件に関わらず、この感染症が人口全体に極めて広く蔓延する一因となっています。しかし、これが問題のグローバル化に寄与している唯一の要因ではありません。結核菌は人体内で長期間生存し、無制限に再活性化する可能性があります。
マクロファージ内に局在する結核菌は、単核食細胞の「寿命」と結核菌の複製期間、そして体液性免疫エフェクターからの隔離を考慮すると、十分な基質安定性を確保します。同時に、病原体は、その潜在的な危険性のためにほとんどの微生物にとって受け入れられない生息地を選択します。この共生関係は、結核菌の様々な適応機構によって実現されています。
マクロファージの損傷と寄生のプロセスは次のようになります。マクロファージを活性化せずに結核菌がマクロファージに侵入する。ファゴリソソームの形成または細菌にとって快適な領域への変換が抑制される。抗菌因子が不活性化された状態でファゴソームから細胞質に侵入する。細胞の生命活動が妨害される。Tリンパ球の活性化シグナルに対するマクロファージの感受性が弱まる。マクロファージの抗原提示機能が低下し、感染細胞を破壊するように構成された細胞傷害性Tリンパ球の反応が弱まる。
もちろん、細胞壁の特性は、代謝能力や機能能力と同様に、この役割を担っています。結核菌との最初の接触では、この微生物の免疫システムは体液性免疫を活性化できず、細胞を迅速に中和して体外に排除することができません。これは、結核菌壁の可動性脂肪族鎖が病原体の表面構造を評価できず、必要な抗体セットの合成に必要な情報を伝達できないためです。
結核菌の高い疎水性は、マクロファージとの非特異的、すなわち受容体非依存的な接触を確実にします。マクロファージは結核菌細胞の周囲にファゴソームを形成することで、結核菌を自身の細胞内に取り込みます。表面のミコシドおよびリポアラビノマンナン複合体は受容体によって認識されますが、それらを介して誘発されるシグナルはマクロファージを活性化しないか、弱く活性化します。その結果、貪食は酸素および窒素のフリーラジカル形態の放出を伴いません。これは、リポアラビノマンナンの構造的特徴により「非攻撃的」な貪食を開始するM. tuberculosisの毒性株に特徴的であると考えられています。他のマクロファージ受容体、特にCD14および補体成分C3受容体（CR1-CR3）も、M. tuberculosisの認識に関与しています。
マクロファージ内に侵入したマイコバクテリアには、ファゴソーム内の環境をアルカリ性にするアンモニウムの生成、ファゴソームの表面に負電荷を形成する硫酸脂質の合成など、ファゴソームとリソソームの融合を防ぐ、ファゴソームの形成を防ぐためのいくつかのメカニズムが含まれています。
ファゴリソソームが形成されると、マイコバクテリアは強力なワックス状の殻のおかげで、食細胞の殺菌物質によって引き起こされるフリーラジカル反応を抑制できます。アンモニウムは環境をアルカリ化し、リソソーム酵素の活性を阻害し、硫酸脂質は膜向性陽イオンタンパク質を中和します。さらに、結核菌はカタラーゼおよびペルオキシダーゼ活性を持つ高活性酵素を産生し、これらの酵素はマクロファージのペルオキシダーゼ系と競合し、同時にリソソームのヒドロペルオキシドを不活性化します。これらすべてが、マイコバクテリアの酸化ストレスに対する耐性を高めます。
結核菌の更なる適応は、マクロファージの鉄含有化合物を酵素系に利用し、マクロファージの免疫特異的機能を阻害することである。マクロファージは鉄の主要な貯蔵庫の一つであり、過剰分はフェリチンの形で蓄積される。肺胞マクロファージの鉄含有量は血中単球の100倍であり、これが結核菌の定着に確実に寄与している。
結核菌は、エンドトキシンと非特異的因子を介してマクロファージに毒性作用を及ぼします。どちらも主にマクロファージの呼吸器系、すなわちミトコンドリアに作用します。エンドトキシンには、ミトコンドリア呼吸を阻害するミコリックアラビノリピドが含まれます。非特異的毒素には、結核菌細胞の脂質部分の合成産物であるフチエンおよびフチオン酸が含まれます。これらは酸化的リン酸化の脱共役を引き起こします。このような条件下では、代謝プロセスが活発化しますが、適切なATP合成は伴いません。宿主細胞はエネルギー欠乏状態に陥り、生命活動の阻害、ひいては細胞溶解およびアポトーシスへと至ります。
細胞内生活を好む他の細菌と同様に、一部の病原性因子は感染細胞内でのみ形成される可能性があります。例えば、マクロファージ内に寄生するサルモネラ菌は、30以上の遺伝子を発現します。結核菌のゲノムは完全に解明されているにもかかわらず、コドンの30%は特性が不明なタンパク質に関連します。
結核菌の薬剤耐性
臨床的な観点から見ると、微生物の薬剤感受性は、その薬剤を用いた標準的な化学療法が、分離された菌株によって引き起こされる疾患の治療に使用できるかどうかを決定します。薬剤耐性は、「試験対象の薬剤による治療の失敗を予測する」ものです。言い換えれば、通常の条件下では有効な全身薬剤濃度をもたらす標準的な化学療法を用いても、「耐性微生物」の増殖は抑制されないということです。
微生物学において、薬剤感受性または薬剤耐性の定義は、微生物細胞のプール（異質な集合）の耐性度が異なるというポピュレーションアプローチに基づいています。薬剤耐性は、「最小発育阻止濃度」（MIC）などの定量的な特性で評価されます。例えば、MIC-90では、微生物の90%が死滅します（細菌静止濃度）。したがって、耐性は微生物集団の一部における耐性度として理解されるべきであり、多くの場合、これが治療の失敗を決定づけます。患者の微生物集団全体のうち、耐性株の10%が病原性を示す可能性があると一般的に認められています。結核菌学において、第一選択の抗結核薬の場合、耐性株の1%（または20コロニー形成単位（CFU））が病原性を示す可能性があります。微生物集団のこのような一部は、1ヶ月で元の菌を駆逐し、病変を形成する可能性があります。第二選択の抗結核薬の場合、耐性の基準は微生物個体数の 10% 増加です。
微生物における薬剤耐性の発達は、抗生物質存在下での選択的選択と、抗菌薬に対する防御機構を持つ微生物集団の一部が優先的に生き残ることに関連しています。各集団には、特定の薬剤に耐性を持つ少数の変異細胞（通常10 6～10 9 個）が含まれています。化学療法中、感受性のある微生物細胞は死滅し、耐性のある細胞は増殖します。その結果、感受性細胞は耐性細胞に置き換えられます。
結核菌は、もともと多くの広域スペクトル抗菌薬に対して高い自然耐性を持っていますが、種によってこの感受性のスペクトルと程度は異なります。
真の自然耐性は、抗生物質の作用の標的が存在しない、または細胞壁の透過性がもともと低い、物質の酵素不活性化、またはその他のメカニズムにより標的にアクセスできないことに関連する微生物の永続的な種固有の特性として理解されています。
獲得耐性とは、個々の菌株が、微生物群の主要部分の増殖を抑制する抗生物質濃度においても生存し続ける能力のことです。いずれの場合も、耐性の獲得は遺伝的に決定されます。つまり、新たな遺伝情報の出現、あるいは自身の遺伝子の発現レベルの変化です。
現在、結核菌の耐性に関する様々な分子メカニズムが発見されています。
- 抗生物質の不活化（酵素の不活化）、例えばβ-ラクタマーゼによるもの
- 作用標的の変更（ゲノムの対応する領域の変異によるタンパク質の空間構成の変化）：
- 標的の過剰生産により、病原体と標的の比率が変化し、細菌の生命維持タンパク質の一部が放出されます。
- ストレス防御機構の活性化による微生物細胞からの薬剤の能動的な除去（排出）：
- 微生物細胞の外部構造の透過性パラメータが変化し、抗生物質が細胞に浸透する能力を阻害する。
- 「代謝シャント」（代謝経路のバイパス）の組み込み。
多くの抗菌薬（ベンジルペニシリン、ストレプトマイシン、リファンピシン）やその他の好ましくない要因（免疫系殺生物剤）は、微生物細胞の代謝に直接影響を与えるだけでなく、マイコバクテリアの変異体（プロトプラスト、L型）の出現を引き起こし、細胞を休眠状態に移行させます。つまり、細胞代謝の強度が低下し、細菌が抗生物質の作用に対して無反応になります。
あらゆるメカニズムはそれぞれ異なる程度の耐性を形成し、異なる濃度の化学療法薬に対する耐性を付与するため、細菌における耐性の出現は必ずしも抗生物質の臨床的有効性の低下を伴うわけではありません。治療の有効性と予後を評価するためには、耐性の程度を知ることが重要です。
現在、第一選択の抗結核薬とほとんどの予備薬について、少なくとも1つの遺伝子が同定されています。これらの遺伝子の特定の変異が、結核菌の耐性変異体の発生につながります。結核菌における薬剤耐性の広範な分布において、in vivo（生体内）における変異率の高さは、in vitro（試験管内）よりも重要です。
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結核菌の薬剤耐性の種類
薬剤耐性は、一次耐性と獲得耐性に区別されます。一次耐性を持つ微生物には、特定の治療を受けていない患者、または薬剤投与期間が1ヶ月以内の患者から分離された株が含まれます。抗結核薬の使用事実を明確にできない場合は、「初期耐性」という用語が使用されます。
一次薬剤耐性は臨床的にも疫学的にも非常に重要であるため、正しく評価するためには、新たに結核と診断された患者に対し、診断材料の微生物学的検査を行う前に化学療法を実施しないことが不可欠です。一次薬剤耐性の頻度は、一次耐性を有する新規診断患者の数と、その年に薬剤感受性検査を受けた新規診断患者の総数の比率として算出されます。1か月以上抗結核療法を受けている患者から耐性株が分離された場合、耐性は獲得されたものとみなされます。一次薬剤耐性の頻度は、結核病原体集団の疫学的状態を特徴づけるものです。
新規診断患者における薬剤耐性の獲得は、治療の失敗（薬剤の不適切な選択、レジメンの遵守違反、薬剤投与量の減少、供給の不安定さ、薬剤の品質低下）の結果です。これらの要因は、薬剤の血中濃度と有効性の低下につながり、同時に結核菌細胞の防御機構を「活性化」させます。
疫学的目的のため、既治療例の頻度を計算します。この目的のために、化学療法が奏効せず、または再発した後に再治療登録された患者を考慮します。このグループの患者において、登録時に年間に薬剤耐性検査を受けた全菌株数に対する耐性結核菌培養数の比率を計算します。
結核菌の薬剤耐性の構造では、次のものが区別されます。
単剤耐性 - 抗結核薬の1つに対して耐性があるものの、他の薬剤に対する感受性は維持される状態。複合療法では、単剤耐性は極めて稀にしか検出されず、通常はストレプトマイシンに対して検出されます（新規診断患者の10～15%）。
多剤耐性とは、2 種類以上の薬剤に対する耐性のことです。
多剤耐性とは、イソニアジドとリファンピシンの両方に耐性を示す状態（他の薬剤への耐性の有無に関わらず）です。通常、ストレプトマイシンなどへの耐性も伴います。現在、結核病原体のMDRは疫学的に危険な現象となっています。計算によると、新規診断患者の6.6%以上でMDR病原体が検出された場合、国家結核対策プログラムの戦略変更が必要になります。薬剤耐性モニタリングデータによると、新規診断患者におけるMDRの発生頻度は4～15%、再発患者では45～55%、治療不成功例では最大80%に上ります。
スーパー耐性とは、フルオロキノロン系薬剤と注射薬（カナマイシン、アミカシン、カプレオマイシン）のいずれかに対する耐性を併せ持つ多剤耐性です。スーパー耐性菌株によって引き起こされる結核は、他の第二選択抗結核薬が顕著な抗菌効果を示さないため、患者の生命に直接的な脅威をもたらします。2006年以降、一部の国ではスーパー耐性菌株の蔓延に関するサーベイランスが組織されています。海外では、このMDR変異株は通常、XDRと呼ばれています。
交差耐性とは、ある薬剤に対する耐性が他の薬剤に対する耐性につながることです。M. tuberculosis においては、耐性に関連する変異は通常、相互に関連していません。交差耐性の発現は、一部の抗結核薬の化学構造の類似性に起因します。交差耐性は、アミノグリコシド系薬剤など、特定の薬剤群内で特に多く検出されます。交差耐性を予測するには、結核菌培養の遺伝学的研究と、耐性に関する微生物学的研究を組み合わせる必要があります。
非結核性抗酸菌
非結核性抗酸菌は人から人へ感染することは極めて稀です。患者由来の材料から一部の菌種が分離される頻度は、環境物質から分離される頻度と同程度です。感染源は家畜や鳥類、未加工食品などです。また、屠殺後の材料や牛の乳にも抗酸菌が存在します。
細菌検査機関によると、2004～2005年に新規診断された患者における非結核性抗酸菌の検出率は、全抗酸菌のうち0.5～6.2%でした。診断材料の処理方法が非結核性抗酸菌に最適ではないため、検出率はおそらくこれより若干高いと考えられます。採取方法が守られていない場合、または材料の特性（例えば、男性患者の尿からはM. smegmatisが分離されることがあります）により、腐生性抗酸菌が診断材料中に存在する可能性があります。
この点では、患者の検体から検出された結核菌の種類を繰り返し確認することが重要です。
結核菌は皮膚や軟部組織に感染するだけでなく、特に免疫不全状態でよく見られる肺結核菌症を引き起こすこともあります。肺に局在する場合は、真菌性病変を含む慢性肺疾患の既往歴を持つ高齢男性で多く検出されます。
全ての結核菌の中で、M. avium-intracellularae複合体は、ヒトにおける肺結核菌症の最も一般的な原因菌です。肺、末梢リンパ節、および播種性病変に病変を引き起こします。ヨーロッパ北部では、肺結核菌症の約60%を占めています。線維性海綿状血管腫および浸潤性病変が優勢であり、抗結核薬に対する高い耐性のために慢性の経過を辿ります。
M. kansasii は、結核に似た慢性肺疾患の原因菌です。M. kansasii は抗菌薬に対する感受性が高いため、化学療法はより効果的です。M. xenopi と M. malmoense は主に慢性肺疾患を引き起こします。これらは温水および冷水供給システムを汚染する可能性があります。M. malmoens の生息地は完全には確立されていません。M. xenopi は抗結核療法に対してかなり良好な感受性を示します。M. malmoense は in vitro で抗生物質に対してかなり高い感受性を示しますが、保存的治療は効果がない場合が多く、致命的となることもあります。M. fortuitum と M. chelonae は、外傷、手術、穿通損傷の際に創傷が直接汚染されることで、骨軟部組織疾患の原因菌として認識されています。これらは肺結核症の最大 10% の原因となっています。慢性の破壊性両側病変として発生し、多くの場合は致命的です。抗結核薬や広域スペクトル抗生物質は、これらの種類の結核菌に対しては効果がない、またはほとんど効果がありません。
南部地域では、M. lepraeおよびM. ulceranseによる皮膚および軟部組織の抗酸菌症が蔓延しています。非結核性抗酸菌の同定は、国内有数の抗結核医療機関の検査室で行われており、高い資格と優れた検査設備が求められます。