Bakterien Borrelia burgdorferi er oppkalt etter den sveitsiskamerikanske zoologen Willy Burgdorfer (f. 1925). Spiroketen ble isolert og erkjent som årsak til Lyme-borreliose i 1982 (1).
Lyme-borreliose har de senere årene økt kraftig i forekomst både i USA og Europa. Dette skyldes sannsynligvis flere faktorer, både gjengroing av kulturlandskap, økning i hjortedyrbestanden, mildere klima og det at folk tilbringer mer tid ute i naturen (2). Det kan imidlertid ikke utelukkes at noe av årsaken til de hyppigere rapporterte tilfellene er mer oppmerksomhet rundt bakterien og bedre tester.
Hensikten med denne oversiktsartikkelen er å gi en oppdatering om de ulike egenskapene til B. burgdorferi.
Materiale og metode
Oversikten er basert på artikler om egenskaper ved bakterien funnet ved søk på «Borrelia burgdorferi» i PubMed samt egen forskning innen feltet de siste 20 år.
Bakterien Borrelia burgdorferi
B. burgdorferi sensu lato inndeles i minst 13 ulike genospesies. Lyme-borreliose forårsakes vanligvis av de fire genospesies av B. burgdorferi sensu lato: B. afzelii, B. garinii, B. burgdorferi sensu stricto og nylig funnet B. spielmanii (3, 4). Bakterien er en gramnegativ bevegelig spiroket (fig 1) som måler 0,18–0,3 x 15–30 µm, er spiralsnodd og har 7–11 periplasmatiske flageller. Bevegelighetsrelaterte gener opptar over 6 % av genomet til bakterien. De unike flagellene gjør at den kan bevege seg i viskøs væske og raskt disseminere (5). Bakterien kan være mikroaerofil eller anaerob, avhengig av genospesies og type. Den er også fakultativ intracellulær (6–9).
Figur 1 Borrelia burgdorferi dyrket i BSK-H-medium og farget i akridinoransje. UV-mikroskopi, 2 000 ganger forstørret. Foto Øystein Brorson
En av de mest slående egenskaper ved B. burgdorferi er det uvanlige genomet, som består av et lineært kromosom på 910 kilobasepar (kbp) og minst 12 lineære og ni sirkulære plasmider som varierer i lengde fra 5 kbp til 54 kbp. Det er ikke kjent andre bakterier med så mange plasmider per celle. Mange av plasmidene kan mistes i kultur, men de resterende anses som svært viktige for bakterien og kalles gjerne «minikromosomer». På alle DNA-endene av kromosomet er det telomerer som er lukket i den ene enden – som en hårnål. Dette er ikke kjent fra andre prokaryote celler. Lineært genom er også uhyre uvanlig blant mikroorganismene. Bakteriens genom inneholder bl.a. gener for hemolyse og DNA-reparasjon og antibiotikaeffluksproteiner. Bakterien inneholder ingen gener for cellulær biosyntesereaksjon, og den må derfor ha et meget komplekst medium for vekst. Noen av plasmidene koder for proteiner som er viktige virulensfaktorer, bl.a. det lineære plasmidet lp-28, som koder for antigen variasjon.
Mange av bakteriens gener er kodet for å produsere mer enn 100 lipoproteiner. Dette er flere enn hos andre kjente bakterier. Disse genene er for det meste plassert på plasmider. Proteinene er plassert på bakteriens overflate, hvor de kan komme i kontakt med verten. Noen av disse ytre membranantigenene er viktige for bakterien – de kalles OspA-F og protein 100 (10).
Epidemiologi
Lyme-borreliose er en vektoroverført sykdom. Vanligvis smittes mennesker av infisert flått. I Europa er det Ixodes ricinus som er kilden til borreliasmitte. I Norge er flåtten (fig 2) spesielt utbredt i de kystnære områder fra Hvaler til Helgeland, men de siste års milde vintre har nå ført til en fast bestand enkelte steder i innlandet. Lundelusen Ixodes uriae kan også være bærer av B. garinii. Det er derfor mulig at infisert sjøfugl kan spre smitte i arktiske områder via lundelusen (11). Flåttens spytt inneholder proteiner som er bedøvende, vasodilaterende, immunmodulerende og hindrer koagulering (12). Dette øker infeksiøsiteten. Andre insekter som klegg og stikkmygg kan også være bærere av spiroketen (13).
Figur 2 Fullsuget hunn som på våren har lagt egg. Størrelsen på flåtten er ca. 1 cm. Foto Øystein Brorson
Spesielt virulente stammer synes stadig å øke i utbredelse både i Europa og USA (14).
Kliniske funn
Det sikreste bevis for en borreliainfeksjon er det ekspanderende sirkulære røde utslettet som kalles erythema migrans, men ukarakteristiske utslett kan oppstå og føre til problemer med å diagnostisere sykdommen. Det kan også være forsinket utvikling av utslettet fra det normale (2–30 dager) til 100 dager (15), noe som kan resultere i sen behandling. Oftest er det hud, muskler, sentrale og perifere nerver, hjerne, hjerte og ledd som affiseres, men bakterien kan disseminere til alle vev og organer (5, 16).
B. afzelii og B. spelmanii fører oftest til ulike hudmanifestasjoner, B. garinii til nevrologiske symptomer og B. burgdorferi sensu stricto til leddproblemer, men de tre genospesies B. afzelii, B. garinii og B. sensu stricto kan gi alle symptomer (3, 4). Bakterien kalles nå ofte den «den nye store sykdomsimitatoren».
Etablering av infeksjon
To av bakteriens lipoproteiner (decorinbindende protein A og B) binder seg til decorin, et proteoglykan som «dekorerer» kollagene fibre (17). Bakterien har også evnen til å binde seg til dermatansulfat, heparin, integrin og fibronectin. B. burgdorferi øker sin evne til invasivitet ved å degradere oppløselige og uoppløselige komponenter av vertens ekstracellulære matriks (18). Det er også vist at Lyme-spiroketen bruker feromoner som en viktig mekanisme til kommunikasjon, for å kontrollere proteinproduksjon og for å koordinere ulike funksjoner (19).
Spesielle egenskaper
B. burgdorferi produserer mange forskjellige såkalte Erp-proteiner på sin ytre membran som kan binde faktor H og faktor H-liknende protein (komplementhemmende molekyl) og på denne måten omgå den alternative komplementvei (20). Det gjelder B. afzelii og B. spielmanii og helt eller delvis B. burgdorferi sensu stricto, mens B. garinii hovedsakelig er følsom (3, 4). De ulike Erp-proteiner har affinitet til komplementhemmere hos ulike dyrearter, og bakterien kan dermed motstå komplementmediert drap og fagocytose hos hvilken som helst av de potensielle vertene den infiserer.
Under antistoffangrep kan B. burgdorferi mutere og foreta rearrangementer i DNA, noe som kan føre til antigenvariasjon. Det er særlig OspE som gjennomgår de store antigene variasjonene (21). Modifisering og nedregulering av andre ytre overflateproteiner (OspA, C), slik at de ikke bindes til beskyttende antistoffer, er også en egenskap som bakterien kan bruke for å omgå vertens forsvar. Dette er særlig viktig for bakterien tidlig i infeksjonsfasen.
Virulensegenskapene som fører til infeksjon anses for å være sterkt knyttet til ett av de ytre overflateproteinene (OspC) (22).
En av de mange utfordringer som bakterien utsettes for er de svært toksiske oksygen- og nitrogenforbindelsene som dannes i den infiserte organismen som svar på bakterieinvasjonen. Bakterien kan reagere på oksidativt stress ved å aktivere stressrelaterte gener for produksjon av enzymer som beskyttelse mot oksidasjon (23).
Sirkulerende immunkomplekser var et av de tidligste immunologiske fenomener som ble beskrevet ved Lyme-sykdom (24). Immunkomplekser kan finnes både i serum, spinalvæske og synovialvæske. Når sirkulerende immunkomplekser ikke blir godt nok fjernet av det retikuloendoteliale system, avsettes de i vev og organer og aktiverer komplementer, og dette kan føre til lokal inflammatorisk vevsdestruksjon (25). Immunkomplekser kan også medvirke til å forandre vertens forsvarsmekanismer via defekt Fc-reseptor, slik at opsoniserte B. burgdorferi ikke kan fjernes av monocytter.
B. burgdorferi er kjent for å produsere liposomliknende vesikler (blebs) som avstøtes fra den ytre membran. Antigenene OspA, B og D og protein-100 er inkorporert i disse «blebsene» og har affinitet til endotelceller. For at bakterien skal kunne overleve i det sirkulatoriske system er sannsynligvis fjerning av overflateantigener fordelaktig. Bakteriens «blebser» vil bli inkorporert i cytosol og i kjernen til dendrittiske celler, lymfocytter og fibroblaster. Dette fører til generering av CD8-positive T-celler, som vil kunne drepe visse celler og dermed stå bak en autoimmunliknende tilstand (26). «Blebsene» inneholder også en mitogen faktor for B-lymfocytter, som stimulerer til IgM-produksjon. De er også viktige penicillinbindende proteiner.
Mye oppmerksomhet er blitt rettet mot OspA. Dette er et helt spesielt protein som ikke er funnet ellers i naturen. Det kan bl.a. aktivere nukleærfaktor-kB og indusere mange cytokiner, adhesjonsmolekyler og nitrogenoksid. OspA er også en plasminreseptor, og den proteolytiske aktiviteten på celleoverflaten kan beskytte mot både komplementer og spesifikke antistoffer. En markert økning av OspA-reaktive CD-positive T-celler er også identifisert i inflammatoriske ledd hos antibiotikaresistente pasienter med Lyme-artritt og i spinalvæske hos pasienter med nevroborreliose.
Det er vist at B. burgdorferi-isolater fra pasienter kan konverteres til cysteformer in vivo under påvirkning av penicillin (27). Man har også lyktes med å konvertere cysteformer (fig 3) tilbake til bevegelige spiroketer, både in vitro og in vivo, og cystene har vist seg å være infeksiøse for mus (28–30). Cyster har oppgradert VlsE (Vmp-like sequence, expressed) og OspA-proteiner, og de har minst 20 nye antigener (31). Det er vist at Borrelia kan danne cyster når den utsettes for pencillin eller doksysyklin i konsentrasjoner svarende til MIC (minimal inhibitory concentration). Det nedreguleres mange proteiner, bl.a. p-66 (et viktig porin), og det uttrykkes flere inntil nylig ukjente proteiner som er viktig for energi, aminosyresyntese, enzymatisk aktivitet og celledeling (32). Nylig er det vist ved studier i cellekultur og i biopsier fra hjernevev hos nevroborreliosepasienter at borreliacyster kan finnes både ekstra- og intracellulært og forårsake apoptose (33).
Figur 3 Borrelia burgdorfer-cyster fra destillert vann som er overført til BSK-H-medium og dyrket to uker ved 33 °C. Cysteformer i delingsfase (stor pil). Det ses også mange normale vanlige spiroketer (tynn, lang pil) og «blebser» (liten, tynn pil). 15 000 ganger forstørret. Foto Sverre-Henning Brorson
Vertens svar på infeksjonen
Lipoproteiner, peptidoglykaner og sirkulerende immunkomplekser medvirker for en stor del til patogenesen ved Lyme-borreliose. Bakterien aktiverer forskjellige celler til å produsere betainterleukin-1-beta (IL-1-β), tumornekrosefaktor alfa (TNF-α), interleukin-6 (IL-6) og interleukin-8 (IL-8). Ved nevroborreliose er det i spinalvæske vist økt sekresjon av borreliaspesifikk gammainterferon (INF-γ) og svært nedsatt sekresjon av interleukin-4 (IL-4) (34). Dette kan føre til vevsdestruksjon sekundært til immunrespons.
B. burgdorferi kan indusere en fire ganger økning i antall CD 16-NK-celler (naturlige drepeceller), men også en alvorlig hemming av NK-cellenes cytotoksiske evne (35). Dette i kontrast til andre bakterier, som er kjent for å aktivere NK-celler.
Nøytrofile granulocytter er viktige for fagocyttering av fremmende organismer, men OspB-produksjon hos B. burgdorferi kan hemme den fagocytterende evnen hos de nøytrofile granulocyttene og evnen til oksidativt drap. Nøytrofile granulocytter er de raskest bevegelige fagocytterende celler i kroppen, men nylig er det vist at B. burgdorferi kan bevege seg flere ganger raskere enn dem og dermed unngå fagocytose (36).
Diagnostikk
Serologiske analyser er viktige verktøy for å stille en sikker diagnose ved Lyme-borreliose, men sensitiviteten er lav i tidlig stadium av sykdommen. Anamnese og klinisk undersøkelse er derfor viktig for kunne å kunne stille en sikker diagnose.
Imidlertid dukker det stadig opp nye og forbedrede metoder – f.eks. «focus floating microscopy» (både horisontal og vertikal mikroskopering) av biopsimateriale, som ved erythema migrans har en sensitivitet på 98 % og like høy spesifisitet som polymerasekjedereaksjon (PCR). Det er også nylig vist at ved å detektere 16S rRNA-genet fra serum vil polymerasekjedereaksjonen få økt sensitivitet. Spesifikt borreliaantistoff bundet i sirkulerende immunkomplekser kan bidra til lav diagnostisk sensitivitet tidlig i forløpet av sykdommen. Påvisning av spesifikke immunkomplekser kan derfor være nyttig der det er klinisk mistanke og negativ serologisk prøve og kan muligens si noe om hvorvidt det foreligger aktiv infeksjon (37). Validerte undersøkelser for påvisning av spesifikke immunkomplekser er imidlertid foreløpig ikke tilgjengelig.
Den antigene heterogeniteten til de ulike stammene er stor. Dette kan gi opphav til lav diagnostisk sensitivitet, siden ofte bare én stamme av B. burgdorferi sensu lato blir benyttet i ELISA- og Western blot-tester. Nylig ble det utviklet en ELISA-test der man bruker et syntetisk peptid fra den konserverte delen av OspE (IR6) hos spiroketen. Denne testen har høy sensitivitet og spesifisitet, men analyseresultatet er også her avhengig av hvilke stamme som forårsaker infeksjonen.
Årsaker til lite antistoffproduksjon kan være at bakterien aktivt fester seg til, invaderer og dreper humane T- og B-lymfocytter (38), er fakultativ intracellulær (6–9, 33) og har evnen til å dekke seg med vertens materiale (19).
En studie av dyrkingspositive spinalvæsker viste at det var stor forskjell på serologiske og andre laboratoriemarkører dersom den infeksiøse stammen var B. garinii eller B. afzelii (39). Nye tester som kan være nyttig for spinalvæske er detektering av cytokinet CXCL13, som har vist seg å være forhøyet tidlig i forløpet ved nevroborreliose (40). En ny lymfocyttransformasjonstest (LTT-MELISA) ser ut til å korrelere med borreliainfeksjon og kan muligens si noe om klinisk bedring.
Antibiotikaresistensmekanismer
Behandling av Lyme-borreliose tidlig i sykdomsforløper er oftest vellykket hvis man følger de anbefalte retningslinjer, men kronisk infeksjon kan være vanskelig å behandle.
Mekanismer for bakteriens overlevelse er utilstrekkelig forstått, men at bakterien dekker seg med vertens materiale, har intracellulær lokalisering og lavbiologiske bakterie- og cysteformer kan være av betydning (6–9, 33). Polymorfnukleære leukocytters produksjon av calprotectin, som fjerner tigjengelig sink og dermed hemmer celledelingen, kan gjøre bakterien resistent mot b-laktamantibiotika (41).
Bakteriens antibiotikafølsomhet skiller seg både fra grampositive og andre gramnegative bakterier. Den har naturlig resistens ovenfor aztreonam, teikoplanin, fucidinsyre, fluorokinoloner, aminoglukosider, cefaclor, loracarbef, nalidiksinsyre, trimetoprim-sulfametoksazol, fosfomycin og rifampicin (42). De stammer som er undersøkt så langt, viser svært variabel følsomhet overfor de ulike antibiotika. Den minste konsentrasjon av penicillin G som hemmer vekst av B. afzelii (MIC) er 100 ganger høyere enn for B. garinii (42).
Bakteriens efflukssystem kan utvikle seg til å omfatte utpumping fra bakteriecellen av mange ulike antibiotika, og kan dermed bidra til manglende effekt og persisterende infeksjon (43). Nye antibiotika som er resistente mot bakteriens efflukssystem kan da kanskje være en løsning.
Det er et kontroversielt spørsmål om cyster kan være årsak til persisterende infeksjon og reaktivering av sykdommen. Hydroksyklorokin og metronidazol har imidlertid vist seg å være cysteaktive in vitro (44, 45). Det er også kontroversielt om vedvarende symptomer etter gjennomgått Lyme-borreliose skriver seg fra persistent infeksjon eller er immunologisk betinget (46), men noen få studier viser at det er effekt av gjentatt og forlenget behandling (47–49).
Vaksine
Det er utviklet en OspA-vaksine for B. sensu stricto, men pga. bakterienes OspA-heterogenitet var ikke denne vaksinen effektiv mot B. afzelii og B. garinii. Den ga også flere bivirkninger og ble trukket tilbake fra markedet. Man arbeider imidlertid fortsatt med å utvikle en effektiv vaksine som kan dekke de vanlige genospesies. En ny rekombinant tetravalent vaksine basert på flere OspC-typer, som er under utvikling, vil dekke de sydomsfremkallende genospesies.
