علم الأحياء الدقيقة الطبية

علم الأحياء الدقيقة الطبية ، وهو فرع واسع من علم الأحياء الدقيقة يُطبّق في الطب ، هو فرع من العلوم الطبية يُعنى بالوقاية من الأمراض المعدية وتشخيصها وعلاجها . إضافةً إلى ذلك، يدرس هذا المجال العلمي التطبيقات السريرية المختلفة للميكروبات لتحسين الصحة. هناك أربعة أنواع من الكائنات الدقيقة التي تُسبب الأمراض المعدية: البكتيريا ، والفطريات ، والطفيليات، والفيروسات ، ونوع واحد من البروتينات المعدية يُسمى البريون .

يدرس أخصائي الأحياء الدقيقة الطبية خصائص مسببات الأمراض ، وطرق انتقالها، وآليات العدوى والنمو. يتطلب التأهيل الأكاديمي كأخصائي أحياء دقيقة سريرية/طبية في مستشفى أو مركز أبحاث طبية عادةً درجة البكالوريوس، بينما في بعض البلدان يتطلب درجة الماجستير في علم الأحياء الدقيقة بالإضافة إلى درجة الدكتوراه في أي من علوم الحياة (الكيمياء الحيوية، علم الأحياء الدقيقة، التقنية الحيوية، علم الوراثة، إلخ). ^{[ 1 ]} غالبًا ما يعمل أخصائيو الأحياء الدقيقة الطبية كمستشارين للأطباء ، حيث يقدمون المساعدة في تحديد مسببات الأمراض واقتراح خيارات العلاج. وباستخدام هذه المعلومات، يمكن وضع خطة علاجية. قد تشمل المهام الأخرى تحديد المخاطر الصحية المحتملة على المجتمع أو مراقبة تطور سلالات الميكروبات التي يحتمل أن تكون ضارية أو مقاومة، وتثقيف المجتمع والمساعدة في تصميم الممارسات الصحية. كما قد يساعدون في الوقاية من الأوبئة وتفشي الأمراض أو السيطرة عليها. لا يدرس جميع أخصائيي الأحياء الدقيقة الطبية علم الأمراض الميكروبية ؛ إذ يدرس بعضهم أنواعًا شائعة غير ممرضة لتحديد ما إذا كان من الممكن استخدام خصائصها لتطوير المضادات الحيوية أو طرق علاجية أخرى.

يُعدّ علم الأوبئة ، الذي يدرس أنماط وأسباب وتأثيرات الحالات الصحية والمرضية في المجتمعات، جزءًا هامًا من علم الأحياء الدقيقة الطبية، على الرغم من أن الجانب السريري لهذا المجال يركز بشكل أساسي على وجود العدوى الميكروبية ونموها لدى الأفراد، وتأثيراتها على جسم الإنسان، وطرق علاجها. وفي هذا السياق، يمكن تقسيم هذا المجال، باعتباره علمًا تطبيقيًا، نظريًا إلى تخصصات فرعية أكاديمية وسريرية، مع وجود ترابط وثيق بين علم الأحياء الدقيقة للصحة العامة وعلم الأحياء الدقيقة السريري ، تمامًا كما يعتمد تطور المختبرات السريرية على التحسينات المستمرة في الطب الأكاديمي ومختبرات البحث .

في عام 1676، لاحظ أنطون فان ليفينهوك البكتيريا والكائنات الحية الدقيقة الأخرى، باستخدام مجهر ذي عدسة واحدة من تصميمه الخاص. ^{[ 3 ]}

في عام 1796، طور إدوارد جينر طريقة باستخدام جدري البقر لتحصين طفل بنجاح ضد الجدري. وتُستخدم المبادئ نفسها لتطوير اللقاحات اليوم. ^{[ 4 ]}

وبناءً على ذلك، قام لويس باستور في عام 1857 بتصميم لقاحات ضد العديد من الأمراض مثل الجمرة الخبيثة وكوليرا الدواجن وداء الكلب ، بالإضافة إلى عملية البسترة لحفظ الأغذية . ^{[ 5 ]}

يُعتبر جوزيف ليستر، في عام 1867، رائد الجراحة المطهرة . فمن خلال تعقيم الأدوات بحمض الكربوليك المخفف واستخدامه لتنظيف الجروح، انخفضت معدلات العدوى بعد العمليات الجراحية، مما جعل الجراحة أكثر أمانًا للمرضى. ^{[ 6 ]}

في الفترة ما بين عامي 1876 و1884، قدّم روبرت كوخ رؤى قيّمة حول الأمراض المعدية. كان من أوائل العلماء الذين ركّزوا على عزل البكتيريا في مزارع نقية ، مما أدى إلى ظهور نظرية الجراثيم ، التي تنص على أن كائنًا دقيقًا معينًا مسؤول عن مرض معين. وقد وضع كوخ سلسلة من المعايير حول هذا الموضوع، والتي أصبحت تُعرف باسم مسلمات كوخ . ^{[ 7 ]}

يُعدّ صبغ غرام علامة فارقة في علم الأحياء الدقيقة الطبية . ففي عام 1884، طوّر هانز كريستيان غرام طريقةً لتلوين البكتيريا لجعلها أكثر وضوحًا وتمييزًا تحت المجهر. ولا تزال هذه التقنية مستخدمة على نطاق واسع حتى اليوم. ^{[ 8 ]}

في عام 1910، اختبر بول إرليخ تركيبات متعددة من المواد الكيميائية القائمة على الزرنيخ على أرانب مصابة بمرض الزهري . ثم وجد إرليخ أن الأرسفينامين فعال ضد البكتيريا اللولبية المسببة للزهري. وأصبح الأرسفينامين متاحًا في عام 1910، تحت اسم سالفارسان . ^{[ 9 ]}

في عام 1929، طور ألكسندر فليمنج أحد أكثر المواد المضادة الحيوية استخدامًا في ذلك الوقت وحتى الآن: البنسلين . ^{[ 10 ]}

في عام 1939، اكتشف غيرهارد دوماك أن برونتوسيل الأحمر يحمي الفئران من المكورات العقدية والمكورات العنقودية الممرضة دون أي آثار جانبية سامة. وقد نال دوماك جائزة نوبل في الطب لاكتشافه دواء السلفا . ^{[ 9 ]}

أحدث تسلسل الحمض النووي ، وهو أسلوب طوره والتر جيلبرت وفريدريك سانجر عام 1977، ^{[ 11 ]} تغييراً سريعاً في تطوير اللقاحات والعلاجات الطبية وأساليب التشخيص. ومن بين هذه التطورات الأنسولين الاصطناعي الذي تم إنتاجه عام 1979 باستخدام الحمض النووي المؤتلف ، وأول لقاح معدل وراثياً تم ابتكاره عام 1986 لالتهاب الكبد ب .

في عام 1995، قام فريق في معهد أبحاث الجينوم بتسلسل أول جينوم بكتيري ، وهو جينوم المستدمية النزلية . ^{[ 12 ]} وبعد بضعة أشهر، تم الانتهاء من تسلسل أول جينوم حقيقي النواة . وقد أثبت هذا الجين أهميته البالغة في تقنيات التشخيص. ^{[ 13 ]}

في عام ٢٠٠٧، تمكن فريق من شركة الأغذية الدنماركية "دانيسكو" من تحديد الغرض من نظام CRISPR-Cas في توفير مناعة تكيفية ضد العاثيات. وسرعان ما تبين أن هذا النظام قادر على المساعدة في تعديل الجينوم من خلال قدرته على إحداث كسور في سلسلتي الحمض النووي. وكان مريض مصاب بفقر الدم المنجلي أول شخص يُعالج من اضطراب وراثي باستخدام تقنية CRISPR في يوليو ٢٠١٩. ^{[ ١٤ ]}

بكتيري

• التهاب البلعوم العقدي ^{[ 15 ]}
• الكلاميديا ^{​​[ 16 ]}
• حمى التيفوئيد ^{[ 17 ]}
• السل ^{[ 18 ]}

منتشر

• فيروس الروتا ^{[ 19 ]}
• التهاب الكبد الوبائي سي ^{[ 20 ]}
• فيروس الورم الحليمي البشري (HPV) ^{[ 21 ]}

طفيلي

• الملاريا ^{[ 18 ]}
• الجيارديا اللمبلية ^{[ 22 ]}
• توكسوبلازما جوندي ^{[ 23 ]}

الفطريات

• الكانديدا ^{[ 24 ]}
• داء النسيجيات ^{[ 25 ]}
• قشرة الرأس ^{[ 26 ]}

البريون - بروتينات مطوية بشكل خاطئ، تحدث عادةً في الدماغ، وتحفز بروتينات أخرى طبيعية على الطي بشكل خاطئ. وهي نادرة للغاية، وتؤدي هذه البروتينات المتراكمة إلى مضاعفات. ^{[ 27 ]}

• اعتلالات الدماغ الإسفنجية المعدية (TSE) ^{[ 28 ]}
• مرض كروتزفيلد جاكوب (CJD) ^{[ 29 ]}
• الأرق العائلي المميت ^{[ 30 ]}

قد تحدث العدوى بسبب البكتيريا والفيروسات والفطريات والبريونات والطفيليات . وقد يكون العامل الممرض المسبب للمرض خارجيًا (مكتسبًا من مصدر خارجي؛ بيئي أو حيواني أو من أشخاص آخرين، مثل الإنفلونزا ) أو داخليًا (من الفلورا الطبيعية، مثل داء المبيضات ) . ^{[ 31 ]}

يُطلق على الموقع الذي يدخل منه الميكروب إلى الجسم اسم بوابة الدخول. ^{[ 32 ]} وتشمل هذه البوابات الجهاز التنفسي ، والجهاز الهضمي ، والجهاز البولي التناسلي ، والجلد ، والحقن الوريدي ، ونقل الدم ، والبوابات الخلقية ، والبصرية ، والأغشية المخاطية . ^{[ 33 ] [ 34 ]} وتعتمد بوابة دخول ميكروب معين عادةً على كيفية انتقاله من بيئته الطبيعية إلى العائل. ^{[ 32 ]}

توجد طرق مختلفة يمكن من خلالها انتقال الأمراض بين الأفراد. وتشمل هذه الطرق ما يلي: ^{[ 32 ]}

• الاتصال المباشر - لمس شخص مصاب، بما في ذلك الاتصال الجنسي
• الاتصال غير المباشر - لمس سطح ملوث
• انتقال العدوى عن طريق الرذاذ - السعال أو العطس
• الطريق البرازي الفموي - تناول الطعام أو مصادر المياه الملوثة
• انتقال العدوى عبر الهواء - جراثيم تحمل مسببات الأمراض
• انتقال العدوى بواسطة النواقل - كائن حي لا يسبب المرض بنفسه ولكنه ينقل العدوى عن طريق نقل مسببات الأمراض من مضيف إلى آخر
• انتقال العدوى عبر الأسطح الملوثة - جسم أو مادة غير حية قادرة على نقل الجراثيم أو الطفيليات المعدية.
• العدوى البيئية - العدوى المكتسبة في المستشفيات ( العدوى المكتسبة في المستشفيات )

تستخدم الفيروسات، كغيرها من مسببات الأمراض، طرق الانتقال هذه لدخول الجسم، لكنها تختلف عنها في أنها يجب أن تدخل أيضًا إلى خلايا العائل نفسها. وبمجرد وصول الفيروس إلى خلايا العائل، يجب إدخال مادته الوراثية ( RNA أو DNA ) إلى الخلية . وتختلف عملية تكاثر الفيروسات اختلافًا كبيرًا، وتعتمد على نوع الجينات التي تحتويها. تتجمع معظم فيروسات DNA في النواة، بينما تتطور معظم فيروسات RNA في السيتوبلازم فقط. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

تُعدّ آليات العدوى والتكاثر والبقاء للفيروس في خلايا العائل بالغة الأهمية لبقائه. فعلى سبيل المثال، تعتمد بعض الأمراض، كالحصبة ، استراتيجية الانتشار إلى سلسلة من العوائل. في هذه الأشكال من العدوى الفيروسية، غالبًا ما يُعالج المرض بواسطة استجابة الجهاز المناعي ، ولذلك يحتاج الفيروس إلى الانتشار إلى عوائل جديدة قبل أن يُقضى عليه بفعل المقاومة المناعية أو موت العائل. ^{[ 37 ]} في المقابل، تستطيع بعض العوامل المعدية، مثل فيروس ابيضاض الدم السنوري ، مقاومة الاستجابات المناعية، ولديها القدرة على البقاء لفترات طويلة داخل العائل الواحد، مع احتفاظها أيضًا بالقدرة على الانتشار إلى عوائل لاحقة. ^{[ 38 ]}

تشير الضراوة إلى قدرة الكائن الحي على غزو العائل والتسبب في المرض. عوامل الضراوة هي جزيئات تمكّن البكتيريا من الالتصاق بخلايا العائل وغزوها. يمكن أن تكون هذه العوامل مُفرزة، أو موجودة على غشاء الخلية، أو داخلها (سيتوبلازمية). تساعد العوامل السيتوبلازمية البكتيريا على التكيف السريع مع خصائصها الأيضية والفيزيائية والبنيوية. أما العوامل المرتبطة بالغشاء فتساعد البكتيريا على الالتصاق بالعائل وتجنب اكتشافها من قبل جهاز المناعة. وتساعد العوامل المُفرزة البكتيريا على التغلب على دفاعات الجسم المناعية الفطرية والتكيفية. في حالات التهديدات خارج الخلوية، تعمل العوامل المُفرزة معًا لتدمير خلايا العائل. ^{[ 39 ]}

قد يكون تحديد العامل المُعدي لمرض بسيط بسيطًا بمجرد النظر إلى الأعراض السريرية، مثل أمراض الجهاز الهضمي والتهابات الجلد. وللحصول على تقدير دقيق لنوع الميكروب المُسبب للمرض، لا بد من مراعاة العوامل الوبائية، مثل احتمالية تعرض المريض للكائن الحي المشتبه به، ووجود سلالة ميكروبية وانتشارها في المجتمع.

يبدأ تشخيص الأمراض المعدية عادةً بمراجعة التاريخ الطبي للمريض وإجراء فحص سريري. وتشمل تقنيات التشخيص الأكثر دقة زراعة الميكروبات ، والفحص المجهري ، والاختبارات الكيميائية الحيوية ، والتنميط الجيني . كما تُستخدم تقنيات أخرى أقل شيوعًا (مثل الأشعة السينية ، والتصوير المقطعي المحوسب ، والتصوير المقطعي بالإصدار البوزيتروني ، أو الرنين المغناطيسي النووي ) لإنتاج صور للتشوهات الداخلية الناتجة عن نمو العامل المعدي.

زراعة الميكروبات

تُعدّ الزراعة الميكروبيولوجية الطريقة الأساسية المستخدمة لعزل الأمراض المعدية لدراستها في المختبر. تُفحص عينات الأنسجة أو السوائل للكشف عن وجود مسبب مرضي محدد ، والذي يُحدد من خلال نموه في وسط انتقائي أو تفاضلي .

الأنواع الثلاثة الرئيسية للوسائط المستخدمة في الاختبار هي: ^{[ 40 ]}

• الزراعة الصلبة: تُحضّر بيئة صلبة باستخدام مزيج من المغذيات والأملاح والأجار . يمكن لميكروب واحد على طبق الأجار أن ينمو ليُشكّل مستعمرات (خلايا متطابقة) تحتوي على آلاف الخلايا. تُستخدم هذه المستعمرات بشكل أساسي لزراعة البكتيريا والفطريات.
• الزراعة السائلة: تُزرع الخلايا داخل وسط سائل. ويُحدد نمو الميكروبات بالوقت اللازم لتكوين معلق غرواني في السائل . تُستخدم هذه التقنية لتشخيص الطفيليات والكشف عن المتفطرات . ^{[ 41 ]}
• زراعة الخلايا: تُصاب مزارع الخلايا البشرية أو الحيوانية بالميكروب المراد دراسته. ثم تُراقَب هذه المزارع لتحديد تأثير الميكروب على الخلايا. تُستخدم هذه التقنية لتحديد الفيروسات.

بمجرد تشخيص العدوى وتحديدها، يجب على الطبيب وأخصائيي الأحياء الدقيقة الطبية الاستشاريين تقييم خيارات العلاج المناسبة. يمكن للجسم التغلب على بعض أنواع العدوى بواسطة جهاز المناعة ، بينما تُعالج العدوى الأكثر خطورة بالأدوية المضادة للميكروبات . تُعالج العدوى البكتيرية بالمضادات الحيوية ، بينما تُعالج العدوى الفطرية والفيروسية بمضادات الفطريات ومضادات الفيروسات على التوالي. تُستخدم فئة واسعة من الأدوية تُعرف بمضادات الطفيليات لعلاج الأمراض الطفيلية .

غالباً ما يقدم أخصائيو الأحياء الدقيقة الطبية توصيات علاجية لطبيب المريض بناءً على سلالة الميكروب ومقاومته للمضادات الحيوية ، وموقع العدوى، والسمية المحتملة للأدوية المضادة للميكروبات، وأي حساسية دوائية لدى المريض.

إضافةً إلى كون بعض الأدوية مُخصصة لنوع مُعين من الكائنات الحية (كالبكتيريا والفطريات وغيرها)، فإن بعضها الآخر مُخصص لجنس أو نوع مُعين من الكائنات الحية، ولا يُجدي نفعًا مع الكائنات الأخرى. وبسبب هذه الخصوصية، يجب على أخصائيي الأحياء الدقيقة الطبية مراعاة فعالية بعض الأدوية المضادة للميكروبات عند تقديم التوصيات. علاوة على ذلك، قد تُصبح سلالات من الكائنات الحية مُقاومة لدواء مُعين أو فئة مُعينة من الأدوية، حتى وإن كان هذا الدواء فعالًا عادةً ضد هذا النوع. تُشكل هذه السلالات، التي تُسمى بالسلالات المُقاومة، مصدر قلق بالغ للصحة العامة، وتزداد أهميتها في القطاع الطبي مع تفاقم انتشار مُقاومة المضادات الحيوية . تُعد مُقاومة مُضادات الميكروبات مشكلة مُتفاقمة تُؤدي إلى ملايين الوفيات سنويًا. ^{[ 47 ]}

إن تكيف البكتيريا مع المضادات الحيوية يعني أنها لم تعد قادرة على قتلها أو إيقاف نموها. وقد تصبح هذه العدوى البكتيرية صعبة العلاج للغاية، نظرًا لقلة الخيارات المتاحة للقضاء على البكتيريا. وتنتج مقاومة المضادات الحيوية عن الإفراط في استخدامها ، أو سوء استخدامها ، أو المقاومة التلقائية، أو المقاومة المنتقلة. إن تناول المضادات الحيوية دون وصفة طبية يسمح للبكتيريا المقاومة بطبيعتها بالبقاء والتحول إلى " بكتيريا خارقة ". ويشمل سوء استخدام المضادات الحيوية نسيان تناول جرعة أو أكثر، أو التوقف عن العلاج قبل الأوان، أو استخدام دواء شخص آخر. وتزداد مقاومة البكتيريا المتحولة للأدوية بشكل متزايد. ^{[ 48 ]}

بينما تنطوي مقاومة الأدوية عادةً على تعطيل الميكروبات للدواء المضاد للميكروبات كيميائيًا أو منع الخلايا امتصاصه ميكانيكيًا، إلا أن شكلًا آخر من أشكال مقاومة الأدوية قد ينشأ عن تكوين الأغشية الحيوية . تستطيع بعض البكتيريا تكوين أغشية حيوية عن طريق الالتصاق بأسطح الأجهزة المزروعة، مثل القسطرة والأطراف الاصطناعية، وإنشاء مادة خارج خلوية تلتصق بها خلايا أخرى. ^{[ 49 ]} يوفر هذا بيئة مستقرة للبكتيريا تمكنها من الانتشار وإصابة أجزاء أخرى من جسم المضيف. إضافةً إلى ذلك، تحمي المادة خارج الخلوية والطبقة الخارجية الكثيفة من الخلايا البكتيرية الخلايا البكتيرية الداخلية من الأدوية المضادة للميكروبات. ^{[ 50 ]}

العلاج بالعاثيات تقنية اكتُشفت قبل المضادات الحيوية، لكنها تراجعت شعبيتها مع انتشار المضادات الحيوية. ويُنظر إليها الآن كحل محتمل لمشكلة مقاومة المضادات الحيوية المتزايدة. العاثيات ، وهي فيروسات تُصيب البكتيريا فقط، تستهدف البكتيريا المستهدفة بدقة وتُدخل جينومها. هذه العملية تُجبر البكتيريا على التوقف عن إنتاج عاثياتها لإنتاج المزيد منها، ويستمر هذا حتى تتحلل البكتيريا وتُطلق العاثيات في البيئة المحيطة. لا يقتل العلاج بالعاثيات الميكروبات المعوية لأنه مُحدد، ويمكن أن يُفيد من يُعانون من حساسية المضادات الحيوية. من عيوبه أنه عملية تستغرق وقتًا طويلاً نظرًا لضرورة تحديد نوع البكتيريا المُستهدفة. كما أنه لا يحظى حاليًا بنفس القدر من الأبحاث التي تدعم فعاليته وسلامته كما هو الحال مع المضادات الحيوية. قد تُصبح البكتيريا مقاومة في نهاية المطاف، من خلال أنظمة مثل نظام CRISPR/Cas9. مع ذلك، أظهرت العديد من التجارب السريرية نتائج واعدة، مُشيرةً إلى إمكانية مساهمة هذا العلاج في حل مشكلة مقاومة المضادات الحيوية. كما يُمكن استخدامه بالتزامن مع المضادات الحيوية لتحقيق تأثير تراكمي. ^{[ 51 ]}

لا يقتصر علم الأحياء الدقيقة الطبية على تشخيص الأمراض وعلاجها فحسب، بل يشمل أيضًا دراسة الكائنات الدقيقة المفيدة. فقد ثبت أن للكائنات الدقيقة دورًا هامًا في مكافحة الأمراض المعدية وتعزيز الصحة. ويمكن تطوير علاجات من الكائنات الدقيقة، كما يتضح من اكتشاف ألكسندر فليمنج للبنسلين ، بالإضافة إلى تطوير مضادات حيوية جديدة من جنس البكتيريا الستربتوميسيس، وغيرها الكثير. ^{[ 52 ]} ولا تقتصر فوائد الكائنات الدقيقة على كونها مصدرًا للمضادات الحيوية فحسب، بل قد يعمل بعضها أيضًا كمُعززات حيوية (بروبيوتيك) لتوفير فوائد صحية للمضيف، مثل تحسين صحة الجهاز الهضمي أو تثبيط مسببات الأمراض. ^{[ 53 ]}