Af de mere end 10.000 arter af svampe, er kun omkring 200 af dem patogene for mennesker og dyr. Men i de sidste 10 år, har forekomsten af alvorlige svampeinfektioner været stigende. Disse infektioner forekommer primært i hospitalsmiljøer og andre sundhedsinstitutioner og hos personer med svækket immunforsvar. Desuden, plager tusindevis af svampesygdomme, økonomisk vigtige planter og det koster flere milliarder på verdensplan om året.
Svampe er også gavnlige. De er vigtige i fødekæden, fordi de nedbryder dødt plantemateriale og dermed genanvender vigtige grundstoffer. De hårde dele af planter, som dyrene ikke kan fordøje, nedbrydes primært af svampe ved anvendelse af ekstracellulære enzymer, som for eksempel cellulaser. Næsten alle planter, er afhængige af symbiotiske svampe, kendt som mykorrhiza, der hjælper planternes rødder med at absorbere mineraler og vand fra jorden. Svampe er også værdifulde for dyr. For eksempel dyrker myrer svampe, der nedbryder cellulose og lignin fra planter, der giver glucose som myrerne så kan spise. Mennesket bruger svampe som fødevarer (for eksempel champignon) og til at producere fødevarer (brød og citronsyre) og til at lave medicin (alkohol og penicillin).
Studiet af svampe, kaldes mykologi. Et patogen skal være præcist identificeret, for at kunne yde korrekt behandling af en sygdom og forhindre spredning. Vi skal først se på de strukturer, der er grundlaget for identifikation af svampe i et klinisk laboratorium. Herefter vil vi se på deres livscyklus og ernæringsmæssige behov. Alle svampe er kemoheterotrofe og kræver organiske forbindelser som energi- og kulstofkilde. Svampe er aerobe eller fakultativ anaerobe; der kendes kun få anaerobe svampe.
Tabel 10.1.1 viser de grundlæggende forskelle mellem svampe og bakterier.
10.1.1 Svampes karakteristika
Identifikation af gær og svampe, kræver biokemiske tests. Dog kan flercellede svampe identificeres på baggrund af deres fysiske udseende, herunder koloniegenskaber og reproduktive sporer.
Vegetative stukturer
Svampekolonier, er beskrevet som vegetative strukturer, fordi de er sammensat af celler involveret i katabolisme og vækst.
Skimmel- og kødfulde svampe
Thallus (kroppen) af en skimmel- eller kødfuld svamp. Består af lange filamenter af sammenføjede celler; disse filamenter kaldes for hyfer (ental = hyfe). Hyfer kan vokse til enorme proportioner. Ved hjælp af DNA fingeraftryk, har forskere kortlagt hyfer af en enkelt svamp i Oregon, der strakte sig over 10 kvadrat kilometer.
I de fleste skimmelsvampe, indeholder hyferne skillevægge kaldet septa (ental = septum), der deler dem i adskilte, enkeltkernede celleenheder. Disse hyfer kaldes septate hyfer (se figur 10.1.1.1a). I enkelte klasser af svampe, indeholder hyferne ingen skillevægge og fremstår som lange, kontinuerlige celler med mange kerner. Disse kaldes coenocytiske hyfer (se figur 10.1.1.1b). Selv i svampe med separate hyfer, der er som regel åbninger i hyferne, der gør cytoplasmaet fra tilstødende ”celler”, kontinuerligt; disse svampe er faktisk også coenocytiske organismer.
Hyfer vokser ved forlængelse af spidserne (se figur 10.1.1.1c). Hver del af en hyfe, er i stand til vækst og når et fragment brækker af, kan det forlænges og danne en ny hyfe. I laboratorier, er svampe sædvanligt vis dyrket af fragmenter opnået fra en svampe thallus.
Den del af hyfen, der opfanger næringsstoffer, kaldes den vegetative hyfe; Den hyfe der har med reproduktionen at gøre er den reproduktive eller løftede hyfe. Den har dette navn fordi den rager op over overfladen af det medium hvorpå svampen vokser. Løftede hyfer bærer ofte reproduktive sporer (se figur 10.1.1.2a), som vi kommer ind på senere i denne del. Når de miljømæssige betingelser er egnede, vokser hyferne til dannelse af en filamentøs masse, kaldet et mycelium, der er synligt med det blotte øje (se figur 10.1.1.2b).
Gær
Gør er ikke-filamentøse, encellede svampe, der typisk er sfæriske eller ovale. Ligesom skimmelsvampe, er gær vidt udbredte i naturen; de findes ofte som en hvid, pulveragtig belægning på frugter og blade. Spirende gær, som for eksempel Saccharomyces, deler sig ulige.
I spirring (se figur 10.1.1.3), danner forældrecellen et fremspring (protuberans/knop) på sin ydre overflade. Som knoppen forlænges, deler forældrecellens kerne sig og en kerne vandrer over i knoppen. Cellevægsmateriale lægges derefter mellem knoppen og forældrecellen og knoppen bryder til sidst væk.
En gærcelle kan med tiden producere op til 24 datterceller ved knopskydning. Nogle gær danne knopper, der ikke løsriver sig; disse knopper, danner en kort kæde af celler, der kaldes pseudohyfer. Candida albicans fastgør sig til humane epitelceller som gær, men behøver ofte pseudohyfer for at kunne trænge ind i det dybereliggende væv.
Fissionsgær, som for eksempel Schizosaccharomyces, deles lige for at danne to nye celler. Under fissionen, forlænges forældrecellen, dens kerne deles og to datterceller dannes. Øgning af antallet af gærceller på et fast medium, danner en koloni svarende til en bakteriekoloni.
Gær er i stand til fakultativ anaerob vækst, hvilket gør disse svampe, i stand til at overleve i forskellige miljøer. Hvis gæren har adgang til oxygen, udfører den aerob respiration til at metaboliserer kulhydrater til kuldioxid og vand; hvis ikke der er oxygen til stede, fermenterer de kulhydrater og producerer ethanol og kuldioxid. Denne fermentering anvendes i brygning, i vinfremstilling og i bageriindustrien. Saccharomyces-arter, producerer ethanol i gærede drikkevarer som for eksempel øl og kuldioxid som hævemiddel i brøddej.
Dimorfe svampe
Nogle svampe, især de patogene arter, udviser dimorfisme – to former for vækst. Sådanne svampe kan vokse enten som en skimmelsvamp, eller som gør. Skimmelsvampvækstformen danner vegetative og løftede hyfer; gærvækstformen reproducerer sig ved knopskydning. Dimorfisme i patogene svampe er temperaturafhængig; ved 37 ºC vokser svampen som gær og ved 25 ºC vokser de som skimmelsvampe. Men forekomsten af den dimorfe (i dette tilfælde ikke-patogene) svamp vist i figur 10.1.1.4 ændres på baggrund af koncentrationen af CO2.
Livscyklus
Filamentøse svampe kan reproducere sig ved fragmentering af deres hyfer. Endvidere sker både ukønnet og kønnet reproduktion i svampe ved dannelse af sporer. Svampe identificeres oftest ud fra den type sporer de danner.
Svampesporer er imidlertid helt forskellige fra bakterielle endosporer. Bakterielle endosporer tillader en bakteriecelle af overleve ugunstige miljøforhold. En enkelt vegetativ bakteriecelle, danner en endospore, der i sidste ende spirer og danner en vegetativ bakteriecelle. Denne proces er ikke reproduktiv, fordi den ikke øger det samlede antal bakterieceller. Efter en skimmelsvamp danner en spore, løsner sporen sig fra forældrecellen og spirer til en ny skimmelsvamp (se figur 10.1.1.1c). I modsætning til bakterielle endosporer, er det en ægte reproduktiv spore; en ny organisme vokser fra sporen. Selvom svampesporer kan overleve i længere perioder i tørre eller varme omgivelser, udviser de fleste ikke den ekstreme tolerance eller levetid som bakterielle endosporer gør.
Sporer dannes på løftede hyfer på en række forskellige måder, afhængig af arten. Svampesporer kan enten være ukønnede eller kønnede. Ukønnede sporer dannes fra hyfer på en organisme. Når disse sporer spirer, er de dannede organismer genetisk identiske med forældrecellen. Kønnede sporer, skyldes fusionen af kerner fra to modstående (han/hun) parrende stammer fra den samme art af svampe. Kønnede sporer, kræver to forskellige parringsstammer og forekommer mindre hyppigt en ukønnede sporer. Organismer, der vokser fra kønnede sporer, vil have genetiske egenskaber fra begge forældrestammer. Fordi sporer er af stor betydning ved identifikation af svampe, vil vi nu se på nogle af de forskellige typer af ukønnede og kønnede sporer.
Ukønnede sporer
Ukønnede sporer dannes af en individuel svamp gennem mitose og efterfølgende celledeling; der er ingen fusion af kernerne i cellerne. To typer af ukønnede sporer dannes af svampe. En type er konidiesporer eller konidium (flertal = konidier), en encellet eller flercellet sporedannelse der ikke er anbragt i en sæk (se figur 10.1.1.5a). Konidier dannes i en kæde, for eden af en konidiefore. Sådanne sporer dannes af Penicillium og Aspergillus. Konidier dannet ved opsplitningen af en septat hyfe i enkelte, let fortykkede celler, kaldes arthrokonidier (se figur 10.1.1.5b). En art der danner sådanne sporer, er Coccidioides immitis. En anden typer konidium, blastokonidier, er dannet af knopper fra forældrecellen (se figur 10.1.1.5c). Sådanne sporer findes hos nogle gærarter, som for eksempel Candida albicans og Cryptococcus. En chlamydokonidium er en tykvægget spore, dannet ved afrunding og udvidelse inde for et hyfesegment (figur 10.1.1.5d). En svamp, der danner chlamydokonidier er gæren Candida albicans.
Den anden type ukønnede sporer er en sporangiespore, dannet inde i et sporangium, eller sæk, ved enden af en løftet hyfe, kaldet en sporangiefore. Sporangiet kan indeholde hundredevis af sporangiesporer (se figur 10.1.1.5e). Sådanne sporer dannes af Rhizopus.
Kønnede sporer
En svamps kønnede sporer, er resultatet af en kønnet reproduktion, der består af tre faser:
- Plasmogami – En haploid kerne fra en donorcelle (+) gennemtrænger cytoplasmaet hos en modtagercelle (–).
- Karyogami – (+) og (–) kernerne fusionerer og danner en diploid zygote kerne.
- Meiose – Den diploide kerne, giver ophav til haploide kerner (kønnede sporer), hvoraf nogle kan være genetiske rekombinanter.
De kønnede sporer der dannes af svampe, karakteriserer deres række. Klinisk identifikation, er baseret på mikroskopisk undersøgelse af ukønnede sporer, fordi de fleste svampe kun danner ukønnede sporer under laboratorieforhold.
Ernæringsmæssige tilpasninger
Svampe er generelt tilpasset miljøer, der ville være fjendtlige over for bakterier. Svampe er kemoautotrofe og ligesom bakterier, optager de næringsstoffer i stedet for at indtage dem som dyr gør. Men svampe adskiller sig fra bakterier ved visse miljøkrav og følgende ernæringsmæssige egenskaber:
- Svampe vokser sædvanligvis bedre i et miljø med en pH på cirka 5, der er for sur til vækst af de fleste almindelige bakterier.
- Næste alle skimmelsvampe er aerobe. De fleste gær er fakultativt anaerobe.
- De fleste svampe er mere modstandsdygtige over for osmotisk tryk end bakterier; de kan derfor vokse i miljøer med relativt høje sukker- eller saltkoncentrationer.
- Svampe kan vokse på stoffer med et meget lavt indhold af fugt, i almindelighed for lavt til at kunne understøtte væksten af bakterier.
- Svampe kræver noget mindre nitrogen end bakterier, for en tilsvarende mængde vækst.
- Svampe er ofte i stand til at metaboliserer komplekse kulhydrater, som for eksempel lignin (en bestanddel af træ), de fleste bakterier ikke kan bruge som næringsstoffer.
Disse egenskaber, gør det muligt for svampe at vokse på så usandsynlige substrater, som badeværelsesvægge, skolæder og kasserede aviser.
10.1.2 Medicinsk vigtige svampe
Dette afsnit, giver et overblik over medicinsk vigtige rækker af svampe. Bemærk, at der kun kendes et relativt lille antal af svampe, der forårsager sygdom.
De slægter, nævnt i de følgende rækker omfatter mange svampe, der let findes som forureninger i fødevarer og i laboratoriebakteriekulturer. Selvom disse slægter ikke alle er af primær medicinsk betydning, er de typiske eksempler på de respektive grupper.
Zygomycota
Zygomycota, eller konjugationssvampe, er saprofytiske skimmelsvampe, der har coenocytiske hyfer. Et eksempel er Rhizopus stolonifer, den almindelige sorte skimmel på brød. De ukønnede sporer fra Rhizopus er sporangiesporer (se figur 10.1.2.1). De mørke sporangiesporer inde i sporangiet giver Rhizopus set beskrivende fællesnavn. Når sporangiet bryder åbent, spredes sporangiesporerne. Hvis de lander på et egnet medium, vil de spire til en ny skimmelthallus.
De kønnede sporer er zygosporer. En zygospore er en stor sporedannelse, indesluttet i en tyk væg (figur 10.1.2.1 trin 7). Denne type spore dannes, når kernerne i to celler, som morfologisk ligner hinanden, fusionerer.
Microsporidia
Microsporidia er usædvanlige eukaryoter, fordi de mangler mitokondrier. Microsporidia har ikke mikrotubuli og de er obligate intracellulære parasitter. I 1857, hvor de blev opdaget, blev microsporidia klassificeret som svampe. De blev omklassificeret til protister i 1983, fordi de mangler mitokondrier. Nylig genomsekventering har imidlertid afsløret, at microsporidia er svampe. Kønnet reproduktion er ikke observeret, med sker sandsynligvis inde i værten (figur 10.1.2.2). Microsporidia er blevet rapporteret som årsag til en række menneskelige sygdomme, herunder kronisk diarré og keratoconjunctivitis (inflammation af conjunctiva nær hornhinden), navnlig i AIDS patienter.
Ascomycota
Ascomycota, eller sæksvampe, omfatter skimmelsvampe med septate hyfer og nogle gærarter. Deres ukønnede sporer er normalt konidier, dannet i lange kæder fra konidieforer. Udtrykket konidie betyder støv og disse sporer løsnes let fra kæden ved den mindste forstyrrelse og kan svæve i luften som støv.
En ascospore dannes, når kernerne i to celler, der kan være enten morfologisk ens eller forskellige, fusionerer. Disse sporer dannes i en sæklignende struktur, kaldet en ascus (se figur 10.1.2.3, nederst til højre), Medlemmerne af denne række kaldes sæksvampe på grund af ascusen.
Basidiomycota
Basidiomycota, eller køllesvampe, besidder også septate hyfer. Denne række omfatter svampe, der producerer svampe (for eksempel rød fluesvamp, champignon og så videre). Basidiesporer, dannes eksterne på en basepiedestal, kaldet en basidie (se figur 10.1.2.4). Fællesnavnet for svampene, stammer fra køllen, der danner basidiet. Der er normalt fire basidiesporer per basidie. Nogle af basidiomycota danner ukønnede konidiesporer.
* * *
Svampene vi har kigget på indtil videre er teleomorfer; det vil sige, de reproducerer sig både med kønnede og ukønnede sporer. Nogle ascomyceter har mistet evnen til at reproducere sig kønnet. Disse ukønnede svampe, kaldes anamorfe. Penicillium er et eksempel på en anamorf, der er opstået ved en mutation i en teleomorf. Historisk set, er svampe hvis kønnede reproduktion ikke har været observeret, blevet sat i en ”afventende kategori”, kaldet Deuteromycota. Nu bruger mykologer rRNA sekventering for at klassificere disse organismer. De fleste af disse tidligere uklassificerede deuteromyceter er anamorfiske faser af ascomycota og enkelte er basidomyceter
Tabel 10.1.2.1 lister nogle svampe, der forårsager sygdomme hos mennesker. Både teleomorfiske og anamorfiske navne er oplyst for nogle af disse svampe, fordi nogle medicinsk vigtige svampe kendes under deres anamorfe eller ukønnede navne.
10.1.3 Svampesygdomme
Enhver svampeinfektion, kaldes mykose. Mykoser er generelt kroniske (langvarige) infektioner, fordi svampe vokser langsomt. Mykoser klassificeres i fem grupper, efter graden af vævsinvolvering og måden hvorpå svampen trænger ind i værten: systemisk, subkutan, kutan, overfladisk eller opportunistisk. Svampe er relateret til dyr, som beskrevet i kapitel 9. Følgelig kan lægemidler, der påvirker svampeceller, derfor også påvirke dyreceller, hvilket gør at svampeinfektioner hos mennesker og dyr ofte er vanskelige at behandle.
Systemiske mykoser er svampeinfektioner dybt i kroppen. De er ikke begrænset til en bestemt region af kroppen, men kan påvirke en række væv og organer. Systemiske mykoser, er normalt forårsaget af svampe der lever i jorden. Sporerne overføres ved indånding; disse infektioner begynder typisk i lungerne og spredes herefter til andre kropsvæv. De er ikke smitsomme fra dyr til menneske eller fra menneske til menneske.
Subkutane mykoser er svampeinfektioner under huden, forårsaget af saprofytiske svampe der lever i jord og på vegetation. Sporotrichose er en subkutan infektion, der typisk erhverves af gartnere og landmænd. Smitte sker ved direkte implantation af sporer elle myceliefragmenter i et sår på huden.
Svampe, der kun inficerer huden, hår og negle, kaldes dermatofytter og deres infektioner kaldes dermatomykose eller kutane mykoser. Dermatofytter udskiller keratinase, et enzym der nedbryder keratin, der er et protein der findes i hud, hår og negle. Smitte overføres fra menneske til menneske eller fra dyr til menneske, ved direkte kontakt eller ved kontakt med inficerede hår og hudceller (som for eksempel fra frisørsakse eller gulve i brusebade).
De svampe, der forårsager overfladisk mykose, er lokaliseret langs hårskafter og på overfladen af hudceller. Disse infektioner er udbredte i tropiske klimaer.
Et opportunistisk patogen, er generelt ufarligt ved sine normale levesteder, men kan blive et patogen i en vært, der er alvorligt svækket eller traumatiseret, som er under behandling med bredspektret antibiotika, hvis immunsystem er undertrykt af medikamenter eller en immun lidelse, eller som har en lungesygdom.
Pneumocyctis er et opportunistisk patogen hos personer med svækket immunforsvar og den er den mest almindelige livstruende infektion hos AIDS patienter. Den blev først klassificeret som en protozo, men de seneste undersøgelser af dens RNA afslører, at den er en encellet anamorfisk svamp. Et andet eksempel på et opportunistisk patogen, er svampen Stachybotrys, der normalt vokser på cellulose fra døde planter, men i de seneste år har vist sig at kunne vokse på vandskadede vægge i boliger.
Mucormykose, er en opportunistisk mykose, forårsaget af Rhizopus og Mucor; infektionen forekommer oftest hos patienter med diabetes mellitus, leukæmi, eller er i behandling med immunosuppressive lægemidler. Aspergillose, er også en opportunistisk mykose; det er forårsaget af Aspergillus (se figur 10.1.1.2). Denne sygdom opstår hos mennesker, der her invaliderende lungesygdomme eller kræft og som har inhaleret Aspergillus sporer. Opportunistiske infektioner med Cryptococcus og Penicillium kan forårsage dødelige sygdomme hos AIDS patienter. Disse opportunistiske svampe, kan overføres fra en person til en ikke-inficeret person, men kan normalt ikke inficere immunkompetente mennesker.
Gærinfektioner eller candidiasis, er oftest forårsaget af Candida albicans og kan forekomme som vulvovaginal candidiasis eller trøske, en mukokutan candidiasis. Candidiasis forekommer oftest hos nyfødte, hos mennesker med AIDS og hos mennesker der behandles med bredspektret antibiotika.
Nogle svampe forårsager sygdom ved at producere toksiner.
10.1.4 Økonomiske effekter ved svampe
Svampe er blevet anvendt i bioteknologi i mange år. Aspergillus niger for eksempel, er blevet anvendt til at producere citronsyre til føde- og drikkevarer siden 1914. Gæren Saccharomyces cerevisiae bruges til at lave brød og vin. Den er også blevet genetisk modificeret til at producere en lang række proteiner, herunder hepatitis B vaccine. Thricoderma anvendes kommercielt til at producere enzymet cellulase, der anvendes til at fjerne plantecellevægge til frembringelse af en klar frugtsaft. Da antikræftlægemidlet taxol, der er produceret af takstræer, blev opdaget, var der bekymring over, om takstræskovene i blandt andet USA, ville blive decimeret, for at høste lægemidlet. Men svampen Taxomyces producerer også taxol.
Svampe anvendes til biologisk kontrol af skadedyr. I 1990, blev svampen Entomophaga uventet spredt og dræbte sigøjnermøl, der ødelagde træer i USA. Forskere undersøger brugen af flere svampe til at dræbe skadedyr:
- Svampen Coniothyrium minitans, lever af svampe der ødelægger soyabønner og andre bønneafgrøder.
- En skum fyldt med Paecilomyces fumosoroseus bliver brugt som et biologisk alternativ til kemikalier, for at dræbe termitter der gemmer sig inde i træstammer og andre steder der er svære at nå.
I modsætning til disse gavnlige virkninger, kan svampe ha uønskede virkninger for landbruget, på grund af deres ernæringsmæssige tilpasninger. Som de fleste af os har observeret, er fordærv fra skimmel på frugt, korn og grøntsager, forholdsvis almindeligt, hvor bakteriel fordærvelse af sådanne fødevarer ikke er almindeligt og samtidigt er frugtkødet i frugter oftest for surt til at bakterier kan vokse der. Syltetøj og gelé har også tendens til at være sure og har et højt osmotisk tryk fra det sukker de indeholder. Disse faktorer er med til at begrænse bakterievækst, men understøtter let vækst af skimmelsvampe. Et lag af paraffin på toppen af et glas hjemmelavet syltetøj, begrænser væksten af skimmelsvamp, fordi skimmelsvampe er aerobe og paraffinlaget holder ilten ude. Men ferskt kød og andre fødevarer er så gode substrater for bakterievækst, at bakterier ikke kun overvokser skimmelsvampene, men aktivt undertrykker skimmelvækst ved at producere antisvampekemikalier.
Spredningen af kastanjetræer i USA, der ikke længere vokser her med undtagelse af nogle enkelte isolerede steder; en svampepest udryddede stort set alle kastanjetræerne. Denne svampepest, var forårsaget af ascomyceten Cryphonectria parasitica, der blev indført fra Kina omkring 1904. Svampen tillader rødderne at leve og skyde friske skud op regelmæssigt, men dræber disse friske skud, lige så regelmæssigt. Cryphonectria resistente kastanjer er under udvikling. En anden importeret plantesvampeinfektion er hollandsk elmesyge, forårsaget af Ceratocystis ulmi. Båret fra træ til træ af en barkbille, blokerer svampen det ramte træs kredsløb. Sygdommen har hærget både den amerikanske og europæiske elmetræsbestand.