Эндотоксин (ЭТ) представляет собой липополисахарид (ЛПС), являющийся облигатным компонентом наружной мембраны всех грамотрицательных бактерий. Эндотоксин освобождается в просвет кишечника в результате самообновления клеточного пула сапрофитной микрофлоры и/или насильственного разрушения в результате антибактериальной терапии, пищевых отравлений, дисбактериозов, кишечных токсикоинфекций и др. Одна из моделей структуры ЭТ, а именно ЛПС Salmonella typhimurium, предложенная O. Westphal, представлена на схеме (рис.1) .
Субъединица ЛПС состоит из трех крупных частей: О-цепь, R-кор и липид А. Наружная часть ЛПС – О-цепь – построена из повторяющихся олигосахаридных звеньев, которые состоят из 3-4 сахаров. Эта часть ЛПС определяет специфичность О-антигена бактерий и значительно варьирует у разных видов грамотрицательных бактерий.
Средняя область – R-кор представляет собой олигосахарид, структура которого менее вариабельна, чем структура О-цепи. Наиболее постоянными составляющими R-кор являются сахара, примыкающие к липидной части ЛПС.
Липид А представляет собой консервативную химическую структуру и обуславливает общность биологических свойств ЛПС всех грамотрицательных бактерий. В естественных условиях синтеза эндотоксина липид А существует в комплексе с тремя молекулами кетодезоксиоктулоновой кислоты. Этот комплекс входит в состав биохимической структуры всех ЛПС. Изолированно он синтезируется в генетически дефектных штаммах грамотрицательных микроорганизмов, так называемых Re-мутантах, и носит название Re-гликолипида. Именно с этим ферментом ЛПС связан практически весь спектр биологической активности эндотоксина.
Рис.1. Схема строения ЛПС грамотрицательных бактерий
Эндотоксин обладает целым рядом биологических свойств. Перечень видов биологической активности эндотоксина:
- активация лейкоцитов и макрофагов;
- стимуляция продукции эндогенного пирогена, антагониста
глюкокортикоидов, интерферона, интерлейкинов,
туморнекротизирующего фактора (кахексина) и других медиаторов;
- активация синтеза белков острой фазы, в том числе амилоидного
белка;
- митогенный эффект;
- активация миелопоеза;
- поликлональная активация В-клеток;
- индукция развития провирусов;
- подавление тканевого дыхания;
- развитие гиперлипидемии;
- активация системы комплемента;
- активация тромбоцитов и факторов свертывания крови;
- гибель клеток;
- местный и генерализованный феномен Шварцмана;
- диссеминированное внутрисосудистое свертывание крови (ДВС);
- эндотоксиновый шок и развитие острой полиорганной
недостаточности .
Большой интерес исследователей к ЛПС обусловлен не только его уникальной структурой и широкой по разнообразию вызываемых эффектов биологической активностью, но и тем обстоятельством, что человек находится в постоянном контакте с ЭТ, так как в кишечнике обитает довольно большое количество Гр - бактерий. До недавнего времени считалось, что неповрежденная слизистая толстой кишки здорового человека является достаточно надежным барьером, предотвращающим попадание ЛПС в кровоток в больших количествах. В эксперименте чистый ЭТ через кишечный эпителий не проникал . В связи с этим, общепринятым являлось мнение о том, что ЛПС из кишечника в нормальных условиях в кровоток не проникает или проникает в незначительных количествах лишь в систему воротной вены, но не в системный кровоток. Однако в последние годы эта точка зрения существенно меняется. Исследования, проведенные под руководством М. Ю. Яковлева в лаборатории патологической анатомии экстремальных состояний Института морфологии человека АМН СССР, впервые установили факт присутствия кишечного ЛПС в общем кровотоке практически здоровых людей . Последующие исследования показали, что ЭТ проникает в общий кровоток новорожденного уже в первые часы жизни, и этот процесс синхронен с заселением кишечника младенца грамотрицательной микрофлорой . Более того, получены данные, свидетельствующие о том, что ЛПС может проникать в кровь плода уже внутриутробно .
Процесс проникновения ЭТ в кровоток усиливается при повреждениях слизистой кишечника, при дисбактериозах и различных воздействиях, которые сопровождаются транслокацией бактерий и продуктов их жизнедеятельности из кишечника в другие органы и ткани .
ЛПС может взаимодействовать практически со всеми клетками макроорганизма. На поверхности клеток млекопитающих имеются специфичные для ЭТ белковые рецепторы CD 14, CD 18, Toll-рецепторы и другие . Функции этих рецепторов различны. При связывании с рецепторным белком CD18 эндотоксин не вызывает активацию полиморфноядерных лейкоцитов (ПЯЛ). В то же время, при связывании с LBP-белком (lipopolysaccharid binding protein) плазмы крови ЛПС, в комплексе с этим белком, реагирует с рецептором CD14 на поверхности клетки, что приводит к активации лейкоцитов . Связывание эндотоксина c Toll-рецептором приводит к активации врожденного иммунитета.
В значительной мере биологическая активность ЛПС обусловлена его взаимодействием с лейкоцитами, макрофагами, эндотелиальными клетками и др. . Основным акцептирующим ЭТ клеточным элементом крови человека являются полиморфноядерные лейкоциты (ПЯЛ) . Известно несколько видов взаимодействия ЛПС с лейкоцитами. Взаимодействие гидрофобных структур ЛПС с мембранными компонентами клеток может зависеть от появления под действием ЭТ и содержания на поверхности нейтрофилов эндотелиально-лейкоцитарных адгезивных молекул (ELAM) . В частности к ELAM относят селектины. Е-селектин (ELAM-1) присутствует на плазматической мембране нейтрофилов и других фагоцитов. L-селектин (VCAM-1-сосудистая адгезивная молекула) находится на моноцитах и лимфоцитах и не обнаруживается на гранулярных лейкоцитах. Лигандом для адгезивной молекулы VCAM-1 являются медленно реагирующие антигены – VLA (a4, b4), которые также находятся на лимфоцитах и моноцитах. ПЯЛ на действие ЛПС отвечают освобождением цитокинов, интерлейкина-1b (IL-Ib) и фактора некроза опухоли (TNF-a), увеличением синтеза VCAM-1. VCAM-1 участвует в адгезии различных типов лимфоцитов, включая связывание B-клеток. Адгезию негранулярных лейкоцитов обеспечивают мембранные иммуноглобулины (ICAM-1, ICAM-2), связывающиеся с лимфоцитассоциированным антигеном- LFA-1. Подобно Е-селектину и VCAM-1, ICAM-1 вырабатывается на агранулоцитах только после их стимуляции IL-1 и TNF-a в ответ на воздействие ЭТ. В опытах на крысах Lewis было отмечено индуцированное повреждение эндотелия эндотоксином через экспрессию ICAM-1 при обработке IL-2, TNF-a и IFN-g. Усиление воздействия ICAM-1 заключается в адгезии лейкоцитов, среди которых преобладают моноциты (около 80%) и Т-лимфоциты (от 8% до 20%). Максимальная адгезия лейкоцитов отмечается к 6 часам с момента воздействия ЭТ и продолжается до 72 часов. Затем моноциты и лимфоциты активно проникают в сосудистую стенку через межклеточные каналы даже неповрежденных эндотелиальных клеток .
Следующей особенностью взаимодействия ЭТ с лейкоцитами является Fc-зависимое связывание ЛПС антителами, локализованными на Fc-рецепторах лейкоцитов . Этот вид взаимодействия приводит к фагоцитозу и инактивации ЭТ.
После введения кроликам ЭТ в дозе 0,25 мг ЛПС обнаруживается через 1-1,5 часа на 40% циркулирующих ПЯЛ. При этом они не разрушаются, как это было принято считать ранее, а перераспределяются в маргинальный пул микроциркуляторного русла.
ЭТ может быть обнаружен на поверхности гранулоцитов в крови практически здоровых взрослых людей, новорожденных и их матерей . Применение иммуноферментного анализа (ИФА) позволило показать, что в тонких мазках крови здоровых людей обнаруживается около 3-4% ПЯЛ, связавших ЛПС в кровотоке. Кроме того, еще около 5% ПЯЛ способны связывать ЭТ in vitro при обработке мазков препаратом ЛПС, т.е. у здоровых людей имеются резервы связывания эндотоксина гранулоцитами .
Библиографический список
- Westphal O. Bacterial Endotoxins // Int.Arch.Allergy Appl.Immunol. 1975. V.49.
- Лиходед В.Г., Ющук Н.Д., Яковлев М.Ю. Роль эндотоксина грамотрицательных бактерий в инфекционной и неинфекционной патологии // Архив патологии. 1996. №2.
- AU-Benoit R., Rowe S., Boyle P., Garret M. Alber S., Wiener J., Rowe M.I. Pure endfotoxin does not pass across the intestinal epithelium in vitro // Shock. 1998. V.10.
- Яковлев М.Ю. Роль кишечной микрофлоры и недостаточность барьерной функции печени в развитии эндотоксинемии и воспаления // Казан. мед. жур. 1988. №5.
- Яковлев М.Ю. Системная эндотоксинемия в физиологии и патологии человека. // Автореф. дисс. … д-ра мед. наук. М., 1993.
- Лиходед В.Г., Чхаидзе И.Г., Галдавадзе М.А. и др. Развитие кишечного дисбактериоза у новорожденных при дефиците антител к Re-гликолипиду // Микробиология. 1998. №4.
- Таболин В.А., Бельчик Ю.Ф., Чабаидзе Ж.Л. и др. Показатели антиэндотоксинового иммунитета у новорожденных в норме и патологии // Международн. журн. иммунореабил. 2000. № 1.
- Аниховская И.А., Опарина О.Н., Яковлева М.М., Яковлев М.Ю. Кишечный эндотоксин как универсальный фактор адаптации и патогенеза общего адаптационного синдрома // Физиология человека. 2006. Т.32. №2.
- Heumann D. CD14 and LPB in endotoxinemia and infections caused by Gram-negative bacteria // J. Endotox. Res. 2001. V. (6).
- Pugin J., Ulevitch R.J., Tobias P.S. A critical role for monocytes and CD14 in endotoxin-induced endothelial cell activation // J. Exp. Med. 1998. V.178.
- Amberger A., Maczek C., Jurgens G., Michaelis D. et al. Co-expression of ICAM-1, VCAM-1, ELAM-1 and Hsp60 in human arterial and venous endothelial cells in response to cytokines and oxidized low-density lipoproteins // Cell. Stress. Chaperones. 1997. V. 2(2).
- Seitz C.S., Kleindienst R., Xu Q., Wick G. Coexpression of heat-shock protein 60 and intercellular-adhesion molecule-1 is related to increased adhesion of monocytes and T cells to aortic endothelium of rats in response to endotoxin // Lab. Invest. 1996. V. 74(1).
- Лиходед В.Г., Аниховская И.В., Аполлонин А.В. и др. Fc-зависимое связывание эндотоксинов грамотрицательных бактерий полиморфноядерными лейкоцитами крови человека // Микробиология. 1996. №2.
В одно из царств живой природы входят одноклеточные живые организмы, выделенные в отдел Бактерии. Большинство их видов вырабатывают особые химические соединения - экзотоксины и эндотоксины. Их классификация, свойства и влияние на организм человека будут изучены в данной статье.
Что такое токсины
Вещества (в основном белковой или липополисахаридной природы), выделяемые в межклеточную жидкость после ее гибели - это бактериальные эндотоксины. Если живой прокариотический организм продуцирует ядовитые вещества в клетку хозяина, то в микробиологии такие соединения называют экзотоксинами. Они оказывают разрушающее действие на ткани и органы человека, а именно: инактивируют ферментативный аппарат на клеточном уровне, нарушают обмен веществ. Эндотоксин - это яд, оказывающий поражающее действие на живые клетки, причем концентрация его может быть очень малой. В микробиологии известно около 60 соединений, выделяемых бактериальными клетками. Рассмотрим их более подробно.
Липополисахаридная природа бактериальных ядов
Учеными установлено, что эндотоксин - это продукт расщепления внешней мембраны Он представляет собой комплекс, состоящий из сложного углевода и липида, взаимодействующий с конкретным видом клеточных рецепторов. Такое соединение состоит из трех частей: липида А, молекулы олигосахарида и антигена. Именно первый компонент, попадая в кровоток, вызывает наибольший повреждающий эффект, сопровождаемый всеми признаками тяжелого отравления: диспептическими явлениями, гипертермией, поражениями центральной нервной системы. Заражение крови эндотоксинами происходит настолько стремительно, что в организме развивается септический шок.
Еще один структурный элемент, входящий в эндотоксин - это олигосахарид, содержащий гептозу - C 7 H 14 O 7 . Поступая в кровяное русло, центральный дисахарид также может вызывать интоксикацию организма, но в более легкой форме, чем случае попадания в кровь липида А.
Последствия влияния эндотоксинов на организм человека
Наиболее распространенными последствиями действия бактериальных ядов на клетки являются тромбогеморрагический синдром и септический шок. Первый вид патологии возникает вследствие поступления в кровь веществ - токсинов, снижающих ее свертываемость. Это приводит к многочисленным повреждениям органов, состоящих из соединительной ткани - паренхимы, таких, например, как легкие, печень, почки. В их паренхиме происходят множественные кровоизлияния, а в тяжелых случаях - кровотечения. Другой вид патологии, возникающий в результате действий бактериальных ядов - это септический шок. Он приводит к нарушениям крово- и лимфообращения, последствиями которого являются нарушения транспортировки кислорода и питательных веществ к жизненно важным органам и тканям: головному мозгу, легким, почкам, печени.
У человека резко нарастают угрожающие для жизни симптомы, такие как стремительное падение кровяного давления, гипертермия и быстроразвивающаяся острая сердечно-сосудистая недостаточность. Срочное медицинское вмешательство (проведение гормональной и антибиотикотерапии) купирует действие эндотоксина и быстро выводит его из организма.
Отличительные особенности экзотоксинов
Прежде чем выяснить специфику этого вида бактериальных ядов, напомним, что эндотоксин - это один из компонентов лизата клеточной стенки погибшей грамотрицательной бактерии. Экзотоксины синтезируются живыми как грамположительными, так и грамотрицательными. С точки зрения химического строения, они являются исключительно белками с небольшой молекулярной массой. Можно сказать, что основные клинические проявления, возникающие в процессе инфекционных болезней, вызваны именно поражающим действием экзотоксинов, которые образуются вследствие метаболизма самой бактерии.
Микробиологическими исследованиями доказана более высокая вида бактериальных ядов, по сравнению с эндотоксинами. Возбудители столбняка, коклюша, дифтерии вырабатывают ядовитые вещества белковой природы. Они обладают термолабильностью и разрушаются при нагревании в диапазоне от 70 до 95 градусов Цельсия в течение 12-25 минут.
Виды экзотоксинов
Классификация такого типа бактериальных ядов построена по принципу их влияния на структуры клетки. Например, различают мембранотоксины, они разрушают оболочку клетки хозяина или нарушают диффузию и ионов, проходящих через мембранный бислой. Также существуют цитотоксины. Это яды, действующие на гиалоплазму клетки и нарушающие реакции ассимиляции и диссимиляции, протекающие в клеточном метаболизме. Другие соединения - яды «работают», как ферменты, например, гиалуронидаза (нейроминидаза). Они подавляют работу иммунной системы человека, то есть инактивируют выработку В лимфоцитов, моноцитов и макрофагов в лимфатических узлах. Так протеазы разрушают защитные антитела, а лецитиназа расщепляет лецитин, входящий в состав нервных волокон. Это приводит к нарушению проведения биоимпульсов, и, как следствие, к снижению иннервации органов и тканей.
Цитотоксины могут действовать как детергенты, при этом происходит разрушение целостности липидного слоя мембраны клетки хозяина. Более того, они способны разрушать, как отдельные клетки организма, так и их ассоциаты - ткани, вызывая образование биогенных аминов, являющихся продуктами метаболических реакций и проявляющими токсические свойства.
Механизм действия бактериальных ядов
Микробиологическими исследованиями установлено, что эндотоксин - это комплексная структура, содержащая 2 молекулярных центра. Первый прикрепляет ядовитое вещество к специфическому рецептору клетки, а второй, расщепляя её мембрану, попадает непосредственно в гиалоплазму клетки. В ней токсин блокирует реакции обмена веществ: биосинтез белков, происходящий в рибосомах, синтез молекул АТФ, осуществляемый митохондриями, репликацию нуклеиновых кислот. Высокая вирулентность бактериальных пептидов, с точки зрения химического строения их молекул, объясняется тем, что некоторые локусы токсина маскируются под пространственную структуру веществ в клетке, таких как нейромедиаторов, гормонов и ферментов. Это позволяет токсину «обходить систему клеточной защиты» и стремительно проникать в её цитоплазму. Таким образом, клетка оказывается безоружной перед бактериальной инфекцией, так как теряет способность к образованию собственных защитных веществ: интерферона, гамма-глобулинов, антител. Нужно отметить, что свойства эндотоксинов и экзотоксинов схожи в том, что оба вида бактериальных ядов воздействуют на конкретные клетки организма, то есть обладают высокой специфичностью.
Оглавление темы "Патогенность микроорганизмов. Вирулентность.":1. Патогенность микроорганизмов. Патогенные микроорганизмы. Патогенные микробы.
2. Условно-патогенные микроорганизмы. Условно-патогенные микробы. Оппортунистические патогены. Непатогенные микроорганизмы.
3. Облигатные паразиты. Факультативные паразиты. Случайные паразиты. Патогенность. Что такое патогенность?
4. Вирулентность. Что такое вирулентность? Критерии вирулентности. Летальная доза (DL, LD). Инфицирующая доза (ID).
5. Генетический контроль патогенности и вирулентности. Генотипическое снижение вирулентности. Фенотипическое снижение вирулентности. Аттенуация.
6. Факторы патогенности микроорганизмов. Факторы патогенности микробов. Способность к колонизации. Адгезия. Факторы колонизации.
7. Капсула как фактор патогенности микроорганизмов. Ингибирующие ферменты микробов как фактор патогенности. Инвазивность микроорганизмов.
8. Токсигенность микроорганизмов. Токсины. Парциальные токсины. Цитолизины. Протоксины.
9. Экзотоксины. Экзотоксины микроорганизмов. Классификация экзотоксинов. Группы экзотоксинов.
В определённой степени токсигенным микроорганизмам (активно секретирующими токсины) противопоставлены патогенные бактерии, обладающие токсическими субстанциями, слабо диффундирующими в окружающую среду и названные (по предложению Р. Пфайффера) эндотоксинами .
Эндотоксины - интегральные компоненты клеточной стенки грамотрицателъных бактерий; большая их часть высвобождается только после гибели бактериальной клетки. Представлены комплексом протеинов, липидных и полисахаридных остатков. За проявление биологического эффекта ответственны все группировки молекулы эндотоксина .
Биологическая активность напоминает таковую у некоторых медиаторов воспаления; эндотоксинемия обычно сопровождается лихорадкой, обусловленной выбросом эндогенных пирогенов из гранулоцитов и моноцитов. При попадании значительного количества эндотоксина в кровоток возможен эндотоксиновый шок , обычно заканчивающийся смертью больного.
Бактериальные эндотоксины проявляют сравнительно слабое иммуногенное действие, и иммунные сыворотки не способны полностью блокировать их токсические эффекты. Некоторые бактерии могут одновременно синтезировать экзотоксины и выделять (при гибели) эндотоксины (например, токсигенные Escherichia coli и холерные вибрионы).
Экзоферменты
Важными факторами патогенности следует считать экзоферменты (например, лецитиназа, гиалуронидаза, коллагеназа и др.), нарушающие гомеостаз клеток и тканей, что приводит к их повреждению. Способность к образованию экзоферментов во многом определяет инвазивность бактерий - возможность проникать через слизистые оболочки, соединительнотканные и другие барьеры. Например, гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, входящую в состав межклеточного вещества, что повышает проницаемость различных тканей. Этот фермент синтезируют бактерии родов Clostridium, Streptococcus, Staphylococcus и др, Нейраминидаза облегчает преодоление слоя слизи, проникновение внутрь клеток и распространение в межклеточных пространствах. Нейраминидазу секретируют холерные вибрионы, дифтерийная палочка; он также входит в состав вируса гриппа. К этой же группе следует отнести и бактериальные ферменты, разлагающие антибиотики.
Суперантигены
Некоторые токсины (например, токсин Дика стрептококков или энтеротоксин стафилококков) способны действовать как суперантигены , вызывая поликлональную активацию различных клонов лимфоцитов. Поликлональная активация сопровождается гиперсекрецией лимфокинов с развитием цитокинопосредованной интоксикации.