Bakterijski endotoksini. GPM.1.2.4.0006.15 Bakterijski endotoksini Koji mikroorganizmi sadrže endotoksine
Sadržaj teme "Patogenost mikroorganizama. Virulencija.":1. Patogenost mikroorganizama. Patogeni mikroorganizmi. Patogeni mikrobi.
2. Oportunistički mikroorganizmi. Oportunistički mikrobi. Oportunistički patogeni. Nepatogeni mikroorganizmi.
3. Obligatni paraziti. Fakultativni paraziti. Slučajni paraziti. Patogenost. Što je patogenost?
4. Virulencija. Što je virulencija? Kriteriji virulencije. Letalna doza (DL, LD). Infektivna doza (ID).
5. Genetska kontrola patogenosti i virulencije. Genotipsko smanjenje virulencije. Fenotipsko smanjenje virulencije. Prigušenje.
6. Čimbenici patogenosti mikroorganizama. Čimbenici patogenosti mikroba. Sposobnost kolonizacije. Prianjanje. Čimbenici kolonizacije.
7. Kapsula kao čimbenik patogenosti mikroorganizama. Inhibicijski enzimi mikroba kao faktori patogenosti. Invazivnost mikroorganizama.
8. Toksigenost mikroorganizama. Toksini. Djelomični toksini. Citolizini. Protoksini.
9. Egzotoksini. Egzotoksini mikroorganizama. Klasifikacija egzotoksina. Skupine egzotoksina.
Toksigenim mikroorganizmima (koji aktivno izlučuju toksine) u određenoj mjeri suprotstavljaju se patogene bakterije koje imaju otrovne tvari koje slabo difundiraju u okoliš i nazivaju se (prema prijedlogu R. Pfeiffera) endotoksini.
Endotoksini- sastavni dijelovi stanične stijenke gram-negativnih bakterija; većina ih se oslobađa tek nakon smrti bakterijske stanice. Predstavljeni su kompleksom proteina, lipida i polisaharidnih ostataka. Za manifestaciju biološkog učinka odgovorne su sve skupine molekule endotoksin.
Biološka aktivnost nalikuje aktivnosti nekih upalnih medijatora; endotoksemija obično praćena vrućicom uzrokovanom otpuštanjem endogenih pirogena iz granulocita i monocita. Ako značajna količina endotoksina uđe u krvotok, to je moguće endotoksinski šok, obično završava smrću pacijenta.
Bakterijski endotoksini pokazuju relativno slab imunogeni učinak, a imunološki serumi nisu u stanju potpuno blokirati njihove toksične učinke. Neke bakterije mogu istovremeno sintetizirati egzotoksine i oslobađati (kada umru) endotoksine (na primjer, toksigena Escherichia coli i Vibrio cholerae).
Egzoenzimi
Treba uzeti u obzir važne faktore patogenosti egzoenzimi(na primjer, lecitinaza, hijaluronidaza, kolagenaza itd.), narušavajući homeostazu stanica i tkiva, što dovodi do njihovog oštećenja. Sposobnost stvaranja egzoenzima uvelike određuje invazivnost bakterija – sposobnost prodiranja kroz sluznicu, vezivno tkivo i druge barijere. Na primjer, hijaluronidaza razgrađuje hijaluronsku kiselinu koja je dio međustanične tvari, što povećava propusnost različitih tkiva. Ovaj enzim sintetiziraju bakterije iz roda Clostridium, Streptococcus, Staphylococcus itd. Neuraminidaza olakšava svladavanje sloja sluzi, prodiranje u stanice i distribuciju u međustaničnim prostorima. Neuraminidazu izlučuju vibriji kolere i bacili difterije; također je dio virusa gripe. U ovu skupinu treba ubrojiti i bakterijske enzime koji razgrađuju antibiotike.
Superantigeni
Neki toksini (na primjer, Dickov toksin streptokoka ili enterotoksin stafilokoka) mogu djelovati kao superantigeni, uzrokujući poliklonsku aktivaciju različitih klonova limfocita. Poliklonsku aktivaciju prati hipersekrecija limfokina s razvojem intoksikacije posredovane citokinima.
Endotoksini se nalaze samo u gram-negativnim bakterijama. Predstavljeni su lipopolisaharidima i pridruženim proteinima. Posebnost endotoksina je da su toplinski stabilni i oslobađaju se iz bakterijskih stanica nakon njihovog uništenja. Endotoksini, za razliku od egzotoksina, nemaju specifično djelovanje. Njihovu toksičnost i pirogenost uzrokuje lipid A koji je dio LPS-a i ima sličnu strukturu kod različitih gram-negativnih bakterija. Pirogeni učinak endotoksina nije povezan s njihovim izravnim učinkom na termoregulacijske centre mozga. Oni potiču oslobađanje neke pirogene tvari iz polimorfonuklearnih leukocita. Endotoksini su uzročnici upale; povećavaju propusnost kapilara i razorno djeluju na stanice. Njihov upalni i pirogeni učinak je nespecifičan. Raznolikost manifestacija trovanja endotoksinom posljedica je ne samo samog LPS-a, već i oslobađanja brojnih biološki aktivnih spojeva čiju sintezu inducira kod ljudi i životinja (histamin, serotonin, prostaglandini, leukotrieni itd., više od ukupno 20). Ove tvari uzrokuju poremećaje u različitim organima i tkivima.
Sve tri komponente LPS-a - lipid A, polisaharidna jezgra i njegov bočni lanac ponavljajućih šećera - imaju izražena antigenska svojstva. LPS stimulira sintezu interferona, aktivira sustav komplementa duž klasičnog puta, ima mitogeni učinak na limfocite, kao i alergeno djelovanje. Njegova toksična svojstva, za razliku od egzotoksina, ne uklanjaju se tretiranjem formaldehidom, a LPS se ne pretvara u toksoid.
Egzotoksini. Proizvode ih i gram-pozitivne i gram-negativne bakterije. Kod Gram-pozitivnih bakterija, egzotoksini se aktivno izlučuju kroz CM i staničnu stijenku u okoliš pomoću posebnih sustava za izlučivanje. Kod gram-negativnih bakterija (Vibrio cholerae, toksigena E. coli, Salmonella) neki se egzotoksini (enterotoksini) sintetiziraju samo pod određenim uvjetima izravno u zaraženom organizmu i često se pohranjuju u citoplazmi, oslobađajući se iz stanice tek nakon njezinog uništenja.
Svi poznati bakterijski egzotoksini su proteini, među njima postoje toplinski labilni i toplinski stabilni. Njihova glavna svojstva povezana su s proteinskom prirodom egzotoksina: imaju visoku potentnost (najjači toksini u prirodi su mikrobnog podrijetla), visoku selektivnost i s njom povezanu specifičnost djelovanja (slika tetanusa u laboratorijskih životinja je ista, i kada zaraženi su uzročnikom i njegovim egzotoksinom), što se očituje nakon određenog latentnog razdoblja. Egzotoksini su jaki antigeni, a neki čak i superantigeni. Oni potiču stvaranje antitijela u organizmu, odnosno antitoksina, koji neutraliziraju njihov učinak. Kada se tretira formalinom, egzotoksini se neutraliziraju i pretvaraju u toksoide. Toksoidi su lišeni toksičnih svojstava, ali zadržavaju sposobnost induciranja sinteze antitoksina, pa se naširoko koriste za stvaranje umjetne imunosti protiv difterije, tetanusa, botulizma i drugih bolesti.
Toksigeneza uključuje proizvodnju toksina od strane patogenih bakterija. Ovo je jedan od glavnih načina prenošenja bolesti i bolesti uzrokovanih bakterijama. 2 kategorije toksina koji dovode do raznih infekcija i bolesti; endotoksini i egzotoksini, a razlikuju se ovisno o svojoj kemijskoj prirodi. Endotoksini su bakterijski toksini sastavljeni od lipida (lipopolisaharidi), dok su egzotoksini sastavljeni od proteina.
Što su endotoksini?
Endotoksini su lipopolisaharidi koje proizvode gram-negativne bakterije. Endotoksine vežu stanice i proizvode se tek kada se stanice liziraju. Entotoksini su prisutni u vanjskoj membrani stanične stijenke Gram bakterija. Endotoksini se također nazivaju lipopolisaharidi i prisutni su u stanicama E coli, Shigella, Salmonella, Pseudomonas, Haemophilus influenza, Neisseria i Vibrio cholerae. Endotoksini se obično izlučuju razvojem bakterija zbog djelovanja određenih antibiotika ili djelovanjem fagocitne probave.
Endotoksini pokazuju manju aktivnost i nisu jako aktivni na svom supstratu. Otporne su na toplinu. Vanjska stijenka bakterija nepropusna je za velike molekule i molekule koje se ne mogu otopiti u vodi i zaštititi od vanjske okoline.
Ti su toksini dio ove zaštitne aktivnosti. Djeluje na domaćina tijekom kolonizacije. Osim toga, endotoksini pokazuju slabu antigenost.
Što su egzotoksini?
Egzotoksini su toksini koji se oslobađaju izvanstanično kako se tijelo razvija. Egzotoksini su zarazni toksini koji se šire s mjesta infekcije na druge dijelove tijela i uzrokuju štetu. Oni su topljivi proteini koji djeluju kao enzimi. Egzotoksin je sposoban uzrokovati štetu domaćinu uništavanjem stanica ili remećenjem normalnog staničnog metabolizma. Egzotoksini su vrlo moćni i mogu naštetiti domaćinu. Egzotoksini se oslobađaju zbog njihovog brzog rasta ili tijekom lize stanica. I gram+ i gram-bakterije proizvode egzotoksine.
Egzotoksini su toksičniji od endotoksina i razlikuju se od određenih sojeva bakterija. Egzotoksini uzrokuju bolesti specifične samo za ovu infekciju. Npr. Clostridium tetani proizvodi toksin tetanusa. Postoje 3 glavne kategorije egzotoksina: enterotoksini, neurotoksini i citotoksini. Ove vrste označavaju mjesto aktivnosti. Enterotoksično djelovanje može se uočiti u gastrointestinalnom traktu. Neurotoksini vrše svoje funkcije na neuronima, a citotoksini ometaju funkcioniranje stanice domaćina. Neki od zdravstvenih poremećaja uzrokovanih egzotoksinima uključuju koleru, tetanus i difteriju. Antigenost egzotoksina je prilično visoka. Egzotoksini pokreću imunološki sustav i izlučuju antitoksine kako bi poništili toksin.
Slika 1. Struktura endotoksina i egzotoksina (Aryal, 2015.)
Razlika između endotoksina i egzotoksina
Kemijska priroda endotoksina i egzotoksina
endotoksini
Endotoksini su također poznati kao lipopolisaharidi iz gram bakterija. Endotoksini se sastoje od dvije komponente s različitim fizičkim i kemijskim karakteristikama: heteropolisaharida i kovalentno vezanog lipida nazvanog lipid A.
Egzotoksini
Egzotoksini su toksini koje luče bakterije, a kemijski sastav čine proteini.
Enzimi u endotoksinima i egzotoksinima
endotoksini
Katalaza, fibrolizin, IgA/IgG proteaze
Egzotoksini
Hijaluronidaza, kolagenaza, određene proteaze, nukleaze, neuraminidaze, određene proteaze, fosfolipaza A
Izvor endotoksina i egzotoksina
endotoksini
Endotoksine izlučuje stanična membrana Gram bakterija tek nakon stanične lize. Endotoksini su sastavni dio stanične stijenke.
Egzotoksini
Egzotoksine izlučuju određene gram+ i gram-bakterije
Položaj endotoksina i egzotoksina
endotoksini
Prisutan je unutar stanične membrane i otpušta se tek nakon lize stijenke gram stanice.
Egzotoksini
Izlučuju ga izvan stanice i gram+ i gram-bakterije.
Način djelovanja povezan s endotoksinima i egzotoksinima
endotoksin
Uključuje TNF i Interlukin-1
egzotoksin
Razni modovi
Toplinska stabilnost endotoksina i egzotoksina
endotoksin
Endotoksini su toplinski stabilni i relativno stabilni na 250oC jedan sat
egzotoksin
Egzotoksini se mogu uništiti na 600-800°C (odgovorna toplina). Nestabilni su, osim enterotoksina stafilokoka.
Testovi detekcije
endotoksin
Otkriveno testom Limula limut assay.
egzotoksin
Precipitati, ELISA metode, neutralizacija
imunogenost
endotoksin
Endotoksini pokazuju slabu imunogenost. Endotoksini ne proizvode antitoksine.
egzotoksin
Egzotoksini su izrazito imunogeni. Oni uzrokuju humoralni odgovor (protutijela usmjerena na toksine). Kada je imunološki sustav stimuliran egzotoksinima, oni oslobađaju antitoksine kako bi neutralizirali toksin
Toksični potencijal / Cjepiva
endotoksin
Otrovi se ne mogu napraviti i nema cjepiva.
egzotoksin
Toksini se mogu proizvesti tretiranjem formaldehidom, ali tretirani toksini su imunogeni. Toksini se mogu koristiti kao cjepiva.
Odnos prema mikroorganizmima
endotoksin
Nalazi se u LPS-u vanjske membrane stanične stijenke i izlučuje se nakon oštećenja stanice ili tijekom razmnožavanja stanica.
egzotoksin
Metabolički proizvod stanice u razvoju.
bolesti
endotoksini
Infekcije mokraćnog sustava, trbušni tifus, meningokokni meningitis, bolest koronarnih arterija, neonatalni nekrotizirajući enterokolitis, Crohnova bolest i ulcerozni kolitis, cistična fibroza, meningokokemija, sepsa s gram-negativnim štapićima, hemoragijski šok
Egzotoksini
Plinska gangrena, šarlah, difterija, botulizam, tetanus, proljev povezan s antibioticima, kožni sindrom.
Sažetak endotoksina naspram egzotoksina
Razlike između endotoksina i egzotoksina navedene su u nastavku:
Usporedna tablica za endotoksine i egzotoksine
Pojam "pirogen" dolazi od grčke riječi "pyreto" - groznica. Pirogeni su tvari koje mogu izazvati povećanje tjelesne temperature. Pirogene reakcije mogu izazvati tvari različite prirode i podrijetla. U pirogene spadaju gram-negativne bakterije i njihovi toksini, gram-pozitivne bakterije i njihovi toksini, virusi i njihovi metabolički produkti, kao i steroidi itd. U području kontrole kvalitete injektibilnih lijekova od praktične su važnosti bakterijski endotoksini, koji su fragmenti vanjske stijenke gram-negativnih bakterija.
Gram-negativne bakterije imaju dvoslojnu staničnu stijenku koja okružuje citoplazmatsku membranu. Prvi sloj je vrlo tanka (1 nm debljine) nelipidna membrana koja se sastoji od peptidoglikana. Također se naziva glikopeptid ili mukopeptid. To je složena matrica koja sadrži polisaharidne lance međusobno povezane umrežavanjem kratkih peptidnih lanaca. Drugi sloj stanične stijenke je lipidna membrana debljine 7,5 nm. Upravo na ovoj vanjskoj membrani nalaze se endotoksini (lipopolisaharidi). Molekule endotoksina osiguravaju strukturni integritet i odgovorne su za mnoge fiziološke funkcije, uključujući određivanje patogenih i antigenskih svojstava bakterija. Strukturno, molekula endotoksina je podijeljena u tri dijela - Lipid A, Jezgra I O-specifičan lanac. 
O-specifični lanac Core Lipid A
Lipid A sastoji se od disaharida, fosfata i masnih kiselina. Masne kiseline koje čine lipid A mogu biti zasićene i nezasićene. Najčešće kiseline u lipidu A su: palmitinska, laurinska, glutaminska i meristična. Područje lipida A najkonstantnije je područje molekule LPS-a, a njegova je struktura slična u mnogih bakterija.
O-specifičan lanac lipopolisaharidi su izgrađeni od ponavljajućih oligosaharida. Najčešći šećeri koji čine O-specifični lanac su glukoza, galaktoza i ramnoza. Ovaj dio molekule daje joj hidrofilna svojstva, zbog čega je LPS visoko topiv u vodi. Polisaharidni dio je najvarijabilniji dio LPS molekule. Ovaj fragment molekule često se naziva O-antigen, jer je odgovoran za antigensku aktivnost gram-negativnih bakterija.
Jezgra- središnji dio molekule koji veže O-antigen za lipid A. Formalno, struktura jezgre dijeli se na vanjski i unutarnji dio. Unutarnji dio jezgre obično sadrži ostatke L-glicero-O-manoheptoze i 2-keto-3-deoksioktonske kiseline (KDO). KDO sadrži 8 atoma ugljika i ne nalazi se gotovo nigdje drugdje u prirodi.
Osim lipopolisaharida, vanjska stijenka gram-negativnih bakterija uključuje i proteine (vanjska membrana je ¾ LPS, a samo ¼ su proteinske komponente). Ovi proteini, zajedno s LPS-om, tvore proteinsko-lipopolisaharidne komplekse različitih veličina i molekulskih masa. Upravo se ti kompleksi nazivaju bakterijski endotoksini. Pročišćeni pripravci koji se koriste kao standardi lišeni su peptidnih fragmenata i predstavljaju čisti pripravak lipopolisaharida. Međutim, pojam "bakterijski endotoksini" jednako se dobro primjenjuje na prirodne endotoksine koji se pojavljuju u otopini kao rezultat razaranja bakterija i na čiste LPS pripravke.
Vanjska stijenka jedne gram-negativne bakterije može sadržavati do 3,5 milijuna LPS molekula. Nakon njezine smrti, svi oni završavaju u rješenju. Endotoksini gram-negativnih bakterija ostaju biološki aktivne molekule čak i nakon smrti bakterije. Molekula endotoksina je temperaturno stabilna i lako podnosi ciklus sterilizacije u autoklavu. Mala veličina molekula endotoksina omogućuje im lak prolaz kroz membrane koje se koriste za sterilizaciju otopina (0,22 mikrona). Stoga, endotoksini mogu biti prisutni u gotovim oblicima doziranja, čak i onima proizvedenim u aseptičnim uvjetima i podvrgnutim konačnoj sterilizaciji.
Bakterijski endotoksini su izrazito aktivni (jaki) pirogeni. Za razvoj febrilnog napadaja dovoljna je prisutnost bakterijskih endotoksina u infuzijskoj otopini u koncentraciji od 1 ng/ml (oko 10 EU/ml). Ostali pirogeni su manje aktivni, a za razvoj pirogenog odgovora njihova koncentracija mora biti 100-1000 puta veća. Obično se izrazi "pirogeni" i "endotoksini" koriste naizmjenično i, iako nisu svi pirogeni endotoksini, najznačajniji su endotoksini gram-negativnih bakterija.
