Bakteriální toxiny

Z WikiSkript

Působením či rozpadem bakterií dochází k uvolnění toxických látek (toxinů) do okolního prostředí. Takové látky jsou schopny poškodit, v některých případech dokonce usmrtit hostitele. Schopnost poškozovat hostitele se nazývá toxicita a je součástí patogenity. Buď působí přímo, nebo přispívá k dalším faktorům patogenity.

Toxiny obecně

Chemicky jsou toxiny antigenní bílkoviny, které jsou v lidském organismu neutralizovány (blokovány) specifickými protilátkami. Také je možná inaktivace varem, jsou tzv. termolabilní. Toxiny také mohou být změněny v toxoidy, které se využívají k aktivní imunizaci.

Toxicita bakteriálních toxinů vytvořených uvnitř organismu závisí na jejich koncentraci a vnímavosti hostitele. Toxiny mohou být do organismu zaneseny i z vnějšího prostředí (např. v jídle – botulotoxiny, enterotoxiny). U těchto toxinů záleží nejen na jejich koncentraci, ale také na jejich vstřebávání a rezistenci vůči trávicím enzymům.

Způsob toxického působení je charakteristický pro jednotlivé toxiny (difterie, tetanus, botulismus, cholera). Příznaky klinického onemocnění toxiny se obecně nazývají toxinózy.

Bakteriální toxiny působí na hostitele dvěma způsoby. Prvním je reakce s membránami eukaryotických buněk, které poškodí. Od toho se tato skupina toxinů označuje jako cytolytické. Druhým způsobem je navázání toxinu na specifický receptor na buňce. Vazbou dojde k proniknutí toxinu do cytoplazmy, kde ovlivňuje fyziologické mechanismy.

Dle cílových orgánů můžeme toxiny dělit na:

Exotoxiny

Toxické bakteriální proteiny, secernovány do okolí producenta. Uplatňují se v onemocněních vyvolaných G+ bakteriemi. Exotoxiny jsou z bakterií uvolňovány do okolního prostředí v průběhu jejich růstu.

Geny pro exotoxiny jsou uloženy především na plazmidech nebo na temperovaných bakteriofázích. Z toho vyplývá, že nejsou pro život bakterie nezbytné, ale jsou užitečné pro jejich přežití a šíření.

Mechanismy účinku exotoxinů

Průnikové enzymy (faktory)

Hydrolytické enzymy rozrušující mezibuněčnou hmotu. Slouží k invazi (tzv. faktor invazivity), k zisku živin a energie. Mezi tyto enzymy patří například hyaluronidáza, elastáza, DNáza, streptokináza (rozpouští krevní sraženiny).

Cytolytické enzymy (cytolysiny)

Toxiny reagují s membránami eukaryotických buněk, které poškozují. Chemicky se jedná o fosfolipázy. K narušení membrány toxiny může dojít i tvorbou pórů.

Hydrolýzou fosfolipidů fosfolipázami C a D dochází k odnímání polární skupiny z fosfolipidů. Tím dojde k destabilizaci membrány a lýze buněk. Příkladem takových bakterií je například Clostridium perfringens, jehož alfa-toxinem je fosfolipáza C. Způsobuje intravaskulární hemolýzu při myonekróze či intravaskulární koagulopatii. Dalším příkladem je sfingomyelináza (beta-hemolysin) u Staphylococcus aureus.

Toxiny tvořící póry v membráně jsou podlouhlé molekuly. Včlení se do membrány, čímž dojde ke vzniku kanálků, kterými proniká voda. Toto narušení membrány je neenzymatické. Příkladem je alfa-toxin Staphylococcus aureus. Další je například streptolysin O, který produkuje Streptococcus pyogenes. Streptolysin naruší membránu granul uvnitř neutrofilů. Dalším toxinem tvořícím póry je listeriolysin O, tvořený bakterií Listeria monocytogenes, jenž napomáhá bakterii uniknout z fagozomu.

Toxiny ovlivňující fyziologii buněk

Nezabíjejí buňky přímo, modifikují jejich funkce. Dochází k vazbě ADP-ribózy na regulační složky adenylátcyklázy, která zvýší koncentraci cAMP. Zvýšená koncentrace cAMP způsobí sekreci Cl a vody a zábranu absorpce Na+. Tím dojde k úniku tekutin. Toxiny tedy způsobují průjmy (cholerový toxin, termolabilní enterotoxin E. coli). Dalším příkladem je pertusový toxin Bordetella pertussis. Ovlivní hladinu cAMP v neutrofilech. Tím dojde k omezení chemotaxe a pohyblivosti.

Zástava proteosyntézy

Intracelulárně působící toxiny, které způsobují následnou smrt buňky. Toxin má dvě složky. A (active) složka působí toxicky, B (binding) složka se váže na specifický receptor buněčné membrány. Navázání umožní endocytózu toxinu do buňky. Uvnitř buňky dojde k enzymatické aktivaci. Toxiny způsobí přenos adenosindifosfátribosylové skupiny z NAD na cílovou molekulu (elongační faktor 2 – záškrtový toxin). Tím dojde k zástavě proteosyntézy, která způsobí smrt buněk.

Neurotoxiny

Fungují jako peptidázy. Působí v nervových synapsích na bílkoviny, které jsou odpovědné za uvolňování neurotransmiterů. Jedná se o tetanický toxin a botulotoxin.

Tetanický toxin (tetanospasmin) je toxin, který tvoří Clostridium tetani. Bakterie jsou přítomny v trávicím traktu zvířat. S trusem těchto živočichů se dostanou do půdy, kde sporulují. Do lidského organismu se spory dostanou při kontaktu infikované zeminy s otevřenou ranou (nejčastěji hluboká zranění). Spory v ráně vyklíčí (ideální podmínky – teplo, vlhko, anaerobní prostředí). Bakterie začnou produkovat toxiny. Ty pronikají krví a lymfou do nervových buněk. Podél jejich axonů se mohou dostat až do CNS (motorické neurony). V CNS mohou porušit přenos na inhibičních neuronech, kde inhibují uvolňování GABA neurotransmiteru. Kontinuální stimulace excitačními neurotransmitery způsobí svalové křeče, potažmo zástavu dýchání, selhání srdeční činnosti a následně smrt jedince.

Botulotoxin je toxin Clostridium botulinum. Je to asi nejúčinnější známý jed – LD50 činí 10 ng/kg. Bakterie se množí v tepelně neupravené potravě. Tepelná úprava samotnou bakterii zničí, ale toxin zůstává. Většinou způsobí vážnou fatální otravu. Nejčastěji bývá přítomen u potravin v konzervě (bakterie tvoří plyny → vypouklá konzerva), především masa (klobásový jed).

Ze střevní sliznice se dostává krví do PNS. Působí na nervosvalových ploténkách, kde blokuje uvolňování acetylcholinu. Vyvolává obrny. Pokud napadne dýchací svaly (bránice), může dojít ke smrti udušením.

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Botulismus.

Superantigeny

Podskupina exotoxinů, které jsou schopny vyvolat polyklonální aktivaci T-lymfocytů (mitogeny). Vážou se na T-lymfocyty a makrofágy. Po vazbě indukují celkovou obrannou reakci (uvolnění velkého množství cytokinů). Tím se podílejí na vzniku autoimunitních onemocnění. Zvyšují citlivost k účinku endotoxinů G− bakterií. Příkladem mohou být stafylokokové enterotoxiny (otravy z potravin) a superantigeny Streptococcus pyogenes (pyrogenní toxiny způsobující horečky).

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Superantigen.

Endotoxin

Červeně – O-antigen, žlutě – střední polysacharidová část, zeleně – lipid A

Endotoxin je lipopolysacharidový komplex (LPS), který je součástí buněčné stěny gramnegativních bakterií.

Charakteristika

Pojem endotoxin byl zaveden jako kontrast k exotoxinu, což je toxin uvolňovaný bakteriemi do okolí (endotoxin je uvolněn až po zániku buněčné stěny bakterie). Dnes je pojem endotoxin synonymem pro lipopolysacharid (LPS), který je důležitou součástí vnější membrány gramnegativních bakterií.

Lipopolysacharidy však nejsou pouze škodlivými látkami. Mají důležitou roli i pro bakterii samotnou – přispívají ke strukturní stabilitě a chrání membránu před některými chemickými útoky. Vzhledem k důležitosti lipopolysacharidu pro bakteriální buňku se tato molekula stala terčem výzkumu baktericidních látek.

Složení

Lipopolysacharid se skládá ze 3 částí:

  1. lipid A,
  2. oligosacharidové jádro,
  3. O-antigen.

Lipid A – tvoří lipidovou složku endotoxinu zodpovědnou za toxicitu gramnegativních bakterií. Díky své hydrofobní povaze (glykolipid) se kotví v jejich vnější membráně. I přes svůj toxický efekt je však rozpoznání lipidu A lidským imunitním systémem klíčové pro zahájení imunitní reakce a její následné zvládnutí. Aktivuje zejména monocyty a makrofágy, k čemuž stačí koncentrace v řádu pikogramů na mililitr krve. Pokud se v lidském těle nachází ve vysokých koncentracích, je možné, že způsobí endotoxický šok, který může skončit smrtí.

Oligosacharidové jádro – je tvořeno krátkým řetězcem sacharidových zbytků (často heptózy, vyskytuje se i ketodeoxyoktulosonová kyselina) a spojuje lipid A s O-antigenem.

O-antigen – tvoří opakující se oligosacharidové jednotky. Nachází se nejzevněji, jedním koncem je připojen k oligosacharidovému jádru a vyčnívá z povrchu mikroba. Je nositelem největší variability a určuje antigenní specifičnost. Pokud má lipopolysacharid kompletní O-řetězec, vypadají kolonie při kultivaci na pevném růstovém médiu jako hladké a vlhké. Jestliže má však O-řetězec zkrácený, pak kolonie vypadají drsně a suše. Takové bakterie mají často zranitelnější membrány hydrofobními antibiotiky. Polysacharidový řetězec je velmi variabilní mezi různými bakteriemi a určuje jejich sérotyp. Cukerné řetězce hladkých lipopolysacharidů mohou překrýt proteiny vnější membrány a zamaskovat je tak před imunitním systémem hostitele.

Uvolnění endotoxinu

K uvolnění endotoxinu může dojít:

  • po fagocytóze a intracelulární destrukci bakterie;
  • při rozpadu bakterií účinkem vlastních autolytických enzymů;
  • v důsledku cytolýzy komplementem;
  • účinkem membránově působících antibiotik.

Biologické účinky

Působí jako pyrogen (zvýšení teploty). Toxin stimuluje mononukleární fagocyty k produkci endogenních pyrogenů (interleukin-1 a TNF) – vyvolává horečku a vazodilataci. Aktivuje komplementový systém (alternativní dráhou). Důsledkem je cytolýza buňky spojená s dalším uvolňováním toxinu.

Stimuluje odpověď imunitního systému – aktivace makrofágů, neutrofilů, lymfocytů B. Dochází ke vzniku lokální zánětlivé reakce. Při vyšších koncentracích může dojít ke vzniku endotoxického šoku.

Může způsobit poruchy srážlivosti. Aktivuje f. XII – spouští srážecí kaskádu. Ovlivňuje krevní destičky – uvolnění obsahu granul (degranulace trombocytů). Ovlivňuje neutrofily – uvolnění bílkovin stabilizujících fibrinové sraženiny. Ovlivňuje endotelie.

Působí chemotakticky na polymorfonukleáry. Při velkých koncentracích může vzniknout endotoxémie (přítomnost endotoxinu v krvi) – sepse vyvolané G− bakteriemi. Nízká hladina endotoxinu v organismu působí pozitivně (stimulace imunity). Ve velké koncentraci nastává riziko toxického šoku a DIC (často končí smrtí).

Endotoxický šok

25–40 % těchto případů končí smrtí. Neexistuje efektivní léčba na zvrácení toxické aktivity lipidu A. U infekcí gramnegativními bakteriemi jsou endotoxiny z velké části zodpovědné za závažné klinické projevy. Například u meningokokových infekcí a Waterhouse-Friderichsenova syndromu (selhání nadledvin z důvodu krvácení) způsobených převážně bakterií Neisseria meningitidis.

Endotoxin působí také jako silný mitogen B-lymfocytů a aktivátor polyklonálních B-lymfocytů, což hraje roli v rozvoji odpovídající chronické imunitní odpovědi, pokud nebyla bakterie zničena v akutní fázi.

Kontaminace endotoxiny

Endotoxiny mohou často kontaminovat látky, se kterými je prováděn výzkum, nebo se jinak medicínsky využívají. To se může týkat například plasmidové DNA pro využití v genové terapii, ovalbuminu ve výzkumu nebo laboratorních pomůcek.

Jedna bakterie Escherichia Coli obsahuje kolem 2 milionů molekul lipopolysacharidu. Endotoxiny jsou navíc velmi tepelně stabilní (nedají se zničit běžnými sterilizačními metodami ani autoklávováním). Díky své hydrofobicitě vykazují velkou afinitu k dalším hydrofobním materiálům, jako jsou například plasty. Pokud by se kontaminace ponechala a došlo by k přenosu do lidského organismu, propukla by zánětlivá reakce, která by mohla být nebezpečná nebo by mohla narušit výsledky testů. Je proto nezbytné endotoxiny odstranit. K tomu se využívá depyrogenace. Tato metoda spočívá v zahřátí až na 250–300 ˚C na 30 minut, což endotoxiny bezpečně zničí.

Velmi citlivá zkouška na přítomnost endotoxinu se nazývá Limulus test, který je založen na principu koagulace krve ostrorepa. Ta se v přítomnosti i malého množství lipopolysacharidu srazí díky velmi silnému amplifikačnímu efektu na enzymy koagulační kaskády.

Možné využití

Enzymy zapojené v biosyntéze nebo modifikaci lipidu A mohou poskytnout přístup nejen k novým derivátům lipidu A, které mohou být užitečné jako adjuvans nebo antagonisté endotoxinů, ale mohou být využity i pro nové bakteriální vakcíny. Monofosforylovaný lipid A získaný z bakterie Salmonella minnesota se využívá jako adjuvans v kombinaci s kamencem a byl nedávno schválen jako vakcína pro lidský papillomavirus a virovou hepatitidu B.

Odkazy

Související články

Zdroj

  • BEDNÁŘ, Marek, et al. Lékařská mikrobiologie : Bakteriologie, virologie, parazitologie. 1. vydání. Praha : Marvil, 1996. 558 s. ISBN 8023802976.
  • VOTAVA, Miroslav. Lékařská mikrobiologie speciální. 1. vydání. Brno : Neptun, 2003. ISBN 80-902896-6-5.