Изменение патогенности и вирулентности
Патогенность и вирулентность микробов не постоянна и может изменяться спонтанно или целенаправленно.
Механизмы снижения или утраты вирулентности:
- Мутации генов при воздействии мутагенов различной природы.
- Утрата плазмид с генами токсинов.
Способы понижения вирулентности:
- Длительное культивирование на голодных средах (например, получение вакцины БЦЖ).
- Культивирование в маловосприимчивом организме.
- Культивирование в восприимчивом организме (антирабическая вакцина).
- Генно-инженерные манипуляции.
Механизмы индукции или увеличения патогенности и вирулентности:
- Спонтанный или индуцированный мутагенез.
- Действие умеренных лизогенизирующих фагов (например, у коринебактерий дифтерии).
- Приобретение плазмид (энтеробактерии и др.).
- R-S-диссоциация.
Способы повышения вирулентности:
- Пассажи через восприимчивый организм.
- Генно-инженерные манипуляции.
Экзотоксины, эндотоксины
Токсическое действие микробов обусловлено синтезом ими экзо- и эндотоксинов. Экзотоксины продуцируются в основном грамположительными микробами (возбудителями дифтерии, столбняка, ботулизма, газовой гангрены и др.) Они выделяются микробами во внешнюю среду. По химической природе они обычно являются термолабильными белковыми веществами, обладающими ферментативными свойствами и избирательно поражающими отдельные органы и ткани. Высокотоксичны, 5 нг/кг ботулинического токсина – смертельны для человека. Экзотоксины изменяют обмен веществ, вызывают выраженные явления интоксикации, сопровождающиеся нарушением деятельности физиологических систем: нервной, эндокринной, дыхательной, сердечно-сосудистой. Они органотропны, например, экзотоксин возбудителя столбняка избирательно блокирует холинергические структуры двигательных центров спинного и продолговатого мозга, а холероген и некоторые энтеротоксины взаимодействуют с G-белками энтероцитов, что приводит к увеличению выхода жидкости в просвет кишечника и диарее.
По механизму действия токсины делятся на несколько типов.
Часть из экзотоксинов прямо повреждает мембраны клеток-мишеней (порообразующие токсины). Типичным примером такого токсина является a-токсин золотистого стафилококка (гемолизин). Он представляет собой грибовидной формы гептамер (7 мономеров-субъединиц) с молекулярной массой 33 кДа, состоящий из трех доменов. Его литическое действие на мембраны клеток-мишеней (моноцитов, лимфоцитов, эритроцитов, эндотелиоцитов) протекает в 3 стадии. На первой стадии мономеры токсина связываются с фосфатидилхолином или холестерином, которые входят в состав клеточных мембран. На второй стадии происходит полимеризация токсина. На заключительной стадии образовавшийся гептамер претерпевает конформационные изменения. Образуется «ножка гриба», которая проходит сквозь клеточную мембрану. В результате в мембране возникает пора, через которую проходят ионы, небольшие молекулы и вода, что приводит к разрушению ядра в ядросодержащих клетках и осмотическому лизису эритроцитов.
Другие экзотоксины нарушают синтез белков. Они блокируют факторы элонгации или связываются с РНК рибосом. В частности, дифтерийный экзотоксин, а также экзотоксин синегнойной палочки вызывают АДФ-рибозилирование фактора элонгации II. Энтеробактерии (шигеллы, кишечные палочки) вырабатывают веротоксины, связывающие рибосомальную РНК, что приводит к расстройству белкового синтеза.
Следующая группа токсинов вмешивается в работу медиаторов и мессенджеров, передающих внутриклеточные сигналы. Примером действия данных токсинов является холероген – экзотоксин холерного вибриона. Подобные токсины состоят из субъединиц двух типов. Субъединица А ответственна за токсичность. У холерогена она представляет собой фермент АДФ-рибозилазу. В результате ее действия происходит АДФ-рибозилирование G-белков энтероцитов с последующей активацией аденилатциклазы. В результате нарастает концентрация внутриклеточного цАМФ, что приводит к диарее. В свою очередь, субъединица В обеспечивает прикрепление токсина к клеточным рецепторам и транспорт его в клетку. Сходным образом через активацию гуанилатциклазы действуют термостабильные экзотоксины энтеротоксигенной кишечной палочки.
Еще одна группа токсинов выступает в роли ферментов агрессии и инвазии. Многие бактериальные экзотоксины, такие, как гиалуронидаза, коллагеназа, b-гемолизин золотистого стафилококка (сфингомиелиназа) и др., повреждают экстрацеллюлярные структуры или мембраны клеток путем ферментативного гидролиза, что обеспечивает быстрое проникновение и распространение возбудителя.
Часть токсинов-ферментов способна вмешиваться в метаболические процессы, протекающие в тканях. Наиболее сильные из известных биологических ядов, нейротоксины возбудителя ботулизма (ботулотоксин) и столбняка (тетаноспазмин), представляют по механизму действия Zn-зависимые металлопротеазы. Непосредственными мишенями-субстратами для их действия является группа белков, локализованных в пресинаптических мембранах и синаптических пузырьках нервных окончаний. Ботулотоксин связывается с пресинаптической мембраной мотонейронов периферической нервной системы и вызывает протеолиз белков синаптобревина, синтаксина, везикулоассоциированного протеина и др. Это приводит к блокаде высвобождения ацетилхолина из пресинаптической мембраны и нарушению нервно-мышечной передачи.
Тетаноспазмин повреждает два вида нейронов. Он первоначально связывается с рецепторами пресинаптической мембраны мотонейронов, но далее путем обратного везикулярного транспорта перемещается в спинной мозг, где проникает в тормозные и вставочные нейроны. Мишенями для этого токсина с протеазной активностью являются те же белки (синаптобревин, везикулоассоциированный протеин). Их протеолиз приводит к высвобождению нейромедиаторов (глицина и гамма-аминомасляной кислоты), что в свою очередь, приводит к клоническим и тоническим мышечным судорогам. Протеолитической активностью обладает также экзотоксин возбудителя сибирской язвы (летальный фактор). Он повреждает ферменты внутриклеточного метаболизма, обладающие киназной активностью.
Наконец, некоторые экзотоксины (энтеротоксины, эксфолиатины, токсин синдрома токсического шока золотистого стафилококка, пирогенные токсины гноеродного стрептококка и др.) являются суперантигенами и вызывают поликлональную активацию лимфоцитов с выделением цитокинов. Они обладают выраженным пирогенным действием. Механизм действия данных токсинов заключается в связывании их молекул с вариабельным участком Т-клеточного рецептора к антигену с последующей активацией Т-лимфоцитов. При обычном иммунном ответе антиген прочно связывается лишь с теми Т-лимфоцитами, рецептор которых высокоспецифичен к данному антигену. Вследствие этого в пролиферацию и дифференцировку вступает всего около 0,01-0,1% от общего числа Т-лимфоцитов. Суперантигены же связываются с целой популяцией Т-клеток, у которых имеется b2-субъединица в вариабельном участке Т-клеточного рецептора. В результате в пролиферацию вступает до 20-30% от общего числа Т-лимфоцитов, что приводит к массивному выделению провоспалительных цитокинов клетками иммунной системы (ИЛ-1, ИЛ-2, фактора некроза опухолей, g-интерферона). Клинически это проявляется токсическим шоком с лихорадкой, падением давления и диффузной эритематозной сыпью.
Описано около ста бактериальных токсинов, которые отличаются друг от друга по молекулярной массе, химической структуре, рецепторам к различным клеткам макроорганизма, биологической активности и др. Некоторые из них приведены в табл. 8.
Таблица 8.
Основные токсины и механизмы их действия
| Микроорганизм | Токсин | Механизм действия | Мишень | Заболевание или синдром | |||||
| Мембраноатакующие | |||||||||
| Aeromonas hydrophila | Аэролизин | Образование пор | Гликофорин | Диарея | |||||
| Clostridium perfringens | О-перфринголизин | «-« | Холестерин | Газовая гангрена | |||||
| Escherichia coli | Гемолизин | «-« | Плазматическая мембрана | Инфекции мочевыводящих путей | |||||
| Listeria monocytogenes | О-листериолизин | «-« | Холестерин | Пищевые системные инфекции, менингит | |||||
| Staphylococcus aureus | альфа-токсин | «-« | Плазматическая мембрана | Абсцессы | |||||
| Streptococcus pneumoniae | Пневмолизин | «-« | Холестерин | Пневмония | |||||
| Sreptococcus pyogenes | О-стрептолизин | «-« | «-« | Тонзилло-фарингит. Скарлатина | |||||
| Ингибиторы белкового синтеза | |||||||||
| Corynebacterium difhtheriae | Дифтерийный токсин | АДФ-рибозил-трансфераза | Фактор элонгации 2 | Дифтерия | |||||
| E. coli, Shigella dysenteriae | Токсин Шига | N-гликозидаза | 28S pРНК | Геморрагический колит,гемолитико-уремический синдром | |||||
| Pseudomonas aeruginosa | Экзотоксин А | АДФ-рибозил-трансфераза | Фактор элонгации 2 | Пневмония | |||||
| Активаторы вторичных мессенджеров | |||||||||
| E. coli | Цитотоксический некротизирующий фактор | Деамидаза | G-белки-регуляторы цитоскелета | Инфекции мочевыводящих путей | |||||
| E. coli | Термолабильный токсин | АДФ-рибозил-трансфераза | G-белки | Диарея | |||||
| E. coli | Термостабильный токсин | Стимулирует гуанилат-циклазу | Рецептор гуанилатциклазы | Диарея | |||||
| Bacillus anthracis | Отечный фактор | Аденилат-циклаза | АТФ | Сибирская язва | |||||
| Bordetella pertussis | Дермонекротический токсин Коклюшный токсин | Деамидаза АДФ-рибозил-трансфераза | G-белки (регуляторы цитоскелета) G-белки | Ринит Коклюш | |||||
| Clostridium botulinum | Токсин С2 Токсин С3 | АДФ-рибозил-трансфераза «-« | G-актин G-белки (регуляторы цитоскелета) | Ботулизм Ботулизм | |||||
| Clostridium difficile | Токсин А Токсин В | Гликозил-трансфераза | G-белки (регуляторы цитоскелета) | Диарея/псев-домембранозный колит | |||||
| Vibrio cholerae | Холерный токсин | АДФ-рибозил-трансфераза | G-белки | Холера | |||||
| Суперантигены | |||||||||
| S. aureus | Энтеротоксины | Суперантиген | Рецептор Т-клеток и HLA II класса | Пищевые интоксикации | |||||
| S. aureus | Эксфолиатины | «-« | «-« | Синдром «ошпаренной кожи» | |||||
| S. aureus | Токсин синдрома токсического шока | «-« | «-« | Синдром токсического шока | |||||
| S. pyogenes | Пирогенные экзотоксины | «-« | «-« | Скарлатина/ синдром токсического шока | |||||
| Протеазы | |||||||||
| B. anthracis | Летальный фактор | Металло-протеаза | Митоген-активируемая киназа протеинкиназ (MAPKK) | Сибирская язва | |||||
| C. botulinum | Нейротоксины A-G | Zn-металло-протеаза | Везикуло-ассоциированный мембранный белок, синаптобревин, синтаксин | Ботулизм | |||||
| C. tetani | Столбнячный токсин | Zn-металло-протеаза | Везикуло-ассоциированный мембранный белок, синаптобревин | Столбняк | |||||
Эндотоксины тесно связаны с микробной клеткой и освобождаются только при ее гибели или при разрушении. Они содержатся преимущественно в грамотрицательных микробах. По химической природе относятся к липополисахаридам (ЛПС), обладают выраженными антигенными свойствами (О-антиген). Эндотоксины, в отличие от белковых экзотоксинов, более устойчивы к повышенной температуре. При попадании в организм они вызывают сходные патологические процессы, независимо от того, из каких грамотрицательных бактерий они происходят.
После освобождения из бактериальной клетки эндотоксин связывается с липополисахаридсвязывающим белком LBP (lipopolysaccharide-binding protein). Этот комплекс взаимодействует с рецептором СD14 на поверхности макрофага, что и вызывает выброс медиаторов (рис. 13).
Эндотоксины стимулируют образование макрофагами трех групп мощных медиаторов – белков, липидов и свободных кислородных радикалов. Действуя совместно, они могут приводить к различным эффектам. Фактор некроза опухоли также усиливает синтез медиаторов, а простагландин Е2 подавляет.
При выделении небольшого количества эндотоксина, производимые макрофагами биологически активные вещества способствуют уничтожению инфекции, инициируя локальный регулируемый иммунный ответ. Типичные эффекты, которые при этом наблюдаются (повышение температуры тела, мобилизация специфического и неспецифического иммунитета в ответ на микроорганизмы) обеспечивают в норме выздоровление. При тяжелой инфекции, вызванной грамотрицательными микроорганизмами, с освобождением огромного количества эндотоксина происходит системное избыточное выделение медиаторов и, например, за счет вазодилятации сосудов под действием окиси азота и резкого падения артериального давления наблюдается опасный для жизни бактериальный эндотоксический шок. Эндотоксины, в отличие от экзотоксинов, не вызывают сильного специфического иммунного ответа и синтеза нейтрализующих антител. Эндотоксический шок значительно усугубляется при одновременном воздействии на организм эндотоксина и экзотоксинов-суперантигенов.
Иммунодепрессивное действие экзо-, эндотоксинов, других факторов патогенности -- важный фактор преодоления защитных барьеров. Многие вещества микробов подавляют активность фагоцитов, метаболизм нейтрофилов, угнетают активность Т-хелперов и, наоборот, активируют супрессивные механизмы иммунного ответа. К факторам вирулентности относится также «антигенная мимикрия» – наличие у возбудителей общих антигенов с антигенами человека. Белки теплового шока hsp 60 и 70 кДа имеются у микобактерий туберкулеза, сальмонелл и в клетках человека, что приводит к уклонению бактерий от иммунологического ответа хозяина. С одной стороны, макроорганизм толерантен, не отвечает на антигены микроба, сходные по строению с его собственными, с другой стороны, в случае возникновения такого ответа развивается аутоиммунная реакция на свои макромолекулы.
Тяжелое течение инфекционного процесса или фатальный для хозяина исход может наблюдаться при снижении уровня неспецифической защиты и иммунологической реактивности хозяина, большой дозе и высокой вирулентности возбудителя, а также при неестественных путях его проникновения. Хронизация инфекционного процесса, как правило, определяется несостоятельностью иммунологического ответа к возбудителю.
РАЗДЕЛ II. ЧАСТНАЯ МИКРОБИОЛОГИЯ
A. ЧАСТНАЯ БАКТЕРИОЛОГИЯ