Основные факторы патогенности микроорганизмов
Факторы патогенности — это материальные носители, обусловливающие способность микробов вызывать инфекционный процесс.
Адгезия — способность прикрепляться, связанная с элекростатическим зарядом, гидрофобностью, специфическим взаимодействием гемаглютининов, тейхоевых кислот, т.е. со структурной организацией клетки.
Колонизация — способность размножаться в организме хозяина;
Инвазия — способность проникать в клетки;
Агрессия — способность патогенных микроорганизмов размножаться в организме хозяина и противостоять его защитным механизмам.
Адгезию и колонизацию осуществляют макромолекулы, входящие преимущественно в состав поверхностных морфологических структур микробов. Инвазивность и агрессивность обусловлены, в основном, действием экзоферментов, в то время как токсическое воздействие — действием токсинов, играющих ведущую роль в развитии специфических симптомов при инфекционных заболеваниях.
Адгезия(от лат. adhaesio, прикрепляться к чему-либо) — это закрепление бактерий на поверхности клеток, что и является началом инфекционного процесса. Прикрепление к поверхности клеток обеспечивают адгезины.
· Молекулы адгезии или различные микробные продукты (белки, ЛПС, липотейхоевые кислоты) могут располагаться непосредственно на поверхности бактериальной клетки, либо входить в состав микроворсинок или капсул. Взаимодействие инфекционного агента с эпителиальными клетками происходит в результате нескольких типов связей, различных по природе и специфичности. Выделяют связи, основанные на взаимодействии электростатических сил, обусловленные гидрофобными свойствами поверхности, лиганд-рецепторные взаимодействия.
Заряд. Бактериальные и эукариотические клетки заряжены отрицательно, но поверхностные ворсинки грамотрицательных бактерий снижают заряд бактерий и уменьшают электростатические силы отталкивания.
Гидрофобность. Бескапсульные бактерии обладают высокой гидрофобностью, усиливающей адгезивность; гидрофобные участки обладают сродством к лигандам на поверхности эукариотических клеток, что и приводит к прочности связи.
Специфические взаимодействия. На поверхности бактерий имеются специфические химические группировки (молекулы) — адгезины, способные к стереоспецифическому связыванию с комплементарными рецепторами на мембранах эукариотических клеток. Между адгезинами микробов и рецепторами соматических клеток происходит лиганд-рецепторные взаимодействия, по принципу «ключ-замок». Этим объясняется органотропность микроорганизмов.
Колонизация —процесс размножения микроорганизмов на поверхности эпителия. Для успешной колонизации очага первичного инфицирования бактерии должны выдержать действие многочисленных и разнообразных микробицидных факторов хозяина. Для защиты от них микроорганизмы активно используют ряд структур (капсула, поверхностные протеины), а также синтезируемых веществ (экзоферменты).
· Капсула ингибирует начальные этапы защитных реакций — распознавание и поглощение. Капсулы «экранируют» бактериальные структуры, активирующие систему комплемента, а также структуры, распознаваемые иммунокомпетентными клетками. Например, слой капсульного вещества защищает тейхоевые кислоты стафилококков от связывания опсонинами. Гидрофильность капсул затрудняет их поглощение фагоцитами, а само капсульное вещество защищает бактерию от воздействия лизосомальных ферментов и токсичных оксидантов, выделяемых фагоцитирующими клетками.
Инвазия — способность микроорганизмов проникать через слизистые и соединительнотканные барьеры в подлежащие ткани. Этот процесс обеспечивают
· жгутики
· ферменты
Например, гиалуронидаза (Clostridium perfringens, некоторые бактерии родов Streptococcus и Staphylococcus) расщепляет гиалуроновую кислоту, входящую в состав межклеточного вещества, что повышает проницаемость слизистых оболочек и соединительной ткани. Нейраминидаза (Vibrio cholerae, Yersinia sрp., Pasterella sрp., Streptococcus sрp., некоторые Clostridium sрp.) разрушает гликозидные связи, отщепляя концевые сиаловые кислоты от углеводов. Сиаловые кислоты деполимеризуют поверхностные структуры эпителиальных и других клеток организма, разжижают носовой секрет, слой слизи (муцина) кишечника, способствует распространению не только через слизистую оболочку, но и внутрь клеток.
Агрессия осуществляется за счет
· Структур клеточной стенки: капсулы, клеточной стенки, липополисахаридов (ЛПС) Грам- бактерий , которые подавляют миграцию лейкоцитов, препятствуют фагоцитозу.
· Для подавления иммунитета патогенные микроорганизмы продуцируют различные экзоферменты: протеазы — разрушают иммуноглобулины (антитела), плазмокоагулазу — свертывает плазму крови, фибринолизин — растворяющий сгустки фибрина, способствуя гематогенному распространению микробов, лецитиназу — расщепляющую лецитин цитоплазматических мембран эукариотических клеток, уреаза H.pylori нейтрализует кислую среду в желудке.
Основные группы факторов патогенности микробов — бактериальные структуры, токсины и экзоферменты представлены в таблице 27.
Таблица 27. Факторы патогенности бактерий
| Фактор | Функция |
| I. Структуры клетки | |
| Капсула | антифагоцитарная функция |
| Белок A | взаимодействует с Fc-фрагментами антител |
| Пептидогликан | хемоаттрактант для лейкоцитов |
| Тейхоевые кислоты | регулируют поверхностный заряд клеток |
| Пили | обеспечивают адгезию |
| Жгутики | обеспечивают подвижность и улучшают инвазию |
| M-белок | термо- и кислотоустойчивый белок клеточной стенки стрептококков группы A, обладает антифагоцитарной функцией |
| II. Токсины | |
| Эндотоксин | активирует цАМФ (индуцирует лихорадку, мышечный протеолиз, диссеминированное внутрисосудистое свертывание, шок). |
| Экзотоксины: а) цитотоксины • гистотоксины | блокируют синтез белка |
| б) мембранотоксины • гемолизины • лейкоцидины | повреждают цитоплазматическую мембрану, повышают её проницаемость |
| в) функциональные блокаторы | повышают проницаемость ЦПМ путем усиления аденилатциклазной активности и увеличения концентрации цАМФ, что приводит к нарушению водно-солевого метаболизма |
| г) эксфолиатины | нарушают взаимодействие между клетками кожи и приводят к генерализованной десквамации |
| III. Ферменты | |
| Фосфолипаза (лецитиназа) | расщепляет лецитин, липидный компонент ЦПМ |
| Коллагеназа | расщепляет коллаген |
| Гиалуронидаза | расщепляет гиалуроновую кислоту (компонент соединительной ткани) |
| Липаза | расщепляет липиды |
| ДНКаза | расщепляет ДНК |
| РНКаза | расщепляет РНК |
| Фибринолизин | активирует протеолитические белки плазмы, растворяет коагулированную плазму |
| β-лактамаза | разрушает β-лактамные антибиотики |
Микробные токсины
Токсины (от греч. toxikon, яд) — важнейшие факторы патогенности, вырабатываемые микроорганизмами и реализующие основные механизмы инфекционного процесса. Токсины облегчают первичную колонизацию и вызывают системные поражения, характеризующие проявления той или иной инфекционной болезни.
Токсины бактерий — продукты метаболизма, оказывающие непосредственное токсическое воздействие на специфические клетки макроорганизма, либо опосредованно вызывающие развитие симптомов интоксикации в результате индукции ими образования биологически активных веществ.
Традиционно, бактериальные токсины подразделяют на экзотоксины и эндотоксины. Сравнительная характеристика представлена в таблице 28.
• эндотоксины — липополисахариды клеточной стенки грамотрицательных бактерий, освобождающиеся после ее разрушения.
• экзотоксины — высокотоксичные для организма хозяина белки, синтезируемые токсигенными бактериями и секретируемые при их жизни.Экспрессируются как у Грам+, так и у Грам- бактерий.
Эндотоксины — интегральные компоненты клеточной стенки грамотрицательных бактерий, высвобождающиеся после их гибели и представленные комплексом протеинов, липидных и полисахаридных остатков. Биологическая активность напоминает таковую у некоторых медиаторов воспаления. Большие дозы эндотоксинов вызывают угнетение фагоцитоза, явления выраженного токсикоза, сопровождающиеся слабостью, одышкой, расстройством кишечника (диарея), угнетением сердечной деятельности и понижением температуры тела. При введении малых доз отмечается обратный эффект. Поступление эндотоксинов в кровяное русло приводит к лихорадке в результате их действия на клетки крови (гранулоциты, моноциты), из которых выделяются эндогенные пирогены. Начало лихорадки совпадает с ранней лейкопенией, которая сменяется вторичным лейкоцитозом. В результате усиления гликолиза в клетках может возникнуть гипогликемия. При эндотоксинемии наблюдается гипотония в результате поступления в кровь повышенного количества серотонина и кинина, а также нарушение кровоснабжения органов и ацидоз. Большие количества эндотоксина, поступившего в кровь, приводят к токсико-септическому шоку.
Экзотоксины нередко служат единственным фактором вирулентности микроорганизма, действуют дистанционно (далеко за пределами очага инфицирования) и ответственны за клинические проявления инфекции. Наибольшую токсичность проявляет ботулотоксин — 6 кг токсина могли бы убить все человечество. Высокая токсичность экзотоксинов обусловлена особенностью структуры их фрагментов, имитирующей строение субъединиц гормонов, ферментов и нейромедиаторов хозяина. В результате токсины проявляют свойства антиметаболитов, блокируют функциональную активность естественных аналогов. Экзотоксины проявляют высокую иммуногенность; в ответ на их введение образуются специфические нейтрализующие антитела (антитоксины). Анатоксин — экзотоксин, утративший свою ядовитость, но сохранивший антигенные свойства. Получают путем обработки экзотоксина 0,4 % раствором формалина при 40 °С в течение 4 недель и используют для формирования активного антитоксического иммунитета.
По степени связи с бактериальной клеткой экзотоксины разделяют на 3 группы — А, В, С.
· Группа А — токсины, секретируемые во внешнюю среду (токсин дифтерийной палочки).
· Группа В — токсины, частично секретируемы во внешнюю среду и частично ассоциированные с бактериальной клеткой (тетаноспазмин C.tetani).
· Группа С — токсины, связанные с бактериальной клеткой и высвобождающиеся после ее кибели (экзотоксины энтеробактерий).
Классификация экзотоксинов по механизму действия:
1. Цитотоксины:блокируют синтез белка на субклеточном уровне. Например, дифтерийный гистотоксин полностью угнетает действие фермента трансферазы II, ответственной за элонгацию (удлинение) полипептидной цепи на рибосоме — P.aeruginosa, S.flexneri, S. sonnei (антиэлонгаторы);
2. Мембранотоксины (гемолизины и лейкоцидины) — повышают проницаемость цитоплазматической мембраны
• гемолизины—разрушают эритроциты (гемолиз) — S. aureus, S. pyogenes (О-стрептолизин), C. tetani (тетанолизин);
• лейкоцидины — повреждают фагоциты (лейкоциты) — S. aureus, S. pyogenes, C.perfringens;
3. Функциональные блокаторы:
• энтеротоксины — активируют клеточную аденилатциклазу, что приводит к повышению проницаемости стенки тонкой кишки и увеличению выхода жидкости в ее просвет — диарее: термостабильныеK. pneumonia, Y. enterocolitica, E. coli,термолабильные E. coli, V. cholerae (холероген);
• нейротоксины — блокируют передачу импульсов в клетках спинного и головного мозга — C. tetani (тетаноспазмин), C. botulinum (ботулинический токсин);
4. Эксфолиатины — разрушают десмосомы зернистого слоя эпидермиса и отслойку рогового слоя, влияют на процесс взаимодействия клеток между собой и с межклеточными веществами — S.aureus.
Таблица 28. Сравнительная характеристика экзотоксинов и эндотоксинов
| Экзотоксины | Эндотоксины |
| Выделяются живой клеткой. В высоких концентрациях обнаруживаются в жидких питательных средах | Составная часть клеточной стенки грамотрицательных бактерий. Освобождаются при гибели бактериальной клетки |
| Продуцируются грамположительными и грамотрицательными бактериями | Обнаружены только у грамотрицательных бактерий |
| Полипептиды с молекулярной массой 10 000–900 000D | Липополисахариды. Липид A отвечает за токсичность |
| Относительно нестабильны; токсичность часто быстро теряется при температуре выше 60 ˚C | Относительно стабильны; выдерживают нагревание при температуре выше 60 ˚C в течение часа без потери токсичности |
| Обладают высокой антигенностью; стимулируют образование высоких титров антитоксинов (антител) в сыворотках. Антитоксины нейтрализуют экзотоксины | Слабые иммуногены; титры специфических антител и их защитная функция ниже, чем для экзотоксинов |
| Трансформируются в антигенные, нетоксичные анатоксины при действии формалина, кислот, нагревания и т.д. Анатоксины используются для иммунизации (например, дифтерийный анатоксин) | Не трансформируются в анатоксины |
| Высокотоксичны; смертельные дозы для животных составляют единицы микрограммов и менее | Умеренно токсичны; смертельные дозы для животных измеряются десятками и сотнями микрограмм |
| Каждый экзотоксин имеет специфические рецепторы на клетках-мишенях | Эндотоксины разных групп бактерий не имеют строго специфических рецепторов. CD14 — общий рецептор для ЛПС |
| Каждый экзотоксин обладает специфическим эффектом | Все эндотоксины имеют общий эффект: лихорадка, коллапс, ДВС-синдром |
| Часто синтез контролируется экстрахромосомными генами (например, плазмидами) | Синтез контролируется хромосомными генами |