2 курс / Микробиология 1 кафедра / Доп. материалы / Общая медицинская микробиология

2.Обладают высокой активностью и проявляют свой эффект в ничтожных концентрациях по сравнению с другими факторами патогенности. Типичный алгид — острая форма холеры — развивается при введении добровольцам per os 25 мкг очищенного холерного энтеротоксина. Клиническая картина стафилококковой энтеротоксемии развивается у человека при введении препаратов энтеротоксинов А и В в дозах 20 и 500 нг на 1 кг массы тела соответственно. Токсическая доза дифтерийного токсина для детей составляет менее 100 мкг на 1 кг массы тела. Токсические дозы ботулинического и столбнячного токсинов составляют соответственно 1 и 2,5 нг на 1 кг массы тела.

3.Высокоспецифичны, изменяют нормальный метаболизм клеток хозяина.

4.Имеют латентный период действия (в это время они циркулируют в крови), а затем связываются с мембранами чувствительных клеток и проникают в них. Клеточные рецепторы для разных токсинов неодинаковы, и фиксируются:

– на холинсодержащих рецепторах: О-стрептолизин, пневмолизин, тетанолизин;

– на ганглиозидах определенного типа: энтеротоксин кишечных бактерий, холероген, ботулотоксин, тетаноспазмин;

– на фосфолипидах клеточной мембраны: дифтерийный экзотоксин. Токсический эффект осуществляется только после связывания экзотокси-

нов с чувствительными клетками-мишенями организма. До момента фиксации в тканях экзотоксины могут быть нейтрализованы специфическими антитоксическими антителами, поэтому принципиальное значение имеет ранее проведение серотерапии при заболеваниях, где основным фактором патогенности являются экзотоксины (дифтерия, столбняк, ботулизм, анаэробная раневая инфекция, стафилококковый токсикоз).

5.Экзотоксины являются сильными антигенами, высокоиммуногенны. Они вызывают образование специфических нейтрализующих антител — антитоксинов.

6.По чувствительности к температуре различают экзотоксины:

–термолабильные: дифтерийный (60 ºС — 1 ч), столбнячный (60 ºС — 20 мин);

–термостабильные: ботулинический (кипячение 10–30 мин), стафилококковый (кипячение 2,5–3 ч).

7. Под действием формалина при 37 ºС некоторые экзотоксины подвергаются инактивации (токсичность утрачивается, иммуногенность сохраняется) и превращаются в анатоксины. Последние используют:

–в качестве вакцин для профилактики заболеваний (дифтерии, столбняка, ботулизма, стафилококкового токсикоза);

–в виде антигенов для иммунизации животных с целью получения антитоксических сывороток.

Другие сферы применения экзотоксинов в медицине:

–применение ботулинического нейротоксина в косметических целях для уменьшения глубоких морщин, при лечении мышечной гиперактивности (косоглазие, писчий спазм, гемифасциальный спазм, тремор и тики). Микродозы инъекций очищенного токсина в определенные точки вызывают паралич мышц и устраняют мышечный спазм.

218

Терапию следует постоянно продолжать, так как действие токсина продолжается только несколько месяцев;

–использование протеолитической активности стрептокиназы для восстановления проходимости тромбированных артерий при инфаркте миокарда;

–использование дифтерийного экзотоксина и экзотоксина А Pseudomonas spp. в качестве цитотоксических компонентов иммунотоксинов (сочетают ферментативно активную часть молекулы токсина и моноклональные антитела) для лечения больных с В-клеточными лимфомами, лейкемией и при трансплантации костного мозга (клинические испытания).

Классификации экзотоксинов:

I. По молекулярной организации экзотоксины делятся на 2 группы:

1.Состоящие из двух фрагментов — имеют бифункциональную АВ-струк- туру: ферментативно активная субъединица А (активатор, имеет большую молекулярную массу) нековалентно связана с транспортной субъединицей В (имеет меньшую молекулярную массу), непосредственно взаимодействующей со специфическим рецептором клетки-мишени. Токсическая группа А проникает внутрь клетки и блокирует метаболические реакции. Высокая токсичность белковых токсинов объясняется особенностью строения участков их молекул, имитирующих структуру макромолекул организма, поэтому по механизму действия они являются антиметаболитами. Типичную АВ-структуру имеют ST-токсины, термолабильный токсин E. coli, холерный токсин и экзотоксин бордетеллы коклюша.

2.Составляющие единую полипептидную цепь. Нейротоксины синтезиру-

ются в виде неактивных полипептидов с молекулярной массой до 150 кДа. Они высвобождаются при лизисе бактериальной клетки и активируются путем протеолитического расщепления незащищенной петли полипептида. Каждая активная молекула нейротоксина состоит из тяжелой (100 кДа) и легкой (50 кДа) цепочек, соединенных единичной бисульфидной связью. Тяжелая цепочка нейротоксинов содержит два домена: участок, ответственный за транслокацию токсина и область, регулирующую связывание токсина с клеткой. Легкие цепочки нейротоксинов содержат цинксвязывающие последовательности, необходимые для осуществления протеазной активности токсина, зависящей от ионов цинка.

II. По степени связи с бактериальной клеткой экзотоксины делятся на

3класса:

1.Секретируемые во внешнюю среду (экзотоксин C. diphteriae; отечный,

летальный токсин B. anthracis).

2.Частично секретируемые и частично связанные с микроорганизмом

(тетаноспазмин C. tetani, нейротоксин C. botulinum).

3.Связанные с микроорганизмом и попадающие в окружающую среду при разрушении клетки (цито-, энтеро-, нейротоксин S. dysenteriae, «мышиный» ток-

син Y. pestis).

III. По механизму действия бактериальные токсины делятся на 6 групп

(табл. 41):

1.Мембранотоксины, повреждающие клеточные мембраны — вызывают разрушение клеток в результате формирования пор (рис. 82, а). Формируя трансмембранные поры, они нарушают селективный вход и выход ионов через

219

плазматическую мембрану (RTX-токсины Грам– бактерий, α-токсин C. perfringens, стрептолизин S. pyogenes, α-токсин S. aureus (одна из фракций экзотоксина, лейкоцидин)).

Рис. 82. Механизмы действия некоторых бактериальных токсинов:

a — повреждение клеточных мембран под действием α-токсина S. aureus; б — ингибирование синтеза белка токсином Шига (Stx); в — активация вторичных мессенджеров (ST-энтеротоксины, экзотоксин C. botulinum (С3) и токсины А и В C. difficile (CdA и CdB), цитотоксический некротизирующий фактор (CNF) E. coli и дермонекротический токсин (DNT) Bordetella spp.)

α-Токсин S. aureus обладает цитолитическими свойствами в отношении различных типов клеток (моноцитов, лимфоцитов, эритроцитов, тромбоцитов, эндотелиоцитов).

Стадии повреждения клеточной мембраны под действием α-токсина:

–протомеры токсина связываются с мембраной клетки-мишени при помощи рецепторов или неспецифически абсорбируются фосфотидилхолином или холестеролом, входящими в состав билипидного слоя мембраны;

–связанные с мембраной протомеры олигомеризуются в нелитический гептамерный комплекс;

–гептамер претерпевает ряд конформационных изменений, в результате формируется «ножка», которая проникает сквозь ЦПМ. Через образовавшуюся пору происходит вход и выход небольших молекул и ионов, что ведет к набуханию и гибели ядерных клеток и осмотическому лизису эритроцитов.

При образовании пор также запускаются вторичные процессы (активация эндонуклеаз, увеличение экзоцитоза тромбоцитов, высвобождение цитокинов

имедиаторов воспаления, выделение эйкозаноидов), которые могут обусловливать развитие патологических последствий.

2. Ингибирующие белковый синтез — субстратами для этих токсинов являются фактор элонгации и рибосомальная РНК (рис. 82, б). Подавление белкового синтеза приводит в итоге к гибели клетки-мишени.

Дифтерийный экзотоксин и экзотоксин А Pseudomonas вызывают АДФ- рибо-зилирование фактора элонгации, нарушая синтез белка.

220

S. dysenteriae серотипа 1 и E. coli вырабатывают ST-токсины, инактивирующие рибосомальную РНК и нарушающие ее взаимодействие с факторами элонгации. ST-токсины являются мощными цитотоксинами.

3. Активирующие пути метаболизма, контролируемые вторичными мес-

сенджерами (англ. message — сообщение) — нарушают синтез различных клеточных белков, не вызывая непосредственной гибели клеток (рис. 82, в). Активация или модификация вторичных мессенджеров под действием токсинов обусловливает нарушения процессов передачи сигналов, имеющих значение в поддержании разнообразных функций клеток (функциональные блокаторы).

Цитотоксический некротизирующий фактор (CNF) E. coli активирует

Rho-белки, которые являются регуляторами актинового цитоскелета, и играет важную роль в развитии внекишечных инфекций (особенно инфекций мочевыводящих путей). Дермонекротический токсин Bordetella spp. также активирует

Rho. Клостридиальные цитотоксины инактивируют Rho.

Холероподобные токсины обнаружены у V. сhоlerae, НАГ-вибрионов, патогенной E. coli (LT-энтеротоксин), С. jejuni. Они взаимодействуют с энтероцитами, что ведет к активации аденилатциклазы, накоплению цАМФ, увеличению проницаемости стенки тонкой кишки, выведению воды и электролитов в просвет кишечника, что приводит к диарее и обезвоживанию. Сибиреязвенный и чумной токсины также инактивируют аденилатциклазу.

Термостабильные ST-энтеротоксины обнаружены у энтеротоксигенных штаммов Е. coli (ЭТКП), К. pneumoniae, Y. enterocolitica, Y. pseudotuberculosis,

они активируют гуанилатциклазу, которая превращает внутриклеточный ГМФ в эпителиальных клетках в цГМФ. Увеличение концентрации цГМФ нарушает транспорт электролитов в кишечнике: подавляется абсорбция ионов натрия и повышается секреция ионов хлора, изменения ионных потоков приводят к развитию секреторной диареи. ЭТКП вызывают диарею путешественников и являются основным этиологическим фактором диарей у детей во всем мире.

Нейротоксины C. botulinum и C. tetani имеют сходную структуру, ферментативную активность, избирательно действуют на нервную систему; не вызывают видимых повреждений нервных клеток. Клеточными мишенями нейротоксинов является группа белков, необходимых для стыковки и соединения синаптических пузырьков с пресинаптическими плазматическими мембранами с последующим высвобождением нейромедиаторов. Ингибируя высвобождение нейромедиаторов, нейротоксины блокируют передачу нервных импульсов в клетках головного и спинного мозга. Таким образом, они блокируют функции жевания, глотания, дыхания.

Ботулотоксины вызывают ботулизм новорожденных и пищевой ботулизм, они существуют в виде больших комплексов, включающих нейротоксин и один или несколько белков, которые обеспечивают защиту и стабильность молекулы токсина в ЖКТ. Ботулотоксины связываются с рецепторами на пресинаптической мембране моторных нейронов периферической нервной системы. Протеолиз белков-мишеней в этих нейронах ингибирует высвобождение ацетилхолина, препятствуя мышечным сокращениям.

221

Столбнячный экзотоксин (тетаноспазмин), синтезируемый в ранах вегетативными формами C. tetani, не формирует комплексов с белками. Он действует на ЦНС, поражая два вида нейронов: первоначально связывается с рецепторами пресинаптической мембраны моторных нейронов, затем с помощью обратного везикулярного транспорта перемещается в спинной мозг, где может внедриться в тормозные и вставочные нейроны. Расщепление везикулоассоциированного мембранного протеина в этих нейронах приводит к высвобождению глицина и

-аминомасляной кислоты, которые вызывают мышечные сокращения.

Различия в клинических проявлениях интоксикации ботулотоксином (пониженный тонус мышц) и столбнячным экзотоксином (спастический паралич) являются следствием воздействия данных токсинов на различные нейроны.

4. Суперантигены, активирующие иммунный ответ макроорганизма

(стафилококковые энтеротоксины серотипов A–E, G и H, пирогенные экзотоксины стрептококков группы А (серотипы A–C и F), суперантиген стрептококков группы А и стафилококковый суперантиген). Эти белковые молекулы напрямую связваются с рецепторами Т-лимфоцитов, что приводит к массивной пролиферации последних, которая сопровождается массивным высвобождением лимфоцитарных (ИЛ2, ФНО, -интерферон) и моноцитарных (ИЛ1, ИЛ6, ФНО) цитокинов. Цитокины вызывают гипотензию, высокую температуру тела и диффузную эритематозную сыпь.

Суперантигены термостабильны, имеют сходную биологическую активность. Стафилококковый суперантиген рассматривают как ключевую субстанцию в развитии синдрома стафилококкового токсического шока, в последние годы его стали связывать и с развитием синдрома Кавасаки — одной из причин приобретенных пороков сердца у детей.

5.Эксфолиатины S. aureus, влияющие на процесс взаимодействия клеток между собой и с межклеточными веществами, вызывают пузырчатку новорожденных (отслоение эпидермиса и образование сливающихся пузырей, жидкость

вкоторых стерильна; фокус стафилококковой инфекции находится при этом вдали от места кожного повреждения, чаще всего в пупочной ранке).

6.Эритрогенины S. pyogenes, вызывающие сыпь при скарлатине и покраснение кожи при внутрикожном введении восприимчивым людям.

222

223

Примечания. CNF — цитотоксический некротизирующий фактор; LT — термолабильный токсин; ST — термостабильный токсин; CLTD — цитолетальный разрыхляющий токсин; EAST — термостабильный токсин энтероагрегативной E. coli; MAPKK — митогенактивируемая киназа протеинкиназ; VAMP — везикулоассоциированный мембранный белок; SNAP-25 — синаптосомальноассоциированный белок; * другие заболевания также связаны с данным микроорганизмом; ** токсин продуцируют также бактерии других родов; + — имеются доказанные причинно-следственные взаимоотношения между токсином и заболеванием; (+) — роль данных токсинов в патогенезе показана на животных моделях или на клеточной культуре; ? — роль данных токсинов в патогенезе неизвестна.

Роль экзотоксинов в патогенезе заболеваний:

1.Многие факторы патогенности продуцируются только патогенными штаммами и отсутствуют у авирулентных штаммов (энтеротоксины

E. coli).

2.Штаммы одного вида могут продуцировать один (С. diphtheriae, С. tetani, В. anthracis) или несколько типов токсина, различающихся по имму-

нохимическим свойствам, но сходных по молекулярной структуре и механизму действия, например:

– V. cholerae — холероген и шигеллоподобный токсин;

– S. aureus — энтеротоксины типов А и В;

– Е. coli — LT-энтеротоксин, ST-энтеротоксин и шигеллоподобный токсин;

– С. botulinum — 7 типов нейротоксинов.

3.Сходная клиническая картина заболеваний, вызываемых патогенными штаммами различных видов бактерий, связана с их способностью продуцировать одинаковые типы токсинов или различные типы токсинов со сходным механизмом действия. Четко эта закономерность прослеживается в

отношении холероподобных диарей. Диарейный синдром развивается за счет холероподобных токсинов, обладающих сходными антигенными свойствами, молекулярной структурой и механизмом действия, обнаруженных у V. сhоlerae, НАГ-вибрионов, С. jejuni.

Более тяжелую холероподобную диарею вызывают термостабильные энтеротоксины (ST-энтеротоксины), которые продуцируют патогенные штаммы

Е. coli, К. pneumoniae, Y. enterocolitica, Y. pseudotuberculosis.

224

4.Различные клинические формы инфекционных заболеваний, вызываемые разными патогенными штаммами одного вида бактерий, связаны с их способностью продуцировать различные типы токсинов.

Различные штаммы S. aureus могут продуцировать один из 7 типов энтеротоксинов, которые вызывают энтеротоксемию. Другие штаммы S. aureus могут продуцировать два типа эксфолиатинов. Причиной синдрома стафилококкового токсического шока является «токсин синдрома стафилококкового токсического шока».

У Е. coli обнаружено 8 типов токсинов, при этом прослеживается следующая закономерность:

– штаммы, продуцирующие LT-энтеротоксин, вызывают холероподобную диарею;

– штаммы, продуцирующие ST-энтеротоксин, вызывают более тяжелую диарею;

– штаммы, продуцирующие шигеллоподобный токсин, вызывают дизентериеподобное заболевание.

5.Клиническая картина заболеваний не во всех случаях зависит от типа токсина, который продуцирует конкретный штамм. Дифтерийный токсин обнаружен у С. diphtheriae, С. ulcerans, С. pseudotuberculosis, шигеллез-

ный — у S. dysenteriae, S. flexneri, E. coli, V. cholerae, V. parahaemolyticus, C. jejuni, НАГ-вибрионов. Шигеллоподобный токсин обнаружен у многих штаммов холерного вибриона, хотя они в основном вызывают холеру.

Эндотоксины. Характеристика:

1.Липополисахаридные комплексы КС, главным образом Грам– бактерий, освобождаются только после гибели бактерий. Существенной частью эндотоксина считается липид А, однако токсические свойства эндотоксина определяются всей молекулой ЛПС, поскольку один липид А менее токсичен, чем молекула ЛПС в целом. Образование эндотоксинов присуще энтеробактериям, бруцеллам, риккетсиям, чумной палочке.

2.Менее токсичны, чем экзотоксины.

3.Неспецифичны: в сыворотке крови переболевших людей и при иммунизации животных различными ЛПС обнаруживаются антитела низкой специфичности и наблюдается сходная клиническая картина.

4.Действуют быстро.

5.Являются гаптенами или слабыми антигенами, обладают слабой иммуногенностью. Сыворотка животного, иммунизированного эндотоксином, обладает слабой антитоксической активностью и не нейтрализует эндотоксин.

6.Термостабильны, не инактивируются температурой, при нагревании активность эндотоксина повышается.

7.Не инактивируются химически (не переходят в анатоксины при обработке формалином).

Сравнительная характеристика бактериальных токсинов приведена в табл. 42. Существуют физиологические механизмы поступления очень небольших (порядка нанограммов) количеств эндотоксина в кровоток. Всасываясь в толстом кишечнике и поступая в печень, большая часть эндотоксина в норме элиминируется фагоцитами, но часть проникает в системный кровоток, вызывая ряд физио-

логических эффектов.

При поступлении в кровь малых доз эндотоксина наблюдается:

225

–стимуляция фагоцитоза, повышение резистентности организма;

–увеличение температуры тела в результате действия токсина на клетки крови (гранулоциты, моноциты), из которых выделяются эндогенные пирогены (ИЛ1), действующие на гипоталамические терморегуляционные центры;

–активация комплемента по альтернативному пути;

–поликлональная стимуляция и пролиферация В-лимфоцитов, синтез Ig M;

–реализация противоопухолевого иммунитета (секреция ФНО);

–активация противовирусной защиты.

Таблица 42

Сравнительная характеристика бактериальных экзотоксинов и эндотоксинов

При поступлении в кровь больших доз эндотоксина развивается инфек-

ционно-токсический шок — выраженная системная реакция организма в результате воздействия эндотоксинов и бактериальных продуктов на клеточные мембраны, компоненты свертывания крови и комплемент. Грам– флора чаще вызывает ИТШ (в 70 % случаев), он протекает тяжелее, летальность выше (60–90 % при Грам– этиологии и 30–40 % при Грам+).

ИТШ развивается на фоне нарастания интоксикации: у больного наблюдается слабость, одышка, тахикардия, гипотония, озноб, за которым следует резкий подъем температуры, часто наблюдается тошнота, рвота, диарея, состояние прострации. ИТШ проявляется нарушением микроциркуляции, внутрисосудистым свертыванием крови, некрозами тканей. Он часто завершается сепсисом с летальным исходом.

Симптомы ИТШ могут появляться или усиливаться после применения бактерицидных антибиотиков, что связано с интенсивным бактериолизом и выбросом эндотоксинов (реакция обострения Герксгеймера–Яриша–Лукашевича, или реакция бактериолиза). Это подтверждает участие в патогенезе шока продуктов распада бактериальных клеток. Поэтому при высоком риске участия Грам– бактерий в качестве этиологического фактора и при угрозе развития ИТШ, предпочтительно применять бактериостатические антибиотики.

226

Эндотоксиновый шок наиболее выражен при менингококковой инфекции. Среди представителей нормальной микрофлоры основным носителем эндотоксина являются Грам– микроорганизмы семейства Bacteroidaceae. Данная реакция встречается также при инфекциях, протекающих без явлений шока. Например, при лечении вторичного свежего сифилиса после первых инъекций пенициллина у больных отмечается повышение температуры тела и усиление воспаления в области сифилид — розеолы приобретают более насыщенный розово-красный цвет. Это связано с интенсивным лизисом бледной спирохеты и усилением иммунных реакций на продукты распада.

Патогенетические механизмы ИТШ:

1.Активация комплемента способствует повышению количества серотонина и кининов в крови, в результате наблюдается гипотония. Фактор комплемента С2 обладает кининовой активностью и увеличивает проницаемость сосудов. Фрагменты комплемента С3а, С4а и С5а (анафилотоксины) стимулируют высвобождение гистамина из тучных клеток и базофилов, вызывают сокращение гладких мышц и увеличивают про-

ницаемость сосудов. Фрагмент С5а, взаимодействуя со специфическими высокоаффинными рецепторами тромбоцитов, вызывает агрегацию клеток, а с рецепторами гра-

нулоцитов — хемотаксис, усиление прилипания и активацию клеток. Активированные нейтрофилы высвобождают метаболиты арахидоновой кислоты, бескислородные радикалы и лизосомальные ферменты, индуцирующие воспаление тканей и увеличивающие проницаемость капилляров.

2.Выделение эндогенных цитокинов, мишенями для которых являются лейкоциты, эндотелий и сердце. Медиаторы воспаления и эндогенные цитокины снижают то-

нус сосудов, кровь скапливается в капиллярах, белки плазмы пропотевают в интерстициальную жидкость.

3.Образование нитратов. При воспалительной реакции в организме ключевую роль в образовании нитратов играют макрофаги. Фермент макрофагов NO-синтаза превращает аргинин в NO, из которого затем могут образовываться нитриты и нитраты. При активации макрофаги усиливают синтез NО-синтазы. Главная функция NO состоит

вобеспечении цитотоксического действия макрофагов. Выделяясь из макрофагов, NO быстро проникает в бактерии и клетка погибает. Кроме того, NO снижает активность пограничных воспалительных клеток и улучшает местное кровообращение.

NO связывается с кислородом и образует высокотоксичные пироксинитриты, по-

вреждающие белки и липиды клеточных мембран, сосудистый эндотелий, вызывающие ишемические и язвенные поражения органов.

4.Переключение в пораженных областях аэробных энергетических путей на анаэробный гликолиз значительно увеличивает потребление глюкозы при одновремен-

ном уменьшении выхода АТФ.

5.Снижение синтеза белков, особенно имеющих короткое время полужизни, например, факторов свертывания. Таким образом, увеличивается время свертывания крови.

6.Начинается выход калия из клеток. Метаболический ацидоз возникает в результате увеличенной продукции лактата, пирувата, α-кетоглутарата и кетоновых тел. Ацидоз частично компенсируется усиленным дыханием.

7.Повышение концентрации Н+ в плазме, в результате чего снижается чувствительность прекапиллярных сфинктеров, возникают отеки, повышается выброс катехоламинов, активируется свертывающая система. Длительное действие этих факторов ве-

227