lipopolisacharyd
Lipopolisacharydy ( LPS ) to duże cząsteczki składające się z lipidu i polisacharydu , które są toksynami bakteryjnymi . Składają się z antygenu O , rdzenia zewnętrznego i rdzenia wewnętrznego, wszystkie połączone wiązaniem kowalencyjnym i znajdują się w błonie zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych . Obecnie termin endotoksyna jest często używany jako synonim LPS, chociaż istnieje kilka endotoksyn (w pierwotnym znaczeniu toksyn które znajdują się wewnątrz komórki bakteryjnej i są uwalniane podczas rozpadu komórki), które nie są spokrewnione z LPS, takie jak tak zwane białka endotoksyny delta wytwarzane przez Bacillus thuringiensis .
Lipopolisacharydy mogą mieć znaczący wpływ na zdrowie człowieka, głównie poprzez interakcje z układem odpornościowym. LPS jest silnym aktywatorem układu odpornościowego i pirogenu (czynnik wywołujący gorączkę). W ciężkich przypadkach LPS może odgrywać rolę w wywoływaniu wstrząsu septycznego . Istnieją dowody na to, że LPS na niższych poziomach iw dłuższym okresie czasu może odgrywać ważną i szkodliwą rolę w autoimmunizacji , otyłości , depresji i starzeniu się komórek .
Odkrycie
Toksyczna aktywność LPS została po raz pierwszy odkryta i nazwana endotoksyną przez Richarda Friedricha Johannesa Pfeiffera . Rozróżnił egzotoksyny , czyli toksyny uwalniane przez bakterie do otaczającego środowiska, oraz endotoksyny, czyli toksyny „wewnątrz” komórki bakteryjnej i uwalniane dopiero po zniszczeniu zewnętrznej błony bakteryjnej. Późniejsze prace wykazały, że uwalnianie LPS z Gram-ujemnych niekoniecznie wymaga zniszczenia ściany komórkowej bakterii, ale raczej LPS jest wydzielany w ramach normalnej aktywności fizjologicznej bakterii. transport pęcherzyków błonowych w postaci bakteryjnych pęcherzyków błony zewnętrznej (OMV) , które mogą również zawierać inne czynniki wirulencji i białka.
Funkcje u bakterii
LPS jest głównym składnikiem błony zewnętrznej bakterii Gram-ujemnych , w dużym stopniu przyczyniając się do integralności strukturalnej bakterii i chroniąc błonę przed niektórymi rodzajami ataku chemicznego. LPS jest najbardziej rozpowszechnionym antygenem na powierzchni komórek większości bakterii Gram-ujemnych, stanowiącym do 80% zewnętrznej błony E. coli i Salmonelli . LPS zwiększa ujemny ładunek błony komórkowej i pomaga stabilizować ogólną strukturę błony. Ma to kluczowe znaczenie dla wielu bakterii Gram-ujemnych, które giną, jeśli geny je kodujące zostaną zmutowane lub usunięte. Wydaje się jednak, że LPS nie jest niezbędny przynajmniej u niektórych bakterii Gram-ujemnych, takich jak Neisseria meningitidis , Moraxella catarrhalis i Acinetobacter baumannii . Jest również zaangażowany w niepatogenne aspekty ekologii bakterii, w tym adhezję powierzchniową, na bakteriofagi i interakcje z drapieżnikami, takimi jak ameby . LPS jest również wymagany do funkcjonowania omptins , klasa proteaz bakteryjnych.
Kompozycja
Lipopolisacharydy składają się z trzech części: antygenu O (lub polisacharydu O), oligosacharydu rdzenia i lipidu A.
O-antygen
Powtarzający się polimer glikanu zawarty w LPS jest określany jako antygen O , polisacharyd O lub łańcuch boczny O bakterii. Antygen O jest przyłączony do rdzenia oligosacharydu i zawiera najbardziej zewnętrzną domenę cząsteczki LPS. Skład łańcucha O zmienia się w zależności od szczepu; istnieje ponad 160 różnych struktur antygenu O wytwarzanych przez różne bakterie E. coli szczepy. Obecność lub brak łańcuchów O określa, czy LPS jest uważany za „szorstki” czy „gładki”. Pełnej długości łańcuchy O sprawiłyby, że LPS byłby gładki, podczas gdy brak lub redukcja łańcuchów O spowodowałaby, że LPS byłby szorstki. Bakterie z szorstkim LPS mają zwykle błony komórkowe bardziej przepuszczalne dla hydrofobowych antybiotyków, ponieważ szorstki LPS jest bardziej hydrofobowy . Antygen O jest eksponowany na bardzo zewnętrznej powierzchni komórki bakteryjnej iw konsekwencji jest celem rozpoznawania przez przeciwciała gospodarza .
Rdzeń
Domena rdzenia zawsze zawiera składnik oligosacharydowy, który przyłącza się bezpośrednio do lipidu A i zwykle zawiera cukry, takie jak heptoza i kwas 3-deoksy-D-manno-okt-2-ulosonowy (znany również jako KDO, keto-dezoksyoktulozonian). Rdzenie LPS wielu bakterii zawierają również składniki niewęglowodanowe, takie jak podstawniki fosforanowe, aminokwasowe i etanoloaminowe.
Lipid A
Lipid A jest w normalnych warunkach fosforylowanym disacharydem glukozaminy ozdobionym wieloma kwasami tłuszczowymi . Te hydrofobowe łańcuchy kwasów tłuszczowych zakotwiczają LPS w błonie bakteryjnej, a reszta LPS wystaje z powierzchni komórki. Domena lipidu A jest odpowiedzialna za większość toksyczności bakterii Gram-ujemnych . Kiedy komórki bakteryjne są lizowane przez układ odpornościowy , fragmenty błony zawierające lipid A są uwalniane do krążenia, powodując gorączkę, biegunkę i możliwy śmiertelny wstrząs endotoksyczny (tzw. wstrząs septyczny ). Ugrupowanie lipidu A jest bardzo konserwatywnym składnikiem LPS. Jednak struktura lipidu A różni się w zależności od gatunku bakterii. Struktura lipidu A w dużej mierze określa stopień i charakter ogólnej aktywacji immunologicznej gospodarza.
Lipooligosacharydy
„Szorstka postać” LPS ma niższą masę cząsteczkową ze względu na brak polisacharydu O. W jego miejsce jest krótki oligosacharyd: ta postać jest znana jako Lipooligosacharyd (LOS) i jest glikolipidem znajdującym się w zewnętrznej błonie niektórych rodzajów bakterii Gram- ujemnych , takich jak Neisseria spp. i Haemophilus spp. LOS odgrywa kluczową rolę w utrzymaniu integralności i funkcjonalności błony zewnętrznej otoczki Gram-ujemnych . LOS odgrywają ważną rolę w patogenezie niektórych infekcji bakteryjnych, ponieważ są zdolne do działania immunostymulatory i immunomodulatory. Ponadto cząsteczki LOS są odpowiedzialne za zdolność niektórych szczepów bakteryjnych do wykazywania mimikry molekularnej i różnorodności antygenowej , pomagając w unikaniu obrony immunologicznej gospodarza, a tym samym przyczyniając się do zjadliwości tych szczepów bakteryjnych . W przypadku Neisseria meningitidis część lipidowa A cząsteczki ma symetryczną strukturę, a rdzeń wewnętrzny składa się z kwasu 3-deoksy-D-manno-2-oktulozonowego (KDO) i heptozy (Hep) ugrupowania. Zewnętrzny rdzeń łańcucha oligosacharydowego zmienia się w zależności od szczepu bakteryjnego .
Detoksykacja LPS
Wysoce konserwatywny enzym gospodarza zwany hydrolazą acyloksyacylową (AOAH) może detoksyfikować LPS, gdy wchodzi on do tkanek zwierzęcych lub jest w nich wytwarzany. Może również przekształcać LPS w jelicie w inhibitor LPS. Neutrofile, makrofagi i komórki dendrytyczne wytwarzają tę lipazę, która inaktywuje LPS poprzez usunięcie dwóch drugorzędowych łańcuchów acylowych z lipidu A w celu wytworzenia tetraacylo-LPS. Jeśli myszom podano LPS pozajelitowo, te, które nie mają AOAH, rozwijają wysokie miana niespecyficznych przeciwciał, rozwijają przedłużoną hepatomegalię i doświadczają przedłużonej tolerancji na endotoksyny. Inaktywacja LPS może być konieczna, aby zwierzęta przywróciły homeostazę po pozajelitowej ekspozycji na LPS. Chociaż myszy mają wiele innych mechanizmów hamowania sygnalizacji LPS, żaden nie jest w stanie zapobiec tym zmianom u zwierząt, które nie mają AOAH.
Defosforylacja LPS przez jelitową fosfatazę zasadową może zmniejszyć ciężkość infekcji Salmonella tryphimurium i Clostridioides difficile , przywracając normalną mikroflorę jelitową. Fosfataza alkaliczna zapobiega stanom zapalnym jelit (i „ nieszczelnym jelitom ”) powodowanym przez bakterie poprzez defosforylację lipidu A, części LPS.
Biosynteza i transport
Efekty biologiczne u gospodarzy zakażonych bakteriami Gram-ujemnymi
Odpowiedź immunologiczna
LPS działa jako prototypowa endotoksyna, ponieważ wiąże kompleks receptorów CD14 / TLR4 / MD2 w wielu typach komórek, ale szczególnie w monocytach , komórkach dendrytycznych , makrofagach i limfocytach B , co sprzyja wydzielaniu cytokin prozapalnych , tlenku azotu i eikozanoidów . Bruce Beutler otrzymał część Nagrody Nobla z 2011 roku w dziedzinie fizjologii lub medycyny za swoją pracę wykazującą, że TLR4 jest receptorem LPS.
Jako część komórkowej odpowiedzi na stres , ponadtlenek jest jedną z głównych reaktywnych form tlenu indukowanych przez LPS w różnych typach komórek, które wyrażają TLR ( receptor toll-like ). LPS jest również egzogennym pirogenem (substancją wywołującą gorączkę).
Funkcja LPS jest przedmiotem badań eksperymentalnych od kilku lat ze względu na jej rolę w aktywacji wielu czynników transkrypcyjnych . LPS wytwarza również wiele rodzajów mediatorów biorących udział we wstrząsie septycznym . Ludzie są znacznie bardziej wrażliwi na LPS niż inne zwierzęta (np. myszy). Dawka 1 µg/kg wywołuje u ludzi wstrząs, ale myszy tolerują dawkę nawet tysiąc razy wyższą. Może to dotyczyć różnic w poziomie krążących naturalnych przeciwciał między dwoma gatunkami. Said i in. wykazali, że LPS powoduje zależne od IL-10 hamowanie ekspansji i funkcji limfocytów T CD4 poprzez regulację w górę PD-1 na monocytach , które prowadzą do produkcji IL-10 przez monocyty po związaniu PD-1 przez PD-L1 .
Endotoksyny są w dużej mierze odpowiedzialne za dramatyczne objawy kliniczne zakażeń patogennymi bakteriami Gram-ujemnymi, takimi jak Neisseria meningitidis , patogeny wywołujące choroby meningokokowe , w tym meningokokcemię , zespół Waterhouse-Friderichsena i zapalenie opon mózgowych .
Wykazano, że części LPS z kilku szczepów bakteryjnych są chemicznie podobne do cząsteczek powierzchniowych ludzkich komórek gospodarza; zdolność niektórych bakterii do prezentowania na swojej powierzchni cząsteczek, które są chemicznie identyczne lub podobne do cząsteczek powierzchniowych niektórych typów komórek gospodarza, nazywana jest mimikrą molekularną . Na przykład w Neisseria meningitidis L2,3,5,7,9 końcowa tetrasacharydowa część oligosacharydu (lakto-N-neotetraoza) jest tym samym tetrasacharydem, który znajduje się w paraglobozydzie, prekursorze antygenów glikolipidowych ABH występujących na ludzkich erytrocytach . W innym przykładzie, końcowa część trisacharydowa (laktotriaoza) oligosacharydu z patogennych Neisseria spp. LOS znajduje się również w glikosfingolipidach z serii laktonowych z komórek ludzkich. Wykazano, że większość meningokoków z grupy B i C, jak również gonokoków , ma ten trisacharyd jako część swojej struktury LOS. Obecność tych „naśladowców” powierzchni ludzkich komórek może, oprócz działania jako „kamuflaż” przed układem odpornościowym, odgrywać rolę w zniesieniu tolerancji immunologicznej podczas zakażania gospodarza pewnymi ludzkiego antygenu leukocytarnego (HLA), takie jak HLA-B35 .
LPS może być wyczuwany bezpośrednio przez hematopoetyczne komórki macierzyste (HSC) poprzez wiązanie z TLR4, powodując ich proliferację w reakcji na infekcję ogólnoustrojową. Ta odpowiedź aktywuje sygnalizację TLR4-TRIF-ROS-p38 w HSC i poprzez przedłużoną aktywację TLR4 może powodować stres proliferacyjny, prowadząc do osłabienia ich konkurencyjnej zdolności do ponownego zaludnienia. Infekcja myszy przy użyciu S. typhimurium dała podobne wyniki, potwierdzając walidację modelu eksperymentalnego również in vivo .
Wpływ zmienności na odpowiedź immunologiczną
O-antygeny (zewnętrzne węglowodany) są najbardziej zmienną częścią cząsteczki LPS, nadającą specyficzność antygenową. Natomiast lipid A jest najbardziej konserwowaną częścią. Jednak skład lipidu A może się również zmieniać (np. pod względem liczby i natury acylowych , nawet w obrębie rodzaju lub pomiędzy rodzajami). Niektóre z tych odmian mogą nadawać tym LPS właściwości antagonistyczne. Na przykład Rhodobacter sphaeroides diphosphoryl lipid A (RsDPLA) jest silnym antagonistą LPS w komórkach ludzkich, ale jest agonistą w komórkach chomika i koniowatych. [ potrzebne źródło ]
Spekulowano, że stożkowy lipid A (np. z E. coli ) jest bardziej agonistyczny, mniej stożkowy lipid A, jak ten z Porphyromonas gingivalis, może aktywować inny sygnał ( TLR2 zamiast TLR4), a całkowicie cylindryczny lipid A, jak ten z Rhodobacter sphaeroides jest antagonistą TLR. Ogólnie klastry genów LPS są wysoce zmienne między różnymi szczepami, podgatunkami, gatunkami bakteryjnych patogenów roślin i zwierząt.
Normalna ludzka surowica krwi zawiera przeciwciała anty-LOS, które są bakteriobójcze, a pacjenci z zakażeniami wywołanymi przez różne serotypowo szczepy posiadają przeciwciała anty-LOS, które różnią się swoistością w porównaniu z normalną surowicą. Te różnice w humoralnej odpowiedzi immunologicznej na różne typy LOS można przypisać strukturze cząsteczki LOS, głównie w obrębie struktury części oligosacharydowej cząsteczki LOS. w Neisseria gonorrhoeae wykazano, że antygenowość cząsteczek LOS może zmieniać się podczas infekcji ze względu na zdolność tych bakterii do syntezy więcej niż jednego typu LOS, co jest cechą znaną jako zmienność fazowa . Ponadto Neisseria gonorrhoeae , jak również Neisseria meningitidis i Haemophilus influenzae są zdolne do dalszej modyfikacji LOS in vitro , na przykład poprzez sialilację (modyfikacja resztami kwasu sialowego), w wyniku czego są w stanie zwiększyć swoją oporność na działanie dopełniacza pośredniczy w zabijaniu lub nawet obniżaniu aktywacji dopełniacza lub unikaniu działania przeciwciał bakteriobójczych . Sialilacja może również przyczyniać się do utrudnionego neutrofili i fagocytozy przez komórki układu odpornościowego, a także do zmniejszenia wyrzutu oksydacyjnego. Wykazano również, że Haemophilus somnus , patogen bydła, wykazuje zmienność fazy LOS, cechę, która może pomóc w unikaniu obrony immunologicznej żywiciela bydła . Podsumowując, obserwacje te sugerują, że zmiany w cząsteczkach powierzchniowych bakterii, takich jak LOS, mogą pomóc patogenowi uniknąć zarówno humoralna (pośredniczona przez przeciwciała i dopełniacz) i komórkowa ( na przykład zabijanie przez neutrofile) obronę immunologiczną gospodarza.
Niekanoniczne ścieżki rozpoznawania LPS
Ostatnio wykazano, że oprócz szlaków, w których pośredniczy TLR4 , niektórzy członkowie rodziny kanałów jonowych potencjału przejściowego receptora rozpoznają LPS. Aktywację TRPA1 za pośrednictwem LPS wykazano u myszy i much Drosophila melanogaster . Przy wyższych stężeniach LPS aktywuje również innych członków kanałów czuciowych TRP , takich jak TRPV1 , TRPM3 i do pewnego stopnia TRPM8 . LPS jest rozpoznawany przez TRPV4 na komórkach nabłonkowych. Aktywacja TRPV4 przez LPS była konieczna i wystarczająca do wywołania produkcji tlenku azotu o działaniu bakteriobójczym.
Efekty zdrowotne
Ogólnie rzecz biorąc, skutki zdrowotne LPS wynikają z jego zdolności jako silnego aktywatora i modulatora układu odpornościowego, zwłaszcza wywoływania stanu zapalnego.
Endotoksemia
Obecność endotoksyn we krwi nazywa się endotoksemią. Wysoki poziom endotoksemii może prowadzić do wstrząsu septycznego , podczas gdy niższe stężenie endotoksyn we krwi nazywa się endotoksemią metaboliczną. Endotoksemia jest związana z otyłością, dietą, chorobami układu krążenia i cukrzycą, a także genetyka gospodarza może mieć wpływ.
Ponadto endotoksemia pochodzenia jelitowego, zwłaszcza na styku żywiciel-patogen , jest uważana za ważny czynnik rozwoju alkoholowego zapalenia wątroby, które może rozwinąć się na podłożu zespołu przerostu bakteryjnego jelita cienkiego i zwiększonej przepuszczalności jelit . .
Lipid A może powodować niekontrolowaną aktywację układu odpornościowego ssaków z produkcją mediatorów stanu zapalnego , co może prowadzić do wstrząsu septycznego . W tej zapalnej pośredniczy receptor Toll-podobny 4 , który jest odpowiedzialny za aktywację komórek układu odpornościowego. Uszkodzenie śródbłonka naczyń krwionośnych spowodowane przez te mediatory stanu zapalnego może prowadzić do zespołu przesiąkania włośniczek , rozszerzenia naczyń krwionośnych i zmniejszenia czynności serca oraz może prowadzić do wstrząsu septycznego . Wyraźną aktywację dopełniacza można również zaobserwować w późniejszym okresie, gdy bakterie namnażają się we krwi. Wysoka proliferacja bakterii wywołująca niszczące uszkodzenie śródbłonka może również prowadzić do rozsianego wykrzepiania wewnątrznaczyniowego (DIC) z utratą funkcji niektórych narządów wewnętrznych, takich jak nerki, nadnercza i płuca, z powodu upośledzonego dopływu krwi. Skóra może wykazywać skutki uszkodzenia naczyń krwionośnych połączone często z wyczerpaniem czynników krzepnięcia w postaci wybroczyn , plamic i wybroczyn . Może to dotyczyć również kończyn, czasami z druzgocącymi konsekwencjami, takimi jak rozwój gangreny , co wymaga późniejszej amputacji . Utrata funkcji nadnerczy może powodować niewydolność nadnerczy , a dodatkowy krwotok do nadnerczy powoduje zespół Waterhouse-Friderichsena , z których oba mogą zagrażać życiu.
Donoszono również, że LOS gonokoków może powodować uszkodzenia jajowodów u ludzi .
Choroby autoimmunologiczne
mimikra molekularna niektórych cząsteczek LOS powoduje autoimmunologiczne odpowiedzi gospodarza, takie jak zaostrzenia stwardnienia rozsianego . Inne przykłady bakteryjnej mimikry struktur żywiciela za pośrednictwem LOS znaleziono w bakteriach Helicobacter pylori i Campylobacter jejuni , organizmach wywołujących choroby żołądkowo-jelitowe u ludzi oraz Haemophilus ducreyi , który powoduje wrzód . Pewne C. jejuni Serotypy LPS (przypisane pewnym ugrupowaniom tetra- i pentasacharydowym oligosacharydu rdzeniowego) są również powiązane z zespołem Guillain-Barré i wariantem Guillain-Barré zwanym zespołem Millera-Fisher .
Link do otyłości
Badania epidemiologiczne wykazały, że zwiększone obciążenie endotoksynami, które może być wynikiem zwiększonej populacji bakterii wytwarzających endotoksyny w przewodzie pokarmowym, jest związane z niektórymi grupami pacjentów z otyłością. Inne badania wykazały, że oczyszczona endotoksyna z Escherichia coli może wywoływać otyłość i insulinooporność po wstrzyknięciu modelom myszy wolnych od zarazków . Nowsze badanie ujawniło potencjalnie przyczyniającą się rolę Enterobacter cloacae B29 w kierunku otyłości i insulinooporności u pacjenta będącego człowiekiem. Przypuszczalny mechanizm powiązania endotoksyny z otyłością polega na tym, że endotoksyna indukuje szlak, w którym pośredniczy stan zapalny, co odpowiada za obserwowaną otyłość i insulinooporność. Rodzaje bakterii związane z efektami otyłości związanymi z endotoksynami obejmują Escherichia i Enterobacter .
Depresja
Istnieją eksperymentalne i obserwacyjne dowody na to, że LPS może odgrywać rolę w depresji. Podawanie LPS myszom może prowadzić do objawów depresyjnych i wydaje się, że u niektórych osób z depresją występuje podwyższony poziom LPS. Zapalenie może czasami odgrywać rolę w rozwoju depresji, a LPS działa prozapalnie.
Starzenie komórkowe
Zapalenie wywołane przez LPS może indukować starzenie komórkowe , jak wykazano dla komórek nabłonka płuc i komórek mikrogleju (te ostatnie prowadzą do neurodegeneracji ).
Rola jako zanieczyszczenia w biotechnologii i badaniach
Lipopolisacharydy są częstymi zanieczyszczeniami w plazmidowym DNA przygotowanym z bakterii lub białek eksprymowanych z bakterii i muszą być usunięte z DNA lub białka, aby uniknąć eksperymentów z zanieczyszczeniami i aby uniknąć toksyczności produktów wytwarzanych przy użyciu fermentacji przemysłowej .
Albumina jaja kurzego jest często zanieczyszczona endotoksynami. Albumina jaja kurzego jest jednym z szeroko badanych białek w modelach zwierzęcych, a także uznanym modelowym alergenem nadreaktywności dróg oddechowych (AHR). Dostępna w handlu albumina jaja kurzego zanieczyszczona LPS może fałszować wyniki badań, ponieważ nie odzwierciedla dokładnie wpływu antygenu białkowego na fizjologię zwierząt.
W produkcji farmaceutycznej konieczne jest usunięcie wszelkich śladów endotoksyny z pojemników z produktami leczniczymi, ponieważ nawet niewielkie ilości endotoksyny powodują choroby u ludzi. W tym celu stosuje się piec do depirogenizacji . Aby całkowicie rozłożyć LPS, wymagane są temperatury przekraczające 300 ° C.
Standardowym testem do wykrywania obecności endotoksyn jest test Limulus Amebocyte Lysate (LAL), wykorzystujący krew kraba podkowiastego ( Limulus polyphemus ). Bardzo niskie poziomy LPS mogą powodować koagulację lizatu limulusa z powodu silnej amplifikacji poprzez kaskadę enzymatyczną. Jednak ze względu na zmniejszającą się populację podkowiastych oraz fakt, że istnieją czynniki zakłócające test LAL, podjęto wysiłki w celu opracowania alternatywnych testów, z których najbardziej obiecujące są testy ELISA z użyciem rekombinowanego wersja białka w teście LAL, czynnik C.
Zobacz też
- Bioaerozol
- Depirogenizacja
- Interfejs gospodarz-patogen
- Mukopolisacharyd
- Nesfatyna-1
- Reakcja Schwartzmana
- AOAH
Linki zewnętrzne
- Lipopolisacharydy w US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)