АкушерствоАнатомияАнестезиологияВакцинопрофилактикаВалеологияВетеринарияГигиенаЗаболеванияИммунологияКардиологияНеврологияНефрологияОнкологияОториноларингологияОфтальмологияПаразитологияПедиатрияПервая помощьПсихиатрияПульмонологияРеанимацияРевматологияСтоматологияТерапияТоксикологияТравматологияУрологияФармакологияФармацевтикаФизиотерапияФтизиатрияХирургияЭндокринологияЭпидемиология
|
Свойства патогенных микробов
Патогенные микробы — это паразиты, которые произошли в ходе длительной сопряженной эволюции от сапрофитов. При этом они утратили ряд ферментативных систем, так как макроорганизм поставляет им многие вещества в готовом виде. Они приспособились к гетеротрофному паразитическому типу питания в различных органах, тканях и клетках. Данные микробы по способности к внутриклеточному паразитированию
можно разделить на три группы: облигатные внутриклеточные паразиты, факультативные внутриклеточные паразиты и облигатные внеклеточные паразиты.
Облигатные внутриклеточные паразиты удовлетворяют свои пищевые потребности только в условиях внутриклеточного существования. При этом следует отметить, что внутриклеточная среда отличается от внеклеточной по многим физико-химическим свойствам, она богата органическими веществами, богата АТФ, которая совсем отсутствует вне клеток. В такой среде много готовых жизненно необходимых веществ, есть белок-синтезируюшие системы. Помимо обеспечения метаболических, энергетических, генетических и белоксинтезирующих потребностей микробов, клетка защищает их от действия антител, фагоцитоза, бактериофагов и антибиотиков, которые не проникают через клеточную мембрану. Внутриклеточные паразиты в целом хорошо адаптированы к переживанию и размножению в клетках. Во многих:лучаях развития внутриклеточной инфекции клетками-мишенями служат макрофаги, хотя эту роль могут выполнять и другие клетки. Это обусловлено тем, что макрофаги способны активно поглощать микробы, а те, в свою очередь, выработали механизмы, защищающие их от завершенного фагоцитоза. К облигатным внутриклеточным паразитам относятся вирусы, риккетсии и хламидии, зозбудители лепры, малярии, токсоплазмо-за. Размножение данных микробов в клетке может происходить как в цитоплазме, так и в ядре. На искусственных питательных средах они не культивируются.
Факультативные внутриклеточные паразиты способны существовать как внутри, так и вне клетки. При этом в организме хозяина преобладает внутриклеточное размножение, хотя они могут размножаться и внеклеточно, так как внутриклеточная среда в условиях организма является основным местом развития инфекционного процесса. Такая способность к внутриклеточному паразитированию может иметь значение в хронизации инфекционного процесса, так как облегчает выживание микробов и их сохранение в макроорганизме. Данные микробы культивируются на искусст-
венных питательных средах. К ним относятся возбудители туберкулеза, бруцеллеза, туляремии, менингококковой инфекции, гонореи, шигеллы, сальмонеллы и другие микробы.
Облигатные внеклеточные паразиты — это микробы, которые не проникают внутрь клетки, а прикрепляются к ее поверхности и распространяются по межклеточным пространствам. Примером таких микробов являются ми-коплазмы, возбудитель холеры, лептоспиры и другие микробы. Для внеклеточных паразитов характерна продукция экзоферментов, способствующих их агрессии и инвазии — нейра-минидазы, гиалуронидазы и т. д.
Это приспособление микробов к внутри-или внеклеточному паразитированию в ходе сопряженной эволюции отразилось на дуа-листичном формировании и работе иммунной системы макроорганизма, которая состоит из Т-системы, защищающей макроорганизм в первую очередь от внутриклеточных паразитов, и В-системы, ответственной за продукцию антител, нейтрализующих внеклеточно расположенные микробы и их токсины.
Патогенные микробы должны обладать целым рядом свойств, и прежде всего патоген-ностью.
Патогенность (син. болезнетворность) — это потенциальная способность микробов вызывать инфекционный процесс, т. е. проникать в макроорганизм определенного вида хозяина при естественных для данного микроба условиях заражения размножаться в нем, вызывать различные нарушения го-меостаза и развитие ответных реакций со стороны макроорганизма.
Предложено рассматривать патогенность как функцию адаптации микроба к макроорганизму хозяина, в основе которой лежит перестройка метаболизма микроба, адекватная новым условиям его существования. В экспериментальных условиях при использовании в определенных дозах высоковирулентных микробов любой микроб при любом способе заражения может вызывать инфекционный процесс, т. е. быть патогенным, поэтому определение патогенности должно включать вид хозяина и условия заражения. Это видо-
вой, генетически детерминированный признак, передающийся по наследству. Он характеризует лишь потенциальную способность микроба вызывать инфекционный процесс. Фенотипическая же реализация генотипа происходит лишь в определенных условиях. Для одних микробов этих условий может быть больше, а для других — меньше. В невосприимчивом макроорганизме патогенность микробов остается нереализованной, так как для этого нет условий, адгезии и колонизации не происходит, микробы утрачивают свою жизнеспособность и погибают. В восприимчивом организме происходит их активное размножение.
В качестве примера можно привести Т. pallidum или S. typhi, которые в естественных условиях вызывают заболевание только у человека. При этом, чем выше пищевая зависимость микроба от клетки хозяина, тем выше его паразитические свойства, тем выше патогенность. Патогенность микробов отличается от патогенности факторов любой другой природы своей биологической сущностью.
Для патогенных микробов характерны нозологическая специфичность (от греч. nosos — болезнь и logos — учение) и органотропность. Нозологическая специфичность заключается в том, что каждый вид патогенных микробов способен вызывать только для него характерный инфекционный процесс, а также симп-томокомплекс патологических реакций, в какой бы восприимчивый макроорганизм они ни попали. Таким образом, S. typhi вызывает только брюшной тиф, а N. meningitidis — ме-нингококковую инфекцию. Такая специфичность возбудителей позволяет проводить клиническую диагностику отдельных инфекционных заболеваний, как самостоятельных нозологических форм. Такой нозологической специфичности нет у условно-патогенных бактерий. Органотропность — это поражение клеток, тканей и органов, наиболее подходящих по своим биохимическим свойствам для жизнедеятельности данных микробов. Например, возбудители воздушно-капельных инфекций поражают дыхательные пути, а возбудители кишечных инфекций — ЖКТ
В основе специфичности и органотропности лежит лиганд — рецепторное взаимодействие
микробов с эукариотическими клетками макроорганизма. Специфичность и органотропность объясняют хозяин-адаптированность многих микробов. Из этого правила есть исключения, например возбудители зоонозных инфекций (бруцеллеза, чумы, туляремии, сибирской язвы и т.д.), для которых характерны полигосталь-ность — много хозяев, и пантропизм, в основе которого лежит способность к внутриклеточному паразитизму в макрофагах, расположенных во многих тканях и органах. Для этих микробов инфекционный процесс в макроорганизме человека, являющегося их неспецифическим хозяином, не играет жизненно важного адаптивного значения. Если микробы попадают не в ту среду, к которой они адаптированы, то инфекционный процесс либо не разовьется, либо разовьется, но будет протекать атипично.
Чем меньше выражены паразитические свойства микробов, тем меньше выражена специфичность и органотропность, что характерно для условно-патогенных микробов. Чем сильнее органоспецифическая адаптация микроба и более выражены его метаболические особенности, тем патогенней микроб и уже диапазон его возможных биологических хозяев, без которых он не может существовать. Примером такого микроба со сложными метаболическими потребностями является возбудитель сифилиса, за что он получил название «микроба гурмана».
Патогенные микробы должны проникать в макроорганизм в определенной критической, или инфицирующей дозе (син. патогенной дозе). При попадании микробов в макроорганизм в количестве ниже определенной критической дозы инфекционный процесс не разовьется. Критическая инфицирующая доза необходима для возникновения стойкой адгезии, колонизации и инвазии микробов в ткани. Если инфицирующая доза мала, то микроб погибает под действием неспецифических защитных факторов макроорганизма (кислотности желудка, ферментов и т. д.) в момент его попадания в макроорганизм, что препятствует адгезии и колонизации. Инфицирующая доза является величиной условной. Для каждого вида микробов характерна своя инфицирующая доза. Она определяет не только клинические особенности течения и проявления
инфекционных болезней (продолжительность инкубационного периода, степень тяжести и т. д.), но и наиболее эффективные и вероятные факторы передачи возбудителей инфекций. Для проявления инфицирующей дозы важное значение имеет не столько абсолютное число микробов, попавших в макроорганизм, сколько их плотность на единицу поверхности и наличие рецепторов у эукариотических клеток. Это объясняет наличие низких заражающих доз возбудителей в целом ряде случаев возникновения инфекционных болезней. Помимо критической инфицирующей дозы, важную роль в развитии и проявлениях инфекционного процесса играет скорость репродукции микробов, определяющая возможность увеличения численности их популяции в макроорганизме.
Например, для возбудителя чумы Y. pestis, которая является самой патогенной из всех бактерий, характерна высокая скорость роста и размножения. Для заболевания характерен короткий инкубационный период (от нескольких часов до 9 дней) и последующее острое, тяжелое течение с высокой летальностью. В то же время для возбудителей туберкулеза и лепры характерны медленный рост и размножение, а для заболеваний, которые они вызывают, соответственно характерны длительный инкубационный период и длительное первично-хроническое течение. L-формы бактерий обладают низкой метаболической активностью и скоростью размножения. Они не накапливаются в количествах, способных вызвать типичное течение инфекционной болезни. Высокая скорость размножения и плотность популяции способствуют накоплению мутаций и отбору более адаптированных к макроорганизму мутантов.
В естественных условиях патогенные микробы должны проникать через определенные входные ворота инфекции — ткани и органы, через которые микробы попадают в макроорганизм. Например, N. gonorrhoeae проникает в макроорганизм через однослойный цилиндрический эпителий, расположенный в слизистой оболочке уретры, канале шейки матки, дистальных отделах прямой кишки и конъюнктиве глаза. Возбудители кишечных инфекций проникают в макроорганизм через слизистую оболочку кишечника, а возбудители воздушно-капельных инфекций — через слизистые
оболочки дыхательных путей. С другой стороны, есть патогенные микробы, проникающие в макроорганизм через разные входные ворота, например возбудители зоонозов, обладающие пантро-пизмом. Установлена связь между дозой микробов, путем их передачи, входными воротами инфекции и многообразием клинических проявлений инфекционных заболеваний, что затрудняет их своевременную диагностику. Механизм заражения и характерные для него пути передачи определяют локализацию микробов в макроорганизме.
Пути и способы выделения микробов из организма, определяющие механизм передачи и распространения инфекции, также как и пути проникновения микробов в макроорганизм, специфичны, например с выдыхаемым воздухом при воздушно-капельных инфекциях, с экскрементами при кишечных инфекциях. Этой закономерности нет при генерализованных инфекциях, так как возбудитель с током крови попадает в различные ткани и органы и поэтому может выделяться всеми вероятными путями, например с мочой, калом, желчью и т.д., а также передаваться с помощью кровососущих членистоногих насекомых. При этом, как было отмечено ранее, большое значение для передачи микроба из одного восприимчивого макроорганизма в другой имеет количественное содержание микробов в экскретах.
Популяция паразитов гетерогенна. Микробы, относящиеся к одному и тому же виду, обладают генотипической и феноти-пической гетерогенностью. Гетерогенность — универсальное свойство всего живого.
В связи с тем, что патогенность, являясь по-лифакториальным генотипическим видовым признаком, подвержена фенотипическим изменениям, для обозначения степени патоген-ности введено понятие «вирулентности» (от лат. virulentus — ядовитый). В отличие от па-тогенности, характеризующейся лишь потенциальной способностью данного вида вызывать инфекционный процесс, вирулентность —это динамичное индивидуальное свойство данного штамма микроба вызывать развитие инфекционного процесса. Это мера патогенности, ее качественная характеристика или феноти-пическое проявление генотипа.
По этому признаку все штаммы данного вида микроба могут быть подразделены на высоко-, умеренно-, слабо- и авирулентные. Высоковирулентные штаммы, как правило, вызывают более тяжело протекающие заболевания, чем умеренно- или слабовирулентные штаммы. Тем не менее авирулентные штаммы есть даже среди возбудителей конвенционных и особо опасных инфекций.
В вирусологии вместо термина «вирулентность» применяют термин «инфекционность» или «инфекциозность». В лабораторных условиях о вирулентности микробов и силе действия их токсинов судят по величине летальной (LD) и инфицирующей (ID) доз, которые выражают в условно принятых единицах. Летальная доза — это наименьшее количество живого возбудителя или токсина, вызывающее в определенный срок гибель конкретного количества (%) животных, взятых в опыт. Инфицирующая доза — это минимальное количество живых микробов, способное вызвать инфекционное заболевание у определенного количества (%) животных, взятых в опыт. Различают:
Del (dosis certa fetalis) — наименьшее количество живого микроба или его токсина, вызывающее в течение определенного времени гибель 100 % экспериментальных животных, взятых в опыт. Это безусловно смертельная доза.
Dim (dosis fetalis minima) — наименьшее количество живого микроба или его токсина, вызывающее в течение определенного времени гибель 95 % экспериментальных животных, взятых в опыт.
ID100 — это минимальное количество живых микробов, вызывающее развитие инфекционного заболевания у 100 % зараженных экспериментальных животных, взятых в опыт.
Чаще всего используют LD50 — дозу живого микроба или его токсина, вызывающую в течение определенного времени гибель 50 % экспериментальных животных, взятых в опыт, и ID50 — минимальное количество живых микробов, способное вызвать развитие инфекционного заболевания у 50 % зараженных экспериментальных животных, взятых в опыт.
При постановке опыта необходимо учитывать вид, пол, возраст, вес, условия содержания и полноценность питания экспери-
ментальных животных, что тесным образом связано с формированием и активностью работы иммунной системы у них, а также способ заражения (пероральный, интрана-зальный, внутривенный, внутримышечный, внутрибрюшинный, интрацеребральный и т. д.). Например, у морских свинок, которые наиболее чувствительны к М. tuberculosis, чем другие лабораторные животные, заболевание с летальным исходом возникает при введении через дыхательные пути 1—2 клеток микроба, тогда как при пероральном заражении летальная доза увеличивается до нескольких тысяч клеток. Даже внутри одного и того же вида существуют внутривидовые генетические отличия. Например, есть линии мышей, высокочувствительные к вирусам, но устойчивые к бактериям, и наоборот. Для снижения степени влияния индивидуальных колебаний резистентности макроорганизма на результаты исследований определение вирулентности проводят на значимом количестве животных. Более однородные результаты получают при использовании генетически управляемых линий животных, например инбредных (от англ. in — в, внутри и breeding — разведение). Инбредные животные — это линейные, гомозиготные животные, которые получены в результате скрещивания близко родственных особей на протяжении 20 и более поколений. Такие животные генетически однородны, так как достигают 100%-й гомозиготности.
Как фенотипическое проявление генотипа, вирулентность подвержена изменениям как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения под действием физических, химических и биологических факторов. Снижение вирулентности (аттенуация) может происходить при длительном культивировании бактерий на искусственной питательной среде или в результате длительного пассирования микробов через организм маловосприимчивых животных. Полная утрата вирулентности связана с изменением генотипа. Повышение вирулентности отмечается, наоборот, при пассировании микробов через организм высоковосприимчивых животных, при лизогении, а также вследствие мутаций и рекомбинаций. Эти особенности изменения вирулентности учитываются при получении вакцинных штаммов микробов.
С учетом вирулентности микробов и степени опасности работы с ними, все патогенные микробы подразделены на четыре группы, режимы работы с которыми регламентируются соответствующими приказами и инструкциями МЗ России. Примером изменения вирулентности может служить L-трансформа-ция у бактерий, образование цист у спирохет, синтез капсулы у бактерий при их попадании в макроорганизм, температурозависи-мый синтез инвазивных белков у иерсиний и Ви-антигена у S. typhi, синтез индуцибельных экзоферментов и т. д.
8.3.1. Факторы патогенности микробов
Факторы патогенности — это материальные носители, обуславливающие способность микробов вызывать инфекционный процесс.
Изучение факторов патогенности позволяет понять, чем патогенный микроб отличается от непатогенного и чем восприимчивый макроорганизм отличается от невосприимчивого. В отличие от сапрофитов, патогенные микробы для того, чтобы преодолеть естественные барьеры макроорганизма и существовать в нем, должны обладать способностью к адгезии и колонизации, инвазивностью, т. е. способностью к преодолению защитных барьеров макроорганизма, проникновению во внутреннюю среду макроорганизма за пределы входных ворот инфекции и распространению в его тканях, проникновению в клетки макроорганизма (пенетрация), а также обладать агрессивностью, т. е. способностью подавлять неспецифическую и специфическую реактивность организма за счет агрессинов, интерферирующих с защитными факторами макроорганизма, в том числе противостоять фагоцитозу.
В настоящее время термин «инвазивность», подразумевающий способность сохраняться в макроорганизме и размножаться в нем, применяют и в отношении внеклеточных паразитов, таких как стафилококки, стрептококки, псевдомонады и т. д. Кроме того, патогенные микробы должны оказывать токсическое воздействие на макроорганизм. Каждую из этих функций патогенные микробы реализуют с помощью специализированных структур, состоящих из макромолекул, которые являются
материальными носителями патогенности, обуславливающими специфичность инфекционного процесса. В основе специфичности лежит механизм биологического распознавания по принципу комплементарности взаимодействующих структур. Адгезию, колонизацию и защиту от фагоцитоза 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. В развитии определенных стадий инфекционного процесса принимают участие сразу несколько факторов патогенности.
Факторы патогенности, обуславливающие адгезию и колонизацию. Патогенные микробы активно преодолевают естественные защитные барьеры макроорганизма, стремясь закрепиться на занятой ими поверхности кожи и слизистых оболочек. Поэтому адгезия и колонизация — это пусковые механизмы инфекционного процесса. Микробы, не способные преодолеть этот барьер, приобрели способность проникать в макроорганизм парентеральным путем, используя повреждения эпидермиса или прибегая к помощи кровососущих членистоногих насекомых. Адгезия характеризуется специфичностью, которая проявляется в избирательной способности микробов прикрепляться к эпителиальным клеткам определенного вида хозяина и определенных систем и органов макроорганизма (органотропность). Даже в пределах одного и того же органа или системы (дыхательной, пищеварительной, нервной и т. д.) отмечается мозаичность поражения. Специфичность адгезии обусловлена наличием комплементарных структур у микробов и чувствительных к ним эукариотических клеток макроорганизма. Структуры микроба, ответственные за прикрепление, называют ад-гезинами или лигандами, а структуры эукариоти-ческой клетки хозяина — рецепторами. Между ними происходит лиганд-рецепторное взаимодействие по принципу комплементарности. У грамотрицательных бактерий адгезины образуют органеллы — ворсинки, фимбрии или
пили 1 типа. Роль адгезинов у них выполняют также основные белки наружной мембраны и липополисахариды. У грамположительных бактерий нет фимбрий, и роль адгезинов у них выполняют поверхностные белки и тейхоевые кислоты. У капсульных бактерий в адгезии принимают участие капсульные полисахариды и полипептиды. У микоплазм адгезины входят в состав выростов цитоплазматической мембраны (белок Р1 у М. pneumoniae), а у вирусов адгезия осуществляется за счет белков капсида и гликопротеинов суперкапсида. В процессе колонизации слизистых оболочек бактериями помимо адгезинов определенную роль играют фрагмент А1 холерогена у V. cholerae, дифтерийный токсин у С. diphtheriae, пертуссис токсин у В. pertussis и т. д. Стойкая адгезия и колонизация возможны только в том случае, если микробы могут выстоять против био-цидных и биостатических факторов, которые в разных сочетаниях представлены на коже и слизистых оболочках. Поэтому важную роль в процессе колонизации эпителия слизистых оболочек играют IgA-протеазы и антилимфо-цитарный фактор бактерий, продукция бак-териоцинов, антиоксидантов, сидерофоров, конкурирующих с лактоферрином за ионы железа. Колонизация кожных покровов и слизистых оболочек в месте входных ворот инфекции зависит не только от дозы микробов, но и от количества рецепторов на поверхности эпителиальных клеток. Количество же и строение рецепторов эпителиальных клеток колеблются в пределах одного и того же вида вплоть до полного их отсутствия у отдельных представителей вида, что и объясняет мозаичность поражения как на популяционном уровне, так и на клеточно-тканевом и органном уровнях. Помимо нативных поверхностных структур клеток макроорганизма, в качестве рецепторов могут выступать вирусиндуцированные антигены и приобретенные рецепторы — мостики, представляющие собой альбумины, иммуноглобулины, фибронектин, ряд компонентов комплемента и другие молекулы, которые взаимодействуют с нативными рецепторами клеток макроорганизма и адгезинами микробов.
С одной стороны, если рецепторов нет, то инфекционный процесс не разовьется. Это говорит о том, что восприимчивый макро-
организм отличается от невосприимчивого макроорганизма на уровне макромолекул. Генетически детерминированное отсутствие рецепторов обусловливает наличие естественного, видового (конституционного) врожденного иммунитета к определенным микробам. С другой стороны, патогенные микробы от непатогенных также отличаются на уровне макромолекул, так как даже при наличии рецепторов микробы-мутанты, лишенные адгезинов, не обладают способностью вызывать инфекционный процесс.
Адгезия не является чисто механическим взаимодействием с клетками макроорганизма. Непосредственное взаимодействие адгезинов с рецепторами клетки, а также секреторных белков ведет к активации сигнальных систем клетки и образованию воспалительных цитокинов, которые стимулируют синтез интегринов на поверхности клетки, проводящих сигналы внутрь клеток макроорганизма. Таким образом, включаются механизмы, обуславливающие проникновение микробов внутрь клетки. Белки наружной мембраны грамотрицательных бактерий и другие адгезивные молекулы, используемые ими для проникновения внутрь клетки, получили название инвазинов. При этом механизмы, используемые бактериями для активного проникновения как в не фагоцитирующие, так и фагоцитирующие клетки, одинаковы. Они позволяют бактериям избежать антибактериальной активности фагосом, куда бактерии попадают при традиционном фагоцитозе.
Факторы, обуславливающие адгезию и колонизацию микробов, играют ведущую роль на ранних начальных стадиях патогенеза инфекционных заболеваний, что необходимо учитывать при разработке препаратов для профилактики этих заболеваний.
Факторы патогенности, обуславливающие инвазивность и агрессивность. Способность микробов распространяться по макроорганизму и противостоять его защитным факторам обусловлена действием образуемых микробами ферментов, что особенно характерно для облигатных внеклеточных паразитов. При этом ферменты оказывают свое действие как местно, так и на расстоянии, генерализован-но. Они либо усиливают действие токсинов,
разрушая клетки и волокна тканей (нейра-минидаза и гиалуронидаза), а также переводя протоксины в токсины, либо сами действуют как токсины в результате образования токсических для макроорганизма веществ, как, например, фермент уреаза, гидролизующая мочевину с образованием аммиака и диоксида углерода (углекислоты), или декарбоксилазы аминокислот, образуемые бактериями в кишечнике, что ведет к образованию токсичных биогенных аминов. Токсическое воздействие на макроорганизм оказывают протеазы леги-онелл, аденилатциклаза возбудителя коклюша и т. д. Ряд микробов продуцирует ферменты, вызывающие гемолиз эритроцитов и разрушение лейкоцитов (гемолизины и лейкоци-дины). Очевидно, грань между ферментами и токсинами в ряде случаев условна, так как у некоторых токсинов в настоящее время обнаружена ферментативная активность.
К числу ферментов, способствующих инвазии микробов по макроорганизму и их сохранению в нем, относятся:
— гиалуронидаза, расщепляющая гиалуро-новую кислоту, основной компонент соединительной ткани, препятствующий проникновению в них посторонних веществ;
— нейраминидаза (син. сиалидаза), расщепляющая сиаловую кислоту, входящую в состав поверхностных рецепторов клеток, благодаря чему последние приобретают способность взаимодействовать с адгезинами микробов или их токсинами. С помощью данного фермента микробы преодолевают первый защитный барьер макроорганизма — муцинозный слой, покрывающий поверхность слизистых оболочек и содержащий большое количество сиаловых кислот. Слизь теряет коллоидные свойства и полностью разрушается, а эпителиальные клетки слизистых оболочек, которые в норме покрыты слизью, становятся доступными для колонизации. Данный фермент способствует проникновению микробов внутрь клеток и их распространению по межклеточным пространствам. Так как си-аловая кислота входит в состав разных тканей и органов, нейраминидаза обладает широким спектром действия;
— фибринолизин, растворяющий сгустки фибрина, образующиеся в тканях в результате
развития воспаления, что способствует ограничению воспалительного очага и препятствует распространению микробов по макроорганизму. Лизис фибрина ведет к инвазии микробов по макроорганизму;
— плазмокоагулаза, ведущая к образова нию в воспалительном очаге вокруг микробов капсулы в результате коагуляции плазмы, что препятствует их фагоцитозу и действию ком племента;
—ДНКаза, деполимеризующая ДНК, выделяющаяся в среду при гибели клеток. Это ведет к снижению вязкости окружающей среды, что благоприятно сказывается на развитии микробов в тканях.
—коллагеназа, разрушающая коллаген мышечных волокон, что понижает стабильность его структуры, и лецитиназа С (фосфолипа-за), действующая на лецитин и другие фос-фоглицериды, входящие в состав клеточных мембран мышечных волокон, и т. д. Продукты гидролиза лецитина оказывают токсическое воздействие на макроорганизм.
При этом ферменты агрессии и инвазии, помимо своих агрессивных, разрушительных функций, способствующих инвазии микробов в макроорганизме, выполняют трофические функции, поставляя микробам низкомолекулярные продукты распада клеток и тканей макроорганизма, необходимых микробам для их жизнедеятельности, что ведет к столь характерному для инфекционных болезней истощению макроорганизма. Так, например, фибринолизин обеспечивает не только распространение менингококков сквозь сгустки фибрина, но и обеспечивает им поставку аминокислот, продуктов распада фибрина, необходимых микробам для жизнедеятельности. Продукция микробами ферментов объясняет наличие многих симптомов при инфекционных заболеваниях, например возникновение абсцедирующих пневмоний, вызванных стафилококками; появление жидкой, а не вязкой мокроты у больных чумой, и т. д. При этом в патогенезе инфекционных болезней ведущую роль играют специализированные ферменты или ферментные системы, например, специфическая протеаза гемоглобина у возбудителей малярии, или фибринолизин — коагулазная система у возбудителя чумы, спо-
собствующая образованию чумного блока у переносчиков микроба — блох и попаданию микробов в макроорганизм и их распространению, а также специфические протеазы гонококков, вызывающие гидролиз секреторного иммуноглобулина класса А, препятствующего их адгезии на слизистых оболочках, и т. д. Продукция микробами ферментов объясняет необходимость назначения больным в ряде случаев ингибиторов ферментов. Таким образом, ферменты микробов оказывают токсическое воздействие, способствуют инвазии и агрессии микробов, выполняют трофическую функцию.
Помимо ферментов, важную роль как факторы патогенности играют жгутики, осуществляющие движение микробов и препятствующие их фагоцитозу, а также гетерофильные антигены, способствующие персистенции микробов в макроорганизме. Гетерофильные антигены — это общие антигены у представителей разных видов, имеющие сходные антигенные детерминанты, но разные носители. Такие антигены обнаружены у возбудителя чумы и у лиц с первой группой крови, к ним относятся кардиолипиновый антиген возбудителя сифилиса, капсульный полиса-харидный антиген менингококков группы В, сходный с гликопептидами мозга, и ряд других антигенов. Благодаря наличию гетерофильных антигенов, макроорганизм может не распознавать такие микробы как чужеродные, что способствует их сохранению в макроорганизме. Образование данных антигенов является результатом либо случайного повторения биосинтеза конечных продуктов, либо длительной совместной эволюции представителей разных видов. Данное явление получило название антигенной мимикрии (от англ. mimicry — подобный). С другой стороны, наличие таких антигенов у микробов способствует развитию аутоиммунных реакций в макроорганизме, так как данные антигены имеют разные носители, что обусловливает включение запрещенных клонов клеток. Важным защитным механизмом у микробов является образование антигенных вариантов, устойчивых к действию защитных факторов макроорганизма. Формирование антигенных вариантов может происходить как в одном
организме хозяине, что характерно для возбудителей малярии, эндемического клещевого и эпидемического вшивого возвратных ти-фов, трипаносомозов и т. д., так и на уровне популяции, что характерно для вируса гриппа типа А.
Факторы патогенности, обладающие антифагоцитарной активностью. К важным факторам патогенности, обладающим антифагоцитарной активностью у бактерий, а также других микробов, относятся капсулы, микрокапсулы, слизистые чехлы и входящие в их состав антигены. Они выполняют роль механических барьеров, экранирующих поверхностные структуры микробов, взаимодействующих с опсонинами, выполняющими роль распознающих микробы молекул и роль лигандов, связывающих их с фагоцитирующими клетками, а также непосредственно взаимодействующих с рецепторами фагоцитирующих клеток, что препятствует распознаванию микробов и их поглощению. Капсульное вещество защищает микробы от действия лизосомальных ферментов и перекисных радикалов фагоцитирующих клеток. Легкая отделяемость капсул и слизи от поверхности микробов ведет к ложному связыванию рецепторов фагоцитирующих клеток. Капсульные варианты микробов, как правило, вызывают более тяжело протекающие заболевания, чем их бескапсульные варианты. Хорошо известна роль К-антигенов как факторов патогенности у эшерихий, шигелл и сальмонелл, Ви-антигена — у возбудителя брюшного тифа, cord-фактора — у возбудителей туберкулеза, полипептидной капсулы — у возбудителя сибирской язвы и т. д.
Микробы могут подавлять фагоцитарную активность клеток на всех стадиях фагоцитоза. Антифагоцитарные свойства у микробов обусловлены не только наличием у них капсул, микрокапсул и слизистых чехлов, но и способностью многих микробов образовывать вещества, подавляющие хемотаксис фагоцитирующих клеток, разрушающие хе-моаттрактанты и фагоцитирующие клетки: противодействовать внутриклеточному перевариванию, препятствуя слиянию лисозомы с фагосомой; образовывать ферменты, инакти-вирующие перекисные радикалы, оказывающие кислород зависимый киллерный эффект:
обладать резистентностью к лизосомальным ферментам; образовывать вещества, вызывающие лизис фаголизосомы (листериолизин, сальмолизин, контактный гемолизин ши-гелл); покидать фаголизосому; индуцировать апоптоз фагоцитирующих клеток. С другой стороны, облигатные внутриклеточные паразиты образуют вещества, активирующие хемотаксис (N-формильные и им подобные пептиды) и фагоцитарную активность клеток (инвазивные белки), что способствует их проникновению внутрь клетки. Таким образом, механизмы внутриклеточного существования микробов и незавершенного фагоцитоза многообразны.
Если возбудители туберкулеза образуют фосфатиды, препятствующие слиянию лизо-сомы с фагосомой, то возбудитель лепры может переживать в фаголизосоме за счет особенностей строения клеточной стенки, леги-онеллы подавляют метаболический взрыв, а трипаносомы покидают фаголизосому, выходя в цитоплазму клетки, и т. д. Эндоцитобиоз способствует сохранению микробов в макроорганизме, их распространению по макроорганизму, делает микробы неузнаваемыми и недоступными для защитных факторов иммунной системы. Способность микробов сохраняться и размножаться в фагоцитирующих клетках, а также распространяться по макроорганизму, находясь внутриклеточно, получила название механизма «троянского коня».
Преодолев входные ворота инфекции и поступив в кровь, микробы должны избегать воздействия комплемента и других микробо-цидных факторов крови (антител, лизоцима, В-лизинов и т.д.). В частности, они должны обладать антикомплементарной активностью. В одних случаях это достигается благодаря наличию капсул, препятствующих активации комплемента, прежде всего по альтернативному пути. В других случаях микробы поступают в кровь, располагаясь внутриклеточно или внутри микротромбов, образующихся под действием плазмокоагулазы. Это сохранение в крови создает дополнительные возможности для реализации их потенциальной патогенности.
Помимо адгезинов, ферментов, агрессинов, в том числе факторов, препятствующих
фагоцитозу, важное значение имеют токсины микробов (от греч. toxikon — яд), обуславливающие развитие симптомов интоксикации при инфекционных заболеваниях. Они играют ведущую роль в патогенезе инфекционных заболеваний.
8.3.2. Токсины бактерий
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.
По физико-химической структуре и биологическим свойствам токсины бактерий делятся на две группы: белковые токсины и эндотоксины.
Белковые бактериальные токсины и их биологические свойства. К данной группе токсинов относятся термолабильные и термостабильные белки, которые образуются как грам-положительными, так и грамотрицательны-ми аэробными и анаэробными бактериями. Обычно это ферменты, которые оказывают губительное воздействие на клетки макроорганизма в исключительно малых концентрациях. Они могут как секретироваться клеткой в окружающую среду, так и находиться с клеткой в связанном состоянии, освобождаясь в процессе автолиза клетки. По степени связи с бактериальной клеткой их подразделяют на три класса:
Класс А — секретируемые во внешнюю среду, например гистотоксин С. diphtheriae.
Класс В — токсины, частично связанные с микробной клеткой и частично секретируемые в окружающую среду. Они находятся в периплазматическом пространстве. Такие токсины называют мезотоксинами, как, например, тетаноспазмин С. tetani или нейро-токсин С. botulinum. Клетка остается жизнеспособной. Они не имеют сигнального пептида, поэтому не секретируются в окружающую среду. Эти токсины попадают в окружающую среду в результате слияния с мембранами клетки и затем выводятся из нее посредством
эксфолиации мембран (син. отслоение, деск-вамация), а не автолиза, как считали ранее.
Класс С — токсины, связанные с микробной клеткой и попадающие в окружающую клетку среду лишь в результате гибели клетки, например Шига-токсин у S. dysenteriae 1 серо-вара и другие Шигаподобные токсины.
Способность бактерий образовывать белковые токсины называется токсигенностью.
По строению белковые токсины делятся на простые и сложные. Простые токсины образуются в виде единой полипептидной цепи или протоксина, неактивного в функциональном отношении, который под действием протеаз самого микроба либо протеаз представителей нормальной микрофлоры, а также протеаз тканей и клеток макроорганизма превращается в активную бифункциональную В—А-струк-туру. Часть В не обладает токсичностью. Это природный токсоид (анатоксин), который, выполняя транспортную функцию, взаимодействует со специфическим рецептором на эукариотической клетке и, образуя канал в цитоплазматической мембране клетки, обусловливает проникновение токсической группы А или активатора в цитоплазму клетки. Как правило, субъединица А обладает ферментативной активностью. Она активна только при наличии субъединицы В, которая обеспечивает специфичность и органотропность действия токсина, а также экранирует ферментативную субъединицу А, предотвращая ее взаимодействие с субстратом как в собственной клетке микроба, так и за ее пределами. Сложные токсины представляют собой уже готовую сложную бифункциональную структуру, состоящую из одной или нескольких В-субъединиц, соединенных с А-субъединицей, как, например холерный энтеротоксин, у которого субъединица А окружена пятью абордажными В-субъединицами. Субъединицы В и А синтезируются в клетке независимо и в последующем соединяются в единый комплекс. Часть В взаимодействует со специфическими рецепторами эукариотических клеток, а часть А под действием протеаз диссоциирует на две субъединицы: А1, или активатор, и А2, которая осуществляет транспорт активатора через цитоплазматическую мембрану клетки-мишени в цитоплазму.
Механизм действия белковых токсинов на
молекулярном уровне состоит из нескольких стадий. Белковые бактериальные токсины относятся к высокомолекулярным соединениям и самостоятельно через клеточные мембраны не проникают — необходима их диссоциация. На первой стадии белковый токсин за счет своих абордажных молекул В фиксируется на поверхности клетки, взаимодействуя со специфическим рецептором ганглиозидной, гликопротеидной или гликолипидной природы, что ведет к образованию комплекса токсин — рецептор клетки. Вторая стадия заключается в активации токсина под действием протеаз по типу ограниченного протеолиза с последующим образованием бифункциональной В—А-структуры. У сложных токсинов роль активации сводится к переводу активаторного фрагмента А из неактивного в активное состояние. Изменение конформационной структуры молекулы токсина ведет к раскрытию у нее каталитического центра и появлению ферментативной активности. Третья стадия заключается в трансмембранной транслокации части А или А1в цитоплазму клетки, где она нарушает жизненно важные биохимические процессы в клетке, действуя на свои мишени, что ведет к гибели клеток. Взаимодействие части В со специфическими рецепторами на поверхности клеток и высокая избирательность катализа совместно и обуславливают специфичность действия белковых бактериальных токсинов.
Знание механизма действия белковых бактериальных токсинов позволяет понять, почему применение антитоксических сывороток не всегда бывает эффективным?
При применении антитоксических сывороток необходимо помнить, что белковый токсин может быть нейтрализован антителами, когда он находится в крови или лимфе, а также на поверхности клетки, так как антитела препятствуют его взаимодействию со специфическими рецепторами и диссоциации комплекса токсин — рецептор на субъединицы и транслокации части А в цитоплазму клетки. Непосредственно через мембрану клетки антитела не проникают и нейтрализовать транс-лоцированную в цитоплазму часть А не могут, что объясняет отсутствие эффекта от серотерапии при несвоевременно начатом лечении.
По механизму действия белковые бактериальные токсины делятся на пять групп: повреждающие клеточные мембраны; ингибиторы синтеза белка; активирующие пути метаболизма, контролируемые вторичными посредниками (мессенджерами); протеазы; суперантигены, активирующие иммунный ответ макроорганизма.
Токсины, повреждающие клеточные мембраны. Токсины данной группы способны повреждать плазматическую мембрану эукарио-тических клеток с помощью ферментативного гидролиза или в результате формирования пор. Такие повреждения вызывают не только лизис клеток, но и способствуют распространению бактерий в макроорганизме. Примером ферментативного гидролиза является действие альфа-токсина С. perfringens, обладающего активностью фосфолипазы С.
Порообразующие токсины формируют трансмембранные поры и нарушают селективный вход и выход ионов через плазматическую мембрану, что ведет к лизису клетки. Эта группа токсинов включает гемолизин Е. coli, лейкотоксин P. haemolitica, аэролизин А. hydrophila, О-перфринголизин С. perfringens, О-листериолизин L. monocytogenes, а также пневмолизин S. pneumoniae, О-стрептолизин S. pyogenes и альфа-токсин S. aureus. Последний можно рассматривать в качестве прототипа олигомеризующих порообразующих цитоток-синов. Бактерии секретируют готовый токсин (протомер), который узнает клетку-мишень по специфическим рецепторам или неспецифически сорбируется в участках плазматической мембраны, содержащих фосфатидилхолин или холестерин. На мембране семь протомер-ных токсинов собираются в пору, формируя грибоподобный гептамер, состоящий из трех доменов. Шляпка и ободочная область альфа-токсина располагаются на плазматической мембране, а ножка служит трансмембранным каналом. Эта пора позволяет маленьким молекулам и ионам совершать двухстороннее движение, что приводит клетку к набуханию и осмотическому лизису. Альфа-токсин обладает цитолитическим действием в отношении различных типов клеток, включая моноциты, лимфоциты, эритроциты, тромбоциты и
эндотелиопиты человека. Образование поры включает каскад вторичных процессов: активацию эндонуклеаз, высвобождение цитоки-нов и других медиаторов воспаления, синтез эйкозаноидов.
Токсины, ингибирующие синтез белка. К данной группе токсинов относятся: гистоток-син С. diphtheriae, экзотоксин А P. aeruginoza, Шига-токсин (Stx-токсин) S. dysenteriae 1 се-ровара и Шигаподобные токсины энтеро-патогенных и энтерогеморрагических Е. coli (Stx-токсины). Субстратом для них служат факторы элонгации и 28S-рибосомальная РНК. Дифтерийный токсин и экзотоксин А псевдомонад являются дифтамид специфическими АДФ-рибозилтрансферазами, рибо-зилирующими фактор элонгации 2, что ведет к его инактивации и подавлению синтеза белка в клетке. Они синтезируются в виде протоксинов.
Stx-токсин и Stx-токсины имеют типичную АВ-структуру. Энзиматическая субъединица А нековалентно связана с 5-ю В-субъединица-ми. После связи пентамера В с эукариотичес-кой клеткой и интернализации, полипептид А расщепляется на энзиматическую часть А1 и фрагмент А2, связанный с В-пентамером. А1 проявляет N-гликозидазную активность. Stx-токсины инактивируют 288-рибосомаль-ную РНК, нарушая ее взаимодействие с ами-ноацил-тРНК, что ведет к подавлению синтеза белка и гибели клетки-мишени. Данные токсины нарушают синтез белка не только в эпителиоцитах, но и в других клетках, индуцируя развитие гемолитического уремического синдрома. Проникая из просвета кишечника, Stx-токсины связываются с рецепторами эндотелиальных клеток капилляров почечных гломерул Gb3, а также других органов. Это приводит к набуханию клеток, сужению просвета сосудов, агрегации тромбоцитов, развитию гемолиза эритроцитов и уремии.
Токсины, активирующие пути метаболизма вторичных мессенджеров. К данной группе относятся: цитотоксический некротизирующий фактор (CNF), термолабильный (LT) и термостабильный (ST) токсины Е. coli; отечный фактор В. anthracis; коклюшный и дермато-некротический (DNT) токсины В. pertussis; токсины А и В С. difficile; холерный энтеро-
токсин и другие токсины. Они влияют на функцию отдельных белков эукариотической клетки, не вызывая ее гибели. С этой целью токсины активируют вторичных посредников, которые усиливают или искажают клеточные реакции на внеклеточные сигналы.
CNF и DNT имеют связывающий и ферментативный домены. Они активируют Rho-субсемейство ГТФ-связывающих белков, участвующих в модификации регуляции актина цитоскелета через дезаминирование. Такая модификация приводит к преобладанию Rho, не способного гидролизовать связанный с ним ГТФ. Пораженные клетки приобретают характерный вид. У них наблюдается «рифление» мембраны, формируется локальное сжатие актиновых нитей, развивается воспаление с формированием некротического очага.
Токсины А и В С. difficile, обладая гли-козилтрансферазной активностью, наоборот, инактивируют Rho ГТФ-связывающие белки. ST-энтеротоксин Е. coli, связываясь с рецептором гуанилатциклазы, приводит к увеличению цГМФ, который обращает в обратную сторону ток электролитов, подавляя абсорбцию ионов натрия и повышая секрецию ионов хлора, что ведет к развитию диареи.
Холерный энтеротоксин (холероген) состоит из пяти В-субъединиц и субъединицы А, которая диссоциирует на А1, обладающую АДФ-рибозилтрансферазной активностью, и А2, связывающую А1 с пентамером В. А1 инактивирует G-белок, регулирующий активность аденилатциклазы клеточных мембран, что ведет к повышению активности последней и увеличению внутриклеточного содержания циклического аденозинмонофосфата (цАМФ), нарушению всасывания ионов натрия, калия и воды. В отличие от ST энтеро-токсина Е. coli, LT-энтеротоксин Е. coli сходен по строению и механизму действия с холерным энтеротоксином. Он и коклюшный токсин обладают АДФ-рибозилтрансферазной активностью. Их мишенью являются G-бел-ки. Они извращают функции клеток, нарушая внутриклеточный гомеостаз по цАМФ.
Протеазы. Примерами данных токсинов являются ботулинический и столбнячный нейротоксины, а также летальный фактор В. anthracis. Ботулотоксин (BoNT) и тетанос-
пазмин (TeNT) относятся к цинк-металлоэн-допротеазам. Это функциональные блокато-ры. Они сходны по структуре, но различаются по путям проникновения в макроорганизм. Ботулотоксин проникает в макроорганизм энтерально при пищевом ботулизме и у новорожденных в виде больших комплексов, включающих нейротоксин и один или несколько белков, которые обеспечивают стабильность токсина в желудочно-кишечном тракте. Тетаноспазмин образуется в ранах вегетативными формами С. tetani, не формируя комплексов с белками. Оба нейротоксина синтезируются в виде крупномолекулярных неактивных полипептидов, активируемых путем протеолитического расщепления. Каждая активная молекула нейротоксинов включает тяжелую цепь, состоящую из домена, необходимого для связывания с клеткой, а также домена, отвечающего за транслокацию, и легкой цепи, обладающей протеазной активностью. Мишенями токсинов в клетках является группа белков, необходимых для стыковки и соединения синаптических пузырьков с пресинаптическими плазматическими мембранами с последующим высвобождением нейромедиаторов. Ботулотоксин связывается с рецепторами на поверхности пресинапти-ческой мембраны двигательных нейронов периферической нервной системы и вызывает протеолиз белков в нейронах. Это приводит к ингибированию секреции ацетилхолина, что препятствует мышечным сокращениям и проявляется развитием вялых параличей периферических нервов.
Тетаноспазмин сначала связывается с рецепторами на пресинаптической мембране мотонейронов, а затем с помощью обратного везикулярного транспорта перемещается в спинной мозг, где может внедриться в тормозящие и вставочные нейроны. Расщепление везикуло-ассоциированного мембранного протеина и синаптобревина в этих нейронах приводит к блокаде секреции ингибиторных нейротрансмиттеров — глицина и гамма-ами-нобутировой кислоты, что вызывает перевозбуждение мотонейронов и ведет к стойким мышечным сокращениям (спастическим параличам). Он является ингибитором инакти-ваторов ацетилхолина.
Данные токсины относятся к супертоксинам, так как имеют максимально возможную для белков молекулярную массу и, соответственно, токсичность. Это самые сильные биологические яды.
Дата добавления: 2015-08-26 | Просмотры: 1894 | Нарушение авторских прав
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 28 | 29 | 30 | 31 | 32 | 33 | 34 | 35 | 36 | 37 | 38 | 39 | 40 | 41 | 42 | 43 | 44 | 45 | 46 | 47 | 48 | 49 | 50 | 51 | 52 | 53 | 54 | 55 | 56 | 57 | 58 | 59 | 60 | 61 | 62 | 63 | 64 | 65 | 66 | 67 | 68 | 69 | 70 | 71 | 72 | 73 | 74 | 75 | 76 | 77 | 78 | 79 | 80 | 81 | 82 | 83 | 84 | 85 | 86 | 87 | 88 | 89 | 90 | 91 | 92 | 93 | 94 | 95 | 96 | 97 | 98 | 99 | 100 | 101 | 102 | 103 | 104 | 105 | 106 | 107 | 108 | 109 | 110 | 111 | 112 | 113 | 114 | 115 | 116 | 117 | 118 | 119 | 120 | 121 | 122 | 123 | 124 | 125 | 126 | 127 | 128 | 129 | 130 | 131 | 132 | 133 | 134 | 135 | 136 | 137 | 138 | 139 | 140 | 141 | 142 | 143 | 144 | 145 | 146 | 147 | 148 | 149 | 150 |
|