Lipopolizaharidă - Lipopolysaccharide
Lipopolizaharidele ( LPS ) sunt molecule mari constituite dintr-o lipidă și o polizaharidă compusă din antigen O , miez exterior și miez interior unite printr-o legătură covalentă ; se găsesc în membrana exterioară a bacteriilor gram-negative . Termenul lipooligozaharidă ("LOS") este utilizat pentru a se referi la o formă cu greutate moleculară mică a lipopolizaharidelor bacteriene.
Astăzi, termenul de endotoxină este utilizat în cea mai mare parte sinonim cu LPS, deși există câteva endotoxine (în sensul original al toxinelor mai puțin secretate ) care nu sunt legate de LPS, cum ar fi așa-numitele proteine endotoxine delta produse de Bacillus thuringiensis .
Descoperire
Activitatea toxică a LPS a fost descoperită pentru prima dată și denumită endotoxină de Richard Friedrich Johannes Pfeiffer , care a făcut distincția între exotoxine , pe care le-a clasificat drept toxine care este eliberată de bacterii în mediul înconjurător și endotoxine, pe care le-a considerat a fi o toxină păstrată " în interiorul „celulei bacteriene și eliberat numai după distrugerea peretelui celular bacterian. Lucrările ulterioare au arătat că eliberarea LPS din microbi gram negativi nu necesită neapărat distrugerea peretelui celular bacterian, ci mai degrabă, LPS este secretat ca parte a activității fiziologice normale a traficului de vezicule cu membrană sub formă de vezicule cu membrană externă bacteriană (OMV) ) , care poate conține și alți factori de virulență și proteine.
Funcții la bacterii
LPS este componenta principală a membranei exterioare a bacteriilor Gram-negative , contribuind în mare măsură la integritatea structurală a bacteriei și protejând membrana de anumite tipuri de atac chimic. LPS este cel mai abundent antigen de pe suprafața celulei a majorității bacteriilor Gram-negative, contribuind până la 80% din membrana exterioară a E. coli și Salmonella . LPS crește sarcina negativă a membranei celulare și ajută la stabilizarea structurii globale a membranei. Este de o importanță crucială pentru multe bacterii Gram-negative, care mor dacă sunt mutate sau îndepărtate; cu toate acestea, se pare că LPS este neesențială în cel puțin unele bacterii gram-negative, cum ar fi Neisseria meningitidis , Moraxella catarrhalis și Acinetobacter baumannii . LPS induce un răspuns puternic din partea sistemelor imune normale ale animalelor . De asemenea, a fost implicat în aspecte nepatogene ale ecologiei bacteriene, inclusiv aderența la suprafață, sensibilitatea la bacteriofagi și interacțiunile cu prădători, cum ar fi amibele .
LPS este necesar pentru conformarea corectă a activității omptinei ; cu toate acestea, LPS netedă va împiedica steric omptinele.
Compoziţie
Acesta cuprinde trei părți:
- Antigen O (sau O polizaharidă)
- Oligozaharidă de bază
- Lipida A
O-antigen
Un polimer glican repetitiv conținut într-un LPS este denumit antigen O , polizaharidă sau lanț lateral O al bacteriei. Antigenul O este atașat la oligozaharida centrală și cuprinde domeniul cel mai exterior al moleculei LPS. Compoziția lanțului O variază de la tulpină la tulpină. De exemplu, există peste 160 de structuri diferite de antigen O produse de diferite tulpini de E. coli . Prezența sau absența lanțurilor O determină dacă LPS este considerat dur sau neted. Lanțurile O cu lungime totală ar face LPS neted, în timp ce absența sau reducerea lanțurilor O ar face LPS dur. Bacteriile cu LPS aspre au, de obicei, mai multe membrane celulare penetrabile față de antibiotice hidrofobe, deoarece un LPS dur este mai hidrofob . Antigenul O este expus chiar pe suprafața exterioară a celulei bacteriene și, în consecință, este o țintă pentru recunoașterea de către anticorpii gazdă .
Miezul
Domeniul de bază conține întotdeauna o componentă oligozaharidică care se atașează direct la lipida A și conține în mod obișnuit zaharuri precum heptoză și acid 3- Deoxi -D-manno-oct-2-ulosonic (cunoscut și ca KDO, ceto-deoxioctulosonat). Miezul LPS al multor bacterii conține, de asemenea, componente non-glucidice, cum ar fi fosfați, aminoacizi și substituenți etanolaminici.
Lipida A
Lipida A este, în circumstanțe normale, o dizaharidă glucozaminică fosforilată decorată cu acizi grași multipli . Aceste lanțuri de acizi grași hidrofobi ancorează LPS în membrana bacteriană, iar restul LPS se proiectează de pe suprafața celulei. Domeniul lipidei A este responsabil pentru o mare parte din toxicitatea bacteriilor Gram-negative . Când celulele bacteriene sunt lizate de sistemul imunitar , fragmente de membrană care conțin lipida A sunt eliberate în circulație, provocând febră, diaree și posibil șoc endotoxic fatal (numit și șoc septic ). Porțiunea lipidică A este o componentă foarte conservată a LPS. Cu toate acestea, structura lipidei A variază în funcție de speciile bacteriene, iar structura lipidei A definește o activare imună a gazdei în ansamblu.
Lipooligozaharide
Lipooligozaharidele (LOS) sunt glicolipide care se găsesc în membrana exterioară a unor tipuri de bacterii Gram-negative , precum Neisseria spp. și Haemophilus spp. Termenul este sinonim cu forma cu greutate moleculară mică a LPS bacterian. LOS joacă un rol central în menținerea integrității și funcționalității membranei exterioare a învelișului celulelor Gram negative . Lipooligozaharidele joacă un rol important în patogeneza anumitor infecții bacteriene, deoarece sunt capabile să acționeze ca imunostimulatori și imunomodulatori. Mai mult, moleculele LOS sunt responsabile pentru capacitatea unor tulpini bacteriene de a afișa mimică moleculară și diversitate antigenică , ajutând la evaziunea apărărilor imune ale gazdei și contribuind astfel la virulența acestor tulpini bacteriene .
Din punct de vedere chimic, lipooligozaharidele nu au antigeni O și posedă doar o porțiune de ancorare a membranei externe pe bază de lipide A și un miez oligozaharidic. În cazul Neisseria meningitidis , porțiunea lipidică A a moleculei are o structură simetrică, iar miezul intern este compus din porțiuni de acid 3-deoxi-D-manno-2-octulosonic (KDO) și heptoză (Hep). Lanțul oligozaharidic al miezului exterior variază în funcție de tulpina bacteriană . Termenul lipooligozaharidă este utilizat pentru a se referi la forma cu greutate moleculară mică a lipopolizaharidelor bacteriene, care poate fi clasificată în două forme: forma cu greutate moleculară mare (Mr sau netedă) posedă o greutate moleculară ridicată, repetând lanțul O polizaharidic , în timp ce forma cu greutate moleculară mică (Mr-scăzut sau dur), lipsește lanțul O, dar posedă o oligozaharidă scurtă în locul său.
Modificări LPS
Fabricarea LPS poate fi modificată pentru a prezenta o structură specifică a zahărului. Acestea pot fi recunoscute fie prin alte LPS (care permit inhibarea toxinelor LPS), fie prin glicoziltransferazele care utilizează structura zahărului respectiv pentru a adăuga zaharuri mai specifice. O enzimă gazdă foarte conservată poate detoxifica LPS atunci când intră sau este produsă în țesuturile animale. De asemenea, poate converti LPS din intestin într-un inhibitor al LPS. Neutrofilele, macrofagele și celulele dendritice produc această lipază, aciloxiacilhidrolaza (AOAH), care inactivează LPS prin îndepărtarea celor două lanțuri acilice secundare din lipida A pentru a produce tetraacil LPS. Dacă li se administrează LPS parenteral, șoarecii cărora le lipsește AOAH dezvoltă titruri mari de anticorpi nespecifici, dezvoltă hepatomegalie prelungită și prezintă toleranță prelungită la endotoxină. Inactivarea LPS poate fi necesară pentru ca animalele să restabilească homeostazia după expunerea parenterală la LPS. Deși șoarecii au multe alte mecanisme pentru inhibarea semnalizării LPS, niciunul nu este capabil să prevină aceste modificări la animalele care nu au AOAH.
Biosinteză și transport
Efecte biologice asupra gazdelor infectate cu bacterii Gram-negative
Răspuns imun
LPS acționează ca endotoxină prototipică, deoarece leagă complexul receptorului CD14 / TLR4 / MD2 în multe tipuri de celule, dar mai ales în monocite , celule dendritice , macrofage și celule B , care promovează secreția de citokine pro- inflamatorii , oxid nitric și eicosanoide. .
Ca parte a răspunsului la stres celular , superoxidul este una dintre principalele specii reactive de oxigen induse de LPS în diferite tipuri de celule care exprimă TLR ( receptor de tip toll ).
LPS este, de asemenea, un pirogen exogen (substanță care induce febra).
Defosforilarea LPS cu fosfatază alcalină intestinală poate reduce severitatea tryphimurium Salmonella și Clostridioides difficile infecție refacerea microbiotei intestinale normale.
Fiind de o importanță crucială pentru bacteriile gram-negative, aceste molecule fac ținte candidate pentru noi agenți antimicrobieni .
Unii cercetători se îndoiesc de rapoartele de efecte toxice generalizate atribuite tuturor lipopolizaharidelor, în special pentru cianobacterii .
Funcția LPS a fost cercetată experimental de câțiva ani datorită rolului său în activarea multor factori de transcripție . LPS produce, de asemenea, multe tipuri de mediatori implicați în șocul septic . Oamenii sunt mult mai sensibili la LPS decât alte animale (de exemplu, șoareci). O doză de 1 µg / kg induce șoc la om, dar șoarecii vor tolera o doză de până la o mie de ori mai mare. Acest lucru se poate referi la diferențele dintre nivelul anticorpilor naturali circulanți dintre cele două specii. Said și colab. a arătat că LPS provoacă o inhibare dependentă de IL-10 a expansiunii și funcției celulelor T CD4 prin reglarea în sus a nivelurilor PD-1 pe monocite ceea ce duce la producerea IL-10 de către monocite după legarea PD-1 de PD-L1 .
Endotoxinele sunt în mare parte responsabile de manifestările clinice dramatice ale infecțiilor cu bacterii gram-negative patogene, cum ar fi Neisseria meningitidis , agenții patogeni care cauzează boala meningococică , inclusiv meningococemia , sindromul Waterhouse-Friderichsen și meningita . Fosfataza alcalină împiedică inflamația intestinală (și „ intestinul cu scurgeri ”) de la bacterii prin defosforilarea porțiunii Lipid A din LPS.
Bruce Beutler a primit o parte din Premiul Nobel pentru fiziologie sau medicină din 2011 pentru munca sa, demonstrând că TLR4 este receptorul LPS.
Părți din LPS din mai multe tulpini bacteriene s-au dovedit a fi chimic similare cu moleculele suprafeței celulei gazdă umane; capacitatea unor bacterii de a prezenta molecule pe suprafața lor care sunt identice din punct de vedere chimic sau similare cu moleculele de suprafață ale unor tipuri de celule gazdă se numește mimică moleculară . De exemplu, în Neisseria meningitidis L2,3,5,7,9, porțiunea tetrazaharidă terminală a oligozaharidei (lacto-N-neotetraoză) este aceeași tetrazaharidă ca cea găsită în paraglobozida , un precursor al antigenelor glicolipide ABH găsite pe eritrocitele umane . Într-un alt exemplu, porțiunea de trizaharidă terminală (lactotriaoză) a oligozaharidei din Neisseria spp. LOS este , de asemenea , găsite în lactoneoseries glycosphingolipids din celulele umane. S-a dovedit că majoritatea meningococilor din grupele B și C, precum și gonococi , au această trizaharidă ca parte a structurii lor LOS. Prezența acestor „mimici” ai suprafeței celulelor umane poate, pe lângă faptul că acționează ca un „camuflaj” din sistemul imunitar, să joace un rol în abolirea toleranței imune atunci când infectează gazde cu anumite genotipuri ale antigenului leucocitar uman (HLA), cum ar fi HLA-B35 .
LPS poate fi detectat direct de celulele stem hematopoietice (HSC) prin legarea cu TLR4, determinându-le să prolifereze ca reacție la o infecție sistemică. Acest răspuns activează semnalizarea TLR4-TRIF-ROS-p38 în cadrul HSC-urilor și printr-o activare susținută TLR4 poate provoca un stres proliferativ, ceea ce duce la afectarea capacității lor de repopulare competitivă. Infecția la șoareci cu S. typhimurium a prezentat rezultate similare, validând modelul experimental și in vivo .
Efectul variabilității asupra răspunsului imun
O-antigenele (carbohidrații externi) sunt porțiunea cea mai variabilă a moleculei LPS, conferind specificitatea antigenică. În schimb, lipida A este partea cea mai conservată. Cu toate acestea, compoziția lipidei A poate varia, de asemenea, (de exemplu, în număr și natura lanțurilor acilice chiar și în interiorul sau între genuri). Unele dintre aceste variații pot conferi proprietăți antagonice acestor LPS. De exemplu, Rhodobacter sphaeroides difosforil lipida A (RsDPLA) este un antagonist puternic al LPS în celulele umane, dar este un agonist în celulele de hamster și cabaline.
S-a speculat că lipida A conică (de exemplu, de la E. coli ) este mai agonistă, lipida A mai puțin conică precum cele de la Porphyromonas gingivalis poate activa un semnal diferit ( TLR2 în loc de TLR4) și lipida A complet cilindrică ca cea a Rhodobacter sferoidul este antagonist TLR-urilor.
Clusterele genetice LPS sunt foarte variabile între diferite tulpini, subspecii, specii de agenți patogeni bacterieni ai plantelor și animalelor.
Serul normal din sânge uman conține anticorpi anti-LOS care sunt bactericide, iar pacienții care au infecții cauzate de tulpini distincte serotipic posedă anticorpi anti-LOS care diferă prin specificitate în comparație cu serul normal. Aceste diferențe în răspunsul imun umoral la diferite tipuri de LOS pot fi atribuite structurii moleculei LOS, în primul rând în structura porțiunii oligozaharidice a moleculei LOS. În Neisseria gonorrhoeae s-a demonstrat că antigenicitatea moleculelor LOS se poate modifica în timpul unei infecții datorită capacității acestor bacterii de a sintetiza mai mult de un tip de LOS, o caracteristică cunoscută sub numele de variație de fază . În plus, Neisseria gonorrhoeae , precum și Neisseria meningitidis și Haemophilus influenzae , sunt capabile să-și modifice în continuare LOS in vitro , de exemplu prin sialilare (modificarea cu reziduuri de acid sialic) și, ca rezultat, sunt capabili să-și mărească rezistența la medierea complementului uciderea sau chiar reglarea în jos a activării complementului sau evitarea efectelor anticorpilor bactericide . Sialilarea poate contribui, de asemenea, la îngreunarea atașamentului neutrofilelor și a fagocitozei de către celulele sistemului imunitar, precum și la o explozie oxidativă redusă. De asemenea, s-a demonstrat că Haemophilus somnus , un agent patogen al bovinelor, prezintă variații ale fazei LOS, o caracteristică care poate ajuta la evitarea apărării imune a gazdei bovine . Luate împreună, aceste observații sugerează că variațiile moleculelor de suprafață bacteriene, cum ar fi LOS, pot ajuta agentul patogen să se sustragă atât de umor (mediat de anticorpi și complement), cât și de celulă (uciderea de către neutrofile, de exemplu), găzduiește apărarea imună.
Căi non-canonice de recunoaștere LPS
Recent, s-a arătat că, pe lângă căile mediate de TLR4 , anumiți membri ai familiei canalelor ionice potențiale de receptor tranzitoriu recunosc LPS. Activarea mediată de LPS a TRPA1 a fost prezentată la șoareci și la muștele Drosophila melanogaster . La concentrații mai mari, LPS activează și alți membri ai familiei de canale TRP senzoriale , cum ar fi TRPV1 , TRPM3 și într-o oarecare măsură TRPM8 . LPS este recunoscut de TRPV4 pe celulele epiteliale. Activarea TRPV4 prin LPS a fost necesară și suficientă pentru a induce producția de oxid nitric cu efect bactericid.
Efectele sanatatii
Endotoxemie
Prezența endotoxinelor în sânge se numește endotoxemie. Poate duce la șoc septic , dacă răspunsul imunitar este sever pronunțat.
Mai mult, endotoxemia de origine intestinală, în special la nivelul interfeței gazdă-agent patogen , este considerată a fi un factor important în dezvoltarea hepatitei alcoolice, care este probabil să se dezvolte pe baza sindromului de excrescență bacteriană a intestinului subțire și a unei permeabilități intestinale crescute. .
Lipida A poate provoca activarea necontrolată a sistemului imunitar la mamifere cu producerea de mediatori inflamatori care pot duce la șoc septic . Această reacție inflamatorie este mediată de receptorul Toll-like 4, care este responsabil pentru activarea celulelor sistemului imunitar. Deteriorarea stratului endotelial al vaselor de sânge cauzată de acești mediatori inflamatori poate duce la sindromul de scurgeri capilare , dilatarea vaselor de sânge și o scădere a funcției cardiace și poate duce la șoc septic . Activarea pronunțată a complementului poate fi observată și mai târziu în curs, pe măsură ce bacteriile se înmulțesc în sânge. O proliferare bacteriană ridicată care provoacă leziuni endoteliale distructive poate duce, de asemenea, la diseminarea coagulării intravasculare (DIC) cu pierderea funcției anumitor organe interne, cum ar fi rinichii, glandele suprarenale și plămânii, din cauza aportului de sânge compromis. Pielea poate prezenta efectele leziunilor vasculare, adesea asociate cu epuizarea factorilor de coagulare sub formă de petechii , purpură și echimoze . Membrele pot fi, de asemenea, afectate, uneori cu consecințe devastatoare, cum ar fi dezvoltarea gangrenei , care necesită amputare ulterioară . Pierderea funcției glandelor suprarenale poate provoca insuficiență suprarenală și hemoragii suplimentare în suprarenale cauzează sindromul Waterhouse-Friderichsen , ambele putând pune viața în pericol.
De asemenea, s-a raportat că LOS gonococic poate provoca leziuni ale trompelor uterine umane .
Boala autoimuna
Mimetism molecular a unor molecule LOS este gandit pentru a provoca răspunsuri autoimune bazate pe gazdă, cum ar fi flareups ale sclerozei multiple . Alte exemple de mimetism bacterian al structurilor gazdă prin LOS se găsesc cu bacteriile Helicobacter pylori și Campylobacter jejuni , organisme care cauzează boli gastro-intestinale la om și Haemophilus ducreyi care provoacă chancroid . Anumite serotipuri LPS C. jejuni (atribuite anumitor părți tetra- și pentazaharidice ale oligozaharidelor de bază) au fost, de asemenea, implicate cu sindromul Guillain-Barré și o variantă a Guillain-Barré numită sindromul Miller-Fisher .
Legătură cu obezitatea
Studiile epidemiologice au arătat că încărcătura crescută de endotoxine, care poate fi rezultatul creșterii populațiilor de bacterii producătoare de endotoxine în tractul intestinal, este asociată cu anumite grupuri de pacienți legați de obezitate. Alte studii au arătat că endotoxina purificată din Escherichia coli poate induce obezitate și rezistență la insulină atunci când este injectată în modele de șoareci fără germeni . Un studiu mai recent a descoperit un rol potențial care contribuie la Enterobacter cloacae B29 în ceea ce privește obezitatea și rezistența la insulină la un pacient uman. Mecanismul presupus pentru asocierea endotoxinei cu obezitatea este că endotoxina induce o cale mediată de inflamație care să țină cont de obezitatea observată și rezistența la insulină. Genurile bacteriene asociate cu efectele obezității legate de endotoxină includ Escherichia și Enterobacter .
Cercetare în laborator și sisteme de producție a biotehnologiei
Lipopolizaharidele sunt contaminanți frecvenți în ADN-ul plasmidic preparat din bacterii sau proteine exprimate din bacterii și trebuie îndepărtați din ADN sau proteine pentru a evita contaminarea experimentelor și pentru a evita toxicitatea produselor fabricate folosind fermentația industrială .
De asemenea, ovalbumina este frecvent contaminată cu endotoxine. Ovalbuminul este una dintre proteinele studiate pe larg în modele animale și, de asemenea, un model de alergen stabilit pentru hiper-receptivitate a căilor respiratorii (AHR). Ovalbumina disponibilă comercial care este contaminată cu LPS poate activa pe deplin celulele endoteliale într-o analiză in vitro a primului pas de inflamație și falsifică rezultatele cercetării, deoarece nu reflectă cu exactitate efectul antigenului proteic unic asupra fiziologiei animalelor.
În producția farmaceutică, este necesar să se elimine toate urmele de endotoxină din recipientele pentru produse medicamentoase, deoarece chiar și cantități mici de endotoxină vor provoca boli la om. În acest scop se folosește un cuptor de depirogenare . Pentru a descompune această substanță sunt necesare temperaturi peste 300 ° C. O rată de reducere a endotoxinei definită este o corelație între timp și temperatură. Pe baza materialului de ambalare primar sub formă de seringi sau flacoane, o temperatură a sticlei de 250 ° C și un timp de păstrare de 30 de minute sunt tipice pentru a obține o reducere a nivelurilor de endotoxină cu un factor de 1000.
Standardul Testul pentru detectarea prezenței endotoxinelor este lizat de amebocite Limulus (LAL) testul, utilizând sânge din crab potcoavă ( Limulus polyphemus ). Nivelurile foarte scăzute de LPS pot provoca coagularea lizatului limulus datorită unei amplificări puternice printr-o cascadă enzimatică. Cu toate acestea, datorită populației în scădere a crabilor potcoavă și a faptului că există factori care interferează cu testul LAL, s-au făcut eforturi pentru a dezvolta teste alternative, cele mai promițătoare fiind testele ELISA folosind o versiune recombinantă a unei proteine în testul LAL, factorul C.
Vezi si
- Bioaerosol
- Depirogenare
- Interfață gazdă-agent patogen
- Mucopolizaharidă
- Nesfatin-1
- Reacția Schwartzman
- AOAH
Referințe
linkuri externe
- Lipopolizaharidele la Biblioteca Națională de Medicină din SUA Titlurile subiectului medical (MeSH)