Стафилококки, в частности S. aureus продуцируют ряд токсинов, которые классифицируются на три группы: 1) Цитолитические - гемолизины и лейкоцидины; 2) Энтеротоксины и 3) Эксфолиативный токсин.
Гемолизины - 4 антигенно- различных токсина: a, b, g, d. Из всех них альфа- лизин, или альфа- токсин наиболее клинически важен. В культуре он продуцируется только в аэробных условиях, и его продукция усиливается высокой концентрацией диоксида углерода. Это протеин, который инактивируется при 60оС, но имеет парадоксальное свойства восстанавливать свою активность при дальнейшем нагревании между 80о и 100оС. Это связано с тем, что токсин комбинирован с термолабильным ингибитором. При повышении температуры ингибитор инактивируется, высвобождая токсин. Сам ингибитор инактивируется при 60 градусах. В большей степени активен по отношению к эритроцитам барана, в меньшей человека. Он разрушает лизосомы, при этом повреждаются макрофаги и тромбоциты. Это является причиной повреждения циркуляторной системы, мышечной ткани и коры надпочечников. Он является токсоидом и благодаря этому стимулирует иммунитет к стафилококкам.
|
|
Альфа-токсин S.aureus может рассматриваться в качестве прототипа олигомеризующих порообразующих цитотоксинов. Ген, кодирующий альфа-токсин, находится в виде единичной копии в хромосоме большинства патогенных штаммов S.aureus, и его экспрессия регулируется внешними факторами на уровне транскрипции дополнительным геном регулятором (agr). Токсин синтезируется в виде молекулы-предшественника, состоящей из 319 аминокислот и имеющей на N-конце сигнальную последовательность из 26 аминокислотных остатков. Выделяемый готовый токсин (протомер) представляет собой гидрофильную молекулу молекулярной массой около 33 кДа, в которой отсутствуют остатки цистеина.
В настоящее время изучена кристаллографическая структура завершенной поры, образованной альфа-токсином. На поверхности плазматической мембраны 7 протомеров токсина образуют грибовидный гептамер (232 кДа), содержащий 3 различных домена. Домены, формирующие "шляпку" и "край", расположены на внешней поверхности плазматической мембраны, а домен "ножки" служит трансмембранным каналом.
Альфа-токсин обладает цитолитическими свойствами в отношении различных типов клеток, включая моноциты, лимфоциты, эритроциты, тромбоциты и эндотелиоциты человека. Различают три последовательные стадии повреждения клеточной мембраны под действием альфа-токсина. Протомеры токсина сначала связываются с мембраной клетки-мишени при помощи не установленных рецепторов или не специфически абсорбируются фосфатидилхолином или холестеролом, входящими в состав билипидного слоя мембраны. Во-вторых, связанные с мембраной протомеры олигомеризуются в нелитический гептамерный комплекс. И в заключение, гептамер претерпевает ряд конформационных изменений, конечным результатом которых является формирование "ножки", которая проникает сквозь цитоплазматическую мембрану. Через образовавшуюся пору происходит вход и выход небольших молекул и ионов, что ведет к набуханию и гибели клеток, имеющих ядро, или осмотическому лизису эритроцитов.
|
|
Кроме того, отмечено, что при образовании пор запускаются вторичные процессы, которые также могут обусловить развитие патологических последствий. Эти процессы включают активацию эндонуклеаз, увеличение экзоцитоза тромбоцитов, высвобождение цитокинов и медиаторов воспаления. На примере нескольких экспериментальных моделей на животных было показано, что альфа-токсин является фактором вирулентности S.aureus, однако его точная роль в развитии стафилококковых заболеваний у человека остается неясной.
[ Другими порообразующими токсинами являются RTX-токсины грамотрицательных бактерий (гемолизины E. coli) и стрептолизин O, выделяемый S.pyogenes ].
Бетта-лизин S. aureus гемолитичен для бараньих эритроцитов, но не для человеческих и кроличьих. Он является сфингомиелиназой и разрушает клеточные мембраны. Продуцируется в аэробных и анаэробных условиях.
Гамма-лизины - наиболее слабые токсины, но действует на все типы эритроцитов от различных млекопитающих.
Дельта-лизин - литичен только для человеческих и нелитичен для бараньих и кроличьих эритроцитов. Действует как детергент, растворяя структурные липиды ЦПМ.
Альфа- и дельта- лизины найдены только у штаммов из клинического материала от человека, тогда как бета- лизины найдены и у штаммов других животных.
Лейкоцидины - токсины состоящие из двух фракций S и F, токсичны только в присутствии обеих фракций, но не по одиночке. Являются летальнымы для лейкоцитов многих животных. Мишенью для них является трифосфоинозитид в мембранах лейкоцитов.
Стафилококковые энтеротоксины (SEA, SEB, SECn, SED, SEE, SEG, SEH, и SEI) отвечают за манифестацию стафилококковой пищевой токсикоинфекции, проявляющейся в рвоте, тошноте, диарее в течение 6 часов после употребления контаминированной пищи. Токсин резистентен к пищеварительным ферментам, термостабилен. Инактивируется медленно (10-40 минут) только при 100о, что зависит от его концентрации или источника (среды) нахождения. Молоко и молочные продукты наиболее частые источники отравления. Идентифицировано 8 типов токсинов A, B, C1, C2, D, E, G, H и I. Тип, который ранее назывался F типом, в настоящее время называется TSST-1 (токсин синдрома токсического шока).
Энтеротоксины могут иметь другие биологические эффекты - пирогенный, митогенный, тромбоцитопенический, гипотензивный и цитотоксический.
Пищевые токсикоинфекции, вызванные приемом пищи, которая была ранее контаминирована Staphytlococcus aureus, являются одной из форм гастроэнтеритов, клинически проявляющихся рвотой /с/ или /без/ диареи. Это состояние называется стафилококковым пищевым отравлением (СПО) и следует за приемом пищи, которая была предварительно загрязнена S. aureus, и в которой таким образом произошло накопление SЕs (стафилококковые энтеротоксины). Признаки системной токсичности (лихорадка и низкое давление) редко наблюдаются в случаях СПО. Кроме того, СПО – обычно разрешается за короткое время (в пределах от 24 до 48 часов от появления первых симптомов). Не ясно, развивается ли долговременная устойчивость к СПО у людей. Однако, антитела к одному типу SE не обязательно обуславливают устойчивость к СПО вызванными другими серотипами токсинов. В некоторых случаях, антитела, против одного SE могут перекрестно реагировать против другого SE. Например, антитела к SEB могут защищать против SEC, потому что эти два SEs имеют перекрестные антитело-связывающее эпитопы.
|
|
Все SEs вызывают рвоту у приматов при оральном введении. Проникшие с пищей SEs не приводят к выраженной энтеротоксэмии, если не использованы чрезвычайно высокие дозы токсинов. В отличие от SEs, оральное введение TSST-1 не вызывает рвоты у обезьян, но с другой стороны возникают системные признаки TSS (стафилококкового токсического шока) когда токсин вводится per or кроликам. Несмотря на его оральную токсичность, TSST-1 не был признан с медицинской точки зрения энтеротоксином. Это связано с тем что TSST-1 восприимчив к действию пепсина и может поэтому быть менее устойчив в кишке по сравнению с SEs. С другой стороны в кишечнике рецепторы для SEs и TSST различаются. Альтернативная гипотеза заключается в том, что весь орально вводимый TSST-1 быстро входит в системное кровообращение не достигая таким образом нижних отделов пищеварительного тракта.
Гастроэнтериты, спровоцированные SEs, ассоциированы с характерными гистологическими нарушениями в различных областях гастроинтестинального трактата, но наиболее серьезные повреждения появляются в желудке и верхней части тонкой кишки. В этих областях наблюдается гиперемия слизистой с проникновением нейтрофилов в эпителиальный слой и lamina propria. В просвете 12-перстной кишки наблюдается накопление слизистогнойного экссудата. В тощей кишке наблюдается расширение крипт и разрушение или исчезновение границы щеточной каймы. В lamina propria тощей кишки появляются обширные нейтрофильные и макрофагальные инфильтраты.
Патогенез
Известно, что цель для SЕs, связь с которой токсинов приводит к появлению рвотного эффекта расположена в брюшной полости, где существуют предполагаемые клеточные рецепторы для SEs. Так как эти рецепторы еще не идентифицированы, остается много неясного относительно ранних событий в патогенезе СПО. Ведущая гипотеза – заключается в том, что рвота возникает в ответ на SE-обусловленное воспаление. Признаки СПО высоко коррелируют с генерированием множества провоспалительных медиаторов, включая простагландин E2, лейкотриен B4, и 5-гидроксиэйкозатетраеноевой кислоты. Цистеиниловые лейкотриены, типа лейкотриена E4, также вовлечены как критические посредники в СПО. Неясно, синтезируются ли эти посредники непосредственно или косвенно в ответ на SEs. В конечном счете, рвотная реакция в ответ на SEs зависит от активации медуллярного рвотного центра, который стимулируется импульсами, переданными через блуждающий нерв (n. vagus) и симпатическую нервную систему.
|
|
Несколько групп исследователей считают, что первичными источниками воспалительных медиаторов, синтезируемых и секретируемых в течение СПО, являются тучные клетки. Одна текущая гипотеза заключается в том, что SEs вызывают дегрануляцию тучных клеток после прямой адгезии токсина на рецепторах этих клеток, а не через типичный IgE - опосредованный процесс активации тучных клеток. С другой стороны есть результаты, которые указывают, на то что активация тучных клеток in vivo требует, совместной адгезии на них SEs в комплексе с некими костимулирующими сигналами. Альтернативно, существует нейрогенная модель, в которой тучные клетки стимулируются нейропептидами, которые секретируются сенсорными нервами. Одним из предполагаемых пептидов активирующий тучные клетки и который, как показано, вовлечен в SEB-обусловленную токсичность, была субстанция P. Однако в других исследованиях не было обнаружено адгезии SEA к нервной ткани в гастроинтестинальном тракте у крыс. Этот результат подвергает сомнению теорию о нейропептидном механизме действия SEs. В заключении можно отметить, что роль тучных клеток в СПО подтверждена, однако механизмы, через которые SEs вызывают дегрануляцию тучных клеток, остаются пока не выясненными. Однако понятно, что механизмы действия энтеротоксинов у S. aureus значительно отличается от механизма действия экзоэнтеротоксинов, например, у энтеротоксигенных кишечных палочек и у холерного вибриона.
Эксфолиативные токсины (ETA и ETB) - вызывают эксфолиативные повреждения, при которых внешний слой эпидермиса отделяется от ниже лежащих тканей. Разрушает межклеточные связи (десмосомы) и способствует инвазии ткани без повреждения клетки. При этом образуются межтканевые щели, заполненные жидкостью. Проявляется образованием пузырей. (Болезнь новорожденных или детей младше 5 лет - болезнь Ritter). В настоящее время известно два типа токсинов - термостабильный, синтез которого контролируется хромосомными генами и термолабильный - плазмидами.
TSST (токсин синдрома токсического шока у S. aureus) - синдром токсического шока - мультисистемное заболевание, которое проявляется лихорадкой, гипотензией, миалгией, рвотой, диареей, гиперемией слизистых и эритематозной сыпью с отшелушиванием (десквамацией). Все эти симптомы ассоциированы с инфекцией слизистой, вызванной штаммами S.aureus. В основном возникает у молодых женщин детородного периода при использовании определенного типа высоко адсорбирующих тампонов. TSST член семейства суперантигенов, которые обладают способностью стимулировать Т-клетки, фактор некроза опухоли и кроме этого индуцируют цитокин интерлейкин-1.
Некоторые бактериальные токсины действуют непосредственно на Т-клетки и антигенпрезентирующие клетки иммунной системы. При нарушении функций этих клеток, вызванных токсином, развиваются заболевания. Одна из больших групп этой категории токсинов - пирогенные токсины, обладающие свойствами суперантигенов (PTSAg). Их отличительная особенность - мощное стимулирующее действие на клетки иммунной системы, пирогенность и усиление эндотоксического шока. Эти термостабильные токсины с молекулярной массой от 22 до 30 кДа включают стафилококковые энтеротоксины серотипов от A до E, G и H, стафилококковый TSST-1, пирогенные экзотоксины стрептококков группы А (серотипы от А до C и F), суперантиген стрептококков группы А.
Все токсины, относящиеся к PTSAg, имеют сходную биологическую активность, при этом среди членов данного семейства выделяется TSST-1, имеющий менее 30% гомологии по аминокислотному составу с другими токсинами данного семейства. Ген, кодирующий TSST-1, локализован на хромосоме и в тоже время у штаммов S.aureus ген tst входит в состав различных мобильных генетических элементов. Токсин синтезируется в виде молекулы-предшественника, состоящей из 234 аминокислотных остатков, причем первые 40 остатков являются сигнальной последовательностью, которая отщепляется в процессе образования зрелого токсина массой 22 кДа.
Экспрессия TSST-1 зависит от концентрации кислорода, температуры, pH и уровня глюкозы и регулируется agp локусом S.aureus. По данным кристаллографического анализа, TSST-1 так же, как и ряд других токсинов, относящихся к PTSAg, состоит из двух различных доменов, но в отличие от других членов семейства TSST-1 не нуждается в ионах цинка в качестве кофактора.
В целом мощное иммуностимулирующее свойство PSTAg является прямым результатом связывания токсина с различными участками снаружи от пептидсвязывающего участка молекул главного комплекса гистосовместимости второго класса (расположенных на поверхности антигенпрезентирующих клеток) и специфических участков на рецепторах Т-клеток. В частности, В домен TSST-1 сначала связывается с a-цепью молекул человеческого лейкоцитарного антигена DR1, в то время как А домен специфически связывается с V-b2-элементами рецепторов Т клеток.
Связывание TSST-1 с V-b-2 элементами рецепторов Т-клеток приводит к массивной пролиферации (до 20%) периферических Т-клеток - явление, которое радикально изменяет набор V-b- у Т-клеток. Т-клетки, образовавшиеся в результате пролиферации, могут существовать в состоянии анергии или подвергаются апоптозу. Пролиферация Т-клеток сопровождается массивным высвобождением лимфоцитарных (интерлейкин [ИЛ]-2, a-фактор некроза опухолей, g-интерферон) и моноцитарных (ИЛ-1, ИЛ-6, a-фактор некроза опухолей) цитокинов. Они вызывают гипотензию, высокую температуру тела и диффузную эритематозную сыпь, которые характерны для синдрома токсического шока. На протяжении длительного времени TSST-1 рассматривают как ключевую субстанцию в развитии синдрома стафилококкового токсического шока, однако в последние годы его стали связывать и с развитием синдрома Кавасаки - ведущей причины приобретенных пороков сердца у детей в США.