Biotechnologia.pl
łączymy wszystkie strony biobiznesu
Powtórka przed sesją! - Lipopolisacharyd jako najważniejszy, immunologicznie czynny składnik struktury ściany komórkowej bakterii gramujemnych
Powtórka przed sesją! - Lipopolisacharyd jako najważniejszy, immunologicznie czynny składni
Lipopolisacharyd (zwany inaczej endotoksyną) to integralny składnik zewnętrznej błony komórkowej osłony bakterii Gram-ujemnych, zajmujący aż do 70% powierzchni komórki. Po raz pierwszy został opisany w 1892 r. przez grupę Pfeiffer’a i Centanni’ego. Na podstawie przeprowadzonych doświadczeń poczynili oni obserwację, iż lizat z inaktywowanych komórek bakterii Gram-ujemnych wywołuje u zwierząt laboratoryjnych szok toksyczny, a następnie śmierć.

 

 

LPS, jako integralny składnik bakteryjny, jest niezbędny do funkcjonowania drobnoustrojów, a dodatkowo przejawia niezwykle silne właściwości immunogenne i prozapalne. Ponadto, jest substancją termowrażliwą i posiada konserwatywną budowę. Jego zadaniem jest osłona błony cytoplazmatycznej mikroorganizmu przed mechanizmami obronnymi ze strony makroorganizmu (w tym działaniem zaktywowanego dopełniacza oraz napływającymi komórkami żernymi). Chroni bakterie przed działaniem kwasów żółciowych i hydrofobowych antybiotyków.

Struktura LPS jest w pewnym stopniu podobna u wszystkich bakterii gram-ujemnych. Jednakże te elementy zróżnicowania strukturalnego i heterogenność cząsteczki LPS wpływają w sposób istotny na jej właściwości immunogenne, immunomodulacyjne i cytotoksyczne. Analizując budowę cząsteczki LPS możemy wyodrębnić trzy części  różniące się nie tylko składem chemicznym, ale przede wszystkim właściwościami biologicznymi oraz zmiennością strukturalną: 

  • Łańcuch O (O−antygen) -  Najbardziej zewnętrzna częścią LPS. Łańcuch O jest zbudowany z kilkunastu do kilkudziesięciu powtarzających się podjednostek cukrowych, które warunkują swoistość antygenową. Jest on charakterystyczny dla danego  szczepu i wykazuje ogromną zmienność międzyosobniczą. Pełni rolę antygenu powierzchniowego, rozpoznawanego przez system immunologiczny. Ponadto, jest zaangażowany w mechanizm zasiedlenia powierzchni gospodarza przez patogen.
  • Rdzeń -  Oligocukier, który łączący łańcuch O z lipidem A. Wykazuje on mniejsze zróżnicowanie strukturalne niż wyżej opisana podjednostka.
    W rdzeniu można wyróżnić dwie części – zewnętrzną i wewnętrzną. Zewnętrzna nazywana jest również regionem heksozowym, ze względu na wysoką zawartość heksoz. Wewnętrzna stanowi natomiast region heptozowy. Różnice w strukturze rdzenia mogą występować, nie tylko między gatunkami, lecz również w ich obrębie.
  • Lipid A - Hydrofobowa część endotoksyny, odpowiadająca za zakotwiczenie heteropolimeru w sposób niekowalencyjny w błonie zewnętrznej gospodarza. Ponadto, lipid A stanowi swoistą barierę, która hamuje przenikanie hydrofobowych substancji w głąb drobnoustroju, dodatkowo wspomagając odporność na niektóre rodzaje antybiotyków czy detergentów.
    Ta część endotoksyny jest powszechnie uważana za region najbardziej konserwatywny strukturalnie, aczkolwiek i w tym przypadku można zaobserwować swoiste zróżnicowanie międzygatunkowe i międzyszczepowe. Lipid A, ze względu na unikalną strukturę oraz specyficzną rolę w aktywności biologicznej LPS stanowi centrum toksyczności tej cząsteczki. Jego szkielet cukrowy zazwyczaj tworzą dwie cząsteczki glukozaminy połączone wiązaniem β(1→6) glikozydowym. Dodatkowo, w przypadku lipidu A u Escherichia coli  charakteryzuje się dwiema grupami fosforanowymi i dwiema resztami acylowymi. Są one potrzebne do wywołania odpowiedniej reakcji na endotoksynę w komórkach gospodarza. W przypadku tej bakterii lipid A ze względu na swoją specyficzną budowę (min. podstawienie za glukozaminylo-glukozaminę sześciu reszt arylowych, stymulujących działanie LPS) wykazuje pełną aktywność endotoksyczną.

Reakcja organizmu na LPS

Zidentyfikowano kilka receptorów mających swój udział w wiązaniu LPS, w tym białko CD14 i receptor TLR4. Związanie endotoksyny z tymi receptorami skutkuje aktywacją kaskady sygnałów wewnątrzkomórkowych.

Cały mechanizm aktywacji monocytów rozpoczyna się od uwolnienia LPS z błony bakterii, które to następuje po degradacji tego patogenu. Następnie dochodzi do stworzenia kompleksu endotoksyny z białkiem wiążącym lipopolisacharyd (LBP ang. lipopolysaccharide binding protein). LBP jest białkiem ostrej fazy o wielkości 65-kDa, występującym w dużych ilościach w osoczu - około 2–20 μg/ml krwi. Już niewielkie stężenia (pikogramy) LPS występujące w osoczu, zostają przez nie wykryte i związane. Zadaniem LBP jest wychwytywanie pojedynczych cząsteczek LPS i przenoszenie ich do receptora CD14. Następnie, białko CD14 dostarcza LPS bezpośrednio do receptora TRL4. Następuje indukcja procesu dimeryzacji i dochodzi do wbudowania LPS w błonę komórkową komórki eukariota. Lipid A oddziałuje z transmembranową domeną TLR4, a zakotwiczony LPS powoduje zmiany strukturalne w błonie komórkowej. Dalej, wewnątrzkomórkowa domena receptora TRL4 przekazuje sygnał i aktywuje wiele ścieżek sygnalizacyjnych. Sygnał trafia min. do białka MyD88 (ang. myeloid differentiation protein), które to łączy się z kinazą serynową IRAK (ang. Interleukin-1 Receptor-Associated Kinase). Kinaza, wykorzystując białko adaptorowe TRAF 6 (ang. tumor necrosis factor receptor-associated factor) zapoczątkowuje kaskadę reakcji, prowadzących również przez kinazę TAK1 (ang. TGF-b-activated kinase). Skutkuje to kolejno aktywacją kinaz NIK (ang. NF-kB-inducing kinase) oraz IKK (ang. IkB kinase) i pobudzeniem czynnika jądrowego NF-kB (ang. Nuclear factor-kB). Kinaza TAK1 poprzez kinazę MKK (ang. mitogen-activated protein kinase kinase) aktywuje białko JNK (ang. c-Jun N-terminal kinase) i kinazę p38 MAP (ang. mitogen-activated protein kinase). One zaś pobudzają z kolej białko c-Jun. Białka NF-κB i c-Jun oraz nie wspomniane wcześniej białko c-Fos są odpowiedzialne za transkrypcję genów zaangażowanych w wytwarzanie prozapalnych cytokin. Stymulują one mechanizmy odporności nabytej.

NF-κB odgrywa kluczową rolę zarówno w zapaleniu, jak i w posocznicy. Białko to jest krytycznym czynnikiem transkrypcyjnym w przypadku syntezy takich cząsteczek jak cytokiny (np. TNF α i β, interferon β i γ), chemokiny (np. MIP), czynniki wzrostu (np. M-SCF, GM-SCF) czy w ekspresji cząsteczek adhezyjnych (np. E-selektyna, fibronektyna).

W przypadku zdrowych ludzi, dawka 1 ng LPS / kg masy ciała  jest wystarczająca, żeby wywołać objawy (nudności, złe samopoczucie, dreszcze, bóle mięśni i gorączka). Niewielkie ilości LPS potrafią zastymulować układ odpornościowy osobnika i zaindukować tolerancję na to białko. Jednakże, gdy dojdzie do nadmiernej aktywacji tą endotoksyną, wtedy funkcjonujący układ odpornościowy ulega całkowitemu rozregulowaniu, co prowadzi do rozwoju sepsy.

Nadmierna aktywacja lipopolisacharydem – sepsa

Szpitale są miejscem częstego występowania bakterii Gram-ujemnych. Zważywszy na stan pacjentów (osłabiony układ odpornościowy) zakażenia przez nie wywoływane charakteryzują się ciężkim przebiegiem, a brak wdrożenia odpowiedniego leczenia często kończy się przedostaniem się mikroorganizmów do krwi pacjenta. Sama obecność żywych bakterii we krwi powoduje jedynie bakteriemię. Jeżeli jednak występują różnego rodzaju zmiany kliniczne wywoływane przez toksyny bakteryjne, to świadczy to o wystąpieniu sepsy. Fakt rosnącej liczby ciężkich przypadków zakażeń krwi oraz duża śmiertelność pacjentów były powodem odgórnego narzucenia kryteriów rozpoznawania sepsy. Zdefiniowano ją jako zespół ogólnoustrojowej reakcji zapalnej (SIRS) wywołany zakażeniem. Sepsa jest jedną z najczęstszych przyczyn śmierci w zakładach intensywnej terapii. W samych Stanach Zjednoczonych z jej powodu dochodzi do szacunkowo 215 000 zgonów rocznie.

Patomechanizm tej uogólnionej reakcji zapalnej wiąże się z aktywacją i uwalnianiem z komórek bakteryjnych endotoksyny, która prowadzi do zaburzeń w regulacji odpowiedzi zapalnej oraz w przebiegu procesów krzepnięcia i fibrynolizy. LPS odgrywa tu istotną rolę,  występując jako czynnik inicjujący rozwój zakażenia i stymulator komórek układu odpornościowego. Wzmożone wytwarzanie chemokin, cytokin, prostaglandyn, mediatorów lipidowych i reaktywnych form tlenu prowadzi do rozszerzenie naczyń krwionośnych i w efekcie do zespołu rozsianego wykrzepiania wewnątrznaczyniowego - zużycia czynników krzepnięcia, hipoperfuzji i niedotlenienia. To z kolei może doprowadzić do zespołu uszkodzenia wielonarządowego niedokrwienno-reperfuzyjnego (ang. ischemia-reperfusion, przywrócenie czasowo przerwanego krążenia krwi) związanego z upośledzeniem ukrwienia narządów i zaburzeniem ich funkcji. W momencie wystąpienia niewydolności wielonarządowej mamy już do czynienia z ciężką odmianą sepsy.

Sepsa często ma gwałtowny przebieg i jest obarczona dużą śmiertelnością, dlatego właśnie konieczne jest szybkie rozpoznanie i zastosowanie właściwej antybiotykoterapii. Inaczej może dojść do wstrząsu septycznego i zmniejszenia szans na powodzenie wdrożonej terapii. 

 

 
Źródła

Fenton MJ, Golenbock DT. LPS-binding proteins and receptors. J Leukoc Biol. 1998;64(1):25-32.

Guha M, Mackman N. LPS induction of gene expression in human monocytes. Cell Signal.  2001;13(2):85-94.

van Deventer SJ, Büller HR, ten Cate JW, Aarden LA, Hack CE, Sturk A. Experimental  endotoxemia in humans: analysis of cytokine release and coagulation, fibrinolytic,  and  complement pathways.  Blood. 1990;76(12):2520-6.

Van Amersfoort ES, Van Berkel TJ, Kuiper J. Receptors, mediators, and mechanisms involved in bacterial sepsis and septic shock.Clin Microbiol Rev. 2003;16(3):379-414.

Raetz CR, Whitfield C. Lipopolysaccharide endotoxins. Annu Rev Biochem. 2002;71:
635-700.

Lodowska J, Wolny D, Węglarz L, Dzierżewicz Z. The structural diversity of lipid A from gram-negative Bacteria. Postępy Hig Med Dosw. 2007;61:106-121

Morris M, Li L. Molecular mechanisms and pathological consequences of endotoxin tolerance and priming. Arch Immunol Ther Exp (Warsz). 2012;60(1):13-8.

Erridge C, Bennett-Guerrero E, Poxton IR. Structure and function of lipopolysaccharides. Microbes Infect. 2002;4(8):837-51.

Fujihara M, Muroi M, Tanamoto K, Suzuki T, Azuma H, Ikeda H. Molecular mechanisms
of macrophage activation and deactivation by lipopolysaccharide: roles of the receptor complex. Pharmacol Ther. 2003;100(2):171-94.

Sivapalaratnam S, Farrugia R, Nieuwdorp M, Langford CF, van Beem RT, Maiwald S, Zwaginga JJ, Gusnanto A, Watkins NA, Trip MD, Ouwehand WH. Identification
 of candidate genes linking systemic inflammation to atherosclerosis; results 
of a human in vivo LPS infusion study. BMC Med Genomics. 2011;4:64.

Hotchkiss RS, Tinsley KW, Swanson PE, Grayson MH, Osborne DF, Wagner TH, Cobb JP, Coopersmith C, Karl IE. Depletion of dendritic cells, but not macrophages, in patients with sepsis. J Immunol. 2002;168(5):2493-500.

 

KOMENTARZE
Newsletter