Микробные токсины

Представления о природе микробных токсинов получены благодаря исследованиям патогенных бактерий.
К 1890 г. были обнаружены первые токсины двух патогенных микроорганизмов: Corynebacterium diphtheriae и Clostridium tetani.
В обоих случаях были поставлены одинаковые опыты: бактерию выращивали в культуральной среде in vitro, и стерильный фильтрат, приготовленный из выросшей культуры, вводили опытным животным. Последние погибали, а при их вскрытии обнаруживали изменения органов, характерные для соответствующей естественной инфекции. Эти токсические вещества оказались белками. Поскольку они представляли продукты обмена бактерий и не были связаны с бактериальными клетками, их назвали экзотоксинами. Экзотоксины образуют ряд других патогенных бактерий (возбудитель ботулизма, инфекционной энтеротоксемии, дизентерии и др.), в основном грамположительных. Однако фильтраты, приготовленные из культур многих других патогенных микроорганизмов, не были токсичны. Кипячением бактериальных культур доказано, что клетки почти всех грамотрицательных патогенных бактерий токсичны сами по себе. Более того, такое же токсическое действие оказывают и убитые нагреванием клетки многих патогенных грамотрицательных бактерий. Устойчивые к нагреванию токсины, связанные с клеточной оболочкой грамотрицательных бактерий, назвали эндотоксинами.
Однако для многих патогенных бактерий, в том числе для возбудителя сибирской язвы, эти подходы не позволили обнаружить никаких сколько-нибудь токсичных продуктов. Условия культивирования в лаборатории всегда отличаются от условий в организме зараженного животного. Осознание этого очевидного факта заставило предпринять поиски бактериальных токсинов, образуемых непосредственно в организме инфицированного животного. Эта работа привела к обнаружению специфического экзотоксина у Bacillus anthracis.

Кроме ферментов агрессии и защиты микроорганизмы, размножаясь, могут вырабатывать биологически активные вещества, повреждающие клетки и ткани макроорганизма. — токсины. Некоторые токсины (дифтерийный, столбнячный, ботулиниче-цкнп) являются ведущими факторами развития соответствующих заболеваний. Действие других (гемолизины стафилококка, лейкоцидины) более ограничено.
Силу токсинов, как и вирулентность самих возбудителей, измеряют DLM или LD50-По своим свойствам токсины делятся на 2 группы:
• эндотоксины — липополисахариды; термостабильны, продуцируются, как правило, грамотрицательными бактериями, обладают общетоксическим действием, являются cлабыми антигенами, не переходят в анатоксин;
• экзотоксины — белки; термолабильны, продуцируются, как правило, грамположительными бактериями, обладают специфичностью действия, сильные антигены, при специальной обработке переходят в анатоксины.
Наиболее значимыми для медицинской практики продуцентами экзотоксинов являются возбудители:
• среди грамположительных бактерий — дифтерии, ботулизма, столбняка, газовой гангрены, некоторые виды стафилококков и стрептококков;
• среди грамотрицательных — холерный вибрион, некоторые виды псевдомонад, шигелл.
Экзотоксины в зависимости от прочности их соединения с микробной клеткой подразделяются:
• на полностью секретируемые (собственно экзотоксины) в окружающую среду;
• частично секретируемые;
• несекретируемые.
Последние освобождаются только в процессе разрушения бактериальных клеток, что делает их сходными по этому свойству с эндотоксинами.

По механизму действия на клетки макроорганизма бактериальные токсины делятся на несколько типов, хотя это деление достаточно условно и некоторые токсины могут быть отнесены сразу к нескольким типам:
• 1-й тип — мембранотоксины (гемолизины, лейкоцидины);
• 2-й тип — функциональные блокаторы, или нейротоксины (тета-носпазмин, ботулинический токсин), — блокируют передачу нервных импульсов в синапсах (в клетках спинного и головного мозга);
• 3-й тип — термостабильные и термолабильные энтеротоксины — активизируют клеточную аденилатциклазу, что приводит к нарушению энтеросорбции и развитию диарейного синдрома. Такие токсины продуцируют холерный вибрион (холероген), энтеротоксигенные кишечные палочки;
• 4-й тип — цитотоксины — токсины, блокирующие синтез белка на субклеточном уровне (энтеротоксин золотистых стафилококков, дерматонекротоксины стафилококков, палочек сибирской язвы, сине-зеленого гноя и возбудителя коклюша); сюда же относят антиэлонгаторы — препятствующие элонгации (наращиванию) или транслокации, т. е. передвижению и-РНК вдоль рибосомы, и тем самым блокирующие синтез белка (дифтерийный гистотоксин, токсин синегнойной палочки);
• 5-й тип — эксфолиатины, образуемые некоторыми штаммами золотистого стафилококка, и эритрогенины, продуцируемые пиогенным стрептококком группы А. Они влияют на процесс взаимодействия клеток между собой и с межклеточными веществами и полностью определяют клиническую картину инфекции (в первом случае возникает пузырчатка новорожденных, во втором — скарлатина).
Многие бактерии образуют не один, а несколько белковых токсинов, которые обладают разным действием — нейротокси-ческим, цитотоксическим, гемолитическим: стафилококк, стрептококк.
В то же время некоторые бактерии могут одновременно образовывать как белковые экзотоксины, так и эндотоксины: кишечная палочка, холерный вибрион.
3. Все факторы патогенности по их функции принято подразделять на 4 группы:
• 1-я — бактерии с эпителием соответствующих экологических ниш (биотопов);
• 2-я — интерферирующие с клеточными и гуморальными защитными механизмами хозяина и обеспечивающие размножение возбудителя in vivo;
• 3-я — бактериальные модулины, индуцирующие синтез некоторых цитокинов и медиаторов воспаления, приводящих к им-муносупрессии;
• 4-я — токсины и токсические продукты, оказывающие повреждающее действие, связанное, как правило, со специфическими патоморфологическими изменениями различных органов и тканей организма.

Заключение

Структура, механизмы действия и древность происхождения бактериальных токсинов свидельствуют о том, что их эволюция началась еще в сообществах одноклеточных микроорганизмов, где они играли роль сигнальных молекул, способных действовать на большом расстоянии от бактериальной клетки без ослабления силы сигнала. Эволюция токсинов происходила путем нарастания сложности их молекул, вызванной дупликациями и слияниями генов, кодирующих белки их отдельных доменов. Древность бактериальных токсинов позволяет поставить под сомнение антропозность отдельных инфекционных болезней, например, холеры, коклюша и дифтерии. Видимо целесообразно вести поиск природных резервуаров возбудителей этих болезней в сообществах простейших организмов. Субъединичная структура токсинов, где одна из субъединиц играет роль лиганда, другая вызывает токсический эффект, позволяет осуществлять исследования, направленные на получение нового поколения медицинских иммунобиологических препаратов, не имеющих аналогов в природе. В настоящее время разработаны подходы для вмешательства в структуру молекул токсинов, позволяющие получать иммунотоксины для прицельного терапевтического воздействия на злокачественные клетки крови, и токсины с измененной специфичностью и/или с более высокой токсичностью в отношении отдельных видов насекомых. Токсичность ботулинического токсина предельна не только для бактериальных токсинов, но и для природных токсических веществ. При модификации токсинов наиболее вероятно изменение спектра их целей. LD ₅₀гибридных и модифицированных токсинов даже при повышении их токсичности для отдельных экспериментальных животных, будет находиться в пределах, характерных для токсических веществ данного диапазона молекулярных масс.

Токсины — это ядовитые вещества — продукты жизнедеятельности микроорганизмов, обладающие высоким молекулярным весом и антигенными свойствами.

Бактериальные токсины разделяют на две группы — экзотоксины и эндотоксины, которые отличаются по своим свойствам и по характеру действия на организм.

Экзотоксины продуцируются микробом в окружающую среду, обладают высоко выраженной ядовитостью. Например, минимальная смертельная доза нативного (неочищенного) дифтерийного токсина для морской свинки равна 0,0002 мл, столбнячного — 0,005 мл, а ботулинического — 0,0001 мл. Активность очищенных токсинов в несколько сотен раз выше.

Действие экзотоксинов на организм проявляется через определенный инкубационный период. Эндотоксины действуют через более короткий период времени.

Эндотоксины являются структурными компонентами бактериальной клетки и поступают в окружающую среду только после ее разрушения. Эндотоксины по своей ядовитости значительно уступают экзотоксинам. Экзотоксины — термолабильные субстанции: большинство из них разрушается при t° 60—80° в течение 10— 20 мин. Эндотоксины обладают высокой устойчивостью к нагреванию: разрушаются при более высокой температуре или при длительном кипячении. Экзотоксины менее стойки к действию различных физико-химических факторов по сравнению с эндотоксинами. Замораживание и оттаивание токсинов не оказывают заметного влияния на их силу. Токсины хорошо сохраняются в высушенном состоянии.

Действие формалина и тепла на экзотоксины лишает их ядовитых свойств, но сохраняет иммуногенность. На этом принципе разработано получение так называемых анатоксинов (см.), применяемых для профилактики ряда инфекций. Попытки получения анатоксинов из эндотоксинов оказались безуспешными. Большинство экзотоксинов используются при титровании соответствующих антитоксических сывороток.

Характерной особенностью для экзотоксинов является выраженная антигенность — способность вызывать при введении в организм образование антител, обладающих высокой степенью специфичности. Это обстоятельство позволяет вырабатывать в производственных условиях лечебные и профилактические сыворотки против заболеваний, вызываемых возбудителями, продуцирующими экзотоксины.

Большинство экзотоксинов продуцируется грамположительными бактериями. Однако, по мнению ряда исследователей, экзотоксины способны вырабатывать и некоторые грамотрицательные виды (возбудители чумы, коклюша, дизентерийная палочка Григорьева — Шиги).

Биологические свойства ряда продуктов животного и растительного происхождения весьма близки к микробным токсинам (например, растительные яды абрин, робин, рацин; животные яды змей, скорпионов, пауков).