Факторы агрессии бактерий. Основные факторы патогенности микроорганизмов. По механизму действия

Адгезия, которой придается большое значение как фактору патогенности, широко используется бактериями в любой среде обитания. Так, ле- гионеллы активно прикрепляются к поверхности цианобактерий Fischerella.

Размножение легионелл и синегнойной палочки наблюдали только на покрытиях, содержащих органические соединения, которые, очевидно, используются в метаболизме бактерий. Установлена адгезия ряда бактерий, в том числе родов Pseudomonas и Serratia, к поверхности пузырьков газа в воде. Адгезия играет основную роль в трофических процессах - в потреблении ряда веществ. В почвенной микробиологии известно, что адгезия к субстрату является важной функцией микроорганизмов при их существовании в почве.

Установлено усиление адгезии и инвазивных свойств ряда микроорганизмов к клеткам при низких температурах (6 - 25° С), описанное, например, для иерсиний или грибов Candida albicans.

В процессе адгезии к разным субстратам в почве или воде Р. aeruginosa, как и другие псевдомонады, используют фимбрии или пили.

Итак, адгезия и колонизация поверхностей имеет место не только в организме хозяина, но и во внешней среде, реализуется посредством универсальных механизмов, причем адгезивная активность бактерий и грибов может быть максимальна при более низких температурах, чем температура тела теплокровных.

Многие почвенные сапрофиты, такие как В. mesenthericus, В. subtilis, Ps. aeruginosa, Ps. fluorescens, могут проявлять фитопатогенные свойства. Заболевания растений вызываются и Е. coli. Это связано с наличием у почвенных бактерий ферментов, вызывающих мацерацию растительных тканей.

Активность ряда ферментов усиливается при низких температурах: например, каталазная активность, характерная для психрофитов, у псевдотуберкулезного микроба при 12 С возрастает в 2-3 раза по сравнению с температурой 37 С. При низких температурах возрастает также активность гиалуронидазы и нейраминидазы.

Универсальна и другая группа факторов патогенности, связанная с защитой от фагоцитоза. Многие сапрофитические бактерии также образуют капсулы и капсулоподобные структуры для защиты от неблагоприятных факторов среды. Блокирование активного фагоцитоза макрофагами теплокровных также имеет аналоги в природе.

Установлены общие закономерности взаимодействия как с макрофагами, так и с простейшими, у грибов Aspergillus. Они детально изучены у иерсиний, часть которых не переваривается, а активно размножается в вакуолях инфузорий, разрушая их и выходя во внешнюю среду. Устойчивость к перевариванию простейшими свойственна и псевдомонадам, причем в обоих случаях видна аналогия с событиями в макрофагах.

Очевидна первичность этих адаптаций бактерий к простейшим, совместно с которыми они постоянно обитают в почвенных или водных экосистемах и которые поддерживают бактериальные популяции.

В пользу предположения о каких-то функциях бактериальных токсинов вне организма хозяина свидетельствует и то, что максимум токсинов образуется нередко при 20 С.

Ботулинические токсины, как известно, продуцируются и накапливаются в прибрежном иле водоемов, иногда вызывая массовую гибель водоплавающих птиц, или в консервированных продуктах, обусловливая вспышки ботулизма среди людей. Надо обладать большим воображением, чтобы усмотреть здесь закономерную, эволюционно выработанную роль токсина как специального фактора патогенности микроба в отношении хозяина. Тогда микроб адаптировался к консервированию продуктов - единственному пути проникновения токсина в организм человека?

К этому можно добавить и следующее соображение: сама токсиген- ность не является постоянным свойством данного микроорганизма. Синтез большинства энтеротоксинов кодируется генами, локализованными в плазмидах или мобильных генетических элементах, что создает принципиальную возможность приобретения и утраты tox-генов в популяции данного вида и даже межвидового генетического обмена в микробных сообществах почвы или воды.

Таблица 1

Типы взаимодействия популяций 2 видов

Примечание. Подавление популяции обозначается знаком «-», благоприятные условия - знаком «+», отсутствие влияния - «О».

Фенотипическим признаком патогенного микроорганизма является его вирулентность , т.е. свойство штамма, которое проявляется в определенных условиях (при изменчивости микроорганизмов, изменении восприимчивости макроорганизма и т.д.). Вирулентность можно повышать, понижать, измерять, т.е. она является мерой патогенности. Количественные показатели вирулентности могут быть выражены в DLM (минимальная летальная доза), DL« (доза, вызывающая гибель 50 % экспериментальных животных). При этом учитывают вид животных, пол, массу тела, способ заражения, срок гибели.

К факторам патогенности относят способность микроорганизмов прикрепляться к клеткам (адгезия), размещаться на их поверхности (колонизация), проникать в клетки (инвазия) и противостоять факторам защиты организма (агрессия).

Адгезия является пусковым механизмом инфекционного процесса. Под адгезией понимают способность микроорганизма адсорбироваться на чувствительных клетках с последующей колонизацией. Структуры, ответственные за связывание микроорганизма с клеткой называются адгезинами и располагаются они на его поверхности. Адгезины очень разнообразны по строению и обусловливают высокую специфичность - способность одних микроорганизмов прикрепляться к клеткам эпителия дыхательных путей, других - кишечного тракта или мочеполовой системы и т.д. На процесс адгезии могут влиять физико-химические механизмы, связанные с гидрофобностью микробных клеток, суммой энергии притяжения и отталкивания. У грамотрицательных бактерий адгезия происходит за счет пилей I и общего типов. У грамположительных бактерий адгезины представляют собой белки и тейхоевые кислоты клеточной стенки. У других микроорганизмов эту функцию выполняют различные структуры клеточной системы: поверхностные белки, липополисахариды, и др.

Инвазия. Под инвазивностью понимают способность микробов проникать через слизистые, кожу, соединительно-тканные барьеры во внутреннюю среду организма и распространятся по его тканям и органам. Проникновение микроорганизма в клетку связывается с продукцией ферментов, а также с факторами подавляющими клеточную защиту. Так фермент гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, входящую в состав межклеточного вещества, и, таким образом, повышает проницаемость слизистых оболочек и соединительной ткани. Нейраминидаза расщепляет нейраминовую кислоту, которая входит в состав поверхностных рецепторов клеток слизистых оболочек, что способствует проникновению возбудителя в ткани.

Агрессия. Под агрессивностью понимают способность возбудителя противостоять защитным факторам макроорганизма. К факторам агрессии относятся: протеазы - ферменты, разрушающие иммуноглобулины; коагулаза - фермент, свертывающий плазму крови; фибринолизин - растворяющий сгусток фибрина; лецитиназа - фермент, действующий на фосфолипиды мембран мышечных волокон, эритроцитов и других клеток. Патогенность может быть связана и с другими ферментами микроорганизмов, при этом они действуют как местно, так и генерализовано.

Важную роль в развитии инфекционного процесса играют токсины. По биологическим свойствам бактериальные токсины делятся на экзотоксины и эндотоксины.
Экзотоксины продуцируют как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии. По своей химической структуре это белки. По механизму действия экзотоксина на клетку различают несколько типов: цитотоксины, мембранотоксины, функциональные блокаторы, эксфолианты и эритрогемины. Механизм действия белковых токсинов сводится к повреждению жизненно важных процессов в клетке: повышение проницаемости мембран, блокады синтеза белка и других биохимических процессов в клетке или нарушении взаимодействия и взаимокоординации между клетками. Экзотоксины являются сильными антигенами, которые и продуцируют образование в организме антитоксинов.

Экзотоксины обладают высокой токсичностью. Под воздействием формалина и температуры экзотоксины утрачивают свою токсичность, но сохраняют иммуногенное свойство. Такие токсины получили название анатоксины и применяются для профилактики заболевания столбняка, гангрены, ботулизма, дифтерии, а также используются в виде антигенов для иммунизации животных с целью получения анатоксических сывороток.

Эндотоксины по своей химической структуре являются липополисахаридами, которые содержатся в клеточной стенке грамотрицательных бактерий и выделяются в окружающую среду при лизисе бактерий. Эндотоксины не обладают специфичностью, термостабильны, менее токсичны, обладают слабой иммуногенностью. При поступлении в организм больших доз эндотоксины угнетают фагоцитоз, гранулоцитоз, моноцитоз, увеличивают проницаемость капилляров, оказывают разрушающее действие на клетки. Микробные липополисахариды разрушают лейкоциты крови, вызывают дегрануляцию тучных клеток с выделением вазодилататоров, активируют фактор Хагемана, что приводит к лейкопении, гипертермии, гипотонии, ацидозу, дессиминированной внутрисосудистой коагуляции (ДВК).

Эндотоксины стимулируют синтез интерферонов, активируют систему комплемента по классическому пути, обладают аллергическими свойствами.
При введении небольших доз эндотоксина повышается резистентность организма, усиливается фагоцитоз, стимулируются В-лимфоциты. Сыворотка животного иммунизированного эндотоксином обладает слабой антитоксической активностью и не нейтрализует эндотоксин.

Патогенность бактерий контролируется тремя типами генов: гены - собственной хромосомами, гены привнесенные плазмидами умеренными фагами.

Патогенность - это видовой признак, определяющий способность определенного вида микроорганизмов вызывать инфекционный процесс у определенного вида макроорганизма.

Вирулентность - фенотипический признак микроорганизма, мера патогенности

Факторы патогенности

I. Адгезии и колонизации.

Адгезия - это пусковой момент инфекции. Адгезия обусловлена чувствительностью микроба к рецепторам клеток хозяина и органотропностью (комплементарное взаимодействие макромолекул на поверхности микроба с рецепторами эукариотической клетки).

Адгезины - структуры микроба (макромолекулы) ответственные за прилипание, т.е. связывание с клетками хозяина.

Адгезины:

Гр + бактерий - основные белки (они активируют транслокацию микроба вглубь эпителиальной клетки) и тейхоевые кислоты клеточной стенки;

Гр - бактерий - белки наружной мембраны, ЛПС и фимбрии (пили первого или общего типа);

Капсульных бактерий – капсула;

Микоплазм - макромолекулы, входящие в состав выростов цитоплазматической мембраны;

Вирусов - специфические структуры белковой или полисахаридной природы.

Колонизация зависит как от дозы микробов, так и количества рецепторов для них

на поверхности клеток макроорганизма.

При отсутствии адгезинов и комплементарных рецепторов инфекционный процесс не развивается.

II. Факторы вирулентности (агрессии и инвазии).

Инвазивность (от лат. invasion - нападение) - это способность микробов проникать через кожные покровы и слизистые оболочки во внутреннюю среду организма хозяина и распространяться по его тканям и органам.

Агрессивность - способность противостоять факторам макроорганизма и размножаться в нем.

1. Ферменты:

а) инвазионные (гиалуронидаза, фибринолизин и др.);

б) защитные (плазмокоагулаза и др.);

Ферменты и механизм действия

2. Токсины - (toxikon - яд) - продукты бактерий, которые в малых дозах вызывают структурные или функциональные повреждения клеток. Оказывают не только местное действие, но и системные эффекты, далеко выходящие за зону первичной локализации.

Характеристика бактериальных экзо- и эндо-токсинов

III. Факторы персистенции

Персистенция - длительное переживание возбудителя в организме

Методики выявления:

а) плазмокоагулазной активности бактерий

Посев выделенной культуры бактерий проводят в разведённую физ. раствором 1:4 стерильную цитратную плазму крови. Пробирки ставят в термостат при 37°С на 2 - 5 часов. При наличии у выделенной культуры фермента плазмокоагулазы происходит коагуляция плазмы, а при отсутствии данного фермента жидкость будет прозрачной.

б) фибринолитической активности бактерий

Продлив время пребывания пробирок в термостате, можно наблюдать растворение сгустка, что свидетельствует о наличии фибринолитической способности изучаемого штамма.

в) лецитиназной активности бактерий

Лецитиназная активность проявляется при посеве на агар с яичным желтком в образовании вокруг колоний характерного помутнения с радужным венчиком.

г) гемолитической активности бактерий

Гемолитическая активность проявляется при посеве на кровяной агар образованием вокруг колоний зоны просветления.

Фенотипическим признаком патогенного микроорганизма является его вирулентность , т.е. свойство штамма, которое проявляется в определенных условиях (при изменчивости микроорганизмов, изменении восприимчивости макроорганизма и т.д.). Вирулентность можно повышать, понижать, измерять, т.е. она является мерой патогенности. Количественные показатели вирулентности могут быть выражены в DLM (минимальная летальная доза), DL« (доза, вызывающая гибель 50 % экспериментальных животных). При этом учитывают вид животных, пол, массу тела, способ заражения, срок гибели.

К факторам патогенности относят способность микроорганизмов прикрепляться к клеткам (адгезия), размещаться на их поверхности (колонизация), проникать в клетки (инвазия) и противостоять факторам защиты организма (агрессия).

Адгезия является пусковым механизмом инфекционного процесса. Под адгезией понимают способность микроорганизма адсорбироваться на чувствительных клетках с последующей колонизацией. Структуры, ответственные за связывание микроорганизма с клеткой называются адгезинами и располагаются они на его поверхности. Адгезины очень разнообразны по строению и обусловливают высокую специфичность - способность одних микроорганизмов прикрепляться к клеткам эпителия дыхательных путей, других - кишечного тракта или мочеполовой системы и т.д. На процесс адгезии могут влиять физико-химические механизмы, связанные с гидрофобностью микробных клеток, суммой энергии притяжения и отталкивания. У грамотрицательных бактерий адгезия происходит за счет пилей I и общего типов. У грамположительных бактерий адгезины представляют собой белки и тейхоевые кислоты клеточной стенки. У других микроорганизмов эту функцию выполняют различные структуры клеточной системы: поверхностные белки, липополисахариды, и др.

Инвазия. Под инвазивностью понимают способность микробов проникать через слизистые, кожу, соединительно-тканные барьеры во внутреннюю среду организма и распространятся по его тканям и органам. Проникновение микроорганизма в клетку связывается с продукцией ферментов, а также с факторами подавляющими клеточную защиту. Так фермент гиалуронидаза расщепляет гиалуроновую кислоту, входящую в состав межклеточного вещества, и, таким образом, повышает проницаемость слизистых оболочек и соединительной ткани. Нейраминидаза расщепляет нейраминовую кислоту, которая входит в состав поверхностных рецепторов клеток слизистых оболочек, что способствует проникновению возбудителя в ткани.

Агрессия. Под агрессивностью понимают способность возбудителя противостоять защитным факторам макроорганизма. К факторам агрессии относятся: протеазы - ферменты, разрушающие иммуноглобулины; коагулаза - фермент, свертывающий плазму крови; фибринолизин - растворяющий сгусток фибрина; лецитиназа - фермент, действующий на фосфолипиды мембран мышечных волокон, эритроцитов и других клеток. Патогенность может быть связана и с другими ферментами микроорганизмов, при этом они действуют как местно, так и генерализовано.

Важную роль в развитии инфекционного процесса играют токсины. По биологическим свойствам бактериальные токсины делятся на экзотоксины и эндотоксины.

Экзотоксины продуцируют как грамположительные, так и грамотрицательные бактерии. По своей химической структуре это белки. По механизму действия экзотоксина на клетку различают несколько типов: цитотоксины, мембранотоксины, функциональные блокаторы, эксфолианты и эритрогемины. Механизм действия белковых токсинов сводится к повреждению жизненно важных процессов в клетке: повышение проницаемости мембран, блокады синтеза белка и других биохимических процессов в клетке или нарушении взаимодействия и взаимокоординации между клетками. Экзотоксины являются сильными антигенами, которые и продуцируют образование в организме антитоксинов.

Экзотоксины обладают высокой токсичностью. Под воздействием формалина и температуры экзотоксины утрачивают свою токсичность, но сохраняют иммуногенное свойство. Такие токсины получили название анатоксины и применяются для профилактики заболевания столбняка, гангрены, ботулизма, дифтерии, а также используются в виде антигенов для иммунизации животных с целью получения анатоксических сывороток.

Эндотоксины по своей химической структуре являются липополисахаридами, которые содержатся в клеточной стенке грамотрицательных бактерий и выделяются в окружающую среду при лизисе бактерий. Эндотоксины не обладают специфичностью, термостабильны, менее токсичны, обладают слабой иммуногенностью. При поступлении в организм больших доз эндотоксины угнетают фагоцитоз, гранулоцитоз, моноцитоз, увеличивают проницаемость капилляров, оказывают разрушающее действие на клетки. Микробные липополисахариды разрушают лейкоциты крови, вызывают дегрануляцию тучных клеток с выделением вазодилататоров, активируют фактор Хагемана, что приводит к лейкопении, гипертермии, гипотонии, ацидозу, дессиминированной внутрисосудистой коагуляции (ДВК).

Эндотоксины стимулируют синтез интерферонов, активируют систему комплемента по классическому пути, обладают аллергическими свойствами.

При введении небольших доз эндотоксина повышается резистентность организма, усиливается фагоцитоз, стимулируются В-лимфоциты. Сыворотка животного иммунизированного эндотоксином обладает слабой антитоксической активностью и не нейтрализует эндотоксин.

Патогенность бактерий контролируется тремя типами генов: гены - собственной хромосомами, гены привнесенные плазмидами умеренными фагами.

Инфекционный процесс.

Учение об инфекции рассматривает свойства микробов, позволяющих им существовать в макроорганизме и оказывать на него патогенное воздействие с учетом защитно-приспособительных реакций макроорганизма на всех этапах развития болезни.

Термином "инфекция " или "инфекционный процесс " обозначают совокупность физиологических и патологических восстановительно-приспособительных реакций, возникающих в восприимчивом организме при определенных условиях окружающей среды в результате его взаимодействия с проникшими и размножающимися в нем патогенными или условно-патогенными бактериями, грибами и вирусами и направленных на поддержание постоянства внутренней среды макроорганизма (гомеостаза ). Сходный процесс, вызванный простейшими, гельминтами или насекомыми называется инвазия .

К группе белковых бактериальных токсинов относятся термолабильные и термостабильные белки, образуемые грам + и грам - патогенными бактериями с аэробным и анаэробным метаболизмом. Это ферменты, оказывающие свое повреждающее действие на макроорганизм в исключительно малых количествах. Могут секретироваться бактериальной клеткой в окружающую среду, либо находиться с клеткой в связанном состоянии, высвобождаясь при автолизе клетки.

По степени связи с бактериальной клеткой их делят на три класса:

Класс А - секретируемые во внешнюю среду;

Класс В - токсины, локализованные в периплазматическом пространстве, частично связанные с клеткой и частично секретируемые во внешнюю среду. Такие токсины называют мезотоксинами . Они не имеют сигнального пептида, поэтому не секретируются в окружающую среду. Высвобождение их происходит при слиянии с мембранами клетки и эксфолиации (отслоение, десквамация) клеточных мембран.

Класс С - токсины, прочно связанные с микробной клеткой и попадающие в окружающую среду только в результате гибели клетки.

По строению белковые токсины делят на простые и сложные .

Простые токсины образуются в виде единой полипептидной цепи или протоксина, функционально неактивного, который под действием протеаз самого микроба либо протеаз представителей нормальной микрофлоры или протеаз клеток и тканей макроорганизма превращается в активную В-А-структуру . Часть В не обладает токсичностью. Это природный токсоид или анатоксин , который выполняя транспортную функцию, взаимодействует со специфическим рецептором на эукариотической клетке и, образуя канал в ее цитоплазматической мембране, обуславливает проникновение внутрь клетки токсической группы А или активатора . Она токсична только при наличии группы В, которая обеспечивает специфичность и органотропность действия токсина.

Сложные токсины представляют собой уже готовую бифункциональную структуру, состоящую из одной или нескольких групп В, соединенных с группой А. Субъединицы А и В синтезируются в клетке независимо и в последующем соединяются в единый комплекс.

Механизм действия белковых токсинов на макромолекулярном уровне состоит из нескольких стадий.

Ввиду того , что белковые токсины являются высокомолекулярными соединениями и самостоятельно не проникают через клеточные мембраны, необходима их диссоциация. На первой стадии белковый токсин за счет своих абордажных молекул В фиксируется на поверхности клетки, взаимодействуя со специфическими рецепторами различной химической природы, что ведет к образованию комплекса токсин-рецептор .

В течение второй стадии происходит активация токсина под действием протеаз по типу ограниченного протеолиза с последующим образованием бифункциональной А-В-структуры. Изменение конформационной структуры молекулы токсина ведет к раскрытию у нее каталитического центра и появлению ферментативной активности. Третья стадия заключается в трансмембранной транслокации части А в цитоплазму клетки, где она нарушает жизненно важные биохимические процессы в клетке, действуя на свои специфические мишени.

Высокая рецепторная специфичность части В и высокая избирательность катализа части А в совокупности обуславливают специфичность действия белкового токсина.

Бактериальные токсины сходны по структуре и целому ряду других свойств с сигнальными молекулами макроорганизма: гормонами, нейромедиаторами, интерферонами и др. В ходе лиганд-рецепторного взаимодействия с клетками макроорганизма они используют уже готовые структуры, участвующие в нейрогуморальной сигнализации. Являясь антиметаболитами сигнальных молекул макроорганизма, они первоначально имитируют их действие, а затем оказывают блокирующий эффект.

Универсальность белковых токсинов заключается в их полифункциональности , и не ограничивается их значением только как факторов патогенности. Их образование играет существенную роль в экологии бактерий, их существованию в природных биоценозах. Благодаря сходству строения с бактериоцинами, они оказывают токсическое воздействие на конкурентов, в том числе и на представителей нормальной микрофлоры макроорганизма. Обладая ферментативной активностью, они выполняют трофическую функцию жизнеобеспечения микробной клетки.

Белковые бактериальные токсины являются полноценными тимусзависимыми антигенами, к ним образуются антитоксины - специфические антитела, нейтрализующие их. Из белковых токсинов можно получить анатоксины , т.е. токсины, лишенные токсических свойств, но сохранивших антигенные свои свойства, что используется при проведении вакцинопрофилактики и серотерапии.

При применении антитоксических сывороток необходимо учитывать тот факт, что белковый токсин может быть нейтрализован антителами только тогда, когда он находится в крови или лимфе, а также на поверхности клетки. Специфическими антителами блокируется взаимодействие токсина со специфическими рецепторами, нарушается процесс диссоциации комплекса токсин-рецептор и транслокации части А в цитоплазму клетки-мишени. Через мембрану клетки антитела не проникают и нейтрализовать транслоцированную часть А на могут, чем объясняется 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);