Разделяются на три категории: 1) факторы патогенности с инвазивной функцией; 2) факторы патогенности с антифагоцитарной функцией; 3) факторы патогенности с токсической функцией.
Факторы патогенности с инвазивной функцией. Для того чтобы проникнуть в макроорганизм, патогенный микроб должен преодолеть его слизистые оболочки, кожные покровы и другие тканевые барьеры. В основе прохождения через ткани лежит молекулярное взаимодействие ферментных систем возбудителя с веществами, из которых построены тканевые структуры макроорганизма. Патогенные микробы продуцируют ферменты, способные деполимеризовать основные вещества тканей, увеличивая тем самым их проницаемость и способствуя проникновению и распространению возбудителя. Перечень и действие ферментов патогенности разнообразны.
Фермент гиалуронидаза вызывает гидролиз гиалуроновой кислоты — основного компонента соединительной ткани. Гиалуро-нидазная активность обнаружена у патогенных микроорганизмов с внеклеточным характером паразитизма: стафилококков, гемолитических стрептококков группы А, пневмококков и др.
Фермент нейраминидаза отщепляет от разных гликоконъюгатов — гликопротеидов, гликолипидов и олигосахаридов производные нейраминовой кислоты — сиаловые кислоты, в связи с чем этот энзим еще называют сиалидазой. Сиаловые кислоты в составе функционально важных гликоконъюгатов содержатся в большом количестве в тканях, клетках, слизистых секретах и других биологических жидкостях организма. Они определяют вязкость биологических жидкостей, заряд клеток, принимают участие в межклеточных контактах, в процессах рецепции и биологического узнавания. Поэтому выработка нейраминидазы может привести к разнообразным нарушениям и патологическим изменениям. Нейраминидазу продуцируют многие бактерии: стрептококки, бактероиды и др.
Фермент коллагеназа, продуцируемый возбудителями анаэробных инфекций, вызывает интенсивное разрушение тканевых белков, коллагеновых структур, что ведет к расплавлению мышечной ткани и способствует распространению микробов в тканях.
Фермент лецитиназа, вырабатываемый возбудителями анаэробной инфекции, стафилококками и другими микроорганизмами, вызывает гидролиз лецитина, входящего в состав клеточных и митохондриальных мембран.
Фермент фибринолизин, продуцируемый стафилококками, стрептококками, бактериями чумы, растворяет образующиеся при воспалении сгустки фибрина, препятствующие распространению микробов в организме.
Вырабатываемый патогенными стафилококками фермент коагулаза коагулирует плазму крови. Это способствует образованию вокруг стафилококковых поражений фибриновых барьеров, которые создают условия для длительного сохранения бактерий в тканях. Отложение под влиянием коагулазы фибрина на поверхности клеток стафилококка затрудняет их фагоцитоз и лизис.
Факторы патогенности с антифагоцитарной функцией. Непременным условием развития инфекционного процесса является персистенция микроба в организме в течение определенного периода времени. Она зависит от способности микроба противостоять защитным силам организма, в частности конститутивным факторам, особое место среди которых занимает фагоцитоз. При отсутствии способности преодолевать фагоцитарный барьер микробы подвергаются завершенному фагоцитозу, сопровождающемуся их гибелью.
В ходе эволюции патогенные микробы приобрели специальные приспособления, обеспечивающие их защиту от фагоцитоза. Антифагоцитарные свойства микробов связаны с их способностью образовывать вещества, блокирующие процесс фагоцитоза на различных стадиях. Одни из них подавляют реакцию хемотаксиса фагоцитов, другие блокируют прикрепление микробных клеток к фагоцитам и их поглощение, третьи противодействуют внутриклеточному перевариванию поглощенных микробов, и наконец, некоторые из этих веществ (лейкоцидины) вызывают лизис фагоцитов. Большая часть приспособлений направлена на преодоление узнавания и поглощения микробной клетки фагоцитом.
Агрессины — это вещества, подавляющие фагоцитоз и бактериолиз. Утрата агрессинов приводит к переходу бактерий из S- в R-форму. Агрессины в чистом виде обладают иммуногенной активностью. При добавлении агрессинов к живым патогенным микробам повышается их вирулентность. Они обладают специфичностью.
В отличие от инвазивной функции, осуществляемой продуктами метаболизма, антифагоцитарные функции выполняют определенные поверхностно-расположенные морфологические структуры микробной клетки. Особое место среди них принадлежит капсуле и капсулоподобным покровам. Из патогенных бактерий капсулу образуют пневмококки, возбудители сибирской язвы, чумы, туляремии, анаэробной инфекции.
Существование корреляции между капсулообразованием и вирулентностью особенно четко прослеживается у сибиреязвенных бацилл.
Значение капсулы в антифагоцитарном эффекте прежде всего сводится к экранированию поверхностных клеточных структур — пептидогликана у грамположительных и липополисахарида у грамотрицательных бактерий, с которыми взаимодействует система комплемента (белок сыворотки крови сложного строения), играющая важную роль на стадии узнавания.
Антифагоцитарное действие слизи связано с гликолипопротеидом, в частности с его полисахаридным компонентом, и направлено против макрофагов. Связывание полисахаридной части молекулы с поверхностью макрофага не обеспечивает контакта между взаимодействующими клетками вследствие хорошей отделяемости слизи от микробной клетки. Липидная часть гликолипопротеидного полимера, как полагают, несет ответственность за функцию подавления нейтрофилов, приводящую к развитию нейтропении (снижение числа нейтрофилов), часто возникающей при псевдомонадной инфекции.
Муциназа - представитель группы ферментов различного происхождения, способных расщеплять кислые мукополисахариды.
Кроме того, с помощью фермента муциназа, который продуцируется бактерией, в желудочной слизи разрушается белок муцин, и как следствие она разжижается. Это позволяет хеликобактерным бактериям легко проникнуть в слой защитной слизи и прикрепиться в антральном отделе желудка к клеткам цилиндрического эпителиального слоя, при этом заселив всю слизистую оболочку. Далее может возникнуть воспалительный процесс, и, как следствие, усиливается продуцирование соляной кислоты. При этом бактерия хеликобактер пилори может выделять цитотоксины, которые в свою очередь вызывают повреждение клеток слизистой оболочки, и это способствует развитию язвенной болезни желудка.
Муциназа способствует разрушению полимерных структур желудочной слизи, при этом нарушается целостность слизистого геля, который становится менее вязким и отчасти теряет свои протективные свойства. Следствием повреждения муцинового слоя, по-видимому, является нарушение нормального пассажа Н + -ионов через слизистую оболочку, происходит их обратная диффузия.
Роль факторов патогенности с функцией защиты от фагоцитоза могут выполнять также другие поверхностно расположенные компоненты микробной клетки, объединяемые общим названием — оболочечные антигены: Vi-антиген — у возбудителя сальмонеллеза, М-антиген — у гемолитического стрептококка, липидная фракция — у микобактерий туберкулеза. У бактерий чумы имеются три субстанции с антифагоцитарными свойствами, обеспечивающие защиту возбудителя от различных клеток фагоцитарной системы. С V- и W-антигенами связана резистентность Yersinia pestis к моноцитам. Бактерии, содержащие эти субстанции, будучи поглощенными моноцитами, интенсивно размножаются в них, а после освобождения из моноцитов образуют фракцию F-1, приобретая устойчивость к полиморфно-ядерным лейкоцитам.
Факторы патогенности, обеспечивающие защиту микробной клетки от фагоцитоза, характеризуются, как правило, хорошо выраженными антигенными свойствами, и выработка антител против этих субстанций лежит в основе иммунитета при ряде инфекций.
- Факторы патогенности с токсической функцией. Факторы патогенности с инвазивной и антифагоцитарной функциями играют роль на начальных стадиях развития инфекции. Выработка этих факторов и их воздействие на клетки и ткани является пусковым моментом в возникновении инфекционного процесса.
Дальнейшее же развитие процесса, формирование специфических патологических поражений при многих инфекциях определяется преимущественно группой факторов с токсической функцией. Считается, что токсигенностъ — способность вырабатывать токсические вещества — является более поздним эволюционным приобретением патогенных микробов по сравнению с агрессивными факторами.
Микробные токсины имеют различную химическую структуру и различаются по характеру биологического действия. В основу предложенной ранее классификации токсинов положен принцип локализации их в микробной клетке. Все токсические вещества микроорганизмов делятся на внеклеточные и внутриклеточные (экзотоксины и эндотоксины).
Экзотоксины являются продуктами метаболизма микробной клетки и выделяются в окружающую среду. Экзотоксины продуцируют стафилококки, стрептококки, возбудители столбняка, ботулизма, анаэробной инфекции, сибирской язвы, чумы и др. Получают экзотоксины сравнительно простыми методами. Культуру токсигенного микроба выращивают в течение определенного времени на соответствующей питательной среде, а затем освобождают культуральную жидкость от микробных клеток путем фильтрования через бактериальные фильтры или центрифугированием. Полученный фильтрат или супернатант помимо токсина содержит также другие продукты метаболизма и называется нативным токсином.
Путем осаждения сульфатом аммония, кислотами, спиртом, ультрафильтрацией, электродиализом из него получают очищенный токсин. В очищенном виде получены столбнячный, ботулинический токсины, стафилококковые энтеротоксины и др.
Эндо- и экзотоксины
Эндотоксины являются составной частью микробной клетки и освобождаются только при ее распаде. Эндотоксины содержат многие грамотрицательные бактерии: возбудители сальмонеллезов, кол и энтеритов, бруцеллеза, туляремии. Для получения эндотоксинов используют сложные методы, основанные на экстрагировании микробной массы различными химическими растворителями. Нередко экстрагированию предшествует дезинтеграция клеток тем или иным способом: механическим растиранием, попеременным замораживанием и оттаиванием, озвучиванием ультразвуком, разрушением под высоким давлением.
Деление токсинов на экзо- и эндотоксины является несколько условным, так как согласно полученным в последние годы данным некоторые субстанции со свойствами экзотоксинов могут быть прочно связаны с определенными структурными компонентами микробной клетки (например, у чумных бактерий), а эндотоксины в процессе роста культуры частично выделяются в окружающую среду. Однако несмотря на то что наименование экзо- и эндотоксины утратило в настоящее время свой первоначальный смысл, эти две категории токсичных субстанций четко различаются между собой многими физико-химическими и биологическими свойствами.
Экзотоксины представляют собой вещества белковой природы. По химической структуре они делятся на простые и сложные. Простые экзотоксины синтезируются микробной клеткой в форме единой полипептидной цепи. К простым относятся дифтерийный, столбнячный, ботулинический токсины. Сложные экзотоксины состоят из двух и более компонентов. Сложную структуру имеют холерный энтеротоксин (холероген), ТОКСИН СИбиреязвенных бацилл, а-токсин возбудителя анаэробной инфекции.
Химической природой экзотоксинов объясняется их малая устойчивость к факторам внешней среды, в частности к повышенной температуре. Большинство экзотоксинов (дифтерийный, столбнячный и др.) термолабильны, разрушаются при 60 °С в течение 20...60 мин. Исключение составляют ботулинический токсин, энтеротоксины стафилококка, кишечной палочки, выдерживающие кипячение в течение нескольких минут. Эти токсины не разрушаются под влиянием пищеварительных ферментов и при пероральном введении вызывают отравление организма.
Экзотоксины легко диффундируют в окружающую среду из микробных клеток. Обладают высокой активностью. Избирательно поражают отдельные органы и ткани. Выражены антигенные свойства; вызывают образование в организме антитоксинов. Протеины обладают свойствами ферментов; некоторые получены в кристаллическом состоянии. Термолабильны. Неустойчивы к протеолитическим ферментам (38...40°С). Под действием 0,3...0,4%-ного формалина переходят в анатоксины.
Эндотоксины прочно связаны с неразрушенным телом микробной клетки; менее токсичны. Избирательного действия не наблюдается или оно слабо выражено. Слабые антигены; антисыворотки обладают невысокой активностью. Протеины или различные химические комплексы — глюцидолипоиды, полиса-харидолипоидопротеиды. Термостабильны. Устойчивы к действию протеолитических ферментов. Более устойчивы к формалину.
Отличительной особенностью большинства экзотоксинов является выраженная органотропностъ, проявляющаяся в избирательном поражении определенных органов и тканей. Высокая специфичность действия экзотоксинов обусловливает характерную клиническую картину заболевания. В основе патогенетического действия токсинов лежит их способность разрушать определенные клеточные структуры или нарушать определенные клеточные функции. Органотропность и специфичность действия экзотоксинов связаны с наличием на поверхности чувствительных клеток организма специфических рецепторных структур, к которым присоединяются молекулы токсина, и особенностями строения токсинов.
Роль клеточных рецепторов для большинства известных бактериальных экзотоксинов (столбнячного, ботулинического, холерного и др.) выполняют молекулы ганглиозидов. Ганглиозиды представляют собой гликосфинголипиды, содержащие сиаловые кислоты, причем непосредственное участие в связывании с токсином принимает углеводная часть ганглиозидной молекулы. Именно поэтому воздействие нейраминидазой, расщепляющей сиало-вые кислоты, снижает степень связывания ганглиозида с токсином, а ганглиозиды, лишенные остатков сиаловой кислоты, не обладают токсинсвязывающей способностью.
Соединение токсина с рецептором клетки осуществляется посредством определенного участка молекулы.
Токсины представляют собой биологически активные макро-молекулярные системы с двумя четко разграниченными функциями. Одна часть молекулы содержит активированные группы, ответственные за специфическое патогенетическое действие токсина. Другая часть несет акцепторные группы, ответственные за присоединение токсина к определенным рецепторным структурам на чувствительной клетке.
Взаимодействие токсина с чувствительной клеткой, приводящее к развитию интоксикации, осуществляется в несколько последовательных этапов и связано с его активацией.
Многие экзотоксины, как простые так и сложные, синтезируются патогенными бактериями в виде неактивных предшественников, именуемых протоксинами, и проявляют биологическую активность только после активации. Процесс активации протоксинов in vivo осуществляется по типу ограниченного протеолиза, по-видимому под действием протеаз, вырабатываемых либо самой бактериальной клеткой, либо тканью-мишенью.
У простых токсинов в результате протеолиза происходит расщепление одноцепочечной молекулы с образованием бифункциональной системы, состоящей из активаторного и акцепторного фрагментов.
В отличие от названных энтеротоксинов действие энтеротоксинов, вырабатываемых Staph, aureus, Cl. perfringens, В. cereus, вызывающих пищевые отравления, сопровождающиеся также рвотой и диареей, не ограничивается одними лишь изменениями в проницаемости кишки. Например, энтеротоксины стафилококка представляют собой нейротоксины и действуют через алиментарный тракт на центральную и вегетативную нервную систему.
Многие патогенные микроорганизмы, как, например возбудители ботулизма, анаэробной инфекции, стафилококки, стрептококки, секретируют в культуральную среду токсичные вещества, обладающие способностью в опытах in vitro лизировать эритроциты и получившие в связи с этим название гемолизины. При внутривенном введении мышам эти токсины оказывают летальное действие.
Экзотоксины чрезвычайно токсичны, действуют в малых дозах. Токсические свойства их измеряют в Dim и LD50, которые определяют в экспериментах на чувствительных животных. Наиболее сильным из бактериальных токсинов является ботулинический. В 1 мг чистого токсина ботулина содержится около 1 000 000 Dim для морских свинок.
Токсичность связана с наличием в структуре токсинов активного центра, блокирование которого путем обработки формалином (0,3...0,4%-ный раствор формалина при 38 °С в течение 30 дней) приводит к утрате токсических свойств. Такие обезвреженные токсины именуются анатоксинами (токсоидами). Они широко применяются в качестве вакцин для профилактики заболеваний, в патогенезе которых основную роль играет токсический фактор (дифтерия, столбняк и др.).
У всех экзотоксинов хорошо выражены антигенные и иммуногенные свойства, которые сохраняются после их детоксикации. Антитела против экзотоксинов обладают защитным действием и составляют основу антитоксического иммунитета. Для лечения столбняка, ботулизма и других инфекций используют антитоксические сыворотки, содержащие антитела — антитоксины.
Эндотоксины входят в состав внешнего слоя клеточной стенки грамотрицательных бактерий. По химической природе они представляют собой липополисахариды (ЛПС) и являются структурным компонентом соматического О-антигена, который кроме ЛПС включает также протеин.
В состав ЛПС входит липид А и полисахаридная область, состоящая из базальной структуры и О-специфических боковых цепей.
Липид А, являющийся существенной частью эндотоксина, ответственной за его токсические свойства, имеет сходную структуру и химический состав у различных видов грамотрицательных бактерий и состоит из ацетилглюкозамина и длинноцепочечных жирных кислот.
О-полисахариды боковых цепей ЛПС, в отличие от базальной структуры полисахарида и липида А, характеризуются чрезвычайным разнообразием и определяют серологическую специфичность различных бактерий.
Наиболее изучены эндотоксины энтеробактерий: сальмонелл, эшерихий. Кроме токсичности они обладают пирогенностью — способностью вызывать повышение температуры тела. За пиро-генность, равно как и за токсичность, ответственна липидная фракция токсина. Пирогенный эффект эндотоксина связан с высвобождением под его влиянием эндогенного пирогенного вещества из полиморфно-ядерных лейкоцитов и макрофагов.
Эндотоксины имеют характеристики, часто прямо противоположные таковым экзотоксинов. Эндотоксины термостабильны, некоторые из них выдерживают длительное кипячение и даже автоклавирование при 120 °С в течение 30 мин. При обработке формалином эндотоксины обезвреживаются лишь частично. Эндотоксины по сравнению с экзотоксинами менее токсичны: Ь05о для среднего эндотоксинового препарата составляет от 200 до 400 мг на мышь.
Органотропность у эндотоксинов выражена слабо. При введении в организм в больших дозах все эндотоксины вызывают общее отравление с однотипной клинической картиной: слабость, одышку, диарею, понижение температуры тела. Сходное биологическое действие эндотоксинов различного происхождения, очевидно, объясняется отсутствием специфики в структуре липида А, ответственного за их биологическую активность.
В отличие от экзотоксинов эндотоксины обладают относительно слабыми антигенными свойствами. Антисыворотки к эндотоксинам не полностью нейтрализуют их токсические свойства. Объясняется это тем, что эндотоксины индуцируют образование антител к полисахаридной части, а токсичность их обусловлена липидным компонентом.
Одной из особенностей эндотоксинов энтеробактерий является их способность вызывать в небольших дозах временное повышение устойчивости организма к инфекции. Роль эндотоксина в увеличении резистентности неспецифична: липополисахарид, полученный из одного вида бактерий, вызывает формирование устойчивости к заражению другими видами как грамотрицательных, так и грамположительных бактерий. В механизме развития устойчивости основное значение принадлежит активации макрофагальной системы организма и индукции выработки интерферона. Явление неспецифической стимуляции защитных систем играет существенную роль, так как в естественных условиях постоянно происходит иммунизация человека и животных эндотоксинами кишечных бактерий.
Генетический контроль токсигенности. Токсигенные свойства микроорганизмов находятся под контролем так называемых 1ох-генов, локализованных в хромосоме или внехромосомных генетических структурах. Синтез эндотоксинов кодируется генами бактериальной хромосомы. Контролирующие синтез экзотоксинов гены могут содержаться как в хромосоме, так и в профагах или плазмидах. Хромосомными генами детерминируется, в частности некротоксин возбудителя анаэробной инфекции (С. реНгт§еп8).
Утрата бактериями Юх-генов лишает их токсигенности и сопровождается снижением или полной утерей патогенности.
Адгезивность как фактор патогенности. Для проявления повреждающего действия микроб должен проникнуть в ткани хозяина. В ходе эволюции патогенные микроорганизмы приспособились к проникновению в макроорганизм через определенные ткани, где они находят благоприятные условия для своего развития и которые именуются входными воротами инфекции.
Одни виды микробов могут вызывать заболевания только при проникновении в организм через строго определенные ворота. Некоторые виды микроорганизмов, например возбудители чумы, туляремии, сибирской язвы, могут вызывать заболевания, проникая в организм через различные входные ворота, чем обусловливается специфика клинических форм заболевания.
Внедрение микроба в организм хозяина осуществляется через наружные покровы — кожу и слизистые мембраны, выполняющие роль барьеров для микроорганизмов. Неповрежденная кожа непроницаема для микроорганизмов, и внедрение микробов через кожу в подкожные слои почти всегда осуществляется через раны.