Toksyny bakteryjne w patomechanizmie zakażenia Prof. dr hab. Anna Przondo-Mordarska Katedra i Zakład Mikrobiologii Akademia Medyczna we Wrocławiu

Nomenklatura toksyn bakteryjnych Charakter chemiczny białko lipopolisacharyd Sposób uwalniania egzotoksyny endotoksyny

Endotoksyny

Biologiczna aktywność LPS Wrażliwość na letalne l działanie ł i endotoksyn jest uwarunkowana genetycznie Zależnie od gatunku zwierzęcia i szczepu bakteryjnego będącego dawcą LPS obserwuje się: Wzrost temperatury ciała Stan zapalny Leukopenia z następczą leukocytozą β - tubulina białko MAP 2 Hiperglikemia Nadciśnienie płucne Szok Całkowite wyczerpanie Krwawienie Zgon

LPS

Ektotoksyny Mechanizm działania Uszkodzenie błon biologicznych Hamujące syntezę białka Uszkadzające wewnątrzkomórkową regulację rybozylacja białka G cyklazy adenylowej Depolimeryzujące aktynę uszkadzający cytoszkielet komórki eukariotycznej Działające na czynność neuronów hamowanie transmisji neuromediatora Immunomodulujące superantygeny Blokujące receptor β-drenergiczny i Rodzaj komórek na które działają: neurotoksyna, kardiotoksyna, leukotoksyna, enterotoksyny Drobnoustrój wytwarzający; toksyna błonicza, tężcowa, itd. Sposób działania

Nomenklatura ektotoksyn bakteryjnych Typ I toksyna wiąże się tylko z powierzchnią komórki i oddziaływuje na nią (superantygeny) Typ II niszczą integralność błony komórki ki eukariotycznej ( działanie cytolityczne) Typ III toksyny dwuskładnikowe A-B wiążące się (część B z receptorem na komórce i przemieszczające część A do wnętrza komórki

Toksyny bakteryjne Toksyna (jednostka chorobowa) Rodzaj bakterii Komórki gospodarza Mechanizm działania Rola w patogenezie Superantygeny (Typ I toksyn) Toksyna szoku toksycznego (TSST) Paciorkowcowa pyrogrnna egzotoksyna (Spe) Sta[hylococcus aureus Kom. T, makrofagi Stymulacja cytokin przez T kom. Odpowiedzialna za gorączkę i inne objawy szoku toksycznego Streptococcus pyogenes Kom. T, makrofagi Produkcka cytokin przez T kom. Odpowiedzialna za gorączkę i inne objawy szoku toksycznego Ronkowcowa Staphylococcus..., kom.t, Produkcka k cytokin Pobudzenie układu enterotoksyna (zatrucia pokarmowe) aureus makrofagi przez T kom. wegetatywnego wymioty Termostabilina toksyna STa E.Coli enterotoksynoge nna (ETEC) Nabłonek jelitowy Analog hormonu, wiązanie do cyklazy adenylowej na kom. jelitowych, stymulacja produkcji cgmp Przyczyna biegunki

Toksyny bakteryjne Toksyna Rodzaj Komórki Mechanizm Rola w (jednostka bakterii gospodarza działania patogenezie chorobowa) Typ II toksyn uszkadzające błonę komórkową α toksyna (gangrena) Clostridium perfringens różne fosfolipaza Niszczy fagocyty, niszczy tkanki α Toksyna Staphylococcus różne Tworzenie por w Uszkodzenie tkanek, (nekroza) aureus błonie komórkowej czynnik rozprzestrzeniania Listeriolizyna O Listeria różne Tworzenie por w ucieczka bakterii z LLO (listerioza) monocytogenes błonie komórkowej fagosomów Pneumolizyna (pneumonia) Strptolizyna O (gorączka reumatyczna) Streptococcus pneumoniae Streptococcus pyogenes Komórki pęcherzykoe, nabłonkowe, nabłonek migawkowy różne Wiąże cholesterol, tworzy pory w kom.płucnych, blokuje aktywnosć nabłonka migawkowego Wiąże cholesterol, tworzenie por w błonie komórkowej Uszkodzenie płuc, antyfagocytoza, działanie zapalne Uszkodzenie serca Hemolizyna A Ecoli E.coli różne Uszkodzenie nerek (HLyA) (infekcje dróg moczowych) uropatogenne (UPEC)

Toksyny bakteryjne Toksyna (jednostka chorobowa) Rodzaj bakterii Komórki gospodarza Mechanizm działania Rola w patogenezie A-B (Typ III toksyn) Toksyna Corynebacterium Różne Hamowanie tworzenie błonicza diphteriae syntezy białka pseudobłony Cholera toksyna Ciepłochwiejna toksyna (biegunki podróżnych) Shiga toksyna dyzenteria Toksyna botulinowa Vibrio cholerae Escherichia coli enterotoksynogenne E.c. EHEC 0157:H7 Shigella dysenteriae Clostridium botulinum nabłonkowe komórki jelitowe Jelitowe komórki nabłonkowe różne neurony Uszkodzenia wewnątrzkomór kowe Taki jak toksyny cholera biegunka biegunka zespół hemolityczno mocznicowy porażenie

Toksyny y bakteryjne Toksyna (jednostka chorobowa) Rodzaj bakterii Komórki gospodarza Mechanizm działania Rola w patogenezie A-B (Typ III toksyn) cd Toksyna tężcowa Clostridium tetani neurony Taki jak toksyny botulinowej paraliż spastyczny Toksyna Bordetella Nabłonek układu Uszkodzenia Wywołuje kaszel, krztuścowa pertusis oddechowego wewnątrzkomórk nadmierna owe produkcja śłuzu Exotoksyna A Pseudomonas różne Hamowanie Uszkodzenie aeruginosa syntezy białka tkanek, blokowanie fagocytozy

Lizogenny bakteriofag przenoszący gen toksyny, który integruąc się z bakteryjnym chromosomem powoduje, że bakteria jest zdolna do produkcji toksyny Fag przechowujący gen toksyny Chromosom bakteryjny y Gen toksyny y Gen toksyny Genom fagowy zawierający gen toksyny Toksyna

Mechanizm wnikania toksyny (III typu sekrecji)

translokacja jądro wiązanie endocytoza translokacja wolna w cytoplaźmie translokacja efekt wolna w cytoplaźmie Wiązanie i wniknięcie podjednostek A i B toksyny do komórki gospodarza.

Mechanizm działania różnych toksyn A. Zahamowanie syntezy białek C. Wynik transmisji nerwowo-mięśniowej Toksyna błonicza Błona komórkowa Przekaźnik pobudzenia Stała stymulacja przekaźnika pobudzenia Śmierć komórki Blokada przekaźnika Inaktywacja elongacji czynnik 2 B. Hyperaktywacja Blokada syntezy białek przez rybosom Pęcherzyk z ACH Podstawa płytki motorycznej Biegunka Włókno mięśniowe Receptor gangliozydowy Utrata substancji odżywczych Blokowanie uwalniania ACH Zablokowana stymulacja Błona komórkowa Wzrost aktywności cyklazy adenylowej

Toksyna botulinowa A/ działanie toksyny B/ struktura mechanizm działania toksyny

Schemat destrukcji filamentów aktynowych przez toksynę C2 Clostridium botulinum

Botulizm pochodzenia pokarmowego C.botulinum w żywności Produkcja toksyny y Wchłonięcie toksyny Toksyna w łożysku naczyniowym Botulizm u noworodków - wnikanie spor Botulizm ran - Spory obecne w ranach Atakowanie neuronów paraliż Rozwój Cb C.botulinum w przewodzie pokarmowym C.botulinum rozwija się w ranach Produkcja toksyny

Rozmaz krwi świnki morskiej padłej Kolonie B.anthracis na agarze z krwią z powodu zakażenia wąglikiem C- otoczka (Zdjęcia wg R.W.Charlton)

Toksyna wąglika rodzina A-B toksyn B (PA) - część odpowiedzialna za wiązanie z receptorem komórki docelowej PA - EF - obrzęk PA - LF - działanie letalne

Jak działa egzotoksyna? B.anthracis N-terminalny koniec PA oddysocjowuje się PA PA 63 Egzotoksyna PA, EF, LF ATR Proteoloza czynnika PA Proteaza Wnętrze komórki ATR - receptor zakotwiczoy aukariotycznej w błonie komórkowej A.K.Kaczorowaka Na podstawie artykułu Mourez i in. z Nat.Biotechnol 2001

Cytosol komórki eukariotycznej Białko EF +kalmodulina właściwości cyklazy adenylowej ATP camp = przekaźnik II typu zaburzenia w transporcie jonów utrata elektrolitów i wody Czynnik LF = cynkowa proteaza inaktywacja wewnątrzkomórkowych kinaz MEK blokada transdukcji sygnałów brak odpowiedzi immunologicznej

Mechanizm patogenezy wg Holly Deyo Przejście przez skórę Przejście przez jelito Przejście przez płuca Obrzęk, uszkodzenie i nekroza tkanek Przesiąkanie z uszkodzonych naczyń, obrzęk śluzówki, uszkodzenie i nekroza tkanek Makrofag Przetrwalniki Laseczka wąglika Czynniki chorobotwórczości otoczka, egzotoksyna, inne Obwodowe węzły limfatyczne Ekspansja do układu limfatycznego i krwi, narządówą Zkż Zakażenie krwi Zapalenie i krwawienie w systemie limfatycznym Zakażenie krwi Zator płuc Śmierć Śmierć Płyn w płucach Śmierć Wstrząs Śmierć Śmierć

Postacie kliniczne Czas inkubacji 2-6 dni, średnio 9-10 dni (43 dni) Skórna -2-5 dni po ekspozycji zakażenie- zraniona skóra śluzówki Płucna zakażenie - droga wziewna Jelitowa zakażenie -droga pokarmowa zaczerwieniony guzek owrzodzenie, strup, obrzęk, 20% śmiertelności objawy grypowe, gorączka bóle głowy, mięśni, przekrwienie błon śluzowych, zaburzenia oddychania, obrzęk płuc, sinica, zakażenie układu pokarmowego 80% śmiertelności ostre zapalenie jelit, nudności, wymioty, gorączka, ból brzucha, krwawe wymioty, biegunka (z krwią) 25-60% śmiertelności

Postacie kliniczne zakażeń śmiertelność Wąglik Skórna 20% (nie leczona) Jelitowa 25-60 % Nosowo gardłowa Płucna Zap.opon mózg-rdzen. Posocznica 80-90 %

Czynniki wirulencji Streptococcus pneumoniae Adhezyny Otoczka Pneumolizyna Enzymy pozakomórkowe: k Neuraminidaza IgA 1 -proteaza

Liza bakterii uwolnienie TA, PG aktywacja komplementu uwolnienie cytokin Białko LytA pneumolizyna związana z tkanką wolna Kwas tejchowy (TA) Peptydoglikan (PG) związana z fragmentem Fc przeciwciała stan zapalny zniszczenie tkanki otoczka osłania związane z powierzchnią komórki p.ciała i C3b wiązanie białka H brak kontaktu miedzy receptorem fagocyta, a opsoniną zmniejszenie ilości C3b opsonizującego komórkę

Działanie pneumolizyny Hamowanie aktywności komórek rzęskowych Cytotoksyczność y w stosunku do komórek pęcherzyków i komórek śródbłonkowych (wiąże cholesterol tworząc pory) Aktywacja klasycznej drogi komplementu (wiązanie się z regionem Fc przeciwciała) Wywołanie ł odczynu zapalnego w płucach ł Spadek aktywności leukocytów wielojądrzastych Stymulacja monocytów do produkcji cytokin

Działanie pneumolizyny y Hamowanie aktywności ś ik komórek k rzęskowych Cytotoksyczność w stosunku do komórek pęcherzyków i komórek śródbłonkowych (wiąże cholesterol tworząc pory) Aktywacja klasycznej drogi komplementu (wiązanie się z regionem Fc przeciwciała) Wywołanie odczynu zapalnego w płucach Spadek aktywności leukocytów wielojądrzastych Stymulacja monocytów do produkcji cytokin

Działanie egzotoksyn S - superantygenów TSST-1, SEs, SPE-A Antygen komórk a APC Superantygen komórk a APC poj. komórki 1 : 10.000 Limf. T MHC II L.komórki 1:5 Limf. T MHC II indukcja IL 2 stymulacja proliferacji Limf. T TNF α + inne cytokiny wstrząs toksyczny

Bordetella pertussis Czynniki wirulencji: toksyny toksyna dermonekrotyczna nekroza skóry u zwierząt; kurczy naczynia krwionośne, powoduje nekrozę tkanki tchawicznej toksyna tchawicza fragment peptydoglikanu, zabija komórki migawkowe, stymuluje uwalnianie IL-1 LPS aktywuje dopełniacz na drodze alternatywnej, stymuluje uwalnianie cytokin

Czynniki wirulencji Staphylococcus aureus MSCRAMMs Otoczka Wiązanie z białkami macierzy, adherencja do tkanek, do powierzchni plastikowych, tworzenie biofilmu Kwas lipotejchowy stymulacja odpowiedzi poprzez Toll-like like receptor Toksyny ETA toksyna epidermolityczna TSST szoku toksycznego A E : enterotoksyny SE - superantygen Alfa ato toksyna tworząca pory w błonach Leukocydyna toksyna dwuskładnikowa Enzymy hydrolizujące uszkadzają tkanki gospodarza Uszkodzenie błon Uszkodzenie komórek Quorum sensing- sygnalizacja wewnątrzbakteryjna Geny agr, sara Geny agr, sara Regulacja genów odpowiedzialnych za struktury powierzchniowe gronkowców, w tym tworzenie biofilmu

Podstawy chorobotwórczości Clostridium perfingens (typ ABCDE) A,B,C,D,E) Toksyny główne: alfa beta epsilon iota Toksyny inne (działanie ł i nekrotyzujące i letalne) o charakterze: proteaz hemolizyn kolagenaz DNA-z lecytynaz hialuronidaz id

Działanie toksyny alfa - fosfolipazy Działanie toksyny alfa Zwężenie ę naczyń krwionośnych Agregacja płytek krwi, ich destrukcja Upośledzenie funkcji błony komórkowej, erytrocytów, sferocytoza, hemoliza Zahamowanie wędrówki neutrofili Obniża kurczliwość mięśnia sercowego

Objawy kliniczne Silny, gwałtowny ból, obrzęk Martwica w następstwie działania toksyn Crepitatio,, gnilny zapach, ropna wydzielina, gaz widoczny w RTG (20%) Skóra napięta, blada, chłodna, marmurkowa Objawy toksemii: RR, tachykardia, wymioty, biegunka, niewydolność nerek, zaburzenia świadomości, śpiączka, zgon

CZYNNIKI WIRULENCJI C.difficile Adhezja (fimbrie, flagella, phys-chem. net+charge) Chemotaksja (flagelina-39kda, kodowana przez geny-60% podobieństwa do flageliny hag Bac.subtilis) Otoczka (opsonizatcja dla skutecznej fagocytozy) Enzymy hydrolityczne (hialuronidaza; chondroitino-4- sulphate;heparinasa * : kolagenaza) Toksyny * Toksyna A-enterotoksyna (308 kda) * Toksyna B-cytotoksyna (270 kda) *Actino-swoistaADP-ribosyltransferaza(toksyna binarna) *Białka enterotoksyczne (niestabilne) *Białka wielocząsteczkowe (zmiany potencjałuelektr. w izolowanym segmencie jelita królika)

ponad 150 rybotypów i 24 toksynotypy (http:// www.mf.uni-mb.si/mikro/tox mb.si/mikro/tox). Toksynotypowanie opiera się na detekcji polimorfizmu w tcda i tcdb i genach regulatorowych genomu, w miejscu znanym jako PaLoc (Pathogenicity Locus)