endotoxin - lipopolysacharidový komplex

Ve stěně gramnegativních i grampozitivních bakterií je peptidoglykanová vrstva. U gramnegativních bakterií je od peptidoglykanové vrstvy vně ještě povrchová vrstva zevní membrány tvořená fosfolipidy, lipopolysacharidem, kyselými polysacharidy a významným množstvím (asi 50%) bílkovin. Biologicky aktivní složku tvoří lipopolysacharidový komplex, který byl označován jako endotoxin, obou termínů se dosud užívá.

Lipopolysacharidy mají strukturální oblasti, a to specifický polysacharid (I.), který je spojen s dřeňovou oblastí (II.) a ta je napojena na lipid A (III.). Lipopolysacharidy jsou polymery dosahující až mnohamilionové molekulární hmotnosti. Základní princip struktury je stejný u všech endotoxinů, ale jednotlivé bakteriální druhy se liší ve složení polysacharidových řetězců í ve složení lipidu A. Polysacharidová část je tvořena O specifickým řetězcem a dřeňovou částí. Specifický řetězec je polymer složený z oligosacharidů, nese antigenní determinanty a určuje sérologickou specifitu bakteriálního druhu. Bylo zjištěno, že O specifický řetězec chybí u Neisseria meningitidis, Neisseria gonorrhoeae, Haemophilus influenzae, Bordetella pertussis. Dřeňová část je společná pro celou skupinu. Dřeňový oligosacharid je kovalentně vázán na lipid A, jehož kostra se skládá ze dvou molekul glukosaminu, které jsou spojeny fosfátovými můstky. Hydroxylové skupiny jsou esterifikovány vyššími mastnými kyselinami. Polysacharidová část se podílí na virulencí bakterie (může přispívat k adhezi, aktivovat komplement), lipid A je zodpovědný za toxicitu. Lipopolysacharid je uspořádán jako dvojvrstva, kde hydrofilní část je tvořena polysacharidem, hydrofobní část lipidem.

Lipopolysacharid brání vstupu těžkých kovů, žlučových kyselin a větších molekul do bakteriální buňky.

Biologická aktivita se může projevit jen tehdy, když se uvolní lipopolysacharid ze zevní membrány. Uvolňuje se rozpadem bakteriální buňky anebo také ve formě volného endotoxinu, kdy se drobné Fragmenty aktivně během života bakterie oddělují z povrchu ve formě droboučkých puchýřků. Toxicita endotoxinu se uplatňuje při systémových onemocněních, při bakteriémii a nebo v tkáních, nikoliv v lumen zažívacího traktu. K masivnímu zaplave ní organismu endotoxinem dochází při rozpadu bakterií účinkem vlastních autolytických enzymů (zejména u meningokokcemií), v důsledku cytolýzy komplementem, účinkem membránově působících antibiotik. S nebezpečím endotoxemie je nutno počítat při sepsích, vyvolaných gramnegativními bakteriemi. Endotoxin se účastní na vzniku toxického šoku v souvislosti s nedostatečným přísunem kyslíku u šokových stavů nejrůznější etiologie (hypovolemie, stres, operační zátěži spod.). Porušená střevní bariéra se pak stává prostupnou a umožňuje průnik endotoxinu a jeho uplatnění. Svými účinky endotoxin stav nemocného zhoršuje, nezřídka až k letálnímu konci. Za normálních okolností se endotoxin z gramnegativních bakterií rezidentní flóry tlustého střeva vstřebává jen v minimálním množství a stimuluje imunitní systém.

Endotoxin se uvolňuje do krevního oběhu z různých primárních ložisek gramnegativní flóry, ale nejčastěji při perforaci střeva, popáleninách, obstrukcích močového traktu, infekcích žlučníku. Nejčastějšími druhy jsou bakterie normální flóry především tlustého střeva (Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae, Pseudomonas aeruginosa, Bacteroides fragilis). Reakce makroorganismu na endotoxin je závislá na množství uvolněného endotoxinu. V nízkých dávkách svou interakcí s makrofágy, neutrofily, B lymfocyty a komplementovým systémem vyvolává horečku, vasodilatací, zvýšenou syntézu protilátek a zánětlivou reakci, při vysokých dávkách přistupuje ještě intravaskulární koagulopatie a šok.

LPS interaguje s plasmatickými proteiny a s buněčnými povrchy. Pro biologickou aktivitu endotoxinu je důležitá vazba na plasmatický protein, kletý se podílí na vazbě LPS na CD14 receptor v buňkách (monocyty, neutrofily). Ovlivňuje i další proteiny (Hagemanův faktor, prekallikrein, faktor XI. kininogen) a další faktory zúčastňující se krevního srážení a komplementové kaskády.

Cílovými buňkami jsou buňky monocytomakorfágové řady (z nich se uvolňují mediátory), neutrofilní leukocyty. B buňky (zvyšuje se tvorba protilátek), endotelie.

Pyrogenní reakce vzniká po velmi malých množstvích endotoxinu: 100 ng podáno intravenózně dobrovolníkovi vyvolalo prokazatelnou zvýšení teploty (množství endotoxinu odpovídá asi 106 gramnegativních střevních tyček). Horečka vzniká jako odpověď na endogenní pyrogeny uvolněné z makrofágů. Jako endogenní pyrogeny se chovají interleukin 1, TNF (tumory nekrotizující faktor).

Aktivace komplementového systému účinkem endotoxinu probíhá zpravidla alternativní cestou. Důsledkem této aktivace je cytolýza buněk spojená s dalším uvolňováním endotoxinu, zvýšení chemotaxe a opsonizace. Neutrofily jsou do ložiska přitahovány fragmentem C5a. C3b se chová jako opsonin a tak zvyšuje fagocytózu. Při aktivaci komplementu se uvolňují anafylatoxiny (C3a a C5a), které zvyšují kapilární permeabilitu; z neutrofilů se uvolňují lysosomální enzymy. Aktivace komplementu zprostředkuje zánětlivou reakci.

Endotoxin je schopen se vázat na receptory CD14 na povrchu buněk monocytomakrofágové řady a stimulovat zvýšenou produkci lyzosomálních enzymů, zvyšovat rychlost fagocytózy a uvolňovat hydrolytické enzymy. Aktivované makrofágy účinněji odstraňují partikule z prostředí a jsou schopny zpracovat větší množství mikroorganizmů. Aktivované makrofágy rovněž mohou snáze likvidovat nádorové buňky, a to přímo vazbou nebo zprostředkovaně uvolňovaným TNF.

Interakce endotoxinu s makrofágy je spojena s madiátorovou bouří, tj. nekontrolovaným uvolňováním cytokinů, zejména TNF alfa, interleukinu 1 a 6. Tyto cytokiny spouštějí uvolňování bioaktivních lipidů a kaskádu dalších cytokinů a kyslíkových radikálů z řady buněk. Důsledkem je zvýšená vaskulární permeabilita, snížení kontraktility srdečního svalu, vasodilatace, plicní hypertenze a disseminovaná intravaskulární koagulopatie.

Interleukin 1 zvyšuje proliferaci B buněk, které po dozrání produkuji více protilátek, čímž se endotoxin uplatňuje jako nespecifické imunoadjuvans.

Popsané účinky menších dávek endotoxinu ukazují, že mohou být pro hostitelský organizmus výhodné (adjuvantní účinky pro tvorbu protilátek, zvýšená aktivita makrofágů, protinádorové účinky).

Naopak vysoké dávky endotoxinu vedou plynule k příznakům endotoxinového šoku s rizikem letálního konce. Tady se uplatňuje zejména vasodilatace a snížení výkonu myokardu, což má za následek poruchy oxidace a mnohoorgánové selhání (S.I.R.S.) spolu s diseminovanou intravaskulární koagulopatií. Klíčovou příčinou hypotenze je uvolnění TNF a interleukinu 1.

Diseminovaná intravaskulární koagulopatie, charakterizovaná vznikem trombů v malých cévách, zhoršuje krevní zásobení orgánů. To se projevuje zejména v kůře ledvin, kde vznikají nekrózy. Z dalších orgánů jsou postiženy zejména mozek, plíce (syndrom dechové tísně) a nadledvinky. Endotoxin ovlivňuje srážení krevní 4 způsoby:

1. aktivuje faktor XII., tzv. Hagemanův, čímž spouští srážecí kaskádu,

2. ovlivňuje krevní destičky, takže se uvolňuje obsah granul, který se zúčastní na srážení,

3. iniciuje uvolňování bazických proteinů z neutrofilů a

4. ovlivňuje endotelie.

Poruchy srážení mohou být příčinou vzniku infarktu nadledvin spojeného s náhlou smrtí (Waterhousův a Friderichsenův syndrom u meningokokcemie).

Pochopení patogeneze změn při endotoxinovém šoku může vést k úspěšnějšímu léčebnému postupu s využitím protilátek proti lipidu A a mediátorům.