Lipopolysackarid

Strukturen av en lipopolysackarid (LPS)

Lipopolysackarider ( LPS ) är stora molekyler som består av en lipid och en polysackarid som är bakteriella toxiner . De är sammansatta av ett O- antigen , en yttre kärna och en inre kärna, alla förenade med en kovalent bindning , och finns i det yttre membranet av gramnegativa bakterier . Idag används termen endotoxin ofta synonymt med LPS, även om det finns ett fåtal endotoxiner (i den ursprungliga betydelsen av toxiner som finns inuti bakteriecellen som frigörs när cellen sönderfaller) som inte är relaterade till LPS, som t.ex. kallade delta-endotoxinproteiner som produceras av Bacillus thuringiensis .

Lipopolysackarider kan ha betydande effekter på människors hälsa, främst genom interaktioner med immunsystemet. LPS är en potent aktivator av immunsystemet och pyrogen (medel som orsakar feber). I svåra fall kan LPS spela en roll för att orsaka septisk chock . I lägre nivåer och över en längre tidsperiod finns det bevis för att LPS kan spela en viktig och skadlig roll vid autoimmunitet , fetma , depression och cellulär senescens .

Upptäckt

Den toxiska aktiviteten av LPS upptäcktes först och benämndes endotoxin av Richard Friedrich Johannes Pfeiffer . Han skiljde mellan exotoxiner , toxiner som frigörs av bakterier i den omgivande miljön, och endotoxiner, som är toxiner "inuti" bakteriecellen och frigörs först efter att bakteriens yttre membran förstörts. Efterföljande arbete visade att frisättning av LPS från gramnegativa mikrober inte nödvändigtvis kräver förstörelse av bakteriecellväggen, utan snarare utsöndras LPS som en del av den normala fysiologiska aktiviteten av membranvesikelhandel i form av bakteriella yttre membranvesiklar (OMVs) ) , som också kan innehålla andra virulensfaktorer och proteiner.

Funktioner i bakterier

LPS är en viktig komponent i det yttre membranet av gramnegativa bakterier , vilket i hög grad bidrar till bakteriernas strukturella integritet och skyddar membranet från vissa typer av kemiska angrepp. LPS är det vanligaste antigenet på cellytan hos de flesta gramnegativa bakterier, och bidrar med upp till 80 % av det yttre membranet av E. coli och Salmonella . LPS ökar den negativa laddningen av cellmembranet och hjälper till att stabilisera den övergripande membranstrukturen. Det är av avgörande betydelse för många gramnegativa bakterier, som dör om generna som kodar för den muteras eller tas bort. Det verkar dock som att LPS är oväsentligt i åtminstone några gramnegativa bakterier, såsom Neisseria meningitidis , Moraxella catarrhalis och Acinetobacter baumannii . Det har också varit inblandat i icke-patogena aspekter av bakteriell ekologi, inklusive ytvidhäftning, bakteriofagkänslighet och interaktioner med rovdjur som amöbor . LPS krävs också för funktionen av omptiner , en klass av bakteriellt proteas.

Sammansättning

Sackarolipiden Kdo ₂ - Lipid A. Kdo- rester i rött (kärna), glukosaminrester i blått , acylkedjor i svart och fosfatgrupper i grönt .

Lipopolysackarider är sammansatta av tre delar: O-antigenet (eller O-polysackariden), kärnoligosackariden och lipid A.

O-antigen

Den repetitiva glykanpolymeren som finns i en LPS kallas bakteriens O- antigen , O- polysackarid eller O-sidokedja. O-antigenet är fäst vid kärnoligosackariden och innefattar den yttersta domänen av LPS-molekylen. Sammansättningen av O-kedjan varierar från stam till stam; det finns över 160 olika O-antigenstrukturer producerade av olika E. coli- stammar. Närvaron eller frånvaron av O-kedjor bestämmer huruvida LPS anses "grov" eller "len". O-kedjor i full längd skulle göra LPS jämn, medan frånvaro eller minskning av O-kedjor skulle göra LPS grov. Bakterier med grov LPS har vanligtvis mer genomträngliga cellmembran för hydrofoba antibiotika, eftersom en grov LPS är mer hydrofob . O-antigen exponeras på den yttersta ytan av bakteriecellen och är som en konsekvens ett mål för igenkänning av värdantikroppar .

Kärna

Kärndomänen innehåller alltid en oligosackaridkomponent som fäster direkt till lipid A och vanligen innehåller sockerarter som heptos och 3-Deoxi-D-manno-okt-2-ulosonsyra (även känd som KDO, keto-deoxioktulosonat). LPS-kärnorna hos många bakterier innehåller också icke-kolhydratkomponenter, såsom fosfat, aminosyror och etanolaminsubstituenter.

Lipid A

Lipid A är, under normala omständigheter, en fosforylerad glukosamin disackarid dekorerad med flera fettsyror . Dessa hydrofoba fettsyrakedjor förankrar LPS i bakteriemembranet, och resten av LPS skjuter ut från cellytan. Lipid A-domänen är ansvarig för mycket av toxiciteten hos gramnegativa bakterier . När bakterieceller lyseras av immunsystemet släpps fragment av membran som innehåller lipid A ut i cirkulationen, vilket orsakar feber, diarré och möjligen dödlig endotoxisk chock (även kallad septisk chock ). Lipid A-delen är en mycket konserverad komponent i LPS. Lipid A-strukturen varierar dock mellan bakteriearter. Lipid A-strukturen definierar till stor del graden och naturen av den totala värdens immunaktivering.

Lipooligosackarider

Den "grova formen" av LPS har en lägre molekylvikt på grund av frånvaron av O-polysackariden. I dess ställe finns en kort oligosackarid: denna form är känd som Lipooligosackarid (LOS), och är en glykolipid som finns i det yttre membranet hos vissa typer av gramnegativa bakterier , såsom Neisseria spp. och Haemophilus spp. LOS spelar en central roll för att upprätthålla integriteten och funktionaliteten hos det yttre membranet av det gramnegativa cellhöljet. LOS spelar en viktig roll i patogenesen av vissa bakteriella infektioner eftersom de kan fungera som immunstimulatorer och immunmodulatorer. Dessutom är LOS-molekyler ansvariga för förmågan hos vissa bakteriestammar att uppvisa molekylär mimik och antigen mångfald , vilket hjälper till att undvika värdens immunförsvar och bidrar därmed till virulensen hos dessa bakteriestammar . I fallet med Neisseria meningitidis har lipid A- delen av molekylen en symmetrisk struktur och den inre kärnan är sammansatt av 3-deoxi-D-manno-2-oktulosonsyra ( KDO) och heptos (Hep) delar. Den yttre kärnan i oligosackaridkedjan varierar beroende på bakteriestammen .

LPS avgiftning

Ett mycket konserverat värdenzym som kallas acyloxiacylhydrolas (AOAH) kan avgifta LPS när det kommer in i eller produceras i djurvävnader. Det kan också omvandla LPS i tarmen till en LPS-hämmare. Neutrofiler, makrofager och dendritiska celler producerar detta lipas, som inaktiverar LPS genom att ta bort de två sekundära acylkedjorna från lipid A för att producera tetraacyl LPS. Om möss ges LPS parenteralt utvecklar de som saknar AOAH höga titrar av ospecifika antikroppar, utvecklar förlängd hepatomegali och upplever förlängd endotoxintolerans. LPS-inaktivering kan krävas för att djur ska kunna återställa homeostas efter parenteral LPS-exponering. Även om möss har många andra mekanismer för att hämma LPS-signalering, kan ingen förhindra dessa förändringar hos djur som saknar AOAH.

Defosforylering av LPS av intestinalt alkaliskt fosfatas kan minska svårighetsgraden av Salmonella tryphimurium och Clostridioides difficile- infektion och återställa normal tarmmikrobiota. Alkaliskt fosfatas förhindrar tarminflammation (och " läckande tarm ") från bakterier genom att defosforylera lipid A-delen av LPS.

Biosyntes och transport

LPS-slutsammansättning: O-antigensubenheter translokeras över det inre membranet (med Wzx) där de polymeriseras (med Wzy, kedjelängd bestäms av Wzz) och ligeras (med WaaL) till kompletta Core-lipid A-molekyler (som translokerades ) av MsbA).

LPS-transport: Färdiga LPS-molekyler transporteras över periplasman och det yttre membranet av proteinerna LptA, B, C, D, E, F och G

Biologiska effekter på värdar infekterade med gramnegativa bakterier

Immunsvar

LPS fungerar som det prototypiska endotoxinet eftersom det binder CD14 / TLR4 / MD2 -receptorkomplexet i många celltyper, men speciellt i monocyter , dendritiska celler , makrofager och B-celler , vilket främjar utsöndringen av proinflammatoriska cytokiner , kväveoxid och eikosanoider . . Bruce Beutler tilldelades en del av 2011 års Nobelpris i fysiologi eller medicin för sitt arbete som visar att TLR4 är LPS-receptorn.

Som en del av det cellulära stresssvaret är superoxid en av de viktigaste reaktiva syreämnena som induceras av LPS i olika celltyper som uttrycker TLR ( toll-like receptor) . LPS är också ett exogent pyrogen (feberframkallande ämne).

LPS-funktionen har varit under experimentell forskning i flera år på grund av dess roll i att aktivera många transkriptionsfaktorer . LPS producerar också många typer av mediatorer involverade i septisk chock . Människor är mycket känsligare för LPS än andra djur (t.ex. möss). En dos på 1 µg/kg framkallar chock hos människor, men möss tolererar en dos upp till tusen gånger högre. Detta kan relatera till skillnader i nivån av cirkulerande naturliga antikroppar mellan de två arterna. Said et al. visade att LPS orsakar en IL-10 -beroende hämning av CD4 T-cellexpansion och funktion genom att uppreglera PD-1- nivåer på monocyter vilket leder till IL-10-produktion av monocyter efter bindning av PD-1 av PD-L1 .

Endotoxiner är till stor del ansvariga för de dramatiska kliniska manifestationerna av infektioner med patogena gramnegativa bakterier, såsom Neisseria meningitidis , patogenerna som orsakar meningokocksjukdom , inklusive meningokockemi , Waterhouse-Friderichsens syndrom och meningit .

Delar av LPS från flera bakteriestammar har visat sig vara kemiskt lika med humana värdcellsytmolekyler; förmågan hos vissa bakterier att presentera molekyler på sin yta som är kemiskt identiska eller liknande ytmolekylerna i vissa typer av värdceller kallas molekylär mimik . Till exempel, i Neisseria meningitidis L2,3,5,7,9, är den terminala tetrasackariddelen av oligosackariden (lakto-N-neotetraos) samma tetrasackarid som den som finns i paraglobosid, en prekursor för ABH - glykolipidantigener som finns på humana erytrocyter . I ett annat exempel, den terminala trisackariddelen (laktotriaos) av oligosackariden från patogena Neisseria spp. LOS finns också i laktoneoseries glykosfingolipider från mänskliga celler. De flesta meningokocker från grupperna B och C, såväl som gonokocker , har visat sig ha denna trisackarid som en del av sin LOS-struktur. Förekomsten av dessa mänskliga cellyte-"härmare" kan, förutom att fungera som ett "kamouflage" från immunsystemet, spela en roll för att avskaffa immuntolerans när värdar infekteras med vissa genotyper för humant leukocytantigen (HLA), som t.ex. HLA-B35 .

LPS kan kännas direkt av hematopoetiska stamceller (HSC) genom bindningen med TLR4, vilket får dem att proliferera som reaktion på en systemisk infektion. Detta svar aktiverar TLR4-TRIF-ROS-p38-signaleringen inom HSC:erna och kan genom en ihållande TLR4-aktivering orsaka en proliferativ stress, vilket leder till att deras konkurrenskraftiga återpopulationsförmåga försämras. Infektion i möss med användning av S. typhimurium visade liknande resultat, vilket validerade den experimentella modellen även in vivo .

Effekt av variabilitet på immunsvar

Tullliknande receptorer i det medfödda immunsystemet känner igen LPS och utlöser ett immunsvar .

O-antigener (de yttre kolhydraterna) är den mest variabla delen av LPS-molekylen, vilket ger den antigena specificiteten. Däremot är lipid A den mest konserverade delen. Lipid A-kompositionen kan emellertid också variera (t.ex. i antal och beskaffenhet av acylkedjor även inom eller mellan släktena). Vissa av dessa variationer kan ge antagonistiska egenskaper till dessa LPS. Till exempel Rhodobacter sphaeroides diphosphoryl lipid A (RsDPLA) en potent antagonist av LPS i mänskliga celler, men är en agonist i hamster- och hästceller. ^{[ citat behövs ]}

Det har spekulerats i att konisk lipid A (t.ex. från E. coli ) är mer agonistisk, mindre konisk lipid A som de av Porphyromonas gingivalis kan aktivera en annan signal ( TLR2 istället för TLR4), och helt cylindrisk lipid A som Rhodobacter . sphaeroides är antagonistisk mot TLR. I allmänhet är LPS-genkluster mycket varierande mellan olika stammar, underarter, arter av bakteriella patogener hos växter och djur.

Normalt humant blodserum innehåller anti-LOS-antikroppar som är bakteriedödande och patienter som har infektioner orsakade av serotypiskt distinkta stammar har anti-LOS-antikroppar som skiljer sig i sin specificitet jämfört med normalt serum. Dessa skillnader i humoralt immunsvar mot olika LOS-typer kan tillskrivas strukturen av LOS-molekylen, primärt inom strukturen av oligosackariddelen av LOS-molekylen. Hos Neisseria gonorrhoeae har det visats att antigeniciteten hos LOS-molekyler kan förändras under en infektion på grund av dessa bakteriers förmåga att syntetisera mer än en typ av LOS, en egenskap som kallas fasvariation . Dessutom kan Neisseria gonorrhoeae , såväl som Neisseria meningitidis och Haemophilus influenzae , ytterligare modifiera sin LOS in vitro , till exempel genom sialylering (modifiering med sialinsyrarester), och som ett resultat kan de öka sin resistens mot komplementmedierad döda eller till och med nedreglera komplementaktivering eller undvika effekterna av bakteriedödande antikroppar. Sialylering kan också bidra till hindrad neutrofilanslutning och fagocytos av immunsystemets celler såväl som en minskad oxidativ explosion. Haemophilus somnus , en patogen hos nötkreatur, har också visat sig uppvisa LOS-fasvariation, en egenskap som kan hjälpa till att undvika nötkreatursvärdens immunförsvar . Sammantaget tyder dessa observationer på att variationer i bakteriella ytmolekyler som LOS kan hjälpa patogenen att undvika både det humorala (antikropps- och komplementmedierade) och det cellmedierade (döda av neutrofiler, till exempel) värdens immunförsvar.

Icke-kanoniska vägar för LPS-igenkänning

Nyligen visades det att förutom TLR4- medierade vägar, känner vissa medlemmar av familjen av de transienta receptorpotentialjonkanalerna igen LPS. LPS-medierad aktivering av TRPA1 visades i möss och Drosophila melanogaster flugor. Vid högre koncentrationer aktiverar LPS även andra medlemmar av den sensoriska TRP- kanalfamiljen, såsom TRPV1 , TRPM3 och i viss mån TRPM8 . LPS känns igen av TRPV4 på epitelceller. TRPV4-aktivering av LPS var nödvändig och tillräcklig för att inducera kväveoxidproduktion med en bakteriedödande effekt.

Hälsoeffekter

I allmänhet beror hälsoeffekterna av LPS på dess förmåga som en potent aktivator och modulator av immunsystemet, särskilt dess framkallande av inflammation.

Endotoxemi

Närvaron av endotoxiner i blodet kallas endotoxemi. Hög nivå av endotoxemi kan leda till septisk chock , medan lägre koncentration av endotoxiner i blodomloppet kallas metabolisk endotoxemi. Endotoxemi är förknippat med fetma, kost, hjärt-kärlsjukdomar och diabetes, medan även värdgenetik kan ha en effekt.

Dessutom anses endotoxemi av intestinalt ursprung, särskilt vid gränssnittet mellan värd och patogen , vara en viktig faktor i utvecklingen av alkoholisk hepatit, som sannolikt utvecklas på grund av tunntarmens bakteriella överväxtsyndrom och en ökad tarmpermeabilitet .

Lipid A kan orsaka okontrollerad aktivering av däggdjurs immunsystem med produktion av inflammatoriska mediatorer som kan leda till septisk chock . Denna inflammatoriska reaktion medieras av Toll-liknande receptor 4 som är ansvarig för immunsystemets cellaktivering. Skador på endotelskiktet av blodkärl orsakade av dessa inflammatoriska mediatorer kan leda till kapillärläckagesyndrom , utvidgning av blodkärl och minskad hjärtfunktion och kan leda till septisk chock . Uttalad komplementaktivering kan även observeras senare i förloppet då bakterierna förökar sig i blodet. Hög bakteriell proliferation som utlöser destruktiv endotelskada kan också leda till spridd intravaskulär koagulation (DIC) med förlust av funktion hos vissa inre organ såsom njurar, binjurar och lungor på grund av nedsatt blodtillförsel. Huden kan visa effekterna av kärlskador ofta i kombination med utarmning av koagulationsfaktorer i form av petekier , purpura och ekkymoser . Lemmarna kan också påverkas, ibland med förödande konsekvenser som utveckling av kallbrand , vilket kräver efterföljande amputation . Förlust av binjurarnas funktion kan orsaka binjurebarksvikt och ytterligare blödning i binjurarna orsakar Waterhouse-Friderichsens syndrom , som båda kan vara livshotande.

Det har också rapporterats att gonokock- LOS kan orsaka skador på mänskliga äggledare .

Autoimmun sjukdom

Den molekylära mimiken av vissa LOS-molekyler tros orsaka autoimmunbaserade värdresponser, såsom flareups av multipel skleros . Andra exempel på bakteriell mimik av värdstrukturer via LOS finns med bakterierna Helicobacter pylori och Campylobacter jejuni , organismer som orsakar mag-tarmsjukdom hos människor och Haemophilus ducreyi som orsakar chancroid . Vissa C. jejuni LPS-serotyper (tillskrivna vissa tetra- och pentasackariddelar av kärnoligosackariden) har också varit inblandade i Guillain-Barrés syndrom och en variant av Guillain-Barré som kallas Miller-Fishers syndrom .

Länk till fetma

Epidemiologiska studier har visat att ökad endotoxinbelastning, som kan vara ett resultat av ökade populationer av endotoxinproducerande bakterier i tarmkanalen, är associerad med vissa överviktsrelaterade patientgrupper. Andra studier har visat att renat endotoxin från Escherichia coli kan inducera fetma och insulinresistens när det injiceras i bakteriefria musmodeller . En nyare studie har avslöjat en potentiellt bidragande roll för Enterobacter cloacae B29 mot fetma och insulinresistens hos en mänsklig patient. Den förmodade mekanismen för sambandet mellan endotoxin och fetma är att endotoxin inducerar en inflammationsmedierad väg som står för den observerade fetman och insulinresistensen. Bakteriesläkten associerade med endotoxinrelaterade fetmaeffekter inkluderar Escherichia och Enterobacter .

Depression

Det finns experimentella och observationsbevis för att LPS kan spela en roll vid depression. Administrering av LPS i möss kan leda till depressiva symtom, och det verkar finnas förhöjda nivåer av LPS hos vissa personer med depression. Inflammation kan ibland spela en roll i utvecklingen av depression, och LPS är pro-inflammatoriskt.

Cellulär senescens

Inflammation inducerad av LPS kan inducera cellulär senescens , vilket har visats för lungepitelceller och mikrogliaceller ( de senare leder till neurodegeneration ).

Roll som förorening inom bioteknik och forskning

Lipopolysackarider är frekventa föroreningar i plasmid -DNA framställt från bakterier eller proteiner som uttrycks från bakterier, och måste avlägsnas från DNA:t eller proteinet för att undvika kontaminerande experiment och för att undvika toxicitet hos produkter som tillverkas med industriell fermentering .

Ovalbumin är ofta kontaminerat med endotoxiner. Ovalbumin är ett av de omfattande studerade proteinerna i djurmodeller och även ett etablerat modellallergen för luftvägsöverkänslighet (AHR). Kommersiellt tillgängligt ovalbumin som är kontaminerat med LPS kan förfalska forskningsresultat, eftersom det inte exakt återspeglar effekten av proteinantigenet på djurens fysiologi.

Vid läkemedelsproduktion är det nödvändigt att ta bort alla spår av endotoxin från läkemedelsförpackningar, eftersom även små mängder endotoxin orsakar sjukdom hos människor. En depyrogeneringsugn används för detta ändamål. Temperaturer över 300 °C krävs för att helt bryta ner LPS.

Standardanalysen för att detektera närvaro av endotoxin är Limulus Amebocyte Lysate ( LAL)-analysen, som använder blod från hästskokrabban ( Limulus polyphemus ) . Mycket låga nivåer av LPS kan orsaka koagulering av limuluslysatet på grund av en kraftfull amplifiering genom en enzymatisk kaskad. Men på grund av den minskande populationen av hästskokrabbor och det faktum att det finns faktorer som stör LAL-analysen, har ansträngningar gjorts för att utveckla alternativa analyser, där de mest lovande är ELISA-tester med en rekombinant version av ett protein i LAL-analysen, faktor C.

Se även

externa länkar

Lipopolysackarider vid US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)