革蘭氏陰性菌外膜的關(guān)鍵成分內(nèi)毒素的生物學(xué)功能

內(nèi)毒素是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁外膜中的核心成分，對細(xì)菌的生存和適應(yīng)至關(guān)重要。它不僅在細(xì)菌的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，還通過其與宿主免疫系統(tǒng)的互動(dòng)，參與多種生物學(xué)反應(yīng)。

本文將深入探討內(nèi)毒素的化學(xué)組成、功能、毒性及其在醫(yī)學(xué)和藥物行業(yè)中的重要性。

 1 、什么是內(nèi)毒素？

內(nèi)毒素是革蘭氏陰性菌細(xì)胞壁外膜的主要組成部分。通常，內(nèi)毒素一詞可與脂多糖（LPS）互用，盡管少數(shù)內(nèi)毒素并非脂多糖。內(nèi)毒素在細(xì)菌中的主要功能是結(jié)構(gòu)性和保護(hù)性。

革蘭氏陰性菌的特征是具有兩層膜：內(nèi)膜包裹細(xì)胞質(zhì)，而外膜將細(xì)菌細(xì)胞壁與外界環(huán)境隔開。因此，外膜作為細(xì)菌抵御環(huán)境威脅的第一道防線。在大多數(shù)情況下，外膜并非普通的磷脂雙層膜，而是由外層的脂多糖和內(nèi)層的磷脂組成的不對稱雙層膜（圖1）。

 2 、內(nèi)毒素的重要性

對人類和動(dòng)物而言，內(nèi)毒素屬于致熱原（發(fā)熱誘因），即使微量（皮克級）進(jìn)入血液循環(huán)也會引發(fā)多種生物反應(yīng)。僅1毫克內(nèi)毒素的靜脈注射就可能致命。

在醫(yī)藥和醫(yī)療行業(yè)中，內(nèi)毒素檢測對于產(chǎn)品質(zhì)量與安全至關(guān)重要。注射劑、生物制品（如胰島素）及醫(yī)療植入物必須保持無菌。。然而，如果存在革蘭氏陰性菌，滅菌過程中可能釋放內(nèi)毒素。內(nèi)毒素具有熱穩(wěn)定性，即使細(xì)菌死亡后仍能持續(xù)存在。無論是沸煮還是高壓滅菌均無法使其失活，但有研究表明次氯酸鹽和過氧化物可使其失效。

 3 、內(nèi)毒素的化學(xué)組成

內(nèi)毒素為兩親性分子，不同菌株的化學(xué)組成差異較大。內(nèi)毒素分子量約為10 kDa，一般由三部分組成：含脂肪酸和二糖磷酸的脂質(zhì)成分（Lipid A）、O特異性多糖側(cè)鏈（O-抗原）以及核心多糖鏈（圖2）。

Lipid A是內(nèi)毒素的毒性組分。它是磷酸化的N-乙酰葡糖胺二糖，包含疏水部分（脂肪酸的脂鏈），可將內(nèi)毒素錨定在細(xì)菌膜中，其余部分突出于細(xì)胞表面（圖1）。盡管結(jié)構(gòu)高度保守，但可根據(jù)環(huán)境變化進(jìn)行修飾。

圖3：大腸桿菌內(nèi)毒素Lipid A的化學(xué)結(jié)構(gòu)。核心多糖由短鏈糖組成，不同細(xì)菌甚至不同菌株之間可能存在差異。

 4 、內(nèi)毒素的功能

內(nèi)毒素是革蘭氏陰性菌外膜的主要成分，對細(xì)菌生存至關(guān)重要。它維持細(xì)菌結(jié)構(gòu)完整性，并作為保護(hù)性兩親性屏障抵御化學(xué)攻擊。內(nèi)毒素形成的屏障僅允許低分子量親水性分子通過，使革蘭氏陰性菌對多種抗菌化合物具有耐受性。

在宿主體內(nèi)，脂多糖能保護(hù)細(xì)菌免受吞噬細(xì)胞或血清成分的殺傷。值得注意的是，內(nèi)毒素結(jié)構(gòu)的變異形成了不同的抗原菌株，這增加了細(xì)菌規(guī)避先前針對特定菌株形成的免疫反應(yīng)的機(jī)會，從而促進(jìn)了耐藥性的進(jìn)化。

 4 、毒性

由于內(nèi)毒素暴露于細(xì)菌表面，先天免疫系統(tǒng)已進(jìn)化出識別其威脅并作出反應(yīng)的能力。當(dāng)革蘭氏陰性菌被免疫系統(tǒng)殺死時(shí)，其膜片段攜帶的內(nèi)毒素釋放入血液，可能引發(fā)發(fā)熱和腹瀉。血液中內(nèi)毒素存在（內(nèi)毒血癥）通常導(dǎo)致低血壓、呼吸衰竭和氧氣輸送減少。

作為LPS中最保守的部分，免疫系統(tǒng)主要針對Lipid A作出反應(yīng)。免疫反應(yīng)完全依賴先天免疫，由Toll樣受體4（TLR4）與MD2復(fù)合物介導(dǎo)（圖4）。

圖4：TLR4（藍(lán)色）-MD2（綠色）二聚體復(fù)合物與內(nèi)毒素的Lipid A（紅色）結(jié)合示意。TLR4跨膜結(jié)構(gòu)示意。作者：David Goodsell

TLR4可刺激巨噬細(xì)胞和內(nèi)皮細(xì)胞分泌促炎性細(xì)胞因子及一氧化氮。此外，內(nèi)毒素還能促進(jìn)B細(xì)胞分化、增殖及免疫球蛋白分泌（主要為IgG和IgM）。同時(shí)，補(bǔ)體和凝血級聯(lián)被激活，引發(fā)炎癥、血管擴(kuò)張、中性粒細(xì)胞趨化、凝血、出血及休克。

 5 、內(nèi)毒素檢測

內(nèi)毒素檢測方法多種多樣。體外檢測方法包括LAL實(shí)驗(yàn)和ELISA，可在酶標(biāo)儀上進(jìn)行，顯著提高通量與效率。

馬蹄蟹變形血細(xì)胞裂解物（LAL）實(shí)驗(yàn)是常用的內(nèi)毒素檢測方法。LAL檢測基于從馬蹄蟹血液中分離的變形血細(xì)胞提取物，可分為比色法或濁度法。亦有基于重組蛋白與熒光底物的替代LAL實(shí)驗(yàn)（圖5）。更多信息請參閱我們的博客文章： “LAL檢測：利用活化石探測細(xì)菌污染”

所有內(nèi)毒素檢測均可在酶標(biāo)儀上完成。這些方法通常需要吸收光酶標(biāo)儀來探測顯色反應(yīng)（LAL及最典型的ELISA）或濁度變化。基于重組蛋白和熒光底物的檢測則需使用熒光酶標(biāo)儀。

BMG LABTECH旗下可用于內(nèi)毒素定量的酶標(biāo)儀包括：SPECTROstar Nano、Omega系列、VANTAstar、CLARIOstar Plus及PHERAstar FSX。

 
References

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