Введение

Экзотоксин – это токсин, выделяемый бактериями. Экзотоксины могут повреждать организм-хозяина, разрушая клетки или нарушая нормальный клеточный метаболизм. Они обладают высокой токсичностью и способны наносить значительный вред хозяину. Экзотоксины могут секретироваться или, подобно эндотоксинам, высвобождаться при лизисе клетки. Грам-отрицательные патогены могут выделять внешние мембранные везикулы, содержащие липополисахаридный эндотоксин и некоторые белки вирулентности в ограничивающей мембране, а также другие токсины в качестве внутривезикулярного содержимого, тем самым добавляя ранее не учтенный аспект к хорошо известному процессу транспорта мембранных везикул у эукариот, который активно протекает на границе патоген-хозяин. Они могут оказывать действие локально или вызывать системные эффекты. К хорошо известным экзотоксинам относятся: ботулинический токсин, производимый Clostridium botulinum; токсин Corynebacterium diphtheriae, вырабатываемый при угрожающих жизни симптомах дифтерии; тетаноспасмин, производимый Clostridium tetani. Токсические свойства большинства экзотоксинов можно инактивировать нагреванием или химической обработкой для получения токсоида. Токсоиды сохраняют свою антигенную специфичность и могут использоваться для производства антитоксинов, а в случае дифтерии и столбняка – в качестве вакцин. Экзотоксины чувствительны к антителам, вырабатываемым иммунной системой, но некоторые экзотоксины настолько токсичны, что могут оказаться смертельными для хозяина до того, как иммунная система успеет выработать защиту. В таких случаях иногда вводят антитоксины – антисыворотки, содержащие антитела, для обеспечения пассивного иммунитета.

Тип I: поверхностно-активный

Токсины I типа связываются с рецептором на поверхности клетки и стимулируют внутриклеточные сигнальные пути. Ниже описаны два примера.

Суперантигены

Суперантигены продуцируются несколькими бактериями. Наиболее хорошо изучены суперантигены, вырабатываемые штаммами Staphylococcus aureus и Streptococcus pyogenes, вызывающими синдром токсического шока. Суперантигены образуют связь между молекулой MHC класса II на антигенпрезентирующих клетках и Т-клеточным рецептором на поверхности Т-клеток, несущих определенную Vβ-цепь. В результате этого активируется до 50% всех Т-клеток, что приводит к массивному выбросу провоспалительных цитокинов и развитию симптомов токсического шока.

Термостабильные энтеротоксины

Некоторые штаммы E. coli продуцируют термостабильные энтеротоксины (ST) – небольшие пептиды, способные выдерживать нагревание до 100 °C. Различные ST распознают специфические рецепторы на поверхности клеток и, таким образом, влияют на различные внутриклеточные сигнальные пути. Например, энтеротоксины STa связываются с мембранно-связанной гуанилатциклазой и активируют её, что приводит к внутриклеточному накоплению циклического ГМФ и последующему воздействию на несколько сигнальных каскадов. Эти процессы вызывают потерю электролитов и воды клетками кишечника.

Тип II: повреждение мембраны

Повреждающие мембрану токсины проявляют гемолитическую или цитолитическую активность in vitro. Однако, индукция клеточного лизиса может быть не основной функцией токсинов при инфекции. При низких концентрациях токсина могут наблюдаться более тонкие эффекты, такие как модуляция передачи сигналов клеткой-хозяином, без клеточного лизиса. Повреждающие мембрану токсины можно разделить на две категории: токсины, формирующие каналы, и токсины, функционирующие как ферменты, воздействующие на мембрану.

Энзимно-активные токсины

Одним из примеров является α-токсин C. perfringens, вызывающий газовую гангрену; α-токсин проявляет фосфолипазную активность.

Тип III: внутриклеточный

Экзотоксины типа III можно классифицировать по способу проникновения в клетку или по механизму их действия внутри клетки.

По способу ввоза

Для того чтобы интраклеточные токсины могли оказывать свое действие, они должны получить доступ в цитоплазму клетки-мишени. Некоторые бактерии доставляют токсины непосредственно из своей цитоплазмы в цитоплазму клетки-мишени через структуру, напоминающую иглу. Одним из примеров служат эффекторные белки, вводимые секреционным аппаратом типа III бактерии Yersinia в клетки-мишени. Другая группа внутриклеточных токсинов – это AB-токсины. Субъединица "B" (связывающая) присоединяется к целевым участкам на клеточных мембранах, а субъединица "A" (активная) проникает через мембрану и обладает ферментативной активностью, влияющей на внутренние клеточные биомеханизмы. Распространенным примером активности субъединицы А является АДФ-рибозилирование, при котором субъединица А катализирует присоединение группы АДФ-рибозы к специфическим аминокислотным остаткам белка. Структура этих токсинов позволяет разрабатывать специфические вакцины и методы лечения. Определенные соединения могут быть присоединены к B-субъединице, которая, как правило, не является вредной, которую организм учится распознавать и которая вызывает иммунный ответ. Это позволяет организму обнаруживать вредный токсин при повторной встрече и нейтрализовать его до того, как он сможет нанести вред организму-хозяину. К таким токсинам относятся холерный токсин, коклюшный токсин, токсин Шига и теплолабильный энтеротоксин E. coli.

По механизму

Попадая в клетку, многие экзотоксины действуют на эукариотические рибосомы (особенно 60S), выступая в роли ингибиторов синтеза белка. (Структура рибосомы – одно из важнейших различий между эукариотами и прокариотами, и в определенном смысле эти экзотоксины являются бактериальным аналогом антибиотиков, таких как клиндамицин.) Некоторые экзотоксины действуют непосредственно на рибосомы, ингибируя синтез белка. Примером служит токсин Шига. Другие токсины воздействуют на фактор удлинения 2. В случае дифтерийного токсина EF2 подвергается ADP-рибозилированию и становится неспособным участвовать в удлинении белка, что приводит к гибели клетки. Экзотоксин Pseudomonas действует сходным образом. Другие внутриклеточные токсины не ингибируют синтез белка напрямую. Например, холерный токсин вызывает ADP-рибозилирование, тем самым активируя тканевую аденилатциклазу для повышения концентрации цАМФ, что приводит к перемещению большого количества жидкости и электролитов из слизистой оболочки тонкой кишки и вызывает опасную для жизни диарею. Другой пример – токсин коклюша.

Повреждение внеклеточной матрицы

Эти "токсины" способствуют дальнейшему распространению бактерий и, как следствие, более глубокому поражению тканей. Примерами служат гиалуронидаза и коллагеназа. Однако эти молекулы – это ферменты, выделяемые различными организмами, и обычно их не классифицируют как токсины. Чаще их называют факторами вирулентности, так как они обеспечивают организмам проникновение в более глубокие слои тканей хозяина.

Вакцинация

Экзотоксины использовались для производства вакцин. Этот процесс включает инактивацию токсина, создание токсиноида, который не вызывает заболеваний, связанных с токсином, и хорошо переносится. Широко используемой токсоидной вакциной является вакцина DPT, которая обычно вводится в несколько доз в течение детства с адъювантами и ревакцинацией для обеспечения долгосрочного иммунитета. Вакцинация с использованием токсиноидов стимулирует выработку антител против экзотоксинов, формируя иммунологическую память для защиты от последующих инфекций. Вакцинация DPT может вызывать нежелательные побочные эффекты, такие как отек, покраснение и лихорадка, и имеет противопоказания для некоторых групп населения. Раковая клетка погибает после интернализации токсина. Несколько версий рекомбинантного экзотоксина А, секретируемого Pseudomonas aeruginosa, находятся на стадии клинических испытаний для борьбы с ростом опухолей, но пока не одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA). Рекомбинантный экзотоксин дифтерии одобрен FDA для лечения кожной Т-клеточной лимфомы – рака иммунной системы. Продолжаются дальнейшие исследования для повышения клинической эффективности лечения с использованием рекомбинантных экзотоксинов.