Når en mikroorganisme invaderer et kropsvæv, støder den i første omgang på værtens fagocytter. Hvis fagocytterne har succes med at ødelægge den invaderende fjende, sker der ikke yderligere skade på værtens celler. Men hvis mikroorganismen overvinder værtens forsvar, så kan mikroorganismen skade værtens celler på fire grundlæggende måder:
- Ved anvendelse af værtens næringsstoffer.
- Ved at forårsage direkte skader i umiddelbar nærhed af invationsstedet.
- Ved at danne toksiner, der transporteres med blod og lymfesystem, der skader områder langt fra det oprindelige invationssted.
- Ved at inducere overfølsomhedsreaktioner.
Vi vil i denne del kun se på de tre første mekanismer.
13.3.1 Anvendelse af værtens næringsstoffer: Sideroforer
Jern er nødvendig for væksten af de fleste patogene bakterier. Koncentrationen af frit jern i den menneskelige krop, er forholdsvis lav, fordi det meste jern er tæt bundet til jerntransportproteiner, som for eksempel lactoferrin, transferrin samt hæmoglobin. For at opnå jern, sekreterer nogle patogener proteiner kaldet sideroforer (se figur 13.3.1.1). Sideroforer frigives til mediet, hvor de fjerner jernet fra jerntransportproteinerne, ved at binde jern endnu mere fast. Når jernsirodoforkomplekset dannes, kan det bindes af sidoroforreceptorer på den bakterielle overflade. Derefter bringes jernet ind i bakterien. I nogle tilfælde frigives jernet for at blive bragt ind i cellen, i andre tilfælde bliver jernet bragt ind i cellen som en del af komplekset.
Som et alternativ til erhvervelse af jern ved sideroforer, har nogle patogener receptorer der bindes direkte til jerntransportproteiner og til hæmoglobin. Disse tages så direkte ind i bakterien, sammen med jernet. Det er også muligt, at nogle bakterier producerer toksiner (beskrevet i afsnit 13.3.3), når jernniveauet er for lavt. Disse toksiner, dræber værtscellen og frigiver deres jern, som dermed bliver tilgængelig for bakterien.
13.3.2 Direkte skade
Når patogener vedhæftes til værtscellen, kan de forårsage direkte skader, så patogenet kan bruge værtscellen som næring og danner affaldsstoffer. Når patogener metaboliserer og formerer sig i celler, sprænges cellerne normalt. Mange virus og intracellulære bakterier og protozoer der vokser i værtsceller, frigives til omgivelserne når cellen brister. Efter deres frigivelse, kan patogenerne der forårsagede sprængningen af cellen, sprede sig til andre væv i et endnu større antal. Nogle bakterier, som for eksempel E. coli, Shigella, Salmonella og Neisseria gonorrhoeae, kan inducere værtens epitelceller til at opsluge dem, ved en fremgangsmåde der ligner fagocytose. Disse patogener kan forstyrre værtscellerne som de passerer igennem dem og presses efterfølgende ud af cellerne igen ved omvendt fagocytose, så de kan inficerer nye værtsceller. Nogle bakterier kan også trænge ind i værtsceller ved at udskille enzymer, eller på baggrund af deres egen motilitet; en sådan gennemtrængning, kan i sig selv skade værtscellen. Størst skade fra bakterier, ses dog fra produktion af toksiner.
13.3.3 Produktion af toksiner
Toksiner er giftige stoffer, der produceres af visse mikroorganismer. De er ofte den primære faktor, der bidrager til de patogene egenskaber for disse mikroorganismer. Mikroorganismers evne til at producere toksiner, kaldes toksigenicitet. Toksiner, der transporteres af blodet eller lymfesystemet, kan forårsage alvorlige og nogle gange fatale effekter. Nogle toksiner giver feber, kardiovaskulære forstyrrelser, diarré og shock. Toksiner, kan også hæmme proteinsyntese, ødelægge blodlegemer og blodkar, samt forstyrre nervesystemet ved at forårsage spasmer. Af de 220, eller deromkring, kendte bakterielle toksiner, fremkalder næsten 40% sygdom, ved at skade eukaryote cellemembraner. Udtrykket toxemia (toksikæmi), henviser til tilstedeværelsen af toksiner i blodet. Toksiner er af to generelle typer, baseret på deres position i forhold til den mikrobielle celle; exotoksiner og endotoksiner. Forgiftninger er forårsaget af tilstedeværelsen af et toksin; ikke ved mikrobiel vækst.
Exotoksiner
Exotoksiner produceres inde i nogle bakterier, som en del af deres vækst og metabolisme og udskilles af bakterien til det omgivende medium, eller frigives efter cellelyse (se figur 13.3.3.1). Exo– henviser til ”udenfor”, som i denne sammenhæng henviser til det faktum, at exotoksiner udskilles til ydersiden af de bakterielle celler, der producerer dem. Exotoksiner, er proteiner og mange er enzymer der kun katalyserer visse biokemiske reaktioner. På grund af den enzymatiske natur af de fleste exotoksiner, er selv meget små mængder ganske skadelige, fordi de kan virke igen og igen. Bakterier, der producerer exotoksiner, kan være Grampositive eller Gramnegative. Generne for de fleste (måske alle) exotoksiner, sidder på bakterielle plasmider eller fager. Fordi exotoksiner er opløselige i kropsvæsker, kan de let diffundere ud i blodet og transporteres dermed hurtigt rundt i hele kroppen.
Exotoksiner virker ved at ødelægge bestemte dele af værtens celler, eller ved at hæmme visse metaboliske funktioner. De er meget specifikke i deres virkning på kroppens væv. Exotoksiner er blandt de mest dødbringende stoffer der er kendt. Kun 1 milligram botulinum exotoksin er nok til at dræbe 1 million marsvin. Heldigvis, kan kun få bakteriearter fremstille sådanne potente exotoksiner.
Sygdom forårsaget af bakterier, der producerer exotoksiner, bliver ofte forårsaget af små mængder af exotoksin, ikke bakterierne selv. Det er exotoksinerne der giver de specifikke tegn og symptomer på sygdommen. Derfor er exotoksiner sygdomsspecifikke. For eksempel opstår botulisme normalt ved indtagelse af exotoksin, ikke fra en bakterieinfektion. Ligeledes er stafylokokmadforgiftning en forgiftning ikke en infektion.
Kroppen danner antistoffer, kaldet antitoksiner, der giver immunitet mod exotoksiner. Når exotoksinerne inaktiveres ved varme eller med formaldehyd, iod eller andre kemikalier, kan de ikke længere forårsage sygdommen, men kan stadig stimulere kroppen til at danne antitoksiner. Sådanne ændrede exotoksiner, kaldes toksoider. Når toksoider sprøjtes ind i kroppen som en vaccine, stimulerer de antitoksinproduktionen, så immunitet frembringes. Difteri og stivkrampe, kan forebygges ved tokosid vaccination.
Navngivning af exotoksiner:
Exotoksiner er navngivet på grundlag af flere karakteristika. Den ene er den type af værtscelle den angriber. For eksempel angriber neurotoksiner nervecellerne, cardiotoksiner angriber hjerteceller, hepatotoksiner angriber leverceller, leukotoksiner angriber leukocytter, enterotoksiner angriber foringen i mave-tarmkanalen og cytotoksiner angriber en lang række celler. Nogle exotoksiner, er opkaldt efter de sygdomme som de er tilknyttet. Nogle eksempler indbefatter difteritoksin (forårsager til difteri) og tetanustoksin (forårsager stivkrampe = tetanus). Andre exotoksiner er opkaldt efter den specifikke bakterie der producerer dem, for eksempel botulinumtoksin (Clostridium botulinum) og vibrioenterotoksin (Vibrio cholerae).
Typer af exotoksiner:
Exotoksiner er opdelt i tre hovedgrupper på grundlag af deres struktur og funktion: (1) A-B toksiner, (2) membranforstyrrende toksiner og (3) superantigener.
A-B toksiner:
A-B toksiner, var de første toksiner der blev studeret intensivt og det har dette navn, fordi det består af to dele betegnet som A og B, der begge er polypeptider. De fleste exotoksiner er A-B toksiner. A-delen er den aktive (enzym) komponent og B-delen er det bindende komponent. Et eksempel på et A-B toksin er difteritoksin, som er vist i figur 13.3.3.2.
Membranforstyrrende toksiner:
Membranforstyrrende toksiner, forårsager cellelyse af værtscellerne, ved at ødelægge deres plasmamembraner. Nogle før dette ved at danne proteinkanaler i plasmamembranen; andre forstyrrer phospholipiddelen i plasmamembranen. Det cellelyserende exotoksin fra Staphylococcus aureus, er et eksempel på et exotoksin der danner proteinkanaler, mens det for Clostridium perfringens, er et eksempel på et exotoksin der forstyrrer phospholipiderne.
Membranforstyrrende exotoksiner, der dræber fagocytiske leukocytter (hvide blodlegemer), kaldes leukocidiner. De virker ved at danne proteinkanaler. Leukocidiner er også aktive mod makrofager, der er fagocytter til stede i væv. De fleste leukocidiner produceres af stafylokokker og streptokokker. Skaderne på fagocytterne, medfører faldende modstandskraft hos værten. Membranforstyrrende exotoksiner der ødelægger erytrocytter (røde blodlegemer), og gør det ved at danne proteinkanaler, kaldes hæmolysiner. Vigtige producenter af hæmolysiner omfatter stafylokokker og streptokokker. Hæmolysiner produceret af streptokokker, kaldes streptolysiner. En af disse slags, kaldes streptolysin O (SLO) og har dette navn, fordi det er inaktivt ved tilstedeværelsen af oxygen. En anden form for streptolysin S (SLS), fordi det er stabilt i et miljø der indeholder oxygen. Begge streptolysiner, kan forårsage cellelyse, af ikke blot røde blodlegemer, men også af hvide blodlegemer (hvis funktion jo er at dræbe streptokokker), samt andre kropsceller.
Superantigener:
Superantigener, er antigener der fremprovokerer et meget intenst immunrespons. De er bakterielle proteiner. Gennem en række interaktioner med forskellige celler i immunsystemet, stimulerer superantigenerne ikke-specifikt, spredningen af immunceller kaldet T-celler. Disse celler er typer af hvide blodlegemer (lymfocytter), der virker mod fremmede organismer og væv (transplantationer) og regulerer spredningen af andre celler i immunsystemet. Som svar på superantigenet, stimuleres T-cellerne til at frigive enorme mængder af kemikalier, kaldet cytokiner. Cytokiner, er små proteinmolekyler der produceres af forskellige kropsceller, i sær T-celler der regulerer immunreaktioner og celle-til-celle kommunikationen. De meget store mængder af cytokiner, frigivet af T-cellerne i blodbanen, giver anledning til en række symptomer, herunder feber, kvalme, opkastning, diarré og undertiden shock og død. Bakterielle superantigener indbefatter stafylokoktoksiner der forårsager madforgiftning og toksisk shock syndrom. En liste over sygdomme frembragt af exotoksiner er vist i tabel 13.3.3.1.
Genotoksiner:
Visse Gramnegative bakterier, herunder Haemophilus ducreyi og Helicobacter spp., producerer genotoksiner der skader DNA. Dette forårsager mutationer, forstyrrer celledelingen og kan føre til kræft. Det første bakterielle genotoksin der blev opdaget, var cytoletalt udstrækkende toksin. Dette toksin, skader eukaryot DNA.
Endotoksiner
Endotoksiner afviger fra exotoksiner på flere måder. Endo- betyder ”inden i” og henviser i denne sammenhæng til det faktum, at endotoksiner er placeret inde i bakteriecellerne. Endotoksiner er en del af den ydre del af cellevæggen hos Gramnegative bakterier (se figur 13.3.3.1). Gramnegative bakterier har et ydre membranlag, der omgivet af et peptidoglycanlaget af cellevæggen. Denne ydre membran består af lipoproteiner, phospholipider og lipopolysaccharider (LPS) (se figur 3.2.3.3). Lipiddelen af LPS, kaldet lipid A, er et endotoksin. Således er endotoksiner altså lipopolysaccharider, mens exotoksiner er proteiner.
Endotoksiner, frigives under bakteriel formering og når Gramnegative bakterier dør og deres cellevægge undergå lyse. Antibiotika, der anvendes til behandling af sygdomme forårsaget af Gramnegative bakterier, kan lysere de bakterielle celler; denne reaktion, kan frigive endotoksiner og føre til en umiddelbar forværring af symptomerne, men tilstanden forbedres normalt, som endotoksinerne nedbrydes. Endotoksiner udøver deres virkning, ved at stimulere makrofager til at frigive cytokiner i meget høje koncentrationer. På disse niveauer er cytokiner giftige. Alle endotoksiner giver de samme tegn og symptomer, uanset arten af mikroorganisme, men ikke altid i samme grad. Disse tegn og symptomer omfatter kulderystelser, feber, kraftesløshed, generaliseret ømhed og, i nogle tilfælde, shock og død. Endotoksiner kan også fremkalde abort.
En anden konsekvens af endotoksiner, er aktiveringen af blodstørkende proteiner, der forårsager dannelse af små blodpropper. Disse blodpropper blokerer kapillærer og den resulterende nedsatte blodforsyning inducerer vævsdød. Denne tilstand omtales som dissemineret intravaskulær koagulation (DIK).
Feber (pyrogent respons) forårsaget af endotoksiner, menes at foregå som vist i figur 13.3.3.3.
Bakteriel celledød, forårsaget af lyse eller antibiotika, kan også give anledning til feber via denne mekanisme. Både acetylsalicylsyre og paracetamol reducerer feber ved at hæmme syntesen af prostaglandiner. Shock henviser til ethvert livstruende fald i blodtrykket. Shock forårsaget af bakterier, kaldes septisk shock. Gramnegative bakterier, forårsager endotoksisk shock. Ligesom feber, er shock frembragt af endotoksiner, relateret til sekretion af et cytokin fra makrofager. Fagocytose af Gramnegative bakterier, forårsager fagocytter til at udskille tumornekrosefaktor (TNF), undertiden kaldet cachectin. TNF bindes til mange væv i kroppen og ændrer deres metabolisme på en række måder. En effekt af TNF er skader på blodkapillærer; deres gennemtrængelighed øges og de mister store mængder væske. Resultatet er et fald i blodtrykket, der kan resulterer i shock. Lavt blodtryk, har alvorlige virkninger på nyrer, lunger og mave-tarmkanalen. Desuden vil tilstedeværelsen af Gramnegative bakterier, som for eksempel Haemophilus influenzae type b i cerebrospinalvæsken, forårsage frigivelse af interleukin-1 (IL-1) og TNF. Disse vil igen, forårsage en svækkelse af blod-hjerne-barrieren, der normalt beskytter centralnervesystemet mod infektion. Den svækkede barriere, lukker fagocytter ind, men tillader også flere bakterier at passere ind i blodbanen. I USA udvikler omkring 1 ud af 1.000 personer hvert år septisk shock. En tredjedel af disse, dør inden for en måned og næsten halvdelen dør inden for 6 måneder.
Endotoksiner fremmer ikke dannelsen af effektive antitoksiner mod kulhydratbestanddelen af et endotoksin. Antistoffer produceres, men de har tendens til ikke at modvirke effekten af toksinet; undertiden øger de faktisk dets virkning.
Repræsentative mikroorganismer, der producerer endotoksiner er Salmonella typhi (der forårsager tyfus), Proteus spp. (der ofte forårsager urinvejsinfektioner) og Neisseria meningitidis (der forårsager meningokokmeningitis).
Det er vigtigt at have en følsom test, for at identificere tilstedeværelsen af endotoksiner i lægemidler, medicinsk udstyr og kropsvæsker. Materialer der er blevet steriliseret, kan indeholde endotoksiner selv om der ikke er bakterier der kan dyrkes fra dem. En sådan laboratorietest kaldes Limulus amebocytlysat (LAL) assay, der kan detektere selv ganske små mængder endotoksin. Hæmolymfen (blod) fra Atlanterhavskystens hesteskokrabbe, Limulus polyphemus, indeholder hvide blodlegemer kaldet amebocytter, der indeholder store mængder af et protein (lysat), som forårsager koagulation. Ved tilstedeværelsen af endotoksin, vil amebocytterne i krabbens blod lysere og frigive deres blodstørkningsprotein. Den resulterende koagel (bundfald), er en positiv test for tilstedeværelsen af endotoksin. Graden af reaktion, måles med et spektrofotometer.
Tabel 13.3.3.2 sammenligner exotoksiner og endotoksiner.
13.3.4 Plasmider, lysogeni og patogenicitet
Plasmider, er små cirkulære DNA molekyler, der ikke er forbundet til det bakterielle kromosom og er i stand til uafhængig replikering. En gruppe af plasmider, kaldet R (resistens) faktorer, er ansvarlig for nogle mikroorganismers resistens over for antibiotika. Derudover kan et plasmid bære information, der bestemmer en mikroorganismes patogenicitet. Eksempler på virulensfaktorer, der er kodet af plasmidgener, er tetanusneurotoksin, varmelabilt enterotoksin og stafylokokenterotoksin D. Andre eksempler er daxtraninvertase, det enzym der produceres af Staphylococcus mutans og er involveret i dental karies (huller i tænderne); adhæsiner og koagulase produceret af Staphylococcus aureus; og en art fimbrier, specifikke for enteropatogene E. coli.
I del 11 beskrev vi, at nogle bakteriofager (virus der inficerer bakterier), kan inkorporere deres DNA i det bakterielle kromosom, bliver til en profag og således kan forblive latent og ikke forårsage lyse af bakterien. En sådan tilstand kaldes lysogeni og celler der indeholder en profag, siges at være lysogene. Et resultat af lysogeni er, at værtsbakteriecellen og dens afkom, kan udvise nye egenskaber kodet af bakteriofag DNA’et. En sådan ændring af egenskaberne for en mikroorganisme på grund af en profag, kaldes lysogen konvertering. Som et resultat af lysogen konvertering, bliver bakteriecellen immun over for infektion med den samme type af fag. Desuden er lysogene celler af medicinsk betydning, fordi noget bakteriel patogenese, er forårsaget af de profager de indeholder.
Blandt generne fra bakteriofagen der bidrager til patogenicitet, er generne for difteritoksin, erythrogene toksiner, stafylokokenterotoksin A og pyrogent toksin, botulinum neurotoksin og kapslen dannet af Streptococcus pneumoniae. Genet for Shiga toksinet i E. coli O157, kodes af faggener. Patogene stammer af Vibrio cholerae bærer lysogene fager. Disse fager, kan overføre koleratoksingenet til ikke patogene V. cholerae stammer og dermed øge antallet af patogene bakterier.