Em formação

13.2D: Neutralização de Exotoxinas - Biologia

13.2D: Neutralização de Exotoxinas - Biologia



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

objetivos de aprendizado

  • Discuta como os anticorpos defendem o corpo por meio de exotoxinas neutralizantes. (Incluir quais classes ou isotipos de imunoglobulinas estão envolvidos, o papel da porção Fab do anticorpo, o papel, se houver, da porção Fc do anticorpo e o papel de quaisquer proteínas do complemento, se houver, envolvidas.)
  • Descreva como a capacidade das bactérias de sentir sua própria densidade populacional, comunicar-se entre si por meio de fatores secretados (sinalização célula a célula) e se comportar como uma população, e não como uma bactéria individual, provavelmente desempenha um papel importante na patogenicidade para muitas bactérias.

Para que uma exotoxina cause danos, ela deve primeiro se ligar a receptores em uma célula hospedeira suscetível. Os anticorpos antitoxina são produzidos contra exotoxinas microbianas. A porção Fab se liga às moléculas de exotoxina antes que elas possam interagir com as células-alvo do hospedeiro e, assim, neutralizar a toxina (Figura ( PageIndex {1} )). A IgG neutraliza as toxinas nos tecidos, enquanto a IgA neutraliza as toxinas nas superfícies da mucosa do corpo.

No entanto, como aprendido na Unidade 2, muitos Gram-negativos e Gram-positivos são capazes de sentir sua própria densidade populacional, comunicar-se uns com os outros por meio de fatores secretados e se comportar como uma população em vez de bactérias individuais. Isso é conhecido como detecção de quorum e provavelmente desempenha um papel importante na patogenicidade de muitas bactérias.

  • Por exemplo, Pseudomonas aeruginosa causa infecções nosocomiais graves, infecções crônicas em pessoas com fibrose cística e infecções potencialmente fatais em pessoas imunocomprometidas. Sua virulência depende da secreção de uma variedade de exotoxinas e enzimas prejudiciais. Se houvesse uma produção isolada dessas toxinas de virulência e enzimas por um pequeno número de Pseudomonas, as respostas imunológicas do corpo provavelmente seriam capazes de neutralizar com eficácia esses agentes prejudiciais com anticorpos. No entanto, por meio de uma coordenação da expressão dos genes que codificam essas toxinas e enzimas por toda a população de bactérias, P. aeruginosa parece só secretar esses fatores de virulência extracelulares quando a densidade das bactérias é grande o suficiente para que possam ser produzidas em níveis altos o suficiente para superar as defesas do corpo.

Resumo

Para que uma exotoxina cause danos, ela deve primeiro se ligar a receptores em uma célula hospedeira suscetível. A porção Fab se liga às moléculas de exotoxina antes que elas possam interagir com as células-alvo do hospedeiro e, assim, neutralizar a toxina.

Perguntas

Estude o material desta seção e, a seguir, escreva as respostas a essas perguntas. Não basta clicar nas respostas e escrevê-las. Isso não testará sua compreensão deste tutorial.

  1. Discuta como os anticorpos defendem o corpo por meio de exotoxinas neutralizantes. (Incluir quais classes ou isotipos de imunoglobulinas estão envolvidos, o papel da porção Fab do anticorpo, o papel, se houver, da porção Fc do anticorpo e o papel de quaisquer proteínas do complemento, se houver, envolvidas.) (ans)
  2. Descreva como a habilidade de Pseudomonas aeruginosa para sentir sua própria densidade populacional, comunicar-se com outros Pseudomonas por meio de fatores secretados (sinalização célula a célula), e se comportam como uma população ao invés de bactérias individuais provavelmente desempenham um papel importante na patogenicidade deste organismo. (ans)
  3. Múltipla escolha (ans)

Diferença entre endotoxinas e exotoxinas

A toxigênese envolve a produção de toxinas por bactérias patogênicas. É um dos principais métodos de dar à luz doenças e distúrbios médicos por bactérias. Duas categorias de toxinas que levam a várias infecções e doenças incluem endotoxinas e exotoxinas e são diferentes com base em sua natureza química. As endotoxinas são toxinas bacterianas que consistem em lipídios (lipopolissacarídeos) e as exotoxinas consistem em proteínas.


Neutralização da toxina B do Clostridium difficile mediada por lactobacilos projetados que produzem anticorpos de domínio único

Clostridium difficile é a principal causa de diarreia nosocomial associada a antibióticos no mundo ocidental. Os principais fatores de virulência do C. difficile são duas exotoxinas, toxina A (TcdA) e toxina B (TcdB), que causam inflamação colônica extensa e dano epitelial manifestado por episódios de diarreia. Neste estudo, exploramos a base para uma estratégia de antitoxina oral com base em cepas de Lactobacillus projetadas que expressam fragmentos de anticorpos neutralizantes de TcdB no trato gastrointestinal. O domínio variável de anticorpos apenas de cadeia pesada (VHH) foi gerado em lamas por imunização com a toxina TcdB completa. Quatro fragmentos VHH únicos neutralizando TcdB in vitro foram isolados. Quando esses fragmentos de VHH foram expressos na forma secretada ou ancorada na parede celular em Lactobacillus paracasei BL23, eles foram capazes de neutralizar o efeito citotóxico da toxina em um ensaio in vitro baseado em células. O tratamento profilático com uma combinação de duas cepas de L. paracasei BL23 projetada expressando dois fragmentos VHH anti-TcdB neutralizantes (VHH-B2 e VHH-G3) retardou a morte em um modelo de proteção de hamster onde os animais foram desafiados com esporos de um TcdA (- ) Cepa TcdB (+) de C. difficile (P & lt 0,05). Metade dos hamsters no grupo tratado sobreviveu até o término do experimento no dia 5 e não apresentaram danos ou inflamação limitada da mucosa do cólon, apesar de terem sido colonizados por C. difficile por até 4 dias. O efeito protetor no modelo do hamster sugere que a estratégia pode ser explorada como um suplemento às terapias existentes para pacientes.

Copyright © 2016, American Society for Microbiology. Todos os direitos reservados.

Bonecos

Expressão e localização celular de ...

Expressão e localização celular de fragmentos VHH produzidos por Lactobacillus. Detecção de fragmentos VHH neutralizantes de TcdB ...

Ligação de L. paracasei BL23 secretado ...

Ligação de fragmentos VHH secretados por L. paracasei BL23 a TcdB. Os níveis de ligação relativos ...

Análise de citometria de fluxo de ...

Análise de citometria de fluxo da exibição de fragmentos VHH ancorados na parede celular e seus ...

Efeito da administração terapêutica de ...

Efeito da administração terapêutica de cepas de L. paracasei BL23 exibindo VHH ancorado na parede celular ...

Histologia ceco de hamsters sobreviventes ...

Histologia do ceco de hamsters que sobreviveram ao desafio de esporos após tratamento profilático com L. paracasei ...


Atividade antiviral de uma imunotoxina de anticorpo de domínio único que se liga à glicoproteína D do vírus herpes simplex 2

Apesar de anos de pesquisas dedicadas à prevenção da transmissão sexual do vírus herpes simplex 2 (HSV-2), ainda não existe uma vacina protetora ou microbicida contra uma das infecções sexualmente transmissíveis mais comuns no mundo. Usando uma biblioteca de exibição de fago construída a partir de um lama imunizado com glicoproteína D de HSV-2 recombinante, identificamos um anticorpo de domínio único VHH, R33, que se liga à glicoproteína de superfície viral D. Embora R33 não demonstre qualquer atividade de neutralização de HSV-2 em vitro, quando expressa com o domínio citotóxico da exotoxina A, a imunotoxina resultante (R33ExoA) mata específica e potentemente as células infectadas com HSV-2, com uma diluição neutralizante de 50% (IC50) de 6,7 nM. Propomos que R33ExoA pode ser usado clinicamente para prevenir a transmissão de HSV-2 através da morte de células epiteliais produtoras de vírus durante a reativação do vírus. O R33 também pode ser potencialmente usado para entregar outros efetores citotóxicos às células infectadas com HSV-2.

Copyright © 2015, American Society for Microbiology. Todos os direitos reservados.

Bonecos

Produção e purificação de gD2.…

Produção e purificação de gD2. (A) DNA que codifica gD2 foi amplificado por PCR ...

Reatividade de soros de lhamas ...

Reatividade de soros de lamas imunizados com gD. Uma diluição de 1: 100 de soro ...

Purificação de VHH e imunotoxinas ...

Purificação de VHH e imunotoxinas e comparação de sequências de VHH de diferentes ...

Ligação de R33 e bvR33 VHH a gD2 expresso na superfície em células z4 / 6. z4 / 6 ...

Ensaio de neutralização de HSV-2. O vírus era ...

Ensaio de neutralização de HSV-2. O vírus foi incubado com diluições de R33 e HSV8 (conhecido ...

Toxicidade específica de R33ExoA para ...

Toxicidade específica de R33ExoA para células que expressam gD2. Diluições de imunotoxinas foram adicionadas a ...


Testes de Neutralização

São de dois tipos: testes de neutralização viral e testes de neutralização de toxinas.
1. Neutralização viral
A neutralização dos vírus por seus anticorpos pode ser demonstrada em vários sistemas. Os anticorpos IgG, IgM e IgA podem se ligar a alguns vírus durante sua fase extracelular e inativá-los. Esta inativação viral mediada por anticorpos é chamada de neutralização viral. A fixação do componente C3b do complemento da via clássica ao vírus auxilia no processo de neutralização. A neutralização viral previne uma infecção viral devido à incapacidade do vírus de se ligar à sua célula-alvo.
Sistemas Indicadores
Animais de laboratório ou células de cultura de tecidos são usados ​​como “sistemas indicadores” nesses testes. O soro de teste é
diluído em série, incubado com uma quantidade conhecida de vírus e a mistura é então adicionada a culturas indicadoras: animais, ovo de galinha embrionado e cultura de tecidos.
A maior diluição de infecciosidade de ablação de soro em 50 por cento das misturas de vírus-soro testadas é tomada como título. Quando os bacteriófagos são semeados em diluição apropriada em culturas de gramado, placas de lise são produzidas. O soro antifásico específico inibe a formação de placas.
2. Neutralização de toxinas
As exotoxinas bacterianas são bons antígenos e sua atividade pode ser completamente neutralizada por concentrações apropriadas de anticorpos específicos. O anticorpo contra a exotoxina bacteriana é normalmente referido como antitoxina, que é clinicamente importante na proteção e recuperação de doenças como a difteria e o tétano. As endotoxinas bacterianas são pouco antigênicas e sua toxicidade não é neutralizada por anti-soros.
A neutralização de toxinas pode ser testada in vivo ou in vitro.

Neutralização de toxinas in vivo
eu. Teste de toxigenicidade: A capacidade de neutralização de uma antitoxina pode ser avaliada por teste de neutralização em
qual mistura de toxina e antitoxina é injetada em um animal suscetível e a menor quantidade de antitoxina que previne a morte ou doença no animal é estimada.
ii. Teste de Schick: Com a toxina diftérica, que em pequenas doses causa uma reação cutânea, pode-se realizar o teste de neutralização na pele humana. o
O teste de Schick é baseado na capacidade de fazer circular a antitoxina para neutralizar a toxina da difteria administrada por via intradérmica. Neutralização (sem reação) indica imunidade e vermelhidão e eritema indica suscetibilidade à difteria.
Neutralização de toxinas in vitro
Se uma toxina tiver um efeito in vitro demonstrável, esse efeito pode ser neutralizado por uma antitoxina específica.
Exemplos

eu. Teste de antiestreptolisina O (ASO): Antistreptolisina O (ASO) - a antitoxina, presente no soro do paciente que sofre de infecção por Strep.pyogenes, neutraliza a atividade hemolítica da hemolisina estreptocócica O (toxina).
ii. A reação de Nagler: Outro exemplo de neutralização de toxina-antitoxina in vitro é a reação de Nagler. Cl.perfringens produz α-toxina que é uma fosfolipase (lecitinase-C). Isso produz opalescência em
soro ou meio de gema de ovo. Esta reação é neutralizada especificamente pela antitoxina.

iii. Teste de precipitação de gel de ágar: O teste de precipitação em gel de ágar é empregado para detectar a produção de toxina por Corynebacterium diphtheriae.


Exame 1 de biologia da inflamação

Químico: ácido graxo, taxol (composto extraído da planta pode induzir e modificar a resposta à inflamação e aumentar a capacidade de combate ao tumor), imiquimod (modificador do sistema imunológico usado para tratar verrugas genitais e eczema)

- Movimento das células no local da infecção ou lesão (vermelhidão)

Tópicos aplicados relacionados à saúde humana - manutenção do bem-estar humano e patogênese das doenças humanas

É o mecanismo essencial de vigilância e defesa

É finamente modulado para manter o equilíbrio dinâmico

Mediadores extracelulares de pequenas moléculas (lipídios, sais, açúcares)

- A capacidade inata de reconhecer e destruir um patógeno individual ou seus produtos

- Envolve o reconhecimento de padrões moleculares associados a patógenos comuns (PAMPs) em patógenos

- Especificidade aprimorada - interação altamente específica e seletiva entre células imunológicas e antígenos (molécula capaz de induzir uma resposta imunológica - qualquer substância que faça com que o sistema imunológico produza anticorpos contra ela)

- Memória aprimorada - a resposta imunológica a um determinado antígeno é mais rápida e mais forte a cada exposição subsequente

Existe uma especificidade aumentada devido à expansão clonal. Idéia por trás das vacinações - permite que o sistema imunológico adaptativo reconheça um patógeno específico no futuro.

As células B são usadas para produzir anticorpos.

Os fagócitos inatos comem, matam e apresentam antígenos.

Células epiteliais (revestimento da pele, traquéia e algumas partes do trato digestivo)

Células endoteliais (revestimento dos vasos sanguíneos)

Patogênese =
- Microflora perturbada (boca, intestino, vias aéreas, etc.)
- Compromisso na barreira mucosa
- Liberação e vazamento de endotoxina bacteriana para a circulação
- Expressão persistente de mediadores pró-inflamatórios
- Mau funcionamento crônico do tecido
- Doenças crônicas: doenças cardiovasculares, diabetes, doenças relacionadas ao envelhecimento

- A deficiência de IRAK-M leva a uma resposta antitumoral aumentada

O LPS é o principal componente fora da parede celular de uma bactéria gram negativa.

Gram negativo = parede celular interna e parede celular externa a parede celular externa está cheia de lipopolissacarídeos. O LPS nutria um pequeno peptidoglicano. O violeta de cristal NÃO adere à membrana, por isso aparecerá rosa devido ao corante contrário.

Toxina de coqueluche (PT) - ribosila proteínas G alfa

Toxina do tétano (TT) - liga e modifica neuro-receptores

A endotoxina NÃO é uma proteína. Em um tubo de ensaio eles tinham uma proteína e no outro não. Como podemos testar qual contém proteína e qual não contém? Métodos: aqueça a solução, mude o pH, use absorvência de luz, use manchas (proteínas na natureza podem manchar).

As bactérias Gram positivas não têm muito LPS em suas paredes celulares. As células imunes inatas podem reconhecer o ácido lipoteicóico (LTA) - principal componente da parede celular de bactérias gram-positivas

- Beta-glucano: polissacarídeos da D-glicose unidos por ligações beta-glicosídicas

Células vivas = fosfatidilserina dentro da membrana plasmática

Células mortas = fosfatidilserina fora da célula

As citocinas também podem regular o metabolismo - instruir as células imunológicas a mudar seu comportamento metabólico. Ao mudar a fonte de combustível, eles podem regular comportamentos metabólicos e talvez funcionar (induzir febre, metabolismo de lipídios / glicose).

As citocinas são principalmente proteínas. Para serem citocinas competentes, elas devem ser moléculas PEQUENAS. Por que eles têm que ser tão pequenos? Assim, eles podem infiltrar-se facilmente nos tecidos e viajar / penetrar nas membranas celulares. Eles são pequenos em peso e tamanho molecular.

Eles podem ser proteínas ou glicoproteínas (aminoácidos modificados covalentemente ligados ao açúcar). O açúcar é altamente solúvel em água. Se modificarmos a proteína com açúcar, eles também podem ser prontamente solúveis e viajar livremente.

As citocinas são secretadas - são feitas dentro da célula. Maquinaria de produção de proteínas = ribossomos (presos ao retículo endoplasmático rugoso). Os processos são completados dentro da célula, mas uma vez que a citocina (molécula de proteína) é criada, ela será expressa e será secretada fora da célula, então eles podem viajar através dos sistemas linfático / circulatório.

Linfocinas = produzidas por linfócitos

Interleucinas = produzidas por leucócitos e atuam em outros leucócitos
Os leucócitos são células imunológicas gerais do corpo.

Podemos introduzir FC para aumentar certos tipos de leucócitos.

Pelo menos duas estruturas de cisteína (resíduo SH - forma uma ligação dissulfeto).

Em TODAS as quimiocinas, elas contêm dois resíduos de cisteína.

IL-1 do local da lesão ao tálamo para controle da temperatura (causa aumento da temperatura para matar os germes, mas se não for controlada pode causar danos aos nossos tecidos também).

Ação sinérgica = as citocinas trabalham juntas na mesma célula. Maior que a soma do efeito individual. Dá um comportamento muito complexo de regulação imunológica no corpo.

Queremos as citocinas no momento e no local certos, mas também queremos nos livrar delas rapidamente para regulá-las.

O segundo nível de regulação é o nível de mRNA. Podemos transcrever a sequência em RNA mensageiro. Muitas citocinas têm 3 'UTRs --- mantêm ou modulam a estabilidade do RNA mensageiro. Quando transcrevemos de um gene para o RNA, também temos uma sequência única na UTR 3 '. Dessa forma, podemos marcá-los para degradação quando não precisarmos mais deles.

Receptor tipo II: dois pares de cisteínas conservadas

Receptores TNF: domínios extracelulares ricos em cisteína

Receptores da superfamília de Ig: os anticorpos da superfamília de imunoglobina do domínio de Ig extracelular são organizados em um domínio único.

Via TRAF - utilizada pela família de receptores TNF

Tirosina quinases associadas ao receptor - receptor M-CSF

O resíduo de fosfato serve como uma "doca de carga" para moléculas adicionais para montar a via. Eventualmente leva à ativação de fatores de transcrição - translocação do citoplasma para o núcleo.

Combinações diferentes modulam a expressão de genes distintos.

- Expressão de feedback de citocinas antagonistas para reduzir o sinal
ex. IL-1ra (antagonista do receptor)

RT PCR em tempo real = monitoramento e quantificação do ciclo de produtos amplificados

ELISA mede os níveis de proteína secretada

- Fabricado por células B plasmáticas diferenciadas

- Cada célula B produz um tipo único de anticorpo

Antígeno = uma molécula que pode efetivamente desencadear uma resposta imune e produção de anticorpos

Epítopo = a parte / motivo de um antígeno que pode ser especificamente reconhecido por um anticorpo

Existem 2 cadeias leves (cada uma com dois fragmentos, região variável e região constante)

As cadeias pesadas e cadeias leves são mantidas juntas por ligações dissulfeto. O resíduo de cistina contém uma cadeia lateral S-H. Isso permite que eles formem uma ligação covalente que mantém as 4 moléculas juntas.

Dentro de cada cadeia existe uma região variável e uma região constante. A região variável é ALTAMENTE específica e varia entre cada anticorpo, permitindo que eles reconheçam um anticorpo específico. As regiões constantes são conservadas em uma família de anticorpos.


Resumo

Para desenvolver um anticorpo (Ab) terapêutico contra a enterotoxina B estafilocócica (SEB), um potencial agente de bioterrorismo incapacitante e uma das principais causas de intoxicação alimentar, desenvolvemos um Ab neutralizante anti-SEB de "classe T" (GC132) direcionado a um epítopo em SEB distinto de aquele da “classe M & quot Abs. anteriormente desenvolvida. Uma abordagem de engenharia sistemática foi aplicada ao Ab GC132 maduro por afinidade para produzir um candidato terapêutico otimizado (GC132a) com afinidade de ligação sub-nanomolar. O mapeamento da interface de ligação por troca de hidrogênio-deutério acoplado à espectrometria de massa revelou que o epítopo de classe T em SEB se sobrepôs ao local de ligação do receptor de células T, enquanto outras evidências sugeriram que o epítopo de classe M se sobrepôs ao local de ligação para a histocompatibilidade principal complexo. No formato IgG, GC132a mostrou ∼ 50 vezes mais eficácia de neutralização de toxinas potente do que o melhor Ab classe M em vitroe camundongos totalmente protegidos do desafio letal em um modelo pós-exposição de choque tóxico. Nós também projetamos Abs biespecíficos (bsAbs) que se ligam tetravalentemente, utilizando dois locais de ligação de classe M e dois locais de ligação de classe T. Os bsAbs exibiram eficácia de neutralização de toxina aumentada em comparação com as respectivas subunidades Ab monoespecíficas, bem como uma mistura dos dois, indicando que a eficácia aumentada foi devido à ligação tetravalente heterotípica a dois epítopos não sobrepostos em SEB. Juntos, esses resultados sugerem que classe T anti-SEB Ab GC132a é um excelente candidato para desenvolvimento clínico e para engenharia bsAb.


Análise de estratégias e métodos de neutralização de toxinas

As toxinas são proteínas secretadas pela bactéria viável para atuar nas células do hospedeiro. Compreender a interação das toxinas com o tecido do hospedeiro tem sido uma ferramenta vital para preparar estratégias de inibição. As toxinas são antígenos que induzem anticorpos específicos chamados antitoxinas. Os mAbs antibacterianos foram produzidos contra alvos de superfície de células bacterianas (isto é, polissacarídeos e proteínas) e exotoxinas solúveis. O modo dos mAbs antibacterianos depende da natureza do alvo, seu papel na patogênese, isotipo e estrutura (isto é, fragmentos de IgG, imunoconjugados, etc.). Os mAbs anti-exotoxina atenuam a atividade patológica bacteriana por diferentes modos, incluindo a neutralização da exotoxina, fagocitose dependente de anticorpos, atividade bactericida mediada pelo complemento e morte bacteriana independente do sistema imunológico.

Neutralização de toxinas

Os mAbs antibacterianos atuam neutralizando exotoxinas. O mAb se liga a exotoxinas solúveis que levam à formação de complexos anticorpo-toxina, que são eliminados principalmente pelo sistema reticuloendotelial. Todos os mAbs antibacterianos atualmente comercializados atuam por meio da neutralização de toxinas. A eficácia de neutralizar mAbs está diretamente correlacionada com a afinidade de ligação de mAb.

A redação é devida? Vamos escrever para você!

Imunoconjugados

O anticorpo medeia a captação para os fagolisossomos, onde uma potente carga de antibiótico é liberada, permitindo a morte eficiente de bactérias intracelulares. Esta estratégia mostrou atividade bactericida promissora contra S. aureus resistente à vancomicina. Conjugados anticorpo-antibiótico considerados farmacocinéticos favoráveis ​​(isto é, meias-vidas longas) e diminuem a toxicidade. Por exemplo, os conjugados anticorpo-antibiótico podem diminuir a interrupção causada pelo antibiótico da flora normal e podem diminuir a pressão seletiva que aumenta o aparecimento de resistência cruzada, devido à especificidade fornecida pelo carreador do anticorpo.

As vantagens proporcionadas pela conjugação de anticorpos podem permitir agentes antimicrobianos que falharam em ensaios clínicos devido a farmacocinética desfavorável ou toxicidades. Os radioimunoconjuatos, que conjugam radionuclídeos a mAbs, podem permitir a distribuição direcionada de radiação bactericida ao microrganismo. Exemplo Bismuto-213 ligado a mAb (D11) direcionado ao polissacarídeo capsular pneumocócico que apresentou morte bacteriana dependente da dose in vitro. Há um ensaio clínico na fase 1 (DSTA-4637S), o anticorpo monoclonal IgG se liga a um análogo da rifamicina e este anticorpo se liga a proteínas de superfície de S. aureus e libera a droga para matar S. aureus intracelular.

MAbs imunomoduladores

Os mAbs imunomoduladores podem facilitar a eliminação de bactérias do corpo, estimulando o sistema imunológico do hospedeiro. Estudos demonstraram o benefício do mAb anti-morte programada (PD) -1 para o tratamento da infecção por tuberculose. PD-1 e seus ligantes diminuíram nas células T CD4 + e CD8 + em pacientes com TB após a terapia padrão. O tratamento com mAb anti-PD-1 restaurou a secreção de citocinas e a responsividade ao antígeno de células T isoladas de pacientes com TB ex vivo.

Agente mAbs antibacteriano comercializado atualmente

Raxibacumab é o primeiro produto biológico que possui um antígeno anti-protetor (PA) mAb, aprovado para o tratamento do antraz em combinação com agentes antimicrobianos. Ele se liga ao PA livre e inibe o envolvimento do PA em seus receptores celulares nos macrófagos. O anticorpo impede a entrada intracelular do fator letal do antraz e do fator de edema, que contribuem substancialmente para os efeitos patogênicos da toxina do antraz.

O obiltoxaximab também é outro mAb anti-PA que foi aprovado para proteger contra a toxina do antraz por meio da inibição da ligação do PA aos receptores celulares nas células hospedeiras. É um agente quimérico, consistindo de genes 14B7VH e VL aumentados conectados às constantes ν1 e K humanas, que foi derivado do anticorpo monoclonal murino 14B7, com mutações resultando em um aumento de 50 vezes na afinidade e capacidade de neutralização correspondente.

O bezlotoxumabe é um IgG1 humano aprovado para reduzir a recorrência da infecção por Clostridium difficile (CDI) que estão recebendo medicamentos antibacterianos para CDI e apresentam alto risco de recorrência de CDI. liga-se com alta afinidade à toxina B, um fator de virulência vital e inibe a ligação da toxina B à célula hospedeira. Portanto, evita a inativação de Rho GTPases mediada pela toxina B e as vias de sinalização a jusante nas células. Portanto, o bezlotoxumabe é indicado apenas para a prevenção da recorrência de CDI, mas não para o tratamento. Além dos produtos de mAb acima, muitos mAbs estão atualmente em testes clínicos. Entre estes seis mAbs são desenvolvidos contra S.aureus (514G3, MEDI4893, Salvecin (AR-301), DSTA-46375, Suvratoxumab, ASN-100), dois têm como alvo Pseudomunosa aeruginosa (MEDI-3902A, Aerubumab) e dois são para E. coli (PolyCab, MM-529.

Este ensaio foi enviado por um aluno. Este não é um exemplo do trabalho escrito por nossos redatores de ensaio profissionais. Você pode solicitar nosso trabalho profissional aqui.


13.2D: Neutralização de Exotoxinas - Biologia

Toxigênese Bacteriana

Toxigênese, ou a capacidade de produzir toxinas, é um mecanismo subjacente pelo qual muitos patógenos bacterianos produzem doenças. Em nível químico, existem dois tipos principais de toxinas bacterianas, lipopolissacarídeos, que estão associados à parede celular de bactérias Gram-negativas, e proteínas, que são liberados das células bacterianas e podem agir em locais de tecido removidos do local de crescimento bacteriano. o associado à célula toxinas são referidas como endotoxinas e a extracelular toxinas difusíveis são referidas como exotoxinas.

Endotoxinas são substâncias associadas a células que são componentes estruturais das bactérias. A maioria das endotoxinas está localizada no envelope celular. No contexto deste artigo, endotoxina se refere especificamente ao lipopolissacarídeo (LPS) ou lipooligossacarídeo (LOS) localizado na membrana externa de bactérias Gram-negativas. Embora sejam componentes estruturais das células, as endotoxinas solúveis podem ser liberadas a partir de bactérias em crescimento ou de células que são lisadas como resultado de mecanismos eficazes de defesa do hospedeiro ou pela atividade de certos antibióticos. As endotoxinas geralmente agem na vizinhança do crescimento ou presença bacteriana.

Exotoxinas são geralmente secretados por bactérias e atuam em um local removido do crescimento bacteriano. No entanto, em alguns casos, as exotoxinas são liberadas apenas por lise da célula bacteriana. As exotoxinas são geralmente proteínas, no mínimo polipeptídeos, que agem enzimaticamente ou por ação direta com as células do hospedeiro e estimulam uma variedade de respostas do hospedeiro. A maioria das exotoxinas age em locais de tecido remotos do ponto original de invasão ou crescimento bacteriano. No entanto, algumas exotoxinas bacterianas atuam no local da colonização do patógeno e podem desempenhar um papel na invasão.

TOXINAS PARA PROTEÍNAS BACTERIANAS

As exotoxinas são geralmente secretadas por bactérias vivas durante o crescimento exponencial. A produção da toxina é geralmente específica para uma espécie bacteriana particular que produz a doença associada à toxina (por exemplo, apenas Clostridium tetani produz toxina do tétano apenas Corynebacterium diphtheriae produz a toxina da difteria). Normalmente, as cepas virulentas da bactéria produzem a toxina, enquanto as cepas não virulentas não, e a toxina é o principal determinante da virulência (por exemplo, tétano e difteria). Ao mesmo tempo, pensava-se que a produção de exotoxina se limitava principalmente a bactérias Gram-positivas, mas claramente tanto as bactérias Gram-positivas quanto as Gram-negativas produzem toxinas de proteínas solúveis.

Toxinas de proteínas bacterianas são os venenos humanos mais poderosos conhecidos e retêm alta atividade em diluições muito altas. A letalidade das exotoxinas bacterianas mais potentes é comparada à letalidade da estricnina, veneno de cobra e endotoxina na Tabela 1 abaixo.

TABELA 1. LETALIDADE DE TOXINAS DE PROTEÍNAS BACTERIANAS

Toxina
Dose tóxica (mg)
Hospedeiro
Toxicidade letal
comparado com:



Estricnina Endotoxina (LPS) Veneno de cobra
Toxina botulínica 0,8x10 -8 Mouse 3x10 6 3x10 7 3x10 5
Toxina do tétano 4x10 -8 Mouse 1x10 6 1x10 7 1x10 5
Toxina Shiga 2,3x10 -6 Coelho 1x10 6 1x10 7 1x10 5
Toxina da difteria 6x10 -5 Porquinho da índia 2x10 3 2x10 4 2x10 2

Normalmente, o local do dano causado por uma exotoxina indica a localização da atividade dessa toxina. Termos como enterotoxina, neurotoxina, leucocidina ou hemolisina são termos descritivos que indicam o local de destino de algumas toxinas de proteínas bem definidas. Algumas toxinas bacterianas que obviamente causam a morte de um animal são conhecidas simplesmente como toxinas letais, e mesmo que os tecidos afetados e o local ou substrato alvo possam ser conhecidos, o mecanismo preciso pelo qual ocorre a morte não é claro (por exemplo, antraz LF).

Algumas toxinas bacterianas são utilizadas como invasinas porque agem localmente para promover a invasão bacteriana. Os exemplos são enzimas extracelulares que degradam as matrizes do tecido ou fibrina, permitindo que a bactéria se espalhe. Isso inclui colagenase, hialuronidase e estreptoquinase. Outras toxinas, também consideradas invasinas, degradam componentes da membrana, como fosfolipases e lecitinases. As toxinas formadoras de poros que inserem um poro nas membranas eucarióticas também são consideradas invasinas, mas serão revisadas aqui.

Algumas toxinas de proteínas têm muito atividade citotóxica específica (ou seja, eles atacam tipos específicos de células). Por exemplo, o tétano e as toxinas botulínicas atacam apenas os neurônios. Mas algumas toxinas (produzidas por estafilococos, estreptococos, clostrídios, etc.) têm ampla atividade citotóxica e causar a morte inespecífica de vários tipos de células ou danos aos tecidos, resultando em necrose. As toxinas que são fosfolipases agem dessa maneira. Isso também é verdadeiro para as hemolisinas e leucocidinas formadoras de poros.

Toxinas de proteínas bacterianas são fortemente antigênico. In vivo, o anticorpo específico neutraliza a toxicidade dessas exotoxinas bacterianas (antitoxina) No entanto, in vitro, a antitoxina específica pode não inibir totalmente sua atividade. Isto sugere que o determinante antigênico da toxina pode ser distinto da porção ativa da molécula de proteína. O grau de neutralização do sítio ativo pode depender da distância do sítio antigênico na molécula. No entanto, uma vez que a toxina é totalmente neutralizada in vivo, isso sugere que outros fatores do hospedeiro devem desempenhar um papel na neutralização da toxina na natureza.

As exotoxinas de proteínas são inerentemente instável. Com o tempo, eles perdem suas propriedades tóxicas, mas retêm suas propriedades antigênicas. Isso foi descoberto pela primeira vez por Ehrlich, que cunhou o termo "toxóide" para este produto. Toxóides são toxinas desintoxicadas que retêm sua antigenicidade e sua capacidade imunizante. A formação de toxóides pode ser acelerada pelo tratamento de toxinas com uma variedade de reagentes incluindo formalina, iodo, pepsina, ácido ascórbico, cetonas, etc. A mistura é mantida a 37 graus na faixa de pH de 6 a 9 por várias semanas. Os toxóides resultantes podem ser usados ​​para imunização artificial contra doenças causadas por patógenos em que o principal determinante da virulência bacteriana é a produção de toxinas. Os toxóides são agentes imunizantes eficazes contra a difteria e o tétano que fazem parte da vacina DPT (DTP).

Toxinas com atividade enzimática

Como proteínas, muitas toxinas bacterianas assemelham-se a enzimas de várias maneiras. Como enzimas, eles são desnaturado pelo calor, enzimas ácidas e proteolíticas, eles agir cataliticamente, e eles exibem especificidade de ação. o substrato (no hospedeiro) pode ser um componente de células de tecido, órgãos ou fluido corporal.

Arranjo de subunidades A mais B

Muitas toxinas proteicas, notadamente aquelas que atuam intracelularmente (no que diz respeito às células hospedeiras), consistem em dois componentes: um componente (subunidade A) é responsável pelo atividade enzimática da toxina, o outro componente (subunidade B) está preocupado com obrigatório a um receptor específico na membrana da célula hospedeira e transferindo a enzima através da membrana. The enzymatic component is not active until it is released from the native (A+B) toxina. Isolated A subunits are enzymatically active but lack binding and cell entry capability. Isolated B subunits may bind to target cells (and even block the binding of the native toxin), but they are nontoxic.

There are a variety of ways that toxin subunits may be synthesized and arranged: A + B indicates that the toxin is synthesized and secreted as two separate protein subunits that interact at the target cell surface A-B ou A-5B indicates that the A and B subunits are synthesized separately, but associated by noncovalent bonds during secretion and binding to their target 5B indicates that the binding domain of the protein is composed of 5 identical subunits. A/B denotes a toxin synthesized as a single polypeptide, divided into A and B domains that may be separated by proteolytic cleavage.

Attachment and Entry of Toxins

There are at least two mechanisms of toxin entry into target cells.

In one mechanism called direct entry, the B subunit of the native (A+B) toxin binds to a specific receptor on the target cell and induces the formation of a pore in the membrane through which the A subunit is transferred into the cell cytoplasm.

In an alternative mechanism, the native toxin binds to the target cell and the A+B structure is taken into the cell by the process of endocitose mediada por receptores (RME) The toxin is internalized in the cell in a membrane-enclosed vesicle called an endosome. H + ions enter the endosome lowering the internal pH which causes the A+B subunits to separate. The B subunit affects the release of the A subunit from the endosome so that it will reach its target in the cell cytoplasm. The B subunit remains in the endosome and is recycled to the cell surface.

In both cases above, a large protein molecule must insert into and cross a membrane lipid bilayer, either the cell membrane or the endosome membrane. This activity is reflected in the ability of most A+B or A/B toxins, or their B components, to insert into artificial lipid bilayers, creating ion permeable pathways. If the B subunit contains a hydrophobic region (of amino acids) that insert into the membrane (as in the case of the diphtheria toxin), it may be referred to as the T (translocation) domain of the toxin.

A few bacterial toxins (e.g. diphtheria) are known to utilize both direct entry and RME to enter into host cells, which is not surprising since both mechanisms are variations on a theme. Bacterial toxins with similar enzymatic mechanisms may enter their target cells by different mechanisms. Thus, the diphtheria toxin and Pseudomonas exotoxin A, which have identical mechanisms of enzymatic activity, enter their host cells in slightly different ways. The adenylate cyclase toxin of Bordetella pertussis (pertussis AC) and anthrax EF produced by Bacillus anthracis, act similarly to catalyze the production of cAMP from host cell intracellular ATP reserves. However, the anthrax toxin enters cells by receptor mediated endocytosis, whereas the pertussis adenylate cyclase traverses the cell membrane directly.

o specific receptors for the B subunit of toxins on target cells or tissues are usually sialogangliosides (glycoproteins) called G-proteins on the cell membrane. For example, the cholera toxin utilizes the ganglioside GM1, and tetanus toxin utilizes ganglioside GT1 and/or GD1b as receptors on host cells.

The best known and studied bacterial toxin is the diphtheria toxin, produced by Corynebacterium diphtheriae. Diphtheria toxin is a bacterial exotoxin of the A/B prototype. It is produced as single polypeptide chain with a molecular weight of 60,000 daltons. The function of the protein is distinguishable into two parts: subunit A, with a m.w. of 21,000 daltons, contains the enzymatic activity for inhibition of elongation factor-2 involved in host protein synthesis subunit B, with a m.w. of 39,000 daltons, is responsible for binding to the membrane of a susceptible host cell. The B subunit possesses a region T (translocation) domain which inserts into the endosome membrane thus securing the release of the enzymatic component into the cytoplasm.

Figure 1. Diphtheria Toxin (Dtx). A (red) is the catalytic domain B (yellow) is the binding domain which displays the receptor for cell attachment T (blue) is the hydrophobic domain responsible for insertion into the endosome membrane to secure the release of A. The protein is illustrated in its "closed" configuration.

Em vitro, the native toxin is produced in an inactive form which can be activated by the proteolytic enzyme trypsin in the presence of thiol (reducing agent). The enzymatic activity of Fragment A is masked in the intact toxin. Fragment B is required to enable Fragment A to reach the cytoplasm of susceptible cells. The C terminal end of Fragment B is hydrophilic and contains determinants that interact with specific membrane receptors on sensitive cell membranes and the N-terminal end of Fragment B (called the T domain) is strongly hydrophobic. The specific membrane receptor for the B fragment has been shown to be a transmembranous heparin-binding protein on the susceptible cell's surface.

The diphtheria toxin enters its target cells by either direct entry or receptor mediated endocytosis. The first step is the irreversible binding of the C-terminal hydrophilic portion of Fragment B (AA 432-535) to the receptor. During RME, the whole toxin is then taken up in an endocytic vesicle. In the vesicle, the pH drops to about 5 which allows unfolding of the A and B chains. This exposes hydrophobic regions of both the A and B chains that can insert into the vesicle membrane. The result is exposure of the A chain to the cytoplasmic side of the membrane. There, reduction and proteolytic cleavage releases the A chain in the cytoplasm. The A fragment is released as an extended chain but regains its active (enzymatic) globular conformation in the cytoplasm. The A chain catalyzes the ADP ribosylation of elongation factor-2 (EF-2) as shown in Figure 2.


Figure 2. Entry and activity of diphtheria toxin (Dtx) in susceptible cells. The B domain of the toxin binds to a cognate receptor on a susceptible cell. The toxin is taken up in an endosome by receptor mediated encocytosis. Acidification of the endocytic vesicle allows unfolding of the A and B chains exposing the hydrophobic T domain of the toxin. The T domain inserts into the endosome membrane translocating the A fragment into the cytoplasm where it regains its enzymatic configuration . The enzymatic A component utilizes NAD as a substrate. It catalyzes the attachment of the ADP-ribose portion of NAD to elongation factor (EF-2) which inactivates its function in protein synthesis.

Table 2 describes several bacterial toxins with known enzymatic activity and the biological effects of the toxins in humans.

TABLE 2. BIOLOGICAL EFFECTS OF SOME BACTERIAL EXOTOXINS WITH ENZYMATIC ACTIVITY

TOXIN (subunit arr)* ENZYMATIC ACTIVITY BIOLOGICAL EFFECTS
Cholera toxin (A-5B) ADP ribosylates eucaryotic adenylate cyclase Gs regulatory protein Activates adenylate cyclase increased level of intracellular cAMP promote secretion of fluid and electrolytes in intestinal epithelium leading to diarrhea
Diphtheria toxin (A/B) ADP ribosylates elongation factor 2
Inhibits protein synthesis in animal cells resulting in death of the cells
Pertussis toxin (A-5B) ADP ribosylates adenylate cyclase Gi regulatory protein
Blocks inhibition of adenylate cyclase increased levels of cAMP affect hormone activity and reduce phagocytic activity
E. coli heat-labile toxin LT (A-5B) ADP ribosylates adenylate cyclase Gs regulatory protein Similar or identical to cholera toxin
Shiga toxin (A/5B Glycosidase cleavage of ribosomal RNA (cleaves a single Adenine base from the 28S rRNA)
Inactivates the mammalian 60S ribosomal subunit and leads to inhibition of protein synthesis and death of the susceptible cells pathology is diarrhea, hemorrhagic colitis (HC) and/or hemolytic uremic syndrome (HUS)
Pseudomonas Exotoxin A (A/B) ADP ribosylates elongation factor-2 analogous to diphtheria toxin
Inhibits protein synthesis in susceptible cells, resulting in death of the cells
Botulinum toxin (A/B) Zn ++ dependent protease acts on synaptobrevin at motor neuron ganglioside
Inhibits presynaptic acetylycholine release from peripheral cholinergic neurons resulting in flaccid paralysis
Tetanus toxin (A/B) Zn ++ dependent protease acts on synaptobrevin in central nervous system
Inhibits neurotransmitter release from inhibitory neurons in the CNS resulting in spastic paralysis
Anthrax toxin LF (A2+B) Metallo protease that cleaves MAPKK (mitogen-activated protein kinase kinase) enzymes

Combined with the B subunit (PA), LF induces cytokine release and death of target cells or experimental animals
Bordetella pertussis AC toxin (A/B) and Bacillus anthracis EF (A1+B)
Calmodulin-regulated adenylate cyclases that catalyze the formation of cyclic AMP from ATP in susceptible cells, as well as the formation of ion-permeable pores in cell membranes
Increases cAMP in phagocytes leading to inhibition of phagocytosis by neutrophils and macrophages also causes hemolysis and leukolysis
Staphylococcus aureus Exfoliatin B Cleaves desmoglein 1, a cadherin found in desmosomes in the epidermis
(also a superantigen)

Separation of the stratum granulosum of the epidermis, between the living layers and the superficial dead layers.

* toxin subunit arrangements: A-B or A-5B indicates subunits synthesized separately and associated by noncovalent bonds A/B denotes subunit domains of a single protein that may be separated by proteolytic cleavage A+B indicates subunits synthesized and secreted as separate protein subunits that interact at the target cell surface 5B indicates that the binding domain is composed of 5 identical subunits.

Pore-forming toxins, as the name suggests, insert a transmembranous pore into a host cell membrane, thereby disrupting the selective influx and efflux of ions across the membrane. This group of toxins includes the RTX toxins of Gram-negative bacteria, streptolysin O produced by S. pyogenes, e S. aureus alpha toxin. Generally, these toxins are produced as subunits that self-assemble as a pore on the eucaryotic membrane.

S. aureus alpha-toxin is considered the model of oligomerizing pore-forming cytotoxins. The alpha-toxin is synthesized as a 319 amino acid precursor molecule that contains an N-terminal signal sequence of 26 amino acids. The secreted mature toxin, or protomer, is a hydrophilic molecule with a molecular weight of 33 kDa. Seven toxin protomers assemble to form a 232 kDa mushroom-shaped heptamer comprising three distinct domains. The cap and rim domains of the heptamer are situated at the surface of the plasma membrane, while the stem domain serves as a transmembranous ion channel through the membrane.

TABLE 3. SOME PORE-FORMING BACTERIAL TOXINS

Toxina
Bacterial source
Alvo
Doença
perfringiolysin O
Clostridium perfringens
colesterol
gangrena gasosa
hemolisina
Escherichia coli
membrana celular
UTI
listeriolysin
Listeria monocytogenes
colesterol
systemic meningitis
anthrax EF
Bacillus anthracis
membrana celular
anthrax (edema)
alpha toxin Staphylococcus aureus
membrana celular
abcesses
pneumolysin
Streptococcus pneumoniae
colesterol
pneumonia otitis media
streptolysin O
Streptococcus pyogenes
colesterol
strep throat
leukocidin
Staphylococcus aureus phagocyte membrane
pyogenic infections

Superantigens: Toxins that Stimulate the Immune System

Several bacterial toxins can act directly on the T cells and antigen-presenting cells of the immune system. Impairment of the immunologic functions of these cells by toxin can lead to human disease. One large family of toxins in this category are the so-called pyrogenic exotoxins produced by staphylococci and streptococci, whose biological activities include potent stimulation of the immune system, pyrogenicity, and enhancement of endotoxin shock.

Pyrogenic exotoxins are secreted toxins of 22 kDa to 30 kDa, and include staphylococcal enterotoxins serotypes A-E, G, and H group A streptococcal pyrogenic exotoxins A-C staphylococcal exfoliatin toxin and staphylococcal TSST-1.

In general, the potent immunostimulatory properties of superantigens are a direct result of toxin binding to distinct regions outside the peptide binding cleft of the major histocompatibility class II molecules (MHC II), expressed on the surface of antigen-presenting cells, and to specific Vß elements on the T-cell receptor of T-lymphocytes. This results in a massive proliferation of up to 20% of peripheral T cells. Concomitant to T-cell proliferation is a massive release of cytokines from lymphocytes (e.g. interleukin-2, tumor necrosis factor ß, gamma interferon) and monocytes (e.g. IL-1, IL-6, tumor necrosis factor a). These cytokines serve as mediators of the hypotension, high fever, and diffuse erythematous rash that are characteristic of toxic-shock syndrome.

The staphylococcal enterotoxins are superantigens, but it is not known if this activity contributes to vomiting or diarrhea characteristic of staphylococcal food poisoning.

Control of Synthesis and the Release of Protein Toxins

The regulation of synthesis and secretion of many bacterial toxins is tightly controlled by regulatory elements that are sensitive to environmental signals. For example, the production of diphtheria toxin is totally repressed by the availability of adequate amounts of iron in the medium for bacterial growth. Only under conditions of limiting amounts of iron in the growth medium does toxin production become derepressed. The expression of cholera toxin and related virulence factors (adhesins) is controlled by environmental osmolarity and temperature. No B. pertussis, induction of different virulence components is staggered, such that attachment factors are produced initially to establish the infection, and toxins are synthesized and released later to counter the host defenses and promote bacterial survival.

The processes by which protein toxins are assembled and secreted by bacterial cells are also variable. Many of the classic exotoxins are synthesized with an NH terminal leader (signal) sequence consisting of a few (1-3) charged amino acids and a stretch of (14-20) hydrophobic amino acids. The signal sequence may bind and insert into the cytoplasmic membrane during translation such that the polypeptide is secreted while being synthesized. The signal peptide is cleaved as the toxin (protein) is released into the periplasm. Alternatively, the toxin may be synthesized intracytoplasmically, then bound to a leader sequence for passage across the membrane. Frequently, chaperone proteins are required to guide this process. Some multicomponent toxins, such as the cholera toxin, have their subunits synthesized and secreted separately into the periplasm where they are assembled. In Gram-negative bacteria, the outer membrane poses an additional permeability barrier that a protein toxin usually has to mediate if it is to be released in a soluble form. It has been proposed that some Gram-negative exotoxins (e.g. E. coli ST enterotoxin) might be released in membrane vesicles composed of outer membrane components. Since these vesicles possibly possess outer membrane-associated attachment factors, they could act as "smart bombs" capable of specifically interacting with and possibly entering target cells to release their contents of toxin.

The genetic ability to produce a toxin, including regulatory genes, may be found on the bacxterial chromosome, plasmids and lysogenic bacteriophages. Sometimes they occur within pathogenicity islands. In any case, the processes of genetic exchange in bacteria, notably conjugação e transdução, can mobilize genetic elements between strains and species of bacteria. Horizontal gene transfer (HGT) of genes that encode virulence is known to occur between species of bacteria. This explains how E. coli e Vibrio cholerae produce a nearly identical diarrhea-inducing toxin, as well as how E. coli O157:H7 acquired ability to produce shiga toxin form Shigella dysenteriae . The intestinal tract is probably an ideal habitat for bacteria to undergo HGT with one another.

There is conclusive evidence for the pathogenic role of diphtheria, tetanus and botulinum toxins, various enterotoxins, staphylococcal toxic shock syndrome toxin, and streptococcal pyrogenic exotoxins. And there is good evidence for the pathological involvement of pertussis toxin, anthrax toxin, shiga toxin and the necrotizing toxins of clostridia, in bacterial disease. But why certain bacteria produce such potent toxins is mysterious and is analogous to asking why an organism should produce an antibiotic. The production of a toxin may play a role in adapting a bacterium to a particular niche, but it is not essential to the viability of the organism. Most toxigenic bacteria are free-living in nature and in associations with humans in a form which is phenotypically identical to the toxigenic strain but lacking the ability to produce the toxin.

A summary of bacterial protein toxins and their activities is given in Tables 4. Details of the mechanisms of action of these toxins and their involvement in the pathogenesis of disease is discussed in chapters with the specific bacterial pathogens.

For more information and references on bacterial toxins go to this website: Bacterial Toxins: Friends or Foes?


UR Scholarship Repository

The invasion of host tissue by bacteria can lead to infection. Many pathogenic species of bacteria generate and release toxins, which amplify virulent effects. With the aid of toxins, bacteria can colonize different parts of the body, evade the host's immune system, over-activate or suppress the immune system, or obtain nutrients from the host. Generally, toxins can be classified as either exotoxins or endotoxins, depending on the location of the toxins in the bacterial cell. Exotoxins are proteins secreted by Gram-positive bacteria, while endotoxins are lipopolysachharides found within the cellular membranes of Gram-negative bacteria [1, 2]. This study focuses on exotoxins and its effects on a host.

There are many different types of bacterial exotoxins and they can be distinguished by their modes-of-action and by the time during which they are released in the bacterial growth phase. Some exotoxins are released consciously throughout all three phases of bacterial growth as a result of metabolic processes. Others are released during the logarithmic phase of bacterial growth in which bacteria grow at their maximal rate by occupying all the space and ingesting all the nutrients available in their surroundings [3]. Still others are released during the stationary phase of growth in which bacteria are in a nutrient-starved state [4]. All toxins, regardless of when they are released, can be categorized as either immune-provoking or tissue damaging toxins. As their name suggests, immune-provoking toxins interact with immune cells and activate them, while tissue damaging toxins damage the integrity of local host cells and can cause death in these cells.

Not all strains of bacteria produce toxins, and toxin-producing strains of bacteria can release a wide variety of toxins. For example, Staphylococcal aureus (S. aureus), a bacteria found endogenously on the skin and mucosal membrane of 30% of the human population, releases different types of toxins including hemolysins, nucleases, proteases, leukocidins, enterotoxins and more during an infection [5]. As a result of the release of each type of toxin, red blood cells and white blood cells are destroyed, nucleic acids and proteins are broken down, and a massive immune response is induced [6]. These findings demonstrate that several types of bacterial toxins from the same strain of bacteria can target a variety of different host cells and use multiple mechanisms to induce damage.

This study seeks to incorporate the effects of exotoxins into an existing system of differential equations that model intra-host interaction between pathogen, immune cells, and tissue damage. There is a lack of studies incorporating the effects of exotoxins into a mathematical model describing these interactions as demonstrated by previous studies that investigate and model uremic protein bound toxins in the blood that optimize dialysis treatments [7], the regulation of toxin production in Clostridium difficile [8], and toxin neutralization using antibodies in the absence of cells [9). Hence, this study which incorporates exotoxins into an existing low dimensional system of differential equations containing the population dynamics of pathogen, immune cells and tissue damage [10] is necessary. The overall goal is to incorporate the final set of differential equations describing intra-host population dynamics into a hybrid agent-based and differential equations system that models the spread of bacterial infections within a hospital ward. One of the specific goals of the current study is to incorporate the three types of tissue damaging exotoxins, and immune provoking exotoxins into the overall differential equations model. The second specific goal of this study is to derive a mathematical function that can be used to estimate parameters related to toxins in the differential equation model to accurately monitor the changes that occur in a toxin-releasing bacterial infection.


Difference Between Exotoxins and Endotoxins

Exotoxins are toxic substances secreted by bacteria and released outside the cell. Whereas Endotoxins are bacterial toxins consisting of lipids that are located within a cell.

What is Exotoxins?

Toxins that are released extracellularly as the organism grows are called exotoxins. Exotoxins may travel from a focus of infection to distant part of the body and cause damage. Por exemplo. Neurotoxin (botulinum toxin, tetanus toxin), Enterotoxin (cholera toxin), Cytotoxin. An exotoxin is a toxin secreted by bacteria. An exotoxin can cause damage to the host by destroying cells or disrupting normal cellular metabolism. They are highly potent and can cause major damage to the host. Exotoxins may be secreted, or, similar to endotoxins, may be released during lysis of the cell

What is Endotoxins?

Endotoxins are lipopolysaccharides toxin produced by Gram Negative bacteria. The name endotoxin is derived from the fact that these toxins are generally cell bound and released only when the cell lyses. a heat-stable toxin associated with the outer membranes of certain gram-negative bacteria, including Brucella, Neisseria, and Vibrio species. Endotoxins are not secreted but are released only when the cells are disrupted they are less potent and less specific than the exotoxins and they do not form toxoids. In large quantities they produce hemorrhagic shock and severe diarrhea smaller amounts cause fever, altered resistance to bacterial infection, leukopenia followed by leukocytosis, and numerous other biologic effects.

Principais diferenças

  1. Exotoxins are usually heat labile proteins secreted by certain species of bacteria which diffuse into the surrounding medium.Endotoxins are heat stable lipopolysaccharide-protein complexes which form structural components of cell wall of Gram Negative Bacteria and liberated only on cell lysis or death of bacteria.
  2. Exotoxins are Excreted by organisms, living cell, Endotoxins are the integral part of cell wall.
  3. Exotoxins are Found in both Gram positive and Gram Negative bacteria. Endotoxins are Found mostly in Gram Negative Bacteria.
  4. Exotoxins are Detected by many tests (neutralization, precipitation, etc. Endotoxins are Detected by Limulus lysate assay.
  5. Exotoxins have no enzyme activity as compared to endotoxins.
  6. Exotoxins are filterable as compared to endotoxins.
  7. Exotoxins are Highly antigenic. Endotoxins are Weakly immunogenic.
  8. Chemical composition exotoxins : protein, Chemical composition endotoxins.
Janet White

Janet White é redatora e blogueira da Difference Wiki desde 2015. Ela tem mestrado em ciência e jornalismo médico pela Universidade de Boston. Além do trabalho, ela gosta de se exercitar, ler e estar com seus amigos e familiares. Conecte-se com ela no Twitter @Janet__White