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13.2D: Neutralisation von Exotoxinen - Biologie

13.2D: Neutralisation von Exotoxinen - Biologie


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Lernziele

  • Besprechen Sie, wie Antikörper den Körper verteidigen, indem sie Exotoxine neutralisieren. (Fügen Sie ein, welche Klassen oder Isotypen von Immunglobulinen beteiligt sind, die Rolle des Fab-Teils des Antikörpers, die Rolle, falls vorhanden, des Fc-Teils des Antikörpers und die Rolle etwaiger Komplementproteine, falls vorhanden.)
  • Beschreiben Sie, wie die Fähigkeit von Bakterien, ihre eigene Populationsdichte zu erkennen, über sezernierte Faktoren miteinander zu kommunizieren (Zell-zu-Zell-Signalgebung) und sich als Population und nicht als einzelne Bakterien zu verhalten, höchstwahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Pathogenität spielt viele Bakterien.

Damit ein Exotoxin Schaden anrichten kann, muss es zunächst an Rezeptoren einer anfälligen Wirtszelle binden. Antitoxin-Antikörper werden gegen mikrobielle Exotoxine hergestellt. Der Fab-Anteil bindet an die Exotoxinmoleküle, bevor diese mit Wirtszielzellen interagieren können und neutralisiert so das Toxin (Abbildung (PageIndex{1})). IgG neutralisiert Toxine im Gewebe, während IgA Toxine an Schleimhautoberflächen im Körper neutralisiert.

Wie jedoch in Einheit 2 gelernt wurde, sind viele Gram-negative und Gram-positive in der Lage, ihre eigene Populationsdichte wahrzunehmen, miteinander über sezernierte Faktoren zu kommunizieren und sich als Population und nicht als einzelne Bakterien zu verhalten. Dies wird als Quorum Sensing bezeichnet und spielt höchstwahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Pathogenität vieler Bakterien.

  • Zum Beispiel, Pseudomonas aeruginosa verursacht schwere nosokomiale Infektionen, chronische Infektionen bei Patienten mit Mukoviszidose und potenziell tödliche Infektionen bei immungeschwächten Personen. Seine Virulenz hängt von der Sekretion einer Vielzahl von schädlichen Exotoxinen und Enzymen ab. Wenn es zu einer isolierten Produktion dieser Virulenzgifte und Enzyme durch eine kleine Anzahl von Pseudomonas, wäre die Immunantwort des Körpers höchstwahrscheinlich in der Lage, diese schädlichen Stoffe mit Antikörpern effektiv zu neutralisieren. Durch eine Koordination der Expression der für diese Toxine und Enzyme kodierenden Gene durch die gesamte Bakterienpopulation P. aeruginosa scheint diese extrazellulären Virulenzfaktoren nur dann abzusondern, wenn die Bakteriendichte groß genug ist, dass sie in ausreichend hohen Mengen produziert werden können, um die Abwehrkräfte des Körpers zu überwinden.

Zusammenfassung

Damit ein Exotoxin Schaden anrichten kann, muss es zuerst an Rezeptoren einer anfälligen Wirtszelle binden. Der Fab-Anteil bindet an die Exotoxinmoleküle, bevor diese mit Wirtszielzellen interagieren können und neutralisiert so das Toxin.

Fragen

Studieren Sie das Material in diesem Abschnitt und schreiben Sie dann die Antworten auf diese Fragen auf. Klicken Sie nicht einfach auf die Antworten und schreiben Sie sie auf. Dies wird Ihr Verständnis dieses Tutorials nicht testen.

  1. Besprechen Sie, wie Antikörper den Körper verteidigen, indem sie Exotoxine neutralisieren. (Fügen Sie ein, welche Klassen oder Isotypen von Immunglobulinen beteiligt sind, die Rolle des Fab-Teils des Antikörpers, die Rolle, falls vorhanden, des Fc-Teils des Antikörpers und die Rolle etwaiger Komplementproteine, falls vorhanden.) (ans)
  2. Beschreiben Sie, wie die Fähigkeit von Pseudomonas aeruginosa um die eigene Bevölkerungsdichte zu spüren, mit anderen zu kommunizieren Pseudomonas über sezernierte Faktoren (Zell-zu-Zell-Signalgebung) und verhalten sich eher als Population als als einzelne Bakterien, spielt wahrscheinlich eine wichtige Rolle bei der Pathogenität dieses Organismus. (ans)
  3. Mehrfachauswahl (ans)

Unterschied zwischen Endotoxinen und Exotoxinen

Toxigenese beinhaltet die Produktion von Toxinen durch pathogene Bakterien. Es ist eine der wichtigsten Methoden zur Geburt von Krankheiten und medizinischen Störungen durch Bakterien. Zwei Kategorien von Toxinen, die zu verschiedenen Infektionen und Krankheiten führen, umfassen Endotoxine und Exotoxine, und sie unterscheiden sich aufgrund ihrer chemischen Natur. Endotoxine sind bakterielle Toxine, die aus Lipiden (Lipopolysacchariden) bestehen, und Exotoxine bestehen aus Proteinen.


Neutralisation von Clostridium-difficile-Toxin B, vermittelt durch künstlich hergestellte Lactobazillen, die Einzeldomänen-Antikörper produzieren

Clostridium difficile ist die Hauptursache für nosokomiale Antibiotika-assoziierte Diarrhoe in der westlichen Welt. Die wichtigsten Virulenzfaktoren von C. difficile sind zwei Exotoxine, Toxin A (TcdA) und Toxin B (TcdB), die ausgedehnte Dickdarmentzündungen und Epithelschäden verursachen, die sich in Durchfallepisoden manifestieren. In dieser Studie untersuchten wir die Grundlage für eine orale Antitoxinstrategie basierend auf gentechnisch veränderten Lactobacillus-Stämmen, die TcdB-neutralisierende Antikörperfragmente im Magen-Darm-Trakt exprimieren. Variable Domäne von Nur-Schwer-Kette-(VHH)-Antikörpern wurden in Lamas durch Immunisierung mit dem vollständigen TcdB-Toxin gezüchtet. Vier einzigartige VHH-Fragmente, die TcdB in vitro neutralisieren, wurden isoliert. Wenn diese VHH-Fragmente entweder in sekretierter oder zellwandverankerter Form in Lactobacillus paracasei BL23 exprimiert wurden, konnten sie die zytotoxische Wirkung des Toxins in einem zellbasierten In-vitro-Assay neutralisieren. Die prophylaktische Behandlung mit einer Kombination von zwei Stämmen von gentechnisch verändertem L. paracasei BL23, die zwei neutralisierende Anti-TcdB-VHH-Fragmente (VHH-B2 und VHH-G3) exprimieren, verzögerte das Abtöten in einem Hamsterschutzmodell, bei dem die Tiere mit Sporen eines TcdA(- ) TcdB(+)-Stamm von C. difficile (P < 0,05). Die Hälfte der Hamster in der behandelten Gruppe überlebte bis zum Versuchsende am 5. Tag und zeigte trotz einer bis zu 4 Tage dauernden Besiedelung mit C. difficile entweder keine Schädigung oder eine begrenzte Entzündung der Dickdarmschleimhaut. Der protektive Effekt im Hamstermodell legt nahe, dass die Strategie als Ergänzung zu bestehenden Therapien für Patienten untersucht werden könnte.

Copyright © 2016, Amerikanische Gesellschaft für Mikrobiologie. Alle Rechte vorbehalten.

Figuren

Expression und zelluläre Lokalisation von…

Expression und zelluläre Lokalisation von Lactobacillus-produzierten VHH-Fragmenten. Nachweis von TcdB-neutralisierenden VHH-Fragmenten…

Bindung von L. paracasei BL23-sekretiertem…

Bindung von L. paracasei BL23-sekretierten VHH-Fragmenten an TcdB. Die relativen Bindungsgrade…

Durchflusszytometrie-Analyse der…

Durchflusszytometrie-Analyse der Darstellung von zellwandverankerten VHH-Fragmenten und deren…

Wirkung der therapeutischen Gabe von…

Wirkung der therapeutischen Verabreichung von L. paracasei BL23-Stämmen, die zellwandverankerte VHH…

Blinddarmhistologie überlebender Hamster…

Blinddarmhistologie von Hamstern, die eine Sporenexposition nach prophylaktischer Behandlung mit L. paracasei überlebten…


Antivirale Aktivität eines Einzeldomänen-Antikörper-Immuntoxins, das an das Glykoprotein D des Herpes-Simplex-Virus bindet 2

Trotz jahrelanger Forschung zur Verhinderung der sexuellen Übertragung des Herpes-simplex-Virus 2 (HSV-2) gibt es immer noch keinen schützenden Impfstoff oder Mikrobizid gegen eine der häufigsten sexuell übertragbaren Infektionen der Welt. Unter Verwendung einer Phagen-Display-Bibliothek, die aus einem mit rekombinantem HSV-2-Glykoprotein D immunisierten Lama konstruiert wurde, identifizierten wir einen Einzeldomänen-Antikörper VHH, R33, der an das virale Oberflächen-Glykoprotein D bindet. Obwohl R33 keine HSV-2-Neutralisierungsaktivität in vitro, wenn es mit der zytotoxischen Domäne von Exotoxin A exprimiert wird, tötet das resultierende Immuntoxin (R33ExoA) spezifisch und wirksam HSV-2-infizierte Zellen mit einer 50% neutralisierenden Verdünnung (IC50) von 6,7 nM. Wir schlagen vor, dass R33ExoA klinisch verwendet werden könnte, um die Übertragung von HSV-2 durch das Abtöten von Virus-produzierenden Epithelzellen während der Virusreaktivierung zu verhindern. R33 könnte möglicherweise auch verwendet werden, um andere zytotoxische Effektoren an HSV-2-infizierte Zellen zu liefern.

Copyright © 2015, Amerikanische Gesellschaft für Mikrobiologie. Alle Rechte vorbehalten.

Figuren

Herstellung und Reinigung von gD2.…

Herstellung und Reinigung von gD2. (A) DNA, die für gD2 kodiert, wurde durch PCR amplifiziert…

Reaktivität von Seren von Lamas…

Reaktivität von Seren von mit gD immunisierten Lamas. Eine 1:100 Verdünnung von Seren…

Reinigung von VHH und Immuntoxinen…

Reinigung von VHH und Immuntoxinen und Vergleich von Sequenzen aus VHH verschiedener…

Bindung von R33- und bvR33-VHH an oberflächenexprimiertes gD2 auf z4/6-Zellen. z4/6…

HSV-2-Neutralisationsassay. Virus war…

HSV-2-Neutralisationsassay. Das Virus wurde mit Verdünnungen von R33 und HSV8 (bekannt…

Spezifische Toxizität von R33ExoA für…

Spezifische Toxizität von R33ExoA für gD2-exprimierende Zellen. Verdünnungen von Immunotoxinen wurden hinzugefügt…


Neutralisationstests

Diese sind von zwei Arten: Virusneutralisationstests und Toxinneutralisationstests.
1. Virusneutralisation
Die Neutralisation von Viren durch ihre Antikörper kann in verschiedenen Systemen nachgewiesen werden. IgG-, IgM- und IgA-Antikörper können während ihrer extrazellulären Phase an einige Viren binden und diese inaktivieren. Diese Antikörper-vermittelte Virusinaktivierung wird als Virusneutralisation bezeichnet. Die Fixierung der klassischen Komplementkomponente C3b an das Virus unterstützt den Neutralisationsprozess. Die Virusneutralisation verhindert eine Virusinfektion aufgrund der Unfähigkeit des Virus, an seine Zielzelle zu binden.
Anzeigesysteme
Als „Indikatorsysteme“ werden bei diesen Tests Versuchstiere oder Gewebekulturzellen verwendet. Das Testserum ist
seriell verdünnt, mit einer bekannten Virusmenge inkubiert und die Mischung dann zu Indikatorkulturen gegeben: Tiere, embryoniertes Hühnerei und Gewebekultur.
Als Titer wird die höchste Verdünnung der Serum-ablatierenden Infektiosität in 50 Prozent der getesteten Virus-Serum-Gemische genommen. Wenn Bakteriophagen in geeigneter Verdünnung auf Rasenkulturen ausgesät werden, werden Lyseplaques erzeugt. Spezifisches Antiphasen-Serum hemmt die Plaquebildung.
2. Toxinneutralisation
Bakterielle Exotoxine sind gute Antigene und ihre Aktivität kann durch geeignete Konzentrationen spezifischer Antikörper vollständig neutralisiert werden. Antikörper gegen bakterielles Exotoxin werden gewöhnlich als Antitoxine bezeichnet, die klinisch wichtig sind, zum Schutz vor und zur Genesung von Krankheiten wie Diphtherie und Tetanus. Bakterielle Endotoxine sind wenig antigen und ihre Toxizität wird nicht durch Antiseren neutralisiert.
Die Toxinneutralisation kann in vivo oder in vitro getestet werden.

Toxinneutralisation in vivo
ich. Toxizitätstest: Die Neutralisationskapazität eines Antitoxins kann durch einen Neutralisationstest in . getestet werden
welches Gemisch aus Toxin und Antitoxin einem empfänglichen Tier injiziert wird und die geringste Menge an Antitoxin, die Tod oder Krankheit des Tieres verhindert, wird geschätzt.
ii. Schick-Test: Mit dem Diphtherie-Toxin, das in geringen Dosen eine Hautreaktion hervorruft, kann ein Neutralisationstest an der menschlichen Haut durchgeführt werden. Die
Der Schick-Test basiert auf der Fähigkeit, Antitoxin zu zirkulieren, um das intradermal verabreichte Diphtherietoxin zu neutralisieren. Neutralisation (keine Reaktion) weist auf Immunität und Rötung hin und Erythem weist auf Diphtherieanfälligkeit hin.
Toxinneutralisation in vitro
Wenn ein Toxin in vitro eine nachweisbare Wirkung hat, kann diese Wirkung durch ein spezifisches Antitoxin neutralisiert werden.
Beispiele

ich. Antistreptolysin O (ASO)-Test: Antistreptolysin O (ASO) – Antitoxin, das im Serum des an einer Strep.pyogenes-Infektion leidenden Patienten vorhanden ist, neutralisiert die hämolytische Aktivität des Streptokokken-O-Hämolysins (Toxin).
ii. Naglers Reaktion: Ein weiteres Beispiel für die In-vitro-Toxin-Antitoxin-Neutralisierung ist die Nagler-Reaktion. Cl. perfringens produziert α-Toxin, das eine Phospholipase (Lecithinase-C) ist. Dies erzeugt Opaleszenz in
Serum oder Eigelbmedien. Diese Reaktion wird durch das Antitoxin gezielt neutralisiert.

iii. Agar-Gel-Präzipitationstest: Der Agar-Gel-Präzipitationstest wird verwendet, um die Produktion von Toxin durch Corynebacterium diphtheriae nachzuweisen.


Entzündungsbiologische Prüfung 1

Chemisch: Fettsäure, Taxol (aus Pflanzen extrahierte Verbindung kann die Entzündungsreaktion induzieren und modifizieren, verbessert die Fähigkeit zur Tumorbekämpfung), Imiquimod (Immunsystem-Modifikator zur Behandlung von Genitalwarzen und Ekzemen)

- Bewegung von Zellen in die Infektions- oder Verletzungsstelle (Rötung)

Angewandte Themen im Zusammenhang mit der menschlichen Gesundheit - Erhaltung des menschlichen Wohlbefindens und Pathogenese menschlicher Krankheiten

Es ist der wesentliche Überwachungs- und Verteidigungsmechanismus

Es ist fein moduliert, um das dynamische Gleichgewicht zu erhalten

Extrazelluläre niedermolekulare Mediatoren (Lipide, Salze, Zucker)

- Die angeborene Fähigkeit, einen einzelnen Krankheitserreger oder seine Produkte zu erkennen und zu zerstören

- Beinhaltet die Erkennung von gemeinsamen pathogen-assoziierten molekularen Mustern (PAMPs) auf Krankheitserregern

- Erhöhte Spezifität - hochspezifische und selektive Interaktion zwischen Immunzellen und Antigenen (Molekül, das eine Immunantwort auslösen kann - jede Substanz, die das Immunsystem dazu bringt, Antikörper dagegen zu bilden)

- Verbessertes Gedächtnis – die Immunantwort auf ein bestimmtes Antigen ist bei jeder nachfolgenden Exposition schneller und stärker

Es gibt eine erhöhte Spezifität aufgrund der klonalen Expansion. Idee hinter Impfungen – ermöglicht dem adaptiven Immunsystem, einen bestimmten Krankheitserreger in Zukunft zu erkennen.

B-Zellen werden verwendet, um Antikörper zu produzieren.

Angeborene Fresszellen fressen, töten und präsentieren Antigene.

Epithelzellen (Auskleidung der Haut, Luftröhre und einige Teile des Verdauungstrakts)

Endothelzellen (die Blutgefäße auskleiden)

Pathogenese =
- Gestörte Mikroflora (Mund, Darm, Atemwege usw.)
- Kompromiss in der Schleimhautbarriere
- Ausscheidung und Austritt von bakteriellem Endotoxin in den Kreislauf
- Anhaltende Expression von proinflammatorischen Mediatoren
- Chronische Gewebefehlfunktionen
- Chronische Erkrankungen: Herz-Kreislauf, Diabetes, altersbedingte Erkrankungen

- IRAK-M-Mangel führt zu einer verstärkten Anti-Tumor-Reaktion

LPS ist ein Hauptbestandteil außerhalb einer Zellwand von Gram-negativen Bakterien.

Gram negativ = innere Zellwand und äußere Zellwand äußere Zellwand ist voller Lipopolysaccharide. LPS ernährte wenig Peptidoglycan. Kristallviolett klebt NICHT an der Membran, daher erscheint es aufgrund des Gegenfarbstoffs rosa.

Pertussistoxin (PT) - Ribosylate G-alpha-Proteine

Tetanustoxin (TT) - bindet und modifiziert Neurorezeptoren

Das Endotoxin ist KEIN Protein. In einem Reagenzglas hatten sie ein Protein und in dem anderen Reagenzglas nicht. Wie können wir testen, welches Protein enthält und welches nicht? Methoden: Erhitzen Sie die Lösung, ändern Sie den pH-Wert, verwenden Sie Lichtabsorption, verwenden Sie Flecken (Proteine ​​können in der Natur färben).

Gram-positive Bakterien haben nicht viel LPS in ihren Zellwänden. Die angeborenen Immunzellen können die Lipoteichonsäure (LTA) erkennen – einen Hauptbestandteil der Zellwand grampositiver Bakterien

- Beta-Glucan: Polysaccharide der D-Glucose, die durch Beta-Glykosid-Bindungen verbunden sind

Lebende Zellen = Phosphatidylserin innerhalb der Plasmamembran

Tote Zellen = Phosphatidylserin außerhalb der Zelle

Zytokine können auch den Stoffwechsel regulieren – Immunzellen anweisen, ihr Stoffwechselverhalten zu ändern. Durch die Änderung der Brennstoffquelle können sie das Stoffwechselverhalten und möglicherweise ihre Funktion regulieren (induzieren von Fieber, Lipid-/Glukosestoffwechsel).

Zytokine sind größtenteils Proteine. Um kompetente Zytokine zu sein, müssen sie KLEINE Moleküle sein. Warum müssen sie so klein sein? So können sie leicht Gewebe infiltrieren und Zellmembranen wandern/durchdringen. Sie haben ein kleines Molekulargewicht und eine geringe Größe.

Sie können Proteine ​​oder Glykoproteine ​​sein (modifizierte Aminosäuren, die kovalent an Zucker gebunden sind). Zucker ist in Wasser gut löslich. Wenn wir das Protein mit Zucker modifizieren, können sie auch leicht löslich sein und sich frei bewegen.

Zytokine werden sezerniert – sie werden innerhalb der Zelle gebildet. Proteinherstellungsmaschinerie = Ribosomen (an dem rauen endoplasmatischen Retikulum befestigt). Prozesse werden innerhalb der Zelle abgeschlossen, aber sobald das Zytokin (Proteinmolekül) gebildet ist, wird es exprimiert und außerhalb der Zelle sezerniert, dann können sie durch das Lymph-/Kreislaufsystem wandern.

Lymphokine = von Lymphozyten produziert

Interleukine = von Leukozyten gebildet und wirken auf andere Leukozyten
Leukozyten sind allgemeine Immunzellen im Körper.

Wir können CF einführen, um bestimmte Arten von Leukozyten zu erhöhen.

Mindestens zwei Cysteinstrukturen (SH-Rest - bildet eine Disulfidbindung).

In ALLEN Chemokinen enthalten sie zwei Cysteinreste.

IL-1 von der Verletzungsstelle zum Thalamus zur Temperaturkontrolle (verursacht Fiebererhöhung, um Keime abzutöten, kann aber auch unser Gewebe schädigen, wenn es nicht kontrolliert wird).

Synergistische Wirkung = Zytokine wirken zusammen auf dieselbe Zelle. Größer als die Summe des Einzeleffekts. Gibt sehr komplexes Verhalten der Immunregulation im Körper.

Wir wollen die Zytokine zur richtigen Zeit am richtigen Ort, aber wir wollen sie auch schnell loswerden, um sie zu regulieren.

Die zweite Regulationsebene ist die mRNA-Ebene. Wir können die Sequenz in Messenger-RNA transkribieren. Viele Zytokine haben 3'-UTRs --- erhalten oder modulieren die Stabilität der Boten-RNA. Wenn wir von einem Gen zu RNA transkribieren, haben wir auch eine einzigartige Sequenz an der 3'-UTR. Auf diese Weise können wir sie für den Abbau markieren, wenn wir sie nicht mehr benötigen.

Typ-II-Rezeptor: zwei Paare konservierter Cysteine

TNF-Rezeptoren: Cysteinreiche extrazelluläre Domänen

Rezeptoren der Ig-Superfamilie: Antikörper der extrazellulären Ig-Domäne der Immunglobin-Superfamilie sind in einer einzigartigen Domäne organisiert.

TRAF-Signalweg – von der TNF-Rezeptorfamilie genutzt

Rezeptor-assoziierte Tyrosinkinasen - M-CSF-Rezeptor

Der Phosphatrest dient als "Ladedock" für zusätzliche Moleküle, um den Weg aufzubauen. Führt schließlich zur Aktivierung von Transkriptionsfaktoren – Translokation vom Zytoplasma in den Zellkern.

Unterschiedliche Kombinationen modulieren unterschiedliche Genexpression.

- Feedback-Expression von antagonistischen Zytokinen, um das Signal zu reduzieren
Ex. IL-1ra (Rezeptorantagonist)

Echtzeit-RT-PCR = zyklusweise Überwachung und Quantifizierung amplifizierter Produkte

ELISA misst den sekretierten Proteinspiegel

- Hergestellt aus differenzierten Plasma-B-Zellen

- Jede B-Zelle produziert einen einzigartigen Antikörpertyp

Antigen = ein Molekül, das effektiv eine Immunantwort und Antikörperproduktion auslösen kann

Epitop = Teil/Motiv eines Antigens, das von einem Antikörper spezifisch erkannt werden kann

Es gibt 2 leichte Ketten (jeweils mit zwei Fragmenten, variabler Region und konstanter Region)

Die schweren Ketten und leichten Ketten werden durch Disulfidbrücken zusammengehalten. Der Cystinrest enthält eine S-H-Seitenkette. Es ermöglicht ihnen, eine kovalente Bindung zu bilden, die die 4 Moleküle zusammenhält.

Innerhalb jeder Kette gibt es eine variable Region und eine konstante Region. Die variable Region ist HOCH spezifisch und variiert zwischen den einzelnen Antikörpern, sodass sie einen spezifischen Antikörper erkennen können. Die konstanten Regionen sind über eine Familie von Antikörpern hinweg konserviert.


Abstrakt

Zur Entwicklung eines Antikörpers (Ak) gegen Staphylokokken-Enterotoxin B (SEB), ein potenziell handlungsunfähig machender Bioterrorismus und eine der Hauptursachen für Lebensmittelvergiftungen, haben wir einen Anti-SEB-neutralisierenden Antikörper der Klasse T (GC132) entwickelt, der auf ein Epitop auf SEB abzielt, das sich von unterscheidet die der zuvor entwickelten „Klasse M“-Abs. Ein systematischer Engineering-Ansatz wurde auf den affinitätsreifen Ab GC132 angewendet, um einen optimierten therapeutischen Kandidaten (GC132a) mit subnanomolarer Bindungsaffinität zu erhalten. Die Kartierung der Bindungsgrenzfläche durch Wasserstoff-Deuterium-Austausch gekoppelt mit Massenspektrometrie ergab, dass das Klasse-T-Epitop auf SEB mit der Bindungsstelle des T-Zell-Rezeptors überlappte, während andere Hinweise darauf hindeuteten, dass das Klasse-M-Epitop mit der Bindungsstelle für die Haupthistokompatibilität überlappte Komplex. Im IgG-Format zeigte GC132a eine ∼ 50-fach stärkere toxinneutralisierende Wirksamkeit als der beste Klasse-M-Ak in vitro, und Mäuse vollständig vor einer tödlichen Herausforderung in einem toxischen Schock-Post-Expositionsmodell geschützt. Wir entwickelten auch bispezifische Abs (bsAbs), die tetravalent banden, indem wir zwei Klasse-M-Bindungsstellen und zwei Klasse-T-Bindungsstellen nutzten. Die bsAbs zeigten im Vergleich zu den jeweiligen monospezifischen Ab-Untereinheiten sowie einer Mischung der beiden eine verbesserte Toxinneutralisationswirksamkeit, was darauf hindeutet, dass die erhöhte Wirksamkeit auf die heterotypische tetravalente Bindung an zwei nicht überlappende Epitope auf SEB zurückzuführen ist. Zusammengenommen legen diese Ergebnisse nahe, dass der Klasse-T-Anti-SEB-Ab GC132a ein ausgezeichneter Kandidat für die klinische Entwicklung und für das bsAb-Engineering ist.


Analyse von Strategien und Methoden zur Toxinneutralisation

Toxine sind Proteine, die von lebensfähigen Bakterien ausgeschieden werden, um auf die Wirtszellen einzuwirken. Das Verständnis der Wechselwirkung von Toxinen mit dem Wirtsgewebe war ein wichtiges Instrument zur Vorbereitung von Hemmungsstrategien. Toxine sind Antigene, die spezifische Antikörper, sogenannte Antitoxine, hervorrufen. Antibakterielle mAbs wurden gegen bakterielle Zelloberflächenziele (d. h. Polysaccharide und Proteine) und lösliche Exotoxine produziert. Die Art der antibakteriellen mAbs hängt von der Art des Ziels, seiner Rolle in der Pathogenese, dem Isotyp und der Struktur (d. h. IgG-Fragmente, Immunkonjugate usw.) ab. Anti-Exotoxin-mAbs schwächen die bakterielle pathologische Aktivität auf verschiedene Weise ab, einschließlich Neutralisation von Exotoxin, antikörperabhängiger Phagozytose, Komplement-vermittelter bakterizider Aktivität und immunsystemunabhängiger bakterieller Abtötung.

Toxinneutralisation

Antibakterielle mAbs wirken durch Neutralisation von Exotoxinen. mAb binden lösliche Exotoxine, was zur Bildung von Antikörper-Toxin-Komplexen führt, die hauptsächlich vom retikuloendothelialen System abgebaut werden. Alle derzeit auf dem Markt befindlichen antibakteriellen mAbs wirken über Toxinneutralisation. Die Wirksamkeit von neutralisierenden mAbs korrelierte direkt mit der mAb-Bindungsaffinität.

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Immunkonjugate

Der Antikörper vermittelt die Aufnahme in Phagolysosomen, wo eine starke antibiotische Nutzlast freigesetzt wird, die eine effiziente Abtötung intrazellulärer Bakterien ermöglicht. Diese Strategie zeigte eine vielversprechende bakterizide Wirkung gegen Vancomycin-resistente S. aureus. Antikörper-Antibiotikum-Konjugate gelten als günstige Pharmakokinetik (d. h. lange Halbwertszeiten) und verringern die Toxizität. Zum Beispiel können die Antikörper-Antibiotikum-Konjugate aufgrund der durch den Antikörperträger bereitgestellten Spezifität eine durch Antibiotika verursachte Störung der normalen Flora verringern und können den selektiven Druck verringern, der das Auftreten von Kreuzresistenzen verstärkt.

Die Vorteile der Antikörperkonjugation können antimikrobielle Mittel ermöglichen, die in klinischen Studien aufgrund ungünstiger Pharmakokinetik oder Toxizitäten versagt haben. Radioimmunkonjuate, die Radionuklide an mAbs konjugieren, können eine gezielte Abgabe von bakterizider Strahlung an Mikroorganismen ermöglichen. Beispiel Wismut-213, verbunden mit mAb (D11), das auf das Pneumokokken-Kapselpolysaccharid abzielt, das in vitro eine dosisabhängige Abtötung von Bakterien zeigte. Es gibt eine klinische Studie in Phase 1 (DSTA-4637S), der monoklonale IgG-Antikörper bindet an ein Rifamycin-Analogon und dieser Antikörper bindet an Oberflächenproteine ​​von S. aureus und setzt das Medikament frei, um intrazelluläres S. aureus abzutöten.

Immunmodulatorische mAbs

Immunmodulatorische mAbs können die Beseitigung von Bakterien aus dem Körper erleichtern, indem sie das Immunsystem des Wirts stimulieren. Studien zeigten den Nutzen von Anti-Programmed Death (PD)-1-mAb für die Behandlung von Tuberkulose-Infektionen. PD-1 und seine Liganden nahmen in CD4+- und CD8+-T-Zellen bei TB-Patienten nach Standardtherapie ab. Die Behandlung mit anti-PD-1-mAb stellte die Zytokinsekretion und die Antigen-Reaktionsfähigkeit von T-Zellen wieder her, die von TB-Patienten ex vivo isoliert wurden.

Derzeit vermarktetes antibakterielles mAb-Mittel

Raxibacumab ist das erste biologische Produkt mit einem antiprotektiven Antigen (PA)-mAb, das für die Behandlung von Milzbrand in Kombination mit antimikrobiellen Wirkstoffen zugelassen ist. Es bindet freies PA und hemmt die Bindung von PA an seine zellulären Rezeptoren auf Makrophagen. Der Antikörper verhindert den intrazellulären Eintritt von Anthrax-Letalfaktor und Ödemfaktor, die wesentlich zur pathogenen Wirkung des Anthrax-Toxins beitragen.

Obiltoxaximab ist auch ein weiterer Anti-PA-mAb, der zum Schutz vor Milzbrandtoxin durch Hemmung der PA-Bindung an zelluläre Rezeptoren auf Wirtszellen zugelassen wurde. Es handelt sich um ein chimäres Agens, das aus verstärkten 14B7VH- und VL-Genen besteht, die mit humanen ν1- und K-Konstanten verbunden sind und aus dem monoklonalen Maus-Antikörper 14B7 abgeleitet wurden, wobei Mutationen zu einer 50-fachen Erhöhung der Affinität und entsprechender Neutralisationsfähigkeit führen.

Bezlotoxumab ist ein humanes IgG1, das zur Verringerung des Wiederauftretens einer Clostridium-difficile-Infektion (CDI) zugelassen wurde, die antibakterielle Medikamente gegen CDI erhalten und ein hohes Risiko für ein Wiederauftreten von CDI haben. es bindet mit hoher Affinität an Toxin B, einen lebenswichtigen Virulenzfaktor, und hemmt die Bindung von Toxin B an die Wirtszelle. Daher verhindert es die durch Toxin B vermittelte Inaktivierung von Rho-GTPasen und nachgeschalteten Signalwegen in Zellen. Daher ist Bezlotoxumab nur zur Vorbeugung eines erneuten Auftretens von CDI, nicht jedoch zur Behandlung indiziert. Zusätzlich zu den oben genannten mAb-Produkten befinden sich derzeit viele mAbs in klinischen Studien. Von diesen sechs mAbs wurden gegen S.aureus (514G3, MEDI4893, Salvecin (AR-301), DSTA-46375, Suvratoxumab, ASN-100) entwickelt, zwei zielen auf Pseudomunosa aeruginosa (MEDI-3902A, Aerubumab) und zwei auf E. coli (PolyCab, MM-529 .

Dieser Aufsatz wurde von einem Studenten eingereicht. Dies ist kein Beispiel für die Arbeit unserer professionellen Essay-Autoren. Hier können Sie unsere professionelle Arbeit bestellen.


13.2D: Neutralisation von Exotoxinen - Biologie

Bakterielle Toxigenese

Toxigenese, oder die Fähigkeit, Toxine zu produzieren, ist ein zugrunde liegender Mechanismus, durch den viele bakterielle Krankheitserreger Krankheiten hervorrufen. Auf chemischer Ebene gibt es zwei Haupttypen von bakteriellen Toxinen, Lipopolysaccharide, die mit der Zellwand gramnegativer Bakterien assoziiert sind, und Proteine, die von Bakterienzellen freigesetzt werden und an Gewebestellen wirken können, die von der Stelle des Bakterienwachstums entfernt sind. Die zellassoziiert Toxine werden als Endotoxine und der extrazellulär diffusionsfähige Toxine werden als Exotoxine.

Endotoxine sind zellassoziierte Substanzen, die strukturelle Bestandteile von Bakterien sind. Die meisten Endotoxine befinden sich in der Zellhülle. Im Kontext dieses Artikels bezieht sich Endotoxin speziell auf das Lipopolysaccharid (LPS) oder Lipooligosaccharid (LOS), das sich in der äußeren Membran gramnegativer Bakterien befindet. Obwohl es sich um strukturelle Bestandteile von Zellen handelt, können lösliche Endotoxine aus wachsenden Bakterien oder aus Zellen, die als Folge wirksamer Abwehrmechanismen des Wirts oder durch die Aktivität bestimmter Antibiotika lysiert werden, freigesetzt werden. Endotoxine wirken im Allgemeinen in der Nähe des Bakterienwachstums oder der Anwesenheit.

Exotoxine werden normalerweise von Bakterien sezerniert und wirken an einer Stelle, die dem Bakterienwachstum entzogen ist. In einigen Fällen werden Exotoxine jedoch erst durch Lyse der Bakterienzelle freigesetzt. Exotoxine sind normalerweise Proteine, minimal Polypeptide, die enzymatisch oder durch direkte Einwirkung auf Wirtszellen wirken und eine Vielzahl von Wirtsreaktionen stimulieren. Die meisten Exotoxine wirken an Gewebestellen, die vom ursprünglichen Punkt der bakteriellen Invasion oder des Wachstums entfernt sind. Einige bakterielle Exotoxine wirken jedoch an der Stelle der Pathogenkolonisation und können bei der Invasion eine Rolle spielen.

BAKTERIELLE PROTEINTOXINE

Exotoxine werden normalerweise von lebenden Bakterien während des exponentiellen Wachstums ausgeschieden. Die Produktion des Toxins ist im Allgemeinen spezifisch für eine bestimmte Bakterienart, die die mit dem Toxin verbundene Krankheit hervorruft (z Clostridium tetani produziert nur Tetanustoxin Corynebacterium diphtheriae produziert das Diphtherie-Toxin). Normalerweise produzieren virulente Stämme des Bakteriums das Toxin, während nicht-virulente Stämme dies nicht tun, und das Toxin ist die Hauptdeterminante der Virulenz (z. B. Tetanus und Diphtherie). Früher dachte man, dass die Exotoxinproduktion hauptsächlich auf grampositive Bakterien beschränkt ist, aber sowohl grampositive als auch gramnegative Bakterien produzieren lösliche Proteintoxine.

Bakterielle Proteintoxine sind die stärksten bekannten menschlichen Gifte und behalten ihre hohe Aktivität bei sehr hohen Verdünnungen. Die Letalität der stärksten bakteriellen Exotoxine wird in Tabelle 1 unten mit der Letalität von Strychnin, Schlangengift und Endotoxin verglichen.

TABELLE 1. LETHALITÄT VON BAKTERIELLEN PROTEINTOXINEN

Toxin
Toxische Dosis (mg)
Gastgeber
Tödliche Toxizität
im Vergleich zu:



Strychnin Endotoxin (LPS) Schlangengift
Botulinumtoxin 0,8x10 -8 Maus 3x10 6 3x10 7 3x10 5
Tetanus-Toxin 4x10 -8 Maus 1x10 6 1x10 7 1x10 5
Shiga-Toxin 2,3x10 -6 Kaninchen 1x10 6 1x10 7 1x10 5
Diphtherie-Toxin 6x10 -5 Meerschweinchen 2x10 3 2x10 4 2x10 2

Normalerweise zeigt die durch ein Exotoxin verursachte Schädigungsstelle den Ort der Aktivität dieses Toxins an. Begriffe wie Enterotoxin, Nervengift, Leukozidin oder Hämolysin sind beschreibende Begriffe, die den Zielort einiger wohldefinierter Proteintoxine angeben. Einige Bakteriengifte, die offensichtlich den Tod eines Tieres herbeiführen, sind einfach als . bekannt tödliche Gifte, und obwohl die betroffenen Gewebe und die Zielstelle oder das Substrat bekannt sein können, ist der genaue Mechanismus, durch den der Tod eintritt, nicht klar (z. B. Milzbrand LF).

Einige bakterielle Toxine werden als Invasine verwendet, da sie lokal wirken, um die bakterielle Invasion zu fördern. Beispiele sind extrazelluläre Enzyme, die Gewebematrizen oder Fibrin abbauen, wodurch sich die Bakterien ausbreiten können. Dazu gehören Collagenase, Hyaluronidase und Streptokinase. Andere Toxine, die auch als Invasine gelten, bauen Membrankomponenten wie Phospholipasen und Lecithinasen ab. Die porenbildenden Toxine, die eine Pore in eukaryontische Membranen einbringen, werden ebenfalls als Invasine angesehen, aber sie werden hier betrachtet.

Einige Proteingifte haben sehr spezifische zytotoxische Aktivität (d. h. sie greifen bestimmte Zelltypen an). Tetanus- und Botulinumtoxine greifen beispielsweise nur Neuronen an. Aber einige Toxine (wie sie von Staphylokokken, Streptokokken, Clostridien usw breite zytotoxische Aktivität und verursachen einen unspezifischen Tod verschiedener Zelltypen oder eine Schädigung von Geweben, was schließlich zu Nekrose führt. Toxine, die Phospholipasen sind, wirken auf diese Weise. Dies gilt auch für porenbildende Hämolysine und Leukocidine.

Bakterielle Proteintoxine sind stark antigen. In vivo neutralisiert ein spezifischer Antikörper die Toxizität dieser bakteriellen Exotoxine (Antitoxin). In vitro kann es jedoch sein, dass spezifische Antitoxine ihre Aktivität nicht vollständig hemmen. Dies legt nahe, dass sich die antigene Determinante des Toxins vom aktiven Teil des Proteinmoleküls unterscheiden kann. Der Neutralisationsgrad des aktiven Zentrums kann vom Abstand vom antigenen Zentrum des Moleküls abhängen. Da das Toxin jedoch in vivo vollständig neutralisiert wird, legt dies nahe, dass andere Wirtsfaktoren eine Rolle bei der Toxinneutralisierung in der Natur spielen müssen.

Proteinexotoxine sind von Natur aus instabil. Mit der Zeit verlieren sie ihre toxischen Eigenschaften, behalten aber ihre antigenen. Dies wurde zuerst von Ehrlich entdeckt, der für dieses Produkt den Begriff "Toxoid" prägte. Toxoide sind entgiftete Toxine, die ihre Antigenität und ihr immunisierendes Vermögen behalten. Die Bildung von Toxoiden kann beschleunigt werden, indem Toxine mit einer Vielzahl von Reagenzien behandelt werden, darunter Formalin, Jod, Pepsin, Ascorbinsäure, Ketone usw. Die Mischung wird mehrere Wochen bei 37 Grad bei einem pH-Bereich von 6 bis 9 gehalten. Die resultierenden Toxoide können verwendet werden für künstliche Impfung gegen Krankheiten, die durch Krankheitserreger verursacht werden, bei denen die primäre Determinante der bakteriellen Virulenz die Toxinproduktion ist. Toxoide sind wirksame Immunisierungsmittel gegen Diphtherie und Tetanus, die Teil des DPT (DTP)-Impfstoffs sind.

Toxine mit enzymatischer Aktivität

Als Proteine ​​viele bakterielle Toxine ähneln Enzymen auf verschiedener Weise. Wie Enzyme sind sie durch Hitze denaturiert, saure und proteolytische Enzyme, sie katalytisch wirken, und sie stellen aus Spezifität der Aktion. Die Substrat (im Wirt) kann ein Bestandteil von Gewebezellen, Organen oder Körperflüssigkeiten sein.

A plus B Untereinheitsanordnung

Viele Proteintoxine, insbesondere solche, die intrazellulär (in Bezug auf Wirtszellen) wirken, bestehen aus zwei Komponenten: einer Komponente (Untereinheit A) ist verantwortlich für die enzymatische Aktivität des Toxins die andere Komponente (Untereinheit B) beschäftigt sich mit Bindung to a specific receptor on the host cell membrane and transferring the enzyme across the membrane. The enzymatic component is not active until it is released from the native (A+B) Toxin. 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 oder 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 rezeptorvermittelte Endozytose (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.

Die 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.

In 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, und 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

Toxin
Bacterial source
Ziel
Krankheit
perfringiolysin O
Clostridium perfringens
Cholesterin
gas gangrene
hemolysin
Escherichia coli
Zellmembran
UTI
listeriolysin
Listeria monocytogenes
Cholesterin
systemic meningitis
anthrax EF
Bacillus anthracis
Zellmembran
anthrax (edema)
alpha toxin Staphylococcus aureus
Zellmembran
abcesses
pneumolysin
Streptococcus pneumoniae
Cholesterin
pneumonia otitis media
streptolysin O
Streptococcus pyogenes
Cholesterin
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. In B. Keuchhusten, 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 Konjugation und Transduktion, 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 und 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?


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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. Z.B. 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.

Hauptunterschiede

  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 Weiß

Janet White ist seit 2015 Autorin und Bloggerin für Difference Wiki. Sie hat einen Master in Wissenschaft und Medizinjournalismus der Boston University. Neben der Arbeit liebt sie es, Sport zu treiben, zu lesen und Zeit mit ihren Freunden und ihrer Familie zu verbringen. Verbinde dich mit ihr auf Twitter @Janet__White



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