Esotossine ed Endotossine: tossine batteriche, meccanismi e esempi

Università San Raffaele Roma

Paola Checconi

Università San Raffaele Roma Professore Paola Checconi Argomento Esotossine-EndotossineT

Produzione di tossine

• Tossine sostanze che contribuiscono alla patogenicità (spesso sono il fattore primario nella patogenicità)
• Tossigenicità Capacità di produrre una tossina
• Tossiemia Presenza di tossina nel sangue dell'ospite
• Tossoide Tossina inattivata usata come vaccino
• Antitossina Anticorpi contro specifiche tossine
• Due tipi: esotossine ed endotossine

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ID50 Bacillus anthracis

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Sito di entrata

ID 50 pelle 10-50 endospore Inalazione 10,000-20,000 endospore Ingestione 250,000-1,000,000 endospore

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DL50 Tossine

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Tossina DL50

Botulinum (in mice) 0.03 ng/kg Shiga toxin 250 ng/kg Staphylococcal enterotoxin 1350 ng/kg

Qual è la più potente?

1. Botulinum
2. Shigella
3. Staphylococcus

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Classificazione: Esotossine-Endotossine

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Cell wall Endotoxin O Exotoxin

Esotossine: proteine, prodotte da batteri Gram- e + Endotossine: prodotte solo da batteri Gram -. LPS, Lipide A => rilasciato alla morte cellulare

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Lipopolisaccaride (LPS)

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Gram negativi protein protein porin LPS O polysaccharide lipid A outer membrane lipoprotein peptidoglycan cytoplasmic membrane phospholipid

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Esempi di Esotossine

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Bacterial Species Exotoxin

S. pyogenes Membrane-disrupting erythrogenic toxin C. diphtheriae Tossina A-B ;pantropa C. botulinum Tossina A-B;neurotossina C. tetani Tossina A-B; neurotossina V. cholerae Tossina A-B; enterotossina S. aureus Superantigene

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Tossine che distruggono le membrane/strutture superficiali

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• Lisi della cellula ospite
  • Formano proteine canale nella membrana plasmatica
  • Leucocidine
  • Emolisine
  • Streptolisine
• Distruggono il doppio strato fosfolipidico della membrana
• Distruggono i legami intercellulari (tossina esfoliativa di S. aureus)

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Meccanismo d'azione delle esotossine A-B

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DNA Exotoxin mRNA 1 Bacterium produces and releases exotoxin. A (active) B (binding) B Bacterium Exotoxin polypeptides B Receptor Plasma membrane Nucleus 2 B (binding) component of exotoxin attaches to host cell receptor. Cytoplasm Host cell A B 3 A-B exotoxin enters host cell by endocytosis. 4 A-B exotoxin enclosed in pinched-off portion of plasma membrane during pinocytosis. B A A B B A Protein 5 A-B components of exotoxin separate. The A component alters cell function by inhibiting protein synthesis. The B component is released from the host cell.

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Esotossine A-B

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• Alterano il contenuto intracellulare di AMP-ciclico (Es. tossina colerica)
• Bloccano la sintesi proteica (Es. tossina difterica, tossina di Shiga)
• Citotossiche per azione sul citoscheletro (tossine da Clostridium spp)
• Interferiscono con la trasmissione degli impulsi nervosi (1,2)

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Neurotossine

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1) C. tetani

Neurotrasmettitori eccitatori C. tetani Stimolazione continua ad opera de neurotrasmettitori eccitatoni Tetanospasmina La liberazione dei neurotrasmettitori inibitori è bloccata Neurotrasmettitori inibitori FIGURA 7.11 |> Schema dell'azione della tossina tetanica a livello di una sinapsi centrale

2) C. botulinum

C.botulinum 1 -Vescicole contenenti acetilcolina Giunzione neuro-muscolare Fibra muscolare La tossina impedisce ·il rilascio di acetilcolina dalle vescicole - STIMOLAZIONE MUSCOLARE BLOCCATA Paralisi Flaccida

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Superantigeni

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• Causano un'intensa risposta immunitaria dovuta al rilascio di citochine dalla cellula
• Febbre, nausea, vomito, diarrea, shock,morte Es. Enterotossine stafilococciche

APC MHC class II 8 3 3 8 Superantigen ₿ 8 8 3 TCR T cell Signal Transduction Signal Transduction

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Esotossine- Endotossine

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Cell wall Endotoxin Exotoxin Copyright @ 2013 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings

Esotossine: proteine (prodotte da batteri Gram- e +) Endotossine: prodotte solo da batteri Gram- LPS, Lipide A => rilasciato dalla morte cellulare Sintomi causati dall'infiammazione Rilascio massivo => shock endotossico

protein protein porin LPS O polysaccharide lipid A outer membrane lipoprotein peptidoglycan cytoplasmic membrane phospholipid

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Endotossine

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• La morte del batterio, antibiotici e anticorpi, possono causare il rilascio di endotossine
• Le endotossine causano febbre (inducendo il rilascio di interleuchina-1) e shock (la produzione di TNF-alfa induce vasodilatazione e diminuzione della pressione sanguigna)
• il rilascio di TNF permette al batterio di superare la barriera ematoencefalica
• Il saggio LAL (Limulus amoebocyte lysate) è usato per determinare endotossine -eventuali contaminazioni da Gram- nei farmaci, strumenti chirurgici, etc

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Endotossine e Risposta pirogenica

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Nucleus Endotoxin Macrophage Endotoxin Cytokines Hypothalamus of brain Prostaglandin C Vacuole Blood vessel Pituitary gland Bacterium 1 A macrophage ingests a gram-negative bacterium. 2 The bacterium is degraded in a vacuole, releasing endotoxins that induce the macrophage to produce cytokines IL-1 and TNF-&. 3 The cytokines are released into the bloodstream by the macrophages, through which they travel to the hypothalamus of the brain. 4 The cytokines induce the hypothalamus to produce prostaglandins, which reset the body's "thermostat" to a higher temperature, producing fever. Copyright @ 2013 Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings

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Riepilogo Proprietà Esotossine ed Endotossine

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Property Exotoxin Endotoxin Per ricapitolare Bacterial Source Mostly from gram-positive bacteria Gram-negative bacteria Relation to Microorganism Metabolic product of growing cell Present in LPS of outer membrane of cell wall and released with destruction of cell or during cell division Chemistry Proteins, usually with two parts (A-B) Lipid portion (lipid A) of LPS of outer membrane (lipopolysaccharide). Pharmacology (Effect on Body) Specific for a particular cell structure or function in the host (mainly affects cell functions, nerves, and gastrointestinal tract) General, such as fever, weaknesses, aches, and shock; all produce the same effects Heat Stability Unstable; can usually be destroyed at 60-80°℃ (except staphylococcal enterotoxin) Stable; can withstand autoclaving (121℃ for 1 hour) Toxicity (Ability to Cause Disease) High Low Fever-Producing No Yes Immunology (Relation to Antibodies) Can be converted to toxoids to immunize against toxin; neutralized by antitoxin Not easily neutralized by antitoxin; therefore, effective toxoids cannot be made to immunize against toxin Lethal Dose Small Considerably larger Representative Diseases Gas gangrene, tetanus, botulism, diphtheria, scarlet fever Typhoid fever, urinary tract infections, and meningococoal meningitis

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