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細菌內(nèi)毒素,英文稱作Enolotoxin,是G-菌細胞壁個層上的特有結(jié)構(gòu),內(nèi)毒素為外源性致熱原,它可激活中性粒細胞等,使之釋放出一種內(nèi)源性熱原質(zhì),作用于體溫調(diào)節(jié)中樞引起發(fā)熱。內(nèi)毒素的主要化學成分為脂多糖中的類脂A
細菌內(nèi)毒素這個概念在1890年的時候就已被提了出來,它是在研究發(fā)熱物質(zhì)過程所引成的,1933年Boivin最先由小鼠傷寒桿菌提取出來,進行化學免疫學方面的研究,到1940年時候,Morgan使用志賀氏痢疾菌闡明了細菌內(nèi)毒素是由多糖脂質(zhì)及蛋白質(zhì)三部分所組成的復合體,到了1950年以后,隨著生物學,物理化學,免疫學以及遺傳學等的進步發(fā)展,細菌內(nèi)毒素的研究工作,尤其是其化學結(jié)構(gòu)組成及各種生物活性間的關系也更加明確起來。 細菌英文叫Bacteria:為原核生物中的一類單細胞微生物由二分裂法繁殖。若按革蘭氏染色法可將細菌分為G+菌和G-菌兩大類。這兩類細菌細胞壁的結(jié)構(gòu)和化學組成存在很大差異。唯有肽聚糖為其共同成分,但其含量的多少和肽鏈的性質(zhì)有所不同,見下表:
關于細菌細胞壁結(jié)構(gòu),尤其G+/G-菌不同之處見下圖所示: 由以上結(jié)構(gòu)模式圖可以發(fā)現(xiàn),G+菌與G-菌有不同之處,其中對于G-菌來說: 細胞壁較薄,厚約10-15nm,結(jié)構(gòu)也較復雜。肽聚糖含量低,僅占細胞干生10%左右,層薄又較疏松,因肽聚糖之間僅四肽側(cè)鏈直接聯(lián)結(jié),缺乏五肽橋;肽聚糖居于細胞最內(nèi)層,外面由內(nèi)向外還有脂蛋白,外膜和脂多糖的三層聚合物。 (1)脂蛋白(lipoprotein) 由類脂和蛋白質(zhì)構(gòu)成,聯(lián)結(jié)在外膜與肽聚糖層之間,類脂一端經(jīng)非共價鍵聯(lián)結(jié)到外膜的磷脂上,另一端由共價鍵聯(lián)結(jié)到肽聚糖肽鏈中的二氧基庚二酸 殘基上,使外膜和肽聚糖層構(gòu)成一個整體。 (2)外膜(outer membrane) 是革蘭氏陰性菌細胞壁的重要結(jié)構(gòu),位于肽聚糖的外側(cè),其結(jié)構(gòu)類似細胞膜,為液態(tài)的磷脂雙層,其中鑲嵌一些特異蛋白質(zhì),穿透外膜的內(nèi)外雙層,呈液態(tài)鑲嵌體。外膜中間有微小孔道,容許水溶性的小分子通過,以進行細胞內(nèi)外的物質(zhì)運輸和交換。除此之外,外膜還能防止胰蛋白酶和溶菌酶等進入,起到保護性屏障作用。(3)脂多糖(lipopolysaccharide,LPS) 由多糖O抗原、核心多糖和類脂A(lipid A)組成(圖1-8),位于最外層。多糖O抗原向外,由若干個低聚糖的重復單位組成的多糖鏈,即革蘭氏陰性菌的菌體抗原(O抗原),有特異性。核心多糖由庚糖、半乳糖、2-酮基-3-脫氧辛酸(2-keto-3-deoxyoctonic acid, KDO)等組成,所有革蘭氏陰性細菌都有此結(jié)構(gòu)。類脂A是以脂化的葡萄胺二糖為單位,通過焦磷酸酯鍵組成的一種獨特的糖脂化合物,具有致熱作用,是革蘭氏陰性細菌內(nèi)毒素的毒性成分。 細菌內(nèi)毒素即:許多病原性細菌所產(chǎn)生的毒素。
一般細菌毒素可分為兩類,一類為外毒素(Exotoxin);它是一種毒性蛋白質(zhì),是細菌在生長過程中分泌到菌體外的毒性物質(zhì)。產(chǎn)生外毒素的細菌主要是革蘭氏陽性菌。如白喉桿菌、破傷風桿菌、肉毒桿菌、金黃色葡萄球菌以及少數(shù)革蘭氏陰性菌。加一類為內(nèi)毒素(Endotoxin)。是革蘭氏陰性菌的細胞壁外壁層上的特有結(jié)構(gòu)。細菌在生活狀態(tài)時不釋放出來,只有當細菌死亡自溶或粘附在其它細胞時,才表現(xiàn)其毒性,內(nèi)毒素的主要化學成分是脂多糖中的類脂A成分。 細菌外毒素與內(nèi)毒素性質(zhì)的比較
(1)外毒素(exotoxin) 有些細菌在其生命活動過程中產(chǎn)生毒素能釋放到周圍環(huán)境中,稱為外毒素。產(chǎn)生外毒素的細菌主要是革蘭氏陽性菌。如白喉桿菌、破傷風桿菌、肉毒桿菌、金黃色葡萄球菌以及少數(shù)革蘭氏陰性菌。如痢疾桿菌、霍亂弧菌等。細菌外毒素有以下特點: ①毒性強,如純化肉毒桿菌外毒素結(jié)晶1mg可殺死2,000萬只小白鼠,對人的最小致死量約為10-4mg,破傷風毒素對小白鼠的致死量為10-6mg,白喉毒素對豚鼠的致死量為10-3mg。②對機體組織有選擇性的毒性,如白喉桿菌外毒素主要抑制蛋白質(zhì)合成,特別是影響肽鏈延長,引發(fā)心肌炎、腎上腺出血及神經(jīng)麻痹等;破傷風外毒素主要毒害脊髓前角運動神經(jīng)細胞,引起所屬肌肉的痙攣強直。 ③具有抗原性,外毒素的化學成分為蛋白質(zhì),有抗原性,即以外毒素刺激機體可產(chǎn)生大量的抗毒素,抗毒素能中和外毒素使其無毒。外毒素用甲醛處理后,脫毒變成類毒素,但仍保持抗原性。 (2)內(nèi)毒素(exotoxin) 是革蘭氏陰性菌的細胞壁成分,細菌在生活狀態(tài)時不釋放出來,只有當細菌死亡自溶或粘附在其它細胞時,才表現(xiàn)其毒性。內(nèi)毒素的主要化學成分是脂多糖中的類脂A成分。 內(nèi)毒素的致病作用無特異性,即各種革蘭氏陰性菌對人類引起基本相同的反應。少量內(nèi)毒素可引起機體發(fā)熱反應;大量內(nèi)毒素進入血液,可使血管透性改變,局部出血,顆粒性白細胞增多或減少和體重下降,嚴懲毒時能導致內(nèi)毒素性休克。內(nèi)毒素毒性比外毒素小得多。 內(nèi)毒素是外源性致熱原,它可能激活中性粒細胞等,使之釋放出一種內(nèi)源性熱原質(zhì),作用于體溫調(diào)節(jié)中樞引起發(fā)熱。 細菌內(nèi)毒素化學結(jié)構(gòu)及化學組份
到目前為止,我們知道細菌內(nèi)毒素作為G-菌細胞壁外表層結(jié)構(gòu)的一部分脂多糖(lipopolysacch aride,LPS)主要是由多糖O抗原,核心多糖和類脂A(Lipid A)三部分組成。見圖所示: 類脂A位于最多層。多糖抗原向外由若干個低聚糖的重復單位組成的多糖鏈,具有特異性,核心多糖分為內(nèi)核心及外核心,外核心由數(shù)種已糖,包括葡萄糖,半乳糖,乙酰氨基葡萄糖等組成。內(nèi)核心含有庚糖及特殊的KDO (3-脫氧-D-甘露糖-辛酮糖)。KDO以不耐酸的酮糖鍵與類脂A的氨基葡萄糖連接。所有G-菌都有此結(jié)構(gòu)。類脂A是以脂化的葡萄糖胺二糖為單位。通過焦磷酸酯鍵組成的一種獨特的糖脂化合物。具有致熱作用。是革蘭氏陰性細菌內(nèi)毒素的毒性成分 細菌內(nèi)毒素生物活性 類脂A作為內(nèi)毒素生物活性的主要部分。也是近年來研究報道最多的。由氨基葡萄糖,磷酸,10-18碳的長鏈脂肪酸組成,它與可溶性的O-特異性鏈及核心分離后。即有難溶于水的特性。游離后的類脂A??勺陨砟鄢筛叻肿拥膹秃象w,其分子量大小不等。同時它也含有疏水性的中心及親水性的邊沿。是一種雙相分子,又是酸堿兩性分子,因此類脂A的獨特結(jié)構(gòu)使細菌內(nèi)毒素具有多種的生物活性。 細菌內(nèi)毒素不同水平上的生物活性
細菌內(nèi)毒素的耐熱性 我們知道細菌內(nèi)毒素除了具有各種生物活性外,還具很強的耐熱性,一般的高壓滅菌不能使其滅活,需250℃30分鐘以上的干熱滅菌才能使其滅活,目前我國藥典熱原檢查法和細菌內(nèi)毒素檢查法中關于玻璃用具的滅菌處理為180℃2小時或250℃30分鐘以上,而日本藥局方第十三改正為250℃1小時以上。其它各國藥典也大都如此,據(jù)國外文獻報導,當對細菌內(nèi)毒素的稀水溶液,在不同溫度下保溫處理后進行檢測,發(fā)現(xiàn)其內(nèi)毒素活性在200℃1小時時還能檢測出來。而只有當加熱到250℃1小時才能完全滅活,國內(nèi)細菌內(nèi)毒素標準品的耐熱情況雖然未能考察,但可以認為對細菌內(nèi)毒素檢查法中玻璃用具等的除菌最好采用250℃1小時以上的干烤處理。 細菌內(nèi)毒素的除去方法 由于細菌內(nèi)毒素具有很強的耐熱性,因此對于它的去除采用一般的滅菌方法是無法達到的,尤其是制藥行業(yè)注射劑中內(nèi)毒素的除去,對于臨床用藥的安全性意義重大,因此對于藥品中內(nèi)毒素去除可以使用過濾及高壓滅菌方法,而對于一般水溶液,則普通采用薄膜過濾后高壓法,對于實驗中所用器具可使用干熱或射線給予滅活,其它也可使用酸、堿破壞的方法。對于細菌內(nèi)毒素檢查法中所用實驗用具的外源性內(nèi)毒素除去方法,最好采用250℃2hr以上的干熱滅菌方法。 各種外界因素對細菌內(nèi)毒素活性的影響
細菌內(nèi)毒素的生物活性隨外界因素的影響變化很大。目前已經(jīng)知道。一些金屬離子、超聲波以及溫度等都會對細菌內(nèi)毒素的生物活性產(chǎn)生很大影響,據(jù)國外文獻報導,鐵離子、鋁離子和鎵離子等會引起細菌內(nèi)毒素活性的降低。因此在試驗過程中最好使用玻璃用具,以必免這些因素,另外溫度的高低對細菌內(nèi)毒素水溶液活性影響很大,根據(jù)國內(nèi)外文獻的報道:內(nèi)毒素水溶液活性隨著環(huán)境溫度的升高而降低,因此對于內(nèi)毒素水溶液一定要在低溫處保存,而且對已經(jīng)稀釋好的內(nèi)毒素水溶液,要盡可能的在2小時內(nèi)用完。以免活性降低。 細菌內(nèi)毒素致病機理 (1)致熱性
內(nèi)毒素可使人體和動物致熱,人體對內(nèi)毒素致熱原敏感。在正常情況下,人體內(nèi)內(nèi)毒素的正常閾值保持在0.001-0.05ng/ml之間,一旦人體免疫力下降或遭受某種致病菌侵襲時,細菌便在機體內(nèi)繁殖崩解,釋放出大量的內(nèi)毒素,當體內(nèi)內(nèi)毒素的濃度高于這個閾值時,即可啟動內(nèi)外源致熱原引起機體發(fā)熱。 (2)內(nèi)毒素對糖代謝的影響及其機理 (3)內(nèi)毒素對血液循環(huán)系統(tǒng)的影響及機理: 細菌內(nèi)毒素作用機理
(1-3)β-D-glucan概念、結(jié)構(gòu)及活性
細菌內(nèi)毒素標準品
作為內(nèi)毒素的研究和使用者對于高純度的內(nèi)毒素標準品的渴望是十分迫切的,我們知道,細菌內(nèi)毒素的活性隨著菌株來源不同,調(diào)制方法及分散狀態(tài)等不同差異很大,因此作為一個好的標準內(nèi)毒素必須有滿足以下條件: 1) 菌株來源要有很好的穩(wěn)定性。 2) 能夠很好地確定其化學分析值。 3) 強的發(fā)熱性與鱟試驗活性間要有很好的相關性。 4) 反應曲線為直線型。 5) 易溶、在凍冷狀態(tài)下能長時間穩(wěn)定貯存。 6) 高純度并能保證供應。 WHO在1950年開始就提出了熱原標準品的問題,在1959年Shigella dysenteriae內(nèi)毒素第一次作為WHO standard被采用由于這個標準品穩(wěn)定性等問題,目前已不在使用,之后,隨著內(nèi)毒素的研究,尤其是鱟試驗法的研究與應用,各種新的內(nèi)毒素標準品已被制備出來,目送各國在內(nèi)毒素標準品菌株的選擇上,一般均使用發(fā)熱活性比較強的大腸桿菌,除添加附形劑稍有不同處,其對家兔的性幾乎都是一樣的,各種內(nèi)毒素標準品,除了發(fā)熱性好外,還要求具有鱟試驗活性,化學分析值安定性、均一等。目前WHO最新的細菌內(nèi)毒素標準品為EC-6, 以下為三國標準內(nèi)毒素化學分析值,供參考:
細菌內(nèi)毒素工作標準品:主要用于日常檢驗工作和實驗研究,尤其在內(nèi)毒素檢查法中,用于陽性對照和樣品的陽性對照,其力價要比參考內(nèi)毒素標準品要低的多。由于制備工藝不同其對鱟試劑的反應性也存在很大差異,因此在實驗中,為了保證實驗有效和準確建立穩(wěn)定統(tǒng)一的CSE是十分必要的。 另外,目前的內(nèi)毒素標準品一般都是針對凝膠法而言的,雖說國外在定量法使用上已逐漸增多,但真正的定量法專用內(nèi)毒素標準品還沒有,因此定量法中使用的內(nèi)毒素標準品的研究是十分重要的。 細菌內(nèi)毒素量值 關于細菌內(nèi)毒素的量值在80年代幾乎都是以重量單位來表示它很不科學,相同重量的內(nèi)毒素,由于菌株來源不同,提取方法各異而且所加附形劑不同,因此其生物活性相差很大。如EC-2和EC-5,其重量換算單位分別:5EU/ng 和10EU/ng,因此隨著人們對內(nèi)毒素生物活性的不斷提高,以效價單位表示內(nèi)毒素的量值是十分合理的。 目前,世界各國藥典所收載的細菌內(nèi)毒素標準品均是以效價單位來表示。由于各國所用菌種來源不同,加入的賦形劑不同,其效價也不盡相同,如美國藥典內(nèi)毒素參考標準品(EC-6)的效價為10000EU/瓶,JP為16000EU/瓶,BP=WHO為14000EU/瓶,而中國藥典內(nèi)毒素參考標準品(Lot;981)的效價為9000EU/Amp。因此,建立統(tǒng)一的細菌標準品是目前各國所面臨的一大問題。 內(nèi)毒素血癥
內(nèi)毒素血癥是由于血中細菌或病灶內(nèi)細菌釋放出大量內(nèi)毒素至血液,或輸入大量內(nèi)毒素污染的液體而引起。內(nèi)毒素血癥分為內(nèi)源性和外源性兩大類。 鱟的種屬及分布 鱟,又稱作王蟹,是一種棲生于海洋中的低等無脊椎動物,大約出現(xiàn)在古生代泥盆紀,距今已明幾億年的歷史,但直到現(xiàn)在它的形態(tài)并無重大變化故有"活化石"之稱,在國外普通受到保護。 鱟試劑,即利用美州鱟或新鱟的血細胞裂解物提取而來,分別為 LAL試劑和TAL試劑兩種 鱟,在動物學分類上,隸屬于節(jié)肢動物門(Arfhropoda),有螯肢亞門(chelicerata),肢口綱(Merostomata),劍尾目(Xiphosura)。出現(xiàn)在4億年前的古生代泥盆紀俗稱"活化石",鱟是從古生代的三葉蟲演化而來。 鱟的種屬很少,目前全世界僅存三屬4種,分別為: 1. 美洲鱟 Limulus polyphemus LinnaEUs分布在北美西洋岸 2. 東方鱟TachyplEUs tridentatus Leach分布在中國、日本、菲律賓等 3. 巨鱟 TachyplEUs gigas Muller分布在泰國、印度尼西亞等
4. 園尾鱟 Car cinoscorpius rotundi cauda pocock分布馬來半島、印尼等 其中能夠用于制備鱟試劑的主要有:1.美洲鱟和 2.東方鱟。 鱟的地理分布狹隘,僅限于北美與東南亞一帶,歐洲雖發(fā)現(xiàn)過鱟的化石,但目前未發(fā)現(xiàn)有活鱟的存在,而分布在我國沿海一帶的鱟,都屬于同一種,取名為中國鱟,從浙江乍浦以南至福建、臺灣廣東均有分布,但以福建、廣東產(chǎn)的鱟個體大、數(shù)量多。
鱟試劑的制備 鱟試劑:即從鱟的血細胞裂解物中提取而來,用于制備鱟試劑的鱟主要為美洲鱟和東方鱟,所以目前國際上只有中、美、日、德等少數(shù)國家生產(chǎn)。鱟試劑分類在鱟的來源不同可分為 LAL試劑和TAL試劑,若按使用方法分類又可分為:凝膠法用鱟試劑,濁度法用試劑,顯色法用試劑三大類,目前在日本又開發(fā)出一種用于測定β-D-Gluean的試劑,象Gluspecy和由蠶的體液中提取出來的一種SLP試劑。關于鱟試劑的制備見下所示:
對于生產(chǎn)過程要嚴格按照無菌操作進行。 隨著鱟試劑制備工藝的不斷完善,以及生物化學的發(fā)展,人們已逐漸認清了鱟試劑中各種組份,并已分離提取出來,到目前為止,鱟試劑中的主要組份包括有:C.B.G.凝固原,凝固蛋白酶以及適量的Caz +Mg+Na+等。
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