توکسین های باکتری

توکسین های باکتری ها را به طور کلی می توان به دو دسته تقسیم بندی کرد:
۱) اندوتوکسین ها (Endotoxins) که از اجزای دیواره سلولی باکتریایی مانند غشاء خارجی ،می باشد و پس از لیز باکتری ، به درون محیط آزاد می شود که بارز ترین مثال آن لیپوپلی ساکارید lipopolysaccharide (LPS) باکتریایی در باکتری های گرم منفی می باشد که به طور جداگانه به آن پرداخته ایم.
۲) دسته ی دیگر از توکسین های باکتریایی ، اگزوتوکسین ها (Exotoxins) هستند که به طور عمده از جنس پروتئین بوده و به درون محیط زندگی باکتری ترشح می شوند. که خود از لحاظ عملکرد و مکانیسم به چندین کلاس تقسیم بندی می شوند که در اینجا به شرح آن خواهیم پرداخت.
توکسینو ژنسیز (Toxigenesis) به معنای توانایی تولید توکسین می باشد که در بسیاری از باکتری های پاتوژن این توانایی دیده می شود. اگزوتوکسین باکتریایی معمولاً به محیط کشت و یا میزبان ترشح می شوند اما باکتری هایی هستند که جهت آزاد سازی اگزوتوکسین تولید شده درون سیتوپلاسم سلولی باید لیز شوند مانند عامل دیفتری ، کورینه باکتریوم دیفتریا ، که تا زمانیکه لیز نشود توکسین تولید شده درون سیتوپلاسم آزاد نمی شود.
همانطور که گفته شد اگزوتوکسین ها به طور عمده پروتئینی و گاهی اوقات قطعه ای پلی پپتیدی هستند. اگزوتوکسین ها اکثراً دارای فعالیت آنزیمی هستند و می توان آنها را آنزیم هایی در نظر گرفت که سوبسترای (مواد اولیه مصرفی) آنها مواد حیاتی سلولی می باشد. برای مثال توکسین دیفتری که توسط باکتری کورینه باکتریوم دیفتریا (Corynebacterium diphtheriae ) تولید می شود چیزی جز یک آنزیم نیست که سوبسترای آن EF2 (Elongation factor-2) سلول های بدن ما می باشد که این توکسین آنرا غیر فعال می کند . فاکتور EF2 یکی از فاکتور های اصلی پروتئین سازی در سلولها می باشد که پس از غیر فعال شدن سلول دیگر توانایی تولید آنزیم ، رسپتور ، پمپ های غشائی … و دیگر فراورده های پروتئینی سلولی را از دست می دهد.
توکسین ها معمولاً در فاز لگاریتمی (Exponential growth) رشد باکتری ها ترشح می شوند و قاعدتاً هم از باکتری های زنده تولید می شوند اما همانطور که گفته شد در برخی موارد مانند باکتری دیفتری ، توکسین پس از لیز باکتری در محیط آزاد می شود.
تولید توکسین معمولاً برای باکتری ها اختصاصی است به طوریکه فقط کورینه باکتریوم دیفتریا تولید توکسین دیفتری می کند یا فقط کلستردیوم تتانی (Clostridium tetani ) تولید توکسین تتانوس (tetanus toxin) می کند. در این میان فقط گونه های ویرولانت (بیماری زا) باکتری توانایی تولید توکسین دارند و گونه های غیر بیماری زا و در اصطلاح غیر ویرولانت (nonvirulent strains ) توانایی تولید توکسین را ندارند.
زمانی تصور می شد که اگزوتوکسین فقط توسط باکتری های گرم مثبت تولید می شود اما امروز می دانیم که هم باکتری های گرم مثبت و هم باکتری های گرم منفی توانایی تولید توکسین را دارند.
توکسین های باکتریایی جز کشنده ترین سموم شناخته شده می باشند به طوریکه تخمین زده می شود یک بطری نوشابه از سم باکتری کلستریدوم بوتولونیوم (botulinum Clostridium) می تواند تمام انسانهای رو زمین را از بین ببرد! در زیر جدولی از حداقل دوز کشنده سموم مختلف مانند سم مار ، سم استرکینین (یک نوع سم گیاهی) ، و اندوتوکسین باکتریایی (LPS) مشاهده می شود که کشندگی آنها را با برخی از اگزو توکسین های باکتریای بر رو موش مقایسه کرده است.
اسامی توکسین ها معمولاً به محل اثر توکسین برمی گردد برای مثال :
انتروتوکسین (enterotoxin) بر روی روده و دستگاه گوارشی اثر می گذارد مانند انتروتوکسین E.coli
نروتوکسین (neurotoxin) بر روی نرون ها و اعصاب اثر می گذارد مانند نروتوکسین شیگلا
لوکوسیدن (leukocidin) که بر روی لوکوسیت ها اثر می گذارد مانند لوکوسیدن استافیلوکوکوس اورئوس
همولیزین (hemolysin) که بر روی سلولهای گلبول قرمز خون اثر می گذارد مانند همولیزین استرپتوکوک پایوژنز
سیتوتوکسین (cytotoxin ) که به روی دسته ی گسترده ای از سلول های بدن میزبان فعالیت توکسیسیته دارند و غیره…. که به خوبی محل اثر توکسین را بیان می کنند.
توکسین هایی که باعث مرگ میزبان خود می شوند را توکسین های کشنده یا لتال توکسین می نامند (lethal toxins)
برخی توکسین های باکتریایی ، توانایی تهاجم باکتری را افزایش می دهند مانند الاستاز یا هیالورونیداز یا کلاژناز که باعث تجزیه ماتریکس بین سلولی میزبان می شوند و باکتری به راحتی در بافت های میزبان گسترش می یابد که به چنین توکسین هایی به صورت کلی اینواسین (invasins ) هم گفته می شوند (یعنی فاکتور های تهاجم) برای مثال در مورد باکتری استافیلوکوکوس اورئوس الاستاز ، هیالورونیداز ، فیبرینولیزین (استافیلوکیناز) توکسین هایی هستند که ماتریکس بین سلولی باکتری ها را تجزیه می کنند و جز فاکتور های تهاجم و گسترش باکتری محسوب می شوند به اینواسین های (invasins) این باکتری معروف هستند .

A فسوفولیپاز و لستیناز : برخی توکسین ها با تجزیه اجزای غشاء سلولی میزبان موجب از بین رفتن این سلولها می شوند . برای مثال باکتری کلستریدیوم پرفرین جنز که عامل بیماری گاز گانگرن می باشد دارای توکسین لستیناز می باشد که لستین (فسفاتیدیل کولین) غشائ سلولی را به دی آسیل گلیسرول و فسفوکولین تجزیه می کنند . برخی دیگر از باکتری ها دارای توکسینی هستند که به عنوان یک فسوفولیپاز عمل کرده و موجب تجزیه فسفولیپید های دیواره سلولی باکتری ها می شود.

(B توکسین های تشکیل دهنده ی پور در غشاء سلولی : دسته ی دیگری از توکسین های اثر کننده بر روی غشاء باکتری ها توکسین هایی هستند که در غشاء سلولی میزبان ایجاد حفره هایی پروتینی به نام پور (Pore) می کنند که خاصیت نفوذپذیری انتخابی سلول را از بین می برند و از آنجا که سیتوپلاسم سلولی دارای پتانسیل اسمزی بالاتری نسبت به محیط بیرون سلولی می باشد آب و الکترولیت ها به صورت کنترل نشده ای از طریق این کانال های ایجاد شده ، به درون سلول وارد شده و در نهایت سلول از بین می رود. این دسته از توکسین ها به نام توکسین های تشکیل دهنده ی پور معروف هستند (Pore-forming toxins ) که در ادامه بیشتر توضیح داده خواهند شد .

برخی از خواص عمومی توکسین های باکتری ها :
از آنجا که توکسین های باکتریایی از جنس پروتئین هستند در نتیجه بسیار ایمونوژن هستند و سیستم ایمنی را تحریک می کنند و در نتیجه این تحریک علیه آنها آنتی بادی اختصاصی ساخته می شود که موجب خنثی شدن توکسین می گردد. البته در شرایط این ویترو (in vitro) امکان دارد که آنتی بادی به طور کامل توکسین را خنثی نکند که این امر نشان می دهد که شاخص های آنتی ژنی توکسین الزاماً جایگاه فعال توکسین نیست. (برای مثال امکان دارد بخشی از توکسین که مسئول توکسیسته ی توکسین است ، در بخش فوقانی توکسین قرار داشته باشد و بخشی از توکسین که توسط آنتی بادی ها شناسایی می شود در بخش تحتانی توکسین قرار داشته باشد.)

اما از آنجا که توکسین ها در شرایط این ویوو (in vivo) به صورت کامل توسط آنتی بادی های خنثی کننده ، خنثی می شوند نتیجه گرفته می شود که فاکتور های دیگری در ایمنی میزبان جهت خنثی کردن توکسین نقش ایفا می کنند.
(شرایط این ویترو (in vitro) به شرایطی گفته می شود که یک آزمایش در شرایط آزمایشگاهی بررسی شود اما شرایط این ویوو (in vivo) به شرایطی گفته می شود که یک آزمایش در سیستم طبیعی موجود زنده بررسی شود ).

توکسوئید : خاصیت توکسیسیته (سمیت) توکسین ها ناپایدار بوده و با گذشت زمان از توکسیسته ی توکسین ها کاسته می شود و در نهایت حذف می شود اما خاصیت آنتی ژنسیته ی آنها از بین نمی رود ، این موضوع اولین بار توسط باکتریولوژیست آلمانی پاول ارلیخ (Ehrlich, 1854_1915 Paul) مطرح شد . وی از واژه ی توکسوئید برای توکسینی که خاصیت توکسیسیته ی خود را از دست داده است استفاده کرد. در نتیجه توکسوئید همان توکسین غیر فعال شده می باشد که خاصیت تحریک ایمنی را دارا می باشد و به عنوان واکسن نیز به کار می رود برای مثال واکسن کزاز یا تتانوس (tetanus) از جنس واکسن های توکسوئیدی می باشد.

جهت غیرفعال کردن توکسین و تولید توکسوئید ، ترکیباتی مانند فرمالین (به طور معمول) ، یدین ،پپسین ، اسید آسکوربیک … را بر روی توکسین اثر می دهند و ترکیب فوق را به مدت چند هفته در PH = 6_9 در دمای 37 درجه نگهداری می کنند.

همانطور که گفتیم توکسین ها چیزی جز آنزیم هایی که سوبسترای آنها اجزای بافت میزبان می باشد ، نیستند و در نتیجه خواص فیزیکی و شیمیایی آنها مانند دیگر آنزیم ها است به طوریکه در دمای بالا دناتوره (denatured by heat) می شوند ، نسبت به اسید و فعالیت پرولیتیک دیگر آنزیم ها حساس هستند، و دارای فعالیت اختصاصی علیه یک سوبسترای خاص می باشند.(specificity of action).

نحوه ی اتصال و ورود توکسین به درون سلول میزبان:

(Attachment and Entry of Toxins)

حداقل دو نوع مکانیسم ورود توکسین به درون سلول میزبان وجود دارد
1. ورود مستقیم: (Direct entry) : در این مکانیسم بخش B از توکسین به رسپتور خاص خود در سطح سلول میزبان اتصال می یابد و پس از آن درون غشاء سلول میزبان یک پور (Pore) ایجاد می کند و بخش A را از حفره ایجاد شده درون غشا (Pore) به درون سلول انتقال می دهد.

2. ورود توسط اندوسیتوز وابسته به رسپتور (Receptor-Mediated Endocytosis): در این مکانیسم که به (RME) نیز معروف است رسپتوری که توکسین به آن متصل می شود به سلول اندوسیتوز را القاء می کند و سلول توکسین را اندوسیتوز می کند و به صورت یک اندوزوم توکسین را به درون سلول وارد می کند. در واقع عملی که در اینجا اتفاق می افتد شبیه به فاگوسیتوز می باشد و می توان گفت که توکسین پس از اتصال به سطح سلول میزبان به درون سلول فاگوسیته می شود. در این هنگام یون های H+ به درون اندوزوم وارد می شوند و PH درون اندوزوم به سرعت پایین می آید که این امر نمی تواند باعث از بین رفتن توکسین شود! شرایط اسیدی تولید شده بخش B را از بخش A جدا می کند که در این فرآیندِ جدا شدن بخش A از درون غشاء عبور داده می شود و به سمت سیتوپلاسم سلول آزاد می شود. اما بخش B درون اندوزوم باقی می ماند و از طرف دیگر سلول خارج می شود