Definition von Endotoxin
Endotoxin ist eine Form von Zucker. Es ist eine Struktur, die aus Lipiden und Zuckerkomplexen besteht. Diese Struktur wird Lipopolysaccharid oder LPS genannt.
Diese Struktur ist ein notwendiger Bestandteil für gramnegative Bakterien, um die Integrität der Zellwand zu erhalten. Sie ist ein Hauptbestandteil ihrer Zellwand und ist wichtig für ihr Überleben. Die Klassifizierung von Bakterien als gramnegativ oder grampositiv basiert auf einer mikroskopischen Färbemethode, die Gram-Färbung genannt wird. Dabei werden zwei Farbstoffe eingesetzt. Der erste Farbstoff ist blau oder violett. Es folgt ein Entfärbungsmittel und dann der zweite Farbstoff, der rot ist. Die Bakterien, die die Farbe des ersten Farbstoffs beibehalten, werden als grampositiv bezeichnet. Die Bakterien, die die Farbe des ersten Farbstoffs verlieren, aber die Farbe des zweiten Farbstoffs beibehalten, werden als gram-negativ bezeichnet.
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LPS wird auch als Endotoxin bezeichnet, da es sich um ein Toxin handelt, das sich innerhalb der Bakterienzelle befindet. Ursprünglich ging man davon aus, dass das Endotoxin freigesetzt wird, wenn das Bakterium stirbt. Heute weiß man, dass Bakterien kleine Mengen Endotoxin als Teil ihres normalen Stoffwechsels freisetzen, obwohl der Großteil innerhalb der Zelle verbleibt.
LPS ist strukturell in drei Hauptteile unterteilt, das O-Antigen, das Kern-Oligosaccharid und Lipid-A. Die äußerste Struktur ist das O-Antigen. Es wird als Antigen bezeichnet, weil es das Erkennungsziel für die Immunantwort des Wirts bzw. des Menschen ist. Das O-Antigen ist eine sich wiederholende Sequenz von Glykanen. Diese Sequenz ist variabel und erzeugt verschiedene Arten von O-Antigenen. Allein bei dem Bakterium E. coli sind 160 Typen bekannt. Biologische Unterschiede wie diese tragen zur allgemeinen Variabilität bei der Prüfung von LAL bei.
Die Kerndomäne enthält einfach mehrere Zuckerketten sowie einige Nicht-Kohlenhydrat-Komponenten, während das Lipid-A-Molekül die am wenigsten variable Komponente von LPS ist. Es verankert das LPS an der Zellwand. Sobald die Zellwand abgebaut ist, wird Lipid-A aus der Bakterienzelle freigesetzt und ist die Komponente, die für die toxische Wirkung von LPS auf den menschlichen Körper verantwortlich ist.
Die Immunantwort
Sobald die Bakterien im Körper sind, erkennen natürliche Abwehrzellen wie Makrophagen und Monozyten die Bakterien als fremd. Dieser Erkennungsprozess wird durch die Antigene der Bakterien vermittelt, zu denen auch das O-Antigen des LPS gehört. Die Bakterien können sich manchmal der Zerstörung entziehen, werden aber normalerweise von unseren Abwehrzellen abgebaut. Die in den Bakterien befindlichen Endotoxine werden dann in den Blutkreislauf freigesetzt und üben ihre schädliche Wirkung aus. Die Abwehrzellen unseres Körpers setzen auch Substanzen frei, die Wege stimulieren können, die die negativen Auswirkungen der Endotoxine verstärken.
Die Komplementkaskade verursacht durch die Substanzen C3a und C5a die Freisetzung von Histamin, einem Haupteffektor für die allergische Reaktion. Die Komplementkaskade verursacht im Allgemeinen eine Gefäßerweiterung und Entzündung.
Die Entzündungsreaktion wird durch die Freisetzung von Substanzen vermittelt, zu denen die Zytokine Interleukine, Prostaglandine und der Tumornekrosefaktor gehören. Interleukine sind pyrogen, sie verursachen die fiebrige Reaktion. Neben der Entzündung vermitteln diese Substanzen auch die Schockreaktion.
Auch der Gerinnungsweg wird aktiviert. In der Regel kommt es zu einer Aggregation der Blutplättchen, einer Erweiterung der Blutgefäße und einer verstärkten Undichtigkeit der Gefäßwände. Die Substrate, die zur Bildung eines Blutgerinnsels benötigt werden, können bei Endotoxämie vermindert oder verarmt sein. Diese Verarmung trägt zusammen mit der Gefäßdilatation und der erhöhten Leckage zum Auftreten von Blutungen bei bakteriellen Infektionen bei.
Bakterien mit Endotoxin
Es gibt viele klinisch bedeutsame gramnegative Bakterien. Ein Verständnis ihrer Biologie und Pathogenität wird uns ein klareres Verständnis für die Bedeutung von LAL in der Sicherheit und Krankheitsprävention geben.
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Bordetella pertussis ist der Erreger der Krankheit Keuchhusten. Vor der Entwicklung des Impfstoffs hatte dieses Bakterium eine hohe Infektions- und Sterblichkeitsrate. B. pertussis produziert das Pertussis-Toxin, das die Fähigkeit hat, das Immunsystem zu hemmen. Es handelt sich in erster Linie um eine Infektion der Atemwege, die ähnliche Symptome wie eine Erkältung hervorrufen kann. Sie ist gekennzeichnet durch ein keuchendes Geräusch, wenn die infizierte Person einatmet.
Neisseria meningitides ist ein Bakterium, das Meningitis und Meningokokken verursacht. Meningitis ist die Infektion der Hirnhaut oder der Auskleidung des Gehirns und des Rückenmarks. Die Hirnhäute werden entzündet und können den Druck auf das Gehirn erhöhen. Zu den Symptomen einer Meningitis können Nackensteife, Fieber, Kopfschmerzen, veränderter mentaler Status und Krampfanfälle gehören. Meningokokken sind eine Infektion des Blutkreislaufs mit diesem Bakterium. Zu den Symptomen einer Meningokokkämie können Fieber, Gelenkschmerzen, Schüttelfrost und sogar eine disseminierte intravasale Gerinnung (DIC) gehören, die durch die Bildung von kleinen Blutgerinnseln innerhalb der Blutgefäße gekennzeichnet ist, die den Blutfluss behindern können. Die infizierte Person kann Petechien oder kleine multiple Blutungen unter der Haut, Blutergüsse und schwere unkontrollierte Blutungen haben.
Eine weitere Neisseria-Spezies, N. gonorrhea, ist bekannt dafür, die sexuell übertragbare Krankheit Gonorrhoe zu verursachen. Die Symptome der Gonorrhoe können je nach infiziertem Organ variieren. Er kann bei Augeninfektionen Erblindung, eitrigen Ausfluss aus den Genitalien und schwere systemische Infektionen verursachen. N. gonorrhea setzt während seines Wachstums Bläschen oder Blasen frei, die LPS enthalten. Es wird vermutet, dass das LPS den Krankheitsprozess bei Gonorrhoe verursacht.
Das Shiga-Toxin wurde beim schlimmsten E. coli-Ausbruch 2011 in Deutschland beschrieben. Der E. coli-Stamm war O104:H4, der ein Endotoxin produzierte, das blutigen Durchfall verursachte. Das Shiga-Toxin ist auch das bekannte Toxin für das Bakterium, das Dysenterie verursacht, Shigella dysenteriae. Zu den Symptomen gehören Durchfall, der blutig werden kann, Bauchschmerzen und blutiger Urin. S. dysenteariae verursacht eine der schlimmsten Formen der Dysenterie. Das Bakterium und das Endotoxin können durch verunreinigte Lebensmittel und Wasser verbreitet werden und stehen oft im Zusammenhang mit ungewaschenen Händen bei der Lebensmittelzubereitung. Das Bakterium S. dysenteriae und sein Endotoxin ist daher ein wichtiges Ziel des LAL-Nachweises, insbesondere in der Lebensmittel- und Wasserindustrie.
Cholera ist eine Krankheit, die wässrigen Durchfall verursacht. Das Bakterium, das diese Krankheit verursacht, ist Vibrio cholerae. V. cholerae sondert ein Toxin ab, das beim Menschen zum Ausbruch der Krankheit führt. Die Krankheit kann sich als abrupter wässriger Durchfall, begleitet von Bauchschmerzen und Erbrechen, manifestieren. Das schlimmste Spektrum der Erkrankung wird als Cholera gravis bezeichnet und kann für unbehandelte Patienten, insbesondere Kinder, sogar tödlich sein. Das Bakterium und sein Toxin können durch verunreinigtes Wasser verbreitet werden. Andere Verbreitungswege sind verunreinigter Fisch, Schalentiere und andere Lebensmittel, die nicht richtig behandelt wurden. Auch Menschen sind natürliche Träger von V. cholera, so dass eine Übertragung auch durch unsachgemäßes Händewaschen und den Umgang mit Lebensmitteln erfolgen kann.
Die bekanntesten Verunreinigungen von Lebensmitteln sind Salmonella typhi, der Erreger der Krankheit Typhus und Escherichia coli. S. typhi ist ein natürlicher Parasit des Menschen. E. coli ist ein natürlicher Bewohner des menschlichen Verdauungstrakts. Die harmlosen Stämme von E. coli sind für die Produktion von Vitamin K notwendig; es gibt jedoch Stämme von E. coli, die den Körper schädigen können, wie der Shiga-Toxin produzierende O104:H4. Die meisten Krankheitsverläufe bei diesen toxinproduzierenden Bakterien erfordern erkennbar eine Übertragung durch kontaminierte Handelsprodukte, insbesondere Lebensmittel und Wasser. Die nachteiligen Auswirkungen einer Infektion können ziemlich schwerwiegend sein. Sie können durch eine massenhafte Verbreitung, die mehrere Personen gleichzeitig betrifft, noch verstärkt werden.
Das Verständnis dieses Krankheitsprozesses führt zu dem offensichtlichen Nutzen, der durch LAL-Endotoxin-Tests vor dem Vertriebsstadium von kommerziell hergestellten Produkten, die mit dem menschlichen Körper interagieren, erzielt wird.