สารพิษจากแบคทีเรียและสารพิษภายนอกเซลล์

สารพิษภายนอกเซลล์ (exotoxins) เป็นโปรตีนที่แบคทีเรียหลั่งออกมา ซึ่งทำลายเซลล์เจ้าบ้าน มักจะเกิดขึ้นในบริเวณที่ห่างไกลจากสิ่งมีชีวิตที่ก่อให้เกิดการติดเชื้อ และในความเข้มข้นที่ต่ำมาก สารพิษเหล่านี้จัดอยู่ในกลุ่มสารพิษทางชีวภาพที่มีฤทธิ์รุนแรงที่สุดเท่าที่รู้จักกัน และเป็นสาเหตุหลักของการบาดเจ็บของเนื้อเยื่อจำเพาะในโรคต่างๆ เช่น โรคคอตีบ อหิวาตกโรค บาดทะยัก และโบทูลิซึม อีกทั้งยังมีส่วนสำคัญในการทำความเข้าใจพยาธิกำเนิดและการพัฒนาวัคซีน

Definition

สารพิษภายนอกเซลล์ (exotoxin) คือโปรตีนที่ละลายน้ำได้ซึ่งแบคทีเรียหลั่ง (หรือปล่อย) ออกมาและออกฤทธิ์ต่อเซลล์เจ้าบ้านเพื่อก่อให้เกิดความเสียหาย หลายชนิดเป็นสารพิษแบบ AB ซึ่งมีส่วนประกอบที่จับ (B) ทำหน้าที่นำส่วนประกอบที่ออกฤทธิ์ด้วยเอนไซม์ (A) เข้าสู่เซลล์เป้าหมาย

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมถึงโครงสร้างหลักและประเภทการทำงานของสารพิษโปรตีนจากแบคทีเรีย โครงสร้างแบบ AB (การจับและการออกฤทธิ์) ที่พบในสารพิษหลายชนิด กลไกการออกฤทธิ์หลักต่อเซลล์เจ้าบ้าน และความสัมพันธ์กับโรคและวัคซีนทอกซอยด์ เนื้อหานี้เป็นข้อมูลอ้างอิง ไม่ได้กล่าวถึงการจัดการทางคลินิกของการเป็นพิษใดๆ

Core questions

• สารพิษโปรตีนจากแบคทีเรียมีโครงสร้างอย่างไร และการออกแบบแบบ AB แยกการจับออกจากการออกฤทธิ์ได้อย่างไร?
• สารพิษภายนอกเซลล์ทำลายเซลล์เจ้าบ้านด้วยกลไกทางเอนไซม์หรือเยื่อหุ้มเซลล์อย่างไร?
• สารพิษภายนอกเซลล์มีความสัมพันธ์กับโรคจำเพาะและวัคซีนที่ใช้ทอกซอยด์อย่างไร?

Key concepts

• สารพิษภายนอกเซลล์เทียบกับสารพิษภายในเซลล์
• โครงสร้างสารพิษแบบ AB
• สารพิษที่เติม ADP-ribose (เช่น คอตีบ, อหิวาตกโรค, ไอกรน)
• สารพิษที่สร้างรูพรุน
• สารพิษต่อระบบประสาท (บาดทะยัก, โบทูลินัม)
• ซูเปอร์แอนติเจน
• วัคซีนทอกซอยด์

Mechanisms

สารพิษภายนอกเซลล์หลายชนิดมีโครงสร้างแบบ AB: ส่วน B จับกับตัวรับบนเซลล์เจ้าบ้านและเป็นสื่อกลางในการเข้าสู่เซลล์ ในขณะที่ส่วน A มีฤทธิ์ทางเอนไซม์ในไซโตซอล กิจกรรมของโดเมน A ที่พบบ่อย ได้แก่ การเติม ADP-ribose ให้กับเป้าหมายในเซลล์เจ้าบ้าน (สารพิษคอตีบยับยั้ง elongation factor 2 เพื่อหยุดการสังเคราะห์โปรตีน; สารพิษอหิวาตกโรคปรับเปลี่ยน G protein เพื่อทำให้ cyclic AMP ทำงานผิดปกติ) การย่อยสลายโปรตีน SNARE ของเซลล์ประสาทโดยสารพิษต่อระบบประสาทบาดทะยักและโบทูลินัม และการปรับเปลี่ยนโคเวเลนต์อื่นๆ สารพิษอีกประเภทหนึ่งคือสารพิษที่สร้างรูพรุน ซึ่งจะแทรกตัวเข้าไปในเยื่อหุ้มเซลล์เจ้าบ้านเพื่อทำลายความสมบูรณ์ของเยื่อหุ้มเซลล์ และซูเปอร์แอนติเจนจะออกฤทธิ์โดยการเชื่อมโยง MHC และตัวรับเซลล์ T เพื่อกระตุ้นการหลั่งไซโตไคน์จำนวนมาก เนื่องจากตำแหน่งออกฤทธิ์เป็นตัวขับเคลื่อนความเป็นพิษ สารพิษที่ถูกทำให้ไม่ทำงานด้วยสารเคมี (ทอกซอยด์) จึงยังคงมีคุณสมบัติในการกระตุ้นภูมิคุ้มกันและเป็นพื้นฐานของวัคซีนหลายชนิด

Clinical relevance

สารพิษภายนอกเซลล์อธิบายอาการจำเพาะของโรคแบคทีเรียคลาสสิกหลายชนิด และเป็นพื้นฐานแอนติเจนของวัคซีนทอกซอยด์ เช่น วัคซีนป้องกันโรคคอตีบและบาดทะยัก ข้อมูลนี้สรุปชีววิทยาของสารพิษเพื่อการอ้างอิงและไม่ใช่แนวทางในการวินิจฉัยหรือรักษาภาวะเป็นพิษ

History

สารพิษจากแบคทีเรียเป็นหนึ่งในปัจจัยก่อโรคที่ถูกระบุเป็นอันดับแรกๆ: งานวิจัยเกี่ยวกับสารพิษคอตีบและบาดทะยักในช่วงปลายศตวรรษที่ 19 นำไปสู่การค้นพบแอนติทอกซินและวัคซีนทอกซอยด์ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 การศึกษาทางโมเลกุลในภายหลังได้ไขความกระจ่างเกี่ยวกับโครงสร้างแบบ AB และกิจกรรมของเอนไซม์ที่กำหนดตระกูลสารพิษหลัก ซึ่งเชื่อมโยงความเสียหายทางชีวเคมีจำเพาะกับโรค

Key figures

• Alison D. O'Brien
• R. John Collier
• Joseph T. Barbieri

Seminal works

• schmitt-1999
• henkel-2010

Frequently asked questions

สารพิษภายนอกเซลล์และสารพิษภายในเซลล์แตกต่างกันอย่างไร?

สารพิษภายนอกเซลล์เป็นโปรตีนที่หลั่งออกมาซึ่งมีฤทธิ์จำเพาะ มักจะเป็นเอนไซม์ และสามารถออกฤทธิ์ได้ไกลจากแบคทีเรีย ในขณะที่สารพิษภายในเซลล์คือไลโปโพลีแซคคาไรด์ของเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นนอกของแบคทีเรียแกรมลบ ซึ่งถูกปล่อยออกมาส่วนใหญ่เมื่อเซลล์แตก และกระตุ้นให้เกิดการอักเสบทั่วไป

ทอกซอยด์คืออะไร?

ทอกซอยด์คือสารพิษจากแบคทีเรียที่ถูกทำให้ไม่ทำงานด้วยสารเคมี เพื่อไม่ให้ก่อให้เกิดความเสียหายอีกต่อไป แต่ยังคงกระตุ้นการตอบสนองของแอนติบอดีที่ป้องกันโรคได้ ซึ่งเป็นหลักการเบื้องหลังวัคซีนป้องกันโรคคอตีบและบาดทะยัก