เอนโดทอกซิน (Endotoxin)

ผศ.ดร.พจมาน ผู้มีสัตย์ สาขาวิชาเทคนิคการแพทย์ คณะวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี มหาวิทยาลัยราชภัฏบ้านสมเด็จเจ้าพระยา #BSRU

เอนโดทอกซิน (endotoxin) เป็นส่วนประกอบของผนังเซลล์บริเวณ outer membrane ของแบคทีเรียแกรมลบ (gram-negative bacteria) เป็นทอกซิน (toxin) หรือสารพิษที่ทนความร้อน (heat-stable) ได้แก่ Lipopolysaccharide หรือ LPS เมื่อเซลล์แบคทีเรียถูกทำลายหรือตาย LPS จึงจะถูกปล่อยออกมาภายนอกเซลล์แบคทีเรีย

Lipopolysaccharide (LPS)

ผนังเซลล์ของแบคทีเรียแกรมลบประกอบด้วย outer membrane, peptidoglycan, periplasmic space และ inner membrane บริเวณ outer membrane มีโครงสร้างที่สำคัญชนิดหนึ่ง คือ Lipopolysaccharide (LPS) โดย LPS จัดเป็นเอนโดทอกซิน โครงสร้างของแบคทีเรียแกรมลบแสดงดังภาพที่ 1

ภาพที่ 1 ส่วนประกอบของผนังเซลล์ของแบคทีเรียแกรมลบ

LPS ประกอบด้วยส่วนสำคัญ 3 ส่วน ได้แก่ Lipid A, core polysaccharide และ O antigen (ภาพที่ 2) Lipd A เป็นส่วนที่เกาะกับ lipid bilayer ของชั้น outer membrane ประกอบด้วย β(1–6)-linked glucosamine disaccharide backbone ซึ่งถูก phosphorylated ที่ตำแหน่ง 1 และ 4 และ acylated ที่ตำแหน่ง 2 และ 3 ของแต่ละ monosaccharide ถัดมาเป็น core polysaccharide โดย lipid A จะเชื่อมต่อกับ core polysaccharide ด้วยพันธะโควาเลนต์ (covalent bound) กับ 3-deoxy-D-manno-2-octulosonic acid (Kdo), และสามารถแยกเป็น outer core และ inner core region ได้ โดยดูจากส่วนประกอบของน้ำตาล โดยที่ outer core ประกอบด้วยน้ำตาล hexose เช่น D-glucose, D-galacotse, D-glucosamine, N-aceyglucosamine หรือ N-acetylgalacosamine สำหรับ inner core region ประกอบด้วย L หรือ D-glycero-D-manno-heptose (L,D-Hep), และ Kdo และส่วนปลายสุดได้แก่ O antigens หรือ O polysaccharides ประกอบด้วยโมเลกุลของน้ำตาล ซึ่งจะมีการเรียงตัวซ้ำๆ กัน (repeat units) โดยที่ปริมาณและชนิดของน้ำตาลจะแตกต่างไปตามสปีชีส์ (species) หรือสายพันธุ์ (strains) ของแบคทีเรีย

ภาพที่ 2 ส่วนประกอบของ Lipopolysaccharide (LPS)

บทบาทของเอนโดทอกซินต่อความรุนแรงของเชื้อ

บริเวณ lipid A และ polysaccharide region เป็นบริเวณที่สามารถเหนี่ยวนำให้เกิดการตอบสนองทางภูมิคุ้มกันได้ โดยเฉพาะส่วน lipid A มีบทบาทสำคัญที่ก่อให้เกิดความเป็นพิษ โครงสร้างของ lipid A มีความหลากหลายทั้งจำนวน ความยาว ตำแหน่งของ esterified acyl chain และจำนวนของ phosphate group ส่งผลต่อความสามารถในการกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกัน (immunogenicity) โดย LPS แสดงลักษณะของ Pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) ซึ่งถูกจับกับ Toll-like receptor-4 (TLR-4) ที่อยู่บนผิวของ phagocytic cells เช่น macrophages, neutrophils และ dendritic cells นอกจากนี้ยังมีโปรตีนเสริม (accessory protein) หลายชนิดที่มีส่วนร่วมในการจับกันระหว่าง LPS และ TLR-4 เช่น LPS-binding protein (LBP), CD14 และ MD-2 เกิดการเหนี่ยวนำให้เกิดการกระตุ้นภายในเซลล์นั้น และมีการหลั่ง pro-inflammatory cytokines หลายชนิด ทำให้เกิดการอักเสบ (inflammation) มีไข้ (fever) และอาจก่อให้เกิดอันตรายถึงชีวิต เช่น เกิดภาวะ septic shock ได้ เชื้อแบคทีเรียแกรมลบก่อโรคแต่ละชนิดจะสร้าง LPS ที่มีความสามารถในการกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันของร่างกายได้ไม่เท่ากัน ส่วนใหญ่แล้วจะถูกกำหนดโดยลักษณะโครงสร้างของ lipid A นอกจาก TLR-4 แล้ว LPS ยังถูกรับรู้ (recognize) ได้หลายช่องทาง เช่น transient receptor potential (TRP) cation channel ซึ่งพบได้ที่ sensory neuron และ epithelial cells โดยมีการศึกษาพบว่าการตอบสนองต่อ extracellular LPS โดยช่องทางนี้เกิดขึ้นเร็วและเกิดขึ้นก่อนการเริ่มการตอบสนองผ่าน TLR4 อีกตัวอย่างของการรับรู้ LPS อีกช่องทางหนึ่ง ได้แก่ การรับรู้ intracellular LPS ในไซโตพลาซึมผ่านทาง caspase โดยมีการศึกษาพบว่าในหนูจะรับรู้ผ่านทาง caspase-11 ในคนรับรู้ผ่านทาง caspase-4 และ 5 ในเซลล์ของระบบภูมิคุ้มกัน เช่น macrophages

ในกรณีที่ผู้ป่วยมีการติดเชื้อในกระแสเลือดเป็นเชื้อแบคทีเรียแกรมลบ หากแบคทีเรียมีการสลายตัว ก็จะทำให้มี endotoxin หรือ LPS เข้าสู่กระแสเลือด ทำให้เกิดการตอบสนองทางภูมิคุ้มกัน เช่น มีการหลั่ง inflammatory cytokines เข่น TNF, IL-6, platelet-activating factor หรือ มีการกระตุ้นคอมพลีเมนต์ (complement activation) เป็นต้น ทำให้เกิด systemic inflammatory response syndrome (SIRS) เกิดการแข็งตัวของเลือดอุดตันเส้นเลือดส่วนปลาย (disseminated intravascular coagulation; DIC) ทำให้ผู้ป่วยมีความดันเลือดลดต่ำลง เกิดภาวะช็อค และเสียชีวิตได้

อย่างไรก็ตาม บริเวณ outer membrane ของแบคทีเรียแกรมลบบางชนิด มีโครงสร้างที่แตกต่างจากแบคทีเรียแกรมลบทั่วไป โดยมี LPS ที่ประกอบด้วยส่วนของ lipid A และ core polysaccharide เรียกว่า lipooligosacchariddes (LOS) หรือ Rough type ขณะที่ LPS ที่ประกอบด้วยทั้ง 3 ส่วน จะเรียกว่า Smooth type โดยเชื้อแกรมลบที่พบว่ามี LOS ได้แก่ Neisseria, Haemophilus, Bordetella และ Branhamella spp. ซึ่ง LOS ก็สามารถกระตุ้นให้เกิดการสร้าง pro-inflammatory cytokine ได้เช่นกัน

สรุป

เอนโดทอกซิน เป็นส่วนประกอบที่สำคัญที่พบได้ในแบคทีเรียแกรมลบ โดยเอนโดทอกซิน ประกอบด้วยส่วนสำคัญ 3 ส่วน ได้แก่ lipid A, core polysaccharide และ O antigen เอนโดทอกซินมีบทบาทสำคัญในการก่อความรุนแรงของเชื้อแบคทีเรียแกรมลบ สามารถกระตุ้นระบบภูมิคุ้มกันของโฮสต์ให้หลั่ง pro-inflammatory cytokine ออกมาหลายชนิด เกิดภาวะการอุดตันของเส้นเลือด ซึ่งอาจส่งผลให้ผู้ป่วยที่ติดเชื้อมีอาการรุนแรงถึงขั้นเสียชีวิตได้

เอกสารอ้างอิง

รวงผึ้ง สุทเธนทร์, พบชัย งามสกุลรุ่งโรจน์, ไอยฤทธิ์ ไทยพิสุทธิกุล, วรรณี กัณฐกมาลากุล. (2564). Medical Microbiology Volume 1. พิมพ์ครั้งที่ 1. กรุงเทพ: พริ้นท์เอเบิ้ล จำกัด.

Alexander, C, & Rietschel, E.T. (2001). Bacterial Lipopolysaccharides and innate immunity. Journal of Endotoxin Research. 7(3); 168–202.

Anderson, D.G., Salm, S.N., Allen, D.P., & Nester, E.W. (2016). Nester’s Microbiology: A Human Perspective. 8th edition. New York: McGraw-Hill Education.

Cowan, M.K., & Talaro, K.P. (2006). Microbiology: A systems Approach. New York: McGraw-Hill.

Lin, T.L., Shu, C.C., Chen, Y.M., Lu, J.J., Wu, T.S., Lai, W.F., Tzeng, C.M., Lai, H.C., & Lu, C.C. (2020).

Likes Cures Like: Pharmacological Activity of Anti-inflammatory Lipopolysaccharides From Gut Microbiome. Frontiers in Pharmacology. Apr 30; 11:554.

Mazgaeen, L., & Gurung, P. (2020). Recent Advances in Lipopolysaccharies Recognition Systems.International Journal of Molecular Sciences. 21, 379.