Антигены и факторы патогенности пиогенного стрептококка (S. pyogenes)

Антигенная структура S. pyogenes довольно сложна. Впервые классификация стрептококков, основанная на различиях антигенной структуры, была создана Р. Лендсфильд (1933). Ею установлена групповая специфичность полисахарида (субстанция С) клеточной стенки стрептококков в реакции кольцепреципигации с групповыми преципитирующими антисыворотками. Антиген представляет собой экстракт, полученный из осадка бульонной культуры, обработанного 0,2N раствором хлористоводородной кислоты на кипящей водяной бане в течение 10 мин при встряхивании и подщелоченного до pH 7,0-7,6 0,2 N раствором NaOH. К настоящему времени на основании различий этого полисахарида выделено 20 серогрупп стрептококка, которые обозначены прописными буквами латинского алфавита от А до Н и от К до V. S.pyogenes относится к серогруппе А.

Внутри серогрупп по специфичности высокоактивных белковых антигенов М, Т, и R стрептококки разделяются на серологические типы, которые обозначаются цифрами. У стрептококков группы А (СГА) типовую специфичность определяет М-протеин, имеющий на свободном конце молекулы уникальный набор аминокислотных последовательностей, что обеспечивает высокую вариабельность М-молекул. В реакциях агглютинации или преципитации с типоспецифическими сыворотками выделяют более 100 типов М-протеина. В настоящее время обсуждается вопрос о существовании самостоятельных эковаров стрептококка А на основе связи определенных М-типов с поражениями кожи или респираторного тракта. Так, отмечено, что М-типы 4; 12; 49; 55; 57 и др. обычно выделяются при поражениях кожи, и эти поражения часто осложняются острым гломерулонефритом («кожные» или «нефритогенные» штаммы). Имеются безусловные эпидемиологические данные о параллелизме в развитии острых стрептококковых инфекций верхних дыхательных путей и ревматизма. Выделяемые при этом штаммы М-типов 5;6;18;19;24;27;29 известны как «респираторные» или «ревматогенные».

Антитела к М-протеину формируют типоспецифический иммунитет, обеспечивающий длительную невосприимчивость к повторным заражениям.

Описан антиген стрептококков, ассоциированный с М-протеином (МАР — М-ассоциированный протеин). Функция его окончательно не выяснена. Установлено, что титры анти-МАР-антител в крови человека более высоки при хроническом и осложненном течении стрептококковых инфекций.

У некоторых серотипов стрептококков серогруппы А с М-протеином связан фактор опалесценции (OF), являющийся антигеном клеточной стенки с функцией липопротеиназы — поверхностным типоспецифическим ферментом. Он вызывает гидролиз липопротеинов, что проявляется помутнением сыворотки крови некоторых видов животных и рассматривается как один из факторов вирулентности S. pyogenes. OF может использоваться для типирования стрептококков в реакции нейтрализации липопротеиназы. Серотип этого антигена полностью соответствует серотипу М-протеина. OF обнаружен у 29 М-типов стрептококков, и с высокой частотой выявляется у свежевыделенных изолятов.

Т-протеин является полным антигеном; для него характерны термолабильность, устойчивость к пепсину, трипсину, кислотам. Он не играет роли в вирулентности стрептококков. Выявляется в реакции агглютинации на стекле (Ф. Гриффитс, 1935), но в значительном числе случаев не характеризуется высокой типоспецифичностью и обычно присутствует в форме так называемых Т-комплексов с другими белками, а не в форме моноантигена. Анти-Т-сыворотки не являются защитными. Определение Т-серотипа иногда проводят при эпидемиологическом обследовании для выявления стрептококков группы А, у которых выявлено 55 серотипов по Т-протеину. В настоящее время считается, что более точным является типирование по М- и OF-протеинам.

Антигенами клеточной стенки стрептококков являются R-протеины. Функция их до настоящего времени точно не установлена. Считается, что эти белки не имеют отношения к вирулентности, и антитела к ним не обладают протективным эффектом.

F-протеин (фибронсктин-связывающий белок) является антигеном клеточной стенки и обеспечивает адгезию стрептококков к фарингеальному эпителию.

СГА вырабатывают более 20 внеклеточных веществ, обладающих антигенной активностью (стрептокиназа, ДНКаза, гиалуронидаза, протеазы и др.) и имеющих важное значение в патогенезе стрептококковых инфекций.

Особого внимания заслуживают перекрестно реагирующие антигены стрептококков, общие с антигенами тканей человека — клеток базального слоя кожи, клеток тимуса, синовиальной ткани суставов, соединительной ткани, миокардиоцитов (основного белка фибрилл миокарда) и гликопротеинов сердечных клапанов, базальной мембраны почек и др. Их наличие обеспечивает длительную персистенцию паразита в макроорганизме и отмену толерантности к аутоантигенам (антигенная мимикрия). К перекрестно реагирующим антигенам СГА относятся групповой полисахарид клеточной стенки, протеины клеточной стенки, гиалуроновая кислота капсулы, антигены цитоплазматической мембраны и др. Взаимодействие таких перекрестно реагирующих антигенов с образующимися антителами и активация комплементарного каскада лежат в основе патогенетических механизмов, обеспечивающих развитие ревматического артрита, миокардита, васкулита, острого и хронического ревматизма, гломерулонефрита и других иммунопатологических состояний.

На поверхности клеточной стенки стрептококков группы А имеется Fc-антиген (рецептор II), способный неспецифически взаимодействовать с Fc-фрагментом IgG, что сопровождается угнетением системы комплемента и подавлением активности фагоцитов. Кроме того, этот антиген индуцирует синтез анти-Ig, играющий определенную роль в развитии иммунного воспаления.

Нуклеопротеидный цитоплазматический антиген (Р-антиген) является общим для всего рода стрептококков; он обладает иммунодепрессивной активностью — подавляет образование антител, сокращая количество клеток-продуцентов антител, и усиливает реакции гиперчувствительности замедленного типа (ГЗТ).

Факторы патогенности стрептококков многочисленны и многообразны в своих проявлениях, что обеспечивает им способность приживаться в организме хозяина и вызывать различные но локализации и тяжести патологические процессы. К ним относятся адгезивные свойства, способность интенсивно колонизировать эпителиальную ткань слизистых оболочек полости рта, задней стенки глотки, лимфоузлов Вальдейрова кольца, респираторного тракта и гипоэпидермальной области и других тканей, антифагоцитарная активность, выделение ряда экстрацеллюлярных продуктов.

Многие из вышеперечисленных факторов патогенности в патогенезе стрептококковых инфекций выполняют не одну, а две или более функций. Для большей наглядности факторы патогенности стрептококка и их основные функции представлены в таблице ниже.

Антигены и факторы патогенности пиогенного стрептококка (S. pyogenes)

Стрептококковые инфекции, впрочем, как и большинство других инфекций, начинаются с адгезии микроорганизмов к клеткам тех тканей, которые служат мишенью для их патогенного действия, и колонизации.

Адгезивными свойствами обладают расположенные на поверхности клеточной стенки стрептококка протеин М, М-ассоциированный протеин (МАР-белок), липотейхоевые кислоты (ЛТК), отдельные компоненты капсулы, F-протеин (фибронектинсвязывающий белок) и ряд других поверхностно расположенных элементов.

Проявление адгезивных свойств М-протеина исследователи видят в связывании его с внеклеточными матричными белками, такими как коллаген, фибронектин, а также с белками крови — фибриногеном, комплементарным фактором Н, с Fc-областью IgG и IgA. Но, проявляя себя в качестве адгезинов, М-протеин выполняет одновременно и антифагоцитарную функцию. Лишенные М-протеина клетки стрептококка фагоцитируются в макроорганизме без участия антител. С М-протеином связана и способность стрептококков к внутриклеточной инвазии, следствием чего является отсутствие или редкое их обнаружение на поверхности миндалин в период обострения воспалительного процесса.

Не менее важным по своей значимости фибронектин-связывающим адгезином является липотейхоевая кислота (ЛТК), покрывающая поверхность фимбрий и обеспечивающая микроорганизмам способность взаимодействовать с цитоплазматической мембраной барьерного эпителия.

Установлено, что ЛТК в 60% случаев отвечает за адгезию стрептококков к эпителиальным клеткам полости рта и глотки. В 40% случаев функцию ЛТК выполняют другие фибронектин-связывающие адгезины (М-протеин, F-протеин и другие белки клеточной стенки).

Предполагают, что адгезия стрептококков имеет многоступенчатый характер. Первый этап определяется наличием фимбрий и носит физический характер, а второй — обусловлен ЛТК, ассоциированной с фимбриями. Он завершается необратимым прилипанием стрептококков к поверхности эпителиальных клеток в силу образования ковалентной связи с их рецепторами.

Капсула стрептококка, состоящая из гиалуроновой кислоты и обволакивающая всю поверхность клеточной стенки, помимо адгезивных выполняет и ряд защитных функций. Экранируя поверхность клеточной стенки с расположенными здесь многочисленными рецепторами, она предохраняет патоген от действия противо-микробных агентов макроорганизма — системы комплемента, фагоцитов, противо-микробных антител.

Величина капсул может колебаться от узкого едва заметного ободка, окружающего клетку, до массивного образования, ширина которого в отдельных случаях соответствует 8—10 диаметрам клетки стрептококка. Особого внимания, с точки зрения капсулообразования, заслуживают представители стрептококков серотипов М18 и М24, выделяемых от больных первичным ревматизмом в первые дни болезни и больных инвазивными формами стрептококковой инфекции. Стрептококки названных серотипов синтезируют настолько крупные капсулы, что в первичных посевах на кровяной агар материала, полученного от больных (слизистого отделяемого носоглотки, гноя, мокроты и пр.), образуют крупные, как капли росы, мукоидные колонии с широкой зоной гемолиза.

В защите от фагоцитоза участвует также особый иммуноглобулиновый Fc-peцептор стрептококков, способный взаимодействовать с Fc-фрагментом молекулы иммуноглобулина G (IgG), что сопровождается дисбалансом в системе комплемента и иммуноглобулинов. Идентифицировано несколько типов Fc-рецепторов, различающихся по способности реагировать с иммуноглобулинами разных классов и подклассов.

S. pyogenes продуцирует ряд экзогенных токсинов и ферментов агрессии, обладающих разнообразным механизмом действия.

Из экзотоксинов важнейшее значение имеют стрептококковые пирогенные экзотоксины — SPEs, которые иммунологически разделяются на типы Spe A, Spe В, Spe С, Spe D (син.: эритрогенные токсины А, В, С, D, эритрогенины, токсин Дика). Эти токсины наиболее часто продуцируют изоляты от больных скарлатиной, некротизирующим фасциитом и стрептококковым синдромом токсического шока («токсическим стреп-синдромом»). Они проявляют пирогенную активность, цитотоксичность, способны повреждать ткани, подавлять функции ретикулоэндотелиальной системы и миграцию макрофагов, повышать проницаемость клеточных мембран, вызывать резкое расширение капилляров кожи, иммуносупрессивность; ответственны за появление кожных высыпаний, обусловленных иммунными механизмами. Все токсины обладают антигенностью, могут быть использованы для получения антитоксических сывороток и вызывают формирование антитоксического иммунитета.

Экзотоксины Spe А и Spe С кодируются генами (spe А и spe С), локализованными на умеренном бактериофаге. Пирогенный экзотоксин В кодируется структурным геном, расположенном на хромосоме бактериальной клетки. Поэтому Spe А и Spe С обнаруживают только у отдельных штаммов стрептококка в большем или меньшем проценте случаев, тогда как Spe В содержатся практически во всех штаммах стрептококка, независимо от того, откуда они выделены. Экзотоксин Spe D охарактеризован еще недостаточно.

Частота обнаружения гена spe А, кодирующего экзотоксин Spe А в культурах, полученных от больных разными нозологическими формами, неодинакова. Среди штаммов, выделенных от больных скарлатиной, ген spe Л выявлен в 45% случаев, при ревматизме — в 48%. У больных с инвазивными стрептококковыми инфекциями (некроз мягких тканей, некротизирующий фасциит) частота обнаружения гена spe А в выделенных культурах нарастает, достигая максимума (85%) в случаях «токсического стреп-синдрома».

Изучение нуклеотидной последовательности гена spe А в штаммах, ассоциированных с различными вспышками заболеваний, определило существование четырех естественных аллелей. Аллели spe А1, spe А2, spe А3 кодируют токсины, отличающиеся друг от друга только по одной аминокислоте, в то время как spe А4 кодирует токсин, который на 9% (26 аминокислотных остатков) отличается от трех остальных. По экспериментальным данным и материалам клинических наблюдений, экзотоксин Spe АЗ обладает более высокой токсичностью.

Стрептококковый пирогенный экзотоксин В представляет собой внутриклеточную цистеиновую протеазу, вырабатываемую многими штаммами СГА. Однако различные штаммы продуцируют ее в различных количествах, в отдельных (очень редких) случаях — до 150 мг/л.

Анализ последовательностей генов стрептококкового пирогенного токсина В (Spe В) на 200 клинических изолятах стрептококка группы А выявил три их варианта. Один из этих вариантов mPp В2 характерен для наиболее вирулентных серотипов M1 стрептококка, вызывающих инвазивные инфекции, регистрируемые во всем мире.

К ранее изученным стрептококковым пирогенным экзотоксинам в конце 90-х годов прошедшего столетия прибавился впервые описанный стрептококковый митогенный экзотоксин Z (SMEZ), а к 2003 г. обнаружены еще четыре новых стрептококковых пирогенных экзотоксина Spe G, Spe Н, Spe J и SMEZ-2.

Все варианты пирогенных токсинов проявляют свойства суперантигенов, оказывая митогенное действие на Т-клетки, и стимулируют секрецию макрофагами интерлейкина 1 (ИЛ-1), фактора некроза опухолей (ФИО) и других биологически активных соединений, гиперпродукция которых вызывает в организме тяжелые поражения системного характера.

Стрептолизины О- и S- относятся к группе мембраноповреждающих экзотоксинов и имеют большое значение в патогенезе стрептококковых инфекций. Стрептолизин О (СЛО) является кислороднеустойчивым цитолизином с кардиотоксическими свойствами. Цитолитический эффект обусловлен его необратимым связыванием со стеринами клеточных мембран (эритроцитов, лейкоцитов, моноцитов и др.). Кардиотропность объясняется подавлением энергетических процессов в миокарде. Стрептолизин О оказывает гемолитическое действие, неактивное в присутствии кислорода, поэтому гемолиз проявляется только вокруг колоний, растущих под поверхностью кровяного агара.

СЛО обладает иммуногенными свойствами. Липиды, свободный холестерин и его метаболиты (сфингомиелин, фосфатидил-холин и др.) блокируют его антигенные и гемолитические свойства.

Являясь полноценным антигеном, СЛО стимулирует у больных стрептококковыми инфекциями образование антистрептолизина О (АСЛО). Обнаружение повышенных титров АСЛО является надежным тестом для ретроспективной диагностики недавно перенесенных глоточных и респираторных стрептококковых инфекций, острого гломерулонефрита и, главным образом, ревматизма и его рецидивов. У больных ревматизмом титры АСЛО, по данным литературы, в период, предшествующий непрерывной бициллинопрофилактике, были значительно выше, чем при других нозологических формах стрептококковых инфекций. Спустя несколько лет от начала регулярного применения препаратов пенициллина пролонгированного действия (конец 50-х — начало 60-х годов XX в.) общий уровень титров АСЛО среди основного контингента больных ревматизмом значительно снизился. Поэтому в настоящее время в практической ревматологии основную роль играют не столько абсолютная высота титров антител, сколько их динамика, определяемая с интервалом в 10-15 дней.

Кожные стрептококковые инфекции практически не вызывают повышения титров АСЛО, что, по-видимому, связано с присутствием в кожных тканях свободного холестерина, который подавляет антигенные свойства СЛО. Поэтому в дерматологии постановка теста на АСЛО не принята.

Вирулентные свойства СЛО проявляются в подавлении фагоцитарной функции макрофагов:
— стимуляции образования цитокинов;
— снижении активности реакции лимфоцитов на митоген.

Стрептолизин S (SLS) — нуклеопротеид, кислородоустойчивый неантигенный токсин, который обусловливает гемолиз вокруг колоний стрептококков, растущих в аэробной среде на поверхности кровяного агара. Он является одним из самых мощных бактериальных гемолизинов.

При внутривенном введении SLS кроликам наблюдается интенсивный внутрисосудистый лизис красных кровяных клеток. Однако механизм лизиса, так же как и роль его в вирулентности стрептококков, неизвестен. Считают, что SLS непосредственно связывается с фосфолипидами клеточных мембран, повреждая и нарушая их проницаемость. Этот токсин разрушает лизосомы и мембраны митохондрий клеток макроорганизма. Наличие мембранной токсичности позволяет рассматривать SLS в качестве одного из возможных ревматогенных факторов.

Лейкоцидин — представитель группы белковых мембранотоксинов. Лизирует лейкоциты, что приводит к нарушению фагоцитарной защиты организма. Выявляется у высоковирулентных штаммов.

Кроме экзотоксинов S. pyogenes продуцирует значительное число (более 20) экстрацеллюлярных энзимов (ферменты агрессии), обладающих антигенной активностью. Среди них стрептокиназа, стрептодорназа (ДНКаза), гиалуронидаза, С5а-пептидаза, НАД-аза, бактериоцины и др. К наиболее значимым относятся:

- стрептокиназа (фибринолизин) — фактор тканевой инвазии; катализирует превращение плазминогена в протеолитический фермент плазмин; лизирует сгустки фибрина и другие белки, образующиеся на пути распространения стрептококков в организме, что способствует его инвазии в интактные окружающие ткани, прохождению через базальные мембраны слизистых оболочек и фиброзные барьеры, окружающие очаги местного воспаления. Установлено, что ген, индуцирующий синтез этого фермента, локализован в ДНК нрофага;

- стрептококковая дезоксирибонуклеаза (стрептодорназа) — внеклеточная нуклеаза, деполимеризующая ДНК. Известно четыре антигенных варианта этого фермента, которые обозначают буквами латинского алфавита — А, В, С, D. Наибольшее значение имеет ДНКаза В, вырабатываемая вирулентными штаммами СГА. Смесь ДНКазы и стрептокиназы способна разжижать экссудаты, лизировать венозные тромбы, поэтому используется в качестве лечебного препарата для удаления гноя и некротизированных тканей из ран. Антитела против ДНКазы В часто выявляются при стрептококковых инфекциях верхних дыхательных путей, однако титры антиДНКазы В достигают максимума только через 6-8 недель от начала заболевания. Диагностическое значение имеет повышение титра антител в парных сыворотках;

- гиалуронидаза — фактор распространения; разрушает гиалуроновую кислоту, входящую в состав соединительной ткани. Выделяется лизогенными культурами стрептококков. Гиалуронидаза разных серологических групп стрептококков четко различается по антигенным свойствам, и ее нейтрализация антителами считается специфической реакцией. Антигиалуронидазу выявляют при стрептококковых инфекциях глотки и кожи. Динамику иммунного ответа организма на этот фермент в реакции нейтрализации используют в лабораторной диагностике стрептококковых инфекций;

- пептидаза С5а расщепляет и инактивирует компонент комплемента С5а, образующийся на ранних стадиях инфекционного процесса при альтернативном пути активации. Данный компонент комплемента является мощным хемоаттрактантом, и его инактивация резко снижает миграцию нейтрофилов крови в очаг инфекции, создавая стрептококку благоприятные условия для осуществления колонизации и поражения слизистых оболочек и субдермальных областей.

- Читать далее "Гены и генетический обмен пиогенного стрептококка (S. pyogenes)"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 13.11.2019

Остались вопросы или замечания?

Все размещенные статьи преследуют образовательную цель и предназначены для лиц имеющих базовые знания в области медицины.
Без консультации лечащего врача нельзя применять на практике любой изложенный в статье факт.
Жалобы и возникшие вопросы просим присылать на адрес statii@dommedika.com
На этот же адрес ждем запросы на координаты авторов статей - быстро их предоставим.