Patogeneza błonicy – mechanizm działania toksyny dyfteryjnej

Patogeneza błonicy stanowi fascynujący przykład choroby mediowanej toksyną, w której główną rolę odgrywa potężna egzotoksyna produkowana przez bakterie Corynebacterium diphtheriae. Zrozumienie mechanizmu działania toksyny dyfteryjskiej jest kluczowe dla pojęcia, w jaki sposób stosunkowo niewielka ilość bakterii może prowadzić do tak poważnych konsekwencji zdrowotnych. Proces patogenezy błonicy można podzielić na kilka etapów, począwszy od kolonizacji bakterii, poprzez produkcję toksyny, aż po jej działanie na poziomie komórkowym¹.

Podstawowe mechanizmy patogenezy błonicy

Patogeneza błonicy opiera się na dwóch podstawowych czynnikach: zdolności danego szczepu Corynebacterium diphtheriae do kolonizacji jamy nosowo-gardłowej lub skóry oraz jego zdolności do produkcji toksyny dyfteryjnej. Co istotne, determinanty odpowiedzialne za kolonizację gospodarza są kodowane przez bakterię, natomiast toksyna jest kodowana przez korynebakteriofaga, co oznacza, że molekularne podstawy zjadliwości C. diphtheriae wynikają z połączonych efektów determinant przenoszonych przez dwa genomy¹.

Nietoksygenne szczepy C. diphtheriae rzadko są związane z chorobą kliniczną, jednak mogą stać się wysoce zjadliwe po lizogennej konwersji do toksygenności. Oznacza to, że bakteria musi zostać zainfekowana przez specyficzny bakteriofag niosący gen tox, aby móc produkować toksynę dyfteryjną².

Struktura i właściwości toksyny dyfteryjnej

Toksyna dyfteryjska jest niezwykle potężną egzotoksyną – u wrażliwych gatunków (ludzi, małp, królików, świnek morskich) już 100-150 ng/kg masy ciała może być śmiertelne. Toksyna składa się z pojedynczego łańcucha polipeptydowego złożonego z 535 aminokwasów o masie molekularnej około 58-62 kDa³⁴.

Analiza biochemiczna i krystalograficzna pokazuje, że toksyna składa się z trzech domen strukturalno-funkcjonalnych: aminokońcowej domeny ADP-rybozylotransferazy (domena katalityczna), regionu ułatwiającego dostarczenie domeny katalitycznej przez błonę komórkową (domena transmembranowa) oraz domeny wiążącej się z receptorem komórkowym³. Po łagodnej obróbce trypsyną i redukcji w warunkach denaturujących, toksyna może być specyficznie rozszczepionych w swojej pętli wrażliwej na proteazy na dwa fragmenty polipeptydowe (A i B) połączone wiązaniem dwusiarczkowym⁵.

Regulacja produkcji toksyny

Regulacja ekspresji genu tox toksyny dyfteryjnej jest mediowana przez aktywowany żelazem represor DtxR, który jest kodowany w genomie C. diphtheriae. Ekspresja tox zależy od stanu fizjologicznego bakterii. W warunkach, w których żelazo staje się substratem ograniczającym szybkość wzrostu, żelazo dysocjuje od DtxR, gen tox zostaje odrepresowany, a toksyna dyfteryjska jest syntetyzowana i wydzielana do pożywki z maksymalną szybkością³.

Niska koncentracja żelaza oraz inne czynniki, takie jak osmolarność, stężenie aminokwasów i pH, zwiększają produkcję toksyny. Synteza toksyny przez lizogenizowane C. diphtheriae jest regulowana przez chromosomowo kodowany element – represor toksyny dyfteryjnej (DTxR), który jest aktywowany w obecności wysokich stężeń żelaza i może wiązać się z operatorem genu toksyny, zapobiegając jej produkcji⁶.

Mechanizm działania toksyny na poziomie komórkowym

Intoksykacja pojedynczej komórki eukariotycznej przez toksynę dyfteryjną obejmuje co najmniej cztery odrębne etapy, które zostały szczegółowo opisane w badaniach molekularnych Zobacz więcej: Mechanizm wnikania toksyny dyfteryjnej do komórki. Proces ten rozpoczyna się od wiązania toksyny z jej receptorem powierzchniowym, następnie następuje klasteryzacja naładowanych receptorów w dołki płaszczowe i internalizacja toksyny przez endocytozę mediowaną przez receptor⁷.

Po zakwaszeniu pęcherzyka endocytycznego przez błonową pompę protonową napędzaną ATP, następuje wstawienie domeny transmembranowej do błony i ułatwione dostarczenie domeny katalitycznej do cytoplazmy. Ostatnim etapem jest ADP-rybozylacja czynnika elongacji EF-2, co skutkuje nieodwracalnym zahamowaniem syntezy białek⁷.

Skutki działania toksyny w organizmie

Toksyna odpowiedzialna jest za główne powikłania, takie jak zapalenie mięśnia sercowego, polineuropatie i zapalenie nerek, a także może powodować trombocytopenię. Toksyna wytwarzana w miejscu błony jest wchłaniana do krwiobiegu, a następnie rozprowadzana do tkanek organizmu⁸. Miejscowe niszczenie tkanek umożliwia przenoszenie toksyny drogą limfatyczną i hematologiczną do innych części organizmu, co może wpływać na odległe narządy, takie jak mięsień sercowy, nerki i układ nerwowy⁹.

Wpływ egzotoksyn rozciąga się zarówno na miejscowe, jak i ogólnoustrojowe objawy choroby. Odpowiedź gospodarza na bakterie wywołuje miejscowy stan zapalny w gardle i krtani, prowadząc do powstania odpornej, szarej pseudobłony – rozpoznawalnego znaku choroby. Toksygenność bakterii Corynebacterium diphtheriae może powodować toksyczność ogólnoustrojową, szczególnie wpływając na funkcjonowanie serca i układu nerwowego Zobacz więcej: Systemowe skutki działania toksyny dyfteryjnej.

Znaczenie patogenezy dla leczenia

Zrozumienie mechanizmu patogenezy błonicy ma kluczowe znaczenie dla właściwego leczenia. Ponieważ objawy kliniczne błonicy nie są spowodowane przez sam patogen, ale raczej przez egzotoksynę, którą produkuje C. diphtheriae, podanie antytoksyny jest kluczową częścią leczenia. Antytoksyna dyfteryjska zatrzymuje toksynę przed spowodowaniem większych uszkodzeń organizmu, podczas gdy antybiotyki zabijają i eliminują bakterie¹⁰¹¹.

Wczesne podanie antytoksyny jest krytyczne, ponieważ stopień ochrony jest odwrotnie proporcjonalny do opóźnienia w podaniu. Antytoksyna neutralizuje krążącą toksynę, ale nie wpływa na toksynę już związaną z tkankami, co oznacza, że nie odwraca objawów spowodowanych przez związaną toksynę, ale ogranicza postęp choroby¹².