Czynniki wirulencji Bordetella pertussis – toksyny i mechanizmy patogenezy krztuśca

Czynniki wirulencji produkowane przez Bordetella pertussis stanowią złożony arsenał molekularny, który umożliwia bakterii skuteczną kolonizację dróg oddechowych, unikanie odpowiedzi immunologicznej gospodarza i wywoływanie charakterystycznych objawów krztuśca. Te biologicznie aktywne substancje działają w sposób skoordynowany, tworząc wielopoziomowy system patogenności¹².

Toksyna krztuścowa – główny czynnik wirulencji

Toksyna krztuścowa (PT) jest kluczowym czynnikiem wirulencji Bordetella pertussis i odgrywa centralną rolę w patogenezie krztuśca³. Jest to białkowa egzotoksyna typu AB5, która uczestniczy w kolonizacji dróg oddechowych i ustanowieniu infekcji³. PT jest uwalniana z B. pertussis w nieaktywnej formie i po związaniu z receptorem błony komórkowej jest pobierana w endosomie, po czym przechodzi transport wsteczny do sieci trans-Golgiego i retikulum endoplazmatycznego³.

Mechanizm działania toksyny krztuścowej polega na katalizie ADP-rybozylacji podjednostek Gi heterotrymerycznego białka G³. Zapobiega to interakcji białek G ze sprzężonymi z białkami G receptorami na błonie komórkowej, zakłócając w ten sposób komunikację wewnątrzkomórkową³. Podjednostki Gi pozostają zablokowane w stanie związanym z GDP, nieaktywnym, przez co nie mogą hamować aktywności cyklazy adenylowej, co prowadzi do zwiększenia komórkowych stężeń cAMP³.

Wpływ toksyny krztuścowej na układ immunologiczny

Toksyna krztuścowa hamuje sprzężenie białek G, które reguluje konwersję ATP do cyklicznego AMP mediowaną przez cyklazę adenylową⁴. W rezultacie fagocyty przekształcają zbyt dużo ATP w cykliczny AMP, co może powodować zaburzenia w mechanizmach sygnalizacji komórkowej i uniemożliwia fagocytom prawidłowe reagowanie na infekcję⁴.

PTx, dawniej znana jako czynnik promujący limfocytozę, powoduje zmniejszenie wnikania limfocytów do węzłów chłonnych⁴. Może to prowadzić do stanu zwanego limfocytozą, która jest dużym wzrostem liczby limfocytów we krwi organizmu⁴. Zwiększone wewnątrzkomórkowe stężenie cAMP wpływa na normalne sygnalizowanie biologiczne, a toksyna powoduje kilka efektów ogólnoustrojowych, w tym zwiększone uwalnianie insuliny, powodujące hipoglikemię⁵.

Cytotoksyna tchawicza i uszkodzenie rzęsek

Cytotoksyna tchawicza (TCT), będąca fragmentem peptydoglikanu, zabija rzęskowe komórki nabłonka w drogach oddechowych i tym samym hamuje mechanizm, który oczyszcza drogi oddechowe ze śluzu i zanieczyszczeń⁶. Cytotoksyna tchawicza może przyczyniać się do kaszlu charakterystycznego dla krztuśca⁶.

Po zakotwieniu bakterium produkuje cytotoksynę tchawiczą, która zatrzymuje bicie rzęsek, co uniemożliwia rzęskom oczyszczanie płuc organizmu z zanieczyszczeń⁴. Cytotoksyna tchawicza jest odpowiedzialna za śmierć komórek oddechowych gospodarza przy użyciu wewnątrzkomórkowej IL-1 i tlenku azotu⁷.

Cyklaza adenylowa i hamowanie fagocytozy

Cyklaza adenylowa (ACT) dostarcza domenę cyklazy adenylowej do komórki gospodarza i zwiększa wewnątrzkomórkowe stężenie cAMP⁷. Po dostarczeniu cAMP aktywność fagocytów jest hamowana, a fagocyty przechodzą apoptozę⁷. Toksyna CyaA wykorzystuje oryginalny mechanizm do penetracji wnętrza komórek: najpierw wiąże się ze specyficznym receptorem na powierzchni komórek docelowych, a następnie część łańcucha polipeptydowego, domena katalityczna, jest bezpośrednio transportowana przez błonę plazmatyczną do cytozolu komórki docelowej⁸.

Jednym z częstych efektów infekcji B. pertussis jest gromadzenie się cAMP w fagocytach, co hamuje typowe odpowiedzi immunologiczne na infekcję bakteryjną, takie jak fagocytoza i indukcja syntezy tlenku azotu⁹. Poprzez modulację aktywności cAMP PTX jest w stanie zakłócać mechanizmy sygnalizacji komórkowej i zapobiegać silnej odpowiedzi immunologicznej⁹.

Inne czynniki wirulencji

Bordetella pertussis produkuje również toksynę dermonekrotyczną (DNT), która deaminuje białka sygnalizacyjne w mechanizmie podobnym do leukotoksyny Pasteurella multicida⁷. Lipooligosacharyd (LOS) jest unikalnym składnikiem błony zewnętrznej, który prawdopodobnie odgrywa rolę w klinicznych manifestacjach krztuśca, chociaż mechanizm jego wirulencji pozostaje nieznany⁷.

Stwierdzenie, że izolaty fazy I Bordetella bronchiseptica powodują niemal całkowitą ciliostazę w ciągu 3 godzin w rzęskowych wyrostkach komórek nabłonkowych może być wyjaśnione działaniem toksyny cyklazy adenylowej i cytotoksyny tchawiczej¹⁰. Te same toksyny najwyraźniej hamują aktywność fagocytarną gospodarza¹⁰.

Systemowe efekty czynników wirulencji

Różnorodne substraty białek G zostały zidentyfikowane jako cele PTX, przez co niemal wszystkie komórki eukariotyczne są dotknięte przez toksynę, co wyjaśnia zdolność PTX do modulowania szerokiej gamy szlaków, powodując szeroko zakrojone efekty, które obejmują leukocytozę, hipoglikemię i wrażliwość na histaminę¹¹.

Wcześnie w infekcji toksyna krztuścowa powoduje znaczne opóźnienie w rekrutacji białych krwinek do miejsca infekcji poprzez blokowanie produkcji chemokin¹². To opóźnienie pozwala bakteriom namnażać się i osiągać dalszą kolonizację¹². Kontynuuje poprzez uczynienie komórek gospodarza nadwrażliwymi na histaminę, związek, który promuje przeciekanie błony naczyniowej¹².

Niewyjaśnione aspekty działania toksyn

Pomimo rozległej wiedzy na temat poszczególnych czynników wirulencji, nie jest jasne, czy efekty toksyny krztuścowej są odpowiedzialne za napadowy kaszel⁵. Napadowy kaszel występuje również w infekcjach Bordetella parapertussis, która nie produkuje toksyny krztuścowej, co wskazuje, że inne czynniki mogą być odpowiedzialne za ten charakterystyczny objaw krztuśca¹³.