内毒素知识介绍

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(2010-01-16 10:00:17)

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细菌内毒素，英文称作Enolotoxin，是G-菌细胞壁个层上的特有结构，内毒素为外源性致热原，它可激活中性粒细胞等，使之释放出一种内源性热原质，作用于体温调节中枢引起发热。内毒素的主要化学成分为脂多糖中的类脂A

细菌内毒素这个概念在1890年的时候就已被提了出来，它是在研究发热物质过程所引成的，1933年Boivin 最先由小鼠伤寒杆菌提取出来，进行化学免疫学方面的研究，到1940年时候，Morgan使用志贺氏痢疾菌阐明了细菌内毒素是由多糖脂质及蛋白质三部分所组成的复合体，到了1950年以后，随着生物学，物理化学，免疫学以及遗传学等的进步发展，细菌内毒素的研究工作，尤其是其化学结构组成及各种生物活性间的关系也更加明确起来。

细菌英文叫Bacteria ：为原核生物中的一类单细胞微生物由二分裂法繁殖。若按革兰氏染色法可将细菌

分为G+菌和G-菌两大类。这两类细菌细胞壁的结构和化学组成存在很大差异。唯有肽聚糖为其共同成分，但其含量的多少和肽链的性质有所不同，见下表：

关于细菌细胞壁结构，尤其G+/G-菌不同之处见下图所示：

由以上结构模式图可以发现，G+菌与G-菌有不同之处，其中对于G-菌来说：

细胞壁较薄，厚约10－15nm，结构也较复杂。肽聚糖含量低，仅占细胞干生10％左右，层薄又较疏松，因肽聚糖之间仅四肽侧链直接联结，缺乏五肽桥；肽聚糖居于细胞最内层，外面由内向外还有脂蛋白，外膜和脂多糖的三层聚合物。

（1）脂蛋白（lipoprotein）由类脂和蛋白质构成，联结在外膜与肽聚糖层之间，类脂一端经非共价键联结到外膜的磷脂上，另一端由共价键联结到肽聚糖肽链中的二氧基庚二酸残基上，使外膜和肽聚糖层构成一个整体。

（2）外膜（outer membrane）是革兰氏阴性菌细胞壁的重要结构，位于肽聚糖的外侧，其结构类似细胞膜，为液态的磷脂双层，其中镶嵌一些特异蛋白质，穿透外膜的内外双层，呈液态镶嵌体。外膜中间有微小孔道，容许水溶性的小分子通过，以进行细胞内外的物质运输和交换。除此之外，外膜还能防止胰蛋白酶和溶菌酶等进入，起到保护性屏障作用。（3）脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）由多糖O抗原、核心多糖和类脂A(lipid A)组成（图1-8），位于最外层。多糖O抗原向外，由若干个低聚糖的重复单位组成的多糖链，即革兰氏阴性菌的菌体抗原（O抗原），有特异性。核心多糖由庚糖、半乳糖、2-酮基-3-脱氧辛酸（2-keto-3-deoxyoctonic acid, KDO）等组成，所有革兰氏阴性细菌都有此结构。类脂A是以脂化的葡萄胺二糖为单位，通过焦磷酸酯键组成的一种独特的糖脂化合物，具有致热作用，是革兰氏阴性细菌内毒素的毒性成分。

细菌内毒素即：许多病原性细菌所产生的毒素。

一般细菌毒素可分为两类，一类为外毒素（Exotoxin）；它是一种毒性蛋白质，是细菌在生长过程中分泌到菌体外的毒性物质。产生外毒素的细菌主要是革兰氏阳性菌。如白喉杆菌、破伤风杆菌、肉毒杆菌、金黄色葡萄球菌以及少数革兰氏阴性菌。加一类为内毒素（Endotoxin）。是革兰氏阴性菌的细胞壁外壁层上的特有结构。细菌在生活状态时不释放出来，只有当细菌死亡自溶或粘附在其它细胞时，才表现其毒性，内毒素的主要化学成分是脂多糖中的类脂A成分。

细菌外毒素与内毒素性质的比较

（1）外毒素（exotoxin）有些细菌在其生命活动过程中产生毒素能释放到周围环境中，称为外毒素。产生外毒素的细菌主要是革兰氏阳性菌。如白喉杆菌、破伤风杆菌、肉毒杆菌、金黄色葡萄球菌以及少数革兰氏阴性菌。如痢疾杆菌、霍乱弧菌等。细菌外毒素有以下特点：

①毒性强，如纯化肉毒杆菌外毒素结晶1mg可杀死2,000万只小白鼠，对人的最小致死量约为10-4mg，破伤风毒素对小白鼠的致死量为10-6mg，白喉毒素对豚鼠的致死量为10-3mg。②对机体组织有选择性的毒性，如白喉杆菌外毒素主要抑制蛋白质合成，特别是影响肽链延长，引发心肌炎、肾上腺出血及神经麻痹等；破伤风外毒素主要毒害脊髓前角运动神经细胞，引起所属肌肉的痉挛强直。

③具有抗原性，外毒素的化学成分为蛋白质，有抗原性，即以外毒素刺激机体可产生大量的抗毒素，抗毒

素能中和外毒素使其无毒。外毒素用甲醛处理后，脱毒变成类毒素，但仍保持抗原性。

（2）内毒素（exotoxin）是革兰氏阴性菌的细胞壁成分，细菌在生活状态时不释放出来，只有当细菌死

亡自溶或粘附在其它细胞时，才表现其毒性。内毒素的主要化学成分是脂多糖中的类脂A成分。

内毒素的致病作用无特异性，即各种革兰氏阴性菌对人类引起基本相同的反应。少量内毒素可引起机体发热反应；大量内毒素进入血液，可使血管透性改变，局部出血，颗粒性白细胞增多或减少和体重下降，

严惩毒时能导致内毒素性休克。内毒素毒性比外毒素小得多。

内毒素是外源性致热原，它可能激活中性粒细胞等，使之释放出一种内源性热原质，作用于体温调节中枢引起发热。

细菌内毒素化学结构及化学组份

到目前为止，我们知道细菌内毒素作为G－菌细胞壁外表层结构的一部分脂多糖（lipopolysacch aride,LPS）主要是由多糖O抗原，核心多糖和类脂A(Lipid A)三部分组成。见图所示：

类脂A位于最多层。多糖抗原向外由若干个低聚糖的重复单位组成的多糖链，具有特异性，核心多糖分为内核心及外核心，外核心由数种已糖，包括葡萄糖，半乳糖，乙酰氨基葡萄糖等组成。内核心含有庚糖及

特殊的KDO (3-脱氧-D-甘露糖-辛酮糖)。KDO以不耐酸的酮糖键与类脂A的氨基葡萄糖连接。所有G-菌

都有此结构。类脂A是以脂化的葡萄糖胺二糖为单位。通过焦磷酸酯键组成的一种独特的糖脂化合物。具有致热作用。是革兰氏阴性细菌内毒素的毒性成分。

细菌内毒素生物活性

类脂A作为内毒素生物活性的主要部分。也是近年来研究报道最多的。由氨基葡萄糖，磷酸，10-18碳的

长链脂肪酸组成，它与可溶性的O-特异性链及核心分离后。即有难溶于水的特性。游离后的类脂A。可自身凝聚成高分子的复合体，其分子量大小不等。同时它也含有疏水性的中心及亲水性的边沿。是一种双相

分子，又是酸碱两性分子，因此类脂A的独特结构使细菌内毒素具有多种的生物活性。

细菌内毒素不同水平上的生物活性

细菌内毒素的耐热性

我们知道细菌内毒素除了具有各种生物活性外，还具很强的耐热性，一般的高压灭菌不能使其灭活，需250℃30分钟以上的干热灭菌才能使其灭活，目前我国药典热原检查法和细菌内毒素检查法中关于玻璃用具的灭菌处理为180℃2小时或250℃30分钟以上，而日本药局方第十三改正为250℃1小时以上。其它各国药典也大都如此，据国外文献报导，当对细菌内毒素的稀水溶液，在不同温度下保温处理后进行检测，发现其内毒素活性在200℃1小时时还能检测出来。而只有当加热到250℃1小时才能完全灭活，国内细菌内毒素标准品的耐热情况虽然未能考察，但可以认为对细菌内毒素检查法中玻璃用具等的除菌最好采用250℃1小时以上的干烤处理。

细菌内毒素的除去方法

由于细菌内毒素具有很强的耐热性，因此对于它的去除采用一般的灭菌方法是无法达到的，尤其是制药行业注射剂中内毒素的除去，对于临床用药的安全性意义重大，因此对于药品中内毒素去除可以使用过滤

及高压灭菌方法，而对于一般水溶液，则普通采用薄膜过滤后高压法，对于实验中所用器具可使用干热或射线给予灭活，其它也可使用酸、碱破坏的方法。对于细菌内毒素检查法中所用实验用具的外源性内毒素除去方法，最好采用250℃2hr以上的干热灭菌方法。

各种外界因素对细菌内毒素活性的影响

细菌内毒素的生物活性随外界因素的影响变化很大。目前已经知道。一些金属离子、超声波以及温度等都会对细菌内毒素的生物活性产生很大影响，据国外文献报导，铁离子、铝离子和镓离子等会引起细菌内毒素活性的降低。因此在试验过程中最好使用玻璃用具，以必免这些因素，另外温度的高低对细菌内毒素水溶液活性影响很大，根据国内外文献的报道：内毒素水溶液活性随着环境温度的升高而降低，因此对于内毒素水溶液一定要在低温处保存，而且对已经稀释好的内毒素水溶液，要尽可能的在2小时内用完。以免活性降低。

细菌内毒素致病机理

（1）致热性内毒素可使人体和动物致热，人体对内毒素致热原敏感。在正常情况下，人体内内毒素的正常阈值保持在0.001-0.05ng/ml之间，一旦人体免疫力下降或遭受某种致病菌侵袭时，细菌便在机体内繁殖崩解，释放出大量的内毒素，当体内内毒素的浓度高于这个阈值时，即可启动内外源致热原引起机体发热。

（2）内毒素对糖代谢的影响及其机理内毒素直接或间接损害肝脏，引起糖代谢紊乱及酶学、蛋白代谢的改变。①致病机理：脂多糖能刺激肾上腺素的分泌和释放，使磷酸环化酶活性增强，加速糖分解，使血糖浓度表现为暂时性升高。②低血糖症的主要机理：脂多糖进入机体数小时后，始作用于肝细胞，引起肝细胞的损伤，使糖元异生的关键酶活性降低，抑制糖原的异生和分解，激活丙酮酸激酶，加速葡萄糖的分解氧化，并产生大量的热量，在临床上表现为发烧症或持续低血糖症。内毒素致肝脏枯否氏细胞功能受到抑制，进而影响对内毒素的消除及对胰岛素的分解代谢。

（3）内毒素对血液循环系统的影响及机理：内毒素可引起白细胞和血小板减少，激活凝血、纤溶系统，产生出血倾向，可导致弥漫性血管内凝血（DIC）的发生。DIC严重时，可导致严重的休克症状。①内毒

素（脂多糖）对中性粒细胞的作用及机理：内毒素（脂多糖）能引起人体血液中中性粒细胞的增多，这是人体对内毒素反应最敏感的指标之一，亚致热量即可引起中性粒细胞的减少，并伴之以粘连性增加，数小时后，中性粒细胞明显增多。②脂多糖对血小板的影响：对实验动物注射足量的脂多糖后，均能导致动物血液中血小板明显减少。③脂多糖对淋巴细胞的作用：脂多糖作用于B淋巴细胞，可增强B淋巴细胞DNA 的合成。脂多糖能提高人体体液免疫功能，革兰氏阴性菌感染后引发的机体发热是人体自我防御功能的表现，是积极的。④脂多糖对单核细胞和巨噬细胞的作用：增强吞噬和巨噬细胞的杀菌能力。同时，脂多糖作用于巨噬细胞和单核细胞后，能产生多种中介物质，参与外源性凝血过程，脂多糖能刺激单核细胞和巨噬细胞产生集落刺激因子（GSF）。⑤对红细胞和血清铁的影响：脂多糖能抑制红细胞的生成，脂多糖直接作用于骨髓造血干细胞，抑制骨髓的造血功能。内毒素可导致血清铁浓度的降低，内毒素血症的另一病症就是缺铁性贫血。⑥内毒素可经C3旁路或经典途径激活补体系统，最终导致血压下降和血液动力学的改变，出现局部或全身性shwartzman（炎症症状），并伴有轻微的发热症状。

细菌内毒素作用机理

(1-3)β-D-glucan概念、结构及活性

1) (1-3)β-D-glucan概念：(1-3)β-D-glucan在自然界的分布很广，主要存在于担子菌、真菌、地衣类、高等植物以及酵母、藻类的菌体成分中，平均分子量在6800左右。分子结构具用多样性。另外，某些使用人造纤维制作的人工肾透析模上也含有类似物质。但它并不引起家兔的升温过程。关于(1-3)β-D-glucan旁反应系是否可以单独形成凝固蛋白，或是与ET反应系的共同作用形成凝固蛋白，目前国外学者尚有一定分歧。(1-3)β-D-glucan对热极为稳定，高压121、1小时不以使其全部灭活。需250℃2小时干热灭菌处理才能彻底去除。另外强酸、强碱以及一些酶类也能使其灭活。目前在日本，尤其是在药局方的各种解说书中，无热原的概念即灭菌后的用具除了无ET外，还要求无(1-3)β-D-glucan。这一点要引起足够重视。

2) (1-3)β-D-glucan结构：由上可知：(1-3)β-D-glucan在自然界的分布很广，可以说明它同细菌内毒素一样，无处不在，无处不有。有关它的化学结构如下所示：

除此之外，它还有许多其它高一级的结构，如(1-4)β-D-glucan、(1-6)β-D-glucan结构等。

3) (1-3)β-D-glucan生物活性：(1-3)β-D-glucan与细菌内毒素一样，除了结构的多样化外，它们也有许多共同特性。如对热的稳定性，不易去除，不同菌株所产生的结构差异性等。作为(1-3)β-D-glucan的生物活性主要表现在以下几个方面：(1-3)β-D-glucan类的生物活性：1.刺激机体的（MQ）巨噬细胞产生各种细胞分

裂素Cytikines(TNF IL-1 IL-6等)；2.激活补体第二条经路；3.抗肿瘤作用；4.抗炎症作用；5.抗放射线作用；

6.激活G因子旁路使鲎血细胞裂解液（LAL（TAL）试剂）产生凝集反应

细菌内毒素标准品

作为内毒素的研究和使用者对于高纯度的内毒素标准品的渴望是十分迫切的，我们知道，细菌内毒素的活性随着菌株来源不同，调制方法及分散状态等不同差异很大，因此作为一个好的标准内毒素必须有满足以下条件：

1）菌株来源要有很好的稳定性。

2）能够很好地确定其化学分析值。

3）强的发热性与鲎试验活性间要有很好的相关性。

4）反应曲线为直线型。

5）易溶、在冻冷状态下能长时间稳定贮存。

6）高纯度并能保证供应。

WHO在1950年开始就提出了热原标准品的问题，在1959年Shigella dysenteriae内毒素第一次作为WHO standard被采用由于这个标准品稳定性等问题，目前已不在使用，之后，随着内毒素的研究，尤其是鲎试验法的研究与应用，各种新的内毒素标准品已被制备出来，目送各国在内毒素标准品菌株的选择上，一般均使用发热活性比较强的大肠杆菌，除添加附形剂稍有不同处，其对家兔的性几乎都是一样的，各种内毒素标准品，除了发热性好外，还要求具有鲎试验活性，化学分析值安定性、均一等。目前WHO最新的细菌内毒素标准品为EC－6，以下为三国标准内毒素化学分析值，供参考：

细菌内毒素工作标准品：主要用于日常检验工作和实验研究，尤其在内毒素检查法中，用于阳性对照和样品的阳性对照，其力价要比参考内毒素标准品要低的多。由于制备工艺不同其对鲎试剂的反应性也存在很大差异，因此在实验中，为了保证实验有效和准确建立稳定统一的CSE是十分必要的。

另外，目前的内毒素标准品一般都是针对凝胶法而言的，虽说国外在定量法使用上已逐渐增多，但真正的定量法专用内毒素标准品还没有，因此定量法中使用的内毒素标准品的研究是十分重要的。

细菌内毒素量值

关于细菌内毒素的量值在80年代几乎都是以重量单位来表示它很不科学，相同重量的内毒素，由于菌株来源不同，提取方法各异而且所加附形剂不同，因此其生物活性相差很大。如EC-2和EC-5，其重量换算单位分别：5EU/ng 和10EU/ng，因此随着人们对内毒素生物活性的不断提高，以效价单位表示内毒素的量值是十分合理的。

目前，世界各国药典所收载的细菌内毒素标准品均是以效价单位来表示。由于各国所用菌种来源不同，加入的赋形剂不同，其效价也不尽相同，如美国药典内毒素参考标准品（EC-6）的效价为10000EU/瓶，JP 为16000EU/瓶，BP=WHO为14000EU/瓶，而中国药典内毒素参考标准品（Lot;981）的效价为9000EU/Amp。因此，建立统一的细菌标准品是目前各国所面临的一大问题。

内毒素血症

内毒素血症是由于血中细菌或病灶内细菌释放出大量内毒素至血液，或输入大量内毒素污染的液体而引起。内毒素血症分为内源性和外源性两大类。（1）内毒素血症发生的原因。在严重创伤、感染等应激状态下可出现：全身网状内皮系统功能障碍，免疫机能下降，肠道吸收的内毒素过多而超过机体清除能力；胃肠道粘膜缺血、坏死、屏障破坏，大量内毒素释放入血；肠道吸收的内毒素因肝功能障碍由侧枝循环直接入体循环；某些组织、器官的感染引起外源性内毒素入血。（2）内毒素血症的临床症状内毒素血症临床症状主要决定于宿主对内毒素的抵抗力。症状和体征有：发热，白细胞数变化，出血倾向，心力衰竭、肾功能减退、肝脏损伤、神经系统症状，以及休克等。内毒素可引起组胺、5-羟色胺、前列腺素、激肽等的释放，导致微循环扩张，静脉回流血量减少，血压下降，组织灌流不足，缺氧及酸中毒等。（3）内毒素血症的后果内毒素血症可以出现在多系统的多种疾病中，通常导致致死性感染性休克、多器官功能衰竭、弥漫性血管内凝血等，病死率极高。内毒素血症可引起一系列病理生理改变：①发热反应：内毒素直接作用于下丘脑体温调节中枢，或作用于白细胞使之释放内原性致热原；

②促使血管活性物质如缓激肽、组胺、5-羟色胺、血管紧张素等释放，使血压下降，导致微循环障碍；③引起白细胞和血小板减少，激活凝血、纤溶系统，产生出血倾向；弥漫性血管内凝血；④经C3旁路或经典途径激活补体；⑤直接或间接损害肝脏，引起糖代谢紊乱及酶学、蛋白代谢的改变；⑥激活白三烯、前列腺素、巨噬细胞、单核细胞及内皮细胞活性。（4）各类疾病内毒素血症的发生率急性肝炎37-64%；爆发性肝炎58-100%；丙肝61.54%；胆石症伴急性梗阻性化脓性感染85%；烧伤85%；败血症70%；多器官功能衰竭100%；急性胰腺炎90%；皮肤软组织感染70-81.1%；腹腔感染72-84%；尿路感染70-80%（肾炎）、癌症70%；肺炎100%；上感100%。（5）内毒素血症的治疗内毒素血症的治疗原则多主张：①减少内毒素的产生和吸收；②改善内毒素引起的微循环障碍。肠源性内毒素血症许多非革兰氏阴性菌感染的重症病人及处于应激状态的患者，绝大部分出现内毒素血症，血浆中内毒素血症主要来源于肠道内毒素的吸收，因此肠源性内毒素血症是病人死亡的主要原因。肠源性内毒素血症的发病机制与如下几方面有关：（1）肠道内毒素生成和摄取增多（肠道微生物移位）机体免疫功能受损和肠粘膜免疫屏障的破坏，内毒素移位，进入血循环；肠粘膜屏障功能障碍，粘膜缺血、萎缩、破损、脱落均可造成内毒素移位，发生肠源性内毒素血症；肠道微生态环境破坏，广谱抗生素的长期应用减少了对抗生素敏感的厌氧菌的数量，导致革兰氏阴性菌大量繁殖，突破粘膜屏障而移位进入血循环。（2）肝脏对内毒素的清除功能减退，大量内毒素在肝脏未经解毒溢入体循环。（3）门体系统功能障碍，出现门体分流，来自肠道的内毒素绕过肝脏，未经灭活解毒，涌入体循环，形成内毒素血症。（4）淋巴液生成增加，腹腔淋巴管--胸导管是内毒素进入体循环的重要替代途径。（5）外周血内毒素灭活功能降低，各种原因造成的外周血灭活内毒素能力下降，易发生肠源性内毒素血症。

鲎的种属及分布

鲎，又称作王蟹，是一种栖生于海洋中的低等无脊椎动物，大约出现在古生代泥盆纪，距今已明几亿年的历史，但直到现在它的形态并无重大变化故有＂活化石＂之称，在国外普通受到保护。

鲎试剂，即利用美州鲎或新鲎的血细胞裂解物提取而来，分别为 LAL试剂和TAL试剂两种

鲎，在动物学分类上，隶属于节肢动物门（Arfhropoda），有螯肢亚门（chelicerata），肢口纲（Merostomata），剑尾目（Xiphosura）。出现在4亿年前的古生代泥盆纪俗称＂活化石＂，鲎是从古生代的三叶虫演化而来。

鲎的种属很少，目前全世界仅存三属4种，分别为：

1. 美洲鲎 Limulus polyphemus LinnaEUs分布在北美西洋岸

2. 东方鲎TachyplEUs tridentatus Leach分布在中国、日本、菲律宾等

3. 巨鲎 TachyplEUs gigas Muller分布在泰国、印度尼西亚等

4. 园尾鲎 Car cinoscorpius rotundi cauda pocock分布马来半岛、印尼等

其中能够用于制备鲎试剂的主要有：1.美洲鲎和 2.东方鲎。

鲎的地理分布狭隘，仅限于北美与东南亚一带，欧洲虽发现过鲎的化石，但目前未发现有活鲎的存在，而分布在我国沿海一带的鲎，都属于同一种，取名为中国鲎，从浙江乍浦以南至福建、台湾广东均有分布，但以福建、广东产的鲎个体大、数量多。

鲎试剂的制备

鲎试剂：即从鲎的血细胞裂解物中提取而来，用于制备鲎试剂的鲎主要为美洲鲎和东方鲎，所以目前国际上只有中、美、日、德等少数国家生产。鲎试剂分类在鲎的来源不同可分为 LAL试剂和TAL试剂，若按使用方法分类又可分为：凝胶法用鲎试剂，浊度法用试剂，显色法用试剂三大类，目前在日本又开发出一种用于测定β-D-Gluean的试剂，象Gluspecy和由蚕的体液中提取出来的一种SLP试剂。关于鲎试剂的制备见下所示：

对于生产过程要严格按照无菌操作进行。

随着鲎试剂制备工艺的不断完善，以及生物化学的发展，人们已逐渐认清了鲎试剂中各种组份，并已分离提取出来，到目前为止，鲎试剂中的主要组份包括有：C.B.G.凝固原，凝固蛋白酶以及适量的Ca z +Mg+Na+等。