معلومة

6.1 ب: سالبة الجرام PAMPs البكتيرية - علم الأحياء


أهداف التعلم

  1. اذكر ما هو المقصود بالسموم الداخلية وأشر إلى مكان وجوده بشكل طبيعي.
  2. قائمة 3 PAMPS سلبية الجرام ووصف بإيجاز كيف بدأوا SIRS.
  3. تحديد العدوى المرتبطة بالرعاية الصحية وتسمية 3 بكتيريا سالبة الجرام الشائعة التي تسبب عدوى المتعمقة بالرعاية الصحية.

تسليط الضوء على البكتيريا

  1. اقرأ وصف الزائفة الزنجارية ومطابقة البكتيريا مع وصف الكائن الحي والعدوى التي يسببها.

من أجل الحماية من العدوى ، فإن أحد الأشياء التي يجب على الجسم القيام بها في البداية هو اكتشاف وجود الكائنات الحية الدقيقة. الجسم يفعل هذا من خلال التعرف على الجزيئات الفريدة للكائنات الحية الدقيقة التي لا ترتبط بالخلايا البشرية. تسمى هذه الجزيئات الفريدة أنماط الجزيئية المرتبطة الممرض (PAMPs). (لأن جميع الميكروبات ، وليس فقط الميكروبات المسببة للأمراض ، تمتلك PAMPs ، يشار أحيانًا إلى الأنماط الجزيئية المرتبطة بالعوامل الممرضة على أنها أنماط جزيئية مرتبطة بالميكروبات أو MAMPs.)

جزيئات فريدة من نوعها للبكتيريا ، مثل مونومرات الببتيدوغليكان ، وأحماض تيكويك ، و LPS ، و porins ، وحمض الميكوليك ، والجليكان الغني بالمانوز ، والفلاجيلين ، هي PAMPs التي تلتزم مستقبلات التعرف على الأنماط (PRRs) على مجموعة متنوعة من خلايا الدفاع في الجسم مما يسبب لهم يصنع ويفرز مجموعة متنوعة من البروتينات تسمى السيتوكينات (def). يمكن لهذه السيتوكينات بدورها تعزيز الدفاعات المناعية الفطرية مثل الالتهاب والحمى والبلعمة. يتم تحقيق ذلك في المقام الأول عن طريق موت الخلية المبرمج الالتهابي يسمى بيروبتوسيس التي تنطوي على مجمعات بروتينية خلوية تسمى التهاب.

بيروبتوسيس (def)، هو ملف الموت الالتهابي للخلايا المضيفة يتوسطه إنزيم يسمى كاسباس 1 ويمكن أن يتم تشغيله بواسطة مجموعة متنوعة من المحفزات ، بما في ذلك الأنماط الجزيئية المرتبطة بالعوامل الممرضة (PAMPs) من الالتهابات الميكروبية ، وكذلك الأنماط الجزيئية المرتبطة بالخطر (DAMPs) الناتجة عن إصابة الأنسجة أثناء السرطان والنوبات القلبية والسكتة الدماغية. ينتج عن التحلل الحراري إنتاج السيتوكينات المنشطة للالتهابات ، وتمزق غشاء البلازما للخلية ، والإفراج اللاحق عن محتويات الخلايا المسببة للالتهابات. يلعب دور أساسي في المناعة الفطرية عن طريق تعزيز الالتهاب للسيطرة على الالتهابات الميكروبية. ومع ذلك ، في المستويات المرتفعة للغاية ، يمكن أن يسبب ضررًا كبيرًا للجسد وحتى الموت. ال يؤدي ربط PAMPs إلى PRRs أيضًا إلى تنشيط المسارات التكميلية (def) وتفعيل مسار التخثر (def).

السيتوكينات مثل عامل نخر الورم ألفا (TNF-alpha) و interleukin-1 (IL-1) و interleukin-8 (IL-8) معروفة باسم السيتوكينات الالتهابية (def) لأنهم تعزيز الالتهاب. تُعرف أيضًا بعض السيتوكينات ، مثل IL-8 ، باسم الكيماويات (def). تعمل الكيماويات على تعزيز الاستجابة الالتهابية عن طريق تمكين خلايا الدم البيضاء من مغادرة الأوعية الدموية ودخول الأنسجة المحيطة ، عن طريق جذب خلايا الدم البيضاء هذه بطريقة كيميائية إلى موقع الإصابة ، وعن طريق محفز العدلات (def) للإفراج عن عوامل القتل للقتل خارج الخلية.

كما هو مذكور في الوحدة 1 ، فإن عديد السكاريد الدهني (LPS) في الغشاء الخارجي جدار الخلية سالب الجرام (انظر الشكل ( PageIndex {1} )) يُعرف أيضًا باسم الذيفان الداخلي (def). في حين البورنز ، الجليكان الغني بالمانوز ، شظايا الببتيدوغليكان ، والسوط تعمل أيضًا كمضادات الأكسدة الحرجة.، أهم PAMP المرتبط بسالب الجرام هو LPS. تطلق البكتيريا سالبة الجرام بعض الذيفان الداخلي أثناء تكاثرها الطبيعي ولكن يتم إطلاق الذيفان الداخلي بكميات عند موت البكتيريا وتحللها. ترتبط درجة الضرر الناجم عن الذيفان الداخلي بدرجة إطلاق LPS من جدار خلية البكتيريا.

1. إن LPS ينطلق من الغشاء الخارجي لجدار الخلية سالب الجرام عادة يرتبط أولاً بالبروتين المرتبط بـ LPS يدور في الدم وهذا المركب بدوره ، يرتبط بجزيء مستقبل يسمى CD14 موجود على سطح الخلايا الدفاعية مثل البلاعم (def) والخلايا المتغصنة (def) (انظر الشكل ( PageIndex {2} )) الموجود في معظم أنسجة وأعضاء الجسم.

2. يُعتقد أن تفاعل البروتين المرتبط بـ LPS مع CD14 تعزيز قدرة المستقبلات المشابهة للرسم (def) TLR-4 (def) للرد على LPS.

3. التفاعل بين LPS و TLRs الخاصة به يطلق البلاعم لإطلاق مواد كيميائية تنظيمية دفاعية مختلفة تسمى السيتوكينات، بما فيها عامل نخر الورم ألفا (TNF-alpha) و interleukin-1 (IL-1) و interleukin-6 (IL-6) و interleukin-8 (IL-8) وعامل تنشيط الصفائح الدموية (PAF) (انظر الشكل ( PageIndex {2} )). ثم ترتبط السيتوكينات بمستقبلات السيتوكين في الخلايا المستهدفة وتبدأ استجابة التهابية (def). كما يقومون بتنشيط كلا المسارين التكميليين (def) ومسار التخثر (def) (انظر الشكل ( PageIndex {2} )).

4. ارتباط جزيئات LPS بـ TLRs الخاصة بهم على أسطح خلايا الدم البيضاء البلعمية تسمى العدلات (def) يسبب لهم ذلك الافراج عن البروتياز (def) و جذور الأكسجين السامة (def) للقتل خارج الخلية. كيموكينيس (def) مثل الإنترلوكين 8 (IL-8) يحفز القتل خارج الخلية أيضًا. بالإضافة إلى ذلك ، يحفز LPS والسيتوكينات تخليق موسع للأوعية يسمى أكسيد النيتريك.

خلال التهابات محلية طفيفة مع وجود عدد قليل من البكتيريا ، يتم تحرير مستويات منخفضة من PAMPs سالبة الجرام يؤدي إلى إنتاج معتدل السيتوكين بواسطة الخلايا الدفاعية مثل الخلايا الوحيدة (def)، البلاعم (def)، والخلايا المتغصنة (def) وبشكل عام، تعزيز الدفاع عن الجسم عن طريق تحفيز الالتهاب والحمى المعتدلة ، وتفكيك احتياطيات الطاقة لتوفير الطاقة للدفاع ، وتفعيل المسار التكميلي (def) ومسار التخثر (def)، وتحفيز الاستجابات المناعية بشكل عام (انظر الشكل ( PageIndex {2} )). أيضا نتيجة لهذه السيتوكينات ، تعميم خلايا الدم البيضاء البلعمية مثل العدلات (def) وحيدات (def) التمسك بجدران الشعيرات الدموية ، واضغط للخارج وادخل الأنسجة ، وهي عملية تسمى انقسام (def). ثم تقوم خلايا الدم البيضاء البلعمية مثل العدلات بقتل الميكروبات الغازية بالبروتياز وجذور الأكسجين السامة. سيتم تغطية هذه الدفاعات بمزيد من التفصيل في الوحدتين 5 و 6.

ومع ذلك ، خلال التهابات جهازية شديدة مع وجود أعداد كبيرة من البكتيريا ، يتم تحرير مستويات عالية من PAMPs سالبة الجرام مما يسبب إنتاج السيتوكين المفرط بواسطة خلايا الدفاع وهذا ممكن يضر الجسم (انظر الشكل ( PageIndex {3} )). بالإضافة إلى ذلك ، العدلات (def) تبدأ بإطلاق البروتياز وجذور الأكسجين السامة التي لا تقتل البكتيريا فحسب ، بل تقتل الأنسجة المحيطة أيضًا.

تأثيرات مؤذية تشمل ارتفاع في درجة الحرارة وانخفاض ضغط الدم (def)، تدمير الأنسجة ، الهزال ، متلازمة الضائقة التنفسية الحادة (ARDS) (def)، التخثر المنتشر داخل الأوعية (DIC) (def)، وتلف بطانة الأوعية الدموية. هذا يمكن أن يؤدي إلى صدمة (def)، فشل أعضاء الجهاز المتعدد (MSOF) ، والموت في كثير من الأحيان.

تمرين: أسئلة فكر - ثنائي - شارك

  1. صف الآلية التي بواسطتها البكتيريا سالبة الجرام تبدأ الاستجابة الالتهابية وتنشيط مسار التخثر والمسار التكميلي.
  2. اذكر كيف يمكن أن يكون هذا مفيدًا وضارًا للجسم.

كما رأينا سابقًا في هذه الوحدة ، يتم إطلاق مستويات مفرطة من السيتوكينات الالتهابية استجابة لعدوى جهازية ينتج عنها:

1. انخفاض حجم الدم أو نقص حجم الدم (def). يحدث هذا بسبب الأحداث التالية:

أ. القتل خارج الخلية بواسطة العدلات يضر بجدران الشعيرات الدموية ينتج عنه خروج الدم والبلازما من مجرى الدم ودخول الأنسجة المحيطة.

ب. نضوب عوامل التخثر أثناء التخثر المنتشر داخل الأوعية (DIC) يمكن أن يؤدي إلى نزيف حيث تتلف الشعيرات الدموية.

ج. توسع الأوعية لفترات طويلة ينتج عن البلازما مغادرة مجرى الدم ودخول الأنسجة المحيطة.

2. انخفاض ضغط الدم أو انخفاض ضغط الدم (def). هذا نتيجة للأحداث التالية:

أ. يؤدي توسع الأوعية لفترات طويلة إلى انخفاض مقاومة الأوعية الدموية داخل الأوعية الدموية يقلل من ضغط الدم.

ب. المستويات العالية من عامل نخر الورم ، تمنع توتر العضلات الملساء الوعائية وانقباض عضلة القلب انخفاض قدرة القلب على ضخ الدم في جميع أنحاء الجسم.

ج. نقص حجم الدم من تلف الشعيرات الدموية وتسرب البلازما والنزيف.

3. عدم القدرة على إيصال المغذيات والأكسجين لخلايا الجسم أو نقص تدفق الدم (def). هذا نتيجة للأحداث التالية:

أ. تفعيل مسار تجلط الدم يمكن أن يسبب جلطات تسمى ميكروثرومبي لتشكيل داخل الأوعية الدموية في جميع أنحاء الجسم التخثر المنتشر داخل الأوعية (DIC) أي يمنع تدفق الدم عبر الشعيرات الدموية وكما ذكرنا أعلاه ، فإن استنفاد عوامل التخثر يمكن أن يؤدي إلى نزيف في أجزاء كثيرة من الجسم.

ب. زيادة نفاذية الشعيرات الدموية نتيجة توسع الأوعية الدموية في الرئتين وكذلك إصابة الشعيرات الدموية التي يسببها العدلات في الحويصلات الهوائية يؤدي إلى التهاب حاد ، وذمة رئوية ، و فقدان تبادل الغازات في الرئتين (متلازمة الضائقة التنفسية الحادة أو ARDS). نتيجة لذلك ، فإن لا يتأكسد الدم.

ج. نقص حجم الدم يقلل من حجم الدورة الدموية ويؤدي إلى انخفاض ضغط الدم.

د. انخفاض ضغط الدم يقلل الضغط اللازم لتوصيل الدم إلى جميع أنحاء الجسم.

6. يمكن أن يؤدي نقص تدفق الدم في الكبد إلى انخفاض مستوى الجلوكوز في الدم من ضعف الكبد. الجلوكوز ضروري لإنتاج ATP أثناء تحلل السكر والتنفس الهوائي. أ يمكن أن يؤدي انخفاض مستويات الجلوكوز إلى انخفاض إنتاج ATP وعدم كفاية الطاقة لعملية التمثيل الغذائي الخلوي.

7. ال نقص الأكسجين يؤدي التسليم نتيجة لنقص تدفق الدم إلى تحول الخلايا إليه التخمير لإنتاج الطاقة. ال المنتجات النهائية الحمضية التخمير يؤدي إلى الحماض و ال درجة الحموضة الخاطئة لعمل الإنزيمات تشارك في التمثيل الغذائي الخلوي. هذا يمكن أن يؤدي إلى لا رجعة فيه موت الخلية.

بشكل جماعي ، يمكن أن يؤدي هذا إلى :

  • إقفار نهاية العضو (def) نقص التروية هو تقييد في تدفق الدم يؤدي إلى تلف أو خلل في الأنسجة أو الأعضاء.
  • فشل أعضاء الجهاز المتعدد (MSOF) (def). تبدأ العديد من الأعضاء بالفشل نتيجة لنقص تدفق الدم.
  • موت.

تسمم الدم (def) هي حالة تدخل فيها البكتيريا إلى الدم وتسبب الضرر. وفقًا للمعاهد الوطنية للصحة صحيفة وقائع الإنتان، "كل عام ، يضرب الإنتان الشديد حوالي 750.000 أمريكي. تشير التقديرات إلى أن ما بين 28 و 50 في المائة من هؤلاء يموتون - أكثر بكثير من عدد الوفيات في الولايات المتحدة بسبب سرطان البروستاتا وسرطان الثدي والإيدز مجتمعين ". تشمل العوامل المساهمة في هذا المعدل المرتفع للإنتان ما يلي:

1. شيخوخة سكان الولايات المتحدة.
2. زيادة طول العمر للأشخاص المصابين بالأمراض المزمنة.
3. زيادة عدد الإجراءات الطبية الغازية التي يتم إجراؤها.
4. زيادة استخدام الأدوية المثبطة للمناعة والعلاج الكيميائي.
5. انتشار الكائنات الدقيقة المقاومة للمضادات الحيوية.

قد يعاني الأشخاص الذين ينجون من الإنتان الشديد من تلف دائم في الرئتين أو الأعضاء الأخرى. ما يقرب من 45٪ من حالات تسمم الدم ناتجة عن البكتيريا موجبة الجرام ، و 45٪ نتيجة للبكتيريا سالبة الجرام ، و 10٪ بسبب الفطريات (خاصة الخميرة) الكانديدا). العديد من حالات تسمم الدم هذه الالتهابات المرتبطة بالرعاية الصحية (HAIs) (def).

الأمثلة الأخرى للضرر الناجم عن PAMPs سالبة الجرام هي سالبة الجرام التهاب السحايا الجرثومي (def) و التهاب رئوي. تؤدي نفس الأحداث الالتهابية إلى تأثيرات متطابقة في الدماغ ويؤدي انخفاض توصيل الأكسجين والجلوكوز إلى خلايا الدماغ إلى تلف الأنسجة الدماغية وموتها. عندما تدخل البكتيريا سالبة الجرام الحويصلات الهوائية (def) من الرئتين وتتحلل بواسطة المضادات الحيوية أو دفاعات الجسم ، ترتبط PAMPs البكتيرية سالبة الجرام بالمستقبلات الموجودة على الخلايا البطانية ، والظهارة السنخية ، والكريات البيض مما يتسبب في إطلاق TNF-alpha و Il-1 والكيموكينات. يؤدي هذا إلى زيادة نفاذية الأوعية الدموية التي تمكن السوائل المصلية وخلايا الدم الحمراء والكريات البيض من دخول المساحات الهوائية للرئة حيث يحدث تبادل الغازات. هذا يمنع التبادل الطبيعي للغازات ويغرق الشخص في السوائل المصلية الخاصة به (def).

تشمل البكتيريا سالبة الجرام المهمة طبيًا مسببات الأمراض التقليدية مثل النيسرية السحائية (inf), السالمونيلا (inf), النيسرية البنية (انظر الصورة المجهرية) (inf)، و هيموفيلوس انفلونزا اكتب ب (inf).

بالإضافة إلى ذلك ، فإن العديد من الجراثيم المعوية سالبة الجرام مثل الإشريكية القولونية ، المتقلبة ، كليبسيلا ، الأمعائية, Serratia و Pseudomonas aeruginosa هي المسؤولة عن مجموعة متنوعة من العدوى الانتهازية (inf) بما في ذلك التهابات المسالك البولية والتهابات الجروح والالتهاب الرئوي وتسمم الدم. تدين هذه البكتيريا بالكثير من الأضرار التي تلحقها بـ LPS.

هذه العصيات سالبة الجرام سالبة الجرام الطبيعية (جنبًا إلى جنب مع البكتيريا موجبة الجرام مثل المكورات العنقودية الذهبية و المكورات المعوية البرازية) من بين الأسباب الأكثر شيوعًا لـ الالتهابات المرتبطة بالرعاية الصحية (HAIs) (def). أكثر أنواع البكتيريا سالبة الجرام شيوعًا المسببة لـ HCIs هي الإشريكية القولونية, الزائفة الزنجارية, المعوية الأنواع و الكلبسيلة الرئوية. بشكل جماعي ، شكلت هذه البكتيريا الأربعة 32٪ من جميع أنواع HAIs في الولايات المتحدة بين عامي 1990 و 1996. هناك أكثر من مليوني إصابة في المستشفيات سنويًا في الولايات المتحدة.

وفقًا لموقع الويب الخاص بالعدوى المرتبطة بالرعاية الصحية التابع لمراكز السيطرة على الأمراض والوقاية منها (CDC) ، "في المستشفيات الأمريكية وحدها ، تمثل العدوى المرتبطة بالرعاية الصحية ما يقدر بنحو 1.7 مليون إصابة و 99000 حالة وفاة مرتبطة سنويًا. من بين هذه الإصابات:

  • 32 في المائة من جميع العدوى المرتبطة بالرعاية الصحية هي التهابات المسالك البولية
  • 22 في المئة من التهابات موقع الجراحة
  • 15 في المائة مصابون بالالتهاب الرئوي (التهابات الرئة)
  • 14 في المائة من عدوى مجرى الدم "

مقال Medscape عن العدوى المرتبطة بالكائنات الحية المذكورة في كائن التعلم هذا. التسجيل للوصول إلى هذا الموقع مجاني.

  • النيسرية البنية
  • النيسرية السحائية
  • السالمونيلا محيط
  • الإشريكية القولونية
  • بروتيوس محيط
  • كليبسيلا محيط
  • المعوية محيط
  • سيراتيا محيط
  • الزائفة الزنجارية

ملخص

  1. تشمل PAMPs المرتبطة بالبكتيريا سالبة الجرام LPS (الذيفان الداخلي) و porins في الغشاء الخارجي ، وشظايا الببتيدوغليكان ، والسكريات الغنية بالمانوز ، و فلاجيلين.
  2. ما يقرب من 45٪ من حالات تسمم الدم ناتجة عن البكتيريا سالبة الجرام.
  3. تشمل البكتيريا سالبة الجرام المهمة طبيًا مسببات الأمراض التقليدية مثل النيسرية السحائية ، والسالمونيلا ، والنيسرية البنية ، والنزلة النزفية من النوع ب.
  4. العديد من الجراثيم المعوية سالبة الجرام مثل Escherichia coli و Proteus و Klebsiella و Enterobacter و Serratia و Pseudomonas aeruginosa مسؤولة عن مجموعة متنوعة من الالتهابات الانتهازية بما في ذلك التهابات المسالك البولية والتهابات الجروح والالتهاب الرئوي وتسمم الدم.
  5. أكثر أنواع البكتيريا سالبة الجرام شيوعًا المسببة للعدوى المرتبطة بالرعاية الصحية (HAIs) هي الإشريكية القولونية ، والزائفة الزنجارية ، وأنواع البكتيريا المعوية ، والكلبسيلا الرئوية. بشكل جماعي ، شكلت هذه البكتيريا الأربعة 32٪ من جميع حالات عدوى المستشفيات في الولايات المتحدة.

أسئلة

يذاكر المواد في هذا القسم وبعد ذلك اكتب الاجابات لهذه الأسئلة. لاتفعل فقط اضغط على الإجابات واكتبها. هذا لن يختبر فهمك لهذا البرنامج التعليمي.

  1. اذكر ما هو المقصود بالسموم الداخلية وأين يوجد عادة. (الجواب)
  2. تحديد العدوى المرتبطة بالرعاية الصحية وتسمية 3 بكتيريا سالبة الجرام الشائعة التي تسبب عدوى المتعمقة بالرعاية الصحية. (الجواب)
  3. لقد تعلمنا للتو أنه أثناء الإصابة الشديدة بسلبية الجرام ، يمكن أن يرتبط LPS من جدار الخلية سالب الجرام بالبلاعم مما يتسبب في إطلاقها للكيموكينات والسيتوكينات وهذا ما قد يؤدي بعد ذلك إلى سلسلة الصدمات المميتة في كثير من الأحيان. لماذا يطور جسم الإنسان آلية لربط LPS بالبلاعم إذا كان من المحتمل أن يكون ضارًا؟ (الجواب)
  4. متعدد الخيارات (الجواب)

يمكن الإشارة إلى هذه الجزيئات على أنها عناصر جزيئية صغيرة محفوظة داخل فئة من الميكروبات. يتم التعرف عليها من خلال مستقبلات تشبه الرسوم (TLRs) ومستقبلات التعرف على الأنماط الأخرى (PRRs) في كل من النباتات والحيوانات. مجموعة واسعة من أنواع مختلفة من الجزيئات يمكن أن تكون بمثابة PAMPs ، بما في ذلك glycans و glycoconjugates. تنشط PAMP الاستجابات المناعية الفطرية ، وتحمي المضيف من العدوى ، عن طريق تحديد بعض الجزيئات غير الذاتية المحفوظة. تعتبر عديدات السكاريد الدهنية البكتيرية (LPSs) ، وهي السموم الداخلية الموجودة في أغشية الخلايا للبكتيريا سالبة الجرام ، فئة نموذجية من PAMPs. يتم التعرف على LPSs على وجه التحديد بواسطة TLR4 ، مستقبل التعرف على جهاز المناعة الفطري.

استمر في تعلم تفسيرات علم الأحياء

ما هي الحمى؟

الحمى هي ارتفاع في درجة حرارة الجسم عن المعدل الطبيعي. يمكن أن تختلف درجة الحرارة العادية من شخص لآخر.

ما هو النمط النووي؟

النمط النووي هو عدد الكروموسومات وظهورها في نواة خلية حقيقية النواة. عندما تكون الكروموسومات.

ما هو Etiolation؟

Etiolation هو عملية في النباتات المزهرة التي تزرع في غياب جزئي أو كامل للضوء. يتميز بامتداد طويل.

ما هو جزء اوكازاكي؟

يحدث تكرار الحمض النووي على كل من الخيوط مما يعني أن كلا الخيطين يعملان كقوالب للتوليف على أنه الجديد.

ما هو حمض الأبسيسيك؟

ABA لها وظائف عديدة. يمنع النمو ، ويعزز إغلاق الفم أثناء إجهاد الجفاف ، ويعزز سكون البذور ويمنع الإنبات المبكر ، ويعزز.

ما هو القياس؟

في علم الأحياء ، يُطلق على التشابه في الوظيفة والتشابه السطحي للبنى التي لها أصول مختلفة التشابه. على سبيل المثال ، ملف.


الكشف عن إطلاق dsDNA البكتيري في العصارة الخلوية المضيفة باستخدام الفحص المجهري الفلوري

يعتمد التعرف على مسببات الأمراض من قبل الجهاز المناعي الفطري على مستقبلات التعرف على الأنماط المشفرة بالخط الجرثومي (PRRs) التي تتعرف على الجزيئات الميكروبية الفريدة ، ما يسمى بالأنماط الجزيئية المرتبطة بمسببات الأمراض (PAMPs). الأحماض النووية ومشتقاتها هي واحدة من أهم مجموعات PAMPs ، ويتم التعرف عليها من قبل عدد من PRRs المرتبطة بالسطح وكذلك العصارة الخلوية. يتعرف Cyclic GMP-AMP synthase (cGAS) على وجود dsDNA المشتق من العامل الممرض أو المضيف في العصارة الخلوية ويبدأ إنتاج النوع I-IFN. هنا ، نصف منهجية تسمح بتقييم ارتباط cGAS مع dsDNA البكتيري الذي تم إصداره أثناء عدوى Francisella novicida من الضامة ، عن طريق الفحص المجهري متحد البؤر مضان. يمكن تكييف هذه الطريقة لدراسة الاستجابات المعتمدة على cGAS التي تثيرها مسببات الأمراض البكتيرية داخل الخلايا وأنواع الخلايا الأخرى.

الكلمات الدالة: F. novicida الإسفار (كنفوكل) المجهري المناعة الفطرية cGAS dsDNA.


فهم الأنماط الجزيئية المرتبطة بالبكتيريا (PAMPs) ونمط التعرف على الجزيئات (PRMs)

الأنماط الجزيئية المرتبطة بالعوامل الممرضة (PAMPs) هي مكونات هيكلية مشتركة لمجموعة معينة من العوامل الممرضة أو عوامل الأمراض المعدية. غالبًا ما تكون PAMPs جزيئات كبيرة وتشمل السكريات ، والبروتينات ، والأحماض النووية ، أو حتى الدهون. يعتبر عديد السكاريد الدهني (LPS) لجدار الخلية البكتيرية سالبة الجرام مثالًا ممتازًا على PAMP. يعتبر التفاعل بين PAMPs و PRMs المضيفة مكونات أساسية للاستجابة المناعية الفطرية. تتفاعل PRMs مع PAMPs التي تشترك فيها مسببات الأمراض المختلفة ، وتنشط المكملات والبلعمات لاستهداف وتدمير مسببات الأمراض. تبدأ هذه التفاعلات شلالات تحويل الإشارة التي تنشط خلايا المستجيب في المضيف.

انقر هنا لشراء دفتر النصوص الميكروبيولوجي العام

جزيئات التعرف على الأنماط (PRMs) هي مجموعة من البروتينات المضيفة القابلة للذوبان والمرتبطة بالغشاء والتي تتفاعل مع PAMPs. إن PAMP المعترف به من قبل لكتين مانان الملزم هو مانوز السكر ، الموجود كوحدة فرعية متكررة في السكريات البكتيرية (لا يمكن الوصول إلى مانوز على خلايا الثدييات من لكتين مانان الملزم). المكملات ترتبط بمجموعة متنوعة من مكونات سطح الخلية المسببة للأمراض. بروتين سي التفاعلي ، PRM آخر ، هو بروتين طور حاد ينتجه الكبد استجابة للالتهاب. يتفاعل البروتين التفاعلي C مع جزيئات الفسفوريلكولين الكبيرة لجدران الخلايا البكتيرية الموجبة لصبغة جرام. تستهدف جميع PRMs PAMPs السطحية الممرضة ، مما يؤدي إلى تحلل الخلية المستهدفة أو طمسها.

تم العثور على PRMs المحفوظة تطوريًا والمرتبطة بالغشاء على أسطح البلاعم ، والخلايا الأحادية ، والخلايا المتغصنة ، والعدلات. تبدأ هذه الخلايا بالبلعمة (ابتلاع وتدمير العامل الممرض). تم التعرف على PRMs لأول مرة في ذبابة الفاكهة (ذبابة الفاكهة) ، حيث كانت تسمى مستقبلات تول. تسمى المتماثلات الهيكلية والوظيفية والتطورية لمستقبلات تول المستقبلات الشبيهة بالرصد (TLRs)، يتم التعبير عنها على نطاق واسع في الخلايا البلعمية في الثدييات. . ما لا يقل عن تسعة (9) مستقبلات TLRs في البشر تتفاعل مع مجموعة متنوعة من سطح الخلية و PAMPs القابلة للذوبان من الفيروسات والبكتيريا والفطريات.

تتفاعل عدة TLRs مع أكثر من PAMP. على سبيل المثال ، TLR-4 هو جزء من الاستجابة المناعية الفطرية لـ LPS سالب الجرام ويستجيب أيضًا لجزيء استجابة مضيف يسمى بروتين الصدمة الحرارية. لا يتفاعل LPS ولا بروتين الصدمة الحرارية بشكل مباشر مع TLR-4 ، بل يتفاعل عبر بروتين مستقبل يتفاعل بدوره مع TLR-4. في حالات أخرى ، ترتبط TLR مباشرة بـ PAMP ، كما هو الحال بالنسبة للمستقبل TLR-5 وهدفه ، فلاجيلين. يؤدي تفاعل PAMP مع TLR إلى حدوث حدث نقل إشارة عبر الغشاء ، ويبدأ نسخ الحمض النووي الذي يؤدي إلى تخليق بروتينات معينة وتنشيط الخلايا البالعة. يمكن أن يؤدي التنشيط إلى زيادة البلعمة وقتل مسببات الأمراض أو المساهمة في الالتهاب.

ذبابة الفاكهة مستقبلات Toll - استجابة قديمة للعدوى

تفتقر الكائنات متعددة الخلايا مثل اللافقاريات والنباتات إلى المناعة التكيفية ولكن لديها استجابة فطرية متطورة جيدًا لمجموعة متنوعة من مسببات الأمراض. استجابة ذبابة الفاكهة لمسببات الأمراض. ذبابة الفاكهة سوداء البطن (شكل 1) قد قدم نظرة ثاقبة لآليات المناعة الفطرية في العديد من المجموعات الأخرى من الكائنات الحية. العديد من البروتينات اللازمة لتطوير ذبابة الفاكهة هي أيضًا مستقبلات مهمة للتعرف على البكتيريا الغازية ، وتعمل مثل PRMs التي تتفاعل مع PAMPs على الجزيئات الكبيرة التي ينتجها العامل الممرض. أفضل مثال على PRM هو ذبابة الفاكهة تول ، وهو بروتين عبر الغشاء يشارك في تكوين المحور الظهري البطني وكذلك في الاستجابة المناعية الفطرية للذباب.

شكل 1. ذبابة الفاكهة سوداء البطن، ذبابة الفاكهة الشائعة.

تبدأ إشارات المناعة المناعية عن طريق تفاعل العامل الممرض أو مكوناته مع بروتين تول المعروض على سطح الخلايا البالعة. ذبابة الفاكهة ومع ذلك ، لا يتفاعل Toll مباشرة مع العامل الممرض. تبدأ أحداث تحويل الإشارة بربط PAMP مثل عديد السكاريد الدهني (LPS) للبكتيريا سالبة الجرام بواسطة واحد أو أكثر من البروتينات الإضافية. ثم يرتبط مجمع البروتين LPS-accessory بـ Toll. يبدأ بروتين Toll المدمج في الغشاء سلسلة تحويل الإشارة ، وينشط عامل النسخ النووي ويحث على نسخ العديد من الجينات التي تشفر الببتيد المضاد للميكروبات. تشمل عوامل النسخ المرتبطة بالتحصيل التعبير عن الببتيدات المضادة للميكروبات ، بما في ذلك drosomycin ، الببتيد المضاد للفطريات ، diptericin ، النشط ضد البكتيريا سالبة الجرام ، و defensin ، النشط ضد البكتيريا موجبة الجرام.

تنتج الببتيدات في الجسم الدهني الشبيه بالكبد ذبابة الفاكهة، يتم إطلاقها في الدورة الدموية للذبابة حيث تتفاعل مع الكائن المستهدف وتسبب تحلل الخلايا. من الناحية الهيكلية ، ترتبط بروتينات تول بالليكتين ، وهي مجموعة من البروتينات الموجودة في جميع الكائنات الحية متعددة الخلايا تقريبًا ، بما في ذلك الفقاريات والنباتات. تتفاعل الليكتين بشكل خاص مع مونومرات قليلة السكاريد. في البشر ، تتفاعل المستقبلات الشبيهة بالرصد (TLRs) مع مجموعة متنوعة من PAMPs. كما هو الحال مع دروفسيلا يوفر TLR-4 البشري حصانة فطرية ضد البكتيريا سالبة الجرام من خلال التفاعلات غير المباشرة مع LPS ، وبدء سلسلة إشارات كيناز وتفعيل عامل النسخ النووي NFƙB. ينشط NFƙB نسخ السيتوكينات وبروتينات البلعمة الأخرى المشاركة في استجابة المضيف.

ذبابة الفاكهة Toll هو سلف وظيفي وتطوري وبنيوي للمستقبلات الشبيهة بـ Toll في الفقاريات العليا ، بما في ذلك البشر. تول ومثيلاتها هي مكونات قديمة من الناحية التطورية ومحفوظة للغاية لجهاز المناعة الفطري في الحيوانات وقد تم العثور عليها في النباتات.


التعرف الباثولوجي في المناعة الفطرية

إن ذخيرة PRR واسعة النطاق للغاية ، وبالمثل ، فإن فئات مسببات الأمراض التي تتعرف عليها PRR متنوعة للغاية. السمة المركزية للتعرف الفطري على العوامل الممرضة هي أن الميكروبات ذات التركيب الكيميائي الحيوي المختلف تمامًا مع دورات حياة مختلفة تمامًا يتم التعرف عليها من خلال آليات مماثلة نسبيًا بواسطة PRRs المضيفة (7). علاوة على ذلك ، من الخصائص المهمة لهذا النظام أنه لا يتم استشعار فئة واحدة من العوامل الممرضة بنوع واحد فقط من PRR. بدلاً من ذلك ، يتم إشراك عدد من PRRs المختلفة بواسطة عامل ممرض معين عبر PAMPs المختلفة ، وبالتالي تأمين استجابة التهابية سريعة وقوية ويسمح أيضًا ببعض خصوصية الاستجابة.

الفيروسات

يمكن أن تتراوح نتيجة تنشيط PRR بوساطة الفيروس من الاستجابة المضادة للفيروسات التي تزيل العدوى بكفاءة إلى إنشاء بيئة خلوية تفضل تكاثر الفيروس وانتشاره (261). تمتلك الفيروسات العديد من PAMPs المتنوعة هيكليًا ، بما في ذلك البروتينات السكرية السطحية ، والحمض النووي ، وأنواع الحمض النووي الريبي (261). قد تكون هذه النيوكليوتيدات المحفزة للمناعة موجودة في الفيروس المصاب أو قد يتم إنتاجها أثناء تكاثر الفيروس ، ويمتلك المضيف نطاقًا واسعًا من مجسات النوكليوتيدات الفيروسية. في حين يتم التعرف على الحمض النووي الفيروسي بواسطة TLR9 و DAI ، يتم اكتشاف ssRNA بواسطة TLR7 و TLR8 ، وأخيراً ، يقوم dsRNA و 5 & # x02032-triphosphate RNA بتنشيط RLRs و TLR3 و PKR (261). علاوة على ذلك ، يتم التعرف على العديد من البروتينات السكرية الفيروسية بواسطة TLR2 و TLR4 (7 ، 261). على سبيل المثال ، ينشط بروتين الاندماج من RSV TLR4 (199) ، بينما يتم تنشيط TLR2 بواسطة فيروسات أو مكونات فيروسية مختلفة ، بما في ذلك هيماجلوتينين لفيروس الحصبة والفيروس المضخم للخلايا وفيروس الهربس البسيط (HSV) (35 ، 60 ، 198). يتم سرد أمثلة بارزة على PAMPs الفيروسية والتعرف عليها بواسطة PRRs في الجدول & # x200B الجدول 1 ، 1 ، ويرد أدناه وصف أكثر تفصيلاً للتعرف على HSV.

HSV هو فيروس DNA مغلف مع النوعين الفرعيين المرتبطين ارتباطًا وثيقًا HSV-1 و HSV-2. يمكن أن يسبب هذا العامل الممرض البشري المهم أمراضًا مختلفة تتراوح من مرض خفيف نسبيًا ، كما في حالة التهاب اللثة ، والهربس الشفوي ، والهربس التناسلي ، إلى الالتهابات الشديدة والمميتة ، بما في ذلك التهاب الدماغ والتهاب السحايا وعدوى الهربس الوليدي (305). أثناء عدوى فيروس الهربس البسيط ، تعمل آليات متعددة للتعرف على العوامل الممرضة ، اعتمادًا على نوع الخلية ومرحلة دورة تكاثر الفيروس (301). أولاً ، تتفاعل فيريونات HSV أو البروتينات السكرية السطحية virion مع TLR2 على سطح الخلية (198). على الرغم من أنه لا يزال يتعين تحديد الطبيعة الجزيئية لناهض TLR2 ، فقد ثبت أن تنشيط TLR2 بواسطة HSV يؤدي إلى إنتاج السيتوكين (19) ويلعب دورًا بارزًا في أمراض المناعة المرتبطة بـ HSV-1 من خلال المساهمة في التهاب الدماغ المميت في الفئران (198) ). استجابة مبكرة أخرى أثارها جسيم الفيروس القادم هي استجابة قوية من النوع الأول IFN ، والتي يسببها الحمض النووي الفيروسي ويتوسطها TLR9 (194 ، 220 ، 301). هذه الاستجابة مستقلة عن التكاثر الفيروسي ولكنها خاصة بنوع الخلية وتقتصر على البلدان النامية البلازمية (pDCs) (127 ، 301). من المثير للاهتمام أن التعرف على الحمض النووي الفيروسي يعتمد على الموقع الداخلي للمستقبل TLR9 ، مما يشير إلى أن تحلل الفيروس في هذه الحجرة قد يكون مطلوبًا حتى يصبح الحمض النووي متاحًا للمستقبل TLR9 (30).

تم اقتراح مشاركة أنظمة التعرف المستقلة عن TLR في الاستجابة المبكرة لعدوى فيروس الهربس البسيط من قبل العديد من التقارير الفردية (127 ، 223 ، 301) ودعمها بشكل أكبر ببيانات في الجسم الحي توضح أن الفئران التي تفتقر إلى TLR9 أو جين الاستجابة الأولية للتمايز النخاعي 88 لا يزال بإمكان (MyD88) التحكم في عدوى فيروس الهربس البسيط (194). لذلك قد تحتوي أنواع الخلايا الأخرى غير pDCs على مستقبلات مستقلة عن TLR والتي تمارس استجابات فعالة مضادة للفيروسات لاحقًا أثناء الإصابة (127 ، 259 ، 301). في الواقع ، أظهرت دراسة حديثة تورط RLRs في إنتاج IFN من النوع I الذي يسببه HSV ، والذي تم إلغاؤه في الخلايا الليفية غير القادرة على إرسال الإشارات من خلال هذا المسار (301). وهذا يتفق مع الاكتشاف الأخير الذي يفيد بأن الرنا المزدوج الجديلة يتراكم في السيتوبلازم أثناء إصابة الخلايا المسموحة بفيروسات الحمض النووي ، بما في ذلك فيروس الهربس البسيط ، وبالتالي يمثل رابطًا محتملاً لمستقبلات الحمض النووي الريبي الخلوي (380). جزيء استشعار dsRNA بديل أثناء عدوى HSV هو PKR ، والذي تورط في تنشيط NF الناجم عن HSV - & # x003baB وإنتاج IFN في العديد من الدراسات ، على الرغم من عدم وجود pDCs بشكل أساسي. (223 ، 353). أخيرًا ، تم اقتراح دور لبروتينات استشعار الحمض النووي مثل DAI من خلال البيانات التي توضح أن إنتاج IFN المعتمد على الدخول يتطلب وجود الحمض النووي الجيني الفيروسي ويستمر من خلال آلية مستقلة عن TLRs والتكاثر الفيروسي (301). بشكل جماعي ، يتم اكتشاف فيروس الهربس البسيط من خلال أنظمة التعرف الخلوي المتعددة ، والتي تعمل بطريقة تعتمد على نوع الخلية والوقت لتحفيز استجابة مضادة للفيروسات.

البكتيريا موجبة الجرام

تتكون جدران خلايا البكتيريا موجبة الجرام أساسًا من الببتيدوغليكان المكون من سلاسل سكر خطية متناوبة ن- أسيتيل جلوكوزامين و ن- حمض الأسيتيل موراميك ، مرتبط بشكل متقاطع بواسطة جسور الببتيد لتشكيل بنية جزيئية كبيرة تحيط بالغشاء السيتوبلازمي (9). تشمل المكونات الهامة الأخرى حمض الجليكوليبيد الدهني المثبت في الغشاء السيتوبلازمي وكذلك البروتينات الدهنية المضمنة في جدار الخلية البكتيرية (9). كما تم وصفه سابقًا ، يلعب TLR2 دورًا رئيسيًا في اكتشاف البكتيريا موجبة الجرام من خلال التعرف على PAMPs لجدار الخلية ، بما في ذلك حمض الليبوتيكويك والبروتينات الدهنية والببتيدوغليكان (328 ، 395) ، على الرغم من أن التعرف على الببتيدوغليكان بواسطة TLR2 لا يزال مثيرًا للجدل بسبب احتمال التلوث بالسموم الداخلية (366). تم إثبات أهمية TLR2 في دفاع المضيف ضد البكتيريا موجبة الجرام من خلال الدراسات التي أجريت على الفئران التي تعاني من نقص TLR2 ، والتي أظهرت قابلية متزايدة للتحدي باستخدام العقدية الرئوية و المكورات العنقودية الذهبية مقارنة بالفئران البرية (80 ، 224 ، 359). بالإضافة إلى ذلك ، يمثل CpG DNA البكتيري PAMP مهمًا للبكتيريا موجبة الجرام ويتم التعرف عليه بواسطة TLR9 (121). من أجل تحقيق استجابة التهابية قوية ، فإن البكتيريا الموجبة للجرام قادرة أيضًا على تحفيز PRRs العصاري الخلوي ، بما في ذلك NOD2 و NALP1 الالتهابي ، وكلاهما يتم تنشيطه بواسطة MDP المشتق من الببتيدوغليكان (102) (85). تم سرد المزيد من الأدلة حول دور PRRs في الحماية من العدوى البكتيرية إيجابية الجرام في الجدول & # x200B الجدول 1 1 والمقدمة أدناه في وصف التعرف على PRR بوساطة الرئوية الرئوية.

طيف الأمراض التي تسببها الرئوية الرئوية متنوع ، مع أمراض المكورات الرئوية الغازية مثل الالتهاب الرئوي والإنتان والتهاب السحايا تمثل عبئًا كبيرًا من المرض في كل من البلدان النامية والمتقدمة (192). الرئوية الرئوية يتمتع بالعديد من PAMPs ، وربما بسبب ارتفاع معدل الإصابة والوفيات والمراضة المرتبطة بأمراض المكورات الرئوية ، تمت دراسة التعرف على هذا العامل الممرض على نطاق واسع (192). كما هو الحال بالنسبة للبكتيريا موجبة الجرام ، يتم تنشيط TLR2 بواسطة مكونات جدار الخلية الببتيدوغليكان وحمض الليبوتيكويك (262 ، 327 ، 395). علاوة على ذلك ، تشير بعض البيانات إلى أن عامل الضراوة المهم pneumolysin قد يحفز TLR4 ، ولكن يوجد جدل حول أهمية TLR4 في الاستجابة المناعية للمكورات الرئوية (40 ، 222 ، 262). أظهرت الدراسات التي أجريت باستخدام مستحضرات المكورات الرئوية الحية تنشيط كل من TLR2 و TLR9 في المختبر ، بينما لم يساهم TLR4 بشكل كبير في إنتاج السيتوكينات المسببة للالتهابات (262). تؤكد هذه النتائج على قوة استخدام مستحضرات لكائنات حية كاملة ، والتي تبدو في العديد من السياقات أكثر صلة من الناحية الفسيولوجية (258 ، 262 ، 263) ، على الرغم من أنها على حساب الخصوصية في التوصيف الجزيئي لتفاعلات PAMP-TLR. يتم دعم أهمية TLR9 في توليد استجابة التهابية للمكورات الرئوية من خلال الكشف عن التنشيط المناعي المتبقي الموجود في الفئران مزدوجة الضربة القاضية TLR2 / TLR4 (123). تم الحصول على مزيد من الأدلة على تورط TLR9 من الدراسات التي أجريت على الفئران التي تعاني من نقص TLR9 والتي أظهرت زيادة التعرض لعدوى الجهاز التنفسي بالمكورات الرئوية ، والتي تُعزى إلى ضعف امتصاص المكورات الرئوية وقتلها بواسطة البلاعم (10). أخيرًا ، تم إثبات أن بروتينات NOD تتعرف على الخلايا الرئوية الرئوية وبالتالي لتمثيل مستقبلات المناعة الفطرية عصاري خلوي لهذا الكائن الحي (281).

البكتيريا سالبة الجرام

يحتوي جدار الخلية البكتيرية سالبة الجرام على طبقة رقيقة من الببتيدوغليكان المجاورة للغشاء السيتوبلازمي وغشاء خارجي يتكون من LPS و phospholipids والبروتينات. LPS, which is also termed endotoxin, is composed of an O-linked polysaccharide attached to the lipid A moiety via the core polysaccharide and for most bacteria is crucial for viability (11). LPS, and in particular the lipid A portion, is a prominent feature of gram-negative bacteria, being one of the most potent PAMPs known and responsible for the inflammatory response observed during endotoxic shock (7, 367). Lipid A has a mono- or biphosphorylated disaccharide backbone acetylated with fatty acids, and the levels of both phosphorylation and acylation determine the immunostimulatory potency of lipid A and LPS (9). Different bacteria produce structurally different lipid A and LPS molecules with various phosphorylations, numbers of acyl chains, and fatty acid compositions, which can profoundly affect bacterial virulence and immunogenicity and thus constitute one of the determinants of whether a bacterial strain is pathogenic or nonpathogenic (24). LPS liberated from gram-negative bacteria associates with the extracellular acute-phase protein LPS-binding protein and then binds to the coreceptor CD14 expressed at the cell surface. This event allows transfer of LPS to the accessory molecule MD2, which is associated with the extracellular domain of TLR4, and is followed by TLR4 oligomerization and signaling (7). Accordingly, C3H/HeJ mice with nonfunctional TLR4 display impaired LPS responses and are highly susceptible to infection with gram-negative bacteria, such as Neisseria meningitidis و السالمونيلا المعوية serotype Typhimurium (296).

Furthermore, many gram-negative bacteria are simultaneously recognized by several PRRs in addition to TLR4 for instance, peptidoglycan and bacterial membrane proteins also stimulate TLR2 (88, 234, 328). Flagellin, being part of some gram-negative bacteria, is a strong activator of TLR5 (118) as demonstrated in experimental models of infection with السالمونيلا محيط، Legionella pneumophila، و الإشريكية القولونية (15, 115, 335), and this potent PAMP also activates the Ipaf inflammasome (249). Increasing evidence suggests that TLR9 activation by unmethylated CpG DNA derived from bacterial genomes also plays an important role during infection with gram-negative bacteria, frequently in cooperation with other PRRs (26, 262). Finally, peptidoglycan derivatives of gram-negative bacteria are recognized in the cytosol by NOD1 and NOD2 (53, 102).

A complex pattern of TLR activation by a single microbe is illustrated by the gram-negative bacterium N. meningitidis, which is recognized by three different TLRs, namely, TLR2, -4, and -9 (262). N. meningitidis is responsible for conditions ranging from colonization of the nasopharynx to chronic meningococcemia or severe acute diseases, including fulminant meningococcal meningitis and sepsis (82, 307). During initial studies involving purified bacterial components from N. meningitidis, the activation of TLR2 by the outer membrane protein porin (234) as well as recognition of meningococcal lipooligosaccharide (LOS) by TLR4 was established (403). Different strains of N. meningitidis produce structurally different LOSs exhibiting varied biological activity (297), and this may be reflected in differences in the ability to induce TLR4-mediated inflammatory signaling and hence in bacterial pathogenicity (7, 263). Studies using preparations of live N. meningitidis have confirmed the involvement of TLR2 and TLR4 and additionally have established a role for TLR9 in the proinflammatory response induced by N. meningitidis (262). Moreover, it was demonstrated that only live as opposed to heat-inactivated meningococci are able to activate TLR9 (262). Meningococci have mechanisms to enter into cellular endocytic vacuoles (343), where TLR9 is also located, and this mechanism may be dependent on bacterial viability, thus possibly explaining why TLR9 activation by meningococcal DNA was observed only when cells were infected with live bacteria (262). An important role of TLR9 in vivo was recently described in a murine model of meningococcal sepsis, in which TLR9-deficient mice displayed reduced survival and elevated levels of bacteremia (336a). At the cellular level, reduced signaling to NF-㮫 and diminished expression of cytokines was observed in pDCs but not macrophages and bone marrow-derived DCs (336a). Collectively, these studies analyzing immune recognition of N. meningitidis demonstrate the utilization of several TLRs to recognize a pathogen and initiate an inflammatory response. Theoretically, such a strategy may enhance the immune response by engaging TLRs on multiple cell types and in a sequential manner, thus inducing a synergistic response and possibly avoiding immune evasion by the pathogen (26, 262).

الفطريات

The original observation of Toll-deficient ذبابة الفاكهة being highly susceptible to fungal infection indicated that mammalian TLRs may also play a role in antifungal immunity (211). In addition to innate receptors such as dectin-1, pentraxin, mannose receptors, and scavenger receptors, TLR2 and TLR4 have been implicated in innate immune responses toward important fungal pathogens, such as المبيضات البيض, Aspergillus fumigatus, Cryptococcus neoformans، و Pneumocystis jirovecii (304), and several PAMPs located in the cell wall or at the cell surface of these fungi have been defined (Fig. ​ (Fig.3.) 3 .) First, the yeast cell wall particle zymosan activates TLR2/6 heterodimers (287), whereas C. albicans-derived mannan is detected by TLR4 (271, 352). TLR2 is also activated by phospholipomannan from C. albicans (161) and by β-glycan, the latter of which is a component of many fungal pathogens, including C. albicans و P. jirovecii (97, 210). In contrast, TLR4 is the receptor for glucuronoxylomannan, the major capsular polysaccharide from C. neoformans (333). An important contribution to the understanding of antifungal immunity was provided by Underhill et al., by their observation that TLR2 is specifically recruited to phagosomes containing fungi (371). Thus, two different classes of innate immune receptors cooperate in a process whereby phagocytic receptors, such as the mannose receptor, mediate particle internalization, after which TLRs trigger an inflammatory response (371). Subsequent studies by the same group demonstrated enhancement of TLR2-mediated NF-㮫 activation by dectin-1, a lectin receptor on macrophages responsible for phagocytosis of various fungi (42, 96). More recent evidence support a central role of dectin-1 in recognition of β-glycan-containing structures, including zymosan, A. fumigatus، و C. albicans (104, 248). Thus, close cooperation between TLRs and other innate immune receptors seems to be a very elaborate theme in antifungal immunity.

Protozoa

The role of PRRs during infection with protozoan pathogens is less well described than in the case of viruses and bacteria, although evidence is now accumulating, and the general principles appear to be similar to the ones described for other classes of pathogens (98). Major PAMPs identified in protozoa include glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchors (14), which activate TLR2 and TLR4, as well as unmethylated DNA activating TLR9 (69, 98). In addition, it was originally suggested that the malaria pigment hemozoin, which represents a heme degradation product, stimulates TLR9 (58). However, a subsequent study demonstrated that hemozoin per se is immunologically inert but is coated with malarial DNA and enhances innate recognition through TLR9 by targeting DNA to the endosome (288). The intracellular protozoan التوكسوبلازما causes asymptomatic infection in normal hosts but can be fatal in immunocompromised individuals, particularly in the absence of IL-12 production (73). للإستجابة ل T. gondii infection, IL-12 is produced through a mechanism dependent on MyD88 (188, 319), hence suggesting the involvement of TLRs in recognition of this parasite. Studies further addressing this issue have now confirmed that this is indeed the case, since TLR2 and TLR4 are activated by GPIs derived from T. gondii (70). Finally, the potent IL-12 inducer profilin-like protein from T. gondii tachyzoites is recognized by murine TLR11 (390), a nonfunctional TLR in humans (7).


6.1B: Gram-Negative Bacterial PAMPs - Biology

Innate sensing of vita-PAMPs, signatures of microbial viability

What are vita-PAMPs?

We discovered that the innate immune system can detect and respond to microbial viability, the quintessential basis of infectivity. Vita-PAMPs is a term we coined to refer to microbial structures that signify microbial viability. Pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) are present in microbes and absent from host tissues. They alert the innate immune system. Examples of PAMPs include lipopolysaccharide (LPS), a major cell wall component of Gram-negative bacteria, lipoteichoic acid present in Gram-positive bacterial cell walls, or DNA from viruses. On the other hand, bacterial messenger RNA (mRNA) and c-di-adenosine mono-phosphate (c-di-AMP) are vita-PAMPs uniquely associated with live microorganisms. A question that we get asked is why rely on vita-PAMPs when live pathogens announce their presence by expressing virulence factors that facilitate invasion and damage their hosts. Virulence factor expression is transient serving a specific purpose such as breaching an epithelial barrier. Once microbes gain access to sterile tissues, relying on vita-PAMPs is a fail-safe strategy for eliminating the threat. The ability to discriminate between live and dead microbes also tailors the immune response to the threat level it encounters. It avoids collateral damage to the host from an overly exuberant response (See Sander L.E. وآخرون. Nature 2011 Moretti, J. وآخرون. Cell 2017 Blander and Sander, Nat Rev Immunol 2012).

A distinct innate immune response to vita-PAMPs

A comparison of the phagocyte response to live versus dead bacteria revealed distinct responses only to live bacteria and irrespective of their expression of virulence factors. For example, we found that various Gram-negative bacteria can elicit the activation of the NOD, LRR and pyrin domain containing 3 (NLRP3) inflammasome. Inflammasomes are multiprotein complexes that assemble upon detection of danger signals to activate the inflammatory enzyme caspase-1, trigger secretion of the highly proinflammatory cytokine interleukin (IL)-1beta, and induce an inflammatory cell death called pyroptosis. Only live but not killed forms of avirulent bacteria triggered NLRP3 inflammasome activation with consequent caspase 1 activation, IL-1beta production and pyroptosis (See Sander L.E. وآخرون. Nature 2011 Blander and Sander, Nat Rev Immunol 2012). These responses were dependent on the vita-PAMP bacterial mRNA.

On the other hand, c-di-AMP from phagocytosed live Gram-positive bacteria, engages an intracellular protein called STING, which is expressed on the endoplasmic reticulum (ER). We found that STING engagement by c-di-AMP triggers a form of ER stress that kills the phagocytes if not resolved. Phagocytes exposed to live Gram-positive bacteria mobilize autophagy to resolve the ER stress. This autophagy of the ER is called ER-phagy and it serves two functions. First, it enables the cells to survive and second, it delivers STING from ER membranes to autophagosomes enabling STING signaling and type-I interferon production (See Moretti, J. وآخرون. Cell 2017 Moretti and Blander, Autophagy 2018). None of these elaborate phagocyte responses are mobilized to killed bacteria.

Ongoing work: How vita-PAMPs impact NLRP3 inflammasome activation

Of all inflammasomes, the NLRP3 inflammasome is arguably the most complex and its biology the most extensively studied. The NLRP3 inflammasome promotes host defense against infectious microbes. Yet, dysregulation or hyperactivation of the NLRP3 inflammasome results in hyperinflammation and causation of several inherited and acquired inflammatory diseases and under sterile conditions. These include autoinflammatory diseases such as Muckle-Wells syndrome, cryopyrin-associated periodic fever syndrome, gout and pseudogout, Alzheimer’s disease, heart disease, and lung inflammatory diseases such as silicosis and asbestosis. It is important to understand the mechanisms that regulate NLRP3 inflammasome activation.

Distinctiveness of the NLRP3 inflammasome resides in the diversity of molecules that induce its activation. Besides the canonical activation of NLRP3 in response to various stimuli, including the vita-PAMP bacterial mRNA, caspase-11-dependent detection of intracellular LPS activates NLRP3 through a non-canonical pathway. Pro-caspase-11 acts as a pattern recognition receptor for intracellular LPS, of which the most conserved Lipid A moiety binds to the CARD domain of pro-caspase-11, initiates its oligomerization and promotes proximity-induced activation of caspase-11 catalytic activity. Numerous important advances have been made in the past decade in understanding non-canonical NLRP3 inflammasome activation, yet several aspects of NLRP3 inflammasome biology are not characterized and remain unclear (See Moretti and Blander, J Leukoc Biol 2020).


Bacteremia is a leading cause of death for children in sub-Saharan Africa where childhood mortality rates are the highest in the world, and its early diagnosis and treatment can save many lives. However, diagnosing bacteremia is challenging, especially when there is co-infection with diseases such as malaria and HIV. The good news is that research from Los Alamos published in the April 19 edition of Nature Scientific Reports indicates that there may be a way to greatly speed up diagnosis. In the paper, the scientists report on a method for the rapid and accurate detection of bacteremia using a technique that works by mimicking the way the human immune system recognizes pathogens.

Bacteremia is the presence of bacteria in the bloodstream and it can be either asymptomatic or result in a life-threatening infection that includes sepsis. Sepsis, which is when the body’s response to infection causes damage to its own tissues and organs, is the most common cause of global childhood mortality.  Microbial culture, which requires bacterial growth in a petri dish, is the current clinical standard for sepsis diagnosis and it is both slow, insensitive, and not practical for field diagnostics. Because of these limitations there is a pressing need for a rapid and accurate method that can direct therapeutic intervention at the point of need. The work presented by the Los Alamos authors is the first step towards developing such a capability and is inspired by the ability of the human immune system to sensitively detect bacteremia in blood very early in the course of infection by its reaction to pathogen biomarkers.

The researchers developed and clinically validated a novel method for the direct detection of the same pathogen biomarkers that the immune system uses to recognize bacteremia associated with both Gram-negative bacteria and Gram-positive bacteria. The Gram test is a method to broadly categorize bacteria based on their cell wall properties, and it is important to be able to detect bacteremia in all classes of bacteria. These biomarkers interact with host lipoprotein carriers in blood, which allows for their direct detection using two tailored assays developed at Los Alamos called membrane insertion and lipoprotein capture (see figure 1). The detection occurs in a waveguide-based optical biosensor platform that was also developed at Los Alamos. The team also demonstrated the application of these methods for the detection of السالمونيلا Typhimurium bacteremia and المكورات العنقودية bacteremia in clinical samples from children in rural Africa, in collaboration with the University of New Mexico. Taken together, these results demonstrate the significance of biochemistry in both understanding of host-pathogen biology, and the development of assay methodology, as well as demonstrating a method for the rapid, sensitive and accurate diagnosis of bacteremia at the point of need.

Caption for image below: Figure 1. Overview of bacterial pathogen associated molecular patterns (PAMP) detection strategies. (a) Schematic representation of amphiphilic bacterial biomarkers in association with biochemically similar molecules either by forming micelles or interacting with host lipoprotein carriers. Black arrows indicate physiological associations, while orange arrows indicate experimental processes. In the absence of sequestration by a host lipoprotein carrier, bacterial PAMPs can be detected by (b) membrane insertion, which requires only one antibody. When associated with a host lipoprotein carrier, detection can be performed using (c) lipoprotein capture, which requires two antibodies, as well as prior knowledge of PAMP-lipoprotein carrier associations. Dimensions of the various layers are included in order to present the biophysical dimensions of assay performance within the evanescent field of the waveguide. Graphic representations are not drawn to scale.


مناقشة

PPROM and subsequent preterm birth have been strongly associated with bacterial infection and inflammation [ 1, 2, 9– 11]. Although FMs express PRRs such as TLRs and Nod proteins [ 42, 46– 49] and the ability of FMs to generate an inflammatory response toward bacteria or bacterial components is known [ 39– 45], the precise role of innate immune PRRs is not fully appreciated. Furthermore, previous studies in which the function of PRRs has been investigated in the FMs have been limited by their focus on a small panel of factors and/or by studying isolated cells rather than intact tissue [ 42, 48, 57– 60]. Because the chorion and amnion are normally in direct contact with each other and act as a physiologic unit, such communication may be an important factor governing the specific type of response generated. In the current study, we have demonstrated the basal expression of TLR1–10 and NLRs and their associated signaling proteins by normal human term FMs. Moreover, using an in vitro FM explant system, we established a broad cytokine profile secreted by the FMs in response to bacterial PAMPs that specifically activate TLR2, TLR4, TLR5, TLR9, Nod1, and Nod2. All six PRRs are functional in human FMs and trigger distinct cytokine profiles. Furthermore, we have demonstrated a role for the inflammasome component caspase 1 in mediating FM IL1B production in response to TLR but not Nod protein activation.

TLR2 senses Gram-positive bacterial PDG in cooperation with its coreceptors TLR1, TLR6, and TLR10 [ 25, 50]. In this study, we demonstrated that TLR2 and its coreceptors are expressed under basal conditions by normal human term FMs. In cases of chorioamnionitis, FM TLR2 expression is elevated [ 47], and, in women with microbial invasion of the amniotic cavity, soluble TLR2 levels in the amniotic fluid are increased [ 70]. Treatment of FM with PDG resulted in a significant increase in the secretion of the proinflammatory cytokines IL1B, IL6, and G-CSF the inflammatory chemokines IL8, MIP1A, and RANTES and the anti-inflammatory cytokine IL10. The production of IL10 suggests, in addition to an inflammatory profile, the initiation of a regulatory anti-inflammatory response. Whereas most of the factors identified as being induced by PDG have not previously been assessed, our findings that PDG induces IL6 and IL8 secretion are in keeping with those of studies by Fortunato et al. [ 44] and Gillaux et al. [ 59], the latter of which reported that the TLR2/TLR6 agonist MALP2 induces IL6 and IL8 production by isolated amniotic epithelial cells.

Similar to TLR2, the expression of the sensor for Gram-negative bacterial LPS, TLR4, is upregulated in the FMs in patients with chorioamnionitis [ 47] and becomes located to the amniotic epithelial basal membrane [ 46]. Also similar to TLR2, activation of TLR4 by LPS induced the secretion of the inflammatory cytokines IL1B and IL6, the inflammatory chemokine RANTES, and the anti-inflammatory cytokine IL10. However, unlike the response to PDG, there was no significant elevation in IL6, G-CSF, or MIP1A secretion. Instead, we observed the upregulation of IL2, GROA, and TNFA after FM treatment with LPS. Thus, TLR2 and TLR4 activation by their respective bacterial agonists trigger distinct FM cytokine profiles, yet both responses are a combination of pro- and anti-inflammatory cytokines and chemokines. In support of our findings, previous studies using separated human chorion and amnion explants and isolated chorionic cells have reported that LPS induces TNFA [ 48, 58] and that intact FM explants treated with LPS secreted IL1B, TNFA, IL8, and IL10 [ 43]. However, in contrast to our findings, a study using chorionic cells showed that LPS induced MCP1 production [ 58], and a study using intact FM explants showed that LPS induced elevated levels of IFNG and IL6 [ 43]. These differences in the intact FM explant cytokine profiles may be a reflection of different LPS strains used. In our current study, we used بكتريا قولونية LPS strain O111:B4, whereas 2 other studies showing LPS-induced IL6 production by FMs used بكتريا قولونية LPS strain O55:B5 and LPS from Salmonella typhimurium [ 71, 72]. Moreover, a study in non-human primates reported differential cytokine responses from chorioamnion exposed to different LPS structural variants [ 60].

To our knowledge, only 1 study has evaluated the function of TLR5 and TLR9 in FMs by using isolated amniotic epithelial cells rather than intact tissue [ 59]. Gillaux et al. [ 59] reported that, whereas flagellin induced the secretion of IL6 and IL8, TLR9 had no such effect, and it was therefore suggested to be nonfunctional. In our studies using intact FM explants, we also found flagellin to increase the secretion of IL-6 and IL-8, as well as IL1B, TNFA, G-CSF, MIP1A, MIP1B, RANTES, and GROA, indicating an overall proinflammatory response. However, we found that TLR9 did generate an FM response, albeit atypical. Treatment with unmethylated CpG induced a mild stimulatory effect on MCP1 secretion and, in parallel, downregulated the basal secretion of G-CSF, IFNG, MIP1A, MIP1B, RANTES, and VEGF. This suggests that FM TLR9 activation may generate more of a regulatory response associated with tissue repair, rather than an inflammatory one [ 73, 74]. While it is possible that a longer treatment time could yield a more robust TLR9 response in FM [ 75], CpG motifs can promote protective innate immune responses and suppress inflammatory cytokine production [ 75, 76].

Together our studies show that in FMs, TLRs in response to different bacterial PAMPs can trigger varied cytokine/chemokine responses. Indeed, while the 4 TLRs examined in this study can all signal through the common adapter protein MyD88, the reality is that these TLRs have distinct signaling capacities. As already discussed, TLR2 functions by dimerizing either with itself or its coreceptors TLR1, TLR6, or TLR10 [ 25, 50]. TLR2 and TLR4 signal through MyD88 in cooperation with TIR-associated protein (TIRAP/Mal), and TLR4 can also signal through the other bridging adapter proteins TRIF and TRIF-related adapter protein (TRAM) [ 29, 77]. While TLR5 and TLR9 both signal through MyD88 alone to activate IRAK and subsequently NFκB [ 78, 79], TLR9 also triggers activation of IRF7 [ 80]. Thus, these divergences in signaling may explain the differences in cytokine profiles and in the magnitudes of responses generated by the FM explants after treatment with the specific TLR2, TLR4, TLR5, and TLR9 agonists.

Although Nod1 and Nod2 activation by iE-DAP and MDP, respectively, also induced cytokine production by the FMs, the number of factors upregulated by these NLRs was greater than after TLR2, TLR4, TLR5, or TLR9 activation. Furthermore, and similar to TLR stimulation, there were differences in the cytokine profiles generated by iE-DAP and MDP. Both Nod1 and Nod2 activation upregulated the secretion of IL1B, IL2, IL6, G-CSF, IFNG, MIP1A, MIP1B, and RANTES. However, Nod1, but not Nod2, activation also upregulated IL8 and MCP1 secretion, whereas Nod2, but not Nod1 activation, upregulated TNFA and GROA. These findings further underscore the fact that even though a common adapter protein might be involved in the signaling cascade, in this case RICK [ 38], the downstream responses may still differ. Although our findings support a recent study by Lappas [ 42] showing iE-DAP induces IL6 and IL8 secretion by FM explants, unlike this report, in our study we observed elevated IL6, but not IL8 production, in response to MDP.

Although PDG, LPS, flagellin, iE-DAP, and MDP all triggered FMs to generate a strong inflammatory cytokine response, only 2 factors were commonly upregulated, IL1B and RANTES. IL1B is a potent proinflammatory cytokine associated with mediators of membrane weakening [ 4, 14, 15, 17, 18, 22], PPROM, and preterm birth [ 81– 85]. It is also a cytokine that is under tight regulation. Prior to being secreted, IL1B must first be processed from its pro form into its cleaved, active form, and this process is mediated primarily by the inflammasome component caspase 1 [ 69]. Indeed, elevated caspase 1 is detected in the amniotic fluid from patients with preterm labor in the presence and absence of infection, compared with those delivering at term [ 86]. In the current study, we demonstrated that FM tissue expresses little, if any, active IL1B under basal conditions, but when treated with the bacterial components PDG, LPS, flagellin, iE-DAP, or MDP, active IL1B expression is induced, suggesting that TLR and Nod protein activation results in IL1B processing. However, whereas TLR-induced IL1B production was reduced by the presence of a caspase 1 inhibitor, Nod1- and Nod2-induced IL1B production appeared to be independent of caspase 1. How Nod1 and Nod2 trigger IL1B processing might involve other nonapoptotic caspases such as caspase-4 or caspase-5 [ 34, 87]. This observation highlights why clinically the field of PPROM and preterm birth is so challenging and that different bacterial components can induce a common proinflammatory cytokine, IL1B, to trigger PPROM and preterm birth, yet the mechanisms involved are distinct.

In summary, we have demonstrated that human FMs express TLRs, NLRs, and their associated adapter signaling proteins. In response to specific bacterial PAMPs, human FMs generate specific and distinct inflammatory and regulatory cytokine profiles through distinct mechanisms that are dependent upon the type of innate immune PRR involved. The true in vivo scenario, however, represents a polymicrobial state where multiple bacterial components are present [ 88], and subsequently, multiple pattern recognition receptors may be simultaneously engaged. Moreover, within a single bacterium there is more than 1 TLR or NLR agonist expressed. Thus, activation of more than 1 TLR/NLR in the fetal membranes by a combination of bacterial components of varying levels may give rise to further differential cytokine profiles. Together, these findings suggest that infection-associated PPROM and subsequent preterm birth may arise through a number of different signaling pathways.


شاهد الفيديو: flowchart Gram + rods. تفريق البكتيريا العصوية موجبة الجرام (كانون الثاني 2022).