1.脂多糖的结构
脂多糖(lipopolysaccharide,LPS)是革兰阴性细菌外膜的主要成分,由类脂A、核心多糖和O-特异性链三部分组成。核心寡糖在中间连接位于外层具有亲水结构的O-特异性链和位于内层具有疏水性的类脂A。其中核心寡糖是由9~10个糖基组成的分枝寡糖链,又可被进一步划分为内核心寡糖与外核心寡糖。内核心寡糖通过酸不稳定的酮苷键将核心寡糖附着于脂质A。外核心寡糖主要由中性和碱性己糖组成,与O-特异性链连接,其在不同菌株中存在单糖组成和构型上的差异,是决定LPS核心型的基础。
脂质A是LPS生物活性中心和主要的毒性成分,是先天性免疫应答的有效刺激物,它由2个葡萄胺、磷酸盐和一定量的脂肪酸构成,高度保守,同一菌种的类脂A结构基本保持一致。O-特异性链多决定LPS的抗原性,也称为O-抗原,保护细菌免受抗生素的危害和抵抗补体系统的溶解作用,是由一定长度的寡糖单位首尾相连而行成的不同聚合度的聚合物,结构不稳定。根据脂多糖中是否含有O-抗原,可将脂多糖分为含有一定数量O-抗原的光滑型脂多糖(Smooth-LPS,S-LPS)和缺乏O-抗原仅由类脂A与核心寡糖组成的粗糙型脂多糖(Rough-LPS,R-LPS)。
2.脂多糖的作用机制
当细菌侵入人体后,会释放其表面LPS,LPS首先与脂多糖结合蛋白(lipopolysaccharide-binding protein,LBP)结合,LBP将LPS运送到免疫细胞的膜表面,与膜表面的蛋白质CD14相结合。随后CD14将LPS转运至Toll样受体4(Toll-like receptor,TLR4)及髓样分化蛋白2(myeloid differentiation protein-2,MD2)形成蛋白复合体。
MD2是一种特殊的外分泌蛋白,能帮助TLR4识别LPS。3种蛋白质(CD14、TLR4和MD2)的不同组合决定了TLR4对不同结构LPS的识别能力,其中跨膜蛋白TLR4起关键作用。当LPS与TLR4膜外基团结合时,其膜内基团发生构象变化,将信号转到免疫细胞内部。在细胞内部,激活髓样分化因子88(Myeloid Differentiation factor 88,MyD88)、IL-1R相关蛋白激酶(interleukin recep-tor-associated kinase,IRAK)与IRAK2和肿瘤坏死因子受体活化因子6等信号分子,通过一连串的生物化学反应,使抑制蛋白IB激酶复合体(IBkinase,IK)磷酸化,
IB降解,最终活化转录因子NF-κB。NF-κB可以穿过核膜,结合在染色体上的特定区域,使某些隐性基因得以表达,产生各种多样的细胞因子。CSFs等细胞因子可以刺激免疫系统,调节免疫系统发挥功能;TNF-a、IL-1、IL-6等细胞因子可引起炎症,导致脓毒症等严重疾病,甚至死亡。细胞因子的类型主要决定于LPS的分子结构,而细菌的传染能力与TLR4对LPS的识别能力有关。其中,LBP、CD14和TLR4是LPS的3种受体。
3.脂多糖的生物学作用
LPS在细菌正常生活状态时不释放,但在细菌菌体死亡破裂、人工方法裂解后或细胞活跃生长繁殖时释放出来,其本身无毒性作用,但其作为非特异性免疫原,当进入微循环后与宿主效应细胞(主要为单核细胞、巨噬细胞和中性粒细胞)相互作用分泌肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、白细胞介素1(IL-1)、白细胞介素2(IL-2)、白细胞介素6(lL-6)、活性氧自由基(ROS)、NO等生物活性分子,引起机体发热、弥散性血管内凝血、多器官机能衰竭及休克等临床综合症。
LPS的毒性是通过LPS在细菌周围形成一层保护屏障以逃避抗生素的作用,作用于宿主细胞,产生炎性细胞因子,使机体内环境处于紊乱状态,引起内毒素血症、脓毒症等疾病。LPS的活性主要因其具有免疫激活作用,可以抗肿瘤、抗辐射、抗感染、促进后发性白内障的发生、促进牙周炎症、促进包细胞增生和缓解哮喘等多种生物学功能。
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