Lipopolysaccharides/endotoxins of gram-negative bacteria: their role in the development of intoxication

Abstract

Numerous clinical and experimental studies allow us to consider bacterial endotoxins as the main factors inducing the development of intoxication syndrome in infectious and non-infectious diseases. LPS is themajor structural component of Gram-negative bacteria; its effect on the body is related to all the objective clinical manifestations of intoxication. The activation of immune cells by LPS results in the release of inflammatory mediators: cytokines, chemokines, enzymes, eicosanoids, adhesion agents and free radicals that are responsible for the progression of inflammatory reactions and may induce pathophysiological processes including septic shock. Currently, various techniques are developed and used for endotoxin /LPS determinationin biological environmentsthat are based both on detection of its serological markers and registration of its biological effects.

Keywords

acute intestinal infection / endotoxin/lipopolysaccharide / O-antigen / syndrome of intoxication / endotoxin detection

References

[1] Caroff M., Karibian D., Cavaillon J.-M., Haeffner-Cavaillon N. Structural and functional analyses of bacterial lipopolysaccharides. Microb. Infect. 2002; 4: 915-26.

[2] Erridge C., Bennett-Guerrero E., Poxton I.R. Structure and function of lipopolysaccharides. Microb. Infect. 2002; 4: 837-51.

[3] Deiters U., Gumenscheimer M., Galanos C., Muhlradt P.F. Tolllike receptor 2- and 6-mediated stimulation by macrophage-activating lipopeptide 2 induces lipopolysaccharide (LPS) cross tolerance in mice, which results in protection from tumor necrosis factor alpha but in only partial protection from lethal LPS doses. Infect. Immun. 2003; 71: 4456-62.

[4] Gutsmann T., Muller M., Carroll S.F. et al. Dual role of lipopolysaccharide (LPS)-binding protein in neutralization of LPS and enhancement of LPS-induced activation of mononuclear cells. Infect. Immun. 2001; 69: 6942-50.

[5] Hajishengallis G., Martin M., Schifferle R.E., Genco R.J. Counteracting interactions between lipopolysaccharide molecules with differential activation of Toll-like receptors. Infect. Immun. 2002; 70: 6658-64.

[6] Hamann L., Alexander C., Stamme C. et al. Acute-phase concentrations of lipopolysaccharide (LPS)-binding protein inhibit innate immune cell activation by different LPS chemotypes via different mechanisms. Infect. Immun. 2005; 73: 193-200.

[7] Iwagaki A., Porro M., Pollack M. Influence of synthetic antiendotoxin peptides on lipopolysaccharide (LPS) recognition and LPS-induced proinflammatory cytokine responses by cells expressing membrane-bound CD14. Infect. Immun. 2000; 68: 1655-63.

[8] Levels J.H.M., Abraham P.R., van den Ende A., van Deventer S.J.H. Distribution and kinetics of lipoprotein-bound endotoxin. Infect. Immun. 2001; 69: 2821-8.

[9] Suzuki M., Hisamatsu T., Podolsky D.K. Gamma interferon augments the intracellular pathway for lipopolysaccharide (LPS) recognition in human intestinal epithelial cells through coordinated up-regulation of LPS uptake and expression of the intracellular Toll-like receptor 4-MD-2 complex. Infect. Immun. 2003; 71: 3503-11.

[10] Varma T.K., Toliver-Kinsky T.E., Lin C.Y. et al. Cellular mechanisms that cause suppressed gamma interferon secretion in endotoxin-tolerant mice. Infect. Immun. 2001; 69: 5249-63.

[11] Rietschel E.T., Kirikae T., Schade F.U. et al. The chemical structure of bacterial endotoxin in relation to bioactivity. Immunobiology. 1993; 187: 169-90.

[12] Din Z.Z., Mukerjee P., Kastowsky M., Takayama K. Effect on solubility and ionic state of lipopolysaccharide obtained from the deep rough mutant of E. coli. Biochemistry. 1993; 32 (17): 4579-86.

[13] Backhed F., Normark S., Schweda E.K.H. et al. Structural requirements for TLR4-mediated LPS signalling: a biological role for LPS modifications. Microb. Infect. 2003; 5: 1057-63.

[14] Takada H., Kotani S. Bacterial endotoxic lipopolysaccharides. In: Morrisson D.C., Ryan J.L., eds. Bacterial endotoxic lipopolysaccharides. Boca Raton :CrC Press; 1992: 107-34.

[15] Perera P.Y., Mayadas T.N., Takeuchi O. et al. CD11b/CD18 acts in concert with CD14 and Toll-like receptor (TLR) 4 to elicit full lipopolysaccharide and taxol-inducible gene expression. J. Immunol. 2001; 166: 574-81.

[16] Munford R. S. Sensing gram-negativebacteriallipopolisaccharides: A human disease determinant? Infect. Immun. 2008; 76 (2): 454

[17] Gotz A., Orso G., Rothe G., Schmitz G. Ligand specific hetero-meric CD14-clustering in inflammation. J. Endotoxin Res. 2000; 6: 106-10.

[18] Akashi S., Ogata H., Kirikae F. et al. Regulatory roles for CD14 and phosphatidylinositol in the signaling via Toll-like receptor 4 - MD-2. Biochem. Biophys. Res. Commun. 2000; 268: 172-7.

[19] Hoshino K., Takeuchi O., Kawai T. et al. Toll-like receptor 4 deficient mice are hyporesponsive to lipopolysaccharide: evidence for TLR-4 as the lps gene product. J. Immunol. 1999; 162: 3749-52.

[20] Qureshi S.T., Lariviere L., Leveque G. et al. Endotoxin-tolerant mice have mutations in Toll-like receptor 4 (Tlr 4). J. Exp. Med. 1999; 189: 615-25.

[21] Shimazu R., Akashi S., Ogata H. et al. MD-2, a molecule that confers lipopolysaccharide responsiveness on Toll-like receptor 4. J. Exp. Med. 1999; 189: 1777-82.

[22] Lagunes-Servin H., Torres J., Maldonado-Bernal C. et al. Tolllike receptors and cytokines are upregulated during Helicobacter pylori infection in children. Helicobacter. 2013; 18 (6): 423-32.

[23] Hirschfield M., Weis J.J., Toschchakov V. et al. Signalling by Tolllike receptor 2 and 4 agonists results in differential gene expression in murine macrophages. Infect. Immun. 2001; 69: 1477-82.

[24] Werts C., Tapping R.I., Mathison J.C. et al. Leptospiral lipopolysaccharide activates cells through a TLR2-dependent mechanism. Nature Immunol. 2001; 2: 346-52.

[25] Laude-Sharp M., Haeffner-Cavaillon N., Caroff M. et al. Dissociation between the interleukin 1 - inducing capacity and limulus reactivity of lipopolysaccharides from gram-negative bacteria. Cytokine. 1990; 2: 253-8.

[26] Morrison D.C., Ulevitch R.J. The effects of bacterial endotoxins on host mediation systems. Am. J. Pathol. 1978; 93 (2): 526617.

[27] Ulevitch R.J., Tobias P.S. Receptor-dependent mechanisms of cell stimulation by bacterial endotoxin. Annu. Rev. Immunol. 1995; 13: 437-57.

[28] Marshall J.C. Lipopolysaccharide: an endotoxin or an exogenous hormone? Clin. Infect. Dis. 2005; 41 (7): S470-80.

[29] Пак С.Г., Грачев С.В., Белая О.ф. и др. Патогенетические аспекты синдрома интоксикации в клинической картине инфекционных заболеваний. Вестник РАМН. 2008; 11: 33-41.

[30] West M.A., Heagy W. Endotoxin tolerance: a review. Crit. Care Med. 2002; 30 (l): S64-73.

[31] Burkart V., Kim Y.E., Hartmann B. et al. Cholera toxin B pretreatment of macrophages and monocytes diminishes their proinflammatory responsivenesis to lipopolysaccharide. J. Immunol. 2002; 168 (4): 1730-7.

[32] Dalpke A.H., Heeg K. Synergistic and antagonistic interactions between LPS and supterantigens. J. Endotoxin Res. 2003; 9 (1): 51-4.

[33] Fernandez-Miyаkawa M.E., Brero M.L., Mateo N.A. Cholera toxin modulates the systemic immune responses against Vibrio cholera surface antigens after repeated inoculations. Microbiol. Immun. 2006; 50 (8): 607-19.

[34] Sanchez-Hutado K., Poxton I.R. Enhancement of the citotoxic activity of Clostridium difficile toxin A by surfaceassociated antigens. J. Med. Microbiol. 2008; 57 (6): 739-44.

[35] Erwert R.D., Winn R.K., Harlan J.M., Bannerman D.D. Shiga-like toxin inhibition of FLICE-like inhibitory protein expression sensitizes endothelial cells to bacterial lipopolysaccharide-in-duced apoptosis. J. Biol. Chem. 2002; 277 (43): 40567-74.

[36] Гюлазян Н.М., Белая О.Ф., Пак С.Г. Частота и уровень выявления маркера Шига-токсина при различных вариантах течения острых кишечных инфекций. Эпидемиология и инфекционные болезни. 2008; 4: 42-5.

[37] Белая О.Ф., Черкасвов В.Л., Тимакова В.П., Титовец И.И. Диагностическая ценность коагглютинации и скринингового теста клеточной миграции при кишечных инфекциях. Эпидемиология и инфекционные болезни. 1997; 4: 12-6.

[38] Зуевская С.Н., Белая О.Ф., Кокорева Л.Н., Полуэктова В.Б., Туркадзе К.А. Корреляция уровней антигена Шига токсина в циркулирующих иммунных комплексах и показателей О-антигенной нагрузки у больных острыми вирусными гепатитами. Инфекционные болезни. 2012; 10 (Прил. 1): 155-6.

[39] Белая О.Ф., Пак С.Г. Пути совершенствования лабораторной диагностики инфекционных заболеваний. Вестник РАМН. 2010; 11: 50-3.

[40] McCabe W.R. Endotoxin: microbiological, chemical, pathophysiologic and clinical correlations. Semin. Infect. Dis. 1980; 3: 38-88.

[41] Малов В.А., Грачев С.В., Нехаев С.Г. и др. Динамика уровней некоторых белков острой фазы и липополисахарид-связывающая активность нейтрофилов периферической крови у больных с острыми кишечными инфекциями. Терапевтический архив. 1996; 11: 23-7.

[42] Opal S.M., Scannon P. J., Vincent J.-L. et al. Relationship between plasma levels of lipopolysaccharide (LPS) and LPS-binding protein in patients with severe sepsis and septic shock. J. Infect. Dis. 1999; 180: 1584-89.

[43] Покровский В.И., Гордиенко С.П., Литвинова В.И., ред. Инфекционная антигенемия. Иммунология инфекционного процесса: Руководство для врачей. М.: РАМН; 1994.

[44] Воронов А.В., Малов В.А., Пак С.Г. и др. Иммунофермент-ный метод определения О-антигена шигелл Зонне с использованием аффинно выделенных антител. Лабораторное дело. 1989; 9: 66-70.

[45] Черкасов В.Л., Еровиченков А.А., Рубцов И.В. Определение активности сывороточных антител в сопоставлении с инфекционной О-антигенемией у больных паратифом В. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 1987; 5: 61-4.

[46] Белая Ю.А., Белая О.Ф., Николаева Л.Г., Быстрова С.М. Диагностическая ценность реакции коагглютинации у больных с диарейным синдромом. Журнал гигиены, эпидемиологии, микробиологии и иммунологии (Прага). 1989; 2: 183-90.

[47] Бунин К.В., Белая О.Ф., Юсова Г.А. и др. Специфические антигены возбудителей и антитела к ним в составе циркулирующих иммунных комплексов при острой дизентерии. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 1985; 8: 78-80.

[48] Gragg S.E., Loneragan G.H., Nightingale K.K. et al. Substantial within-animal diversity of Salmonalla isolates fromlymph nodes, feces, and hides of cattle at slaughter. Appl. Environ. Microbiol. 2013; 79 (15): 4744-50.

[49] Малов В.А., Воронов А.В., Серебряков М.Ю. и др. Особенности экскреции с мочой соматического антигена шигелл у больных острой дизентерией. В кн.: Материалы III Всероссийского съезда инфекционистов «Синдром интоксикации в инфекционной патологии». М.; Смоленск; 1989: 50-2.

[50] Черкасов В.Л., Белая О.Ф., Лиенко А.Б. и др. Скрининговое выявление антигенов некоторых патогенных энтеробактерий в биологических жидкостях у больных с хроническими заболеваниями кишечника. Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 1993; 5: 78-82.

[51] Пак С.Г., Белая О.Ф., Малов В.А., Волчкова Е.В., Еровиченков А.А. Опыт и перспективы изучения синдрома интоксикации в инфекционной патологии. Журнал инфектологии. 2009; 1 (1): 9-12.

[52] Белая Ю.А., Белая О.Ф., Перепелкин В.С. Диагностическая ценность реакции коагглютинации при тифо-паратифозных заболеваниях. Военно-медицинский журнал. 1987; 7: 36-9.

[53] Парфенов А.И., Ручкина И.Н., Атауллаханов Р.И., Белая О.Ф. и др. Постинфекционный синдром раздраженного кишечника. Терапевтический архив. 2009; 81 (2): 39-44.

[54] Зуевская С.Н., Белая О.Ф., Волчкова Е.В., Андрекайте Н.А. Маркеры возбудителей кишечных инфекций у больных острыми вирусными гепатитами с холестатическим синдромом. Терапевтический архив. 2011; 83 (11): 34-8.

[55] Бунин К.В., Белая О.Ф. Определение антигенов шигелл и сальмонелл реакцией коагглютинации у больных острыми кишечными инфекционными заболеваниями. Советская медицина. 1981; 5: 2-9.

[56] Rossignol D., Lynn M., Wittek A., Rose J. Elevated plasma levels of limulus amoebocyte lysate - reactive material. J. Infect. Dis. 2006; 194: 1340.

[57] Клинико-лабораторная диагностика инфекционных болезней / Финогеев Ю.П., Лобзин Ю.В., Винакмен Ю.А. и др. под. ред. Ю.В. Лобзина, СПб: Фолиант; 2001.

RIGHTS & PERMISSIONS

Eco-vector