Дифтерия — классическая токсинемическая инфекция, вызываемая грамположительной бактерией Corynebacterium diphtheriae, в большей степени — действием ее токсина. Возбудитель проникает в слизистые оболочки рото- и носоглотки, гортани и трахеи, иногда — глаз и половых органов, формируется местный воспалительный очаг, который сопровождается некрозом клеток, свертыванием плазмы крови и отеком, появляется беловато-серый налет — пленка. В многослойном эпителии носоглотки, надгортанника, голосовых связок она неотделима от подлежащей ткани, в однослойном же эпителии гортани, трахеи и бронхов легко отделяется и способна закрыть собой воздухоносные пути, вызвав асфиксию.

Выделяемый токсигенными штаммами C. diphtheriae токсин, попадая в кровь, избирательно поражает сердце, почки, надпочечники, спинномозговые и черепные нервы [1]. В статье высказывается гипотеза о том, что ткане- и органоспецифичность действия токсина можно объяснить как физико-химическими свойствами молекулы, так и строением мембран клеток поражаемых органов.

Строение токсина и его проникновение в клетку

Дифтерийный токсин (ДТ) — это белок молекулярной массой 58 кДа (535 аминокислотных остатков, изоэлектрическая точка pI — 5,9), состоящий из двух субъединиц — А и В. Субъединица А обладает нуклеазной активностью [2] и АДФ-рибозилтрансферазной активностью — по отношению к фактору элонгации EF-2. Ее действие заключается в блокировании белоксинтезирующей системы клетки, что вызывает ее апоптоз. Субъединица В состоит из рецепторного R-домена, отвечающего за связь с рецептором HB-EGF, и трансмембранного T-домена [3].

Доставка субъединицы А токсина в клетку осуществляется в несколько стадий (рис. 1). На первой стадии (pH среды — около 7,4, заряд ДТ: –9,44) белок связывается R-доменом субъединицы B с рецептором HB-EGF и корецептором CD9 [3]. На второй стадии происходит клатрин-зависимый эндоцитоз токсина, пузырьки с ДТ вскоре превращаются в ранние эндосомальные везикулы. В то время как первичный клатриновый скелет отделяется от везикулы PIP-фосфатазой и белком теплового шока Hsp70 [4], а новые компоненты (белки COPI, Arf, Rab и др.) начинают присоединяться к ней [3, 4], протонный насос закисляет среду внутри пузырька: pH снижается до 6,0 [4], заряд ДТ изменяется до –1,16. На третьей стадии pH внутри везикулы падает до 5,0–4,5 [4], заряд белка становится положительным — от 12,02 до 24,04. Такие условия необходимы для изменения конформации Т-домена субъединицы B токсина и формирования поры в везикуле. Т-домен состоит из 9 трансмембранных спиралей (transmembrane helix, TH), которые, в свою очередь, упакованы в 3 слоя: в первом — амфифильные TH1–TH3, во втором — гидрофобные TH5–TH7, в третьем — TH8 и TH9, формирующие центральный кор [3]. TH1 тесно взаимодействует с каталитической субъединицей, а также имеет сайты связывания с комплексом COPI, играя ключевую роль в транслокации субъединицы А (наравне с TH2–TH4). На четвертой стадии свободная субъединица А инактивирует фактор элонгации EF-2.

Ткане- и органоспецифичность токсина

Тканеспецифичность токсина можно объяснить его физико-химическими свойствами, а именно: наличием R-домена (аминокислотные остатки 432–535 [3]), который обеспечивает взаимодействие токсина с рецептором HB-EGF. Положительный заряд этого домена (8,2 при pH 7,4, pI — 10,43,) определяет способность токсина связываться с рецептором отрицательно заряженной мембраны. Если представить мембрану клетки как эквивалентную электрическую схему, то у нее обнаруживаются как емкостные (C), так и резистивные свойства (R), определяемые компонентами самой мембраны — фосфолипидами и белками, при этом одна сторона мембраны заряжена положительно, а другая — отрицательно [5]. Дефицит катионов на внутренней поверхности мембраны формирует отрицательный заряд внутри клетки, а их избыток на внешней поверхности мембраны — положительный заряд снаружи. Na+/K+ АТФаза выполняет роль своеобразной батареи (E), создавая разность потенциалов за счет откачки 3 Na+ и закачки 2 K⁺. Это и есть пассивные электрические свойства мембран [5]. Но возбудимые клетки, в свою очередь, способны к перераспределению ионов во время деполяризации. На основе этого явления и построена предлагаемая гипотеза о тканеспецифичности токсина. Избыток катионов снаружи мембраны, свойственный потенциалу покоя, отталкивает ДТ, а временная инверсия ионов во время потенциала действия — привлекает. Также существуют специфические липиды — ганглиозиды, которые придают особые свойства высокоспециализированным клеткам, таким как нейроны и кардиомиоциты, где их концентрация от общего числа липидов может достигать 5–10 % [5]: сиаловые кислоты в их составе образуют сильный отрицательный заряд, что определяет тропность к ним положительно заряженных молекул.

В современной литературе органоспецифичность ДТ связывают с особенностями кровоснабжения поражаемых органов [1]. Однако ни печень, ни желудочно-кишечный тракт не подвержены воздействию токсина, хотя 25 и 10 % сердечного выброса крови соответственно приходится именно на них. Здесь рассматривается предположение о том, что органоспецифичность токсина можно объяснить наличием и соотношением рецепторов HB-EGF и корецепторов CD9 в клетках различных типов. По данным базы RefExA [6], HB-EGF присутствует в большом количестве в спинномозговых нервах (Spinal_c), клетках щитовидной железы (Thyroid), легочном эпителии (Lung), гладкой мышечной ткани (Sm_mscl), кардиомиоцитах (Heart), почечном эпителии (Kidney_2), эпителии желудка (Stomach), кишечном эпителии (Colon2, Colon3) (рис. 2А). Что касается корецептора CD9, то его достаточно много почти во всех клетках, исключение составляют скелетные миосимпласты (Sk_mscl), клетки печени (Liver), сперматогенный эпителий (Testis), гемопоэтические клетки костного мозга (Bone_mar) (рис. 2Б). Для действия дифтерийного токсина необходим и HB-EGF, и CD9, и этому условию отвечают клетки сердца, легких, ЖКТ, почек, щитовидной железы, спинномозговых и черепно-мозговых нервов.

Осложнения при дифтерии сквозь призму гипотезы

Первое осложнение гипертоксической формы дифтерии — миокардит [1], что можно объяснить наличием фазы плато при возбуждении кардиомиоцитов, у которых при этом деполяризация протекает дольше, чем у клеток других возбудимых тканей. Далее наступает канальцевый нефроз [7], геморрагия надпочечников [8], а через недели, иногда уже после выздоровления, — невриты и полиневриты [9]. Такая последовательность связана с субстратной специфичностью токсина к EF-2, который в норме присутствует вблизи рибосом и шероховатого ретикулума. В нейронах эти органеллы расположены только в соме; токсин проникает в клетку чаще всего через аксоны и дендриты и затем, чтобы достичь своего субстрата, субъединица А использует внутриклеточные механизмы переноса белка от отростков к телу — ретроградный транспорт. Факт использования таких механизмов переноса был установлен для многих токсинов [10], но скорость такого переноса очень медленная — около 1 мм/сут., из-за чего поражения со стороны нервной системы наступают позднее [9].

Нефроз может быть связан с особенностями устройства почечного фильтра: поры в наиболее узком его сегменте, гломерулярной базальной мембране, способны пропускать неотрицательно заряженные молекулы массой до 69 кДа, что связано с наличием отрицательно заряженного гликокаликса на поверхности мембран клеток [5]. ДТ, очевидно, фильтруется в капсулу Боумена–Шумлянского, где попадает в проксимальные канальцы и захватывается за счет взаимодействия с комплексом мегалин–кубилин [5], т. е. происходит его эндоцитоз. ДТ — кислый белок, поэтому описанное проникновение возможно только при наличии у молекулы сильного положительного полюса, который будет притянут гликокаликсом. Далее, вместо расщепления лизосомальными ферментами, субъединица A токсина проникает в цитозоль канальцевого эпителия и наступает нефроз [7].

Сказанное подтверждает, что особенностями кровоснабжения можно объяснить только вызываемую ДТ геморрагию надпочечников [8]. Интенсивность кровообращения в этом органе крайне высока: 3 крупных и около 25–30 мелких артерий. Это делает надпочечники уязвимыми к перепадам давления, определяет их склонность к тромбообразованию при обширной кровопотере, токсинемии и шоке, когда кровоснабжение одних органов (жизненно важных) усиливается в ущерб другим (менее важным) [11].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложенный комплексный подход позволяет судить как о механизме действия дифтерийного токсина, так и о его влиянии на инфекционный процесс в целом, что позволяет лучше понять патогенез дифтерии. На основе выдвинутой гипотезы могут быть предложены более совершенные методы терапии гипертоксических форм заболевания, а также может быть изучен механизм действия других токсинов.