[Vi sinh lâm sàng số 2] Cấu trúc tế bào, yếu tố độc lực và độc tính

Những vi sinh vật độc hại là thứ có thể gây nên những bệnh tật. Độc lực (virulence) của một vi sinh vật là mức độ khả năng gây bệnh của vi sinh vật. Tính độc lực phụ thuộc nhất định vào hình dáng cấu trúc tế bào và vào ngoại độc tố, nội độc tố của vi khuẩn, tất cả những thứ đó chính là yếu đố độc lực (virulence factor).

 

CẤU TRÚC TẾ BÀO NHƯ LÀ MỘT YẾU TỐ ĐỘC LỰC

Tiên mao

2.1. Tiên mao là những sợi protein dài trông giống như những chiếc đuôi mọc dài ra từ màng tế bào vi khuẩn Gram dương và Gram âm. Những sợi tiên mao này mọc nhiều theo trục dài của vi khuẩn, nó giúp cho vi khuẩn di động. Tiên mao (flagellum) được gắn vào vi khuẩn nhờ các thể gốc (basal body). Các thể gốc kéo dài xuyên qua toàn bộ vách tế bào, liên với với các màng bên trong và bên ngoài vi khuẩn Gram âm và màng bên trong vi khuẩn Gram dương (vi khuẩn Gram dương không có màng bên ngoài). Các thể gốc có thể tự xoay vòng và xoay các sợi tiên mao. Điều này làm cho tiên mao của vi khuẩn uốn lượn một cách nhịp nhàng để giúp vi khuẩn di chuyển đến hoặc tránh xa dựa theo nồng độ các chất hóa học. Sự di chuyển đó được gọi là hóa ứng động (chemotaxis)

2.2. Vi khuẩn có thể có đơn độc một cực tiên mao (polar flagellum) (cực có nghĩa là tại một đầu của tế bào) như trường hợp ở Vibrio cholera, hoặc có nhiều tiên mao rải rác (ở xung quanh tế bào) như trường hợp ở Escherichia coli và Proteus mirabilis. Shigella không có tiên mao.

Xoắn khuẩn trông rất mảnh và đều cuộn xoắn lại. Thân tiên mao mọc ra từ một đầu vách tế bào của xoắn khuẩn, nhưng thay vì mọc hẳn ra khỏi lớp màng ngoài (giống như các vi khuẩn khác được trình ở mục 2.1) thì tiên mao lại mọc dọc theo bên dưới lớp vỏ ngoài duy nhất của xoắn khuẩn. Loại tiên mao đó trong chuyên
nghành được gọi là tiên mao chu chất (periplasmic flagella). Những tiên mao chu chất này quấn xung quanh xoắn khuẩn và có tác dụng tạo ra lực đẩy, đẩy xoắn khuẩn về phía trước nhờ sự uốn vặn tế bào theo kiểu vặn nút chai.

Pili

Pili (còn được gọi là fimbriae) là những sợi tơ thẳng mọc ra từ vách tế bào của vi khuẩn, làm cho vi khuẩn trông giống như con nhím.

2.3. Pili ngắn hơn rất nhiều so với tiên mao và không di động. Pili có thể hoạt động như là những yếu tố bám dính (ahherence factor) (có nơi còn gọi là adhesins). Rất nhiều vi khuẩn có adhesin như là yếu tố quan trọng liên quan đến khả năng năng gây bệnh của chúng.

Cho ví dụ, Neisseria gonorrhea có pili giúp cho chúng tìm tới niêm mạc miệng và niêm mạc cổ tử cung để gây nên bệnh lậu (gonorrhea). Escherichia coli và Campylobacter jejuni không thể gây nên bệnh tiêu chảy nếu chúng không có các adhesin để tìm tới lớp tế bào thượng bì của ruột, và Bordetella pertussis sử dụng các adhesin để tìm tới các tế bào lông chuyển của hô hấp để gây bệnh ho gà. Vi khuẩn không sản xuất ra được những pili thì chúng không thể bám dính vào nạn nhân, nó mất tính độc lực và không thể gây nên sự nhiễm trùng ở người. Ngoài ra còn có những pili rất đặc biệt, được trình bày ở chương tiếp theo, được gọi là pili giới tính (sex pili).

Vỏ (Capsul)

Vỏ là một bức tường bảo vệ xung quanh màng tế bào của vi khuẩn Gram dương và Gram âm. Chúng thường được cấu tạo từ những loài đường đơn. Vi khuẩn sản xuất ra một nữa lượng đường đó, sau đó vi khuẩn phủ lượng đường đó lên lớp thành ngoài của chúng. Có một loại vi khuẩn, Bacillus anthracis, là loại duy nhất có vỏ được cấu tạo từ amino acid.

2.4. Vỏ có khả năng làm cho vi khuẩn có tính độc lực cao hơn bởi vì các đại thực bào (macrophage) và các bạch cầu đa nhân trung tính (neutrophil) không thể thực bào vi khuẩn khi chúng được đã được bao bọc (encapsulate) cẩn thận. Lấy ví dụ ở Streptococcus pneumoniae có một lớp vỏ. Khi nuôi cấy thí nghiệm, thì thấy những vi khuẩn được bao bọc bởi lớp vỏ này phát triển một cách suôn sẻ (smooth – S) và gây ra cái chết nhanh chóng khi được tiêm vào chuột. Một vài Streptococcus pneumoniae không có lớp vỏ và phát triển khó khăn (rough – R) ở trên môi trường thạch (agar), và làm cho chúng mất đi tính độc lực hoặc khi tiêm vào chuột thì không làm cho chuột bị chết. Hai xét nghiệm quan trọng cho phép người thầy thuốc có thể hình dung ra các lớp vỏ dưới kính hiển vi và hỗ trợ cho việc xác định vi khuẩn:

1) Nhuộm màu mực nho (India ink stain): Bởi vì vết mực không thể xâm nhập vào bên trong bởi lớp vỏ nhầy, lớp vỏ xuất hiện như là một quầng sáng trong suốt xung quanh tế bào. Xét nghiệm này được sử dụng chủ yếu để xác định các loại nấm Cryptococcus

2) Phản ứng Quellung (Quellung reaction): Vi khuẩn bị hòa lẫn với kháng thể khi chúng gắn lên lớp vỏ nhầy. Khi kháng thể gắn lên làm cho nước tràn vào và lớp vỏ trương phình lên vì thế dễ quan sát bằng hiển vi.

Các kháng thể trong cơ thể của chúng ta gắn trực tiếp lên vỏ bảo vệ của vi khuẩn để giúp các đại thực bào và các bạch cầu đa nhân trung tính tìm tới và thực bào các vi khuẩn này. Quá trình kháng thể gắn lên lớp vỏ như vậy được gọi là sự opsonin hóa (opsonization).

2.5. Một khi kháng thể đã gắn lên vỏ của vi khuẩn (sự opsonin hóa), thì sau đó các đại thực bào và các bạch cầu đa nhân trung tính sẽ liên kết với phần Fc trên kháng thể và thực bào vi khuẩn. Một vaccin chống lại Streptococcus pneumoniae chứa 23 type kháng nguyên vỏ phổ biến nhất. Sự tiêm chủng bằng vaccin đó sẽ kích thích hệ thống miễn dịch chống lại các kháng nguyên vỏ và sản xuất ra các kháng thể để bảo vệ cá thể đã tiêm chủng khỏi sự viêm nhiễm sau này do vi khuẩn đó gây ra.

Nha Bào

Nha bào (Endospore) chỉ có ở 2 chi của vi khuẩn. Cả 2 chi đó đều thuộc vi khuẩn Gram dương: Bacillus hiếu khí và Clostridium yếm khí

2.6. Nha bào là một dạng mà vi khuẩn ở trạng thái không thực hiện sự trao đổi chất và nó có khả năng đề kháng với nhiệt độ cao hoặc thấp, khô hạn và với các chất hóa học. Chúng được bảo vệ bởi rất nhiều lớp gồm:
A) Một màng tế bào
B) Một lớp lưới peptidoglycan dày
C) Một lớp màng tế bào khác
D) Một thành keratin giống protein (keratin – like protein)
E) Một lớp ở bên ngoài được gọi là lớp ngoại bào tử (exosporium)

Nha bào hình thành khi có sự thiếu hụt các chất dinh dưỡng cần thiết và có thể không hoạt động trong nhiều năm. Các dụng cụ phẫu thuật được đun nóng ở trong một lò hấp (autoclave), lò hấp này sử dụng hơi nước để tạo ra áp suất cao, nhiệt độ đun nóng lên 121oC trong 15 phút để đảm bảo phá hủy được nha bào của Clostridium và Bacillus. Khi nha bào ở trong môi trường thuận lợi và có các chất dinh dưỡng cần thiết thì sẽ hoạt động trở lại.

Màng Sinh Học

Màng sinh học (biofilm) là một mạng lưới polysaccharid ngoại bào, tương tự như polysaccharid của lớp vỏ nhầy, nó tạo thành một giàn đỡ cơ học bao xung quanh vi khuẩn. Màng sinh học cho phép vi khuẩn gắn vào các bộ phận nhân tạo, như là các ống thông tĩnh mạch, và bảo vệ chúng khỏi sự tấn công của kháng sinh và hệ thống miễn dịch. Staphylococcus epidermidis thường hình thành màng sinh học trên các ống thông tĩnh mạch và gây ra nhiễm trùng huyết. Hãy tưởng tượng vi khuẩn tiết ra các chất polysaccharid để tạo ra một khối bê-tông (concrete) bao xung quanh chúng để tạo ra một cái kho chứa sinh học (biological bunker) và rất khó để các chất kháng sinh có thể xuyên qua các cái màng sinh học này. Cách hiệu quả để điều trị những viêm nhiễm liên quan đến các thiết bị nhân tạo này là tháo bỏ chúng ra khỏi bệnh nhân.

Vi Khuẩn Ký Sinh Nội Bào Tùy Ý

Rất nhiều vi khuẩn bị thực bào bởi các đại thực bào và bạch cầu đa nhân trung tính của vật chủ nhưng mà chúng tồn tại trong các tế bào máu trắng đó mà chẳng hề hấn gì !!! Những vi khuẩn đó có khả năng ức chế phản ứng phức hợp thực bào – lysosome, do đó chúng thoát khỏi tác dụng của hydro peroxid, gốc superoxid. Khi ở bên trong tế bào, các vi khuẩn được an toàn khỏi tác dụng của kháng sinh và hàng rào miễn dịch.

Các vi khuẩn ký sinh nội bào tùy ý
1. Listeria monocytogenes
2. Salmonella typhi
3. Yersinia
4. Francisella tularensis
5. Brucella
6. Legionella
7. Mycobacterium
8. Nocardia

2.7. Vi khuẩn ký sinh nội bào tùy ý. Có một cách ghi nhớ hữu ích để nhớ được 8 vi khuẩn này là: Listen Sally Yer Friend Bruce Must Leave Now
(Listeria, Salmonella, Yersinia, Francisella, Brucella, Legionella, Mycobacterium, Nocardia)

ĐỘC TỐ

Ngoại Độc Tố

Ngoại độc tố (exotoxin) là một loại protein được tiết ra từ vi khuẩn Gram dương và cả vi khuẩn Gram âm. Nó có thể gây nên rất nhiều triệu chứng bệnh. Nội độc tố được tiết ra từ hầu hết vi khuẩn Gram dương. Vi khuẩn Gram âm như là Vibrio cholera, Escherichia coli, và nhiều loại khác cũng đều có thể tiết ra các nội độc tố. Những loại bệnh nghiêm trọng do ngoại độc tố gây ra gồm bệnh than, ngộ độc thịt (botulism), uốn ván, dịch tả.

Độc tố thần kinh (neurotoxin) là các chất ngoại độc tố tấn công lên các dây thần kinh và các tấm vận động (motor endplate) gây nên bại liệt (paralysis). Độc uốc ván và chất độc thịt là những ví dụ điển hình.

Độc tố ruột (enterotoxin) là ngoại độc tố tấn công lên hệ tiêu hóa để gây nên bệnh tiêu chảy. Chất ngoại độc tố này gây ức chế việc tái hấp thu NaCl, làm tăng tiết NaCl, hoặc làm chết đi các tế bào biểu mô ruột. Kết quả là gây ra sự thẩm thấu, kéo dịch vào trong lòng ruột và gây ra bệnh tiêu chảy. Độc tố ruột gây ra 2 triệu chứng bệnh quan trọng:

1) Tiêu chảy nhiễm trùng (infectious diarrhea): Khi các vi khuẩn xâm nhập sẽ cư trú ở đường tiêu hóa và tiết ra ngoại độc tố. Tiêu chảy chỉ hết cho đến khi nào vi khuẩn bi tiêu diệt bởi hệ thống miễn dịch hoặc kháng sinh (hoặc bệnh nhân tử vong thứ cấp vì mất nước). Ví dụ như là Vibrio cholera, Escherichia coli, Campylobacter jejuni và Shigella dysenteriae

2) Ngộ độc thực phẩm (food poisoning): Vi khuẩn tồn tại trong thức ăn và tiết độc tố ruột vào thức ăn. Khi ăn các thực phẩm đó sẽ gây ra tiêu chảy và nôn mửa ít nhất trong vòng 24 giờ. Ví dụ như là Bacillus cereus và Staphylococcus aureus

Chất gây sốt ngoại sinh (pyrogenic exotoxin) kích thích giải phóng các cytokin gây ra phát ban, sốt, hội chứng sốc nhiễm độc (toxic shock syndrome). Ví dụ: Staphylococcus aureus và Streptococcus pyogenes

Ngoại độc tố xâm lấn mô (tissue invasive exotoxin) cho phép vi khuẩn phá hủy và tạo “đường hầm” (tunnel) đi qua các mô. Đó là các enzym phá hủy ADN, collagen, fibrin, NAD (nicotinamide adenine dinucleotide), hồng cầu và bạch cầu.

Các chất ngoại độc tố hỗn hợp (miscellaneous exotoxin), là những yếu tố độc lực cơ bản của nhiều loại vi khuẩn, có thể gây nên một số bệnh nhất định của từng loại vi khuẩn riêng biệt. Thường thì vai trò của ngoại độc tố này chưa biết rõ chính xác vai trò.

2.8. Bảng sau đây sẽ trình bày các chất ngoại độc tố quan trọng và so sánh cơ chế hoạt động của chúng. Bây giờ hãy lướt qua bảng xắp xếp rồi sẽ trở lại với bảng đó để xem như học chi tiết về từng loại vi khuẩn.

2.9. Các tiểu đơn vị ở vi khuẩn Bacillus anthracis, Clostridium tetani, Clostridium botulinum, Corynebacterium diphtheriae và Vibrio cholera. Ngoại độc tố của chúng đều có chứa 2 tiểu phần polypeptid liên kết với nhau bởi cầu nối disulfide. Một trong những cầu nối đó (được gọi là cầu nối B trong Biding hoặc H trong Holding on) liên kết với tế bào đích. Còn tiểu phần khác (còn gọi là A trong Action hoặc L trong Laser) thì chúng đi vào trong tế bào và gây ra các triệu chứng nhiễm độc. Bức tranh dưới đây mô phỏng chúng như là một chìa khóa (B và H) và một khẩu súng (A và L) liên kết với nhau bởi cầu nối disulfide, chìa khóa mở đường vào tế bào và khẩu súng thì gây tổn thương tế bào.

Nội Độc Tố

Hãy nhớ lại từ chương trước rằng nội độc tố (endotoxin) là một lipid A, là một phần thuộc màng ngoài Lipopolisaccharid (LPS) của vi khuẩn Gram âm (xem mục 1.6). Lipid A/nội độc tố là một độc tố rất mạnh và được tiết ra tế bào vi khuẩn bị ly giải (bị phá hủy). Nội độc tố cũng được thải ra một cách ổn định từ vi khuẩn sống. Đôi khi, việc điều trị cho một bệnh nhân bị nhiễm khuẩn Gram âm bằng kháng sinh có thể làm cho tình trạng bệnh nhân trở nên tệ hơn bởi vì khi tất cả vi khuẩn bị ly giải sẽ làm tăng một lượng lớn nội độc tố. Nội độc tố khác với ngoại độc tố ở chỗ là nó không phải protein được tiết ra từ các tế bào, nhưng thay vì là một phần bình thường của màng ngoài thì luôn được tiết ra một phần nhỏ, nhất là trong quá trình ly giải. Nội độc tố gây bệnh cho con người chỉ khi đã được xác định là bị nhiễm vi khuẩn Gram âm.

Sốc Nhiễm Khuẩn

Sốc nhiễm khuẩn (sốc nhiễm độc) là một loại sốc thường gặp và thường gây tử vong khi nhiễm trùng Gram dương và Gram âm. Trong thực tế, sốc nhiễm khuẩn là nguyên nhân số một gây tử vong trong các đơn vị chăm sóc đặc biệt (ICU) và đứng thứ 13 trong các nguyên nhân gây tử vong phổ biến ở Mỹ (Parrillo, 1990). Để hiểu hơn, chúng ta hãy xem xét lại một số điều kiện gây sốc nhiễm trùng:

Nhiễm khuẩn (bacteremia): hiểu đơn giản đó là khi vi khuẩn xâm nhập vào trong mạch máu. Có thể phát hiện vi khuẩn xâm nhập bằng cách cấy máu (blood culture) để phân lập vi khuẩn. Sự nhiễm khuẩn có thể xảy ra âm thầm và không có triệu chứng rõ rệt. Nhiễm khuẩn có thể kích thích hệ thống miễn dịch, dẫn đến nhiễm trùng huyết và có thể gây tử vong.

Nhiễm khuẩn huyết (sepsis): nhiễm khuẩn huyết ám chỉ đến một nhiễm trùng khi nó gây ra sự đáp ứng viêm nhiễm của hệ thống miễn dịch. Phản ứng này có thể bao gồm sự tăng hoặc giảm nhiệt độ cơ thể, tăng lượng bạch cầu, nhịp tim nhanh hoặc nhịp thở nhanh. Ở bệnh nhân nhiễm khuẩn huyết được miêu tả như là “cái nhìn bệnh tật” (looking sick)

Sốc nhiễm khuẩn (Septic sock): nhiễm khuẩn huyết dẫn gây ra các tình trạng nguy hiểm như hạ huyết áp và rối loạn chức năng đa cơ quan, được gọi là sốc nhiễm khuẩn. Nó cũng được gọi là sốc nội độc tố (endotoxin sock) vì nội độc tố thường gây ra các đáp ứng miễn dịch, điều đó dẫn tới nhiễm khuẩn huyết và sốc. Vi khuẩn Gram dương và nấm cũng có thể gây ra các đáp ứng miễn dịch bất lợi này.

Chuỗi các hiện tượng đưa đến sự nhiễm trùng huyết và tử vong khi vi khuẩn Gram dương hoặc Gram âm hoặc nấm bắt đầu gây viêm nhiễm ở một vùng. Từ vùng đó hoặc từ trong máu (nhiễm khuẩn), các vi sinh vật sẽ tiết ra các chất độc tố (như là ngoại độc tố và/hoặc nội độc tố), những chất đó sẽ lưu hành trong mạch máu và kích thích các tế bào miễn dịch như là đại thực bào và bạch cầu trung tính. Những tế bào này, để đáp ứng với các kích thích, tiết ra một loạt các protein, các chất đó được kể đến như là chất trung gian nội sinh (endogenous mediator) trong nhiễm khuẩn huyết.

Quan trọng nhất trong các chất trung gian nội sinh đó là yếu tố hoại tử khối u (Tumor Necrosis Fator – TNF). TNF còn được gọi là cachectin bởi vì nó được giải phóng từ khối u, gây ra một chứng làm cơ thể sản xuất năng lượng một cách lãng phí (sụt cân nhiều), được gọi là hội chứng suy mòn (cachexia) ở bệnh nhân ung thư. Trong thí nghiệm, khi tiêm TNF vào động vật thì làm chúng bị hạ huyết áp và chết (sốc). TNF kích thích tiết cytokine interleukin – 1 (IL – 1) từ đại thực bào và các tế bào nội mô, và IL – 1 này lại kích thích tiết các cytokine khác và prostaglandin. Các chất trung gian này, lúc đầu bảo vệ cơ thể chống lại các vi sinh vật xâm nhập, nhưng về cuối lại quay sang gây hại cho cơ thể. Các chất trung gian tác động lên các mạch máu và cơ quan để gây ra sự giãn mạch (vasodilatation), hạ huyết áp, và rối loạn chức năng đa cơ quan.

Khả năng tử vong do sốc nhiễm khuẩn chiếm tỷ lệ cao: khả năng lên tới 40% bệnh nhân sẽ tử vong, ngay cả khi được chăm sóc tích cực và điều trị kháng sinh. Tất cả hệ thống các cơ quan bị suy thì chắc chắn tăng tỷ lệ tử. Thường thì hai cơ quan có liên quan với nhau (hạ huyết áp ở hệ thống mạch máu và sự thiếu dưỡng khí (hypoxia) ở phổi) thì tỷ lệ tử vong khoảng 40%. Khi thêm một cơ quan nội tạng bị suy (suy thận…) thì cộng thêm 15 – 20% khả năng tử vong.

Điều Trị

Nguyên tắc quan trọng nhất trong điều trị là tìm ra nơi bị viêm nhiễm và các vùng có liên quan để diệt trừ nguồn gốc. Phổi là vùng viêm nhiễm phổ biến nhất (viêm phổi) tiếp theo là ở vùng bụng và đường niệu đạo. Trong đó, chiếm 1/3 số trường hợp là ở những vùng nhiễm trùng vẫn chưa được xác định. Việc điều trị kháng sinh bị trì hoàn là rất nguy cấp vì nó làm tăng từ 10 đến 15 lần tỷ lệ tử vong. Ngay cả khi muốn điều trị tập trung vào vùng bị nhiễm khuẩn thì cũng nên khởi đầu điều trị bằng các nhóm kháng sinh phổ rộng (được gọi là điều trị theo kinh nghiệm – empiric therapy). Nói cách khác, khi bệnh nhân bắt đầu trở bệnh, thì hãy tấn công bằng những “công cụ” của bạn vào những mục tiêu tiềm năng. Hãy điều trị càng sớm càng tốt !

Huyết áp phải được hỗ trợ bằng dịch truyền và thuốc (dopamin và norepinephrin là loại thuốc thông thường được sử dụng) và duy trì ổn định nồng độ oxy trong máu (thường được chỉ định đặt ống nội khí quản và cho thở máy). Trong thập kỷ qua, đã có nhiều nỗ lực trong việc chống lại sự lan rộng của viêm nhiễm như là sử dụng các kháng thể đơn dòng, TNF, và interleukin – 1, các chất chống viêm như ibuprofen và stetoid và nhiều các chất khác còn đang được nghiên cứu (thụ thể TNF, chất chống oxit nitric, CRP và hợp chất chống oxi hóa) nhưng đều gặp thất bại. Hầu hết những phương pháp điều trị đó đều thất bại trong việc làm giảm tỷ lệ tử vong trong các cuộc nghiên cứu trên lâm sàng. Tương tự như vậy, trong một gian dài thì hydrocortison được cho là có lợi ích cho bệnh nhân bị sốc nhiễm khuẩn, nhưng trong kết quả được công bố vào năm 2008 của các cuộc nghiên cứu có quy mô lớn thì đều không cho thấy hydrocortison có bất kỳ một lợi ích nào. Mặc dù các công bố mang tính phủ nhận vai trò của corticosteroid trong sốc nhiễm khuẩn nhưng vẫn có nhiều người bảo vệ ý kiến của mình rằng nó vẫn được sử dụng như một thứ “chữa lửa” ban đầu

2.10. Các triệu chứng của sốc nhiễm trùng trên các cơ quan
*Ghi nhớ 4 loại vi khuẩn sản xuất ra nội độc tố làm tăng nồng độ cAMP
c = cholera (Vibrio cholera)

A = anthrax (Bacillus anthracis)

M = sự báo thù của Montezuma (thường được biết với độc tố ruột E. coli)

P = pertussis (Bordetella pertussis)

 

Bài viết được dịch từ sách ”Clinical Microbiology made ridiculously simple”