LPS 细菌

目前更广泛使用的术语“内毒素”指代脂多糖 (Lipopolysaccharide)，它是革兰氏阴性菌，包括沙门氏菌和埃希氏大肠杆菌，在细胞包膜最外层膜中发现的一组结构相似的物质。脂多糖 (LPS) 是由三个共价键合的成分组成的大分子：脂质 A（主要负责毒性）、一个内核心寡糖和一个称为 O 抗原的外核心多糖。尽管存在一些与 LPS 无关的内毒素（原始意义上的细胞内毒素，在细胞破裂时释放），例如苏云金芽孢杆菌产生的所谓δ-内毒素蛋白，但在现代术语中，“内毒素”和“LPS”经常可以互换使用。

脂多糖主要与免疫系统相互作用，对人类健康产生重要影响。LPS 是一种热原（引起发热的物质）和强效的 免疫系统 刺激剂。在极端情况下，LPS 会导致多种形式的急性器官衰竭和快速的宿主反应，这两种情况都可能导致败血性休克。有证据表明，LPS 在较低剂量和较长时间内可能对细胞衰老、肥胖、抑郁和自身免疫产生重大且有害的影响。

Discovery (发现)

理查德·弗里德里希·约翰内斯·菲弗 (Richard Friedrich Johannes Pfeiffer) 是第一个发现 LPS 具有有害特性的人，他称之为内毒素。他区分了“在”细菌细胞内部的毒素（内毒素），仅在细菌外膜被破坏后释放；以及外毒素，由细菌释放到周围环境中。后来的研究表明，LPS 从革兰氏阴性菌释放并不总是需要破坏细菌细胞壁。相反，LPS 作为正常生理活动膜囊泡运输的副产品，以细菌外膜囊泡 (OMVs) 的形式释放，这些囊泡也可能包含其他蛋白质和毒力因子。

在细菌中的功能

革兰氏阴性菌的外细胞膜含有大量 LPS，有助于维持细菌的结构完整性，并保护膜免受某些类型的化学攻击。LPS 占沙门氏菌和埃希氏大肠杆菌外膜的比例高达 80%，是大多数革兰氏阴性菌细胞表面最普遍的抗原。LPS 有助于稳定整个膜结构，并增加 细胞膜 的负电荷。许多革兰氏阴性菌依赖于它，如果编码它的基因发生改变或缺失，它们就会死亡。然而，至少一些革兰氏阴性菌，包括鲍氏不动杆菌、卡他莫拉菌和脑膜炎奈瑟菌，似乎不需要 LPS。此外，它还与细菌生态的非致病性方面相关，例如与变形虫等捕食者的相互作用、噬菌体敏感性以及表面附着。此外，一类细菌蛋白酶——外膜蛋白酶 (omptins)——需要 LPS 才能发挥作用。

组合 (Composition)

Kdo2-脂质 A 糖脂。葡糖胺残基为蓝色，酰基链为黑色，磷酸基团为绿色，Kdo 残基（核心）为红色。

LPS 由三个成分组成，它们是双亲性的：亲水性的 O 抗原（或 O 多糖）、疏水性的核心寡糖和疏水性区域脂质 A。

O 抗原

O 抗原、O 多糖或细菌的 O 侧链，是指 LPS 中存在的重复糖链聚合物。O 抗原是 LPS 分子的最外层区域，与核心寡糖相连。不同的大肠杆菌菌株产生超过 160 种不同的 O 抗原结构，O 链的结构和组成因菌株而异，影响了亲本细菌菌株的血清学特异性。

根据 O 链的存在或缺失，LPS 被分为“粗糙型”或“光滑型”。如果 O 链是全长的，则 LPS 为光滑型；如果 O 链被缩短或缺失，则为粗糙型。由于粗糙型 LPS 具有更强的疏水性，携带它的细菌的细胞膜通常对疏水性 抗生素 的渗透性更强。细菌细胞最外层暴露的 O 抗原，使其成为宿主抗体识别的靶标。

核心

七糖和 3-脱氧-D-甘露-辛酮-2-醛酸（也称为 KDO，酮脱氧辛酮酸）是核心区域中常见的糖，核心区域总是包含一个直接与脂质 A 相连的寡糖成分。由于许多细菌物种共享特定的核心结构，因此核心寡糖的结构和组成变化较小。许多细菌的 LPS 核心还含有非碳水化合物成分，如磷酸、氨基酸和乙醇胺取代基。

脂质 A

通常情况下，脂质 A 是一种磷酸化的葡糖胺二糖，上面装饰有多种脂肪酸。LPS 的其余部分从细胞表面伸出，而这些疏水性的脂肪酸链将蛋白质附着在细菌膜上。大多数革兰氏阴性菌的毒性是由其最具生物活性的区域——脂质 A 区域引起的。免疫系统裂解细菌细胞并将含有脂质 A 的膜碎片释放到血液中，可能导致发烧、腹泻和可能致命的内毒素性败血性休克（一种败血性休克）。脂质 A 部分是 LPS 最保守的成分之一。然而，不同细菌物种的脂质 A 结构不同。脂质 A 结构主要决定了宿主免疫激活的类型和程度。

脂寡糖

由于缺乏 O 多糖，LPS 的“粗糙型”分子量减小。它被一种短寡糖——脂寡糖 (LOS) 取代，LOS 是一种存在于某些革兰氏阴性细菌物种（如流感嗜血杆菌和淋球菌）外膜中的糖脂。LOS 对于维持革兰氏阴性细胞包膜外膜的功能和完整性至关重要。由于 LOS 可同时作为免疫兴奋剂和免疫调节剂，因此它们在多种细菌感染的病理生理学中至关重要。此外，LOS 分子赋予某些细菌菌株分子模拟和抗原变异的能力，这有助于它们逃避宿主的免疫防御，从而增加其致病性。脑膜炎奈瑟菌分子的内核心由七糖 (Hep) 和 3-脱氧-D-甘露-2-辛酮酸 (KDO) 部分组成，而分子的脂质 A 部分具有对称结构。外核心寡糖链取决于细菌菌株。

LPS 解毒

当 LPS 进入或在动物组织中产生时，它可以通过一种高度保守的宿主酶——酰氧基酰水解酶 (AOAH) 进行解毒。它还可以将肠道 LPS 转化为 LPS 抑制剂。这种由中性粒细胞、巨噬细胞和树突状细胞产生的脂肪酶，通过分离脂质 A 的两个次级酰基链，形成四酰基 LPS，从而降解 LPS。缺乏 AOAH 的小鼠在肠道外给予 LPS 时，会表现出肝脏肿大、非特异性抗体滴度高以及内毒素耐受性延长。肠外暴露 LPS 后，动物可能需要 LPS 失活才能恢复 平衡。小鼠还有许多其他阻断 LPS 信号传导的途径，但没有一种能够阻止 AOAH 缺乏动物的这些变化。

肠道碱性磷酸酶通过去磷酸化 LPS，可以恢复正常的肠道菌群，并减轻鼠伤寒沙门氏菌和艰难梭菌感染的严重程度。通过去磷酸化 LPS 的脂质 A 部分，碱性磷酸酶可以阻止由细菌引起的肠道炎症（和“肠漏”）。

生物合成和转运

脂质 A-Kdo2 是在细菌细胞内膜表面产生的第一个分子，是完整 LPS 生产的起点。然后，在一种称为 MsbA 的蛋白质的帮助下，该分子在内膜上添加了更多的糖，然后被转移到周质空间，即内膜和外膜之间的区域。内膜含有独特的酶复合物，可产生 LPS 的另一个成分——O 抗原。然后，它通过三种不同的机制被转运到外膜：一种依赖于 Wzy，另一种使用 ABC 转运蛋白，第三种使用合成酶依赖的程序。最后，脂多糖转运 (Lpt) 蛋白的膜间桥将 LPS 携带到外膜。这种转运蛋白可能是抗生素的一个靶点。

对革兰氏阴性菌感染宿主造成的生物学影响

体内 LPS 储存

人体内存在内源性 LPS 储备。革兰氏阴性菌是定植在上皮表面的复杂微生物群落的一部分；它们的人数是人类细胞的十倍。革兰氏阴性菌会释放内毒素。宿主和微生物之间的这种共生关系对于维持全身免疫稳态至关重要。内毒素血症和内毒素性败血性休克等疾病可能由此发生。

免疫反应

LPS 作为典型的内毒素，通过促进花生四烯酸、一氧化氮和促炎细胞因子的释放，与多种细胞类型（尤其是单核细胞、树突状细胞、巨噬细胞和 B 细胞）上的 CD14/TLR4/MD2 受体复合物结合。布鲁斯·博伊特勒 (Bruce Beutler) 的研究证明 TLR4 是 LPS 受体，为此他获得了 2011 年诺贝尔生理学或医学奖。

超氧化物是 LPS 在表达 TLR（Toll 样受体）的各种细胞类型中引起的主要的活性氧物质之一，作为细胞应激反应的一部分。LPS 也是另一种外源性热原（引起发热的物质）。

由于 LPS 激活了大量的转录因子，其功能多年来一直是实验研究的主题。许多与败血性休克相关的介质也由 LPS 产生。人类对 LPS 的敏感性远高于其他灵长类动物和其他哺乳动物，包括小鼠。人类在 1 μg/kg 的剂量下就会休克，而小鼠可以承受高达千倍的剂量。这可能与这两个物种体内天然抗体水平的差异有关。

此外，它可能与多种对抗感染的免疫策略有关，以及一种多方面的抗菌方法，这种方法受到我们物种进化过程中人类行为变化的影响（例如吸烟、吃肉和农业实践）。科学家们通过增加单核细胞上 PD-1 的水平，从而导致单核细胞在 PD-1 被 PD-L1 结合后产生 IL-10，证明 LPS 会引起 IL-10 依赖性的 CD4 T 细胞生长和功能抑制。

革兰氏阴性病原菌感染的严重临床症状，包括引起脑膜炎球菌病的脑膜炎奈瑟菌，如脑膜炎球菌血症、沃特豪斯-弗里德里希综合征和脑膜炎，很大程度上是由内毒素引起的。

分子模拟是指某些细菌能够在其表面呈现出在化学上与某些类型宿主细胞的表面分子相同或相似的分子。已证明多种细菌菌株的 LPS 片段在化学上与人类宿主细胞表面分子相似。例如，脑膜炎奈瑟菌 L2,3,5,7,9 中的寡糖的末端四糖部分（乳糖-N-新四糖）与人类红细胞上 ABH 糖脂抗原的前体——副球糖脂相同的四糖。另一个例子是病原性奈瑟菌属的寡糖，它含有乳糖三糖，这是其末端三糖部分。

人细胞的乳糖神经酰胺糖鞘脂也含有 LOS。已证明 B 组和 C 组的大多数淋球菌和脑膜炎球菌的 LOS 结构包含这种三糖。在感染具有特定人类白细胞抗原 (HLA) 型别（如 HLA-B35）的宿主时，这些人类细胞表面“模仿物”的存在除了作为免疫系统的“伪装”外，还可能导致免疫耐受性的消除。

通过与 TLR4 结合，造血干细胞 (HSCs) 可以直接感知 LPS，从而在全身感染时触发其增殖。这种反应激活了 HSCs 的 TLR4-TRIF-ROS-p38 信号通路，而长期的 TLR4 激活可能导致增殖性应激，从而降低 HSCs 的竞争性重塑能力。通过感染小鼠的伤寒沙门氏菌获得了相似的结果，在体内也证实了实验概念。

变异对免疫反应的影响

LPS 分子中最具变异性的、对获得性免疫特异性起作用的成分是外层碳水化合物，即 O 抗原。而脂质 A 是最保守的成分。但脂质 A 的组成也会有所不同（例如，在属内或属间脂肪酸的类型和数量上）。其中一些变体可能赋予这些 LPS 相反的性质。例如，球形红细菌 (Rhodobacter sphaeroides) 的双磷酸脂质 A (RsDPLA) 在仓鼠和马细胞中是激动剂，但在人类细胞中是 LPS 的强拮抗剂。

有人推测，圆锥形脂质 A（例如来自大肠杆菌）的激动性更强，而完全圆柱形的脂质 A（例如来自球形红细菌）对 TLR 具有拮抗作用，而锥形程度较低的脂质 A（例如来自齿龈卟啉单胞菌）可能激活不同的信号（TLR2 而不是 TLR4）。总的来说，植物和动物病原菌的 LPS 基因簇在菌株、亚种和物种之间差异很大。正常人血清中的抗 LOS 抗体具有杀菌作用，而在感染了血清学类型不同的菌株的患者体内的抗 LOS 抗体与正常血清中的抗体特异性不同。LOS 分子（特别是分子的寡糖区域）的结构负责了对不同 LOS 变异体体液免疫反应的这些差异。由于淋病奈瑟菌能够合成多种类型的 LOS，这一现象称为阶段变异，因此在感染期间 LOS 分子的抗原性可能会发生变化。淋病奈瑟菌、脑膜炎奈瑟菌和流感嗜血杆菌还可以通过改变其 LOS（例如通过唾液酸化（用唾液酸残基修饰））来增强对补体介导杀伤的抵抗力，甚至抑制补体活化，或避免杀菌抗体的作用。唾液酸化还可能导致氧化爆发减少，并损害中性粒细胞的粘附以及免疫细胞的吞噬作用。

牛病原体嗜血杆菌 (Haemophilus somnus) 的 LOS 也表现出阶段波动，这一特征可能有助于逃避牛宿主的免疫系统。综合这些发现，表明细菌表面分子（如 LOS）的差异可以帮助病原体逃避宿主的体液（抗体和补体介导）和细胞（中性粒细胞杀伤等）免疫反应。

LPS 识别的非典型途径

最近的研究表明，瞬时受体电位离子通道家族的几个成员除了 TLR4 介导的通路外，还能识别 LPS。TRPA1 在果蝇和鼠标中均被 LPS 激活。其他感觉 TRP 通道家族成员，包括 TRPV1、TRPM3，以及在较低程度上 TRPM8，在较高浓度下也被 LPS 激活。上皮细胞上的 TRPV4 识别 LPS。TRPV4 被 LPS 激活对于产生具有杀菌作用的一氧化氮既是必需的，也是充分的。

测试

脂多糖是导致细菌致病性的一个重要成分，同时也有助于根据其结构和功能将它们进行分组。因此，LPS 可以用作区分不同革兰氏阴性菌的标记。为了快速管理和治疗感染，快速识别和理解涉及的微生物类型至关重要。LPS 作为急性感染的早期预警信号，因为它是我细胞中免疫反应的主要原因。因此，与许多其他血清学检测相比，LPS 检测更具相关性和特异性。

尽管目前的 LPS 检测技术非常灵敏，但许多技术在区分不同 LPS 组方面存在困难。此外，由于 LPS 是两亲性的，具有吸水和疏水特性，因此很难开发出灵敏且用户友好的检测方法。

脂质 A 在细菌物种和血清型之间高度相似；因此，常规检测技术侧重于识别 LPS 的这一成分。六种 LPS 检测方法——体外、体内、改良免疫测定、生物测定和化学测定——通常会重叠。

内毒素活性测定

2003 年，美国 FDA 批准了内毒素活性测定 (EAA™)，因为难以在全血中测量 LPS，并且大多数 LPS 与蛋白质和补体结合。EAA 是一种快速的体外化学发光免疫诊断测试。它使用一种特殊的单克隆抗体测量 EDTA 全血样本中的内毒素活性。该测定利用中性粒细胞对由内毒素和外源抗体组成的免疫复合物的生物反应；由此产生的化学发光反应会产生光发射。化学发光是血液中内毒素活性的量度，并与样本中 LPS 的对数浓度成正比。

革兰氏阳性菌和其他微生物的细胞壁成分不会与该测定发生交叉反应，该测定仅对革兰氏阴性菌的 LPS 脂质 A 部分发生反应。

病理生理学

LPS 是一种强效毒素，它与体内的细胞受体结合以引起炎症。内毒素性败血性休克是一种非常致命的败血症类型，可能由内毒素血症（血液中 LPS 过多）引起。这种疾病包含一系列病理生理状态的症状，从全身炎症反应综合征 (SIRS) 到死亡前的多器官功能障碍综合征 (MODS)。心跳加快、呼吸加快、体温波动和凝血问题是早期迹象，导致血管扩张和血容量减少，进而导致细胞功能障碍。

根据最新研究，即使是轻微的 LPS 暴露也与自身免疫性疾病和过敏有关。升高的 LPS 血浓度可能导致代谢综合征，增加患糖尿病、心脏病和肝脏疾病的风险。此外，LPS 对于由脑膜炎球菌病、脑膜炎和沃特豪斯-弗里德里希综合征等危险细菌引起的疾病症状至关重要。某些细菌的 LPS 可以被修饰，产生消化道和呼吸道系统的慢性感染。

根据最新研究，LPS 会改变细胞膜中的脂质，影响代谢和胆固醇。这种破坏可能导致异常的血脂水平、胆固醇升高和非酒精性脂肪肝。LPS 有时会阻碍毒素的清除，这可能与神经系统问题有关。

健康影响

LPS 的健康影响源于其强大的免疫系统激活和调节特性，特别是其诱导炎症的能力。LPS 具有极强的免疫刺激性和直接细胞毒性；当宿主免疫细胞识别 LPS 时，补体会被显著激活。升高的抗炎反应和补体激活可能导致免疫抑制、免疫细胞功能障碍、广泛的凝血病、严重的组织损伤，最终导致多系统器官衰竭和死亡。

内毒素血症

内毒素血症是指血液中存在内毒素。高水平的内毒素血症可导致败血性休克，更具体地说，是内毒素性败血性休克；而代谢性内毒素血症则以较低水平的血液内毒素为特征。肥胖、饮食、心脏病和糖尿病与内毒素血症有关；宿主基因也可能起作用。

此外，肠道内毒素血症，尤其是在宿主-病原体界面，被认为在酒精性肝炎的发展中起着重要作用，这可能是由于肠道渗透性增加和小肠细菌过度生长综合征引起的。

由脂质 A 引起的哺乳动物免疫系统的失控激活，以及炎症介质的产生，可能导致内毒素性败血性休克。负责免疫系统细胞激活的 Toll 样受体 4 (TLR4) 是这种炎症反应的主要介体。这些炎症介质会引起血管内皮层损伤，从而加剧休克，导致毛细血管渗漏综合征、血管扩张和心脏功能下降。此外，LPS 也是一种强效的补体激活剂。失控的补体激活可能导致非典型溶血性尿毒综合征 (aHUS)，损害肾脏和肺等多个器官，或导致严重的内皮损伤，从而引发弥散性血管内凝血 (DIC)。皮肤可能出现瘀点、紫癜和瘀斑，这是血管损伤的结果，通常伴有凝血因子消耗。

肢体也可能受到影响，有时会产生毁灭性的后果，如发生坏疽需要截肢。肾上腺功能丧失可导致肾上腺功能不全，进一步的肾上腺出血可引起沃特豪斯-弗里德里希综合征，两者都可能致命。

此外，淋球菌 LOS 已被证明会损伤人类输卵管。

内毒素血症的治疗

一种流行的体外内毒素清除治疗方法，称为直接血液吸附（也称为血液灌流），是 Toraymyxin。它是一种由聚苯乙烯制成的滤芯，含有与多粘菌素 B (PMX-B) 分子共价结合的网状纤维。多粘菌素来源于多粘菌属 (Bacillus polymyxa)，是一类环状阳离子多肽抗生素，对革兰氏阴性菌具有很强的抗菌活性。然而，由于其肾毒性和神经毒性副作用，其静脉治疗应用受到限制。当血液通过滤芯内的体外循环过滤时，PMX-B 通过与脂质 A 的疏水残基形成非常稳定的相互作用来中和内毒素。这可以逆转内毒素血症并防止其有害的全身作用。

自身免疫疾病

一些 LOS 分子的化学模拟被认为会引起多发性硬化症复发和其他自身免疫性宿主反应。细菌通过 LOS 模仿宿主结构的例子还包括引起胃肠道疾病的幽门螺杆菌和弯曲杆菌，以及引起软下疳的杜克雷嗜血杆菌。巨噬细胞的某些 LPS 血清型，与核心寡糖的特定四糖和五糖部分相关，也被认为与格林-巴利综合征和米勒-费舍尔综合征（格林-巴利综合征的一种变体）有关。

与肥胖的联系

根据流行病学研究，一些肥胖患者群体具有较高的内毒素负荷，这可能归因于肠道内产生内毒素的细菌数量的增加。根据其他研究，将纯大肠杆菌内毒素注射到无菌动物模型中会导致肥胖和胰岛素抵抗。根据一项更近期的研究，肠杆菌 (Enterobacter cloacae B29) 可能在人类患者的肥胖和胰岛素抵抗中起作用。据推测，内毒素与肥胖相关的机制是它们触发了炎症反应，从而解释了观察到的胰岛素抵抗和肥胖。大肠杆菌和肠杆菌是两种与内毒素对肥胖影响相关的细菌属。

抑郁

观察性和实验性数据显示，LPS 可能导致抑郁。在小鼠中施用 LPS 可引起抑郁症状，并且一些抑郁症患者似乎具有更高的 LPS 水平。抑郁症有时可能由炎症引起，而 LPS 会促进炎症。

细胞衰老

已证明 LPS 诱导的炎症会导致肺上皮细胞和小胶质细胞的细胞衰老，后者会导致神经退化。

在生物技术和研究中作为污染物的角色

为了防止实验污染以及防止通过工业发酵生产的产品的毒性，有必要从细菌产生的质粒 DNA 或表达的蛋白质中去除脂多糖。

内毒素通常会污染卵白蛋白。卵白蛋白是一种众所周知的气道高反应性 (AHR) 模型过敏原，也是在动物模型中研究最多的蛋白质之一。由于市售的被 LPS 污染的卵白蛋白不能充分反映蛋白质抗原对动物生理的影响，因此它可以被用来制造研究结果。

由于即使微量的内毒素也会使人致病，因此在药物产品生产过程中，必须在所有药物容器中清除所有痕量的内毒素。为此，使用了去热原烘箱。需要超过 300°C 的温度才能完全降解 LPS。

鲎变形细胞裂解物 (LAL) 测定，它使用鲎 (Limulus polyphemus) 的血液，是鉴定内毒素存在的传统方法。鲎裂解物在非常低剂量的 LPS 下可能会凝固，这是由于通过酶级联产生的强效放大作用。

然而，由于鲎的数量不断减少以及某些因素会干扰 LAL 测定，因此已做出努力开发替代测定方法。其中最有希望的是使用 LAL 测定中一种蛋白质——重组 Factor C 的 ELISA 测试。