细菌内毒素这个概念在1890年的时候就已被提了出来,它是在研究
发热物质过程所引起的,1933年Boivin最先由
小鼠伤寒杆菌提取出来,进行
化学免疫学方面的研究,到1940年时候,Morgan使用志贺氏
痢疾菌阐明了细菌内毒素是由多糖
脂质及
蛋白质三部分所组成的复合体,到了1950年以后,随着生物学,
物理化学,
免疫学以及
遗传学等的进步发展,细菌内毒素的研究工作,尤其是其
化学结构组成及各种
生物活性间的关系也更加明确起来。
细菌英文叫Bacteria:为
原核生物中的一类
单细胞微生物由
二分裂法繁殖。若按
革兰氏染色法可将细菌分为G+菌和G-菌两大类。这两类
细菌细胞壁的结构和化学组成存在很大差异。唯有肽聚糖为其共同成分,但其含量的多少和肽链的性质有所不同,见上图表。
细胞壁较薄,厚约10-15nm,结构也较复杂。
肽聚糖含量低,仅占细胞干生10%左右,层薄又较疏松,因肽聚糖之间仅四肽
侧链直接联结,缺乏五肽桥;肽聚糖居于细胞最内层,外面由内向外还有
脂蛋白,
外膜和
脂多糖的三层聚合物。
脂蛋白(lipoprotein) 由
类脂和蛋白质构成,联结在外膜与肽聚糖层之间,类脂一端经非
共价键联结到外膜的
磷脂上,另一端由共价键联结到肽聚糖
肽链中的二氧基
庚二酸残基上,使外膜和肽聚糖层构成一个整体。
外膜(outer membrane) 是
革兰氏阴性菌细胞壁的重要结构,位于肽聚糖的外侧,其结构类似
细胞膜,为
磷脂双层,其中镶嵌一些特异蛋白质,穿透外膜的内外双层。外膜外层分布着
脂多糖分子。外膜中间有微小孔道,容许
水溶性的
小分子通过,以进行细胞内外的物质运输和交换。除此之外,外膜还能防止
胰蛋白酶和
溶菌酶等进入,起到保护性
屏障作用。
脂多糖(lipopolysaccharide,
LPS) 由多糖
O抗原、
核心多糖和类脂A(lipid A)三部分组成(图1-8),位于
革兰氏阴性菌外膜外层。多糖O抗原是由若干个
低聚糖的重复单位组成的多糖链,有
特异性。核心多糖由
庚糖、
半乳糖、2-
酮基-3-脱氧辛酸(2-keto-3-deoxyoctonic acid, KDO)等组成。类脂A是脂化的
葡萄胺
二糖,通过
焦磷酸酯键组成的一种独特的
糖脂化合物,具有致热作用,是
革兰氏阴性细菌内毒素的毒性成分。
一般
细菌毒素可分为两类,一类为
外毒素(Exotoxin);它是一种毒性蛋白质,是细菌在生长过程中分泌到菌体外的毒性物质。产生外毒素的细菌主要是
革兰氏阳性菌。如
白喉杆菌、
破伤风杆菌、
肉毒杆菌、
金黄色葡萄球菌以及少数
革兰氏阴性菌。另一类为内毒素(Endotoxin)。是革兰氏阴性菌的
细胞壁的产物。细菌在生活状态时不释放出来,只有当细菌死亡自溶或粘附在其它细胞时,才表现其毒性,内毒素的主要
化学成分是
脂多糖中的类脂A成分。
在80年代以前,所有研究内毒素的报道,毫无例外地使用重量
单位表示内毒素的量,在
鲎试剂建立后也同样以重量单位表示
鲎试验的灵敏度。随着人们对细菌内毒素
生物活性认识的提高,以重量单位表示的不科学性被揭示,即相同重量的内毒素,对于菌种来源不同,其生物活性相差很大。1980年美国学者Hochstein完成了将重量单位转化为内毒素单位的工作。当时美国内毒素参考
标准品代号为EC-2,该品的家兔发热剂量
ED50为1.04ng/kg,而与此同时美国食品
药品管理局(
FDA)批准的鲎试剂参考品为第四批,FDA邀请当时已获有鲎试剂
生产许可证的制造商进行协作研究,采用EC-2与第四批鲎试剂参考品,求出两者的凝聚终点用ng/ml表示,四个实验室的56次单独试验结果,
几何平均值为0.194ng/ml,FDA就此规定该值为EC-2的1个内毒素单位,EC-2的量值为5EU/ng。自1982年美国药典修订1980年(20)版首次收载的细菌内毒素试验,内毒素单位(EU)被正式引入,明确指出美国内毒素参考标准品每瓶含10000EU。1EU与1个内毒素
国际单位(IU)相当。
USP版ng跟EU通过RSE/CSE的比率进行转化。其比率附在COA证书中。CSE与所使用的
鲎试剂一一对应。
细菌
内毒素是
革兰氏阴性菌的
细胞壁成分,当细菌死亡或自溶后便会释放出内毒素。因此,细菌内毒素广泛存在于自然界中。如自来水中含内毒素的量为1至100EU/ml。当内毒素通过消化道进入人体时并不产生危害,但内毒素通过注射等方式进入血液时则会引起不同的疾病。内毒素小量入血后被肝脏枯否细胞灭活,不造成机体损害。内毒素大量进入血液就会引起
发热反应—“
热原反应”。因此,生物制品类、注射用药剂、
化学药品类、
放射性药物、抗生素类、疫苗类、
透析液等制剂以及医疗器材类(如
一次性注射器,植入性
生物材料)必须经过细菌内毒素检测试验合格后才能使用。由于
家兔对热原的反应与人基本相似,所以半个世纪以来用家兔来检测热原,为保障
药品质量和用药安全发挥了重要作用。
1956年美国人Bang发现
美洲鲎血液遇
革兰氏阴性菌时会产生凝胶。其后Levin和Bang又搞清楚微量革兰氏阴性菌内毒素也可以引起凝胶反应,从而创立了
鲎试剂检测法。由于鲎试剂法简单﹑快速﹑灵敏﹑准确,已广泛用于临床、
制药工业药品检验等方面。
在美国,
鲎试验被称作为“细菌内毒素试验(Bacterial Endotoxin Test)收载于1980年20版美国药典。随后英、德、意、日以及中国相继在药典中收载了这一检查法。此后鲎试验逐渐替代家兔
热原试验,但由于部分药品由于自身特殊性无法通过
稀释法消除干扰,因此鲎试验还无法完全取代家兔热原试验。2005年版
中国药典规定168个品种进行
细菌内毒素检查法,并收录了2种细菌内毒素检查法:包括
凝胶法和
光度测定法两种方法。前者利用
鲎试剂与细菌内毒素产生
凝集反应的原理来定性检测或
半定量内毒素,后者包括
浊度法和显色基质(比色)法,系分别利用鲎试剂与内毒素
反应过程中的浊度变化及产生的
凝固酶使特定底物释放出呈色团的多少来定量测定内毒素。
比色法又可分为终点显(比)
色法和动态比色法。该方法灵敏度、
精密度高。国内如
厦门鲎试剂厂早在05年即有显色基质(终点显色)鲎试剂盒上市。