Cấu trúc kháng nguyên của E. coli rất phức tạp, có đủ loại kháng nguyên O, H, K và kháng nguyên bám dính F. Kháng nguyên K cũng có nhiều loại L, A, B nên có nhiều type huyết thanh khác nhau.
Theo Lê Văn Tạo (2006), đã xác định đƣợc 170 type kháng nguyên O, 80 type kháng nguyên H, 56 loại kháng nguyên K và một số kháng nguyên F.
Kháng nguyên O
Đây là kháng nguyên vỏ, chịu nhiệt khi đun 1000C trong vòng 2 giờ 30 phút vẫn giữ đƣợc tính kháng nguyên khả năng ngƣng kết và kết tủa (Đào Trọng Đạt, 1999). Không bị cồn phá hủy, có bản chất là lipopolysacchride (LPS). LPS đƣợc cấu tạo gồm 3 thành phần chính là lipid A, nhân oligosaccharide (core – Oligosaccharide) và chuỗi O – specific polysaccharide (Madigan and Martinko, 2006).
Các nhóm kháng nguyên O của vi khuẩn đƣợc xác định dựa trên cấu trúc hóa học khác nhau của phần O – specific polysaccharide. Sự đa dạng về cấu trúc của phần này đã tạo nên các nhóm kháng nguyên O khác nhau và đƣợc xác định bằng phản ứng ngƣng kết với kháng huyết thanh chuẩn.
Kháng nguyên H
Kháng nguyên H cấu tạo bởi thành phần lông của vi khuẩn, có bản chất là protein. Kháng nguyên H có đặc tính nhƣ dễ bị phá hủy ở 600C trong 1 giờ, bị cồn 50% và các enzyme phân hủy phá hủy, kháng nguyên H vẫn tồn tại khi xử lý bằng formol 0,5% (Phạm Hồng Sơn, 2002). Kháng nguyên này không có vai trò về độc lực, đồng thời không có vai trò về đáp ứng miễn dịch nên ít đƣợc quan tâm nghiên cứu, nhƣng nó có ý nghĩa rất quan trọng trong việc xác định giống, loài của vi khuẩn (Gyles, 1994).
15
Kháng nguyên K
Kháng nguyên K là kháng nguyên bề mặt (hoặc kháng nguyên vỏ, kháng nguyên bao) chúng gồm có 3 loại, kí hiệu là L, B và A (Đào Trọng Đạt, 1999). Kháng nguyên L không chịu đƣợc nhiệt, bị phá hủy khi đun 1000C trong vòng 1 giờ. Trong điều kiện đó kháng nguyên mất khả năng ngƣng kết, kết tủa và không giữ đƣợc tính kháng nguyên.
Kháng nguyên B là kháng nguyên không chịu đƣợc nhiệt. Dƣới tác dụng 1000C trong vòng 1 giờ thì chúng sẽ bị phá hủy. Khác với kháng nguyên L kháng nguyên B chỉ mất tính kháng nguyên, nhƣng vẫn giữ đƣợc khả năng ngƣng kết và kết tủa. Kháng nguyên này rất đặc hiệu cho các type trong nhóm trực khuẩn đƣờng ruột.
Kháng nguyên A là kháng nguyên vỏ chịu nhiệt, không bị phá hủy khi đun sôi trong 1000C trong vòng 2 giờ 30 phút, tính kháng nguyên và khả năng ngƣng kết, kết tủa đều đƣợc giữ nguyên.
Kháng nguyên F (kháng nguyên bám dính)
Hầu hết các chủng vi khuẩn E. coli gây bệnh đều sản sinh ra một hoặc nhiều kháng nguyên bám dính (Fleckenstein và ctv., 2010). Kháng nguyên bám dính cho phép vi khuẩn có thể bám vào các thụ thể đặc hiệu trên bề mặt tế bào biểu mô ruột và trên lớp màng nhầy niêm mạc ruột.
Có 4 kháng nguyên bám dính quan trọng của vi khuẩn E. coli thuộc nhóm ETEC gây bệnh tiêu chảy trên heo là F4 (K88), F5 (K99), F6 (987P) và F18. Trong đó, kháng nguyên bám dính F4 và F18 chiếm tỷ lệ cao nhất và đóng vai trò quan trọng nhất trong quá trình gây bệnh ở heo (Frydendahl, 2002).
Kháng nguyên bám dính F4 (K88)
Kháng nguyên bám dính F4 đƣợc Orskov mô tả lần đầu tiên vào năm 1961 (Orskov et al.,1961) đã chiết tách kháng nguyên bám dính F4 bằng phƣơng pháp đun canh khuẩn E. coli trong 20 phút ở 680C để nghiên cứu các tính chất hóa học của kháng nguyên. Bằng việc sử dụng các kháng huyết thanh đặc hiệu, Orskov et al., (1961) đã phân biệt đƣợc 2 loại khác nhau của F4 là F4ab và F4ac. Loại thứ 3 đƣợc phát hiện bởi Guinee và Jansen đƣợc đặt tên là F4ad. Sợi F4 giúp cho vi khuẩn bám đƣợc vào thụ thể tƣơng ứng của nó trên tế bào biểu mô của lông nhung ruột non, từ đó vi khuẩn có thể xâm nhập cố định và phát triển ở thành ruột non. Khi quan sát dƣới kính hiển vi điện tử, kháng nguyên bám dính F4 bao quanh tế bào vi khuẩn nhƣ lớp áo mỏng và có cấu trúc không ổn định (Guinee and Jansen, 1979).
16
Kháng nguyên bám dính F5 (K99)
Các chủng E. coli mang kháng nguyên bám dính F5 chủ yếu đƣợc tìm thấy ở các chủng E. coli thuộc nhóm ETEC phân lập từ heo sơ sinh, bê con và cừu con mắc bệnh tiêu chảy. Tuy nhiên, hiện nay chúng cũng đƣợc tìm thấy với tỷ lệ thấp ở các chủng ETEC phân lập từ heo tiêu chảy. Kháng nguyên bám dính F5 thực hiện chức năng gắn tế bào vi khuẩn vào vị trí Neu5Gc-α(2-3)Galp- β(1-4)Glco- β(1-1)-Cerramide trên các điểm tiếp nhận đặc hiệu chủ yếu trên tế bào biểu mô ruột non. Kháng nguyên bám dính F5 cũng đƣợc mã hóa bởi cụm gene gồm có 8 gene nằm trên plasmid với trọng lƣợng phân tử là 52 MDa. Tiểu phân tử FanC do gen fanC mã hóa đóng vai trò bám dính lên các thụ thể trên niêm mạc ruột (Jacobs et al.,1987).
Sự sản sinh F5 phụ thuộc vào nhiều yếu tố của vi khuẩn nhƣ: tốc độ sinh trƣởng, pha sinh trƣởng, nhiệt độ và alanine trong môi trƣờng. Các gene mã hóa cho sự tổng hợp F5 nằm trên ADN của plasmid (Isaacson et al., 1977).
Kháng nguyên bám dính F6 (987P)
Kháng nguyên bám dính F6 đóng vai trò trong cơ chế gây bệnh của ETEC bằng cách bám dính vào các tế bào biểu mô niêm mạc ruột, phát triển, tăng sinh về số lƣợng và sản sinh độc tố đƣờng ruột gây bệnh cho heo. Tám gene (fasA-H) tham gia vào quá trình sinh tổng hợp kháng nguyên bám dính F6 nằm trên plasmid 35 MDa. Kháng nguyên bám dính F6 có cấu trúc dạng xoắn với sự sắp xếp của tiểu phân tử chủ yếu FasA và 2 tiểu phân tử thứ yếu là FasF và FasG. Trong đó, FasF và FasG nằm ở đầu ngoài cùng. Tiểu phân tử FasG đóng vai trò bám dính, giúp kháng nguyên F6 bám lên các thụ thể có bản chất là glucoprotein và glucolipid trên biểu mô ruột (Dean and Samuel, 1994). Quá trình sinh tổng hợp kháng nguyên bám dính của vi khuẩn E. coli ảnh hƣởng bởi nhiều yếu tố nhƣ thời gian nuôi cấy vi khuẩn, điều kiện môi trƣờng nuôi cấy vi khuẩn nhƣ: nguồn cung cấp carbon, độ pH của môi trƣờng nuôi cấy, áp suất thẩm thấu, mức độ cung cấp oxy (Mol and Oudega, 1996). Những chủng vi khuẩn E. coli có khả năng gây bệnh chỉ giải phóng đầy đủ các yếu tố độc lực khi chúng đƣợc nuôi cấy trong môi trƣờng đảm bảo các điều kiện tƣơng đƣơng cho việc bám dính và xâm nhập vào tế bào niêm mạc ruột non của heo. Đối với các chủng ETEC có sản sinh kháng nguyên bám dính, điều kiện nuôi cấy tối ƣu là 370C, pH từ 6,8 – 8 và lƣợng kháng nguyên thu đƣợc nhiều nhất ở cuối pha tăng trƣởng.
17
Bảng 2.1: Mối liên quan giữa một vài kháng nguyên O của vi khuẩn E. coli và đối tƣợng gây bệnh của nó (Gaastra and De Graaf, 1982)
Kháng nguyên Đối tƣợng gây bệnh Kháng nguyên O K88 Heo con 8, 45, 138, 141, 147, 149, 157 987P Heo con 9, 20, 141 K99 Cừu, bê 8, 9, 20, 101 K99 Heo con 64, 101 F41 Bê 9, 101