Dựa vào cấu trúc bề mặt và cấu trúc bên trong tế bào vi khuẩn E. coli, các nhà khoa học đã xác định được cấu trúc kháng nguyên của vi khuẩn E. coli gồm kháng nguyên thân O (Somatic), kháng nguyên lông H (flagellar), kháng nguyên vỏ K (Capsular) và kháng nguyên F (Fimbriae).
Hiện nay người ta xác định được 170 nhóm kháng nguyên O, 70 type kháng nguyên K, 56 type kháng nguyên H và một số nhóm kháng nguyên F Bertschinger H.U và cộng sự (1992) [40].
Bằng phản ứng ngưng kết, các nhà khoa học đã phát hiện được các tính chất phức tạp các yếu tố kháng nguyên của vi khuẩn E. coli, bao gồm các loại kháng nguyên sau:
1.3.5.1. Kháng nguyên O (Somatic - kháng nguyên thân)
Theo Zinner và Perter (1983) [86] đây là thành phần chính của vi khuẩn và cũng được coi là yếu tố độc lực của vi khuẩn. Kháng nguyên O được coi như một ngoại độc tố, có thể tìm thấy ở màng ngoài vỏ của vi khuẩn và thường xuyên được giải phóng vào môi trường nuôi cấy. Trong trạng thái chiết xuất tinh khiết, nó có bản chất là lypopolysaccharide, bao gồm 2 nhóm sau:
- Polysaccharide có nhóm hydro ở thành ngoài vi khuẩn, mang tính chất đặc trưng cho kháng nguyên từng giống.
- Polysaccharide không có nhóm hydro nằm ở phía trong, không mang tính đặc trưng mà chỉ tạo sự khác biệt về khuẩn lạc (từ dạng S sang dạng R).
Kháng nguyên O có những đặc tính sau: chịu nhiệt (không bị phá huỷ khi đun nóng ở 100oC trong 2 giờ); các chất cồn, axit HCL nồng độ 1N chịu được 20 giờ. Kháng nguyên O rất độc chỉ cần 1/20mg đã đủ giết chết chuột nhắt trắng sau 24 giờ, nhưng bị phá huỷ bởi Formol 0,5%.
Kháng nguyên O được cấu trúc bởi các phân tử lớn với thành phần các phân tử gồm:
+ Protein: làm cho phức hợp mang tính kháng nguyên. + Polyosit: tạo ra tính đặc hiệu của kháng nguyên. + Lypit: kết hợp với Polyosit và là cơ sở của độc tính.
Theo Medearis, 1968 (trích dẫn bởi Nguyễn Thị Nội, 1986) [16], khi làm mất dần từng phân tử đường của chuỗi polysaccharide hay thay đổi vị trí của các phân tử này sẽ dẫn đến thay đổi độc lực của vi khuẩn. Tất cả kháng nguyên O đều cư trú ở bề mặt, do vậy có thể liên kết trực tiếp với hệ thống miễn dịch. Kháng nguyên O khi gặp kháng huyết thanh tương ứng sẽ xảy ra phản ứng ngưng kết gọi là “Hiện tượng ngưng kết O”. Thân vi khuẩn ngưng kết với nhau dưới dạng những hạt khô, rất khó tan khi lắc.
1.3.5.2. Kháng nguyên H (flagellar - kháng nguyên lông)
Kháng nguyên H được cấu tạo bởi thành phần lông vi khuẩn, có bản chất là protein giống như chất myosin của cơ và mang các đặc tính sau:
+ Bị phá huỷ ở 60oC trong 1 giờ.
+ Dễ bị cồn, acid yếu và các enzym phân giải protein phá huỷ. + Kháng nguyên H vẫn tồn tại khi sử dụng formol 0,5% xử lý.
Kháng nguyên H khi gặp kháng thể tương ứng sẽ xảy ra hiện tượng ngưng kết, trong đó các vi khuẩn được ngưng kết lại với nhau nhờ lông dính lông. Các kháng thể kháng H cố định trên lông và là cầu nối với các lông bên cạnh. Kết quả tạo nên các hạt ngưng kết giống như cục bông nhỏ. Các hạt ngưng kết rất dễ tan khi lắc vì lông rất nhỏ và dài, dễ đứt. Các vi khuẩn di động khi tiếp xúc với kháng thể tương ứng và sẽ trở thành không di động.
Kháng nguyên H của vi khuẩn E. coli không có vai trò về bám dính, đồng thời không có vai trò đáp ứng miễn dịch nên ít được quan tâm nghiên cứu, nhưng nó có ý nghĩa lớn trong việc xác định giống, loài của vi khuẩn và bảo vệ vi khuẩn khỏi bị tiêu diệt trong tế bào đại thực bào, giúp vi khuẩn sống lâu và tồn tại trong đại thực bào (Weinstein, 1984) [85].
1.3.5.3. Kháng nguyên K (Capsular - kháng nguyên bề mặt)
Kháng nguyên K còn gọi là kháng nguyên bề mặt, chúng bao quanh tế bào vi khuẩn và có bản chất hoá học là polysaccharide. Vai trò của kháng nguyên K chưa được thống nhất lắm, có tác giả cho rằng nó không có ý nghĩa về độc lực, vì vậy chủng E. coli có kháng nguyên K cũng giống như chủng không có kháng nguyên K (Orskov, 1980) [72], cũng có ý kiến cho rằng kháng nguyên K có ý nghĩa về độc lực vì nó tham gia bảo vệ vi khuẩn trước các yếu tố phòng vệ của cơ thể (Evan và cộng sự, 1981) [48]. Phần lớn các ý kiến cho rằng kháng nguyên K có 2 nhiệm vụ chính:
+ Hỗ trợ phản ứng ngưng kết với kháng nguyên O.
+ Tạo ra hàng rào bảo vệ giúp vi khuẩn chống lại điều kiện ngoại lai và hiện tượng thực bào.
Theo Nguyễn Như Thanh (1997) [27] kháng nguyên K gồm 3 loại kháng nguyên: L, A, B.
+ Kháng nguyên L: ngăn không cho hiện tượng ngưng kết O của vi khuẩn sống xảy ra, khi đun 100oC trong 1 giờ kháng nguyên L bị phá huỷ.
+ Kháng nguyên A: ngăn hiện tượng ngưng kết O, kháng huyết thanh A trộn với E. coli có kháng nguyên A gây hiện tượng phình vỏ. Với nhiệt độ 120oC trong 2 giờ kháng nguyên A mới bị phân huỷ.
+ Kháng nguyên B: gồm nhiều thành phần: B1, B2, B3, B4, B5. Kháng nguyên B của vi khuẩn sống xảy ra. Đun 100oC trong 1 giờ kháng nguyên này bị phá huỷ một phần.
Dựa vào cấu tạo kháng nguyên O, vi khuẩn E. coli được chia làm nhiều nhóm, căn cứ vào cấu tạo kháng nguyên O, K, H E. coli được chia làm nhiều type, mỗi type đều được ghi thứ tự các yếu tố kháng nguyên O, K, H.
1.3.5.4. Kháng nguyên giáp mô (kháng nguyên vỏ bọc)
Chất nhầy giáp mô phần lớn không có tính định hình vì khuyếch tán, thường được cấu trúc bởi hợp chất polysaccharide nhưng cấu trúc của
polysaccharide lại phụ thuộc vào từng họ vi khuẩn khác nhau thì cấu trúc khác nhau, do đó mà tính kháng nguyên của từng loại vi khuẩn khác nhau. Tuy nhiên ở vi khuẩn E. coli nói riêng kháng nguyên giáp mô không đóng vai trò quan trọng, vì vậy chủ yếu đi sâu tìm hiểu kháng nguyên K88, K99 (kháng nguyên Fimbriae) (Nguyễn Thị Nội, 1986) [16].
Một số vi khuẩn trong quá trình phát triển tiết ra một chất nhầy có khả năng tan vào nước ở một mức độ nhất định, chất nhầy này bao bọc xung quanh bên ngoài vách vi khuẩn giúp vi khuẩn chống lại sự tác động của môi trường ngoại cảnh, có thể quan sát thấy ở trạng thái ướt, dễ bị mất đi khi thay đổi điều kiện phát triển gọi là giáp mô (Capsul) (Nguyễn Như Thanh và cộng sự, 1997) [27].
1.3.5.5. Kháng nguyên F (Fimbriae - Kháng nguyên bám dính)
Ngoài lông ra, ở nhiều vi khuẩn gram âm nói chung và vi khuẩn E. coli
nói riêng còn có những bộ phận khác hình sợi gọi là pili. Pili hay Fimbriae có bản chất là protein bao phủ trên toàn bộ bề mặt vi khuẩn. Dưới kính hiển vi điện tử, chúng có hình ảnh giống như một chiếc áo lông bao bọc xung quanh vi khuẩn, pili vi khuẩn đường ruột khác lông ở chỗ nó cứng hơn, không lượn sóng và không liên quan đến chuyển động. Trước đây, kháng nguyên bám dính được ký hiệu là K (K88; K99), nay đổi là F (K88 =F4; K99 = F5; 987P = F6). Một số kháng nguyên bám dính thường gặp ở các chủng vi khuẩn E. coli phân lập được từ gia súc ỉa chảy bao gồm F4, F5, F6, F18 và F41. Riêng đối với giống E. coli phân lập từ lợn thì kháng nguyên Fimbriae F4 (K88) còn ở bê, nghé là F5 (K99) đóng vai trò quan trọng nhất trong việc bám dính (Parry và Porter,1978) [74].
* Kháng nguyên F4 (K88)
Kháng nguyên F4 có khả năng gây ngưng kết hồng cầu, đặc tính này không bị cản trở bởi manose (đề kháng với manose). Kháng nguyên này chỉ
có mặt ở các chủng vi khuẩn E. coli phân lập từ phân lợn con bị ỉa chảy, đây là một yếu tố độc lực đối với lợn và không có khả năng gây bệnh đối với loài gia súc khác. Điều đó phụ thuộc vào receptor đặc hiệu, có trên bề mặt tế bào biểu mô ruột non của các loài gia súc khác nhau chỉ cho phép một số serotype
E. coli nhất định nào đó gắn với kháng nguyên pili mà thôi. Kháng nguyên F4 được sản sinh ở nhiệt độ 37oC, trong khi ở nhiệt độ phòng (20oC), vi khuẩn không có khả năng tạo kháng nguyên này. Thông tin mã hoá cho tổng hợp cho kháng nguyên nằm ngoài nhiễm sắc thể, trên plasmid (Gyles, 1992) [58].
* Kháng nguyên F5 (K99)
F5 trước kia được cho là kháng nguyên bám dính của vi khuẩn E. coli
bê, nghé và cừu. Sự sản sinh của F5 phụ thuộc vào nhiều yếu tố của vi khuẩn như: tốc độ sinh trưởng, pha sinh trưởng, nhiệt độ và alanine trong môi trường, các gen mã hoá cho sự tổng hợp F5 nằm trên ADN của plasmid (Isaacson, 1983) [62].
Tuy nhiên hiện nay chúng cũng được tìm thấy với tỷ lệ thấp ở các chủng ETEC phân lập từ lợn tiêu chảy (Lindhl và cộng sự, 1990) [69].
* Kháng nguyên F6 (987P)
Giống như F4, F5, kháng nguyên F6 thường có mặt trong ở các nhóm có kháng nguyên O9, O20, O101, O149. Vật liệu di truyền má hoá quá trình tổng hợp kháng nguyên pili F6 cũng nằm ngoài nhiễm sắc thể, trên plasmid của tế bào vi khuẩn (Orskov, 1980) [72].
* Kháng nguyên F41
Những nghiên cứu đầu tiên về kháng nguyên F5 cho rằng, đây chỉ là kháng nguyên gồm 1 đơn vị, nhưng gần đây điện phân thấy rằng F5 có 2 đơn vị nhỏ, 1 đi về cực dương và 1 đi về cực âm. Đơn vị đi về cực dương được cho là 1 Fimbriae riêng biệt đặt tên là F41. Khối lượng phân tử của F41 là 30,5 KDa (Jacobs và cộng sự, 1985) [63], (Raybould và cộng sự, 1987) [76].
Cox và cộng sự (1993) [44] đã nghiên cứu trong phòng thí nghiệm về khả năng mẫn cảm và sức đề kháng của lợn đối với vi khuẩn E. coli có F41. Kết quả cho thấy các chủng có F41 bám vào lông nhung (với số lượng thấp) của 23 lợn trong số 30 lợn 4 đến 5 tuần tuổi được kiểm tra. Tại đó tác giả cho thấy rằng, chỉ có lợn lớn tuổi hơn có sức đề kháng với sự bám dính của các chủng E. coli có F41 do các receptor tương ứng với F41 bị giảm đi.
* Kháng nguyên F18
Kháng nguyên F18 đã được Rippinger và cộng sự (1995) (dẫn theo Đỗ Ngọc Thuý, 2002) [31] mô tả là có mỗi quan hệ với các chủng vi khuẩn E. coli
phân lập được từ bệnh tiêu chảy ở lợn trước cai sữa và bệnh phù đầu. Dựa vào đặc điểm hình thái, huyết thanh học và đặc điểm kháng nguyên, người ta chia F18 thành 2 loại là: F18ab và F18ac. F18ab thường thấy trong bệnh phù đầu, trong khi đó F18ac phân lập được từ lợn con tiêu chảy trước cai sữa.
1.4. Các yếu tố gây bệnh của vi khuẩn E.coli
Vi khuẩn đường ruột nói chung hay vi khuẩn E. coli nói riêng đều bao gồm các yếu gây bệnh quan trọng sau: