Dựa vào cấu trúc bề mặt và cấu trúc bên trong của tế bào vi khuẩn
E.coli ng−ời ta đã xác định đ−ợc vi khuẩn E.coli có 4 nhóm kháng nguyên chính. Đó là những kháng nguyên O (kháng nguyên thân - somatic antigens), kháng nguyên K (kháng nguyên vỏ - capsular antigens), kháng nguyên H (kháng nguyên lông - flagellar antigens) và kháng nguyên F (pili kháng nguyên - fimbriae antigens) (P. J Quinn và cs, 1994 [110]).
Kháng nguyên vỏ (K) và kháng nguyên thân O của E. coli là những polysaccaride, kháng nguyên roi H và kháng nguyên bám dính có bản chất là những protein. Một số kháng nguyên bám dính đã biết là K88 (F4) và K99 (F5) là những yếu tố bám dính mà cho phép vi khuẩn bám vào tế bào biểu mô ruột và khu trú ở ruột non. Những kháng nguyên O, H, K có thể đ−ợc dùng để định type vi
khuẩn E. coli, mỗi serotype đ−ợc xác định bởi một số kháng nguyên mà nó sinh ra, ví dụ nh− O157 : K85 : H19 (P. J. Quinn và cs, 1994 [110]).
Kháng nguyên O (somatic antigens) đ−ợc xác định bởi những chuỗi đ−ờng ở những phân tử lipopolysaccaride của màng ngoài vi khuẩn. Hợp chất lipopolysaccaride gồm 2 nhóm:
+ Polysaccaride có nhóm hydro nằm ở thành ngoài có chức năng tạo ra tính đặc tr−ng về serotype.
+ Polysaccaride nằm ở bên trong không có nhóm hydro mang tính đặc tr−ng và chỉ tạo ra sự khác biệt về khuẩn lạc (từ dạng S sang dạng R).
Sự thay đổi kháng nguyên O sẽ dẫn đến sự thay đổi về độc lực hoặc hình thái khuẩn lạc, phần lipid quyết định tính độc lực của vi khuẩn (Nguyễn Nh− Thanh và cs, 1997 [39]).
Kháng nguyên O của vi khuẩn E.coli đ−ợc bao phủ kín bởi phần lớn kháng nguyên K. Vì vậy, khi còn sống, vi khuẩn không gây ng−ng kết với kháng nguyên O t−ơng ứng. Mỗi type vi khuẩn có một kháng nguyên O riêng, chúng có những yếu tố khác nhau đ−ợc đánh dấu bằng số I, II, III, IV và có gần 150 type (Nguyễn Vĩnh Ph−ớc, 1978 [28], Nguyễn Nh− Thanh và cs, 1997 [39]).
Kháng nguyên O là loại kháng nguyên chịu nhiệt, không bị phá huỷ khi đun ở 1200C trong 2 giờ. Đây là kháng nguyên rất quan trọng trong độc lực và xác định serotype của E.coli (P. J. Quinn và cs, 1994, [110]).
Kháng nguyên H (flagellar antigens) có bản chất là protein, có khả năng chịu nhiệt kém và kém bền vững hơn kháng nguyên O. Kháng nguyên H sẽ bị phá huỷ hoàn toàn bởi cồn 500C và các enzym phân huỷ protein nh−ng khi xử lý bằng formol 0,5%, kháng nguyên này vẫn tồn tại.
Trong quá trình đáp ứng miễn dịch, kháng nguyên O và H không có ảnh h−ởng lẫn nhau, không phụ thuộc vào nhau. Khi kháng nguyên H gặp kháng
thể H t−ơng ứng sẽ xảy ra hiện t−ợng ng−ng kết. Do đó, khi tạo miễn dịch cho động vật bằng 2 loại kháng nguyên dẫn đến hình thành cả hai loại kháng thể. Tuy nhiên, nồng độ ng−ng kết của kháng thể H th−ờng cao hơn nồng độ ng−ng kết của kháng thể O. Kháng thể H không có vai trò độc lực của vi khuẩn và cũng không có ý nghĩa trong miễn dịch phòng vệ (Ember H Coles, 1974 [ 76 ], Johne Banner và cs, 1994 [90]).
Kháng nguyên K (capsular antigens) có bản chất là một polysaccaride, chúng bao quanh tế bào vi khuẩn. Khoảng 100 yếu tố kháng nguyên K đã đ−ợc xác định và chia thành 3 loại: A, B và L, trong đó loại A d−ới dạng vỏ quan sát đ−ợc bằng kính hiển vi quang học thông th−ờng, B và L d−ới dạng màng rất mỏng chỉ có thể quan sát đ−ợc nhờ kính hiển vi điện tử (Đinh Hữu Dung, 2003 [7]). Vai trò gây bệnh của kháng nguyên K không rõ ràng. Tuy nhiên, chúng có khả năng bảo vệ tế bào vi khuẩn chống lại các quá trình phòng vệ của vật chủ và giúp cho quá trình gắn kháng nguyên pili (fimbriae antigens) vào tế bào biểu mô nhung mao ruột dễ dàng hơn.
Hầu hết các chủng vi khuẩn E.coli gây bệnh đều sản sinh ra một hay nhiều kháng nguyên bám dính (fimbriae antigens). Các chủng không gây bệnh không có kháng nguyên bám dính (M. Blanco và cs, 1993 [62], G. R. Carter và cs,1995 [69]).
Kháng nguyên bám dính hay fimbriae nằm trên pili- một cấu trúc giống sợi lông, có nguồn gốc từ một đĩa gốc trong màng nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn. Khi quan sát d−ới kính hiển vi điện tử, chúng có dạng những cấu trúc thẳng, ngắn hơn lông nằm xung quanh bề mặt tế bào vi khuẩn. Về bản chất hoá học, kháng nguyên pili hoàn toàn khác với kháng nguyên vỏ (capsular). Vì vậy, để tránh nhầm lẫn ng−ời ta gọi chúng là kháng nguyên pili hay fimbriae mà tr−ớc đây ký hiệu là K nh−ng nay đ−ợc đổi thành F.
Kháng nguyên bám dính cho phép vi khuẩn E.coli gắn với các thụ thể đặc hiệu glycoprotein trên bề mặt tế bào biểu mô hồi tràng và tá tràng ruột.
Tr−ờng hợp khác, sự nhu động của ruột có thể sẽ đ−a E.coli đến ruột già, nơi mà những tế bào không mẫn cảm với độc tố đ−ờng ruột. Trong khi đó, những tế bào của hồi tràng và tá tràng có khả năng mẫn cảm cao với độc tố đ−ờng ruột. Một số kháng nguyên pili th−ờng gặp ở các chủng E.coli phân lập từ gia súc tiêu chảy bao gồm: F4, F5, F6, F41, F165. Quá trình sản sinh F4, F5, F6, F41, F165 liên quan chặt chẽ với khả năng sinh ra độc tố đ−ờng ruột của những giống E.coli (P.J. Quinn và cs, 1994 [110]).
Kháng nguyên F4 mà tr−ớc đây ký hiệu là K88 có khả năng ng−ng kết hồng cầu, đặc tính này không bị ngăn cản bởi đ−ờng D - Mannose (đề kháng với Mannose). Kháng nguyên bám dính K88 (F4) th−ờng có mặt ở các chủng
E.coli phân lập đ−ợc từ lợn con tiêu chảy, đó là một yếu tố gây bệnh của vi khuẩn đối với lợn và không có vai trò đối với gia súc khác (P. J. Quinn và cs, 1994 [110]). Nguyên nhân là do kháng nguyên F4 có cấu trúc phù hợp với điểm tiếp nhận đặc hiệu có trên bề mặt tế bào biểu mô ruột non mà các điểm tiếp nhận này chỉ cho phép một số serotype E.coli có F4 gắn đ−ợc vào tế bào nhung mao ruột non ( Blood D. C và cs, 1989 [63] ). Kháng nguyên F4 đ−ợc sản sinh khi nuôi cấy vi khuẩn ở điều kiện nhiệt độ 370C, khi nuôi cấy ở nhiệt độ 180C vi khuẩn không có khả năng tạo ra kháng nguyên này. Thông tin di truyền mã hoá cho tổng hợp kháng nguyên F4 nằm ngoài nhiễm sắc thể trên plasmid (Lê Văn Tạo và cs, 1996 [36], Thomas Carlyle và cs, 1983 [120], Pekhop A. P, 1983 [26]).
Theo P. J. Quinn và cs (1994) [110] kháng nguyên K88 và K99 đã đ−ợc plasmid mã hoá và những điểm tiếp nhận cho K88 đ−ợc di truyền qua lợn con nh− một quy luật Mendel hằng định.
Cũng nh− F4, kháng nguyên F5 (hay K99) thực hiện chức năng gắn tế bào vi khuẩn vào các điểm tiếp nhận (receptors) đặc hiệu chủ yếu trên tế bào biểu mô nhung mao ruột non trâu bò và một số ở lợn. Giai đoạn bám dính là giai
đoạn ban đầu, nó rất cần thiết cho quá trình xâm nhập tiếp theo của vi khuẩn vào tế bào biểu mô ruột non. Nhờ quá trình bám dính này mà vi khuẩn cố định đ−ợc trên niêm mạc ruột chống lại sự đào thải do nhu động ruột. Sau khi xâm nhập, khi gặp điều kiện thuận lợi, vi khuẩn sẽ nhanh chóng nhân lên và sản sinh độc tố đ−ờng ruột (enterotoxin). Vì vậy, kháng nguyên F5 là một yếu tố gây bệnh phổ biến, hay gặp ở các chủng ETEC, gây tiêu chảy cho bê, nghé, dê, cừu non. Các nhóm huyết thanh O8, O9, O64, O101và O149 có khả năng sản sinh kháng nguyên F5, thông tin di truyền tổng hợp F5 cũng nằm trên plasmid .
Kháng nguyên F6 cũng giống nh− F4 và F5 về chức năng sinh học và thành phần hoá học.
2.2.1.3. Một số độc tố của E.coli
Vi khuẩn E.coli sản sinh ra nhiều loại đốc tố nh− độc tố đ−ờng ruột (Entorotoxin), Verotoxin hay những độc tố dạng Shiga, độc tố thần kinh…
* Độc tố đ−ờng ruột (Enterotoxin)
Nghiên cứu của P.J. Quinn và cs ( 1994) [110] cho biết: cả hai loại độc tố không chịu nhiệt (LT - heat labiletoxin) và độc tố chịu nhiệt (ST - heat - stabiletoxin) là những giống độc tố đ−ợc sinh ra do những giống E.coli gây bệnh đ−ờng ruột mà cũng có F4, F5 hay những kháng nguyên đơn khác.
Độc tố không chịu nhiệt (LT) là một protein, có trọng l−ợng phân tử là 91.000 M.W và là kháng nguyên có liên quan đến độc tố gây tiêu chảy (Vibrio cholerae). Độc tốc tác động đến hệ thống men xúc tác việc chuyển ATP (Adenosin triphosphate) thành AMPc (Adenylate cyclase system) dẫn đến tiêu chảy, bệnh chuyển hoá acid và xuất huyết cấp tính nếu bệnh acid huyết nặng. Độc tố không chịu nhiệt bị phá huỷ ở nhiệt độ 600C trong 10 phút.
Độc tố chịu nhiệt (ST) cũng là một protein có trọng l−ợng phân tử 1500 - 2000 M.W. Độc tố chịu nhiệt có 2 dạng là STa và STb. STa là plasmid đã
mã hoá và tác động đến hệ thống men xúc tác chuyển hoá năng l−ợng (Guanylate cyclase system). Tuy nhiên, cơ chế mà độc tố đ−ờng ruột STb gây nên tiêu chảy ch−a đ−ợc biết đến. STa gây nên sự tích dịch ở ruột của chuột sơ sinh và lợn con còn STb gây nên sự tích dịch ở ruột chỉ ở những lợn đã cai sữa (P.J. Quinn và cs, 1994 [110]) .
Độc tố chịu nhiệt có tính năng bền với nhiệt, chịu đ−ợc nhiệt độ 1000C trong 4 giờ và bền vững ở nhiệt độ thấp hơn nh−ng bị phá huỷ nhanh khi hấp ở áp suất cao.
Verotoxin hay những độc tố dạng Shiga có cơ chế hoạt động t−ơng tự nh− độc tố Shiga của những chủng Shigella. Cả hai dạng độc tố Shiga hay kiểu Shiga đều ức chế sự tổng hợp protein của những tế bào vật chủ theo kiểu t−ơng hỗ với d−ới đơn vị ribosom 60S. Có 2 dạng của độc tố Shiga là SLT-1và SLT-2. SLT-1 bị trung hoà bởi kháng thể đặc hiệu đối với độc tố Shiga SLT-2 gây ra viêm ruột xuất huyết ở ng−ời và nó bị trung hoà bởi kháng độc tố Shiga. SLT-2 gây chết chuột và tạo ra sự thay đổi ở những tế bào vero trong mô nuôi cấy. Độc tố gây bệnh phù đầu đ−ợc cho là một biến chủng của SLT- 2. Những độc tố dạng Shiga có thể gây nên sự phá huỷ những tế bào biểu mô ruột non mà ở đây có vô số E.coli gây bệnh tồn tại (P. J Quinn và cs, 1994 [110]). Những nhóm O26 và O111 ở những gia súc non có sừng và ở lợn con sản sinh những độc tố dạng Shiga ( Xu Jian và cs, 2001 [124]).
* Plasmid của E.coli
Vi khuẩn nói chung và E.coli nói riêng là một loại sinh vật đơn bào. Vật thể nhân cũng chứa AND (acid deoxyribo nucleic) mang các gen di truyền các tính trạng của cơ thể. Tuy nhiên, ng−ời ta cũng tìm thấy nhiều gen di truyền mang các đặc tính quan trọng của vi khuẩn nh−: khả năng sản sinh độc tố đ−ờng ruột, đặc tính gây dung huyết, kháng nguyên F4 nh−ng kháng nguyên F4 lại không nằm trên AND của nhân, chúng định vị trên AND nằm ngoài
chromosome trong một cơ quan nằm trong nguyên sinh chất gọi là plasmid (P. J. Quinn, 1994 [110]).
Plasmid là một phân tử độc lập, có khả năng tồn tại và nhân lên độc lập, không đồng bộ với ADN của nhân tế bào vi khuẩn. Tuy nhiên, vẫn có sự t−ơng tác hỗ trợ chặt chẽ và chi phối lẫn nhau giữa plasmid và ADN trong nhân của tế bào vi khuẩn.
Radostits O. M và cs, (1994) [111] đã cho rằng: các chủng vi khuẩn
E.coli là nguyên nhân gây ra tiêu chảy ở động vật đều có chứa các loại plasmid di truyền các yếu tố gây bệnh - plasmid có chứa gen sản sinh kháng nguyên bám dính F4 (F4 plasmid ). Kháng nguyên F4 bám vào thành ruột là do cấu trúc của nó có tác dụng phá huỷ hợp chất Rafinose của thành tế bào vi khuẩn, làm hỏng thành tế bào niêm mạc ruột, giúp E.coli bám chắc và có cơ hội xâm nhập sâu hơn vào tổ chức thành ruột.
- Col V plasmid
Năm 1976, Smith đã phát hiện thấy hầu hết các E.coli gây bệnh đều có một loại plasmid mang gen sản xuất colicin C và đ−ợc gọi là Col V plasmid . Colicin V có bản chất là protein và cũng có vai trò nhất định trong quá trình gây bệnh của vi khuẩn. Nó giúp vi khuẩn chống lại sự phát triển của vi khuẩn khác không sinh ra nó, tạo cơ hội cho vi khuẩn sinh ra nó phát triển nhanh, chiếm tỉ lệ lớn, tăng tính gây bệnh của vi khuẩn.
- Ent plasmid
Các chủng vi khuẩn E.coli gây bệnh có chứa plasmid sản sinh độc tố đ−ờng ruột gọi là Ent plasmid. Yếu tố này tác động lên ruột làm rối loạn quá trình trao đổi n−ớc, muối và chất điện giải ở tế bào trên lớp màng nhầy của ruột và gây nên tiêu chảy.
Ent plasmid chứa 2 yếu tố: yếu tố không chịu nhiệt LT (heat labile toxin), thấy ở các chủng E.coli O8, O147, O149, O141 và yếu tố chịu nhiệt ST (heat stabile toxin).
Ng−ời ta nhận thấy rằng có sự t−ơng tác lẫn nhau giữa Ent plasmid và plasmid F4. Các chủng E.coli có Ent plasmid sẽ gây tiêu chảy cấp tính nặng khi có mặt đồng thời plasmid F4 (P.J Quinn và cs, 1994 [110])
Hly plasmid chứa gen sản xuất men hemolysin loại α và β có tác dụng dung huyết. Chúng phá huỷ hồng cầu giải phóng sắt khỏi hemoglobin để cung cấp cho quá trình trao đổi chất của vi khuẩn.
Các chủng E.coli gây bệnh còn chứa các Ent plasmid chúng có các gen kháng lại kháng sinh có tác dụng với E.coli và vi khuẩn đ−ờng ruột.
Ng−ời ta đã phát hiện thấy các chủng E.coli gây bệnh mang một hoặc nhiều plasmid di truyền các yếu tố gây bệnh. Các gen nằm trên plasmid có thể thay đổi, di chuyển dễ dàng. Các plasmid có thể di truyền trong quần thể vi khuẩn theo hai cách là di truyền dọc và di truyền ngang. Chúng có thể di truyền từ thế hệ tr−ớc cho thế hệ sau giống nh− di truyền theo kiểu ADN trong chromosom. Ngoài ra, chúng có thể di truyền từ tế bào vi khuẩn này sang tế bào vi khuẩn khác trong cùng một thế hệ hoặc trong cùng quần thể vi khuẩn nh−ng khác loài mà chủ yếu qua con đ−ờng tiếp hợp. Vì vậy, plasmid đã trở thành một đối t−ợng nghiên cứu và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.
Bình th−ờng, E.coli đ−ợc xem nh− là những chủng không gây bệnh. Tuy nhiên, chúng có thể gây nên sự viêm nhiễm kế phát qua những đ−ờng khác nhau của cơ thể nh− tử cung (bệnh viêm tử cung) và tuyến vú (bệnh viêm vú) ( P. J. Quinn và cs, 1994 [110]).
Dựa vào tính chất gây bệnh, những chủng E.coli gây bệnh đ−ợc chia thành các loại: E.coli sản sinh độc tố ruột, E.coli gây bệnh đ−ờng ruột, E.coli
xâm nhập đ−ờng ruột, E.coli bám dính đ−ờng ruột và E.coli gây xuất huyết ruột (P. J. Quinn và cs, 1994 [110], O. M. Radostits và cs, 1994 [111]).
E.coli sản sinh độc tố ruột (Enterotoxingenic E.coli - ETEC) là vi khuẩn có yếu tố bám dính F4, F5 hoặc những loại khác. Sự sinh sản những nhân tố
này liên quan đến sự sản sinh độc tố ruột. Những chủng E.coli này chủ yếu gây nên bệnh ở gia súc non.
Những vi khuẩn E.coli gây bệnh đ−ờng ruột (Enteropathogenie E.coli - EPEC) không sản sinh độc tố ruột hay những độc tố dạng Shiga nh−ng chúng có thể gây viêm ruột và ỉa chảy do làm tổn th−ơng tế bào ruột. Những chủng này đ−ợc tìm thấy từ những cừu bị ỉa chảy (P. J. Quinn và cs, 1994 [110]).
Những chủng E.coli xâm nhập đ−ờng ruột (Enteroinvasive - ETEC) có khả năng gắn vào những tế bào của ruột non, xâm nhập vào tế bào tổ chức ruột non và ổ những lớp sâu hơn của dịch nhầy ruột, lớp đệm của niêm mạc ruột. Chúng đi đến hệ thống lympho để có thể nhân lên. Một số tế bào E.coli bị chết và nội độc tố của chúng đ−ợc dung giải. Những tác nhân gây độc nh− vỏ, chất bám dính, yếu tố kị sắt và yếu tố dung huyết có vai trò giúp cho những chủng vi khuẩn này gây nên bệnh thiếu máu (P. J. Quinn và cs, 1994 [110]).
Những chủng vi khuẩn E.coli bám dính đ−ờng ruột (attaching and effacing E.coli - AEEC) khu trú ở ruột non, tấn công những tế bào đích và giết chết những tế bào này. Những độc tố dạng Shiga (Verotoxin) phá huỷ những vi nhung ruột. Những chủng này đã đ−ợc phân lập từ gia súc có sừng và từ những thỏ mắc bệnh viêm ruột (Xu Jian và cs, 2001 [124]).
Bệnh phù đầu ở lợn con th−ờng có liên quan đến chủng E.coli O139 và O141. Những chủng vi khuẩn này th−ờng gây dung huyết. Một Verotoxin mà có thể là một biến chủng của độc tố SLT - 2 đ−ợc sinh ra bởi những chủng vi khuẩn E.coli này. Độc tố này đ−ợc sinh ra ở đ−ờng ruột nh−ng bị hấp thu và đi theo dòng máu tới các tế bào đích, th−ờng là những tế bào nội mạc của những