1.3.5.1. Cơ chế gây bệnh của vi khuẩn E. coli
Để có thể gây bệnh, trước hết vi khuẩn E. coli phải bám dính vào tế bào nhung mao ruột bằng các yếu tố bám dính như kháng nguyên F. Sau đó, nhờ các yếu tố xâm nhập (Invasion), vi khuẩn sẽ xâm nhập vào tế bào biểu mô của thành ruột. Ở đó vi khuẩn phát triển, nhân lên, phá hủy lớp tế bào biểu mô, gây viêm ruột, đồng thời sản sinh độc tố đường ruột Enterotoxin. Độc tố đường ruột tác động vào quá trình trao đổi muối, nước, làm rối loạn chu trình
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
này. Nước từ cơ thể tập trung vào lòng ruột làm căng ruột, cùng với khí do lên men ở ruột gây nên một tác dụng cơ học, làm nhu động ruột tăng, đẩy nước và chất chứa ra ngoài, gây nên hiện tượng tiêu chảy. Sau khi đã phát triển ở thành ruột, vi khuẩn vào hệ lâm ba, đến hệ tuần hoàn, gây nhiễm trùng máu. Trong máu, vi khuẩn chống lại hiện tượng thực bào, gây dung huyết, làm cho cơ thể thiếu máu. Từ hệ tuần hoàn vi khuẩn đến các tổ chức cơ quan. Ở đây, vi khuẩn lại phát triển nhân lên lần thứ hai, phá hủy tế bào tổ chức, gây viêm và sản sinh độc tố gồm Enterotoxin và Vertoxin, phá hủy tế bào tổ chức, gây tụ huyết, xuất huyết và phù.
1.3.5.2. Các yếu tố gây bệnh của vi khuẩn E. coli
* Yếu tố bám dính của vi khuẩn E. coli.
Để gây bệnh, các chủng ETEC phải bám dính lên trên tế bào biểu mô của ruột non. Quá trình bám dính được thực hiện qua ba giai đoạn: hấp thụ, gắn kết và bám dính. Hai quá trình trước thực hiện nhờ các tác động vật lý, hóa học, bước bám dính được thực hiện bởi các sợi bám dính chuyên biệt (pili) trên bề mặt vi khuẩn đảm nhiệm, đó là quá trình liên kết giữa kháng nguyên tại yếu tố bám dính với các receptor tương ứng trên bề mặt của các tế bào biểu mô. Hầu hết các chủng ETEC đều có mang 1 hoặc nhiều các yếu tố bám dính như: F4 (K88) , F5 (K99), F6 (987P), F17, F18, F41, F42 và F165.
Các chủng E.coli gây bệnh phù đầu ở lợn thường mang yếu tố bám dính là F18.
- F18
Bertchinger, (1978) [34] đã phát hiện fimbriae bám dính ở chủng
E. coli gây bệnh phù đầu thuộc nhóm O139. Fimbriae này (trước kia gọi là F107) không làm ngưng kết hồng cầu, sản sinh rất ít khi vi khuẩn được nuôi trong các môi trường nuôi cấy thông thường.
Một nhân tố bám dính mới gọi là 8813 và được mô tả bởi Salajka đã tìm thấy ở 83 trong số 212 chủng E. coli có độc tố phân lập từ lợn cai sữa ở
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Tiệp Khắc. Hầu hết các chủng được kiểm tra đều sản xuất một hay nhiều độc tố tố đường ruột, một số chủng có verotoxin. Yếu tố bám dính 8813 không làm ngưng kết hồng cầu của rất nhiều loài động vật, nhưng nó làm đông vón riềm bàn chải ruột lợn trong phòng thí nghiệm. Qua nhiều nghiên cứu, các nhà khoa học cho rằng các yếu tố bám dính F107, 8813 có mối liên hệ chặt chẽ với nhau có thể trong cùng một loại fimbriae với 2 dòng khác nhau. Trung tâm quốc tế nghiên cứu về Escherichia coli và Klebsiella ở Copenhagen đã đặt tên F18 cho nhân tố bám dính 8813. Bởi vậy, một loại fimbriae mới đã được đề nghị công nhận là F18ab và F18ac (Rippinger và cs, 1995 [72]). Một nghiên cứu của Nagy và cs, (1997) [66] thấy rằng F18ab và F18ac khác nhau về mặt sinh học. F18ab ít thấy thể hiện ở cả trong điều kiện thực tế và trong phòng thí nghiệm. Chúng thường thấy cùng với việc sản xuất SLT-2e ở các chủng VTEC, trong khi F18ac thể hiện rất rõ ở cả trong thực tế và trong phòng thí nghiệm, chúng mang các đặc tính của các chủng ETEC.
Một đặc điểm đáng chú ý ở F18ac là chúng không bám vào riềm bàn chải của lợn sơ sinh trong điều kiện thực tế và trong phòng thí nghiệm, cũng không tập trung ở lớp màng nhầy của ruột ở lợn con mới sinh. Điều này ngược với F5 và F6, chúng bám vào các tế bào biểu mô ruột. Khả năng bám này ở lợn con nhiều hơn so với lợn lớn. Lý do xác đáng để giải thích về việc tăng sự mẫn cảm với bám dính của F18ab và F18ac theo tuổi của lợn vẫn chưa được làm rõ, nhưng có thể là do sự tăng dần các receptor đặc hiệu ở lông nhung của ruột lợn từ sơ sinh đến 21 ngày tuổi. Sự thiếu hụt các receptor của F18ab và F18ac ở lợn sơ sinh có thể giải thích cho lý do vì sao chỉ thấy các chủng VTEC và ETEC ở lợn cai sữa (Nagy và cs, 1999 [67]).
* Yếu tố xâm nhập của vi khuẩn E. coli: Yếu tố xâm nhập của vi khuẩn E. coli là một khái niệm dùng để chỉ quá trình chưa được rõ mà nhờ đó vi khuẩn E. coli qua được hàng rào bảo vệ của lớp nhầy (mucosa) trên bề mặt niêm mạc để xâm nhập vào tế bào biểu mô (Epithel), đồng thời sinh sản và
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
phát triển trong lớp tế bào này. Trong khi đó những vi khuẩn khác không có khả năng xâm nhập, không thể qua được hàng rào bảo vệ của lớp màng nhầy hoặc khi qua được hàng rào này sẽ bị bắt bởi tế bào đại thực bào của tổ chức hạ niêm mạc (Giannella và cs, 1976 [49]).
* Vai trò gây bệnh của các loại kháng nguyên.
Theo ý kiến của nhiều tác giả, mặc dù các vi khuẩn E. coli có nhiều loại kháng nguyên. Trong đó có loại tạo miễn dịch phòng vệ cho vật chủ, có loại không tạo miễn dịch phòng vệ cho vật chủ nhưng đều tham gia vào quá trình gây bệnh bằng cách tạo điều kiện cho vi khuẩn xâm nhập vào tế bào vật chủ và tham gia vào quá trình kháng lại các yếu tố phòng vệ tự nhiên của vật chủ. Các kháng nguyên tham gia quá trình trên phải kể đến là kháng nguyên O, kháng nguyên K, kháng nguyên F.
* Yếu tố dung huyết (Hly) của vi khuẩn E. coli.
Vi khuẩn E. coli phát triển trong tổ chức cơ quan, sắt được cung cấp cho sự dinh dưỡng phụ thuộc vào chất Siderofor do vi khuẩn sản sinh ra. Chất này có khả năng phân hủy sắt liên kết trong tổ chức vật chủ thông qua sự phá vỡ hồng cầu giải phóng sắt dưới dạng hợp chất HEM để vi khuẩn sử dụng. Sự phân hủy hồng cầu chủ yếu là do men Heamolysin của vi khuẩn tiết ra vì thế có thể coi nó là một yếu tố độc lực gây bệnh của vi khuẩn.
Theo Smith H.W, (1963) [79] có 4 kiểu dung huyết của vi khuẩn E. coli:
-haemolysin, -haemolysin, -haemolysin, -haemolysin nhưng quan trọng nhất là kiểu -haemolysin và -haemolysin. Kiểu β gắn với tế bào và không có vai trò độc lực. Kiểu α hình thành do một protein thẩm thấu qua lọc, không gắn với tế bào vi khuẩn, nó được coi là yếu tố độc lực của vi khuẩn. E. coli gây bệnh cho lợn có khả năng sản sinh Heamolyzin, thường thấy chủ yếu ở các serotype O như: O8, O138, O141, O147.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Đa số vi khuẩn E. coli gây bệnh đường ruột cho lợn con theo mẹ đều gây dung huyết, đặc tính này không bền vững khi nuôi cấy nhiều đời qua môi trường nhân tạo.
* Yếu tố kháng khuẩn Colicin V của vi khuẩn E. coli (ColV).
Trong quá trình phát triển và cư trú ở đường ruột, vi khuẩn E. coli
phát triển và tồn tại cộng sinh với nhiều loại vi khuẩn đường ruột khác:
Salmonella spp, Staphylococcus spp, Clostridium, Vibrio cholera. Để tạo điều kiện cho quá trình phát triển của mình và trở thành vi khuẩn chiếm ưu thế trong đường ruột, vi khuẩn E. coli sản sinh ra chất kháng khuẩn có khả năng ức chế hoặc tiêu diệt các loại vi khuẩn khác gọi là ColV. Vì vậy yếu tố này cũng được coi là yếu tố độc lực của vi khuẩn E. coli gây bệnh.
Khả năng sản sinh Colv của E. coli được di truyền bằng plasmid. Yếu tố ColV lần đầu tiên được tìm thấy năm 1936, nhưng ColV plasmid thì mới phân lập được trong thời gian gần đây. Nhiều tác giả cho ColV là một kháng sinh có hiệu quả, có thể tác dụng với tất cả các loại vi khuẩn đường ruột trừ vi khuẩn sinh ra nó. Họ mong muốn rằng trong thời gian tới ColV được sử dụng rộng rãi như một kháng sinh để ức chế hay tiêu diệt các loại vi khuẩn đường ruột khác. Vì vậy yếu tố này cũng được coi là 1 trong các yếu tố độc lực của vi khuẩn
E. coli gây bệnh (Simth.H.W và cs, 1967 [80]).
* Tính kháng kháng sinh của vi khuẩn E. coli.
Để điều trị bệnh đường ruột người ta sử dụng nhiều loại kháng sinh, ngoài ra còn trộn chúng vào thức ăn với tỷ lệ thấp để phòng bệnh và kích thích tăng trọng. Vì vậy, khả năng kháng kháng sinh của vi khuẩn đường ruột nói chung và vi khuẩn E. coli nói riêng đang ngày một tăng làm cho hiệu quả điều trị giảm thấp, thậm chí nhiều loại kháng sinh còn bị vô hiệu hóa hoàn toàn.
Phạm Khắc Hiếu và cs, (1999) [10], đã tìm thấy chủng E. coli kháng lại 11 loại kháng sinh đồng thời chứng minh khả năng di truyền tính kháng thuốc giữa E. coli và Salmonella spp qua plasmid.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Khi thử nghiệm phòng và trị bệnh E. coli dung huyết cho lợn con ở Thái Nguyên và Bắc Giang, Nguyễn Thị Kim Lan, (2004) [13] đã kết luận: Vi khuẩn
E. coli phân lập từ lợn bệnh rất mẫn cảm với kháng sinh Amikacin, kém hơn với Doxycyline, không mẫn cảm với Ampicilin và Cefuroxine.
Sở dĩ khả năng kháng kháng sinh của vi khuẩn nói chung và E. coli
nói riêng tăng nhanh, lan rộng vì gen sản sinh yếu tố kháng kháng sinh nằm trong plasmid R (Resistance). Plasmid này có thể di truyền dọc và di truyền ngang cho tất cả quần thể vi khuẩn thích hợp. Để xác định khả năng kháng kháng sinh của vi khuẩn, người ta thường dùng phương pháp kháng sinh đồ.
1.3.5.3. Độc tố của vi khuẩn E. coli
E. coli bám dính, xâm nhập vào niêm mạc ruột và sản sinh ra các loại độc tố đường ruột. Các độc tố này làm thay đổi quá trình trao đổi nước và điện giải ở ruột non và dẫn tới tiêu chảy do dịch tiết ra quá nhiều ở ruột non, không được hấp thu lại ở ruột già. Sự sản sinh ra độc tố được xem là một khả năng đặc biệt quan trọng của E. coli. Độc tố và yếu tố bám dính được coi là những yếu tố độc lực vô cùng quan trọng đã và đang được nhiều tác giả quan tâm và đề cập đến trong các nghiên cứu về E. coli.
Vi khuẩn E. coli sản sinh nhiều loại độc tố: Enterotoxin, Verotoxin, Neurotoxin. Mỗi loại độc tố gắn với một thể bệnh mà chúng gây ra.
- Nhóm độc tố đường ruột (Enterotoxin).
Là nhóm độc tố gây tiêu chảy trầm trọng cho lợn sơ sinh, nhóm này được chia làm hai loại:
+ Độc tố chịu nhiệt (Heat stable enterotoxin - ST): Độc tố này chịu được nhiệt độ 1000C trong vòng 15 phút. Độc tố ST chia thành hai nhóm STa và STb dựa trên đặc tính sinh học và khả năng hòa tan trong methanol. STa kích thích sản sinh ra cGMP mức cao trong tế bào ngăn trở hệ thống chuyển Na+ và Cl- , làm giảm khả năng hấp thu chất điện giải và nước ở ruột. STa thường thấy ở ETEC gây bệnh ở lợn < 2 tuần tuổi và ở lợn lớn. STb kích
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
thích vòng nucleotid phân tiết dịch độc lập ở ruột, nhưng phương thức tác dụng của STb vẫn chưa được hiểu rõ. STb hoạt động ở ruột non lợn, nhưng không hoạt động ở ruột non chuột, bê và bị vô hoạt bởi Trypsin. STb tìm thấy được ở 75% các chủng E. coli phân lập từ lợn con, 33% phân lập từ lợn lớn (Fairbrother và cs, 1992 [44]).
Cả STa và STb đều có vai trò quan trọng trong việc gây tiêu chảy do các chủng E. coli gây bệnh ở bê, nghé, dê, cừu, lợn con và trẻ sơ sinh.
+ Độc tố không chịu nhiệt (Heat labile enterotoxin - LT): Độc tố này bị vô hoạt ở nhiệt độ 600
C trong vòng 15 phút. LT là một trong những yếu tố quan trọng gây bệnh tiêu chảy ở lợn (Fairbrother và cs, 1992 [44]). LT có hai nhóm phụ là LT1 và LT2, LT1 bị trung hoà bởi anticholerae toxin.
Cả hai loại độc tố ST và LT đều bền vững ở nhiệt độ âm, thậm chí cả ở nhiệt độ âm 200
C.
- Nhóm độc tố tế bào (Shiga /Verotoxin).
Konowalchuck và cs, (1977) [56], đã phát hiện một loại độc tố hoạt động trong môi trường nuôi cấy tế bào Vero (do đó được đặt tên là độc tố tế bào Vero), được sản sinh bởi vi khuẩn E. coli gây bệnh tiêu chảy ở người, tiêu chảy và bệnh phù đầu ở lợn con. Ảnh hưởng gây bệnh ở tế bào của độc tố Vero rất khác so với ảnh hưởng của độc tố đường ruột không chịu nhiệt cổ điển của nhóm vi khuẩn E. coli gây bệnh đường ruột (ETEC). Cũng trong năm đó, Konowalchuck và cs, (1977) [56] tìm thấy một số chủng E. coli, bao gồm cả chủng H30 ở người, có độc tố tế bào trong môi trường nuôi cấy tế bào Hela. Độc tố tế bào này được trung hòa bởi kháng thể đặc hiệu cho độc tố Shiga (Stx) của vi khuẩn gây bệnh lỵ, do đó nó còn được gọi là độc tố giống như Shiga (SLT).
Stx sản sinh bởi E. coli bao gồm 2 nhóm: Stx1 là nhóm độc tố giống như Stx của vi khuẩn gây bệnh lỵ và Stx2 là nhóm độc tố có liên hệ với Stx.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
Độc tố Stx2e thường được sản sinh bởi vi khuẩn E. coli chủng E57, S1191 và 412 thấy ở bệnh phù đầu của lợn sau cai sữa.
- Độc tố Stx2e.
Độc tố Shiga ở lợn là một loại trong nhóm độc tố Stx2 với một số khác biệt trong đặc tính sinh học. Stx1 và Stx2 gây độc cho các tế bào Hela. Stx2e kém độc hơn so với các loại độc tố Stx2 khác. Stx2e độc hơn cho tế bào Vero từ 10-100 lần so với tế bào Hela. Stx2e đóng vai trò quan trọng trong nguyên nhân gây bệnh và sự xuất hiện các triệu chứng của bệnh phù đầu. Sau khi tụ đám và phát triển ở ruột, vi khuẩn E. coli sinh độc tố Shiga (STEC) sản sinh ra Stx2e, độc tố này đi qua tế bào biểu mô ruột vào máu. Từ đó Stx2e gắn kết với các receptor có mặt ở các tế bào màng trong của động mạch, các tiểu động mạch ở các mô và cơ quan khác nhau gây ra các tổn thương vi thể. Đó cũng là cơ sở của những tổn thương đại thể và triệu chứng lâm sàng.
- Độc tố Vero (Verotoxin): Được phát hiện trong môi trường nuôi cấy tế bào Vero (đặt tên là độc tố tế bào Vero), sản sinh từ các chủng vi khuẩn
E. coli gây bệnh phù, tiêu chảy trên lợn sau cai sữa.
Độc tố Vero do những chủng vi khuẩn E. coli gây bệnh phù trên lợn sau cai sữa, cùng với những độc tố Vero khác được xếp chung vào họ những độc tố giống độc tố do vi khuẩn shigella dysenteria tiết ra gọi là shiga-like toxin. Do cấu trúc gen quy định những độc tố này rất gần nhau nên thường có những phản ứng huyết thanh học chéo. Để phân biệt những độc tố này, không thể sử dụng phản ứng huyết thanh học thông thường mà phải sử dụng những kháng thể đơn dòng. Ngày nay, với những kỹ thuật sinh học phân tử như: PCR, lai phân tử (Hybridation) có thể phân biệt được chúng một cách dễ dàng (Gyles C.L và cs, 1988 [51]; Karch H và cs, 1989 [54]; Pollard D.L và cs, 1990 [71]).
Độc tố Vero được cấu tạo bởi 6 tiểu phần gồm 1 tiểu phần A mang hoạt tính tiêu hủy tế bào và 5 tiểu phần B giữ vai trò kết gắn độc tố lên màng tế
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn
bào nội mô. Sau đó tiểu phần A xâm nhập vào trong tế bào nhờ hiện tượng