A estrutura bioquímica do LPS e como ele age na natureza versus no laboratório

O envoltório celular funciona como a barreira mais externa, protegendo as bactérias de seus arredores exteriores. A composição e a arquitetura da camada externa de uma bactéria são cruciais para a forma como ela interage com coisas como vírus, outras bactérias, o sistema imunológico e até mesmo ataques químicos. O lipopolissacarídeo (LPS), um composto de açúcar-lipídio que reveste o exterior de muitas bactérias Gram-negativas, é o principal alvo da investigação científica.  [1]

Estrutura da Parede Celular Bacteriana

A característica definidora das bactérias Gram-negativas é seu envelope celular, que apresenta duas membranas: uma membrana interna (MI) envolvendo o conteúdo citoplasmático e uma membrana externa (ME) separando a célula de seu ambiente. A maioria das bactérias Gram-negativas possui uma membrana externa (ME) que não exibe uma estrutura de bicamada fosfolipídica. Em vez disso, a bicamada exibe alta assimetria, com fosfolipídios compreendendo o folheto interno e moléculas de lipopolissacarídeo (LPS) compondo o folheto externo.[2]

Estrutura bioquímica do LPS 

O LPS é um glicolipídio grande, consistindo em três partes distintas: o lipídio A, semelhante à gordura, uma cadeia de açúcar complexa chamada núcleo de oligossacarídeo e o antígeno O, que varia entre as diferentes bactérias. O lipídio A, a parte hidrofóbica da molécula, é um dissacarídeo de glucosamina com ligações aciladas β-1′-6 que compõe a camada exterior da membrana externa (ME). O núcleo de oligossacarídeo, ligado às glucosaminas do lipídio A, é único e não se repete. O antígeno O, um polissacarídeo complexo, está ligado ao núcleo de oligossacarídeo.[1, 3]

Como o LPS atua?

A patogenicidade do LPS vem principalmente do Lipídio A, que antes era chamado de catequina. Mesmo em pequenas quantidades, o Lipídio A pode desencadear febre e alterações metabólicas, indicando sua forte patogenicidade. Indivíduos infectados com bactérias Gram-negativas lisadas podem experimentar um rápido aumento da temperatura corporal (febre). A quebra da rede celular de bactérias Gram-negativas libera o lipídio A quando as paredes celulares se rompem, permitindo sua ligação às células efetoras, incluindo macrófagos. Doses fatais podem causar choque séptico, pressão arterial baixa e febre. A ação do Lipídio A sobre os macrófagos resulta na produção de pirogênios, levando à ativação de mediadores como as prostaglandinas.[4]

O impacto do LPS em vários testes laboratoriais. 

Uma ampla gama de testes laboratoriais é usada para detectar a contaminação por endotoxinas em dispositivos médicos e medicamentos, fornecendo informações cruciais sobre sua segurança. A confirmação da contaminação é estabelecida pela reação entre o reagente e a endotoxina.

RPT (Teste de Pirogênio de Coelho): O teste de pirogênio de coelho, o primeiro método aprovado pela Food and Drug Administration dos EUA para detecção de LPS, baseou-se no princípio simples de medir a capacidade de uma endotoxina de induzir febre em um coelho, medindo efetivamente a potência da toxina. 

LAL (Lisado de Amebócito Limulus): O ensaio LAL, o padrão-ouro para detecção de lipídios A, pode ser inibido por vários mecanismos e é propenso à variabilidade. Como resultado, diretrizes para fabricação e testes de produtos humanos foram publicadas pela Farmacopeia dos Estados Unidos e pelo Código de Regulamentações Federais. Se a endotoxina bacteriana estiver presente, o ensaio LAL a detecta desencadeando uma série de reações enzimáticas que levam à coagulação, o que serve como um sinal claro de contaminação.[5]

MAT (Teste de Ativação de Monócitos):  Por usar células humanas, o MAT imita mais de perto as reações e respostas de um organismo vivo. O MAT envolve submeter células monocíticas humanas a pirogênios em um ambiente controlado, desencadeando a ativação das células. As citocinas pró-inflamatórias são liberadas como resultado dessa ativação e podem ser detectadas pela técnica de ELISA.[6]

Efeito da alteração na conformação molecular do LPS na atividade da endotoxina

A baixa recuperação de endotoxinas (LER) levantou preocupações sobre o potencial do ensaio LAL de perder LPS em situações específicas. A detecção imprecisa de LPS compromete os resultados experimentais e cria um risco de segurança em aplicações industriais onde o LPS pode passar despercebido.[7]

Classificação do LPS com base em mudanças estruturais

A classificação do LPS como de alto (liso) ou baixo (rugoso) peso molecular depende se sua estrutura inclui um antígeno O. A ausência do antígeno O é possível naturalmente ou por meio de mutação genética. Embora todos os mutantes rugosos sejam desprovidos de antígeno O, o comprimento do núcleo do oligossacarídeo difere com base nos loci do gene envolvido.

Cada método detecta LPS, mas suas atividades variam. Estudos indicam perfis cinéticos semelhantes para LAL e rFC, mas o MAT exibiu maior recuperação de endotoxina mascarada. A alteração do LPS afeta o mascaramento, independentemente do ensaio. A suscetibilidade ao mascaramento é influenciada pelo comprimento do polissacarídeo: cadeias mais curtas (LPS rugoso) diminuem o mascaramento devido às suas proporções hidrofílicas/hidrofóbicas menores. Além disso, o aumento da carga negativa em mutantes rugosos melhora a ligação de cátions, o que provavelmente contribui para a estabilidade dos conjuntos supramoleculares, tornando-os menos propensos ao mascaramento do que os mutantes lisos.[8]

As reações desencadeadas pelo LPS na natureza servem como referência primária para a criação de testes laboratoriais precisos. 

Referências:

1.Bertani, B. and N. Ruiz, Function and Biogenesis of Lipopolysaccharides. EcoSal Plus, 2018. 8(1).

2.Silhavy, T.J., D. Kahne, and S. Walker, The bacterial cell envelope. Cold Spring Harb Perspect Biol, 2010. 2(5): p. a000414.

3.Kalynych, S., R. Morona, and M. Cygler, Progress in understanding the assembly process of bacterial O-antigen. FEMS Microbiol Rev, 2014. 38(5): p. 1048-65.

4.Schultz, C.J.G.I.M.C.I., Lipopolysaccharide, structure and biological effects. 2018. 3(1): p. 1-2.

5.Loreen, R.S., M.M. Heather, and M. Harshini, Detection Methods for Lipopolysaccharides: Past and Present, in <i>Escherichia coli</i>, S. Amidou, Editor. 2017, IntechOpen: Rijeka. p. Ch. 8.

6.Perdomo-Morales, R., et al., Monocyte activation test (MAT) reliably detects pyrogens in parenteral formulations of human serum albumin. Altex, 2011. 28(3): p. 227-35.

7.Gorman, A. and A.P. Golovanov, Lipopolysaccharide Structure and the Phenomenon of Low Endotoxin Recovery. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics, 2022. 180: p. 289-307.

8.Burgmaier, L., et al., The impact of LPS mutants on endotoxin masking in different detection systems. Biologicals, 2025. 89: p. 101808.