热原与内毒素区别

一、热原
热原跟灭菌的目的有区别，灭菌是杀死产品内的活的微生物，当产品的菌数太多，杀死后会有许多细菌尸体，而产生细菌内毒素造成在输液过程中引起输液反应，就是常说的产品有热原而引起的。

灭菌只能把活的细菌杀灭，而留下的细菌尸体过多可能带来超标的细菌内毒素，接触病人血液引起热原反应。

发热多数是由于致热原（指能够引起发热的物质）引起的。

致热原可分为外源性和内源性两类，前者包括各种病原体如细菌、病毒、立克次体、衣原体、螺旋体、原虫和寄生虫等的毒素及其代谢产物，尤以内毒素（多属脂多糖类物质）最为重要，其次是原胆烷醇酮、多核苦酸、抗原—抗体复合物、抗原（通过淋巴细胞释放的淋巴激活素）等。

外源性致热原一般不能直接作用于体温调节中枢引起发热，但能激活主要存在于白细胞、单核细胞和组织吞噬细胞内的内源性致热原前体.
这些具有活性的热原一旦被释放入血液中，经血液循环可直接作用于体温调节中枢，亦可通过诱发下丘脑合成前列腺E（PGE）和环磷酸腺苷（cAMP），作为中枢传导介质对发热也起重要作用。

热原包括内毒素，内毒素合格热原不一定合格，检查热原要做动物实验。

医院临床在使用药品注射剂时，常有发生冷感、寒战、发热、头痛、恶心、呕吐、肤色灰白、休克、严重时导致死亡，这种症状称为热原反应。

热原系指由微生物产生的能引起恒温动物体温异常升高的致热物质。

它包括细菌性热原、内源性高分子热原、内源性低分子热原及化学热原等。

这里所指的“热原”，主要是指细菌性热原，是某些细菌的代谢产物、细菌尸体及内毒素。

致热能力最强的是革兰氏阴性杆菌的产物，其次是革兰阳性杆菌类，革兰阳性球菌则较弱，霉菌、酵母菌、甚至病毒也能产生热原。

热原通常是磷脂多醇与蛋白质结合而成的复合物。

磷脂多醇是复合物的活性中心，致热作用最强。

其化学组成因菌种不同而有所差异。

分子量为5×104～5×105，分子量越大致热作用也越强。

注入人体的注射剂中含有热原量达1μg/kg就可引起不良反应，发热反应通常在注入1小时后出现，可使人体产生发冷、寒颤、发热、出汗、恶心、呕吐等症状，有时体温可升至40℃以上，严重者甚至昏迷、虚脱，如不及时抢救，可危及生命。

该现象称为“热原反应”。

《中国药典》2005年版规定热原检查采用家兔法，细菌内毒素检查采用鲎试剂法。

为提高药品质量和用药安全，人们对热原进行了广泛的研究，直到1923年Seibert提出了用家兔检测热原的方法。

在1942年美国药典首先将家兔热原检查项收入药典成为法定方法，中国药典1953年版开始收载该方法，随后的世界各国药典都以动物热原检查法作为药品质量监测的方法之一。

家兔热原检查法的优点，可在规定时间里观察到家兔的体温变化，相应反应了热原质引起哺乳类动物复杂的体温反应过程。

所以，在半个多世纪以来热原检查法，为保障药品质量和用药安全发挥了重要作用。

但随着制药工业的发展和临床用药的要求，该方法的局限性越来越明显。

这种热原检查法，只局限于某种药物进入体内（血循环）是否能引起体温变化或热原反应作为判断药品是否污染热原的方法，已不能满足医药工业发展的需要。

其缺点：①标准化程度低，无法判断检查样品中存在的热原质到底是什么或是哪一种物质。

②由于试验动物家兔是处在被细菌污染的环境中，通过吸入或皮肤感染细菌内毒素而被免疫，导致动物的个体差异较大。

③试验动物受到药品的药理活性干扰，而影响体温变化（如放射性药品、抗生素、生物制品等），实验结果难以判断。

④设备及实验费用昂贵（如建设动物房、水电、动物饲料等耗费），做一种药品需要几百元/次，而鲎试剂仅几十元/次。

综上情况分析，鲎试验法可避免以上动物热原检查法的不足，该技术的成功和应用真可谓是药品质量监控一场大革命。

欧洲药典委员会副主席J.Van Noordwijk提出：“严格地讲，不是每一种热原都具有脂多糖的结构，但所有已知的细菌内毒素脂多糖都有热原活性”。

在药品生产质量管理规范（GMP）条件下，药品生产的质量控制一般可以接受的观点是：不存在细菌内毒素意味着不存在热原。

二、细菌内毒素（Endotoxin）
细菌内毒素，英文称作Enolotoxin，是G-菌细胞壁个层上的特有结构，内毒素为外源性致热原，它可激活中性粒细胞等，使之释放出一种内源性热原质，作用于体温调节中枢引起发热。

内毒素的主要化学成分为脂多糖中的类脂A
细菌内毒素这个概念在1890年的时候就已被提了出来，它是在研究发热物质过程所引成的，1933年Boivin最先由小鼠伤寒杆菌提取出来，进行化学免疫学方面的研究，到1940年时候，Morgan使用志贺氏痢疾菌阐明了细菌内毒素是由多糖脂质及蛋白质三部分所组成的复合体，到了1950年以后，随着生物学，物理化学，免疫学以及遗传学等的进步发展，细菌内毒素的研究工作，尤其是其
化学结构组成及各种生物活性间的关系也更加明确起来。

细菌英文叫Bacteria：为原核生物中的一类单细胞微生物由二分裂法繁殖。

若按革兰氏染色法可将细菌分为G+菌和G-菌两大类。

这两类细菌细胞壁的结构和化学组成存在很大差异。

唯有肽聚糖为其共同成分，但其含量的多少和肽链的性质有所不同，见上图表
细胞壁较薄，厚约10－15nm，结构也较复杂。

肽聚糖含量低，仅占细胞干生10％左右，层薄又较疏松，因肽聚糖之间仅四肽侧链直接联结，缺乏五肽桥；肽聚糖居于细胞最内层，外面由内向外还有脂蛋白，外膜和脂多糖的三层聚合物。

（1）脂蛋白（lipoprotein）由类脂和蛋白质构成，联结在外膜与肽聚糖层之间，类脂一端经非共价键联结到外膜的磷脂上，另一端由共价键联结到肽聚糖肽链中的二氧基庚二酸残基上，使外膜和肽聚糖层构成一个整体。

（2）外膜（outer membrane）是革兰氏阴性菌细胞壁的重要结构，位于肽聚糖的外侧，其结构类似细胞膜，为液态的磷脂双层，其中镶嵌一些特异蛋白质，穿透外膜的内外双层，呈液态镶嵌体。

外膜中间有微小孔道，容许水溶性的小分子通过，以进行细胞内外的物质运输和交换。

除此之外，外膜还能防止胰蛋白酶和溶菌酶等进入，起到保护性屏障作用。

（3）脂多糖（lipopolysaccharide,LPS）由多糖O抗原、核心多糖和类脂A(lipid A)组成（图1-8），位于最外层。

多糖O抗原向外，由若干个低聚糖的重复单位组成的多糖链，即革兰氏阴性菌的菌体抗原（O抗原），有特异性。

核心多糖由庚糖、半乳糖、2-酮基-3-脱氧辛酸（2-keto-3-deoxyoctonic acid, KDO）等组成，所有革兰氏阴性细菌都有此结构。

类脂A是以脂化的葡萄胺二糖为单位，通过焦磷酸酯键组成的一种独特的糖脂化合物，具有致热作用，是革兰氏阴性细菌内毒素的毒性成分。

细菌内毒素即：许多病原性细菌所产生的毒素。

一般细菌毒素可分为两类，一类为外毒素（Exotoxin）；它是一种毒性蛋白质，是细菌在生长过程中分泌到菌体外的毒性物质。

产生外毒素的细菌主要是革兰氏阳性菌。

如白喉杆菌、破伤风杆菌、肉毒杆菌、金黄色葡萄球菌以及少数革兰氏阴性菌。

加一类为内毒素（Endotoxin）。

是革兰氏阴性菌的细胞壁外壁层上的特有结构。

细菌在生活状态时不释放出来，只有当细菌死亡自溶或粘附在其它细胞时，才表现其毒性，内毒素的主要化学成分是脂多糖中的类脂A成分。

细菌内毒素的生物活性：
1、致热性。

2、致死性毒性。

3、白细胞减少。

4、Shwartzman反应。

5、降低血压，休克
6、激活凝血系统。

7、诱导对内毒素的耐受性。

8、鲎细胞溶解物（鲎试剂）的凝集。

9、刺激淋巴细胞有丝分裂。

10、诱导抗感染的特异性抵抗力。

11、肿瘤细胞坏死作用。

细菌内毒素的量值（单位）
在80年代以前，所有研究内毒素的报道，毫无例外地使用重量单位表示内毒素的量，在鲎试剂建立后也同样以重量单位表示鲎试验的灵敏度。

随着人们对细菌内毒素生物活性认识的提高，以重量单位表示的不科学性被揭示，即相同重量的内毒素，对于菌种来源不同，其生物活性相差很大。

1980年美国学者Hochstein完成了将重量单位转化为内毒素单位的工作。

当时美国内毒素参考标准品代号为EC-2，该品的家兔发热剂量ED50为1.04ng/kg，而与此同时美国食品药品管理局（FDA）批准的鲎试剂参考品为第四批，FDA邀请当时已获有鲎试剂生产许可证的制造商进行协作研究，采用EC-2与第四批鲎试剂参考品，求出两者的凝聚终点用ng/ml表示，四个实验室的56次单独试验结果，几何平均值为0.194ng/ml，FDA就此规定该值为EC-2的1个内毒素单位，EC-2的量值为5EU/ng。

自1982年美国药典修订1980年（20）版首次收载的细菌内毒素试验，内毒素单位（EU）被正式引入，明确指出美国内毒素参考标准品每瓶含10000EU。

细菌内毒素的检测
细菌内毒素是革兰氏阴性菌的细胞壁成分，当细菌死亡或自溶后便会释放出内毒素。

因此，细菌内毒素广泛存在于自然界中。

如自来水中含内毒素的量为1至100EU/ml。

当内毒素通过消化道进入人体时并不产生危害，但内毒素通过注射等方式进入血液时则会引起不同的疾病。

内毒素小量入血后被肝脏枯否细胞灭活，不造成机体损害。

内毒素大量进入血液就会引起发热反应—“热原反应”。

因此，生物制品类、注射用药剂、化学药品类、放射性药物、抗生素类、疫苗类、透析液等制剂以及医疗器材类（如一次性注射器，植入性生物材料）必须经过细菌内毒素检测试验合格后才能使用。

由于家兔对热原的反应与人基本相似，所以半个世纪以来用家兔来检测热原，为保障药品质量和用药安全发挥了重要作用。

1956年美国人Bang发现美洲鲎血液遇革兰氏阴性菌时会产生凝胶。

其后Levin和Bang又搞清楚微量革兰氏阴性菌内毒素也可以引起凝胶反应，从而创立了鲎试剂检测法。

由于鲎试剂法简单﹑快速﹑灵敏﹑准确，目前已广泛用于临床、制药工业药品检验等方面。

在美国，鲎试验被称作为“细菌内毒素试验（Bacterial Endotoxin T est）收载于1980年20版美国药典。

随后英、德、意、日以及中国相继在药典中收载了这一检查法。

此后鲎试验逐渐替代家兔热原试验，但由于部分药品由于自身特殊性无法通过稀释法消除干扰，因此鲎试验还无法完全取代家兔热原试验。

2005年版中国药典规定133个品种进行细菌内毒素检查法，并收录了2种细菌内毒素检查法：包括凝胶法和光度测定法两种方法。

前者利用鲎试剂与细菌内毒素产生凝集反应的原理来定性检测或半定量内毒素，后者包括浊度法和显色基质（比色）法，系分别利用鲎试剂与内毒素反应过程中的浊度变化及产生的凝固酶使特定底物释放出呈色团的多少来定量测定内毒素。

比色法又可分为终点显（比）色法和动态比色法。

该方法灵敏度、精密度高。

国内如厦门鲎试剂厂早在05年即
有显色基质（终点显色）鲎试剂盒上市。

外毒素（exotoxin）细菌在生长过程中由细胞内分泌到细胞外的毒性物质。

能产生外毒素的细菌大多数是革兰氏阳性菌，少数是革兰氏阴性菌。

将产生外毒素的细菌的液体培养物用滤菌器过滤除菌，即能获得外毒素。

其特点是：（1）化学成分是蛋白质，分子量为27000～900000道尔顿；（2）不稳定，易被热、酸及酶所灭活；（3）可经甲醛（0.3～0.4％）处理，脱毒成为类毒素；（4）抗原性强，可刺激机体产生高效价的抗毒素；（5）具亲组织性，但作用于组织有选择性。

一般不引起宿主发热，但常可抑制宿主蛋白质的合成，对宿主有细胞毒及神经毒性。

如破伤风痉挛毒素能影响宿主脊髓前角运动神经细胞的控制机能，引起骨骼肌强直痉挛；肉毒杆菌产生的肉毒毒素，能阻断胆碱能神经末梢传递介质（乙酰胆碱）的释放，麻痹运动神经末梢，出现眼、咽肌等麻痹；（6）毒性极强，极微量就可使实验动物死亡。

重要的外毒素主要有两大类：一类是在体外产生并引起食物中毒的外毒素。

它们所致的疾病不是传染过程，而是由于食入含有这类毒素的食物引起的中毒过程。

主要有肉毒杆菌产生的肉毒毒素和金黄色葡萄球菌产生的肠毒素。

另一类是在体内产生并引起重要致病作用的毒素。

这类毒素有的作用于全身，如白喉杆菌产生的白喉毒素、破伤风杆菌产生的破伤风痉挛毒素、乙型溶血型链球菌产生的红疹毒素；有的作用于局部，如霍乱弧菌肠毒素等。

细菌内毒素是革兰氏阴性菌细胞壁上的一种脂多糖（Lipoply Saccharide）和微量蛋白（Protein）的复合物，它的特殊性不是细菌或细菌的代谢产物，而是细菌死亡或解体后才释放出来的一种具有内毒素生物活性的物质。

其化学成分广泛分布于革兰氏阴性菌（如大肠杆菌、布氏杆菌、伤寒杆菌、变形杆菌、沙门氏菌等）及其它微生物（如衣原体、立克次氏体、螺旋体等）的细胞壁层的脂多糖，其化学成份主要是由O-特异性链、核心多糖、类脂A三部分组成。

(附图1)
<一>、O—特异性链：位于脂多糖分子最外层的多糖链，是由3—5个单糖（一般不多于25个）连成为一个多糖链。

其单糖包括戊糖、氨基戊糖、已糖、氨基已糖、脱氧已糖等，单糖的种类、位置和排列顺序和空间构型，因菌种不同而异。

因此，它决定菌体热原的特异性。

<二>核心多糖：核心多糖的变异性较小，位于类脂A和0—特异性链（内层）之间，在结构上分为内核心和外核心。

外核心含有数种己糖，包括葡萄糖、半乳糖、乙酰氨基葡萄糖等组成。

内核心含有庚糖及特殊的酮糖（3-脱氧-D-甘露糖-辛酮糖KDO）。

这部分结构对不同菌株的LPS基本相似，而且KDO是以不耐酸的酮糖链与类脂A的氨基葡萄糖连接，是构成内毒素脂多糖的核心部分。

<三>类脂A：位于LPS分子结构的外层，是由氨基葡萄糖、磷酸和脂肪酸（10—18C）组成，故称之为糖磷脂，也是细菌外膜的一种，形成单体聚合物。

具有疏水性（强）和亲水性（弱）的双相性。

但是，类脂A可从O-特异链及核心多糖分离出来，游离的类脂A可自身凝聚成大分子的复合体而难溶于水，并具有生物活性。

所以，类脂A（Lipida）是内毒素多种生物活性或毒性反应的主要基团。

该基团没有种
属特异性，所以各属细菌的类脂A结构相似，其毒性反应相似。

如发热、血液流动力学改变、弥漫性血管内凝血，并导致休克等。

由于类脂A有4条主链和2条支链的脂肪酸与内酰胺连接组成，所以提纯的内毒素LPS是极为不稳定的。

这就要求内毒素应在低温条件下保存，在工作中内毒素稀释应尽可能地缩短时间，并要现配现用。

三、内毒素的生物活性与疾病的相关性
据文献报道，在很早期（约19世纪末）的意大利学者Centanne通过菌属自溶的方法，从革兰氏阴性杆菌中提取出一种类似毒素的物质，因为这种物质对动物体产生致热活性的同时，亦产生出一种病理学病性反应，而被命名为致热毒素（Pyrotoxina）。

同时由德国的Buchner也从多种细菌中提取到相似的致热毒素，并证实了这种毒素在导致白细胞数目的改变同时，具有增强机体对细菌感染时的免疫能力。

因此建立了“发热疗法”。

在美国纽约的临床医师，William B•Coley用加热法杀死录杆菌和化脓性链球菌，将上清滤液用于各种恶性肿瘤（特别是肉瘤）的治疗，取得较好的疗效。

他将这种细菌上清液命名为Coley氏毒素。

此后murrayJ.Shear 证实Coley氏毒素中具有抗肿瘤作用的物质为内毒素。

直到1933年Boivin等学者在研究鼠伤寒杆菌的致病机理时，从鼠伤寒杆菌中提取出内毒素。

在50年代以后，对内毒素的化学成分和化学结构的研究得到迅速发展。

经过大量实验表明，内毒素具有极强的生物学活性，特别是革兰氏阴性菌感染和静脉注射提取的内毒素溶液时，可导致动物体发生内毒素休克和死亡。

内毒素的致病机理，主要是由于革兰氏阴性杆菌（如大肠杆菌、沙门氏杆菌、伤寒杆菌，布氏杆菌、变形杆菌金黄色葡萄球菌等）和其它微生物（病毒、立克次氏体、衣原体螺旋体等）感染时，这类菌属随病灶渗液进入血液循环，并扩散到各种组织器官和体液细胞内繁殖，这类菌属在体内死亡和解体后，才稀放出大量的细菌内毒素脂多糖（LPS），据初步实验表明，当机体内毒素浓度國值 >
0.005ng/ml时,可诱生内源性热原质如肿瘤坏死因子、白细胞介素和β2—干扰素等。

这些因子刺激体温调节中枢导致机体发热，细菌内毒素直接或间接作用于肝脏和胰腺时，可使肝细胞损伤，使糖原异生酶（如葡萄糖—6—6磷酸酶、糖原合成酶）的活性降低，抑制糖原的异生和分解。

同时内毒素作用于胰腺导致胰腺功能障碍，并形成胰岛素抵抗，造成血糖升高致使并发心肌炎和心肌肿大的系列高血糖症状。

所以，革兰氏阴性菌属感染或在病灶中的细菌进入体液细胞繁殖，当其死亡或解体后产生的内毒素，可多次进入血液，引起反复发作，其病理变化极为广泛，几乎所有的器官和组织都可被侵犯，而引起各器官的功能障碍。

其中以网状内皮系统最常见，淋巴、脾、肝、肾、骨髓中均有上皮细胞增生，形成肉芽肿，以肝脏有肉芽肿外，还可发生冲血、水肿和肝细胞坏死，最终导致肝硬化的发生。

其它器官亦有相似的毒性反应
三、热原及内毒素检查法
1、热原检查法
由于家兔对热原的反应与人基本相似，目前家兔法仍为各国药典规定的检查热原的法定方法。

《中国药典》2005年版规定的热原检查法系将一定剂量的供试品，
静脉注入家兔体内，在规定时间内，观察家兔体温升高的情况，以判定供试品中所含热原的限度是否符合规定。

检查结果的准确性和一致性取决于试验动物的状况、试验室条件和操作的规范性。

家兔法检测内毒素的灵敏度为0.001μg/ml,试验结果接近人体真实情况，但操作繁琐费时，不能用于注射剂生产过程中的质量监控，且不适用于放射性药物、肿瘤抑制剂等细胞毒性药物制剂。

2．细菌内毒素检查法
细菌内毒素检查法系利用鲎试剂来检测或量化由革兰阴性菌产生的细菌内毒素，以判断供试品中细菌内毒素的限量是否符合规定的一种方法．细菌内毒素的量用内毒素单位（EU）表示。

细菌内毒素检查包括凝胶法和光度测定法两种方法，前者利用鲎试剂与细菌内毒素产生凝集反应的原理来检测或半定量内毒素，后者包括浊度法和显色基质法，系分别利用鲎试剂与内毒素反应过程中的浊度变化及产生的凝固酶使特定底物释放出呈色团的多少来测定内毒素。

鲎试剂法检查内毒素的灵敏度为0.0001μg/ml,比家兔法灵敏10倍，操作简单易行，试验费用低，结果迅速可靠，适用于注射剂生产过程中的热原控制和家兔法不能检测的某些细胞毒性药物制剂，但其对革兰阴性菌以外的内毒素不灵敏，目前尚不能完全代替家兔。