LPSの構造。（上）O抗原 、（中）コアオリゴ糖、（下）リピドA 。 リポ多糖 （リポたとう、英 :lipopolysaccharide, LPS 、中 :脂多糖 ）は、グラム陰性菌 細胞壁 外膜の構成成分であり、脂質 及び多糖 から構成される物質（糖脂質 ）である。LPSは内毒素 （エンドトキシン、英 :endotoxin ）であり、ヒト や動物 など他の生物 の細胞 に作用すると、多彩な生物活性を発現する。LPSの生理作用発現は、宿主細胞の細胞膜 表面に存在するToll様受容体 (英 :Toll-like receptor 、TLR) 4 (TLR4 ) を介して行われる。
グラム陰性菌の細胞壁。リポ多糖は全体を覆う外膜 （脂質二重膜 ）の、細胞外側の脂質部分（左図の上の方）に存在する LPSはリピドA と呼ばれる脂質に、多分子の糖からなる糖鎖 が結合した構造をとる（右図参照）。糖鎖部分は、コア多糖（またはコアオリゴ糖 ）と呼ばれる部分と、O側鎖多糖（O抗原 ）と呼ばれる部分から構成される。グラム陰性菌細胞壁のいちばん外側の部分には、外膜 と呼ばれる脂質二重膜 が存在しており、LPSは、リピドAの部分が、この脂質二重膜の外層を形成する分子として脂質層に入り込み、糖鎖の部分が細胞外に突き出す形で、グラム陰性菌の細胞表面に存在する。
O側鎖多糖は、3-5種類ほどの6炭糖（ヘキソース ）や5炭糖（ペントース ）からなる基本構造が、4-40回繰り返した構造を持つ。淋菌 や髄膜炎菌 など、菌種によっては特に短いO側鎖を有し、この場合はリポ多糖 (LPS) の代わりにリポオリゴサッカライド（リポオリゴ糖、LOS）と呼ぶことがある。O側鎖多糖の構造は、同種の細菌の中でも菌株ごとに異なり、菌体表面の親水性や抗原 性に大きく関与する。O抗原 と呼ばれる、細菌の表面抗原の本体であり、菌株の分類や鑑別に利用される。例えば大腸菌 では約170種類の異なる型のO抗原が知られ、O抗原の違いからどのような病原性を持つ菌株か（O157 など）を判別することができる（ただし、病原性自体はベロ毒素 によるものであり、LPSの作用ではない）。また、O側鎖はファージ に対する受容体にもなり、その菌に対してどのファージが感染しうるかを決定する因子として、ファージ型 （phagovar）の決定にも関与する。
コア多糖は、5炭糖、6炭糖の他に、細菌に独特な7炭糖（ヘプトース ）や8炭糖（特に2-ケトデオキシオクトン酸 , KDO）などから構成される糖鎖である。O側鎖とは異なり、その構造は菌種によってほぼ一定である。コア多糖は疎水性 の高い糖類から構成されており、親水性の高いO側鎖部分が短い場合には、細菌表面は疎水性になる。細菌表面の親水性が高い場合、しばしば寒天培地 上のコロニー は表面が平滑で光沢を持つもの（S型、Smooth）に、疎水性が高い場合には表面が粗いもの（R型、Rough）なることが知られており、O側鎖およびコアからなる多糖の構成はコロニー性状にも影響する。
LPSの脂質部分に当たるリピドAはリン酸基 が結合したグルコサミン 2分子がグリコシド結合 したものに対して脂肪酸 鎖が複数結合した化学構造をとる。LPSの生理活性の発現において最も重要な働きをしていると考えられているのはリピドA部位であり、リピドA単独でも生理作用を示すことができる[ 1]
LPSは細胞壁から容易には遊離せず、細菌が死滅したときなどに細胞が融解・破壊されることで遊離し、それが動物細胞などに作用することで毒性を発揮する。このような性質から、細菌が外に分泌する毒素 （＝外毒素 ）ではなく、分泌されない「菌体内に存在する毒素」、すなわち内毒素 とも呼ばれる。LPSは熱的･化学的にも安定しており、通常の滅菌 に用いられるオートクレーブ や乾熱滅菌 では不活化することができない。不活化には250℃で30分間の加熱を要する。
遊離したLPSは標的細胞の細胞膜に存在するTLR4 を介してその作用を発現する。TLRファミリーは炎症性サイトカイン の発現に関与し、自然免疫において重要な働きをしている。ヒトにおいては現在までにTLRファミリーに属する分子として10種類が知られている。TLRファミリーの細胞外ドメインはロイシンリッチリピート (LRR) と呼ばれる構造を持つ。LRRはアミノ酸 の一つであるロイシン が規則的に配置されているロイシンリッチモチーフ （LRM）の繰り返し構造により構成される。また、細胞内ドメイン はToll/IL-1R相同領域（TIRドメイン）と呼ばれ、インターロイキン-1 (IL-1)受容体 をはじめ、その他のIL-1受容体ファミリーに属する分子（IL-18受容体など）とも相同性を持つ領域である。また、近年ではTLR4以外にもLRRを有するNodという細胞内タンパク質がLPS受容体として働くことも報告されている[ 2]
TLR4 によるLPSの認識機構はまずLPS結合タンパク質 (LBP) によりLPSが捕捉され、CD14 分子へと輸送されることにより開始される。さらにLPS-CD14複合体はTLR4に結合するわけであるが、その認識にはMD-2分子が必須である[ 3]
TLR4 を介したシグナル伝達経路。リガンド の結合による細胞内シグナル伝達経路はIL-1 受容体と同様であり、以下の通りである。まず、TLR4 にLPSが結合するとアダプタータンパク質 であるミエロイド系分化因子88（英:Myeloid Differentiation Protein-88、MyD88）を介してセリン /スレオニン キナーゼ であるIL-1受容体関連キナーゼ（英:IL-1 Receptor Associating Kinase、IRAK）を活性化する。さらにIRAKの下流にあるアダプタータンパク質TRAF-6 (TNF Receptor-associated Factor-6) を介して炎症反応に関与するNFκB (Nuclear Factor κB) やMAPキナーゼ ファミリー等の活性化を引き起こし、転写 活性を示す[ 4]
LPSは上記に述べたシグナル伝達経路を介して種々の炎症性サイトカインの分泌を促進する作用を持つ。サイトカインの産生は細菌を除去するための生体防御反応として行われるが過剰になった場合に毒性が発現し、ショック 状態に陥る（エンドトキシンショック ）。また、LPSは抗原提示細胞 である樹状細胞 やマクロファージ を活性化し、未分化なT細胞 （ナイーブT細胞）を1型ヘルパーT細胞 （Th1細胞）へと分化 誘導する働きを持つ。このような作用を持つことからLPSは生物系の基礎研究 においてin vivo in vitro 発熱 、多臓器不全 、頻脈 等の作用を有している。
自然界において、LPSは腸内細菌 に由来するほか食用植物や漢方薬 にも付着している。経口・経皮のLPSの自然摂取では毒性はなく、むしろ免疫系の成熟・調節に寄与していることを示す報告もある。たとえば、乳幼児期におけるLPSの自然摂取が、アレルギー体質になることを防いでいること[ 5] [ 6] IgG のほかIgA 抗体の産生を高め予防効果が高いこと[ 7] [ 8] [ 9] 制御性T細胞 （Treg細胞）はLPSの刺激を受けることで、好中球 の炎症誘導を抑制することが報告されている[ 10] [ 11] [ 12]
LPS阻害薬であるポリミキシンB はファイザー から発売されているポリミキシンB錠やテラマイシン軟膏などの含有成分として医薬品 に応用されている。
一方、LPSを医薬に用いている例として、サルモネラ菌由来のLPSのリピドAを脱リン酸化 し、リン酸基を一つ残したモノフォスフォリルリピドA (MPL)[ 13] サーバリックス )のアジュバント として使用されている[ 14]
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