Meccanismi di patogenesi batterica le tappe del processo infettivo Opportunistic infections • Pazienti immunocompromessi • Batteri facenti parte della: – Normale flora – Ambiente (aria, acqua, cibo suolo) Opportunists - normal flora • Skin – Staphylococcus aureus, – S. epidermidis – Propionibacterium acnes • Intestine – Bacteroides * high numbers – Enterobacteriaceae * low number Opportunists in hospital • Nosocomiali: ad es., l’ospedalizzazione puo’ portare alla sostituzione di normali microrganismi avirulenti dell’orofaringe con bacilli gram negativi (Klebsiella e Pseudomonas species) che possono causare polmoniti •VIRULENZA: VIRULENZA grado di patogenicita’ di un batterio •POTERE PATOGENO: PATOGENO è la risultante di vari fattori che permettono al microrganismo patogeno di invadere e moltiplicarsi con conseguente danneggiamento dell’organismo ospite Pathogenicity • fattori di virulenza • carica batterica (numero iniziale di batteri che infettano) • stato di salute, in particolare immunitario, dell’ospite Tappe del processo infettivo vecchia classificazione) • • • • • Ingresso Adesione Invasione dei tessuti Diffusione Danno (una La patogenicità: la colonizzazione batterica nell’ospite La colonizzazione (capacità di invadere e moltiplcarsi) è la risultante dei meccanismi di virulenza che permettono al batterio di: 1. Aderire alle cellule dell’ospite; 2. Invadere i tessuti dell’ospite; 3. Resistere all’immunità innata ; 4. Evadere l’immunità adattiva 5. Competere per i nutrienti. Meccanismi di virulenza •Vie di accesso al corpo umano Le superfici corporee come siti d’infezione e di diffusione batterica Microorganismi che più comunemente colonizzano la cute Microorganismi che più comunemente colonizzano l’apparato gastroenterico •La maggior parte delle infezioni è causata da patogeni opportunisti facenti parte della normale flora microbica apatogena dell’individuo (S. aureus, E. coli, Candida albicans) che scatenano malattia quando ad esempio introdotti in un sito non protetto (circolo ematico, tessuti) o a causa di terapie o immunocompromissioni Siti di ingresso per i batteri Colonizzazione delle mucose •Adesione Esempi di meccanismi di adesione batterica Penetrazione e disseminazione nei tessuti profondi dell’ospite •Parola chiave: fattori e meccanismi di diffusione Penetration and spread Epithelium Salmonella typhi Salmonella enteritidis •ext Vibrio cholerae Due meccanismi di penetrazione •Distruzione del tessuto •Meccanismi invasivi che consentono di penetrare direttamente nelle cellule dell’epitelio (utilizzati anche per penetrare nei fagociti professionali) Connective tissue destruction • Helps bacterial dissemination – collagenase – hyaluronidase •Penetrazione nei tessuti •Invasione dei microvilli da parte di Salmonella •Key words: •Fattori di invasione (invasine) •Sistemi di secrezione di tipo III •Invasione dell’epitelio del colon da Shigella •Il complesso meccanismo di invasione è sotto il controllo di diverse isole di patogenicità •A questo punto il danno si può manifestare con una sintomatologia clinica Infiammazione • Serie di reazioni che portano cellule e molecole del sistema immunitario al sito di infezione o al danno tissutale. Comporta iperemia (afflusso eccessivo di sangue in un organo o tessuto), aumentata permeabilità vascolare e un incremento della migrazione trans-endoteliale dei leucociti •Situazione di normalità •mast cells (mastociti): distribuite in prossimità dei vasi sanguigni sono ricche di granuli contenenti i mediatori dell’infiammazione •Processo infiammatorio Meccanismi di patogenesi batterica 2 : l’interazione con i meccanismi di difesa dell’ospite • le principali molecole batteriche con funzioni recettoriali per l’immunità innata: •lipopolysaccharide (LPS) from the gram-negative cell wall (polisaccaride O) •le principali molecole batteriche con funzioni recettoriali per l’immunità innata: •peptidoglycan found abundantly in the gram-positive cell wall and to a lesser degree in the gram-negative cell wall •le principali molecole batteriche con funzioni recettoriali per l’immunità innata: •. lipoteichoic acids found in the gram-positive cell wall •Polimeri •Polimerididiribosio, ribosio, sono sonoantigeni antigenididi superficie, superficie, caratterizzano caratterizzanoi i sierotipi*, sierotipi*,promuovono promuovono l’adesione l’adesione(la (laproteina proteina MMdidiS. S.pyogenes pyogenes),), sono sonomolecole molecole recettoriali. recettoriali.L’a. L’a. tecoico e’ un fattore tecoico e’ un fattoredidi virulenza. virulenza.L’a. L’a. lipotecoico lipotecoicoha ha un’attivita’ un’attivita’endotossica endotossica GRAM POSITIVE CELL ENVELOPE Degradative enzyme Lipoteichoic acid Peptidoglycan -teichoicacid Cytoplasmic membrane •Acidi tecoici e acidi lipoteicoici Cytoplasm •* ad es.: il polisaccaride A di S. aureus e il carboidrato D di Enterococcus faecalis •le principali molecole batteriche con funzioni recettoriali per l’immunità innata: •The sugar mannose* (common in microbial carbohydrates but rare in those of humans) •Mannosio: residui glicidici caratteristici di batteri gram+, gram- e virus •Flagellin found in bacterial flagella •Pilin from bacterial pili •Double-stranded RNA unique to most viruses •Lipoteichoic acids, glycolipids, and zymosan from yeast cell walls •Le principali molecole batteriche con funzioni recettoriali per l’immunità innata: •. bacterial nucleic acid. (Bacterial and viral genomes contain a high frequency of unmethylated cytosine-guanine dinucleotide sequences. Mammalian DNA has a low frequency of cytosine-guanine dinucleotides and most are methylated) •SONO •SONOGLI GLIELEMENTI ELEMENTICHE CHECARATTERIZZANO CARATTERIZZANOLE LE NUOVE NUOVERICERCHE RICERCHESUI SUIVACCINI VACCINIAADNA DNA • L’ATTIVAZIONE DEL COMPLEMENTO •COMPLEMENTO: gruppo di proteine sieriche coinvolte: • nel controllo dell’infiammazione • nell’attivazione dei fagociti • nell’attacco litico a cellule e microrganismi. Il sistema può essere attivato dalla interazione con gli anticorpi (via classica) •Proteine zimogene = proenzimi che richiedono una scissione proteolitica per costituire dei frammenti biologicamente attivi • Agiscono in cascata come segue: C1q, C1r, C1s, C4, C2, C3, C5, C6, C7, C8 e C9 • I frammenti ottenuti per clivaggio sono indicati come “a” (frammento minore) e “b” frammento maggiore, ad es. C3a e C3b (importante nella opsonizzazione) Dal punto di vista microbiologico il complemento favorisce: 1. l’opsonizzazione dei microrganismi per la fagocitosi 2. l’uccisione diretta dei microrganismi per lisi 3. l’attrazione chemiotattica dei leucociti nei siti di infiammazione e la loro attivazione 4. Il processamento degli immunocomplessi 5. L’induzione di risposte anticorpali specifiche mediante aumento della localizzazione degli antigeni sui linfociti B e sulle APC e abbassando la soglia di attivazione dei linfociti B L’attivazione della cascata del complemento da batteri gram+ e gram– porta alla produzione di: • Fattori chemiotattici (C5a) che attraggono neutrofili e macrofagi nel sito di infezione • Anafilotossine (C3a, C5a) che stimolano le mast cells a rilasciare istamina aumentando la permeabilità vasale • Opsonine (C3b) che si legano ai batteri e facilitano la fagocitosi • MAC (membrane attack complex, C5b6789) determina la lisi batterica •Complesso di attacco alla membrana (membrane attack complex, MAC) QuickTime™ and a GIF decompressor are needed to see this picture. •Complesso costituito dai componenti terminali C5-C9 della via litica del complemento che si inserisce nella membrana del batterio determinandone la lisi osmotica •Come il batterio contrasta l’azione l’azione dell’immunità innata •Funzione della capsula QuickTime™ and a GIF decompressor are needed to see this picture. •Some capsules simply cover the C3b that does bind to the bacterial surface and prevent the C3b receptor on phagocytes from making contact with the C3b This is seen with the capsule of Streptococcus pneumoniae. •Some capsules prevent the formation of C3 convertase, an early enzyme in the complement pathways. Without this enzyme, the opsonins C3b are not produced. Neisseria meningitidis and Streptococcus pyogenes produce capsular polysaccharides composed of sialic acid: sialic acid prevents MAC lysis. Esempi di microorganismi forniti di capsula Altri meccanismi di evasione delle difese • Produzione di una proteasi specifica per le IgA,e.g., Neisseriae • Proteina A di S. aureus che lega le IgG e previene l’azione anticorpale • Produzione di coagulasi che converte il fibrinogeno in fibrina e forma un coagulo protettivo IgA proteases • help survival on external surfaces. – H. influenzae – S. pneumoniae – N. gonorrhoeae – N. meningitidis – E. coli •Proteina A di S. aureus e la proteina tipo M di S.pyogenes •Impedisce l’opsonizzazione legando il frammento Fc delle Ig •Fagocitosi e Killing •Fagocitosi e Killing •Fagocitosi e Killing •Inibizione •Inibizionedella dellaformazione formazionedel delfagosoma fagosomaper per depolimerizzazione depolimerizzazionedell’actina dell’actina Meccanismi batterici per l’elusione del killing mediato dai fagociti Meccanismi batterici per eludere la “clearance” fagocitica Difese microbiche contro la clearance immunologica dell’ospite Meccanismi di patogenesi batterica 3: Il danno o la malattia Azione patogena dei batteri mediata da prodotti del metabolismo • Danno tissutale aspecifico da prodotti del metabolismo: • Il metabolismo batterico, specialmente la fermentazione, produce acidi, gas e prodotti tossici per i tessuti Azione patogena dei batteri mediata da fattori di virulenza • Danno tissutale da enzimi degradativi • Produzione di tossine *esotossine • Superantigeni *endotossine Danno tissutale da enzimi degradativi Durante la crescita i batteri producono enzimi degradativi che danneggiano i tessuti dell’ospite • Gli anaerobi producono fosfolipasi C, collagenasi, proteasi, ialuronidasi • Gli stafilococchi possono produrre ialunoridasi, fibrinolisina, lipasi, nucleasi • Gli streptococchi producono streptolisina, streptochinasi, ialunoridasi •Leukocidin. •Leukocidin. Leukocidin Leukocidin causes causes lysis lysis of of white white blood blood cells cells by by damaging damaging the the cell cell membrane membrane of of phagocytes phagocytes and and possibly possibly its its lysosomes. lysosomes. ItIt is is produced produced by by various various pyogenic pyogenic bacteria bacteria including including Staphylococcus Staphylococcus aureus aureus and and Streptococcus Streptococcus pyogenes pyogenes Pneumolysin, Pneumolysin,produced producedby by Streptococcus Streptococcuspneumoniae. pneumoniae. Pneumolysin Pneumolysinbinds bindsto tocholesterol cholesteroland andputs putspores poresin inhost host cell cell membranes. membranes.ItItdamages damagesciliated ciliatedepithelial epithelialcells, cells, lung lungtissue, tissue,and andvascular vascular endothelial endothelialcells. cells. Elastase, Elastase,produced producedby byPseudomonas Pseudomonasaeruginosa. aeruginosa.This This toxin toxindestroys destroyselastin, elastin,aaprotein proteinthat thatisisaacomponent componentof of lung lungtissue. tissue. Hemolysins, Hemolysins,proteases, proteases,DNases, DNases,and andstreptokinase, streptokinase, produced producedby byStreptococcus Streptococcuspyogenes. pyogenes.These Thesehydrolytic hydrolytic enzymes enzymesdestroy destroyred redblood bloodcell cellmembranes, membranes,cellular cellular proteins, proteins,DNA, DNA,and andfibrin fibrinrespectively. respectively.The Thetissue tissue damage damagedue dueto tothese theseenzymes enzymescauses causesinflammation. inflammation. Fattori di virulenza degli stafilococchi Azione patogena dei batteri mediata da fattori di virulenza • Produzione di tossine *esotossine *endotossine Confronto Esotossine Natura proteica ) Termolabili Immunogeni Neutralizzabili da anticorpi Profili di azione molto differenziati Estrema potenza Alcune attive per ingestione Endotossine Lipopolisa ccaridi ) Termostabili Immunogeni , ma non neutralizzabil i da anticorpi Profili di azione po co differenziati Meno potenti Inattive per ingestione Torna alla pri ma pagina Le tossine batteriche-1 Le esotossine sono proteine dimeriche costituite da subunita’ A (active, e.g., tossico) e B (binding, e.g., legante). Sono prodotte da batteri gram+ e gram– secrete nell’ambiente esterno e •Le componenti B si legano ai recettori cellulari •La componente A si trasferisce all’interno della cellula e induce il danno cellulare Principali gruppi di esotossine (vecchia classificazione) classificazione • Tossine neurotrope,e.g., ,e.g tossina tetanica e botulinica • Enterotossine, e.g, tossina colerica, enterotossine di E. coli • Tossine pantrope, pantrope e.g., tossina difterica, tossina di Shiga prodotta da Shigella dysenteriae Exotoxin B, produced by rare invasive strains of group A beta streptococci (Streptococcus pyogenes). This exotoxin is a protease that destroys muscles (myositis) or the sheath that covers the muscle (necrotizing fasciitis). The Theexotoxins exotoxinsof ofClostridium Clostridiumperfringens. perfringens. Gangrena Gangrenagassosa gassosa==forma formamista mistadiarroicodiarroicodissenterica dissentericacon conformazione formazionedi digas gasindotta indottada: da: ** alpha alphatoxin toxin(lecithinase): (lecithinase):increases increasesthe the permeability permeabilityof ofcapillaries capillariesand andmuscle musclecells cellsby by breaking breakingdown downlecithin lecithinin incytoplasmic cytoplasmic membranes. membranes.This Thisresults resultsin inthe thegross gross edema edemaof ofgas gas gangrene. gangrene. ** kappa kappatoxin toxin(collagenase): (collagenase):breaks breaksdown down supportive supportiveconnective connectivetissue tissue(collagen) (collagen)resulting resultingin in the themushy mushylesions lesionsof ofgas gasgangrene. gangrene. ** mu mutoxin toxin(hyaluronidase): (hyaluronidase):breaks breaksdown downthe the tissue tissuecement cement that thatholds holds cells cellstogether togetherin intissue. tissue. Toxin ToxinAAand andToxin ToxinB, B,produced producedby by Clostridium Clostridium difficile. difficile.Toxin ToxinAAdamages damagesintestinal intestinalmucosal mucosal cells cellsso sothey theycan canno nolonger longercontrol controlwater watermovement. movement. ItItmay mayalso alsoattract attractand anddestroy destroyneutrophils, neutrophils, causing causingthem themto torelease releasetheir theirlysosomal lysosomalenzymes enzymesfor for further furthertissue tissuedamage. damage.Toxin ToxinBBalso alsodamages damages mucosal mucosalcells. cells. Colite Colitepseudomembranosa pseudomembranosa==sindrome sindromedissenterica dissenterica Principali gruppi di esotossine-1 (classificate per meccanismo d’azione) • Tossine che agiscono a livello della superficie cellulare: • Le tossine emolitiche (emolisine o citolisine) enzimi che producono pori nella membrana cellulare, digeriscono materiali cellulari, alterano la composizione della membrana Principali gruppi di esotossine-2 (classificate per meccanismo d’azione) Tossine che alterano il contenuto intracellulare di AMP- ciclico (azione catalitica ADP-ribosilante): * tossina colerica * tossina pertossica * tossina termolabile di E. coli •Aumento dell’AMPc mediato dalla tossina pertossica provoca diversi danni in conseguenza delle diverse cellule bersaglio (inibizione attività macrofagica, leucocitosi, aumentata produzione di insulina) •PERTOSSE: affezione della prima infanzia con esordio infiammatorio naso-faringeo e successivo interessamento delle vie aeree inferiori con accessi parossistici di tosse, fenomeni broncospastici con difficoltà inspiratorie Principali gruppi di esotossine-2 (classificate per meccanismo d’azione) Tossine che alterano il contenuto intracellulare di AMP- ciclico (azione enzimatica adenilato ciclasica): * Fattore I o edema factor di Bacillus anthracis: e’ una adenilato ciclasi batterica che provoca aumento di AMPc intracellulare Fattore II: la componente B della tossina Fattore III: metalloproteasi Principali gruppi di esotossine-3 (classificate per meccanismo d’azione) Tossine che inibiscono la sintesi proteica cellulare: * tossina difterica * tossina di Shiga di Shigella dysenteriae * tossina A di Pseudomonas aeruginosa •Tossina difterica •Attività catalitica ADP-ribosilante con bersaglio rappresentato da EF-2 Principali gruppi di esotossine-4 (classificate per meccanismo d’azione) Tossine (neurotrope) che interferiscono con il rilascio di neurotrasmettitori: * tossina tetanica * tossina botulinica Meccanismo d’azione della tossina tetanica: blocco delle sinapsi inibitorie della contrazione muscolare riflessa La tossina tetanica: Agisce a livello del sistema nervoso centrale bloccando lÕimpulso nervoso inibitore del riflesso da stiramento muscolare, per cui ad ogni contrazione muscolare segue la contrazione dei muscoli antagonisti con una contrattura spastica di tutta la muscolatura che si traduce nellÕincapacit funzionale della stessa muscolatura ( paralisi spastica). La tox.tetanica diffonde al sistema nervoso centrale ( midollo spinale) per via centripeta lungo le fibre nervose e si fissa a livello di recettori gangliosidici della membrana dei motoneuroni. La tossina agisce a livello presinaptico impedendo la liberazione dei differenti neurotrasmettitori inibitori, bloccando i processi inibitori spinali. Clostridium botulinum produce una endopeptidasi che blocca il rilascio di acetilcolina a livello della giunzione neuromuscolare. Come risultato si ha paralisi muscolare. La tossina botulinica, come la tossina tetanica, scinde la sinaptobrevina interferendo cos“ con la formazione delle vescicole sinaptiche. A. la trasmissione nervosa è regolata dall’equilibrio tra neurotrasmettitori eccitatori ed inibitori. B. i neurotransmettitori inibitori (GABA, glicina) prevengono la depolarizazione della membrana postsinaptica e la conduzione del segnale elettrico. C. la Tetanospasmina non interferisce con la produzione del GABA o della glicina, ma con il loro rilascio (attività presinaptica). D. In assenza di neurotrasmettitori inibitori, l’eccitazione degli assoni non viene contrastato. Proprietà delle tossine batteriche di tipo A–B • Sull’inibizione delle tossine batteriche si basa la risposta immunitaria attiva dei principali vaccini antibatterici • Le tossine batteriche sono il principali bersaglio della sieroprofilassi •Le anatossine o tossoidi sono tossine proteiche batteriche alle quali è stato artificialmente eliminato il potere tossico preservando le proprietà antigeniche •Sono i costituenti dei principali vaccini antibatterici (vaccino antitetanico, antidifterico e antipertosse) L’endotossina e’ il lipolisaccaride (LPS) che costituisce il rivestimento esterno dei Le tossine batteriche-2 batteri gram negativi E’ prodotta quindi dai solo batteri gram– L’endotossina si produce per lisi cellulare •LIPOPROTEINA •LIPOPROTEINADI DI BROWN: legame BROWN: legame covalente covalentetra trailil peptidoglicano peptidoglicanoee ancora ancoralalamembrana membrana esterna esterna •Parete •Paretecellulare cellularedei dei gram-negativi gram-negativi •Antigene O: polisaccaride lineare formato da 50-100 unita’ saccaridiche, permette di distinguere tra sierotipi (ceppi) di una stessa specie batterica •Il •Illipide lipideA, A,formato formato da daun undisaccaride disaccaride didiglucosammina glucosammina fosforilata fosforilataeeacidi acidi grassi, grassi,e’ e’ responsabile responsabile dell’attivita’ dell’attivita’ endotossica endotossica dell’LPS dell’LPS Lipopolysaccharide n O-antigen Highly variable Core • Heptoses • Ketodeoxyoctonic acid Lipid A • Glucosamine disaccharide • Beta hydroxy fatty acids •Core: polisaccaride ramificato essenziale per la struttura del batterio Le diverse attività del lipopolisaccaride Tossicità mediata dell’endotossina Esempi di patogenesi •MENINGITE: infezione da forte risposta infiammatoria localizzata nello spazio sub-aracnoideo Le cause più comuni di infezioni purulente del Sistema Nervoso Centrale •Vie di accesso: plessi coroidei, seni venosi durali, piastra cribiforrme, capillari cerebrali Patogenesi della meningite batterica o menigite settica •BRONCHITI E POLMONITI •Bronchiti (infiammazione mucosa bronchiale) •Bordetella pertussis •Haemophilus influenzae •Moraxella catharralis •Streptococcus pneumoniae •POLMONITI •Polmonite acuta (infezione parenchima polmonare che si instaura in poche ore o giorni. Riempimento alveoli con liquido essudatizio e cellule infiammatorie). •Staphylococcus aureus •Haemophilus influenzae •Pseudomonas aeruginosa •Streptococcus pneumoniae •Bacilli gram negativi •POLMONITI •Polmonite cronica (può durare settimane o mesi. Distruzione del parenchima con formazione di ascessi o cavità) • •Mycobacterium tuberculosis •Cryptococcus neoformans (fungo) •Infezioni apparato gastroenterico •Quadri clinico-patologici •Ulcera peptidica e gastrite cronica: Helicobacter pylori •Diarrea: Vibrio cholerae, EPEC, ETEC, Salmonella spp., •Sindrome dissenterica: Shigella spp., EIEC, EHEC, Salmonella spp., Yersinia enterocolitica, Campylobacter, Clostridium difficile •Febbre enterica o tifoide: Salmonella typhi •Sindrome simil-tifoide: Yersinia enterocolitica, Campylobacter •Infezioni del cuore •Endocardite infettiva: infezione strutture endocardiche sia valvolari che murali (rispettivamente i lembi valvolari e le pareti delle cavità cardiache. Partenza dal torrente circolatorio) •Cocchi gram positivi: S. aureus, S. epidermidis, streptococchi viridanti e enterococchi Vie seguite dai microrganismi nelle infezioni intravasali •Clamping factors (Clf): proteine leganti il fibrinogeno •Collagen binding proteins (Cbp): proteine leganti il collagene Adesione degli stafilococchi alle srutture valvolari cardiache •Vegetazioni valvolari: su un danno all’endotelio vascolare si formano aggregati di fibrina e piastrine Patogenesi dell’endocardite batterica Adesione dello stafylococcus epidermidis alle valvole prostetiche •Infezioni dell’apparato genito-urinario •Infezioni endogene (che originano dai batteri dello stesso paziente) •Actinomyces •Bacteroides fragilis •Enterococcus •E. coli •Klebsiella pneumoniae •Morganella •Proteus mirabilis •Pseudomonas aeruginosa •Staphylococcus saprophyticus Principali determinanti di patogencicità di Escherichia coli uropatogeno