Patogenesi delle infezioni batteriche Interazione ospiteparassita: • Commensalismo • Mutualismo • Parassitismo COMMENSALISMO Relazione simbiotica in cui un organismo,il commensale, trae da essa beneficio, mentre l’altro, l’ospite non ne viene né danneggiato né favorito. Es. E.coli (Colon) MUTUALISMO Particolare tipo di relazione dalla quale derivano benefici reciproci per entrambi i partner e dove i membri sono metabolicamente dipendenti l’uno dall’altro. Mechanisms by which the normal flora competes with invading pathogens. Studies with antibiotic treated animals suggest that the flora protects individuals from pathogens. Investigators have used streptomycin to reduce the normal flora and have then infected animals with streptomycin-resistant Salmonella. Normally, about 106 organisms are needed to establish a gastrointestinal infection, but in streptomycin-treated animals whose flora is altered, fewer than 10 organisms were needed to cause infectious disease. . PARASSITISMO • parassita = organismo che danneggia o vive a spese di un altro organismo (ospite) di specie diversa. • Parassitismo = relazione tra parassita e ospite • Nella patogenesi il termine parassita è sostituito con il termine patogeno 1 commensalismo: Escherichia Coli vive nel colon Candida albicans può trovarsi sulla cute 2 mutualismo: microflora dell’intestino (Lactobacillus, Enterococchi, Bacteroides) 3 parassitismo: Virus Patogeno: microrganismo capace di produrre malattia in una certa percentuale di individui sani e non immuni. Patogenicità : capacità di un microrganismo di causare la malattia. Patogeno opportunista = microrganismo che non causa malattia in un ospite sano, ma solo in individui immunocompromessi (ustionati , trapiantati, malati d’AIDS, donne in gravidanza, etc.) Infezione: moltiplicazione dei microrganismi nell’ospite senza danno. Malattia: moltiplicazione dei microrganismi nell’ospite e danno. Azione patogena dei batteri • Un batterio è considerato patogeno quando è in grado di invadere i tessuti di un organismo umano e di moltiplicarvisi, danneggiando il normale funzionamento dell’organismo ospite con la produzione di una o più sostanze tossiche. • Le due componenti fondamentali del potere patogeno sono: – a) moltiplicazione in vivo – b) tossinogenicità Queste dipendono dalla virulenza del batterio • Virulenza: capacità dei batteri di instaurare ed estendere una infezione, moltiplicandosi nei tessuti dell’ospite. Virulenza: Viene determinata con la: DL50: n° dei microrganismi (o tossine) richiesti per uccidere il 50% degli animali testati sperimentalmente. ID50: n° di microrganismi richiesti per produrre una infezione nel 50% degli animali testati. Tossigenicità : proprietà che ha il patogeno di produrre tossine, sostanze in grado di danneggiare l’ospite e di causare malattia. Virulenza dei batteri Penetrazione Colonizzazione Competizione con i batteri commensali Contrasto dei meccanismi di detersione delle superfici mucose dell’ospite (movimento del contenuto del lume intestinale o del muco convogliato dagli epiteli vibratili delle mucose respiratorie). Competition between host cells and bacterial pathogens for iron, illustrating the importance of siderophores. Since free iron is scarce in tissue fluids and blood, bacterial siderophores compete effectively for Fe3+ bound to lactoferrin and transferrin. Chronic pulmonary infections with Pseudomonas aeruginosa are a debilitating component of the genetic disease cystic fibrosis (CF). The persistence of these infections is partly due to iron uptake as this contributes to bacterial growth and the formation of resilient biofilms . • La fibrosi cistica (FC),, è una malattia genetica • La patologia è causata da una mutazione del gene CFTCR (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) che codifica una proteina di 1480 aminoacidi situata sulla membrana cellulare delle cellule epiteliali, la cui funzione, normalmente, è quella di trasportare il cloro attraverso le membrane cellulari delle vie aeree ,dell’intestino , del pancreas causando squilibrio ionico • ( Manifestazioni cliniche della Fibrosi cistica.[35] I segni distintivi della fibrosi Patogenesi dei batteri I fattori di virulenza dei batteri sono principalmente 4: • Adesine • Capsula • Esoenzimi • Tossine (esotossine, endotossine). Fattori di virulenza toxin Adesività batterica • Capacità del batterio di aderire in maniera specifica e selettiva alla superficie delle cellule di vari epiteli mucosi. • Si deve all’interazione di strutture superficiali del batterio (adesine) con la porzione glicidica di glicoproteine e glicolipidi presenti alla superficie delle cellule che dei diversi epiteli mucosi. Fattori di adesione • Adesine sulla superficie della cellula batterica che interagiscono con un recettore sulla superficie delle cellule dell’ospite Fattori di virulenza: adesine Fattori di virulenza: adesione Altri fattori di adesione • Glicocalice: strato di fibre eso-polisaccaridiche all’esterno della cellula batterica. • Acidi teicoici e lipoteicoici (gram+; LTA streptococchi) Streptococchi: Proteina M N terminal region The coiled-coil dimeric nature of M protein and its relationship to the bacterial cell surface is shown. The N-terminal region of the M protein, distal to the cell surface, varies among different M types, thereby providing the molecular basis of Dr. Lancefield's method of serotyping group A streptococci. In contrast, the C-terminal region of M protein, commencing at the pepsin susceptible site, is more conserved. The physical relationship between the cell membrane, cell wall, the group A specific carbohydrate and M protein are also indicated. C terminal region Un biofilm o biopellicola, è una aggregazione complessa di microorganismi contraddistinta dalla secrezione di una matrice adesiva e protettiva, Costituito da oligosaccaridi, piccoli peptidi, proteine Favorisce il legame del batterio ai corpi estranei (CVC) Un biofilm è una comunità strutturata di cellule batteriche racchiuse in una matrice polimerica autoprodotta ed adesa ad una superficie inerte o vivente. Fig. 1: The biofilm life cycle, 1. individual cells populate the surface. 2.extracellular polymeric substances is produced and attachment becomes irreversible. 3.4. biofilm architecture develops and matures. 5: single cells are released from the biofilm In ospedale, ma talora anche a domicilio, può accadere che un paziente non sia in grado di alimentarsi per via naturale Il catetere venoso centrale (CVC) è un presidio medico utilizzato soprattutto nei reparti di terapia intensiva per l'infusione di liquidi la somministrazione di farmaci endovena, ma anche di nutrizione parenterale. CDC controllo sulla sanità pubblica degli Stati Uniti d’America che ha il compito di monitorare, prevenire e suggerire gli interventi più appropriati in caso di contagio diffuso ed epidemie Per infezione acquisita in Ospedale si definisce un’infezione contratta durante il ricovero in ospedale, che non era manifesta clinicamente né in incubazione al momento dell’ammissione, ma che compare durante o dopo il ricovero Si manifestano in genere dopo 48 dal ricovero durante la degenza stessa o dopo le dimissioni Capsula • I polimeri capsulari Possono inibire la fagocitosi da parte delle cellule fagocitarie. Esoenzimi batterici I batteri producono enzimi che, favorendo l’apertura di varchi nei tessuti, consentono la diffusione dei batteri attraverso i tessuti dell’ospite • Ialuronidasi • Stafilochinasi( dissolve la fibrina) e Streptochinasi( trasforma il plasminogeno in plasmina) • Collagenasi • Proteasi • DNAsi • Lipasi • Coagulasi ( stafilococchi) Coagulasi (solubile) reagisce con un fattore presente nel plasma (CRF- coagulase reacting factor ) per formare stafilotrombina, che trasforma il fibrinogeno in fibrina Protegge il batterio dalla fagocitosi Clumping factor (coagulasi legata alla cellula) lega il fibrinogeno trasformandolo in fibrina, causando l’aggregazione degli stafilococchi (clump) Coagulasi: è un enzima che coagula il plasma e provoca il deposito di uno strato protettivo di fibrina intorno alla cellula batterica, ostacolando così la fagocitosi da parte dell’organismo ospite o la loro distruzione all'interno di tali cellule. Quindi la produzione di coagulasi è sinonimo di potenziale patogeno Tossine Definizione: veleni batterici responsabili del danno all’organismo ospite e della sintomatologia morbosa esotossine endotossine ESOTOSSINE •Sono prodotte sia dai Gram+ che Gram -. •Sono liberate dal batterio nell’ambiente esterno. •Si possono separare dai batteri che le producono per filtrazione o centrifugazione. •Sono di natura proteica. •Sono termolabili (tranne alcune eccezioni-toss eritrogenica , enterotossina stafilococcica, streptolisina S ) •Distrutte dai succhi gastrici (tranne enterotossina stafilococcica e botulinica). •Sono ottimi antigeni. •Il loro potere tossico è neutralizzato dall’anticorpo specifico. •Alcune possono essere trasformate in anatossine (molecole derivate da tossine che mantengono il potere antigenico, ma hanno perduto il potere tossico) . ENDOTOSSINE • Sono prodotte dai soli Gram • Gruppo di veleni contenuti nella cellula batterica. • Non si liberano nell’ambiente se non dopo la lisi dei batteri che le contengono • Sono di natura lipopolisaccaridica. • Il loro potere tossico non è neutralizzato dall’anticorpo specifico. • Resistono all’azione dei succhi gastrici. • Sono termostabili. • Non possono essere detossificate. • • • • ESOTOSSINE: struttura molecolare Sono di natura proteica. tossine monomeriche = costituite da una sola molecola proteica (alcune). tossine dimeriche = formate da due diverse subunità peptidiche (tenute insieme da legami disolfuro): A e B. Il peptide B è il peptide che è in grado di interagire con recettori presenti alla superficie della cellula bersaglio, provocando nella membrana cellulare una serie di alterazioni che consentono la traslocazione intracellulare del peptide A che è quello dotato della azione tossica specifica (maggior parte delle tossine). Tossine multimeriche = il componente B è un oligomero formato da un certo n° di peptidi identici o diversi. Struttura delle esotossine Tossine A-B Supeficie cellulare Attiva (tossica) A Binding B ESOTOSSINE classificazione in base alle cellule bersaglio Tossine citolitiche = in grado di ledere le membrane delle cellule bersaglio provocandone la morte. Dette anche emolisine per il fatto che le emazie rappresentano il tipo di cellule più facilmente utilizzabili in vitro per dimostrarne l’azione. Tossine neurotrope = le cui cellule bersaglio sono localizzate nel SNC o periferico. Enterotossine = attive a livello delle cellule della mucosa intestinale e la cui azione tossica si traduce nella comparsa di diarrea. Tossine pantrope = in grado di danneggiare qualsiasi cellula in possesso di recettori idonei a fissare la tossina. ESOTOSSINE classificazione in base al meccanismo d’azione • tossine che agiscono a livello extracellulare ( Es. tossina epidermolitica di S. aureus). • tossine che agiscono a livello della membrana cellulare (Es. tossine emolitiche -leucocidine di S. aureus ) • tossine che penetrano nella cellula modificandone la fisiologia(tossina colerica, tossina della pertosse) • tossine che penetrano nella cellula uccidendola (tossina difterica). Tossine che agiscono a livello extracellulare • La principale è la tossina esfoliativa o tossina epidermolitica prodotta da alcuni stipiti di S. aureus, responsabile della sindrome della cute ustionata o malattia di Ritter. • La malattia è conseguente alla colonizzazione dell’epidermide ad opera di stafilococchi produttori della tossina, la quale si diffonde nell’epidermide, provoca la rottura dei desmosomi dello strato granuloso, con il conseguente scollamento spontaneo di ampie zone degli strati superficiali di epidermide necrotica. La tossina è una serino-proteasi ed ha la proprietà del superantigene. Tossina esfoliativa Esistono 2 forme della tossina: ETA termostabile, cromosomica ETB termolabile, plasmidica Agisce sui desmosomi(giunzioni cellulari ,mantengono la forma e la consistenza dei tessuti, Rompe i ponti cellulari dello strato granuloso dell’epidermide Tossina esfoliativa Sindrome della cute ustionata (SSSS, Staphylococcal Scalded Skin Syndrome, Sindrome di Ritter) La tossina induce la produzione di anticorpi neutralizzanti proteggenti che portano alla risoluzione del processo tossico (7-10 gg) Colpisce i bambini di 1-3 anni Tossine che agiscono a livello della membrana cellulare (citolisine, emolisine) • Le tossine citolitiche hanno come bersaglio la membrana cellulare di cui modificano l’integrità fisiologica e strutturale provocando al lisi e la morte della cellula bersaglio. Es. tossina gamma di S. aureus Queste tossine possono essere riconducibili a 2 meccanismi principali: 1) formazione di pori o di canali attraverso la membrana e 2) distruzione enzimatica di componenti lipidici della membrana. A) Formazione di pori o canali transmembranari: • Alcune tossine citolitiche si inseriscono nel doppio strato lipidico della membrana formando dei pori o canali che mettono in comunicazione diretta il citosol con l’ambiente esterno, alterando la funzionalità della membrana. • Es. emolisine alfa di S. aureus, streptolisina O di Streptococcus pyogenes = EMOLISI B) Azione enzimatica su lipidi di membrana: • Leucocidine di S. aureus e P. aeruginosa, citotossiche per i fagociti. • L’azione tossica sulla membrana lisosomiale causa la liberazione degli enzimi lisosomiali e la necrosi della cellula. Tossine ADP-ribosilanti • agiscono sul NAD, staccando la molecola di nicotinamide e trasferendo il resto della molecola (adenosina-difosfato-riboso) su una molecola proteica bersaglio. • Questi enzimi hanno come bersaglio alcune proteine della cellula eucariotica. • Es. tossina difterica, tossina A di P. aeruginosa, tossina colerica, tossina della pertosse, Tossina difterica •Tossina pantropa ( colpisce in particolare: Cuore e Sistema nervoso) •Inibisce la sintesi proteica cellulare •E’ costituita da una catena polipeptidica di 62.000 daltons, che per l’azione di proteasi dà origine a 2 frammenti detti “A” ( 21.500 daltons) e “B” (40.500 daltons) che rimangono uniti tramite un ponte disolfuro. Tossina difterica • Il frammento B si lega sulla membrana cellulare e tale legame determina l’ingresso nella cellula del frammento A • Il frammento A agisce sul NAD staccando la nicotinamide e catalizzando il legame della porzione residua della molecola (ADP-riboso) con il fattore EF2 che nelle cellule eucariotiche , interviene nella biosintesi della catena polipeptidica a livello della traslocazione sul ribosoma • BLOCCO DELLA SINTESI PROTEICA CELLULARE Electron micrograph of corynebacteriophage ß, which carries tox. Following lysogenic conversion with corynebacteriophage ß, or closely related corynebacteriophages, nontoxigenic strains of C diphtheriae become toxigenic. Ribbon diagram of the X-ray crystal structure of monomeric native diphtheria toxin Diphtheria Toxin • Dominio catalitico • • • • The Diphtheria Toxin (DT) Monomer A (red) is the catalytic domain; B (yellow) is the binding domain which displays the receptor for cell attachment; T (blue) is the hydrophobic domain responsible for insertion into the endosome membrane to secure the release of A. The protein is illustrated in its "closed" configuration. Dominio transmembrana Dominio per il binding Recettore per EPGF eparin binding Schematic diagram of the diphtherial intoxication of a sensitive eukaryotic cell. The toxin binds to its cell surface receptor and is internalized by receptormediated endocytosis; upon acidification of the endosome the transmembrane domain inserts into the vesicle membrane; the catalytic domain is delivered to the cytosol, resulting in inhibition of protein synthesis and death of the cell. Il RECETTORE per la tossina è il fattore dincrescita epidermica presente in molte cellule cardiache e nervose • Una volta nel citoplasma della cellula bersaglio, il peptide A interrompe la sintesi proteica per inattivazione della trasfearsi -2 (Elongating Factor-2, EF2) cioè l’enzima che provvede al trasferimento dell’aminoaciltRNA dal sito accettore al sito donatore del ribosoma delle cellule eucariotiche. • NAD + EF2 + tossina (A) —————————→ ADPREF2 • La tossina stacca dal NAD la frazione adenosina difosfato-ribosile (ADPR) e la unisce all’EF2, inattivandolo. La sintesi proteica è bloccata e la cellula muore. • EF2 è la sola proteina ADP-ribosilata dalla tossina difterica Tossina difterica Uptake and activity of the diphtheria toxin in Eukaryotic cells The figure above was redrawn from the Diphtheria Toxin Homepage at UCLA. A represents the A/B toxin's A (catalytic) domain; B is the B (receptor) domain: T is the hydrophobic domain that inserts into the cell membrane. Corynebacterium • Corynebacteria are Gram-positive, aerobic, nonmotile, rod-shaped bacteria Stained cells. The "barred" appearance is due to the presence of polyphosphate inclusions called metachromatic granules. Note also the characteristic "Chinese-letter" arrangement of cells. Presenta Granuli metacromatici o granuli di Babes-Ernst accumulo di sostanze nutritizie evidenziabili con colorazione di Gins-Albert al blu di metilene Tossina colerica • Grossa molecola proteica (P.M. = 80.000 Da) • Oligomero formato dall’unione non covalente da 1 subunità A e di 5-6 subunità B che circondano come una corona la subunità A. La subunità A è formata da 2 catene polipeptidiche dette A1 e A2 tenute insieme da un ponte disolfuro. •La catena A1 è la vera responsabile dell’azione tossica, mentre la A2 è importante per unire la subunità A alle varie subunità B. Tossina colerica •Le subunità B sono le responsabili dell’interazione e del legame tra la molecola tossica ed i recettori specifici di membrana delle cellule bersaglio (recettori di natura gangliosidica). •La subunità A attraversa la membrana penetrando nel citosol cellulare.Viene liberata la subunità A1, •.Viene attivata l’adenilato-ciclasi con conseguente iperproduzione di AMP-ciclico. •Effetti della tossina: alterazione del passaggio di acqua ed elettroliti attraverso la membrana dell’enterocita perdita di acqua nel lume intestinale conseguente diarrea e disidratazione dell’organismo. Tossina colerica • catalizza l'ADP-ribosilazione di una proteina G. Ciò ha come risultato, un continuo stato di attivazione della proteina G che va a stimolare l'attività di una adenilato ciclasi che stimola cAMP • L'elevata presenza di cAMP risultante, ha sui villi l'effetto di bloccare l'ingresso di sodio , cloro ed acqua Vibrio cholerae Enterotossina: coleragene - Consta di una frazione tossica A (suddivisa in A1 e A2) e di 5 frazioni B (carrier e legame con il recettore) - Recettore: ganglioside GM1 presente sulle cellule epiteliali dell’intestino tenue Provoca: - aumento di AMPc - liberazione di ioni sodio, potassio, bicarbonato (effetto: eliminazione di acqua) Il microrganismo è poco invasivo: la patogenicità è legata alla tossina. tossina colerica Vibrio cholerae Patogenesi ed Immunità Meccanismo d’azione della tossina colerica. La subunità B si lega al ganglioside GM1 delle cellule epiteliali permettendo la successiva internalizzazione nell’enterocita delle subunità A tramite un canale idrofobico. 1 All’interno della cellula, la subunità si dissocia in A1 e A2. A1catalizza catalizzalal'ADP-ribosilazione di una proteina G(la proteina Gregolatorio controlla A1 ADP-ribosilazione sull’arginina di un complesso l’adenilato ciclasi ) Ciò ha come risultato, un continuo stato di attivazione della (Proteina cheva a sua volta attiva l’adenilato presente proteina G) G che a stimolare l'attività di unaciclasi adenilato ciclasisulle con membrane conseguente aumento di AMP –c cellulari a livello dell’epitelio intestinale. 2 3 A1 catalizza l'ADP-ribosilazione di una proteina Ciò ha come risultato, un continuo stato di attivazione della proteina G che va a stimolare l'attività di l'attività GTPasica proteina G è bloccata. una adenilato ciclasidella che stimola cAMP Ne consegue iperproduzione di cAMP che stimola massiva secrezione di ioni sodio, potassio, bicarbonato con rilascio di acqua nel lumen, disidratazione e morte (in assenza trattamento). Vibrio cholerae Patogenesi ed Immunità Accumulo di cAMP cAMP provoca secrezione attiva di Na+, Cl-, HCO3K + e H2 O V. cholerae non invade l’intestino, ma si attacca all’epitelio intestinale tramite i pili e l’azione della tossina rende le cellule altamente permeabili ai liquidi (si può perdere 1 litro d’acqua in 1 ora, fino a 20 litri in 1 giorno). L’epitelio intestinale è danneggiato ed i sintomi sono: dolore addominale, diarrea aquosa e vomito. Per la presenza di muco, le feci diarroiche vengono definite “ad acqua di riso”. Attacco e colonizzazione di Vibrio cholerae Tossina della pertosse • P.M = 105 kDa • formata da 5 differenti subunità (S1 - S5) a differente mobilità elettroforetica. • La porzione attiva A della molecola è formata dal monomero S1, mentre la porzione B è un oligomero formato da due dimeri ( S2+S4 ed S3+S4) ed un monomero S5. • La proteina bersaglio è la proteina G, regolatrice dell’adenilato ciclasi presente nella membrana cellulare. Le cellule rispondono in modo anomalo agli stimoli provenienti dall'esterno e l'aumento dell‘AMP ciclico porta ad un aumento delle secrezioni respiratorie e della produzione di muco. Principali gruppi di esotossine-4 (classificate per meccanismo d’azione) Tossine (neurotrope) che interferiscono con il rilascio di neurotrasmettitori: * tossina tetanica * tossina botulinica Tossina tetanica • Agisce a livello del sistema nervoso centrale bloccando l’impulso nervoso inibitore del riflesso da stiramento muscolare (GABA), per cui ad ogni contrazione muscolare segue la contrazione dei muscoli antagonisti con una contrattura spastica di tutta la muscolatura che si traduce nell’incapacità funzionale della stessa muscolatura (paralisi spastica) Neurotrasmettitori eccitatori STIMOLAZIONE CONTINUA Neuro–trasmettitori inibitori BLOCCATI: Diffonde lungo i cilindrassi dei nervi motori e raggiunge il midollo spinale dove blocca la trasmissione a livello delle sinapsi inibitorie (dando luogo ad impulsi eccitatori (paralisi spastica) Tale blocco da via libera agli impulsi eccitatori. il blocco degli impulsi inibitori provoca una serie di spasmi generalizzati che interessano i m. estensori e flessori PARALISI SPASTICA Le neuro-tossine Botulismo • Sono state identificate 7 diverse varianti antigeniche delle neurotossine botuliniche (A-G). • La A,B,E e raramente la F producono botulismo nell’uomo. • La neurotossina viene sintetizzata all’interno della cellula batterica durante la crescita anaerobica , dopo la germinazione delle spore. • Rilasciata all’esterno, associata ad altri componenti proteici non tossici, grazie a questi è protetta dalla denaturazione dovuta ai succhi gastrici. • Botulismo : • I pazienti affetti da Botulismo manifestano debolezza e stato confusionale dopo 1-2gg dal consumo dell’alimento contaminato con la tossina. • I segni iniziali sono: • Vista offuscata e pupille dilatate e fisse, bocca secca ( indicativa degli effetti anticolinergici della tossina),costipazione e dolori addominali. • Paralisi flaccida, debolezza discendente bilaterale a carico dei muscoli periferici che può portare alla morte per paralisi dei muscoli respiratori. • Mortalità oggi è del 10%, grazie alla terapia di supporto, nel trattamento delle complicanze respiratorie. Il botulismo infantile è una malattia rara, riconosciuta per la prima volta in California nel 1976, che colpisce i neonati al di sotto dell’anno di età. Il miele è il solo veicolo alimentare sicuramente correlato, da evidenze epidemiologiche e di laboratorio,al botulismo infantile Endotossine Un gruppo di veleni contenuti nella cellula batterica, che non si liberano nell’ambiente se non dopo la lisi dei batteri stessi. • Sono prodotte dai soli Gram-. • Sono di natura Lipopolisaccaridica. • Il loro potere tossico non è neutralizzato dall’anticorpo specifico. • Termostabili. • Resistono all’azione dei succhi gastrici. • Non possono essere detossificata. Meccanismi d’azione dell’endotossine: Liberazione massiccia di alcune citochine infiammatorie . Interazione con gli endoteli vascolari. Attivazione del complemento per via alternativa. Attivazione della cascata di eventi legati alla coagulazione del sangue. Aumento della permeabilità vascolare Coagulazione intravasale disseminata (CID)