Patogenesi delle infezioni batterica parte I

Dott.ssa ROBERTA COLICCHIO
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MICROBIOLOGIA CLINICA
aa 2016-2017
Libri di testo consigliati:
Principi di Microbiologia Medica
Antonelli, Clementi, Pozzi, Rossolini
Microbiologia Medica La Placa
Corso di Microbiologia Clinica
Batteriologia
Virologia
Caratteristiche generali
Isolamento
Identificazione
Fattori di patogenicità
Ciclo vitale
Antibiotici
Diagnosi
L’Importanza della Microbiologia Clinica
Principali cause di morte in età pediatrica (≤ 5 anni) Dati ISS
L’Importanza della Microbiologia Clinica
Approfondire gli aspetti patogenetici ed immunologici
di una malattia
Sviluppare nuovi approcci multifocali sia per la
prevenzione che per il trattamento della malattia
Identificare e Valutare nuovi fattori di virulenza
Identificare nuovi target terapeutici
Identificare nuovi target vaccinali
Sviluppare nuove strategie diagnostiche
Patogenesi delle infezioni
batteriche
Affinché un qualsiasi processo infettivo si realizzi è necessaria
l’Interazione tra Ospite e Parassita
Tale interazione è influenzata da numerosi fattori quali:
L’ambiente
Il comportamento umano
Fattori specifici dell’ospite come: età, precedenti vaccinazioni e
malattie, gravidanza, nutrizione, fumo, stato emotivo
Stato immunitario e meccanismi di difesa dell’ospite
Tuttavia l’infezione MULTIFATTORIALE che implica molteplici
interazioni tra il microrganismo e l’ospite, pertanto le caratteristiche
proprie del microrganismo giocano un ruolo fondamentale nell’istaurarsi
del processo patogenetico che porta all’infezione.
Interazione Microrganismi - Uomo
Commensali
microrganismi non patogeni che convivono nell’ospite. In
condizioni normali non causano malattia, svolgono un ruolo
benefico ed essenziale per il mantenimento della salute
generale del soggetto.
Opportunisti
microrganismi con livelli intermedi di virulenza perchè la
patologia è associata ad alterazioni della localizzazione e
della risposta immunitaria
Patogeni
microrganismi capaci di causare malattia e di infliggere un
danno all’ospite.
Microrganismi - Uomo
Very few microbes are
always pathogenic
Many microbes are
potentially pathogenic
Most microbes are
never pathogenic
Flora microbica residente: MICROBIOTA
Viene acquisita durante e
subito dopo la nascita e si
stabilizza in ~ 1-2 anni.
Composta in prevalenza
di batteri, archebatteri,
miceti e anche virus e
protozoi.
E’ dinamica:
continuamente
tutta la vita.
cambia
durante
Esempi di organismi che costituiscono la normale flora
del corpo e loro localizzazione
La flora microbica residente (Microbiota
(Microbiota))
è differente nei diversi distretti del nostro
organismo e differisce anche in differenti
regioni dello stesso apparato.
Tratto gastrointestinale:
gastrointestinale: bocca, esofago, stomaco, intestino tenue, colon, retto, ano
La colonizzazione è diversa nei vari tratti dell’intestino essendo influenzata sia
da Fattori dell’ospite (es. pH, ac. biliari, enzimi digestivi)
che da Fattori batterici
(es. capacità di adesione, enzimi, capacità metabolica)
DISTRIBUZIONE, FREQUENZA E DENSITA’ DEI BATTERI CHE COSTITUISCONO LA FLORA
NORMALE DEL TRATTO GASTROINTESTINALE UMANO.
Il Microbiota Intestinale
I microbi colonizzano rapidamente il tratto gastrointestinale dopo la
nascita e nei primi mesi di vita dopo l’esposizione al microbiota
materno.
Questo processo è influenzato dalla:
Eredità della madre;
Immediato ambiente di vita;
Pratiche di alimentazione;
Tipo di parto e Allattamento
Parto Spontaneo:
Spontaneo Lactobacillus, Prevotella, etc.
Parto Cesareo:
Cesareo Staphylococcus, Corynebacterium, etc.
Infezioni microbiche
Caratteristiche genetiche dell'ospite.
Il Microbioma Intestinale
La composizione del microbiota intestinale si stabilizza a circa 1
anno di vita quando diviene simile a quello di un adulto.
E’ composto da un numero di cellule circa 10 volte maggiore di
quello del nostro corpo (1014 vs 1013)
E’ costituito da ~10 phyla batterici; ~1800 generi; ~15.000-36.000
specie.
I microrganismi presenti nell’intestino giocano un ruolo cruciale
per una digestione sana, ma influenzano anche il sistema
immunitario.
Il genoma collettivo del microbiota
(MICROBIOMA) contiene più geni del
genoma umano; si stima ~3,3 milioni vs
~25.000.
SUPERORGANISMO
SALUTE
Disbiosi=
MALATTIA
Obesità, Morbo di Crohn, Sindrome dell’Intestino Irritabile, Celiachia, Allergie
Funzioni importanti della
popolazione microbica residente:
Produzione di vitamine (K e gruppo B);
Stimolazione e maturazione del sistema immunitario;
Competizione con patogeni;
Produzione di sostanze ad azione antibatterica: batteriocine,
piccole molecole peptidiche che agiscono sia su batteri Gram+
che Gram-.
Disgregazione di sostanze che il nostro sistema non è in
grado di metabolizzare (cartilagini, molecole di cellulosa)
Competizione per i recettori
Concorrenza per le sostanze nutritive
Cosa influenza la Patogenicità ??
Virulenza intrinseca del patogeno
Interazione recettore
recettore--antirecettore
Carica del microrganismo
microrganismo:: numero iniziale
di batteri che suscitano una risposta
patologica
Stato immunitario dell’ospite
Patogenicità
La Virulenza di un microrganismo, come la
tossicità di una tossina, è generalmente
espressa come la dose capace di infettare o di
uccidere il 50% degli animali inoculati o della
popolazione in esame
I rispettivi indicatori sono denominati:
Dose Infettiva50 (ID50)
Dose Letale50 (LD50)
Postulati di Kock
Semplici criteri che stabiliscono il legame tra una malattia
ed il microrganismo sospettato di esserne l’agente eziologico
1. Il patogeno deve essere presente in tutti i casi di
malattia.
2. Deve essere isolato dal paziente e cresciuto in coltura
pura.
3. La malattia deve essere riprodotta inoculando una
coltura pura del patogeno in un ospite sano.
4. Il patogeno deve essere re-isolato dall’ospite.
Postulati di Kock
1
4
2
3
Versione Molecolare dei Postulati di Kock
1. Il potenziale fattore di virulenza (determinante di
virulenza) dovrebbe essere presente in tutti i ceppi
patogeni di una data specie ed essere assente nei
ceppi non patogeni.
2. L’inattivazione del gene/i codificante il potenziale
fattore di virulenza dovrebbe attenuare la virulenza
in un modello animale di infezione.
3. La successiva reintroduzione del gene mutato
dovrebbe ripristinare la virulenza in modelli di
infezione animali e cellulari.
VIE DI
TRASMISSIONE
Ingestione
Inalazione
Trauma
Iniezione
Puntura di
artropode
Trasmissione
sessuale
Le superfici corporee rappresentano siti di infezione e di diffusione batterica.
Principali fattori di
inibizione
dell’interazione
Microrganismo-Ospite
Infezioni esogene
Il microrganismo agente eziologico (patogeno
patogeno alloctono
alloctono)
proviene dall'esterno direttamente o indirettamente
attraverso veicoli inanimati o vettori animati
-ingestione di cibi o bevande contaminate
-inoculazione diretta (punture di insetti, morsi di animali,
trasfusioni) o penetrazione traumatica (ferite)
-via aerea
-via sessuale
Infezioni endogene
il
microrganismo
agente
eziologico
(patogeno
patogeno
opportunista o autoctono
autoctono) non è normalmente patogeno,
o lo è molto poco, ma può provocare malattia solo se le
difese
dell'organismo
sono
deficitarie:
immunodepressione,
immunosoppressione,
età
dell'ospite;
Spesso microrganismi della microflora commensale
possono spostarsi in altre sedi corporee dell'organismo,
in seguito a traumi, ferite, ecc. causando infezione
es.. infezioni delle vie urinarie causate da batteri o miceti
es
intestinali
ADESINE
L’adesione del microrganismo alla cellula ospite avviene
mediante fattori di patogenicità definiti ADESINE
Le ADESINE sono macromolecole esterne alla parete
cellulare che costituiscono gli starti più esterni della
cellula sia nei batteri Gram+ che GramLe ADESINE sono spesso codificate da elementi genetici
extracromosomici come plasmidi e fagi.
Sono responsabili della specificità di azione per una
data regione corporea (apparato; organo o tessuto)
poiché interagiscono in modo differenziale con le cellule
epiteliali dell’ospite.
ADESINE
ADESINE
•Le Fimbrie e i Pili sono appendici filamentose di natura
proteica allungate e sottili in grado di legarsi in modo
specifico a diverse superfici dell’ospite tra cui:
collagene; fibronectina, recettori di cellule epiteliali ecc.
•La Capsula o Glicocalice è uno spesso strato che
avvolge completamente la cellula batterica costituito
essenzialmente di polisaccaridi e glicoproteine.
Permette al batterio di eludere le difese immunitarie
dell’ospite impedendo la fagocitosi poiché maschera i
principali determinanti di superficie ed ha una azione di
adesione a specifiche superfici.
•Gli Acidi teicoici sono dei componenti specifici della parete
cellulare dei batteri Gram +, di solito associati a zuccheri. Se
associati a glicerolo formano gli acidi lipotecoici pricipali
antigeni di superfici dei batteri Gram + responsabili di adesione
specifica e non specifica.
•I Lipopolisaccaridi sono i principali componenti della
membrana esterna dei batteri Gram –. Sono molecole
anfipatiche con un forte potere antigenico sono però coinvolti
nell’interazione non-specifica con la superficie della cellula
ospite.
•Adesine proteiche:La Proteina M è il principale determinante
di patogenicità dello Streptococcus pyogenes, agente
eziologico di faringotonsilliti, scarlattina e malattia reumatica.
E’ coinvolta nell’adesione all’epitelio orofaringeo e nella
resistenza alla fagocitosi.
Esempi di meccanismi di adesione batterica
Microrganismo
Adesine
Recettore
S. aureus
acido lipoteicoico
(LTA)
Ignoto
Staphylococcus spp.
Strato mucoso
Ignoto
S. pyogenes
Complesso LTA proteina M
Fibronectina
S. pneumoniae
Proteine
N-acetil-esosamina-gal
E. coli
Fimbrie di tipo 1
Fimbrie di tipo P
D-mannosio Glicolipide
di gruppo sanguigno P
N. gonorrhoeae
Fimbrie
Ganglioside GD1
T. pallidum
P1, P2, P3
Fibronectina
Chlamydia spp.
Lectine della
superficie cellulare
N-acetil-glucosammina
M. pneumoniae
Proteina P1
Acido sialico
V. cholerae
Pili di tipo 4
Fucosio e mannosio
Meccanismi di adesione
Meccanismi Dipendenti da pili/fimbrie:
Impiego di Fimbrie e Pili che mediano un’adesione-specifica
Meccanismi non dipendenti da pili/fimbrie
pili/fimbrie::
-Elaborazione di capsule
-Formazione di biofilm
-Assemblaggio di canali di contatto: sistemi di secrezione di
Tipo III e IV
I pili e le fimbrie originano dalla
membrana citoplasmatica, hanno una
lunghezza compresa tra 0,2-2 µm ed un
diametro di circa 3-10 nm.
Sono strutture rigide di forma cilindrica
composte dalla ripetizione di una
proteina denominata Pilina
Pilina, presente
con diverse isoforme nelle diverse
specie batteriche, che si organizza con
simmetria elicoidale attorno ad un asse
immaginario fino a formare il pilo
tubulare.
All'estremo libero della fimbria sono
presenti in numero variabile altre
proteine dette Adesine
Adesine, ognuna delle
quali possiede una sua struttura del
tutto peculiare e complementare al
recettore presente sulla superficie della
cellula ospite
I pili/fimbrie sono gli organi di
ancoraggio dei batteri, responsabili cioè
della loro adesione a residui proteici o
polisaccaridici presenti sulla membrana
delle cellule dell'organismo ospite.
Sono presenti in quantità variabile sulla
superficie dei diversi batteri: cellule di E.
coli possono arrivare ad avere tra le 100
e le 300 fimbrie sulla propria membrana,
mentre altri batteri raggiungono il
migliaio.
Il bersaglio delle fimbrie può essere
costituito da diverse sostanze (mannosio,
N-acetil-galattosamina, galattosio, ecc).
Le fimbrie possono essere localizzate ai
poli di una cellula, in maniera simile ai
flagelli, oppure essere dislocate in
maniera più o meno omogenea su tutta
la membrana. Si ritrovano sia su batteri
Gram+ che Gram
Gram-- con minime
differenze strutturali.
strutturali.
I pili di tipo IV sono un’importante
fattore di patogenicità di batteri
Gram- come Pseudomonas spp. e
Neisseria spp.
Derivano da sistemi di secrezione di
tipo 2, sono strutture bastoncellari
flessibili costituiti da almeno 2 tipi di
piline,
con
una
struttura
di
ancoraggio molto simile a quella dei
flagelli.
La
proteina
PilC
associata
all’estremità
libera
del
pilo
interagisce con specifici recettori
(CD46, glicoproteine).
Il pilo di tipo IV è codificato da
geni localizzati in isole di
patogenicità
(PAI)
e
la
modulazione
dell’espressione
genica
è
influenzata
dalle
condizioni di crescita.
Interazione Pilus-mediata
PilE-Principale proteina pilinica
PilC-Proteina associata all’estremità libera del Pilus
Adesione non mediata da fimbrie: BIOFILM
•Diversi batteri patogeni producono una abbondante matrice mucopolisaccaridica
extracellulare definita slime (melma)
•Tale matrice favorisce l’adesività batterica e la produzione di Biofilm, definito come
una comunità di germi inclusi in un substrato di polimeri organici che aderisce
ad una superficie naturale o artificiale;
•I germi aderiscono alla superficie e la colonizzano producendo esopolimeri che
portano alla formazione del Biofilm da cui ripetutamente possono essere rilasciati
nell’ambiente circostante;
• Il Biofilm è un’importante fattore di virulenza in molte infezioni come: endocarditi,
ostiomeliti, paradontiti ecc. Inoltre svolge un ruolo primario nel favorire la
colonizzazione di dispositivi medici come: cateteri, valvole cardiache, protesi;
•Protegge i batteri dall’azione di farmaci antibiotici, dalla risposta immunitaria
dell’ospite, dalla fagocitosi e dall’azione di anticorpi e complemento;
•E’ noto che le riacutizzazioni in molte malattie sono causate dalla presenza di Biofilm
da cui possono ad intervalli di tempo staccarsi batteri che sono rilasciati in circolo.
1. Adesione iniziale dei batteri alla superficie organica
2. Colonizzazione irreversibile
3. Produzione di esopolimeri
4. Produzione della vegetazione: biofilm
5. Rilascio dei batteri dal biofilm
Composizione dei Biofilm Batterici
Struttura ed variabilità dei Biofilm Batterici
BIOFILM
Staphylococcus aureus biofilms
Electron micrographing at 21,850 x
magnification, showing the deatils of
the surface of a biofilm, a hydrated
matrix of polysaccharide and protein
formed by aggregates of bacteria.