PATOGENESI MICROBICA

Giovanni Di Bonaventura, PhD

Università «G. d’Annunzio» di Chieti-Pescara

CI «Microbiologia e Microbiologia Clinica»

CdS Medicina e Chirurgia

Anno Accademico 2014-2015

“Pathogenicity is not the rule. Indeed, it occurs so infrequently and involves such a relatively small number of species, considering the huge population of bacteria on earth, that it has a freakish aspect. Disease usually results from inconclusive negotiations for symbiosis, an overstepping of the line by one side or the other, a biological misinterpretation of borders.”

(Lewis Thomas)

Rapporto ospite-parassitaContaminazione all’atto della nascita

Il feto vive in condizioni di sterilità durante la vita intrauterina

La colonizzazione microbica ha inizio al momento della nascita:

«selettiva»: la cute e le mucose (orale, urogenitale, intestinale) del

neonato interagiscono con la flora materna (vaginale) ed ambientale

«dinamica»: dopo alcune settimane, flora neonatale ≈ flora adulto

Gli organi interni, alcuni tessuti e liquidi biologici (sangue, liquor, liquido

pleurico) rimangono fisiologicamente “sterili” per tutta la vita

Rapporto ospite-parassitaFlora microbica «normale»

Il corpo umano presenta caratteristiche chimico-fisiche (pH, pressione osmotica, temperatura) ottimali per la crescita di molti microrganismi

Nell’uomo ci sono circa 1013 cellule somatiche e 1014 cellule batteriche

L’insieme dei microrganismi presenti su cute e mucose di un soggetto sano viene indicato come microbiota indigeno o flora microbica “normale” o flora commensale

Microbiota composto da più di 200 specie; in prevalenza batteri, quindi miceti e virus

la composizione quali/quantitativa del microbiota è mutevole nel tempo e dipendente dal distretto (microhabitat) considerato, in quanto regolata da:

fattori esogeni (età, stato nutrizionale, ambiente, terapia antibiotica)

fattori endogeni (pH, temperatura, O2, umidità, livelli ormonali)

umidità: cute secca, colonizzata da pochi microrganismi; cute umida (ascella, inguine, perineo, cuoio capelluto): colonizzata da una più ampia flora microbica

ossigeno (M. tuberculosis nei polmoni); anaerobiosi (Clostridium nell’intestino crasso)

tropismo tessutale: uno specifico tessuto ha più probabilità di essere colonizzato per la presenza di recettori complementari alle adesine batteriche

Il microbiota normale si trova «in equilibrio» con l’ospite e si è adattato ad esso avendo sviluppato meccanismi di elusione dei sistemi di «prima difesa» antimicrobici dell’ospite.

In condizioni fisiologiche, la flora commensale non crea danno (malattia) all’ospite.

Modificazioni dell’equilibrio «ospite-parassita»

Fattori che influenzano l’equilibrio ospite-microrganismo:

ESOGENI

Dieta

l’assenza di carboidrati si traduce in una riduzione di lattobacilli e S. mutans orali

presenza di P. aeruginosa in verdure; Candida albicans, C. tropicalis, Torulopsis glabrata nei succhi di frutta

Terapia antibiotica

interferisce sul processo di adesione (riduce espressione di adesine)

seleziona ceppi antibiotico-resistenti

causa dismicrobismo (alterazione dei rapporti quali-/quantitativi interspecifici)

ENDOGENI

Debilitazione fisica

maggiore presenza di Gram-negativi nell’orofaringe di soggetti malati (vs soggetti sani)

Infezioni (pregresse) virali respiratorie

facilitano la colonizzazione batterica della mucosa (superinfezioni): Orthomyxovirus riduce attività ciliare dell’epitelio vibratile

Modificazioni dell’equilibrio «ospite-parassita»

«Personal microbial cloud…»

Interazione biologica «ospite-parassita»Associazioni simbiontiche

Esistono tre tipologie di interazione simbiontica:

Mutualismo: sia il microrganismo che l’ospite traggono beneficio

dall’interazione

Commensalismo: nessun apparente beneficio o danno per ciascuno dei

simbionti

Parassitismo: il microrganismo (parassita) vive, alla superficie

(ESOparassita) od all’interno (ENDOparassita) dell’ospite, traendone

vantaggio (metabolico) a spese (danno) di quest’ultimo.

Simbiosi: due diversi organismi (ospite e microrganismo) vivono insieme ed interagiscono; in questa associazione

l’uno vive alla superficie od all’interno dell’altro.

Nessuna di queste categorie è ristretta ad un determinato gruppo tassonomico. Al contrario, uno stesso

microrganismo può rientrare in ciascuna categoria, in relazione a ambiente/circostanze in cui esso vive.

Interazione «ospite-parassita»

Il rapporto tra ospite (uomo) e microrganismo è, nella maggior parte dei casi, una simbiosi di

tipo mutualistico e/o commensale:

Vantaggi per il microrganismo:

fonte di nutrienti (fermentazione del cibo)

habitat ideale per la crescita e la divisione cellulare

sopravvive alle difese costitutive/indotte dell’ospite

Vantaggi per l’ospite:

assorbimento di vitamine (vit. K, biotina, riboflavina) prodotte dai batteri intestinali (E. coli)

protezione dalla colonizzazione di patogeni (saturazione siti recettoriali, produzione di

batteriocine)

stimolazione dello sviluppo di alcuni tessuti

simolazione della produzione di anticorpi

Significato della flora microbica normale

La flora microbica residente mantiene la normale funzionalità di determinati distretti dell’organismo

Contrasta la colonizzazione delle mucose e della cute da microrganismi potenzialmente patogeni mediante:

Meccanismi di interferenza batterica:

competizione per i recettori dell’ospite

concorrenza per sostanze nutritive

produzione di molecole ad attività antibiotica (batteriocine: streptococchi viridanti vs S. pyogenes, N. meningitidis, M. tuberculosis)

abbassamento del pH, variazione Eh (produzione intestinale di acidi grassi a catena corta)

Stimolazione delle difese immunitarie dell’ospite:

costante stimolazione della immunità innata ed acquisita: produzione di Abs, stimolazione fagociti

normale sviluppo del sistema immunitario

Quando la flora microbica commensale viene

drammaticamente ridotta (dismicrobismo) i batteri

di provenienza esogena e/o endogena hanno

maggiori possibilità di colonizzare l’ospite e,

quindi, di causare malattia.

Flora normale e infezioni opportunistiche

In condizioni predisponenti, anche i microrganismi facenti parte del microbiota residente possono causare malattia:

Traslocazione dal sito naturale ad altro sito:

a seguito di autocontaminazione: E. coli: intestino vie urinarie (cistiti)

a seguito di perforazione intestinale: Bacteroides: intestino crasso tessuti profondi (ascessi, batteriemia)

a seguito di estrazione dentaria: Streptococchi viridanti: cavo orale sangue (endocarditi)

Modificazioni «locali»:

pH gastrico/vaginale con dismicrobismo (H. pylori, Candida spp.)

Compromissione della risposta immunitaria:

in soggetti con AIDS

a seguito di immunosoppressione farmacologica

Le infezioni che si verificano a seguito di una riduzione delle difese dell’ospite sono dette opportunistiche

Le caratteristiche del parassitismo

Dipendenza del parassita dall’ospite:

parassitismo facoltativo (Legionella, Vibrio): il parassita conduce normalmente vita libera ma, casualmente, può penetrare nell’ospite e sopravvivere da parassita. Generalmente è più dannoso per l’ospite perché è un rapporto non stabile.

parassitismo obbligato: il parassita deve dipendere, almeno per un certo periodo della vita, da un ospite senza il quale non può riprodursi. E’ la forma più completa di adattamento al parassitismo.

Necessità di coordinare lo sviluppo parassita e la disponibilità di ospite :

presenza alla superficie dell’ospite di macromolecole (recettori) o di «segnali» in grado di riconoscere specificatamente il

parassita consentendone l’adesione, la penetrazione ed il ciclo riproduttivo (specificità di ospite)

Disponibilità dell’ospite «sensibile» a garantire la sopravvivenza e la persistenza del parassita. Sviluppo di diversi meccanismi di

adattamento per aumentare la probabilità di interazione tra ospite e parassita:

prolungare la sopravvivenza nel mondo esterno: elevata velocità di replicazione (virus, batteri), spore batteriche (Bacillus,

Clostridium), cisti protozoarie (Giardia)

utilizzo di insetti «vettori» per il passaggio dal soggetto malato ad uno sano: artropodi ematofagi (Plasmodium, Trypanosoma)

i virus rappresentano la condizione parassitaria per eccellenza. Sono parassiti obbligati per la mancanza dell’apparato

biosintetico e dell’energia necessari per la produzione della progenie virale. Nel caso dei retrovirus la dipendenza si è evoluta,

prevedendo l’integrazione del genoma virale nel DNA dell’ospite, per poter avviare il processo di trascrizione.

La evoluzione del parassitismoBATTERI

I batteri quale prima forma di vita sulla Terra (comparsi durante il

Precambriano inferiore, 3 miliardi di anni fa). Iniziale contatto accidentale tra

un microrganismo ed un ospite.

Tra tanti contatti, solo alcuni hanno determinato un vantaggio selettivo al

microrganismo in quell’ambiente (aumentata sopravvivenza del microrganismo,

aumentata proliferazione).

La pressione selettiva ha «indotto» alcuni parassiti facoltativi a diventare

obbligati.

I batteri parassitici hanno vissuto inizialmente al di fuori della cellula dell’ospite

(patogeni extracellulari), ma successivamente hanno evoluto meccanismi per

garantirsi la sopravvivenza in sede intracellulare (patogeni intracellulari)

eludendo i meccanismi di digestione/distruzione ad opera della cellula ospite.

Il successo della vita intracellulare è confermato dall’evidenza che alcuni

organismi hanno fortemente integrato la loro biologia con quella della cellula

ospite. Il livello più alto di questa integrazione è rappresentato dal

mitocondrio delle cellule eucariotiche, da molti considerato il prodotto

dell’associazione simbiontica di batteri purpurei eterotrofi.

La evoluzione del parassitismo

PARASSITI EUCARIOTICI

Evoluzione analoga a quella dei parassiti procarioti

Contatto accidentale mediante artropode ematofago

Esempi a supporto:

Naegleria (ameba), Strongyloides (nematode) conducono vita libera ambientale ma possono, occasionalmente, invadere l’uomo causando gravi, talora mortali, malattie.

Tripanosomi (malattia del sonno) si sono adattati originariamente come parassiti di mosche ematofaghe e secondariamente sono diventati parassiti dei mammiferi.

VIRUS

Evoluzione incerta. Originatisi probabilmente da 3 meccanismi differenti:

evoluti da progenitori cellulari mediante semplificazione secondaria

parassiti negli stadi iniziali di vita cellulare quando, causa frequenti e rilevanti cambiamenti ambientali, era impossibile una esistenza indipendente

derivano da frammenti di materiale nucleare di altri organismi.

La evoluzione del parassitismoAdattamento dei parassiti all’ospite (co-evoluzione)

L’infezione è uno dei principali fattori di evoluzione.

Una volta superate le barriere primarie di difesa dell’ospite e

penetratovi, il parassita si trova in un sistema biologico (ospite)

che non è passivo ma risponde attivamente all’infezione con

una serie di risposte infiammatorie e immunitarie.

Pertanto, il parassita «di successo» è quello in grado di

contrastare od eludere tali risposte attraverso una o più

«strategie di evasione»

La evoluzione del parassitismoAdattamento dell’ospite al parassita

Modificazioni dell’ospite possono alterare l’equilibrio di una relazione ospite-parassita.

Pressione evolutiva esercitata da P. falciparum (malaria) responsabile della persistenza di

molti alleli associati ad emoglobinopatie (es. anemia falciforme). Sebbene variamente

dannose per l’uomo, tali anomalie persistono perché associate con la resistenza

all’infezione malarica (P. falciparum non è in grado di riprodursi in quanto gli eritrociti

falciformi hanno una emivita significativamente ridotta).

Selezione nei conigli di genotipi resistenti a mixomatosi

infezione causata da mixomavirus, previo vettore (zanzara), nei conigli che non

ammalano (coniglio sud-americano) oppure rapidamente muoiono (coniglio europeo).

L’introduzione, nel 1950 del mixomavirus in Australia, quale strumento di controllo dei

conigli, ha causato due modificazioni:

selezione di nuovi ceppi, causa minore letalità causata negli animali

eliminazione dei conigli con genotipo più sensibile e selezione di ospiti più

resistenti all’infezione (infettati dal ceppo virale meno letale)

L’adattamento tra ospite e parassita porta ad una relazione bilanciata più stabile (patogenicità bilanciata)

La evoluzione del parassitismoCambiamenti sociali e relazione ospite-parassita

Modificazioni sociali e/o comportamentali possono alterare, sia positivamente che negativamente,

l’equilibrio di una relazione ospite-parassita.

La relazione ospite-parassitaPatogenicità «bilanciata»

Ogni episodio infettivo ha un suo «esito».

La velocità con cui le risposte acquisite dell’ospite vengono innescate è cruciale per la

progressione verso la malattia.

Una risposta «ritardata» dell’ospite conferisce al microrganismo un vantaggio al

microrganismo in termini di velocità nel raggiungimento di una soglia di

concentrazione.

Dal punto di vista dell’ospite, questo causerebbe un danno (malattia).

Dal punto di vista del microrganismo, questo rappresenta un vantaggio evolutivo, in

quanto può essere eliminato nell’ambiente per un periodo più prolungato ed in

maggiori quantità.

Nesso causale microrganismo-malattiaPostulati di Koch

Robert Koch (1843-1910)

Applicò il metodo scientifico allo studio delle malattie infettive, dimostrando il rapporto causale tra microrganismo (Bacillus anthracis) e il processo infettivo che porta alla malattia (antrace).

Formulò i quattro “Postulati di Koch” (“The Eziologyof Tuberculosis”, 1890):

1. Il microrganismo deve essere presente in tutti i soggetti malati

2. Il microrganismo deve essere isolato in coltura pura dal soggetto malato, ma non da quello sano

3. La malattia deve essere riprodotta a seguito di inoculazione del microrganismo in un ospite sano sensibile (cavia)

4. Il microrganismo deve essere nuovamente isolato in coltura pura dall’ospite infettato sperimentalmente

Nesso causale microrganismo-malattiaPostulati di Koch: principali lacune

Tuttavia, negli anni successivi si è osservato che:

1. Agente sempre presente nella lesione:

alcuni batteri colonizzano l’ospite senza causare sintomatologia (infezione latente o subclinica in portatore sano)

2. Isolamento agente eziologico in coltura pura:

presenza di infezioni polimicrobiche

alcuni microrganismi (HBV, EBV, Treponema pallidum, Mycobacterium leprae) nonpossono essere coltivati in vitro, sebbene per alcuni esistano modelli in vivo

3. L’agente deve riprodurre la malattia se inoculato in un soggetto sensibile sano

impossibilità di utilizzare modelli umani

modelli animali non sempre disponibili (N. gonorrhoeae)

Inoltre, non si tiene conto di altri fattori (determinanti) che agiscono di concerto con l’agente nel determinismo della malattia.

Nesso causale microrganismo-malattiaPostulati di Evans (1976)

Patogenicità

La risultante dell’interazione tra ospite e parassita dipende sempre da caratteristiche

proprie sia del microrganismo che dell’ospite:

patogenicità del microrganismo, ossia dalla sua capacità di causare un danno

all’ospite (malattia)

«sensibilità» dell’ospite al parassita stesso: influenzata da età sesso, razza,

patrimonio genetico, stato nutrizionale, risposta immune, malattie in atto, uso

prolungato od abuso di farmaci.

Sia la patogenicità che la sensibilità dell’ospite variano continuamente.

Virulenza

La misura quantitativa della patogenicità è detta virulenza.

Le caratteristiche microbiche in grado di causare malattia sono i fattori (o determinanti) di

virulenza.

Ciascun patogeno esibisce generalmente differenti fattori di virulenza. Tre tipologie di

determinanti di virulenza:

strutturali: capsula, parete cellulare, LPS, proteine di membrana esterna

biochimici: produzione di esotossine, metaboliti o enzimi ad azione tossica

genetici: plasmidi trasmissibili che determinano virulenza od antibiotico-resistenza; isole di

patogenicità; crescita ad alte densità assicura lo sviluppo di mutanti adattativi

Virulenza

La virulenza di un microrganismo deriva generalmente dalla combinazione delle seguenti caratteristiche:

INVASIVITA’: capacità di proliferare nei tessuti raggiungendo concentrazioni così elevate da inibire

le funzioni dell’ospite

TOSSIGENICITA’: capacità di produrre tossine, molecole in grado di danneggiare l’ospite

Il livello (grado) di virulenza è determinato da:

Numero di batteri infettanti (dose)

Presenza di difese specifiche e non specifiche dell’ospite (sensibilità dell’ospite)

Fattori di virulenza batterici

Via di ingresso nell’ospite

Lo studio dei fattori di virulenza è di indispensabile per la comprensione dei meccanismi molecolari alla base della

patogenesi; queste conoscenze sono fondamentali per la scoperta di nuovi vaccini e molecole ad attività antimicrobica.

Misura della virulenza

La misura quantitativa della virulenza viene determinata sperimentalmente, mediante l’impiego di cavie, valutando la:

infettività relativa del microrganismo: numero minimo di microrganismi necessario per causare l’infezione

gravità della malattia causata: misurata da valori quali dose letale50 (LD50, minima dose in grado di causare la morte del 50% degli animali infettati) e dose infettiva50 (ID50, minima dose in grado di causare la infezione nel 50% degli animali infettati)

In alcuni casi, la coltivazione in laboratorio di un ceppo può causarne la attenuazione della virulenza (ceppo attenuato).

Ciò è dovuto al fatto che i mutanti non virulenti crescono più velocemente di quelli virulenti risultando essere selezionati da isolamenti ripetuti.

I ceppi attenuati possono riacquisire la loro virulenza originale a seguito di inoculazione nella cavia.

I ceppi attenuati possono essere utilizzati per la produzione di vaccini.

Il processo patogenetico

1. L’ospite deve essere esposto al microrganismo

(ESPOSIZIONE)

2. La patogenesi inizia con l’interazione tra microrganismo

e gli epiteli dell’ospite (ADESIONE). Possibilità di danno

circoscritto e superficiale.

3. Può seguire una INVASIONE dei tessuti dove il

microrganismo PROLIFERA e produce danno mediante

enzimi e/o tossine.

4. Induzione di risposta infiammatoria con reazione

fibrotiche ed allergiche dell’ospite e danno tessutale.MA

LATT

IAIN

FEZIO

NE

CO

LON

IZZA

ZIO

NE

Una INFEZIONE può risolversi spontaneamente oppure progredire verso la MALATTIA

Il processo patogeneticoEsposizione

Il microrganismo che entra in contatto con l’ospite può avere differenti provenienze:

Ambiente (aria, terreno, acqua) (infezione esogena)

Ospite (infezione endogena, secondaria a traslocazione microbica)

Animali (infezione zoonotica, zoonosi)

L’interazione può avvenire:

direttamente (person-to-person)

indirettamente: vettori animati (insetti/artropodi ematofagi); vettori inanimati (fomiti)

Il processo patogeneticoPenetrazione

Il microrganismo può prendere contatto con la cute, oppure con le mucose previa penetrazione nell’ospite attraverso differenti vie (porte) di ingresso:

bocca (tratto alimentare)

naso (tratto respiratorio): 10.000 microrganismi/die arrivano ai polmoni

tratto urogenitale

Alcuni microrganismi attraversano la cute dell’ospite mediante meccanismi passivi e/o attivi:

presenza di soluzioni di continuo (ferite, ustioni, abrasioni) (streptococchi, HBV, Leptospira, P. aeruginosa)

traumi accidentali (Clostridium tetani)

puntura/morso di vettore artropode (zanzare, zecche, pulci) (Bartonella bacilliformis, rickettsie)

morso di animale infetto (Spirillum minor)

Dita contaminate frequentemente portano materiale infettivo alla congiuntiva (autoinoculazione; es. C. trachomatis)

Alla superficie degli epiteli, il microrganismo dovrà contrastare e superare i

meccanismi di difesa dell’ospite.

Il processo patogeneticoMeccanismi di difesa aspecifici della CUTE

Meccanismi fisici

integrità e spessore della cute

Meccanismi chimici

peptidi ad attività antibatterica (β-defensine)

acidità gastrica e delle secrezioni sudorifera e sebacea

attività antibatterica di lisozima e fosfolipasi A in liquidi biologici (lacrime, saliva, sudore)

Meccanismi meccanici

turn-over strato corneo (rimozione meccanica)

Meccanismi biologici

competizione con il microbiota residente

attività pro-infiammatoria e anti-streptococcica dei cheratinociti

Il processo patogeneticoMeccanismi di difesa aspecifici della MUCOSA

Meccanismi fisici

integrità di mucosa

secrezioni mucose (filtro)

barriera chimica: si lega ai microrganismi «sequestrandoli» alle cellule sensibili

Meccanismi chimici:

attività antibatterica del lisozima e fosfolipasi A presenti nei liquidi biologici (lacrime, saliva, sudore)

pH acido (gastrico, vaginale, intestinale)

Meccanismi meccanici (di detersione)

flusso unidirezionale dei fluidi in organi cavi (urine)

progressione contenuto (feci, urine) del lume (intestino, uretra)

sistema mucociliare (mucose respiratorie)

ricambio (turn-over) di cellule epiteliali

meccanismi comportamentali e neurologici (tosse, vomito)

Meccanismi biologici

risposta immunitaria umorale (IgA secretorie) e cellulo-mediata (macrofagi alveolari)

competizione con il microbiota residente

Il processo patogeneticoColonizzazione delle MUCOSE

Attraversamento e/o distruzione delle secrezioni mucose per raggiungere l’epitelio:

motilità flagellare (H. pylori, E. coli, Salmonella, V. cholerae)

produzione di mucinasi (V. cholerae)

Interazione specifica adesina-recettore

adesine (batteriche)

proteine (fibrille, fimbrie, pili, proteine di superficie cellulare)

recettori (cellula ospite)

fisiologicamente, assolvono ad altre funzioni

proteine di matrice intercellulare (es. fibronectina)

carboidrati, glicolipidi, glicoproteine degli epiteli mucosi

possono avere specificità cellulare/tessutale, determinando il tropismo tessutale dei microrganismi (CD4 linfocitario per HIV, C3d linfociti B per EBV; Shigella nel grosso intestino; Salmonella e rotavirus nel piccolo intestino)

Colonizzazione delle MUCOSEInterazione specifica adesina-recettore: proteine

E. coli uropatogeni posseggono pili 1 (leganti D-mannoso uroteliale) e pili P (leganti l’antigene P dei gruppi sanguigni)

E. coli enteropatogeni posseggono proteine CFA (fattori antigenici di colonizzazione) leganti l’epitelio dell’intestino tenue

N. gonorrhoeae lega, mediante proteina superficiale (Opa), la proteina CD66 alla superficie dell’epitelio urogenitale

S. pyogenes presenta fibrille sulle quali si trovano la proteina M(antifagocitaria) ed acido lipoteicoico (lega la fibronectina)

Il processo patogeneticoColonizzazione delle MUCOSE

Adesione meccanica mediante:

Strutture specializzate: es. disco ventrale in G. intestinalismediante il quale il parassita aderisce alla mucosa duodenale.

Capsula: favorisce la colonizzazione di superfici viventi od inerti

La capsula è generalmente di natura polisaccaridica, eccetto in Bacillus spp. (polipeptidica).

I polisaccaridi vengono sintetizzati dal microrganismo e rivestono la superficie formando una rete di fibre polimeriche a densità variabile (glicocalice o capsula, denso ed adeso alla cellula; strato mucoso o «slime layer», diffuso e scarsamente adeso alla superficie cellulare).

Attraverso la capsula, i microrganismi possono aderire agli epiteli rendendone possibile la colonizzazione.

La capsula ha anche funzione anti-fagocitaria, sia aumentando l’ingombro sterico cellulare che favorendo la adesione tra cellule microbiche, con formazione di voluminosi aggregati cellulari (clusters).

Colonizzazione delle MUCOSECapsula e formazione di biofilm

La capsula favorisce la formazione di biofilm, comunità microbiche adese sia a substrati abiotici (protesi, cateteri) che biotici (epiteli).

I biofilms favoriscono la cronicizzazione dell’infezione in quanto intrinsecamente resistenti alla terapia antibiotica ed alla risposta immune:

quiescenza metabolica cellulare

impermeabilità della capsula

Interazione chimica o fisica della capsula con antibiotici

«mascheramento» antigenico

ridotta fagocitosi

Principali produttori di biofilm:

P. aeruginosa (epitelio polmonare in fibrosi cistica)

E. coli, Enterococcus (prostatite)

Streptococcus mutans (carie)

streptococchi viridanti (valvole mitraliche)

Formazione di biofilms microbici.

1) adesione alla superficie

2) colonizzazione

3) sintesi capsulare e formazione di microcolonie

4) maturazione

5) distacco cellulare e diffusione dell’infezione

Colonizzazione delle MUCOSEFormazione di biofilm

SEM observation of 24 hours-biofilm formed

by cystic fibrosis S. maltophilia on IB3-1 CF

cell monolayer. Extacellular matrix is

indicated by arrows. Magnification: ×2.500

(A), ×5.000 (B).

SEM images of biofilm formed by

Listeria monocytogenes Lm68 on

glass. Magnification: 10.000 xCLSM examination of S. maltophilia biofilm

after 24 h of development. Orthogonal

images (green and red lines), collected

within the biofilm showed that it consisted

of cells forming a multilayered structure

(red, propidium iodide-stained) embedded

in an abundant extracellular polymeric

substance (blue, concanavalin A-stained).

Magnification, ×100.

Il processo patogeneticoColonizzazione delle MUCOSE

Interferenza con i meccanismi di «clearance»

dell’ospite:

tossine ciliostatiche (frammenti di peptidoglicano), in grado

di causare asincronia e paralisi ciliare respiratoria (B.

pertussis, P. aeruginosa)

resistenza al killing fagocitario (M. tuberculosis)

resistenza alla acidità gastrica (H. pylori, mediante

produzione di ureasi)

Il processo patogeneticoPENETRAZIONE e INVASIONE

Generalmente, alla colonizzazione mucosale segue la migrazione batterica verso la sottomucosa.

Ad una iniziale penetrazione in corrispondenza di cute/mucose non integre, segue la diffusione mediante:

distruzione epiteliale mediata da esoenzimi (fattori di diffusione):

ialuronidasi (S. aureus): idrolizza gli acidi ialuronici, mucopolisaccaridi acidi della matrice acellulare del tessuto connettivo

collagenasi (Clostridium): distrugge il tessuto connettivale

pneumolisina (S. pneumoniae): distrugge le cellule epiteliali ciliate del polmone

mucinasi (H. pylori): degrada la mucosa gastrica

sistemi di penetrazione (senza danno fisico):

Neisseria spp.: endocitosi da parte dell’epitelio (oro-faringeo, genito-urinario) e liberazione nella sottomucosa

Salmonella spp. (enteropatogene): invasione “polarizzata” della mucosa colica mediata da proteine effettrici traslocate nel citosol ospite mediante il sistema secretorio di tipo III

Haemophilus: penetra l’epitelio attraverso le giunzioni intercellulari

Shigella spp (Yersinia spp): adesione a cellule M mucosali coliche stimola la polimerizzazione di actina, con formazione di pseudopodi che internalizzano i batteri; fuga dal vacuolo fagocitario; proliferazione citoplasmatica e rilascio batteri (lisi apoptotica)

Penetrazione ed invasioneSistemi di SECREZIONE

Sistemi cellulari per la sintesi e secrezione di molecole (enzimi, tossine, formazione di pili/flagelli) che «bersagliano» la cellula ospite, effettrici del danno/morte cellulare e della sopravvivenza/replicazione microbica.

A controllo cromosomico (isole di patogenicità) o plasmidico, richiedono energia (ATP).

Quattro tipologie: I, II, III, trasportatori ABC

sistemi di tipo I e III: «ad un passaggio», la molecola attraversa le membrane senza interruzione

tipo I: E. coli (α-emolisina)

sistema di tipo II: «a due passaggi», la molecola viene rilasciata nel periplasma, modificata, quindi secreta.

EPEC (pili), ETEC (enterotossine)

Sistemi tipo III:

specie-specifici, altamente conservati in Gram- (Yersinia spp, Salmonella spp., EPEC, Shigella spp., P. aeruginosa)

sono «contatto-dipendente»: la secrezione è innescata quando il patogeno giunge a stretto contatto con le cellule.

le molecole di secrezione vengono riversate alla superficie batterica oppure direttamente «iniettate» nel citosol della cellula ospite.

Penetrazione ed invasioneSistemi di SECREZIONE

sistema ABC (ATP-Binding Cassette)

composto da tre proteine: proteina periplasmatica,

proteina trans-membrana, ATP-asi

proteina periplasmatica mobile nel periplasma e dotata di

elevata affinità (fino a 10-6 M) per il substrato

oltre 200 tipologie di sistemi ABC

presente non soltanto nei Gram- ma anche nei Gram+ (PBP

ancorato alla membrana citoplasmatica)

energizzato da idrolisi ATP

Il processo patogeneticoMOLTIPLICAZIONE in vivo

Una volta raggiunti i tessuti, i microrganismi debbono potersi replicare per raggiungere una concentrazione «soglia» creando un focolaio di infezione in grado di avviare le manifestazioni patogenetiche.

A tal fine, il microrganismo deve potersi «adattare» alle condizioni chimico-fisiche incontrate nell’ospite. Ciò comporta la modulazione (repressione/attivazione) della espressione di numerosi geni codificanti per fattori di virulenza.

A tal fine, essi debbono trovare in situ condizioni chimiche e fisiche adeguate:

FISICHE

temperatura

pH

pressione osmotica

CHIMICHE

disponibilità di sostanze nutritive: vitamine, carboidrati, aminoacidi, acidi organici

oligoelementi: ferro, importante co-fattore di numerose reazioni enzimatiche essenziali per il metabolismo batterico (e dell’ospite)

Il processo patogenetico«Adattamento» della virulenza: Fe e temperatura

Sia l’ospite che i microrganismi competono per la captazione del Fe producendo molecole ad elevata

affinità per Fe:

microrganismo: produzione di siderofori (aerobactina in E. coli)

ospite: produzione di lattoferrina e transferrina

La virulenza di numerosi microrganismi è influenzata dalla disponibilità di Fe:

produzione di tossine in ambiente sideropenico (bassa concentrazione di Fe «libero»), qual è

quella fisiologica dell’ospite

tossina difterica (Corynebacterium dyptheriae)

tossina Shiga-like (E. coli enteroemorragico)

La temperatura ha un notevole effetto sulla sintesi di numerose proteine di superficie:

Yersinia, Shigella, Bordetella esprimono fattori di virulenza a 36°C (temperatura all’interno

dell’ospite) ma non a 30°C (temperatura ambientale)

Il processo patogeneticoDIFFUSIONE DELL’INFEZIONE

Una volta invasi i tessuti dell’ospite, il microrganismo spesso rimane circoscritto al sito di ingresso (infezione superficiale).

In altri casi, esso può anche raggiungere il circolo linfatico/ematico (infezione sistemica).

Determinanti di infezione superficiale/sistemica:

Temperatura:

rhinovirus capace di replicarsi a 33°C (alte vie aeree)

M. leprae capace di replicarsi alla mucosa nasale, nervi periferici, cute

Sito di gemmazione:

apicale, verso la superficie dell’epitelio (virus influenzale e parainfluenzale)

basale, da cui accedere verso siti profondi (HSV)

Incapacità di replicarsi al sito di ingresso

necessità di disseminare per potersi replicare e tornare al sito di ingresso (morbillivirus, S. typhi)

Il processo patogeneticoDIFFUSIONE DELL’INFEZIONE

Meccanismi di diffusione:

Sangue

microrganismi liberi (esposti alle difese dell’ospite) o «protetti» all’interno di cellule circolanti (linfociti, monociti: EBV, rosolia, Listeria, Brucella; eritrociti: Plasmodium)

presenza, transiente, di piccole quantità di microrganismi (batteriemie) eradicate dai macrofagi del sistema reticolo-endoteliale (milza, fegato).

alcuni microrganismi (S. typhi, Leishmania donovani) non vengono distrutti e replicano raggiungendo alte concentrazioni (setticemia), quindi invadono il fegato (epatite), il tessuto linfoide splenico (morbillo) o nuovamente il sangue (S. typhi, epatite). Colonizzazione secondaria di organi «bersaglio».

Nervi (Rhabdovirus, HSV)

Liquido cerebro-spinale (liquor) (N. meningitidis, H. influenzae, S. pneumoniae)

Linfa, attraversamento dei vasi linfatici ed accumulo nei linfonodi

Il processo patogeneticoTOSSIGENICITA’

I batteri producono sostanze in grado di contrastare le difese antibatteriche

dell’ospite, causando un danno all’ospite (malattia):

Tossine: costantemente tossiche, sono responsabili della sintomatologia

morbosa dell’infezione

Aggressine: non necessariamente tossiche, promuovono la crescita batterica in

vivo inibendo le difese dell’ospite

Tipologie di PATOGENOClassificazione

Patogeni VERI (o FRANCHI)

producono sempre una malattia in ospiti sani

non richiedono alcun fattore predisponente

Chlamydia, N. gonorrhoeae, Influenzavirus

Patogeni OPPORTUNISTICI (od OCCASIONALI)

inducono malattia solo in ospiti debilitati

richiedono la presenza di almeno un fattore di rischio (es. immunocompromissione dell’ospite)

fanno parte della flora autoctona o derivano dall’ambiente (acqua, aria, suolo, cibo)

infezioni nosocomiali

Pseudomonas spp , S. aureus, S. maltophilia, funghi, miceti

Tipologie di PATOGENOClassificazione – sede infezione

Patogeni EXTRACELLULARI

causano malattia crescendo esclusivamente al di fuori delle cellule dell’ospite

vengono generalmente uccisi dai fagociti dell’ospite

virulenza generalmente determinata dalla capsula

Patogeni INTRACELLULARI FACOLTATIVI

patogeni a riproduzione intracellulare preferenziale (listerie, brucelle, micobatteri) od

occasionale (salmonelle, shigelle)

possono crescere anche in sede extracellulare. Tutti coltivabili in vitro.

virulenza multifattoriale

Patogeni INTRACELLULARI OBBLIGATI

a riproduzione esclusivamente intracellulare (chlamydie, rickettsie).

parassitano la mucosa genitale e respiratoria, i monociti ed i granulociti.

virulenza multifattoriale.

Patogeni TOSSIGENICI

causano malattia primariamente attraverso la produzione di esotossine, essenziali per la

virulenza del patogeno.

Tipologie di PATOGENO Classificazione – natura dell’ospite

BATTERI A CIRCOLAZIONE ESCLUSIVAMENTE UMANA

infezioni ESOGENE

trasmesse dall’ospite malato/portatore a quello sano

infezioni ENDOGENE

migrazione di flora commensale (E. coli, dall’intestino alle vie urinarie)

diminuzione difese locali con dismicrobismo (stafilococchi e clostridi intestinali)

BATTERI CIRCOLANTI IN VARIE SPECIE ANIMALI

zoonosi (trasmissione dall’animale all’uomo)

Campylobacter spp, Salmonella spp. (trasmessi mediante alimenti contaminati)

il microrganismo non è adattato all’uomo e può causare gravi malattie (Yersinia pestis: peste,

Chlamydia psittaci: psittacosi, Bacillus anthracis: carbonchio)