Pseudomonas aeruginosa Cattedra di Microbiologia.

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Pseudomonas aeruginosa Pseudomonas aeruginosa Cattedra di Cattedra di Microbiologia Microbiologia

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Pseudomonas aeruginosaPseudomonas aeruginosa

Cattedra di Microbiologia Cattedra di Microbiologia

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PseudomonasPseudomonas

PseudomonadaceaePseudomonadaceae

PseudomonadiPseudomonadi140 specie140 specie

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Habitat generaleHabitat generale

• Suolo, acqua, ambienti mariniSuolo, acqua, ambienti marini• Regolarmente presente sulle superfici delle pianteRegolarmente presente sulle superfici delle piante

– Patogeni delle piante: lattuga, funghiPatogeni delle piante: lattuga, funghi– Contaminanti delle piante: fiori, insalataContaminanti delle piante: fiori, insalata

• Occasionalmente presente sulla superficie di alcuni Occasionalmente presente sulla superficie di alcuni animalianimali

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Caratteristiche generaliCaratteristiche generali• Gram-negativoGram-negativo• Non sporigenoNon sporigeno• Bacilli diritti o leggermente curvatiBacilli diritti o leggermente curvati• Mobile: uno o più flagelli polari; chemiotattico Mobile: uno o più flagelli polari; chemiotattico • Aerobio: non fermentanteAerobio: non fermentante

– Può utilizzare accettori di elettroni alternativi (NOPuò utilizzare accettori di elettroni alternativi (NO33) )

– PseudomonasPseudomonas spp. utilizza > 150 sostanze come spp. utilizza > 150 sostanze come sorgenti carboniosesorgenti carboniose

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Caratteristiche generaliCaratteristiche generali

• Importante nella decomposizione aerobicaImportante nella decomposizione aerobica

• e nel recupero di sostanze utili per trasformazionee nel recupero di sostanze utili per trasformazione– Degrada sostanze quali: idrocarburi alifatici e aromatici, Degrada sostanze quali: idrocarburi alifatici e aromatici,

acidi grassi, insetticidi, naftalene, salicilati, toluene e altri acidi grassi, insetticidi, naftalene, salicilati, toluene e altri inquinanti ambientaliinquinanti ambientali

– Eccezioni: Teflon, Styrofoam, one-carbon sostanze ad un Eccezioni: Teflon, Styrofoam, one-carbon sostanze ad un solo atomo di carbonio (metano, metanolo)solo atomo di carbonio (metano, metanolo)

• Pigmenti: limitationi da ferro e acquisizione di Pigmenti: limitationi da ferro e acquisizione di ferroferro

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Caratteristiche generaliCaratteristiche generali

• Elevata antibiotico-resistenza Elevata antibiotico-resistenza

– 13 plasmidi di resistanza conosciuti13 plasmidi di resistanza conosciuti

• plasmidi ad ampio “host-range”plasmidi ad ampio “host-range”

• Transferimento a qualsiasi specie Gram-negativaTransferimento a qualsiasi specie Gram-negativa

– Efficienti pompe d’efflusso Efficienti pompe d’efflusso

– Formazione di biofilmFormazione di biofilm

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Patogeno umanoPatogeno umano

• Patogeni principaliPatogeni principali– P. (Burkholderia) mallei P. (Burkholderia) mallei – P. (Burkholderia) pseudomallei P. (Burkholderia) pseudomallei

• Patogeni opportunisticiPatogeni opportunistici– P. aeruginosaP. aeruginosa nelle piante e negli animali nelle piante e negli animali– ““bassa virulenza”bassa virulenza”– Colpisce sistemi di difesa degli ospiti Colpisce sistemi di difesa degli ospiti

compromessicompromessi

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HabitatHabitat didi P. aeruginosa P. aeruginosa

• Prevalentemente tutti i siti del corpoPrevalentemente tutti i siti del corpo– urinario, respiratorio, ferite, sangueurinario, respiratorio, ferite, sangue

• Materiali ospedalieriMateriali ospedalieri– Soluzioni di antisettici e disinfettanti, Soluzioni di antisettici e disinfettanti,

acqua, soluzioni saline, utensili e acqua, soluzioni saline, utensili e strumentazioni mediche, unghie, etc.strumentazioni mediche, unghie, etc.

– Cibo (insalate) e fioriCibo (insalate) e fiori

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Caratteristiche di Caratteristiche di P. aeruginosaP. aeruginosa• Gram-negativoGram-negativo• Terreno e acqua: ubiquitario nosocomialeTerreno e acqua: ubiquitario nosocomiale• Bacilli con un solo flagello polare: fortemente mobileBacilli con un solo flagello polare: fortemente mobile• Disponibile in forma planktonica o biofilmDisponibile in forma planktonica o biofilm• Aerobio, ma utilizza anche NOAerobio, ma utilizza anche NO33 (anaerobio) (anaerobio)• non-fermentantenon-fermentante• Versatile dal punto di vista metabolico: 75 sostanze organiche Versatile dal punto di vista metabolico: 75 sostanze organiche • Temperatura ottimale: 37°C (T crescita fino a 42°C)Temperatura ottimale: 37°C (T crescita fino a 42°C)• Tollerante ad alte concentrazioni di sale, antisettici, antibiotici Tollerante ad alte concentrazioni di sale, antisettici, antibiotici

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Colorazione di Gram di Colorazione di Gram di Pseudomonas aeruginosaPseudomonas aeruginosa

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Pseudomonas aeruginosa:Pseudomonas aeruginosa:scanning electron micrograph, CDCscanning electron micrograph, CDC

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The soluble blue pigment pyocyanin is produced by The soluble blue pigment pyocyanin is produced by many,many, but not all, strains of but not all, strains of Pseudomonas aeruginosaPseudomonas aeruginosa

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Caratteristiche di Caratteristiche di P. aeruginosaP. aeruginosa• Produce pigmenti solubiliProduce pigmenti solubili

– Pioverdina: pigmento fluorescente (lampada di Woods)Pioverdina: pigmento fluorescente (lampada di Woods)– Piocianina: pigmento bluPiocianina: pigmento blu

• in ambienti scarsi di ferroin ambienti scarsi di ferro

• Resistenza agli antibioticiResistenza agli antibiotici– Barriera di permeabilità di membrana, LPSBarriera di permeabilità di membrana, LPS– Formazione di biofilmFormazione di biofilm– Plasmidi di resistenza (R)Plasmidi di resistenza (R)– Sistemi efficienti di efflussoSistemi efficienti di efflusso

• Sensibilità agli antibiotici : fluorochinoloni, Sensibilità agli antibiotici : fluorochinoloni, gentamicina and imipenem gentamicina and imipenem

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Patogenesi di Patogenesi di P. aeruginosaP. aeruginosa

• Infezioni opportunisticheInfezioni opportunistiche

– Topo normale: LDTopo normale: LD5050: 10: 1088

– Topo ustionato: LDTopo ustionato: LD5050: <10: <1022

• Infezioni nosocomialiInfezioni nosocomiali

– 3-5% pazienti che entrano in ospedale3-5% pazienti che entrano in ospedale

– 20% pazienti che lasciano l’ospedale20% pazienti che lasciano l’ospedale

• Compromissione delle barriere Compromissione delle barriere plusplus

deficienza immunitariadeficienza immunitaria

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Patogenesi di Patogenesi di P. aeruginosaP. aeruginosa

PatologiePatologie– DermatitiDermatiti– Infezioni dell’orecchioInfezioni dell’orecchio– Lenti a contattoLenti a contatto– Polmoniti acute e Polmoniti acute e

cronichecroniche– EndocarditiEndocarditi– Setticemie Setticemie – Infezioni del tratto Infezioni del tratto

urinario (UTI)urinario (UTI)

Urinary tract

Surgical Site

Bacteremia

Localized

RespiratoryAcuteChronic

Burn wounds

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Patogenesi di Patogenesi di P. aeruginosaP. aeruginosa

• Adesione e colonizzazioneAdesione e colonizzazione

• Colonizzazione localeColonizzazione locale

• TossinogenicaTossinogenica

• Patologie disseminate Patologie disseminate

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Adesione di Adesione di P. aeruginosaP. aeruginosa• Aderisce alle cellule epiteliali

– Galattosio, mannosio o recettori degli acidi sialici

• Pili: estremità specializzate– Primo aminoacido: N-metil-fenilalanina

– asialoGM1 gangliosidi esposti da neuraminidasi di P. aeruginosa (residui di acidi sialici)

• Fimbrie: recettori esposti da proteasi che degradano fibronectina delle cellule epiteliali

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Adesione di Adesione di P. aeruginosaP. aeruginosa

• Adesine: esoenzimi S che si attaccano a Adesine: esoenzimi S che si attaccano a glicolipidiglicolipidi

• Adesine: non definite che si legano alla Adesine: non definite che si legano alla mucinamucina

• LPS: si lega al CFTR (regolatore di LPS: si lega al CFTR (regolatore di conduttanza transmembrana della fibrosi conduttanza transmembrana della fibrosi cistica)cistica)

• Biofilm: esopolisaccaride (alginato)Biofilm: esopolisaccaride (alginato)

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Colonizzazione locale di Colonizzazione locale di P. aeruginosaP. aeruginosa

• Diffusione o disseminazioneDiffusione o disseminazione– ElastasiElastasi

• distrugge epiteli (polmoni) ed endoteli (vasi sanguigni)distrugge epiteli (polmoni) ed endoteli (vasi sanguigni)• distrugge il collagene, IgG, IgA, complemento, fibronectinadistrugge il collagene, IgG, IgA, complemento, fibronectina• Due componenti: LasA lega le proteine; LasB le digerisceDue componenti: LasA lega le proteine; LasB le digerisce

– Proteasi alcalineProteasi alcaline • lisa la fibrinalisa la fibrina

– CitotossinaCitotossina• proteina che forma poriproteina che forma pori

– Due emolisineDue emolisine• fosfolipasi e lecitinasifosfolipasi e lecitinasi

– RamnolipidiRamnolipidi• Non enzimaticiNon enzimatici• un surnatante che solubilizza i fosfolipidiun surnatante che solubilizza i fosfolipidi

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Invasione delle cellule ospitiInvasione delle cellule ospiti

• Acquisizione endocitica delle cellule ospiti e traslocazione

• Invasine: geni batterici

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Tossinogenesi di Tossinogenesi di P. aeruginosaP. aeruginosa

• LPSLPS

• Esoenzima S (ExoS)Esoenzima S (ExoS)– escrezione di Tipo III : applicazione esogena che escrezione di Tipo III : applicazione esogena che

non uccide le cellule non uccide le cellule – ADP-ribosilazioneADP-ribosilazione

– EffettiEffetti• Scompensa cellule PMNScompensa cellule PMN

• Scompensa il “signaling” per le citochineScompensa il “signaling” per le citochine

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Tossinogenesi di Tossinogenesi di P. aeruginosaP. aeruginosa

• Esotossina A (tossina A)Esotossina A (tossina A)– Escrezione di tipo IIIEscrezione di tipo III

– ADP-ribosilazione del fattore di elongazione di tipo 2ADP-ribosilazione del fattore di elongazione di tipo 2• come la tossina difterica (distinta antigenicamente)come la tossina difterica (distinta antigenicamente)

• Differenti recettori dell’ospiteDifferenti recettori dell’ospite

• Attività locale necrotizzanteAttività locale necrotizzante

– La tossina purificata è letaleLa tossina purificata è letale

• ExoUExoU– Non ancora ben studiata: inattiva i macrofagiNon ancora ben studiata: inattiva i macrofagi

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Colonizzazione locale di Colonizzazione locale di P. aeruginosaP. aeruginosa

• Mutazioni fenotipiche– da ceppi non mucoidi (smooth) a mucoidi

• Produzione di alginato (mucoide)• Esopolisaccaride

– Un operone composto da diversi geni• Funzioni sconosciute

– Adesine: alla mucina– Formazione di biofilm

– Modifica in LPS• dalla forma B: le catene dell’antigene O sono caricate

negativamente• alla forma A: catene dell’antigene O più corte, cambi nella

combinazione degli zuccheri, gli zuccheri sono neutri• Più resistenti alle defensine?

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Disseminazione di Disseminazione di P. aeruginosaP. aeruginosa (evasione batterica)(evasione batterica)

• Non chiaro come il batterio causa malattie Non chiaro come il batterio causa malattie sistemichesistemiche

• Antifagocitario: LPS (serotipi), capsula, alginato, Antifagocitario: LPS (serotipi), capsula, alginato, biofilmbiofilm

• Anti-anticorpo: Proteasi digeriscono IgG, IgAAnti-anticorpo: Proteasi digeriscono IgG, IgA• Anti-complemento: proteasi; LPS, capsuleAnti-complemento: proteasi; LPS, capsule• Anti-citochine: elastasi e proteasi alkaline Anti-citochine: elastasi e proteasi alkaline

degradano IFN-degradano IFN- e TNF e TNF• Endotossine (Lipid A del LPS) provoca febbre, Endotossine (Lipid A del LPS) provoca febbre,

ipotensione, coagulazione intravascolareipotensione, coagulazione intravascolare

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Difese dell’ospite a Difese dell’ospite a P. aeruginosaP. aeruginosa

• Anticorpi opsonizzantiAnticorpi opsonizzanti– FagocitosiFagocitosi

• Anticorpi anti-tossineAnticorpi anti-tossine

• Ancora alti livelli di anticorpi in Ancora alti livelli di anticorpi in pazienti infettati da pazienti infettati da P. aeruginosaP. aeruginosa affetti da fibrosi cisticaaffetti da fibrosi cistica

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Chemioterapia Chemioterapia

• Antibiotici efficaci : fluorochinoloni, amoxicillina, Antibiotici efficaci : fluorochinoloni, amoxicillina, gentamicina, imipenemgentamicina, imipenem

• Naturalmente resistenti alla maggior parte degli Naturalmente resistenti alla maggior parte degli antibioticiantibiotici– Imipenem entra via OprDImipenem entra via OprD22 (outer membrane porin D (outer membrane porin D22))– Fluorochinoloni superano la membrana esterna secondo Fluorochinoloni superano la membrana esterna secondo

una via porino-independente legandosi al LPS caricato una via porino-independente legandosi al LPS caricato negativamente; cambi del LPS dalla forma B ad Anegativamente; cambi del LPS dalla forma B ad A

– Pompa d’efflusso degli antibiotici: estrudono gli Pompa d’efflusso degli antibiotici: estrudono gli antibiotici fuori dalla cellula battericaantibiotici fuori dalla cellula batterica

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Summary Virulence FactorsSummary Virulence Factors

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Summary Virulence FactorsSummary Virulence Factors

AdhesinsAdhesins

fimbriae (N-methyl-phenylalanine pili) fimbriae (N-methyl-phenylalanine pili)

polysaccharide capsule (glycocalyx) polysaccharide capsule (glycocalyx)

alginate slime (biofilm)alginate slime (biofilm)

InvasinsInvasins

elastase elastase

alkaline protease alkaline protease

hemolysins (phospholipase and lecithinase) hemolysins (phospholipase and lecithinase)

cytotoxin (leukocidin) cytotoxin (leukocidin)

siderophores and siderophore uptake systems siderophores and siderophore uptake systems

pyocyanin diffusible pigmentpyocyanin diffusible pigment

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Summary Virulence FactorsSummary Virulence Factors

Motility/chemotaxisMotility/chemotaxis FlagellaFlagella

ToxinsToxins Exoenzyme S Exoenzyme S

Exotoxin A Exotoxin A

LipopolysaccharideLipopolysaccharide

Antiphagocytic surface propertiesAntiphagocytic surface properties capsules, slime layers capsules, slime layers

LPSLPS

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Summary Virulence FactorsSummary Virulence Factors

Defense against serum bactericidal Defense against serum bactericidal reactionreaction slime layers, capsules slime layers, capsules LPS LPS protease enzymesprotease enzymes

Defense against immune responsesDefense against immune responses

capsules, slime layers capsules, slime layers

protease enzymesprotease enzymes

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Summary Virulence FactorsSummary Virulence Factors

Genetic attributesGenetic attributes genetic exchange by transduction and conjugation genetic exchange by transduction and conjugation

inherent (natural) drug resistance inherent (natural) drug resistance

R factors and drug resistance plasmidsR factors and drug resistance plasmids

Ecologic criteriaEcologic criteria adaptability to minimal nutritional requirements adaptability to minimal nutritional requirements

metabolic diversity metabolic diversity

widespread occurrence in a variety of habitatswidespread occurrence in a variety of habitats