Sul corpo umano sono presenti miliardi di cellule batteriche con relazioni di

mutualismo commensalismo

Un esempio di batteri commensali può essere quello delle specie saprofite che risiedono nell’orecchio o sui genitali

una relazione mutualistica è quella del microbiota intestinale che riceve nutrimento e riparo e produce vitamina K e vitamine del complesso B

La quantità di microrganismi presenti sul corpo umano è sbalorditiva: una persona “media” ha 1013 cellule proprie, 1014 cellule batteriche

nell’ intestino e 1011 cellule batteriche sulla pelle

In termini percentuali, questo significa che il 90% circa delle cellule presenti in un corpo umano è procariotico

MicrococcusCorynebacterium

Staphylococcus

L’epidermide intatta è la prima barriera di difesa

È colonizzata soprattutto da monodermiche sfruttano i nutrienti prodotti da

Ghiandole sebacee Ghiandole sudoripare

Dopo la pubertà il possono diventare dominanti i batteri del genere

Propionibacterium

Scindono i lipidi del sebo producendo acidi grassi (es ac.oleico) che limitano la crescita di altre specie

La cute è un ambiente omogeneo per temperatura ma il tasso di umidità, variabile, definisce ambienti differenti in cui si trovano specie diverse.

occludendo un'area della cute dell'avambraccio (secca), nel giro di 4

giorni la popolazione microbica passa da 3x103 a 3x108 cellule /cm2

3x1033x108

Aw è il fattore abiotico più importante nel limitare la quantità di batteri

e provvedono al rapido ripopolamento delle aree

dopo la detersione

I microrganismi nelle ghiandole sebacee e nei follicoli di peli e capelli non sono raggiunti dalla

normale pulizia

Carica microbica su oggetti toccati di frequente

Nella bocca si trovano specie capaci di adesione forte

Gli streptococchi orali producono glucanie formano la placca

Tratto respiratorio superiore+bocca

umido

Ingresso continuo di microrganismi

Nel cavo orale e nell’orofaringe si trovano anche molte specie anaerobie

Il nasofaringe può essere colonizzato da specie potenzialmente patogene

Tenue

duodeno

digiuno

ileo ANAEROBI E FACOLTATIVI

LATTOBACILLIE COCCHI

Dal duodeno verso l’ileo diminuisce l’ossigeno e aumenta il pH

Tratto gastro-enterico

Le osservazioni sull’effetto protettivo della flora intestinale contro i patogeni sono all’origine degli studi sull’impiego di batteri

probiotici come additivi per gli alimenti

Sono principalmente bifidobatteri e lattobacilli (batteri che utilizzano gli zuccheri come fonte di energia e producono acido lattico)

Probiotici: batteri che mantengono in equilibrio funzionale l’intestino proteggendo

l'organismo dalle malattie

Nll’intestino crasso (colon) l’ossigeno è stato consumato

Il rapporto Bacteroides/E. coliè = 100:1

Gli anaerobi fermentanoi polimeri indigeribili

Tratto uro-genitale

Il tratto esterno dell’uretra è colonizzato in entrambi i sessi

VAGINANelle donne adulte la vagina

è colonizzata dai

Lattobacilli

Scindono il glicogeno prodottodalle cellule epiteliali

Mantengono il pH intorno a 4,4-4,6

Le quantità sono riferite al numero di microrganismi per grammo di tessuto o fluido o per cm2 di superficie

105-106

Cuoio capelluto

<10-103

Occhi, protetti

109

Cavo oraleAerobi e anaerobi

106-107

Cute umida105-106

TenueLattobacilli, enterococchi

109-1011

CrassopH alcalino, Gram-negativi

103

Cute secca

RICAPITOLANDO..

L’importanza del microbiota “normale” è stata confermata da studi sugli animali germ-free

La malattie infettive sono causate

Da poche specie che hanno evoluto adattamenti specifici per il parassitismo

Dalla rottura dell’equilibrio tra specie commensali e il loro ospite

ESISTONO PATOGENI

TOSSIGENICI

INVASIVI

i batteri patogeni possono essere:

Intracellulari facoltativi

Intracellulari

extracellulari

Usando strategie differenti per interagire con l’ospite

Una specie che abbia evoluto strategie di adattamento per parassitare un ospite, viene definita patogena.

Il potere patogeno è un attributo della specie, e viene definito dalla precisazione dell’ospite

Vibrio choleraeè patogeno per l’uomo;

Aeromonas salmonicida è patogeno per i pesci

All’interno di una specie patogena la forza della patogenicità di un ceppo ne definisce virulenza..

Anche quando è avirulento, un ceppo appartenente a una specie patogena

continua a essere considerato patogeno

1177

Shasta

POTERE PATOGENO:

E’ davvero funzione

del solo microrganismo?

1. Il parassita si ritrova in tutti i casi di una determinata malattia, in circostanze tali da far ritenere che esso sia responsabile delle alterazioni patologiche e

del decorso clinico della malattia

2. Il parassita non si ritrova in altre malattie come parassita non patogeno

3. Dopo il suo isolamento dal malato e ripetuti passaggi in vitro, il parassita deve riprodurre la malattia, se inoculato

4 (?) il microrganismo deve essere reisolato dall’animale infettato sperimentalmente

La complessità e la varietà dei fattori di virulenza sono state da sempre oggetto di studio

La definizione del “potere patogeno” è stata considerata tenendo conto delle sole potenzialità dei microrganismi

“postulati di Koch” (1890)

Ma già all’epoca di Koch erano evidenti eccezioni come

Il colera: V. cholerae può essere isolato anche da individui sani (non è valido il secondo postulato)

La lebbra: M.leprae non si coltiva in vitro (non è applicabile il terzo postulato)

Da allora molti altri casi di difficile definizione sono stati messi in evidenza, anche perché la situazione della medicina è

profondamente cambiata dai tempi di Koch

L’interazione ospite-parassita è complessa: non si può prescindere dal considerare entrambi gli organismi coinvolti

rappresentandolo schematicamente con un graficoIl potere patogeno si può valutare come danno provocato

Entità del danno

STATO IMMUNITARIO

L’entità del danno varia con

il grado di virulenza

patogenoII

Patogeno; la risposta può aggravare il

quadroIII

Bassa patogenicità + danno da risposta

IV

Patogeno + danno da risposta V

Scarsa patogenicità

I

risposta alla presenza di un microrganismo VI

I microrganismi di classe 1Es. Legionella pneumophila

sono associati a malattie solo in individui con funzioni immunitarie insufficienti

non provocano infezioni sintomatiche in individui con uno stato

immunitario normale

sono di solito considerati opportunisti o commensali

Classe 2: la capacità di provocare malattia in individui normali è indice della capacità di evadere le difese immunitarie

La risposta immune indotta nell’ospite normale dai patogeni di classe 2 non è tale da provocare danni dopo la risoluzione dell’infezione acuta es. pneumococco

Entità del danno

patogeni tossigenici: la loro curva è piatta

le tossine sono attive rapidamente e a dosi tanto basse da rendere inifluente la reattività immunitaria dell’ospite

Il danno provocato dai microrganismi della classe tre può essere mediato dal patogeno (in individui con immunità debole o normale)

Ma anche effetto di una violenta reazione infiammatoria se la risposta immunitaria dell’ospite è imponente

es. Escherichia coli O157:H7 (ceppo EHEC)

trasmesso con l’ingestione dihamburger poco cotti

in individui normali provoca diarrea con sangue nelle feci e assenza di febbre

in individui con immunità insufficiente provoca diarrea emorragica molto grave

se al danno provocato dal patogeno si associa quello provocato da una forte reazione dell’ospite si ha la sindrome uremico-emolitica (HUS)

Tutto ciò che favorisce l’espressione della patogenicità va considerato un fattore di virulenza

TOXENZIMIREGOLATORICOLONIZZAZIONEINVASINE

“relatività” del concetto di patogenesi riconsiderare la definizione di “Fattore di virulenza”

REGOLAZIONE GENICA

VIRULENZA

Patogeno obbligato ospite-dipendente

Rickettsia Mycoplasma

Patogeno virulento ospite-dipendente

M. tuberculosisB. pertussis

Isolamento della popolazione Perdita di ricombinazione

Patogeno virulento a ristretto spettro d’ospiteS. Typhi

Specializzazione verso un ospite

Acquisizione di PAI

Perdita massiva di geni, accumulo di pseudogeni, decadimento del genoma

Ancestrale benigno, a vita libera

E. coli

Patogeno a largo spettro

E. coli O157H7S. TyphimuriumB. bronchiseptica

M. leprae

LA STRADA VERSO LA PATOGENESI PUO’ ESSERE LUNGA

Patogeno

NON patogenotRNA

Molti geni che codificano fattori di virulenza possono trasferirsi orizzontalmente e si trovano spesso nelle PAI (Pathogenesis Islands)

Le PAI sono presenti solo nei ceppi virulenti e hanno una struttura a mosaico, frutto di diversi e successivi eventi di integrazione; ilcontenuto G+C è diverso

dal resto del cromosoma

tRNA mobAint virA virB

DR DR

IL PROCESSO COMPORTA SPESSO L’ACQUISIZIONE DI TRATTI PER TGO

(trasferimento genico orizzontale)

Progresso evolutivo della formazione di PAI

tempo

nei geni delle integrasi si verificano mutazioni puntiformi

inattivazio/delezionenei geni di mobilita’

nei geni inattivati si creano vaste delezioni

I codoni nei geni estranei si adattano al resto del cromosoma

Un fago o un plasmide si integra nel cromosoma

int vir mob

int vir mob

int vir mob

vir

vir

virDopo molto tempo restano solo i geni di virulenza, integrati nel cromosoma

Se acquisire è essenziale

anche liberarsi di qualcosa può essere molto utile..

Eliminare i “GENI DI AVIRULENZA”

I cambiamenti che accompagnano l’adozione di uno stile di vita da patogeno, rivelano geni di ANTIVIRULENZA nei patogeni emergenti

L’eliminazione patoadattativa di questi loci migliora la fitness nel nuovo stile di vita

l’evoluzione verso la patogenesi diventa via via sempre più conveniente

ma, contemporaneamente, può ridurre quella nello stile precedente

DIFESE INNATE(RAPIDE)

corredo COMUNE ai diversi individui

DIFESE ADATTATIVE(LENTE)

Esperienza PERSONALE di contatto con i microbi

Difese a ponteIntermedieNK + B-B1

BARRIERE, INFIAMMAZIONE

Linfociti B, linfociti T

complemento

PER UN PATOGNO, LA PRIMA NECESSITA’ E’ QUELLA DIELUDERE LE DIFESE DELL’OSPITE

BARRIERE

Barriere esterne (aspecifiche):

FISICHE

CHIMICHE

pH +/- acidosucchi gastriciCutevagina

Cute mucose integre

Fattori umorali dell’immunità naturale(composti chimici) Es.

lisozimaTransferrine

lattoperossidasi

seboMucociglia detersione (fluidi)

Fattori umorali dell’immunità naturale LISOZIMA

rompe i legami β-1-4 glicosidici tra

N-acetil-glucosamina e acido N-acetilmuramico

.

Legame β (1-4)glucosidico

NAM

N-acetilmuramico

NAG

N-acetil-glucosamina

Distrugge il peptidoglicano

attivo soprattutto sui monodermi

LATTOFERRINA (famiglia transferrine)

chela il ferro limitazione del ferro disponibile

CONTROLLO

Crescita microbica

chemiotassi dei leucociti

fagocitosi

Latte, lacrime, saliva

SUPERAMENTO DIFESE INNATE

Propagazione attraverso vettori

FATTORI DI ADESIONE

I patogeni i usano proteine specifiche (adesine) per legarsi alle mucose e non essere allontanati

La cellula batterica e la cellula ospite sono entrambe cariche negativamente

SI RESPINGONO

Per superare la repulsione le adesine sono localizzate sull’estremità delle FIMBRIE (PILI)

Appendici proteiche composte di piccole subunità di pilina

batteri privi di fimbrie non possono colonizzare

non sono in grado di infettare

CURLI

Fimbrie arricciate osservate in virotipi di E. coli e in salmonelle

Strutturalmente e biochimicamenteidentiche alle fibre amiloidi eucariotiche

legano fibronectina o proteine circolanti (plasmina), e soprattutto il complesso maggiore di

istocompatibilità di classe I (MHC I)

I batteri che li possiedono aderiscono a superfici biologiche e artificiali

La curlina si libera nell’ospite e ha una moderata attività tossica

poro formato da PilQ

assemblaggiodella fibra

Disassemblaggiodella fibra

Anche i pili di DI TIPO IV possono aiutare a superare le forze repulsive

Il pilo si aggancia alla superficie e si “contrae” trascinando la cellula

Si possono aggregare a formare fasci

DIFESE INNATE seconda linea (Oltre le barriere)

INFIAMMAZIONE ACUTA

RUBOR: Aumentato flusso sanguigno

TUMOR: Edema (fuoruscita di liquidi nei tessuti)

CALOR: Innalzamento della temperatura (iperemia e aumento del metabolismo cellulare)

DOLOR: Mediatori chimici e compressione dei nervi

FUNCTIO LAESA:

Rudolf L. K. Virchow1821 –1902

Aulo Cornelio Celso (25 a.C. - 50 d.C.)

IN CONDIZIONI DI NORMALITÀ IL MECCANISMO DELL’INFIAMMAZIONE

DEVE ESSERE INATTIVONORMALITA’

OFFINFEZIONE

ONQUAL’E’ L’INTERRUTTORE?

ON

OFF

Microbe AssociatedMolecular Pattern

Si ritiene che il sistema immunitario innato ne riconosca CIRCA 1000

Riconoscimento MAMP

ALLARME RISPOSTA INNATA

MODULATA IN MODO PROPORZIONALE ALL’ENTITA’ DELL’ATTACCO

SIERO

COMPLEMENTO

FAGOCITI

Granulociti neutrofili

Monociti e macrofagi

GRANULOCITI NEUTROFILI

Polimorfonucleati (PMN)

INFARCITE DI GRANULI

= LISOSOMI GIGANTI

enzimi ossidativiproteasi

defensine

ROS

UCCISIONE BATTERI

CELLULE TERMINALI

Il richiamo dei PMN non è garanzia di uccisione dei microbi

Morte PMN

PUS

VITA BREVE

FAGOCITOSI

fagosomanascente

fagosomaprecoce

fagosomatardivo

Fusione con lisosoma

(fagolisosoma)morte

batterica

Ogni stadio ha marcatori specifici

La cascata si completa in 40-60’

minuti

nella fagocitosiintervengono alcune frazioni del

complemento

COMPLEMENTO (C’): 25 proteine plasmatiche 7 recettori diversi

riconoscono le componenti di C’Opsonizzazione batteri

lisi batteri

lisi cellule infettate (da virus)

Induzione dell’infiammazione

Chemiotassi dei leucociti

Normalità: OFF

ATTIVAZIONE

via classica(Complesso Ag/Ab)

via alternativasuperficie del patogeno

RICHIEDE ANTICORPI(RISPOSTA

ADATTATIVA)

via della lectinaMannano (patogeno) +

lectine (siero)In realtà la più

frequente..

Attivazione del complemento VIA ALTERNATIVA

C3Idrolisi spontanea

(instabile in fase acquosa)

C3aC3b

In presenza di un patogeno C3b si lega covalentemente alla superficieC3b

C3b legato si lega al “fattore B”BbB

BaIl fattore B legato a C3b viene tagliato dal fattore D (proteasi)

C3bBb = C3 convertasi della via alternativa

RUOLO CHIAVE NELL’INFIAMMAZIONE

C3

C3a

C3b

Complesso C3bBb3b:C5 convertasi

C3 convertasi

C5a

C5bC5b si lega e richiama

C6-C7-C8-C9 (polimerico)

Formando il MAC(membrane attack complex )

Che provoca la formazione di fori nelle membrane di cellule eucariotiche e batteri didermi

Una molecola di C3 o C5 convertasi può catalizzare il taglio di centinaia-migliaia di molecole bersaglio

Opsonine

Legano i microbi ai fagociti

C3b (C4b) ha un’azione OPSONIZZANTE

Con un meccanismo a cerniera che coinvolge recettori

sui batteri e sui fagociti

C3b si lega in modo ASPECIFICO alle superfici batteriche

Il taglio espone un legame tioestere molto reattivo Che reagisce con gruppi OH

di cellule vicine

C3b OH

Se C3b si lega a cellule eucariotiche è distrutto dal fattore H (proteasi)

I batteri non hanno il fattore Hrestano opsonizzati

Sui fagociti ci sono recettori SPECIFICI che stimolano la fagocitosi dei batteri

opsonizzati

C3b

NORMALITÀ

Fagocitosi lenta

RICHIAMO

chemiotassinecomplemento

Chemiotassine batteriche

ATTIVAZIONE

OPSONINEAnticorpi

Es. N-term rimosse dalle proteine

C5a-C3a-C4a si legano anche ai mastociti

ATTIVITA’ ANAFILOTOSSICA

Rilascio di istamina e NO

ne inducono la degranulazione

vasodilatazione

Cellule ricche di granuli citoplasmatici situate nel tessuto connettivo,

specialmente lungo i vasi sanguigni

MONOCITI

CELLULE A VITA LUNGA

DIFFERENZIABILI

ARRIVANO DOPO I PMN

RICHIAMO:

sostanze emesse dai PMN

ELIMINANO DETRITI E

BATTERI RESIDUI

ATTIVAZIONE

CITOCHINE:

I monociti possono stabilirsi nei tessuti

MACROFAGI

molecole proteiche prodotte da vari tipi cellulari

citochinecitochine

MONOCITI/MACROFAGI: RUOLO CENTRALE NELLA RISPOSTA IMMUNITARIA

INTERAGISCONO CON ALTRE CELLULE ATTRAVERSO LE CITOCHINE

Cellule delle mucose

INFIAMMAZIONE ACUTACELLULE DELL’IMMUNITA’

ADATTATIVA

Attivazione dei macrofagi

TLR (Toll-Like-Receptors) Specifici per le sottopopolazioni di MAMP

Alcuni sulle membrane di molte cellule

Altri sulla membrana del fagosoma

Bersagli esterni Bersagli interni

TLR + bersaglio

NF-kB (nuclear Factor kB)

citochine

ELUSIONE DELLE DIFESE DELL’OSPITE

Impedire l’attivazione del complemento

Es. Neisseria: acido sialico

Reprimere l’attivazione Poxvirus: proteina che quella adibita al controllo dell’attivazione di C’

STRATI S

MASCHERAMENTO DEI RECETTORI PER IL COMPLEMENTO

Impedire la penetrazione del M.A.C

Es. Salmonella: rivestimenti esterni

PREVENZIONE DELLA FAGOCITOSI

INIBIZIONE DEL RICHIAMO DEI PMN

MODULAZIONE NEGATIVA DELLA PRODUZIONE DI MOLECOLE

CHEMOTATTICHE

VARIAZIONE DIANTIGENI SUPERFICIALI

OSTACOLO AL RICONOSCIMENTO

Paralizzare il citoscheletro di actina dei fagociti

OSTACOLO ALLA FAGOCITOSI

CIRCONDARSI DI UNA CAPSULA VISCOSA (BATTERI DIFFUSI

DAL SANGUE)

L’ESPLOSIONE DEI LISOSOMI NEL CITOPLASMA

microrganismi relativamente resistenti agli enzimi lisosomiali

UCCISIONE DEI FAGOCITI

Sono in grado di causare..

Il patogeno altera l’assetto superficiale della vescicola

lisosomale impedendo la fusione con il lisosoma

INIBIZIONE DELLA FORMAZIONE DEL FAGOLISOSOMA

ELUSIONE DELLE DIFESE INNATE(DOPO LA FAGOCITOSI)

Alcuni patogeni lisano la membrana del fagosoma

FUGA DAL FAGOSOMA

E si moltiplicano nel citoplasma

-SHIGELLE IN MOTO-

SERVIZIO FOTOGRAFICO INSTITUT PASTEUR

Alcune specie (Listeria, Shigella, Rickettsia) possono intervenire sui filamenti di actina dell’ospite e farsi “spingere” da una cellula all’altra

Una strategia diversa è quella di restare nel fagosoma (o fagolisosoma)

VITA INTRACELLULARE

Adattandosi a resistere alle mutate condizioni ambientali

alcuni microrganismi che sopravvivono nei macrofagi (Salmonella, Mycobacterium) attivano rapidamente set di geni per sopravvivere nelle

condizioni estreme del fagolisosoma

Blocco esplosione+antiapoptosi

ANAPLASMA: UN CASO LIMITE