Fisioterapia e professioni sanitarie - Appunti di microbiologia

Microbiologia medica: lezione 1

Microbiologia e microbiologia clinica

La microbiologia, ed in particolare la microbiologia clinica, si occupa di:

• Studiare nei loro vari aspetti (biologici, molecolari e fisiologici) gli agenti infettivi;
• Studiare le interazioni patologiche e non tra agenti infettivi e esseri umani;
• Pervenire ad una diagnosi eziologica di infezione individuando l’agente responsabile.

Microorganismi

• I microorganismi sono un gruppo molto eterogeneo di organismi viventi, che comprendono, giusto per fare qualche esempio, batteri, protozoi, metazoi, elminti, numerose alghe, funghi e virus.
• I virus, come vedremo in seguito, non sono in realtà annoverabili tra gli organismi viventi.
• I vari gruppi di microorganismi hanno proprietà biologiche anche molto differenti gli uni dagli altri.

Suddivisione per regni degli organismi viventi

La maggior parte dei microorganismi è classificabile in uno dei regni degli organismi viventi: i batteri negli eubacteria, i protozoi nei protista, gli elminti, ovvero i vermi, negli animalia e i funghi (ovviamente dato che parliamo di microorganismi facciamo riferimento solo a quelli microscopici) nei funghi.

Caratteristiche di organismi unicellulari e pluricellulari

I microorganismi possono essere organismi sia unicellulari che pluricellulari.

Batteri

• I batteri sono organismi unicellulari procarioti.
• La cellula procariota è una cellula priva di nucleo e priva di compartimentalizzazione cellulare. Il materiale genetico, spesso costituito da un’unica grande molecola di DNA circolare, si organizza in una regione cellulare detta nucleoide.
• I batteri sono a riproduzione asessuata e possono essere, dal punto di vista biosintetico, sia autotrofi (chemiosintetici) sia eterotrofi.
• La maggior parte dei microorganismi che causano patologie nell’uomo sono microorganismi eterotrofi.

Funghi

• I funghi sono organismi unicellulari (lieviti) o pluricellulari (muffe e funghi filamentosi) di origine eucariotica. Compare quindi la presenza del nucleo e la compartimentalizzazione all’interno della cellula.
• I funghi sono provvisti di una parete cellulare e non presentano differenziazioni tissutali.
• Possono essere a riproduzione sessuata e/o asessuata.
• Solitamente i funghi, quando sono patogeni per l’uomo, si riproducono in modo asessuato.
• I funghi sono organismi eterotrofi, privi di meccanismi chemiosintetici.

Parassiti

• I parassiti possono essere organismi unicellulari eucarioti (protozoi) o pluricellulari eucarioti con differenziazione tissutale (metazoi).
• I parassiti sono organismi eterotrofi, privi di meccanismi chemiosintetici.
• Possono avere riproduzione sessuata e/o asessuata e solitamente possono presentare entrambe queste forme in ospiti diversi che fanno parte del loro ciclo biologico.

Virus

• I virus non sono classificabili tra gli esseri viventi, in quanto sono parassiti endocellulari obbligati che dipendono totalmente dalla cellula ospite (eucariota o procariota) per la loro replicazione.
• Esistono virus che infettano cellule di mammifero, virus che infettano cellule di vegetali, virus che infettano cellule fungine, virus che infettano i batteri e così via.
• I virus sono estremamente piccoli (ordine dei nm), tant’è che sono visibili solo al microscopio elettronico. Grazie alle loro dimensioni esigue i virus conservano la loro infettività anche dopo processi di filtrazione.
• I virus sono costituiti da un solo tipo di acido nucleico (DNA o RNA), che è il depositario dell’informazione genetica. Tale acido nucleico è protetto da un guscio proteico chiamato capsìde che costituisce la struttura base di tutti i virus.

Microbiologia medica

La microbiologia medica viene suddivisa in quattro branche, ovvero:

• La batteriologia: studia i batteri;
• La micologia: studia i funghi;
• La parassitologia: studia i protozoi e i metazoi;
• La virologia: studia i virus.

La microbiologia non può tuttavia prescindere da altre discipline, quali:

• Immunologia: ci dice come l’organismo risponde a un agente infettivo;
• Patologia generale: ci dice il tipo di reazione (principalmente infiammatoria) che un microorganismo induce in un ospite;
• Malattie infettive: ci dice la malattia provocata da un microorganismo;
• Farmacologia: studia i composti in grado di curare una malattia infettiva.
• Qualsiasi disciplina medica o chirurgica che affronti problemi correlati alle infezioni.

Patogenicità dei microorganismi

Iniziamo ora a guardare i microorganismi un po’ più da vicino...

Iniziamo con un concetto molto importante, ovvero che i microorganismi non sono tutti patogeni!

• I patogeni per l’uomo rappresentano meno dell’1% di tutte le specie presenti sul pianeta.
• Si conoscono ~1400 specie patogene per l’uomo (compresi virus, batteri, funghi, protozoi ed elminti).
• Molte specie batteriche sono addirittura utili alla vita umana in quanto, per esempio, sono in grado di detossificare composti tossici, sono utilizzati in ambito industriale o convivono con l’uomo stesso.

Rapporti con l'ospite

Sulla base del rapporto che i microorganismi instaurano con l’ospite dividiamo i microorganismi in:

• Microorganismi saprofiti (o commensali): vivono e si moltiplicano sull’ospite (o nell’ospite) senza provocare danni e a volte addirittura in un rapporto di reciproco beneficio;
• Microorganismi patogeni (o patogeni franchi): microorganismi che tendono a provocare malattie;
• Microorganismi opportunisti: microorganismi normalmente innocui ma in grado di provocare malattie, in alcuni casi anche gravi, in seguito a un indebolimento dell’organismo o alla comparsa di alcuni fattori di rischio.

Alcuni microorganismi commensali, per esempio, traslocando in un distretto dove normalmente non sono presenti, possono indurre in questo distretto un processo patologico. Alcuni microorganismi sono in grado di instaurare uno stato morboso anche in assenza di vita parassitaria. Tale stato morboso si realizza, per esempio, attraverso la produzione di sostanze tossiche, che contaminano principalmente gli alimenti. Questi stati patologici vengono riferiti come intossicazioni.

Microorganismi commensali e uomo

Negli ultimi 10/15 anni molti studi hanno portato alla consapevolezza dell’importanza dei microorganismi commensali nel definire la salute dell’ospite. Da tali studi è inoltre emerso il concetto di superorganismo.

• L’uomo, con i suoi microorganismi commensali, rappresenta un superorganismo uomo-microbi con aumentate capacità metaboliche.
• L’uomo, in termini fisiologici, è il risultato di quanto codificato dai geni del genoma umano e dai geni dei microorganismi che abitano i vari distretti corporei.

Il superorganismo

Microbiota: indica tutte le specie batteriche, fungine o virali, che abitano i diversi distretti corporei;

Microbioma: indica i geni codificati dal microbiota, che vanno a costituire il metaboloma microbico (proteine).

Il metaboloma microbico, insieme al metaboloma umano, va a costituire quello che è il superorganismo.

Microbioma in numeri

Vediamo ora un po’ di numeri...

• Circa 100 miliardi di batteri nel nostro organismo;
• Rapporto virus/batteri 5:1 (con “virus” si intendono anche quelli presenti nelle cellule batteriche che fanno parte dei nostri organismi commensali).
• Rapporto fra geni codificati dai batteri e geni codificati dalle cellule umane di 150:1.
• Si stima che il corpo umano abbia un numero di microorganismi addirittura superiore al numero di stelle presenti nella Via Lattea.

Hot spot

Alcuni distretti corporei, in particolare quelli che comunicano con l’ambiente esterno, sono considerati degli “hot spot”, ovvero delle zone particolarmente ricche di microorganismi.

Tra questi distretti rientra:

• L’apparato gastrointestinale, ovvero cavità nasale, cavità orale e tutto il tratto gastrointestinale;
• La cute;
• L’apparato urogenitale.

Microbiota intestinale

Sicuramente il distretto intestinale è il distretto più fortemente colonizzato. La colonizzazione aumenta al discendere, ovvero è massima a livello del colon, dove abbiamo 10¹¹-10¹² cfu/ml di contenuto (colonie formanti unità) (questo dato si riferisce solo ai batteri, la componente sicuramente più cospicua del nostro microbiota).

Distribuzione sito-specifica

Esiste una distribuzione delle diverse specie batteriche che varia a seconda del distretto corporeo.

• Nella cavità orale, per esempio, vi è una grossa componente di Corynebacterium, di Neisseria e di Actinomycetes.
• A livello del tratto gastrointestinale abbiamo invece una predominanza di Bacteroides, Bifidobacterium, Candida e così via.

Vi è pertanto una distribuzione mutevole a seconda del distretto corporeo che, nei vari distretti, può essere più o meno stabile nel tempo.

Benefici derivanti dal nostro microbiota

I microorganismi hanno un ruolo molto importante nella salute dell’ospite. Hanno diverse funzioni:

• Sono in grado di sintetizzare vitamine, folato e così via;
• Sono in grado di insegnare al nostro corpo la “tolleranza” verso determinate sostanze (come nel caso dei batteri commensali) o la “risposta” verso altre potenzialmente dannose. Sono quindi in grado di distinguere il buono dal cattivo;
• Sono in grado di influenzare l’estrazione di calorie dal cibo;
• Sono in grado di aiutare e promuovere l’omeostasi intestinale, attraverso un cross-talk continuo tra microorganismi intestinali e cellule gastrointestinali;
• Sono in grado di produrre importanti molecole che vengono utilizzate dalle nostre cellule come fonte di energia, o come importanti mediatori cellulari;
• Promuovono una difesa nei confronti di patogeni franchi.

Ruolo dei microrganismi residenti nella protezione contro i patogeni

Vediamo meglio nel dettaglio cosa vuol dire che “i microorganismi residenti hanno un ruolo protettivo”. Quando un microrganismo patogeno entra in un distretto colonizzato affinché possa aderire alle nostre cellule e colonizzare il distretto, deve competere con i microorganismi che sono commensali in quel distretto. Poiché i microorganismi commensali hanno una fitness maggiore, ovvero sono in un certo senso abituati a vivere in quel distretto, il patogeno incontra delle difficoltà e deve competere con questi microorganismi sia per lo spazio sia per i nutrienti.

Non a caso, alcune patologie, come il “Clostridium difficile”, appaiono a seguito di terapie antibiotiche ad ampio spettro. Nel caso del Clostridium difficile, le terapie antibiotiche diminuiscono drasticamente i commensali a livello del distretto intestinale, favorendo la crescita abnorme di questo microrganismo.

Estrazione di energia da carboidrati non digeriti

Nella figura si può osservare la schematizzazione del metabolismo dei carboidrati complessi. Sono stati evidenziati in rosa i geni codificati dai batteri. Risulta evidente come, senza la presenza dei microorganismi commensali, non saremmo in grado di catabolizzare la maggior parte delle fibre alimentari ingerite.

Cosa fa il microbiota per noi?

Abbiamo già analizzato gli esempi più importanti di interazione fra i microorganismi commensali e l’uomo. Altri importanti funzioni rivestite da tali microorganismi stanno emergendo solo negli ultimi anni. Alcuni ricercatori hanno addirittura dimostrato come il microbiota di un distretto, ad esempio il distretto intestinale, possa produrre delle molecole che abbiano ripercussioni in distretti anche distanti. Per esempio, è stata evidenziata la presenza di assi intestino-cervello, intestino-fegato, intestino-pancreas.

Equilibrio di un ecosistema

Per poter comprendere molti degli studi che sono stati pubblicati e che verranno pubblicati sull’argomento del microbiota commensale, è necessario possedere delle nozioni su come si misura un ecosistema. Nelle immagini sono riportate due foreste, una foresta amazzonica nel riquadro superiore e una foresta di abeti bianchi nel riquadro inferiore. Questi due ecosistemi hanno dei parametri molto diversi.

Foresta amazzonica

Nella foresta amazzonica vi è un numero molto elevato di specie diverse, in particolare di specie vegetali. Si tratta di un ecosistema sano, in quanto è molto bilanciato e la presenza di specie diverse si traduce in una ridondanza funzionale. In altri termini, specie diverse sono in grado di avere funzioni simili se non identiche. Nel momento in cui qualcosa dovesse colpire una di queste specie, un’altra specie potrebbe crescere e supplire dal punto di vista funzionale alla mancanza della specie danneggiata. Questo conferisce all’ecosistema della foresta amazzonica una certa resistenza alle patologie.

Foresta di abeti bianchi

Si tratta di un ecosistema che mostra una bassa diversità di specie. È presente una sola specie chiave, l’abete bianco. Questo significa che, laddove un evento patogeno dovesse colpire l’abete bianco, l’intero ecosistema collasserebbe. Si tratta quindi di un ecosistema che non è bilanciato ed è funzionalmente precario, in quanto le funzioni vitali dell’ecosistema sono mantenute da una o poche specie. È pertanto un ecosistema che è più sensibile all’insorgenza di malattie. Di per sé dunque non è un ecosistema malato, ma è sicuramente un ecosistema che è più sensibile alle malattie.

Comprendere la diversità microbica all’interno di un ecosistema

La diversità microbica rappresenta un parametro chiave nel misurare la bontà di un ecosistema. Tale diversità viene solitamente espressa con due variabili, la ricchezza e l’equità:

• Ricchezza di specie misura quante specie diverse sono presenti in un determinato campione o in un determinato ecosistema.
• Equità di specie misura quanto le diverse specie siano equamente rappresentate nell’ecosistema.

Osserviamo ora l’immagine riportante i tre rettangoli affiancati:

1. Si tratta di un ecosistema che viene definito ricco e equo, in quanto sono presenti cinque colori (specie) e ognuno dei cinque colori è rappresentato con tante palline (individui).
2. È un ecosistema ricco, in quanto sono presenti tante palline, ma non è un ecosistema equo, in quanto il nero prevale numericamente su tutti gli altri colori.
3. È un ecosistema che non è né ricco né equo, in quanto presenta un solo colore ed in quantità minore di quella presente negli altri ecosistemi.

Diversità microbica all’interno di un ecosistema

La diversità microbica all’interno di un ecosistema viene anche definita attraverso due misure:

• Alpha-Diversity: viene misurata attraverso la ricchezza e l’equità. Misura quindi quanto un campione sia ricco ed equo in termini di numero di specie e di numero di individui per ogni specie;
• Beta-Diversity: misura quante specie sono comuni tra due campioni. In ambito medico potremmo, per esempio, misurare quante specie sono comuni in due soggetti prima e dopo un trattamento, oppure in pazienti e controlli (soggetti obesi e soggetti normopeso), e così via.

La comunità microbica tende ad essere stabile

La comunità microbica, in particolare quella intestinale, tende ad essere stabile nel corso della vita, dall’alimentazione complementare del neonato alla senilità (anzianità). Si stima che nell’intestino vi siano circa 500-1000 specie batteriche e che ognuno di noi, allo stesso modo con cui possiede un DNA, un’impronta digitale peculiare, abbia una comunità microbica unica. Se campionassi diversi soggetti in termini di comunità microbica intestinale, stilando un profilo di ognuno in termini microbici e a distanza di un anno ripetessi la procedura, ovviamente in cieco (non essendo a conoscenza dei dati) e in assenza di variabili (quali cambi drastici della dieta o importanti malattie), sarei in grado di riconoscere dal profilo microbico ognuno dei soggetti.

Microrganismi intestinali

Il microbiota tuttavia presenta anche una diversità:

• Diversità individuale;
• Stato di salute/malattia;
• Genetica dell’ospite: in particolare, laddove vi siano polimorfismi, per esempio a carico del sistema immunitario;
• Fattori ambientali

Si tratta di un concetto fondamentale. Tra i fattori ambientali che sono in grado di modificare il microbiota in maniera importante vi è la dieta, l’utilizzo di farmaci, non solo antibiotici (è dimostrato che molti farmaci possono avere una ripercussione su alterazioni del microbiota, in particolare di quello intestinale), e lo stile di vita. Stili di vita diversi possono pertanto plasmare un microbiota differente;

• Età: abbiamo un microbiota stabile dall’alimentazione complementare alla vecchiaia. Tuttavia, il microbiota cambia sia prima dell’introduzione dei cibi solidi sia dopo i 65 anni di età.

Diversità del microbiota in stato di salute

Grafico superiore

Ogni pannello, all’interno del pannello principale, rappresenta un distretto corporeo diverso e ogni istogramma rappresenta un individuo diverso. Il tratto gastrointestinale è evidenziato dal rettangolo rosso.

• Nel tratto gastrointestinale si osserva che la quantità di blu (bacteroidetes), di giallo (proteobacteria), di verde (cyanobacteria) e così via, è molto diversa nei vari soggetti.
• Le differenze fra gli individui nella composizione del microbiota sono dunque, nel tratto gastrointestinale, più marcate rispetto agli altri distretti corporei.

La maggior parte degli individui presenta alcune specie dominanti che variano però da soggetto a soggetto.