Microbiologia

Microbiologia - Corso di fisioterapia 1

I microrganismi

I microrganismi e umani, animali o piante si rapportano costantemente. In particolare rientrano in simbiosi: due diversi organismi (ospite e microrganismo) vivono insieme ed interagiscono; in questa associazione l’uno vive alla superficie od all’interno dell’altro. La simbiosi si divide in:

• 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.

Uno stesso microrganismo può rientrare in ciascuna categoria, in relazione a ambiente/circostanze in cui esso vive. Un microrganismo è: "un essere vivente che non può essere visto ad occhio nudo".

La cellula è la più piccola unità di vita. In questa immagine possiamo vedere un ingrandimento di un linfocita T, con più virioni di HIV sulla sua superficie. L'HIV distrugge le difese dell'organismo attaccando le cellule immunitarie. Grandi colonie di funghi microscopici possono spesso essere osservate ad occhio nudo. La tenia, Taenia saginata, infetta sia il bestiame che l'uomo. Le uova di T. saginata sono microscopiche (circa 50 µm), ma i vermi adulti possono raggiungere i 4-10 m, prendendo residenza nell'apparato digerente. Quindi non sempre i microrganismi non possono essere visti ad occhio nudo, ma rientrano in questa categoria perché alcune fasi del loro ciclo di replicazione rientrano in quelle dei microrganismi.

I virus

I virus sono le particelle infettive più piccole (generalmente non visibili con un microscopio ottico, per questo non si conoscevano prima: solo quando è stato scoperto il microscopio elettronico è iniziato il loro studio). I virus sono molto semplici: hanno degli acidi nucleici virali necessari per la replicazione, racchiusi in un guscio proteico con o senza un rivestimento lipidico esterno (envelope). I virus sono veri e propri parassiti, che richiedono un ospite per la replicazione. Le cellule che infettano e la risposta dell'ospite all'infezione dettano la natura della manifestazione clinica. L'infezione può portare sia a una rapida replicazione e distruzione della cellula o a una relazione cronica a lungo termine con possibile integrazione dell'informazione genetica virale nel genoma dell'ospite.

I batteri

I batteri sono organismi procarioti unicellulari semplici che si riproducono per via asessuata. La parete cellulare batterica è complessa, contiene una variabile quantità di peptidoglicano e una membrana esterna sovrastante. Alcuni batteri mancano della parete cellulare e compensano sopravvivendo solo all'interno delle cellule ospiti. Le dimensioni (da 1 a 20 µm o più grandi), la forma (sfere, bastoncini, spirali), e la disposizione spaziale (cellule singole, catene, gruppi) delle cellule batteriche sono utilizzate per la classificazione preliminare dei batteri, e le proprietà fenotipiche e genotipiche ne consentono poi la classificazione definitiva.

I funghi

I funghi, a differenza dei batteri, hanno una struttura cellulare più complessa. Questi sono organismi eucarioti che contengono un nucleo ben definito, mitocondri, corpi di Golgi e reticolo endoplasmatico. I funghi possono esistere sia in una forma unicellulare (lievito) che può replicarsi asessualmente, o in una forma filamentosa (muffa) che può replicarsi asessualmente e sessualmente.

I parassiti

I parassiti sono i microbi più complessi. Anche se tutti i parassiti siano classificati come eucarioti, alcuni sono unicellulari e altri sono multicellulari. Essi variano in dimensioni da minuscoli protozoi di 4 o 5 µm (come la malaria) di diametro (la dimensione di alcuni batteri), alle tenie, che possono misurare fino a 10 metri di lunghezza, e artropodi (insetti). I loro cicli vitali sono altrettanto complessi, con alcuni parassiti che stabiliscono un rapporto permanente con gli esseri umani e altri che passano attraverso diverse fasi di sviluppo in una serie di animali ospiti.

Il nostro rapporto con i microrganismi ha origini antiche: i batteri sono tra le prime forme di vita emerse sulla Terra, e il più recente antenato dei moderni batteri esisteva già 2-3 miliardi di anni fa. I primi vertebrati [~500 Ma (milioni di anni fa)] e i mammiferi (~200 Ma)] si sono evoluti in un mondo in cui già esistevano almeno un milione di batteri in ogni ml di acqua, decine di milioni in ogni grammo di terreno, e senza dubbio un numero simile di tutti gli altri tipi di microrganismi, sia nell'ambiente, che sulla loro pelle e nei loro intestini. Ci sono miliardi di microbi, più numerosi delle nostre stesse cellule, che vivono dentro e sopra di noi. Possono proteggerci dalla colonizzazione degli agenti patogeni, promuovere l'immunoregolazione e la tolleranza del nostro sistema immunitario, e digerire molti degli alimenti che noi, da soli, non potremmo.

Parti sterili del corpo umano

Solo poche parti del nostro corpo sono sterili:

• Sangue e alcuni altri fluidi:
  • Liquido cerebrospinale (CSF)
  • Liquido pleurico
  • Liquido peritoneale
  • Liquido pericardico
  • Liquido articolare
  • Liquido vitreo
• Ossa (tessuto osseo e midollo osseo)
• Linfonodi
• Organi solidi:
  • Cervello
  • Cuore
  • Fegato
  • Milza
  • Rene
  • Pancreas
  • Ovaie

Per l’uomo quindi era inevitabile crescere con i batteri: quindi l’evoluzione ha fatto sì che l’uomo traesse vantaggio dai batteri. Nel 1989, Strachan ha proposto l’Ipotesi dell’Igiene dopo aver osservato che la febbre da fieno (allergia) era meno comune tra i bambini con fratelli più grandi. I bambini che crescono in famiglie numerose possono sperimentare una maggiore esposizione ai microbi nella prima infanzia a causa dell'inevitabile contatto non igienico con i fratelli maggiori o l'esposizione prenatale dalla madre infettata da simili contatti non igienici. Tale maggiore esposizione microbica potrebbe proteggere i bambini dallo sviluppo di ipersensibilità immunitaria più tardi.

L’ipotesi di Strachan è stata ampliata da Graham Rook con l’ipotesi dei «vecchi amici»: “Ci siamo resi conto che gli esseri umani si sono coevoluti con tutta una serie di organismi, ed oggi probabilmente siamo stati privati di organismi da cui siamo dipendenti”. L'esposizione precoce e regolare a microrganismi innocui - "vecchi amici" presenti durante l'evoluzione umana e riconosciuti dal sistema immunitario umano - allena il sistema immunitario a reagire in modo appropriato alle minacce. Nei paesi sviluppati, l'esposizione dei bambini al mondo microbico è molto più circoscritta di una volta. La riduzione delle infezioni sta causando un malfunzionamento del sistema immunitario umano, in qualche modo? Dai grafici si può notare che i trend sono inversi. Quindi il preservare il nostro rapporto con i microrganismi è molto importante.

Il microbioma umano

Il microbioma umano è definito come il contenuto genomico degli organismi (microbiota) che abitano un sito particolare del corpo umano. Essi colonizzano vari siti anatomici del corpo come la pelle, le mucose, il tratto gastrointestinale, il tratto respiratorio, il tratto urogenitale e la ghiandola mammaria. Formano un ecosistema complesso e discreto che si adatta alle condizioni ambientali di ogni nicchia. Non si tratta solo di imparare cosa attaccare, ma di imparare cosa tollerare. Il problema arriva quando il nostro sistema immunitario incontra un allergene come il polline o le arachidi, e non sa che è innocuo.

Noi siamo per il 67.7% fatti da virus: i virus vi sono nel nostro corpo, nelle nostre cellule, e quindi sono entrati a far parte del nostro genoma. L’esempio più famoso di questo, sono le sincizine. Le sincizine sono delle fusioni di cellule della placenta che permette il passaggio di nutrienti al feto, questo perché il sangue materno e il sangue del feto non si mischino; queste sincizine sono di derivazione virale: derivano dai geni env retrovirali.

Propionibacterium acnes risiede naturalmente nella pelle, e contribuisce significativamente alla sua salute. Il Propionibacterium acnes è uno dei più potenti immunostimolanti aspecifici della pelle, quindi "educa" e innesca la risposta immunitaria innata. Questo serve per avere un mantenimento del pH della pelle. Il P. acnes idrolizza i trigliceridi presenti nel sebo, rilasciando acidi grassi liberi sulla pelle. Questi acidi grassi liberi contribuiscono al pH acido (~5) della superficie della pelle. Molti patogeni comuni, come lo Staphylococcus aureus e lo Streptococcus pyogenes, sono inibiti da un pH acido!

Microbiota e obesità

Lo studio del microbiota intestinale è partito da alcuni lavori. Una delle prime correlazioni fatte è stata tra il microbiota intestinale e obesità: numerosi studi scientifici hanno suggerito che il microbiota intestinale può svolgere un ruolo nello sviluppo dell'obesità. Il microbiota di esseri umani magri o obesi induce fenotipi simili nei topi, quindi il topo a cui è stato trapiantato il genoma del gemello obeso è diventato obeso, mentre l’altro è rimasto magro. Il microbiota di donatori magri può invadere e ridurre l'aumento di adiposità dei topi obesi, se questi sono alimentati con una dieta appropriata. Al contrario, il microbiota obeso non colonizza efficacemente i topi che ospitano il microbiota magro, e questi topi rimangono magri.

L'analisi delle comunità batteriche ha mostrato che i membri del phylum Bacteroidetes, in particolare Bacteroides spp, potrebbero passare dai topi magri e colonizzare i topi obesi, suggerendo che questi batteri erano in gran parte responsabili della protezione contro l'aumento dell'adiposità. Una dieta in stile occidentale che induce all'obesità, tipicamente a basso contenuto di fibre e ad alto contenuto calorico da zuccheri e grassi, seleziona un microbiota meno diversificato che estrae efficacemente l'energia da questi nutrienti (soprattutto Firmicutes). Al contrario, una dieta a base vegetale promuove l'arricchimento delle specie microbiche che fermentano efficacemente le fibre (Bacteroides). Oltre alle fibre alimentari, una fonte di energia alternativa per il microbiota è lo strato di muco ricco di glicoproteine che ricopre l'epitelio intestinale, e che normalmente costituisce la prima linea di difesa contro gli agenti patogeni invasori. Il consumo regolare di fibre alimentari aiuta a prevenire l'erosione della barriera di muco intestinale da parte del microbioma intestinale, riducendo la frequenza di infezioni.

Disbiosi

Quando questo equilibrio si rompe, abbiamo quella che si chiama disbiosi: modificazione 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. La presenza di P. aeruginosa in verdure, la presenza nei succhi di frutta di Candida albicans, C. tropicalis e la Torulopsis glabrata
• Terapia antibiotica: interferisce sul processo di adesione (riduce espressione di adesine). Seleziona ceppi antibiotico-resistenti e 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), per esempio l’Orthomyxovirus riduce attività ciliare dell’epitelio vibratile

La disbiosi intestinale è stata collegata a un'ampia varietà di malattie. I probiotici sono diventati uno strumento per contrastare la "disbiosi" sostituendo la microflora nociva con microrganismi benefici. I trapianti di feci sono utilizzati per migliorare il microbiota, in una varietà di malattie.

• La materia fecale del donatore viene mescolata con una soluzione salina e filtrata attraverso un setaccio metallico per ottenere una soluzione liquida omogenea.
• Il microbiota fecale elaborato viene trapiantato tramite un tubo duodenale o una colonscopia.
• Dati rappresentativi che mostrano un aumento della diversità metagenomica in seguito a trapianto da donatore magro a ricevente obeso.

I patogeni

Non tutti i microrganismi o le infezioni causano malattie; tuttavia, alcuni causano sempre malattie.

Classificazione

• Patogeni veri (o franchi): producono sempre una malattia in ospiti sani non richiedono alcun fattore predisponente. Esempi: 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. Per esempio: Pseudomonas spp, S. aureus, S. maltophilia, funghi, miceti

Classificazione in base alla natura dell’ospite

• Patogeni extracellulari: causano malattia crescendo esclusivamente al di fuori delle cellule dell’ospite. Vengono generalmente uccisi dai fagociti dell’ospite (se batteri)
• 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.
• Patogeni intracellulari obbligati: a riproduzione esclusivamente intracellulare (chlamydie, rickettsie, virus). Parassitano la mucosa genitale e respiratoria, i monociti e i granulociti. Virulenza multifattoriale
• Patogeni tossigenici: causano la malattia primariamente attraverso la produzione di esotossine.

Abbiamo una classificazione anche in base alla natura dell’ospite:

• Patogeni a circolazione esclusivamente umana (se, per esempio, vacciniamo tutte le persone, il virus viene debellato):
  • Infezioni esogene: trasmesse dall’ospite malato/portatore a quello sano.
  • Infezioni endogene: migrazione di flora commensale (E. coli e Candida albicans dall’intestino alle vie urinarie). Diminuzione difese locali con dismicrobismo (stafilococchi e clostridi intestinali)
• Patogeni circolanti in varie specie animali: causano zoonosi (trasmissione dall’animale all’uomo): Campylobacter spp, Salmonella spp, Tenia (trasmessi mediante alimenti contaminati). Il microrganismo non è adattato all’uomo e può causare gravi malattie (Yersinia pestis: peste, Bacillus anthracis: carbonchio, SARS-CoV-2: COVID-19, SIV)

Patogenesi

Quando parliamo di patogenesi, ci riferiamo alla:

• Patogenicità
• Virulenza
• Stabilità

La patogenicità è 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.

La virulenza è la misura quantitativa della patogenicità. La virulenza è l’insieme delle 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

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

• Invasività: capacità di proliferare nei tessuti raggiungendo concentrazioni così elevate da inibire le funzioni dell’ospite
• Tossigenicità: capacità di produrre tossine, molecole in grado di danneggiare l’ospite

Il livello (grado) di virulenza è determinato da:

• Numero di batteri/virus/parassiti infettanti (dose)
• Presenza di difese specifiche e non specifiche dell’ospite (sensibilità dell’ospite)