Microbiologia e microbiologia clinica - parte 1

Argomenti del corso

• Il mondo microbico
• Microscopia
• Struttura della cellula batterica (approfondita)
• Metabolismo energetico, sviluppo microbico, terreni di coltura
• Genetica e fenomeni di trasferimento genico
• Disinfezione e antisepsi, sterilizzazione
• Farmaci ad azione antibatterica, fenomeni di resistenza agli antibiotici e chemioterapici
• Cenni di classificazione batterica. I principali generi di importanza per l’uomo. Eubatteri tipici.
• I virus. Chemioterapia antivirale
• Rapporti ospite-parassita, processo infettivo, fattori di violenza, tossine batteriche
• Meccanismi di difesa dell’ospite. Immunità naturale, immunità acquisita. Vaccini, sieri immuni e immunoglobuline.
• Aspetti microbiologici di prodotti ad azione farmaceutica

Testo: microbiologia farmaceutica: N. Carlone, Pompei, Tullio. Edises.

Microbiologia farmaceutica

Microbiologia significa studio dei microrganismi, cioè tutti quegli esseri viventi che, essendo microbi, non possono essere osservati a occhio nudo. È importante conoscerli perché sono impiegati in mille aspetti della vita quotidiana, però molti sono responsabili anche di malattie, in particolare malattie infettive.

Tassi di mortalità degli USA nei primi ‘900

Si moriva in particolare per influenza e polmonite, poi tubercolosi, gastroenterite, malattie cardiache, infarto, malattie renali, incidenti, cancro, malattie infantili, difterite. Queste evidenziate sono tutte malattie causate da microrganismi.

In un secolo le conoscenze sui microrganismi sono migliorate e questo ci ha consentito di attuare delle cure preventive, antibiotici e microterapici in maniera tale da diminuire la mortalità delle malattie determinate da microrganismi. Tuttavia la polmonite rappresenta ancora la prima causa di morte a causa di microrganismi.

Nuovi patogeni

Sono stati scoperti dei nuovi microrganismi, cioè i nuovi patogeni emergenti. Ciò non significa che prima non esistevano, ma sono stati scoperti in epoca più recente. Esempi:

• Helicobacter pylori, il responsabile delle ulcere gastriche
• Pneumocystis carinii, un microrganismo responsabile di infezione in tutti gli uomini, tuttavia non determina malattie gravi su chi ha un buon sistema immunitario, mentre chi ha le difese immunitarie alterate come con l’AIDS, allora sviluppava polmoniti e può essere mortale.
• Virus dell’Ebola
• Virus dell’epatite C
• Virus epatite E
• Virus dell’immunodeficienza acquisita (HIV), scoperto in seguito alla comparsa della patologia.
• Herpes virus umano tipo 6 e 8
• SARS Covid-19

Perciò possiamo dire che il mondo microbico è in continua evoluzione, cambia sempre in quanto è molto probabile che si verifichino dei salti di specie, cioè microrganismi che prima infettavano alcuni animali e non altri saltano di specie e vanno ad infettarle.

Virus epatite C

È stato scoperto nel 1989, è estremamente importante perché determina il 20% delle epatiti acute, e negli USA determina 8000-10000 morti all’anno. È il responsabile di oltre 1000 trapianti di fegato.

Patogeni ri-emergenti

Sono quei microrganismi che, con cadenza ciclica, determinano delle epidemie o delle infezioni. Alcuni esempi:

• Escherichia coli
• Mycobacterium tuberculosis. In questo caso il fatto che fosse passata l’epidemia ha portato un allentamento delle misure di controllo, un rallentamento della ricerca nella prevenzione e nella ricerca di farmaci.
• Virus dell’influenza
• Enterovirus

L’influenza è un virus che predispone a delle co-infezioni determinate da altri microrganismi patogeni, determina circa 50.000 morti all’anno. L’influenza aviaria, cioè un’influenza che proviene dai volatili, nell’uomo si verificò per la prima volta nel 1990 ad Hong Kong.

Circa 500 milioni di infetti di plasmodio della malaria causano milioni di morti all’anno.

Principali obiettivi della ricerca in microbiologia

• Prima di tutto il sequenziamento del genoma di microrganismi patogeni in maniera tale che ci permetta di individuare nuove cure.
• Individuazione di nuovi farmaci e vaccini più efficaci contro il virus dell’influenza, estremamente importante perché predispone l’individuo a dei batteri che possono causare polmonite. È un virus che muta enormemente, per cui ogni anno abbiamo un’epidemia che è sostenuta da ceppi diversi rispetto a quelli degli anni precedenti.
• Studi clinici per la valutazione dell’efficacia di vaccini contro HIV, tuttavia ancora non si è riusciti a ottenere un vaccino perché questi microrganismi variano continuamente.
• Studio e monitoraggi di emergenti patogeni.

Cenni storici

Non esiste il padre della microbiologia, ma Anton Von Leeuwenhoek, nel 1674, che non era un microbiologo ma aveva la passione delle lenti aveva creato un oggetto con la sovrapposizione di numerose lenti ottenendo un ingrandimento di 200/300 volte, che non è poco considerando che al giorno d’oggi i microscopi ottici arrivano ai 1000 ingrandimenti, per cui questo strumento per quell’epoca era piuttosto interessante. Inoltre attraverso quest’oggetto aveva notato che analizzando dei liquidi, pozzanghere, saliva, urina, erano presenti degli animaletti vivi, cioè dei microrganismi.

Su questo egli scrisse un “articolo” che spedì ad un organismo scientifico molto prestigioso a Londra, il Royal Society, ma fu scartato dagli scienziati in quanto questi ultimi si ritenevano troppo “per bene” per avere al loro interno degli animaletti vivi.

Inoltre in quest’epoca c’erano numerose credenze riguardo la germinazione spontanea, ovvero che gli animali si sviluppassero dal letame oppure dalla biancheria sporca (Von Helmont).

Molto tempo dopo Louis Pasteur fu il primo a sconfessare la germinazione spontanea e convinse la comunità scientifica attraverso degli oggetti particolari che erano dei veri e propri terreni di coltura, terreni in cui eventualmente dei microorganismi possono crescere e fin quando rimarrà chiuso non succederà niente, rimarrà sterile, ma nel momento in cui si apre l’oggetto, il terreno viene contaminato. Vedeva gli steptococchi, oppure degli ammassi irregolari, delle singole cellule con estremità a punta o più arrotondata.

Intorno al XIX secolo riusciamo a convincere tutti che la germinazione spontanea non esiste, grazie a Spallanzani, Pasteur.

Nel 1798 Edward Jenner introduce una vaccinazione antivaiolosa: aveva visto che le donne che erano addette alla mungitura delle mucche sviluppavano una forma di vaiolo cutaneo molto più leggera e non si ammalavano di vaiolo convenzionale e non morivano. Per cui ipotizza che queste donne potessero essere infettate da un virus del vaiolo umano, quindi prende il materiale che si trova all’interno di queste pustole, lo fa essiccare, cioè lo attenua e poi questo materiale che otteneva lo usava per immunizzare. Sta di fatto che introduce un concetto importante, cioè l’immunizzazione passiva per la prevenzione delle malattie infettive. Il nome vaccinazione deriva dal fatto che il virus del vaiolo che aveva utilizzato era di derivazione vaccina.

Dal 1980 il vaiolo è stato classificato come estinto dall’OMS, in quanto tutti gli individui essendosi vaccinati non venivano più infettati dal virus che quindi si è estinto.

Agostino Bassi, nel 1835 introduce un concetto importante, cioè il fungo come causa di malattia nei bachi da seta: è il primo che mette in correlazione un microrganismo con una malattia.

Le malattie di infezione possono essere trasmesse da un individuo all’altro e il primo che l’ha ipotizzato è stato Ignazio Semmelweis nel 1850, il quale disse che la febbre nei ragazzi veniva trasmessa dal medico il quale aveva visitato un altro paziente con la febbre.

Louis Pasteur, che era un microbiologo a 360°, si occupava di fermentazioni microbiche, controllo nella conservazione da microrganismi, cioè aveva visto che scaldando il vino poteva conservarlo, e inoltre creò un vaccino contro la rabbia.

Lister: introdusse il fenolo come disinfettante nel 1867.

Koch era un medico che si occupava di microbiologia, è colui che ha isolato gli agenti responsabili del carbonchio, tubercolosi e colera. È importante perché ha stilato 4 postulati che ci dicono come facciamo a sapere se quel microrganismo causa quella determinata patologia. Ci dice che:

1. Lo stesso microrganismo deve essere isolato in tutti i casi di una data malattia.
2. Il microrganismo deve poter essere indotto a crescere in colture pure.
3. Il microrganismo isolato da una coltura pura deve riprodurre la malattia quando viene inoculato in animali sensibili.
4. Il microrganismo deve essere re-isolato dagli animali infettati sperimentalmente.

Se questi quattro postulati vengono soddisfatti siamo sicuri che quel microrganismo causa quella malattia.

Divisioni della microbiologia

I microrganismi hanno moltissime applicazioni nella vita umana:

• Microbiologia medica, dove si parla di microrganismi responsabili di una malattia.
• Microbiologia agraria, dove si parla di microrganismi presenti nel suolo, si parla di microbiologia veterinaria ma anche microbiologia delle piante.
• Microbiologia degli alimenti, significa che i microrganismi possono essere utilizzati per la preparazione di alimenti ma allo stesso tempo possono essere responsabili di contaminazioni di alimenti.
• Microbiologia industriale, cioè molti microrganismi sono utilizzati per la produzione di sostanze chimiche organiche, si parla anche di scarichi fognari.
• Microbiologia genetica, cioè quella che ci consente di modificare geneticamente i microrganismi per insegnarli a produrre proteine o altre sostanze che è difficile ottenere in altro modo.

Microbiologia farmaceutica

• Dei vaccini che vengono impiegati e che vengono ottenuti tramite tecniche di DNA ricombinato tramite microrganismi.
• Vengono prodotti e dosati dai microrganismi anche gli antibiotici.
• Possiamo valutare l’attività mutagena, in grado di mutare, di diverse sostanze con microrganismi.
• Posso utilizzare i microrganismi per titolare le vitamine.

8/03

Abbiamo visto che la microbiologia si occupa dello studio degli organismi di dimensioni microscopiche.

La microbiologia si differenzia in diverse branche in quanto sono diverse le entità che la compongono e ciascuna di esse è oggetto di studio: batteri, miceli, funghi, fiori, virus.

Branche

Batteriologia che è il cuore della microbiologia che si occupa dello studio dei batteri.

• Micologia, studio dei miceti, lieviti (unicellulari) e funghi (pluricellulari).
• Protozoologia, studia i protozoi ovvero i protisti responsabili delle malattie infettive.
• Parassitologia, studio dei parassiti multicellulari che originano da una cellula che rappresenta l’agente infettante ed è responsabile della loro disseminazione. Per dimensioni non sono veri e propri organismi microscopici ma rientrano in questa categoria perché l’agente infettante è una subunità microscopica.

Virologia.

• Immunologia che ormai è una scienza a sé che si occupa dello studio delle modalità con cui l’organismo reagisce quando veniamo in contatto con un agente esterno, quindi coinvolge tutti gli organismi nel complesso.

1. I batteri tipici si chiamano Eubatteri, che analizzeremo in seguito con maggiore attenzione.
2. Esistono anche altri tipi di batteri come gli Archebatteri che come dice il nome sono batteri che hanno avuto un’evoluzione inferiore, ma sono sicuramente i primi organismi comparsi sulla faccia della terra, qui troviamo i metano batteri, importanti dal punto di vista ambientale perché sono in grado di rendere organico il carbonio inorganico, abbiamo poi gli alofili estremi in grado di sopportare concentrazioni osmotiche molto elevate e infine i termoacidofili che gradiscono temperature elevate, pH molto bassi, acidi.

Presentano differenze nelle sequenze di rRNA rispetto agli eubatteri. Hanno la parete cellulare priva di acido muramico, lipidi di membrana contenenti catene di etere glicemico intorno, cofattori enzimatici particolari.

3. Abbiamo infine i Cianobatteri dove troviamo le alghe verdi e le alghe blu, questi sono microorganismi che hanno un metabolismo che è riconducibile a quello delle piante perché dispongono di clorofilla in queste lamelle fotosintetiche che prendono il nome di tilacoidi, inoltre molti cianobatteri sono azoto fissatori quindi sono in grado di convertire l’azoto molecolare in azoto ammoniacale.

Queste tre classi di batteri fanno parte dei protisti inferiori (procarioti), in essi il materiale nucleare è costituito da un unico cromosoma e non è delimitato da una membrana nucleare quindi il materiale nucleare è distribuito all’interno della cellula, invece tra i protisti superiori (eucarioti), che posseggono strutture ed organuli riportabili a quelli delle cellule superiori sono dotati di un nucleo ben delimitato da membrane nucleari e dispongono di due o più cromosomi, individuiamo le alghe, protozoi e funghi.

Quindi con microorganismi, intendiamo strutture acellulari, strutture procariotiche e strutture eucariotiche.

Gli eucarioti possono essere sia macro che micro organismi.

I procarioti sono tutti microorganismi.

Le strutture acellulari interessano per lo più i virus, viroidi e prioni e mancano di strutture cellulari.

Per quanto riguarda i funghi alcuni sono macro organismi ma la maggior parte sono microorganismi.

Quando parliamo di cellule eucariotiche e procariotiche facciamo riferimento al nucleo come principale differenza ma questa non è chiaramente l’unica.

Ad esempio la cellula epatica è una cellula eucariotica dove troviamo la membrana nucleare che circonda il nucleo, abbiamo poi a livello della membrana dei pori, mentre a livello del citoplasma abbiamo una serie di organelli.

Una cellula batterica non è così strutturata e compartimentalizzata come una cellula eucariotica, abbiamo all’esterno una struttura rigida che è la parete cellulare che va a circondare la membrana citoplasmatica (non è la struttura più esterna della cellula, quella nelle cellule batteriche è la parete cellulare), all’interno troviamo poi il citoplasma con il nucleoide, infine abbiamo i ribosomi che determinano la granulosità, ricordiamo che tutti gli organelli che troviamo nella cellula eucariotica non li troveremo in quella procariotica.

Differenze tra cellula eucariotica e cellula procariotica

In sostanza nella cellula procariotica non troviamo tutta quella compartimentazione che troviamo nella cellula eucariotica.

Essendo la cellula batterica una cellula molto semplice, poco evoluta, questo ci fa ritenere che i batteri, ma soprattutto gli archeobatteri possano rappresentare l’antenato universale, ovvero quella cellula da cui si sono sviluppati successivamente tutte le altre tipi di cellule più evolute e differenziate.

I microrganismi responsabili delle malattie infettive sono praticamente tutti, anche se alcune malattie sono determinate da specifici microrganismi.

Varicella, raffreddore sono di origine virale, così come i diversi tipi di herpes.

La diarrea ad esempio invece può essere sia di origine batterica ma anche virale.

La meningite proviene da eziologia virale o batterica.

Le malattie della pelle possono essere causate da batteri, funghi ma anche virus.

Il mal di gola con le placche è di eziologia batterica.

Le infezioni urinarie da funghi, quelle vaginali da funghi ma anche da batteri.

Questo per dire che la stessa malattia può essere determinata da fattori differenti.

In batteri, funghi e protozoi abbiamo contemporaneamente DNA e RNA.

Nei virus solo uno dei due, un solo acido nucleico.

Per quanto riguarda la replicazione e duplicazione i batteri sono capaci di replicarsi autonomamente per scissione binaria semplice, per cui si replicano all’esterno di cellule ospite a differenza dei virus che sono dei parassiti endocellulari obbligati per cui hanno sempre bisogno di una cellula ospite in cui replicarsi.

I vari microrganismi si nominano attraverso una nomenclatura binaria costituita da due termini: il primo è il genere e il secondo è la specie.

Staphylococcus aureus (oppure S. aureus, valido per tutti i generi: puntato sempre maiuscolo seguito dalla specie). È molto più piccolo di una candida.

Staphylococcus epidermidis (condividono alcune caratteristiche ma vanno comunque distinti, stesso genere ma specie differenti).

Proteus mirabilis.

Proteus.