Microbiologia e profilassi delle malattie infettive

Microbiologia e profilassi delle malattie infettive A.A. 2022-2023

1 Microbiologia e Profilassi delle Malattie Infettive

Indice

• Microbiologia – Introduzione ..................................................................................2
• Principi di immunologia ...............................................................................................4
• Batteriologia ................................................................................................................. 15
• Virologia .......................................................................................................................... 26
• Micologia generale .................................................................................................... 33
• Crescita e metabolismo dei batteri ..................................................................... 35
• Procedure per lo studio dei microrganismi ................................................... 40
• Genetica batterica ...................................................................................................... 47
• Cenni di regolazione dell’espressione genica nei batteri .................................................. 49
• Modificazioni genotipo nei batteri .................................................................................... 52
• Trasferimento genico tra batteri ....................................................................................... 53
• Antimicrobici .................................................................................................................. 57
• Antimicrobici che inibiscono la sintesi della parete ......................................................... 62
• Antimicrobici che inibiscono la sintesi proteica ............................................................... 65
• Antimicrobici che inibiscono la sintesi degli acidi nucleici .............................................. 66
• Antimicrobici che inibiscono la sintesi dell’acido folico ................................................... 67
• Antibiotico resistenza ........................................................................................................ 67
• Farmaci antivirali ....................................................................................................... 69
• Rapporto microrganismi e organismi pluricellulari ............................... 73
• Meccanismi della patogenesi da Virus .............................................................................. 93
• Saggi microbiologici previsti dalla Farmacopea Ufficiale ..................... 98
• Patogeni vie respiratorie ...................................................................................... 105
• Patogeni tratto gastrointestinale .................................................................... 128
• Patogeni cute ............................................................................................................... 142
• Virus erpetici umani .................................................................................................. 150
• HIV ...................................................................................................................................... 156
• Patogeni apparato genito-urinario .................................................................. 162
• Vaccini .............................................................................................................................. 171
• Epidemiologia generale ......................................................................................... 185
• Approfondimento: disbiosi e microbiota ........................................................... 189

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2 Microbiologia e Profilassi delle Malattie Infettive

Microbiologia – introduzione

La microbiologia è lo studio di microrganismi. Come suggerito dal nome si tratta di organismi molto piccoli, non visibili ad occhio nudo, molto semplice dal punto di vista della loro organizzazione. Solitamente si tratta di organismi unicellulari, ma anche di organismi con organizzazioni più semplici come proteine infettive (es. prioni) o strutture acellulari (es. virus).

In alcuni casi questi organismi microscopici unicellulari si aggregano formando aggregati pluricellulari talora vivendo anche in comunità complesse, come i funghi che formano degli ammassi cellulari senza però una differenziazione in tessuti che identifica gli organismi più complessi.

Habitat microrganismi

I microrganismi sono caratterizzati da una grande capacità di adattamento infatti si possono trovare ovunque, anche negli habitat più estremi. Una prova è data dal fatto che viviamo in simbiosi con una componente microbica importante. Il nostro organismo presenta molti ambienti diversi nei quali si formano comunità microbiche differenti.

Impatto microrganismi sulle attività umane

Questi microorganismi hanno peraltro un impatto enorme sulle attività umane per cui il loro studio è applicato in moltissimi ambiti. In primis si ha l’ambito della medicina umana e veterinaria che studia i microbi come causa di patologie, e l’immunologia. Vi sono inoltre applicazioni in ambito agricolo in quanto dei microrganismi sono responsabili di danni alle piante. I microrganismi risultano estremamente importanti anche nell’ambito alimentare, dove sono utilizzati per la preparazione di alimenti. Alcuni esempi sono dati dalla fermentazione come nel caso di vino, birra, latte, yogurt e formaggi.

L’applicazione della microbiologia in ambito medico ha portato ad un grande impatto, verificabile dalla variazione della classifica delle principali cause di morte dal 1900 agli anni 2000. Negli USA nel 1900 le prime cause di morte erano malattie infettive, in particolare ai primi tre posti vi erano: influenze e polmoniti, tubercolosi e gastroenteriti. Oggi le prime cause di morte sono invece malattie degenerative o neoplastiche: malattie cardiache, cancro e ictus. Questo sostanziale cambiamento è dovuto a vari fattori: in primis alle scoperte fornite dai microbiologi per il miglioramento della terapia (antibiotici e antivirali) e la disponibilità di vaccini. La disponibilità di conoscenze sulle modalità di trasmissione di patogeni che consentono inoltre di introdurre delle opportune politiche di sanità pubblica e quindi di bloccare le catene di trasmissione dei patogeni. Di grande importanza è anche il miglioramento della qualità di vita e dell’alimentazione: abitazioni più calde, cibo più salubre e nutriente che hanno contribuito al cambiamento sostanziale di questa situazione.

Nei paesi in via di sviluppo si ha un quadro completamente diverso infatti le cause di morte tra 1900 e 2000 sono rimaste praticamente invariate. Tuttora le prime cause di morte sono ancora malattie infettive respiratorie, malattie diarroiche e l’AIDS. Questo è dovuto al fatto che in questi paesi le condizioni favorevoli al controllo delle malattie infettive quali farmaci, vaccinazione e politiche di sanità pubblica non vengono introdotti e quindi le cause di morte sono sostanzialmente rimaste invariate nell’ultimo secolo.

Attualmente a livello mondiale, circa 15 milioni delle 57 milioni di morti (>25%) per anno sono direttamente dovute alle malattie infettive. Questi morti sono soprattutto localizzati nei paesi poveri.

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Microbi come cause di malattie

I patogeni non sono sempre gli stessi ma cambiano nel corso degli anni e dei mesi, come dimostrato dal covid-19 e dall’HIV. In entrambi i casi si tratta di virus animali che si sono adattati all’uomo dando così origine a pandemie tuttora in corso. Nel caso dell’HIV è stato possibile elaborare farmaci antivirali permettendo di passare da una fase iniziale dell’epidemia durante la quale la mortalità era altissima e sicura nel giro di pochi anni dalla comparsa della sintomatologia ad una condizione attuale in cui sostanzialmente l’infezione nei paesi ricchi viene controllata e resa cronica grazie all’utilizzo di importanti farmaci.

La grande capacità di adattamento dei microorganismi sta anche alla base del problema della bioresistenza: il numero e la capacità di batteri antibiotico-resistenti di resistere agli antibiotici sta diventando sempre più pericolosa e fonte di preoccupazione perché emergono sempre con maggiore frequenza ceppi batterici che sono diventati insensibili a tutti gli antibiotici a nostra disposizione.

La maggior parte dei microbi non sono di per sé nocivi per l’uomo ma anzi sono funzionali allo stato di benessere dell’individuo, infatti, come accennato prima, l’uomo convive con un’enorme quantità di microrganismi.

Tappe microbiologia

I padri fondatori della microbiologia sono Pasteur e Koch che hanno posto le basi dello studio scientifico dei microrganismi facendo una serie di osservazioni e di scoperte che sono ancora oggi considerate fondamentali per tutta la microbiologia. I primi anni del ‘900 sono un susseguirsi di scoperte in ambito microbiologico: un momento cruciale nella storia dell’umanità fu la scoperta degli antibiotici ad opera di Fleming che negli anni ’40 scoprì per primo la penicillina. Nei 20-30 anni successivi sono stati introdotti innumerevoli molecole ad attività antibiotica tanto è vero che a partire dagli anni ’60 le malattie infettive provocate da batteri sono state considerate un qualcosa di curabile di non più causa di morte. Gli anni successivi sono stati caratterizzati dalle scoperte del codice genetico e della sua interpretazione e dall’introduzione di tecnologie che ci consentissero di sequenziare il materiale genetico, permettendo di entrare nell’era della microbiologia molecolare.

Scoperte di Pasteur e Koch

La prima scoperta fondamentale per la microbiologia fu quella di Pasteur che, grazie all’esperimento con la fiasca a collo di cigno, dimostrò gli organismi viventi non si generavano spontaneamente dalla materia organica come si credeva all’epoca. L’esperimento consiste nel porre del liquido non sterile in una beuta e piegare il collo della beuta in modo tale che polvere e microrganismi provenienti dall’esterno restino intrappolati nel tratto curvo e successivamente sterilizzare il liquido per riscaldamento. In questo modo riusciva a dimostrare che il materiale del terreno di cultura all’interno della fiasca non dava origine alla crescita di microorganismi perché tutti quelli che erano presenti in precedenza erano stati eliminati e la soluzione quindi poteva rimanere sterile per mesi o per anni. Se invece il terreno di coltura veniva posto a contatto con l’ambiente esterno, facendolo scivolare lungo il collo arrivando alla curva dove erano presenti i microorganismi presenti nell’aria, si contaminava in breve tempo e evidentemente si generavano dei microorganismi che non erano presenti originariamente nel terreno (erano stati eliminati con il riscaldamento).

L’altra scoperta fondamentale fu di Koch che correlò in maniera molto specifica un microrganismo con una determinata patologia. Egli elaborò i postulati di Koch ovvero una sequenza di eventi sperimentali che bisognava seguire per determinare che un microrganismo era causa di un quadro morboso di una determinata patologia. Per prima cosa bisogna isolare dall’animale malato il microrganismo e coltivarlo in forma pura. Questo microrganismo se inoculato in un altro animale sano deve essere in grado di provocare la stessa malattia e deve poter essere isolato nuovamente in modo da poter dimostrare l’identità con l’originale. Oggi sappiamo che con i postulati di Koch non possiamo spiegare tutte le patologie causate da microorganismi perché in alcuni casi intervengono meccanismi di natura immunitaria ma che sono specifici dell’essere umano e che non riusciamo a riprodurre in animali da esperimento.

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Principi di immunologia

L’immunologia è lo studio del sistema immunitario e del suo funzionamento. In particolare studia gli eventi cellulari e molecolari che si verificano quando l’organismo (ospite) entra in contatto con agenti estranei, in particolare con agenti infettivi (patogeni e non). Questa scienza è nata negli anni ’80 in seguito all’epidemia da HIV, virus che colpisce i linfociti T helper, necessari per il sistema immunitario. La gente che contraeva HIV non moriva per l’effetto diretto del virus ma per il fatto che contraevano numerose infezioni, causate da microbi presenti nel nostro organismo che nei soggetti sani vengono tenuti a bada dal sistema immunitario.

Il sistema immunitario è l’insieme di cellule, tessuti e molecole che partecipano a prevenire le infezioni ed eradicarle una volta che esse si siano stabilite nell’ospite, ovvero prevenire lo sviluppo di neoplasie.

Con il termine risposta immunitaria si intende la sequenza di reazioni che si verificano a seguito dell’incontro delle componenti del sistema immunitario con gli antigeni espressi dagli agenti infettivi (o cellule trasformate) quali batteri, virus o funghi. Una volta attivata una risposta immunitaria si sviluppa l’immunità nei confronti di quell’agente infettivo o di quelle cellule trasformate, che consente eventualmente di eradicare un agente infettivo o di eliminare cellule tumorali.

Quando un agente estraneo, come un microrganismo o cellule tumorali, viene riconosciuto come tale dal sistema immunitario viene digerito dalle cellule APC (macrofagi) che poi espongono sulla loro superficie dei componenti dell’antigene presentandole alle cellule immunocompetenti. Si formano così linfociti T specifici. Con il termine antigene si intende quindi una porzione del patogeno riconosciuta dal sistema immunitario come estranea, il cui riconoscimento attiva la risposta immunitaria. Dal punto di vista chimico un antigene può essere una proteina, un oligosaccaride, un polisaccaride, generalmente con un’efficienza differente. Si possono trovare svariati tipi di antigene nei microrganismi: nei batteri si trovano antigeni come LPS, peptidoglicani, capsula, flagelli e tossine, nei virus sono tipicamente le proteine del capside e pericapside. Nell’antigene si distingue l’epitopo ovvero la porzione dell’antigene (microbico o non microbico) riconosciuta in maniera specifica dai linfociti.

Importanza sistema immunitario

L’importanza del sistema immunitario e del suo corretto funzionamento per la salute dell’individuo è evidenziata da:

• Soggetti con difetti a carico della risposta immunitaria → Sono esposti a infezioni gravi e talvolta mortali. Questi soggetti sono inoltre predisposti a sviluppare neoplasie con maggiore frequenza. Cause di difetti del sistema immunitario sono le immunodeficienze, congenite o acquisite. Le immunodeficienze congenite, note anche come immunodeficienze primarie, sono alterazioni genetiche (incidenza 1/500 individui) come immunodeficienze gravi combinate (SCID), mancata maturazione di linfociti, agammaglobulinemia, mancata formazione di anticorpi. Le immunodeficienze acquisite sono note anche come immunodeficienze secondarie in quanto sono secondarie a farmaci immunosoppressivi o patologie. Un esempio è dato dall’AIDS (sindrome da immunodeficienza acquisita) causata dal virus HIV (virus dell’immunodeficienza umana). Le immunodeficienze acquisite più comuni sono tuttavia quelle che si associano al diabete, fisiologicamente all’invecchiamento o alla denutrizione.
• Stimolazione della risposta immunitaria contro i patogeni mediante vaccinazione che si è dimostrato essere il sistema più efficace per proteggere l’individuo dalle infezioni.

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5 Microbiologia e Profilassi delle Malattie Infettive

N.B. Il sistema immunitario non è importante solo nella difesa contro le malattie infettive ma anche nel caso di trapianti d’organo, immuno-sorveglianza contro le cellule neoplastiche e insorgenza di malattie allergiche e auto-immuni.

Organizzazione sistema immunitario

Il sistema immunitario può essere diviso in due componenti che svolgono un ruolo essenziale e collaborano tra loro in modo da funzionare in maniera ottimale. Queste due componenti sono:

• Sistema immunitario innato (o naturale) → È sempre attivo per cui risponde in maniera rapida ad antigeni, riconoscendo fattori comuni a tutti i microbi. La risposta data da questa componente del sistema immunitario è rapida poiché non è necessaria una interazione tra cellule. Tuttavia la risposta messa in atto è sempre uguale cioè non è modulabile né può essere cambiata a seguito della prima, seconda, terza esposizione. Il sistema immunitario innato media quindi una protezione iniziale contro i patogeni;
• Sistema immunitario adattativo (o acquisito) → La risposta immunitaria adattativa richiede l’interazione di cellule per cui sarà più lenta rispetto alla risposta immunitaria innata (2 gg). Questo comporta anche la creazione di una memoria immunitaria: la risposta sarà più energica alle esposizioni successive. Questa componente del sistema immunitario origina dunque una risposta specifica (attivato da specifici epitopi) e dunque più efficace.

Questa differente tipologia di risposta poggia su strutture cellulari e meccanismi di segnale molto differenti. Nell’immunità innata si ha un’azione in cui agiscono sia cellule epiteliali, sia macrofagi, sia cellule dendritiche. Queste agiscono nell’ordine di poche ore, quasi da subito, nel momento in cui viene esposto il microrganismo dell’individuo. L’immunità specifica adattativa si basa essenzialmente su due tipi di cellule ovvero i linfociti B e T: i primi producono gli anticorpi, mentre i secondi producono le cellule T effettrici. La produzione di queste cellule richiede un intervallo di tempo tra la prima esposizione e la prima risposta di alcuni giorni (2 gg). Questo intervallo si riduce in maniera significativa alle esposizioni successive perché si stabilisce il fenomeno della memoria