Microbiologia, microbiologia clinica e virologia

Microbiologia

La microbiologia è la scienza che studia i microrganismi, al microscopio ottico.

Microrganismi

Microrganismi: organismi unicellulari con dimensioni molto piccole che appartengono al regno dei protisti, che si dividono in:

• Protisti superiori: (struttura eucariotica)
  • Alghe
  • Funghi
  • Protozoi
• Protisti inferiori: (struttura procariotica)
  • Batteri e microrganismi affini

Le unità di misura per i microrganismi sono:

• Il micron (μ) (1 micron = 10^-3 mm: millesima parte di un mm);
• Il millimicron (10^-6 mm: milionesima parte di un mm)
• L’Ångström (Å) è un’unità ancora più piccola.

Contaminazione, colonizzazione e infezione

Contaminazione: presenza transitoria di un germe in un ospite. (Si riduce con un semplice lavaggio sociale).

Colonizzazione: presenza di un germe in attiva moltiplicazione, senza manifestazioni cliniche (non danno).

Infezione o malattia infettiva: danno clinicamente rilevabile, con sintomi.

L'infezione (malattia!) di un distretto anatomico è l'espressione dell'alterazione dello stato di equilibrio tra microrganismo e macroorganismo, per variabili relative all'agente patogeno e/o all'ospite.

Questo disequilibrio può avvenire per:

Variabili relative al microrganismo

Patogenicità: capacità del microrganismo di dare malattia. È un attributo delle singole specie microbiche (es. Vibrio cholerae: vibrione del colera). I microrganismi, secondo il criterio della patogenicità, possono essere suddivisi in:

• Simbionti: i microrganismi simbionti instaurano con l’organismo ospite un rapporto di reciproco vantaggio. Entrambi traggono beneficio, ad esempio attraverso lo scambio di sostanze metaboliche. Un esempio è la flora batterica intestinale (flora endogena), che aiuta nella sintesi di alcune vitamine, come la vitamina K, e contribuisce a impedire l’insediamento di microrganismi patogeni.
• Commensali: i microrganismi commensali vivono e si moltiplicano nell’organismo ospite senza causare danni né fornire benefici evidenti. Essi utilizzano le sostanze presenti nell’organismo per sopravvivere. Un esempio sono alcuni batteri della pelle, come Staphylococcus epidermidis, che partecipano alla degradazione del sebo cutaneo e nel catabolismo degli acidi grassi degli strati superficiali della cute e sono causa della produzione di odori, di grande importanza, negli animali, nel richiamo sessuale e nell'accoppiamento (richiamo dei feromoni).
• Parassiti: (veri patogeni) i microrganismi parassiti vivono a spese dell’organismo ospite, causando danni e provocando malattie infettive. L’organismo reagisce attivando il sistema immunitario, con meccanismi come infiammazione e produzione di anticorpi, mentre farmaci e vaccini aiutano a contrastare l’azione del microrganismo. L'infezione è quindi il successo biologico del microrganismo sul macroorganismo.

Virulenza: misura, esprime il grado di patogenicità (per cui, un batterio patogeno può essere più o meno virulento). Appare sempre legata a particolari attività biologiche del microrganismo: presenza della capsula, produzione di tossine, produzione di enzimi liberati nel focolaio infettivo.

Invasività: esprime l'intrinseca attitudine del microrganismo a invadere i tessuti dell'ospite, superando i dispositivi di difesa superficiali rappresentati dalla cosiddetta "barriera anatomofunzionale" costituita soprattutto dalla cute integra e dalle mucose.

La prima tappa del processo di invasione è l’adesione al tessuto dell'ospite, tramite recettori specifici e mediata da strutture specializzate della cellula batterica quali i pili e le fimbrie.

1) Adesione 2) Invasione 3) Moltiplicazione 4) Infezione

• Carica infettante: numero minimo di microrganismi per avere il danno (malattia).
• Tossinogenesi: capacità di produrre tossine, attraverso le quali la specie esplica il suo potere patogeno; le tossine sono di natura proteica.
  • Esotossine: riversate all’esterno.
  • Endotossine: presenti all’interno poiché sono un costituente del batterio (LPS dei Gram-, principalmente lipide A).

Variabili del macroorganismo

Sono innumerevoli:

• Età (neonati e soggetti anziani)
• Malattie croniche debilitanti (malattie cardiovascolari, diabete, collagenopatie, etc.)
• Deficit immunologici congeniti e acquisiti (AIDS, HIV) o fattori genetici
• Malattie metaboliche (diabete e insufficienza renale)
• Assunzione di farmaci (citotossici, steroidi etc.) o malnutrizione

Solo una piccola parte dei microrganismi esistenti entra in contatto diretto con l’uomo e solo una minima percentuale di questi è in grado di provocare malattie. I microrganismi comprendono diversi gruppi, tra cui protozoi, virus, miceti (funghi) e batteri. Tuttavia, l’uomo ha un rapporto più stretto soprattutto con i batteri, mentre il contatto con miceti e protozoi è meno frequente.

Microbiota e microbioma

Il microbiota è il numero totale di microrganismi (batteri, virus, funghi, protozoi) che colonizzano un determinato distretto corporeo. Si tratta di un sistema vivente complesso, a composizione variabile, in cui i diversi microrganismi sono strettamente collegati tra loro sia dal punto di vista strutturale sia funzionale e si autoregolano attraverso meccanismi di feedback.

Il microbioma, invece, rappresenta l’insieme del patrimonio genetico dei microrganismi che compongono il microbiota, cioè tutte le informazioni genetiche che permettono loro di svolgere le proprie funzioni.

Si stima che il numero di batteri che ospitiamo sia da 10 a 100 volte maggiore del numero delle nostre cellule (1500 g di batteri).

La flora microbica normale colonizza le superfici cutanee e le superfici mucose, che, le une in continuità con le altre, tappezzano internamente ed esternamente il nostro corpo, proteggendolo e isolandolo dall'ambiente esterno. La condizione è che essi non oltrepassino i nostri sbarramenti epiteliali.

Le flore microbiche dei diversi distretti corporei instaurano quindi rapporti di simbiosi equilibrati con l’organismo. Tuttavia, questo equilibrio può alterarsi in alcune condizioni, causando effetti negativi per l’ospite o per i microrganismi, come può avvenire ad esempio durante trattamenti chemioterapici, che possono modificare il microbiota.

Distretti sterili del nostro organismo

Distretti sterili del nostro organismo (aggiungi colonizzati):

• Cavità pleurica
• Cavità pericardica
• Cavità peritoneale
• Cavità vescicale, reni, uretere (ad eccezione della parte distale dell'uretra)
• Spazi meningei e intracranici
• Torrente circolatorio (!)
• Seni paranasali

Il vantaggio che deriva dall'ospitare questi microrganismi, in particolare i batteri, è enorme. La flora residente rappresenta:

• Popolazione barriera: che conferisce agli epiteli occupati una difesa di carattere biologico. Essi occupano il territorio e lo difendono dall’invasione di altri batteri più aggressivi, che potrebbero danneggiarlo o magari distruggerlo.
• Stimolazione del sistema immunitario: gli anticorpi prodotti, grazie a fenomeni di antigenicità crociata, possono neutralizzare altri batteri più ricchi in potenziale di patogenicità.
• Sintesi vitamine K e B (nei ruminanti, degradazione della cellulosa).

Ecco, allora, che i rapporti tra noi e le popolazioni batteriche (che devono essere determinate specie e in un determinato numero - 1,5 kg -) che occupano i nostri epiteli non si inquadrano nel commensalismo, bensì sul mutualismo, in cui c’è beneficio per entrambi i conviventi.

Nel neonato che non è colonizzato, ma si colonizza attraverso il passaggio nel canale del parto (trasmissione verticale: madre-figlio), si fa la profilassi di microbiota intestinale (vit. K), per prevenire la malattia emorragica del neonato, causata da una mancanza della flora intestinale opportuna.

Dal mutualismo si può passare all’opportunismo, una situazione in cui i microrganismi approfittano di un deficit di difesa del macroorganismo e generano malattie opportunistiche (generate ad es. da cambiamento di sede; dismicrobismo).

Ospite immunocompromesso: ospite caratterizzato da deficit di 1 o più meccanismi di difesa, quindi più suscettibile a contrarre infezioni (ustionato: mancata integrità delle barriere cutanee/mucose).

Negli ospiti immunocompromessi:

• Le infezioni tradizionali sono più gravi
• Le infezioni opportunistiche sono più frequenti
• Basta una minore quantità di microrganismi per causare malattia
• Le malattie possono avere manifestazioni diverse dal normale.

Epidemiologia

L’epidemiologia è la scienza che studia la diffusione, la modalità di trasmissione, le variabili stagionali, la distribuzione geografica e l’andamento epidemico e endemico delle malattie.

Malattia endemica: quando il numero dei casi che io osservo in quella determinata area geografica e in quel periodo stabilito è costante.

Malattia epidemica: comparsa di un numero elevato di casi in una determinata area geografica in un breve periodo di tempo. Può essere variata dall'ambiente (aspetti climatici come umidità = batteri idrofili; aspetti sociali, condizioni igieniche;).

Malattia pandemica: numero elevato di casi che interessano vasti territori e vasti continenti.

Fonti di infezione

Le fonti di infezione si distinguono in:

• Serbatoio: ambiente, uomo o animale in cui i microrganismi vivono e si moltiplicano.
• Sorgente di infezione: uomo o animale malato o portatore da cui il microrganismo passa a un nuovo ospite.
• Portatore sano (asintomatico): ospita il microrganismo senza avere sintomi, ma può trasmetterlo.
• Portatore convalescente: persona guarita che continua a eliminare i microrganismi per giorni, settimane o mesi; se dura a lungo si parla di portatore cronico.
• Portatore precoce: elimina i microrganismi prima della comparsa dei sintomi.
• Portatori zoonotici: animali che trasmettono l’infezione all’uomo.

In alcuni casi serbatoio e sorgente di infezione coincidono.

Le vie di eliminazione equivalgono a secrezioni ed escrezioni attraverso:

• Cute
• Intestino
• Vie respiratorie
• Urina
• Vomito e vari materiali biologici

Vie di trasmissione

Le vie di trasmissione si dividono in:

• Trasmissione diretta: proveniente da un soggetto malato o portatore a un soggetto sano.
• Trasmissione indiretta: proveniente da un soggetto malato o portatore, all’ambiente, a un soggetto sano. Nella trasmissione indiretta, la trasmissione infettiva può compiersi tramite mezzi inanimati detti veicoli o animati detti vettori (mosca, topi, es. zanzare vettore della malaria).

Veicoli: mezzi inanimati.

• Aria (goccioline di Flugge/droplet: acqua + microrganismi + cellule epiteliali del cavo orale + secrezioni/saliva aerosolizzata)
• Acqua (contaminazione acque superficiali)
• Suolo
• Alimenti
• Ospedale: tutto ciò a contatto con l’ammalato: fomiti

Vettori: mezzi animati.

Sono generalmente insetti (zanzare) che dopo aver assunto i parassiti direttamente dal soggetto ammalato o portatore o dal prodotto contaminato lo trasmettono direttamente al soggetto sano tramite puntura (es. malaria), oppure lo disperdono nell’ambiente circostante.

Cellule batteriche (procariotiche)

• Nucleo primitivo: si presenta come corpo semplice, omogeneo, rappresentato da un unico cromosoma nudo, sprovvisto di membrane interne che isolano i sistemi enzimatici respiratori e fotosintetici in organelli specifici.
• Presenza del cell-wall (o parete cellulare): struttura rigida, consente al batterio di sopportare le situazioni ambientali più diverse. Il componente fondamentale della parete cellulare è un enorme polimero detto peptidoglicano, costituito, dal punto di vista chimico, da N-acetilglucosamina e acido muramico (struttura specifica e peculiare della cellula procariotica).
• Membrana citoplasmatica: semipermeabile, con doppio strato fosfolipidico e con proteine strutturali e periplasmiche. Queste ultime intervengono nel trasporto attivo delle sostanze nutritizie insieme a enzimi localizzati sulla membrana. Nelle cellule procariotiche è presente la cardiolipina e non il colesterolo.
• Mesosomi: invaginazioni sul versante interno della membrana citoplasmatica dove si presentano tutti gli enzimi della catena respiratoria che catalizzano le reazioni Redox e gli enzimi che operano la polimerizzazione delle strutture della parete cellulare, principalmente il peptidoglicano; infatti, gli antibiotici inibiscono la sua produzione, così che il batterio non può produrre la parete cellulare e muore (avviene anche la duplicazione del DNA).
• Citoplasma: maggior costituente della cellula batterica. È composto per l’80% da acqua e da una grande quantità di metaboliti, ioni inorganici ed enzimi.
• I ribosomi (70 S), più piccoli rispetto a quelli presenti nelle cellule eucariotiche, non sono organizzati nel reticolo endoplasmatico, ma sono liberi nel citoplasma, a cui conferiscono un aspetto granulare.

La membrana citoplasmatica controlla gli scambi metabolici tra il citoplasma e l’ambiente esterno attraverso:

• Diffusione passiva, secondo un gradiente di concentrazione, possibile solo per l’acqua e alcune sostanze liposolubili.
• Trasporto attivo, per le molecole come nutrienti e cataboliti. Necessita dell’intervento di proteine carrier, che interagiscono specificatamente con le molecole da trasportare e, attraverso processi che comportano consumo di energia, trasferiscono le molecole attraverso la membrana nei due sensi.

Alla presenza della parete cellulare sono legate molte proprietà della cellula batterica, quali:

1. La morfologia (cocchi, bacilli, vibrioni, spirilli.);
2. Caratteristiche antigeniche della cellula batterica;
3. Caratteristiche tintoriali che permettono la classificazione tra Gram + e Gram –, attraverso la colorazione di Gram, che consiste in:
   1. Posa di 1-2 min. del 1° colorante, ovvero il cristal violetto (blu-affinità per i peptidoglicani della parete);
   2. Posa di 1-2 min. di liquido di Lugol (miscela di iodio, ioduro di K in H₂O, fissa il legame del cristal violetto con il peptidoglicano);
   3. Posa di 30 sec-1 min. di una soluzione alcool-acetone che rimuove l’eccesso (decolorante);
   4. Posa di 1-2 min. del colorante di contrasto, ovvero safranina o fucsina (rosa).

• I batteri Gram+ osservati al microscopio appaiono di colore blu.
• I batteri Gram- osservati al microscopio appaiono di colore rosa.

La reazione alla colorazione di Gram è diversa tra i 2 batteri, perché le membrane esterne dei Gram- sono esternamente strutturate in modo diverso (involucro) anche in base alla loro patogenicità (i Gram- hanno una patogenicità maggiore dei Gram+).

L’involucro esterno dei Gram+ è costituito da una parete cellulare (cell-wall) molto spessa, formata da numerosi strati di peptidoglicano, intersecati da altri polimeri detti acidi teicoici, i quali hanno proprietà antigeniche molto spiccate (cioè facilmente riconosciuti dal sistema immunitario).

L’involucro esterno dei Gram- è costituito da una parete cellulare (cell-wall) formata da peptidoglicano 10-20 volte più sottile di quella dei Gram +, poiché mancano gli acidi teicoici; inoltre c’è la presenza di una membrana esterna costituita da un foglietto interno di natura fosfolipidica e da un foglietto esterno, molto complesso, detto lipopolisaccaride batterico (dei bacilli Gram-) (LPS), responsabile della tossicità (nella colorazione di Gram, i Gram – non diventano blu perché questa membrana esterna copre i peptidoglicani con cui il colorante ha affinità).

Nell’LPS si distinguono 3 porzioni:

• Lipide A, che rappresenta l’endotossina (costituente proprio del corpo batterico quindi riversa all’esterno) dei microrganismi Gram - vera e propria.
• Core, parte centrale, formata da una corta catena di zuccheri, costante in tutti i batteri.
• Catena polisaccaridica, molto lunga (fino a 40 zuccheri), che rappresenta il cosiddetto “antigene O” dei Gram -, variabile nella composizione nelle diverse specie batteriche e, quindi, rappresenta la base della variabilità antigenica (è specifico per ogni ceppo).

Lo spazio periplasmatico è un compartimento ben definito, situato tra membrana citoplasmatica e la parete cellulare. Contiene un gel di proteine con funzioni diverse: proteine carrier, enzimi che degradano le grosse molecole in molecole più piccole, proteine con azione detossificante, in grado, per esempio, di inattivare molecole di antibiotico etc.

La funzione dello spazio periplasmico è quella di racchiudere in uno spazio delimitato, intorno al citoplasma, oltre la parete cellulare, numerose molecole proteiche che garantiscono una serie di funzioni fisiologiche del batterio, con notevole gestione delle risorse cellulari.

Le clamidie hanno una parete cellulare che si discosta da quella di altri batteri e i micoplasmi non hanno parete!

Strutture accessorie dei batteri

Sui batteri sono presenti delle strutture accessorie, non indispensabili, ma se presenti conferiscono proprietà peculiari:

• Capsula: (presente principalmente nei Gram +) polimeri ben organizzati che circondano il corpo batterico. È un importante fattore di virulenza (aumenta la virulenza: + patogeni = + danno) perché conferisce più resistenza e non consente ai meccanismi e alle cellule di difesa di riconoscere l’antigene. (Streptococcus pneumoniae)
• Glicocalice: agglomerati di materiale mucoso polisaccaridico che circondano il batterio (non consente l’arrivo di antibiotici, favorisce l’adesione ai dispositivi medici impiantabili come cateteri o protesi).
• Flagelli: permettono diverse modalità di movimento per raggiungere il sito di infezione, per poi perderli. Sono di natura proteica e la più importante è la flagellina (se voglio bloccare il movimento del batterio, somministro sostanze che contrastano la flagellina).