Microbiologia

Lezione 1: Patogeneicità e virulenza

I microrganismi vivono in comunità con noi, altri mentre in maniera indipendente. Quelli che vivono in comunità stabiliscono un’interazione tra uomo e microrganismi. Le più importanti sono:

Tipi di interazioni

• Mutualismo → Il vantaggio è reciproco, nessuna parte trae vantaggio assoluto. Il microrganismo trova nel nostro corpo condizioni ottimali di crescita, nutrienti e un ambiente favorevole come temperatura e pH, ma non è solo il microrganismo che trae vantaggio da questa interazione, quindi tale vantaggio è reciproco. La maggior parte degli organismi gode di questa associazione.
• Parassitismo → In questo caso l’interazione uomo-microbiota è patologica. Il beneficio è solo per uno: di fatti uno crea danni all’altro, in questo caso l’ospite è l’uomo che riceverà una serie di danni dal microbiota che lo porteranno alla malattia, deterioramento e morte.
• Commensalismo → Solo uno trae vantaggio da tale associazione. Con il parassitismo mentre trae vantaggio uno l’altro viene portato a morte.

NB: Tutti i microrganismi sono potenzialmente patogeni, non esiste quello patogeno per eccellenza, inoltre i batteri tendono anche ad infettare una particolare linea cellulare. Non tutti i microrganismi però sono nostri nemici, anzi alcuni hanno un effetto benevolo per noi e la vita.

Esempi di microrganismi benefici

Un esempio sono gli azoto fissatori, che hanno un’associazione simbiotica con le piante attraverso le radici, precisamente si formano tubercoli radicali. L’azoto viene ridotto dall’atmosfera in modo da renderlo disponibile per le piante. I clostridi sono azoto fissatori, di fatti questi organismi sono essenziali per la vita sulla terra.

Domanda d’esame: Ma non tutti gli organismi lo fanno? Perché? Perché l’elicobatteriace non lo fa?

Risposta: Perché gli manca qualcosa come enzimi ad esempio idrogenasi che è tipica degli azoto fissatori.

Altra domanda d’esame: L’assenza di un enzima equivale all’assenza dell’apparato genetico che codifica per quell’enzima stesso?

Risposta: In molti organismi è presente il corredo enzimatico ma non viene espresso.

Ci sono anche altri microrganismi che hanno un impatto positivo sulla vita dell’uomo, per esempio i lieviti tra cui alcuni in particolare svolgono un ruolo importante nell’industria enologica ed alimentare (birra, prodotti da forno) sfruttando le loro proprietà fermentanti.

Alcuni hanno un ruolo anche nel campo farmaceutico come attinomiceti o più precisamente detti attinobatteri, perché le colonie assomigliano a funghi, ma in realtà sono batteri gram positivi. Si definiscono saprofitici mentre i non patogeni che hanno come habitat naturale l’ambiente esterno. Invece i commensali sono sempre i non patogeni che hanno come habitat naturale gli organismi superiori, non solo uomo ma anche piante ed animali. Quindi i saprofiti sono liberi, mantengono la loro indipendenza, mentre quelli che vivono in comunità sono commensali.

Microrganismi opportunistici

Ci sono anche gli opportunisti che vivono in associazione con l’uomo ma improvvisamente possono esercitare il loro fattore patogeno di virulenza. Tra questi ricordiamo un microrganismo che crea danni all’apparato respiratorio ai pazienti malati di fibrosi cistica. In soggetti sani non crea problemi ma in quelli malati di fibrosi crea problemi, diventa patogeno e dà polmoniti, approfittando della condizione di debolezza.

La flora batterica vive anche nel nostro organismo e ci protegge dall’attacco di organismi potenzialmente patogeni. Alcuni possono dare patologie gravi come il pneumococco, altri invece la sepsi. I bambini da 1-5 anni d’età sono i più colpiti perché hanno un sistema immunitario non sviluppato, mentre nel primo anno di vita il livello anticorpale è alto e poi si abbassa.

Nicchie e serbatoi

Per nicchia intendiamo l’habitat in cui si annida il batterio, il mutans ad esempio si annida nelle gengive e placca ed è responsabile della carie, poi ci sono anche alcuni organismi trasmessi per via orofecale che non danno patologie.

NB: La patogeneicità è associata al ceppo! Le patologie sono divise in emergenti e riemergenti. Le prime sono soprattutto febbri e sono portate da virus provenienti da paesi tropicali e che hanno trovato nell’ospite condizioni favorevoli ma purtroppo i nuovi ceppi sono sensibili agli antibiotici. Per le riemergenti intendiamo patologie scomparse ma che sono ritornate come tubercolosi, colera, malaria. (I vecchi ceppi tubercoli erano più sensibili agli antibiotici).

Coli ha associazione simbiotica nel tratto intestinale ed è benefico, anche se ci sono vari ceppi. La maggior parte delle infezioni sono causate da meningococco e streptococco mutans. Il primo è gram negativo ed ha come serbatoio l’uomo, il secondo è gram positivo. Poi c’è il vibrio cholerae che ha forma bacillare con flagello, vive in ambiente acquoso, è veloce ed è responsabile del colera.

Il feto è sterile fino alla nascita e si contamina dopo il passaggio nel canale del parto dove viene colonizzato. Anche se ci saranno sempre distretti sterili come il sangue. La presenza di microbi in alcuni distretti stimola la produzione anticorpale e aiuta l’immunità locale. (Nelle basse vie respiratorie hanno effetto benefico ma anche nel tratto intestinale creano vantaggi sia per noi che per lui, soprattutto a livello dell’epitelio dove trova un pH favorevole per la sua crescita registrazione disturbata).

NB: Nel nostro organismo abbiamo centomilamiliardi di batteri! Il numero delle cellule batteriche supera di gran numero il numero delle cellule che ci costituiscono!

Gli enterobatteri sono quelli che vivono nell’intestino (registrazione disturbata). Ci sono 10 mila specie diverse di batteri, alcuni sono più numerosi altri sono in minor quantità ma comunque importanti. Nella cute è più difficile la penetrazione batterica salvo ferite ed escoriazioni e vi troviamo i funghi, che sono presenti anche nelle vie urinarie. (Per la localizzazione vedere slide numero 8).

Nel cavo orale abbiamo streptococchi e stafilococchi. Ogni nicchia dunque è popolata da una particolare comunità microbica. Il numero dei batteri varia anche a seconda dei fattori ambientali, l’equilibrio deve essere rispettato, ne vale la nostra salute. La barriera intestinale è un’importante barriera contro i patogeni, alcuni diventano dannosi solo quando è alterato l’equilibrio numerico, un esempio sono i lattobacilli. Gli antibiotici assunti per via orale alterano quest’equilibrio portando alcune specie a prendere il sopravvento diventando patogeni. I lattobacilli sono gram positivi, hanno la membrana citoplasmatica, la parete di peptidoglicano e devono svolgere barriera fisica e maturare il sistema immunitario.

Nell’epitelio intestinale si forma una massa di batteri che protegge da patogeni, si accumulano metaboliti, che sono coinvolti in processi digestivi, nella formazione di vitamine soprattutto K fondamentale per la coagulazione. Quindi l’attività batterica favorisce il benessere intestinale ma anche dell’organismo, se quest’attività viene modificata si hanno patologie che producono tossine dando effetti negativi. Quindi il ruolo più importante dei microbi è dare vantaggio all’ospite rafforzando il sistema immunitario e stimolando la produzione di IgA (ciò avviene nel tratto polmonare). Le IgA sono nelle mucose, lacrime, saliva, e hanno proprietà antibatteriche.

NB: Il lisozima è un enzima che distrugge scinde il peptidoglicano che è formato da zuccheri spezzando il legame sgretolando la cellula che avrà solo la membrana citoplasmatica e sarà più sensibile quindi ha un effetto benefico.

• Nicchia → Dove vive una particolare specie.
• Serbatoio → L’organismo e l’ambiente in cui il microrganismo vive e si moltiplica, alcuni hanno come serbatoio il suolo (tetanus).
• Spettro d’ospite → Insieme di microrganismi suscettibili alle infezioni (meningococco ha come serbatoio l’uomo). Il coli mentre ha lo spettro d’ospite più grande ma non ha l’uomo come unico serbatoio.

Lezione 2: 21/09/2017

Tra le varie popolazioni del microbioma umano abbiamo insistito sul microbiota intestinale (anche se esistono studi recentissimi anche su quello polmonare) poiché è il più rappresentato ed ha il ruolo più importante nella maturazione e l’omeostasi del sistema immunitario. Abbiamo visto che alcune cellule batteriche che si trovano nell’intestino sono capaci di indirizzare il differenziamento di linee cellulari coinvolte in diverse funzioni del sistema immunitario e da questo dipende la nostra protezione da agenti infettivi patogeni. Quindi è importante preservare quantitativamente e qualitativamente questa popolazione di batteri, stando attenti alle abitudini alimentari ma anche all’uso di farmaci antimicrobici senza giusta motivazione (in tal modo creiamo anche una pressione selettiva che porta a popolazioni batteriche multiresistenti ai farmaci che si diffondono nella popolazione umana e questo è un danno gravissimo per bambini, anziani e soggetti con patologie importanti). Un organismo sano è perfettamente in grado di rispondere ai sintomi parainfluenzali con l’uso di analgesici e antipiretici.

Insieme al microbioma residente (in passato detto “flora residente”) ci sono altri sistemi per contrastare l’aggressione degli agenti patogeni: il nostro corpo usa barriere anatomiche e chimiche che rappresentano la prima linea di difesa e sono appunto cute, muco, secrezioni (respiratorie e intestinali). Ancora dovete conoscere l’enzima lisozima, contenuto nelle secrezioni biologiche prodotte dalle cellule umane, e che è il nostro naturale antibatterico poiché attacca in modo specifico il legame che unisce gli aminozuccheri che costituiscono il peptidoglicano (della parete credo).

Poi abbiamo l’immunità innata (macrofagi, natural killer, polimorfonucleati) e l’infiammazione che rappresentano la seconda linea di difesa. Il nostro organismo comunque è in grado di difendersi anche senza il sistema immunitario, bastano i sistemi di prima difesa (cute integra); se il patogeno è molto aggressivo e supera la prima linea di difesa, incontra prima la seconda linea e poi la terza linea di difesa (immunità acquisita o adattativa che vede il coinvolgimento di linf B e T e la produzione di Ab specifici).

Se vediamo l’interazione ospite-parassita da un punto di vista evoluzionistico, dobbiamo saper conoscere tutta una serie di termini. Innanzitutto l’ambiente in cui vive una popolazione microbica si chiama habitat mentre la ristretta regione dell’habitat dove vive una popolazione è detta nicchia ecologica. Una nicchia può essere condivisa da più specie e solo raramente viene occupata da una sola specie. Un esempio per capire: la stanza da letto è una nicchia della casa che è l’habitat; nella casa (habitat) ci sono genitori e bambini, nella camera dei bimbi (nicchia) ci sono solo i bambini (più specie); quindi la nicchia ecologica è lo spazio dell’habitat che può essere usato da una specie (un bambino) o più specie (più bambini). La nicchia è parte di uno spazio più ampio occupato da una o più specie microbiche.

Nell’ambito delle popolazioni microbiche ci sono dei microrganismi che hanno tropismo particolare per alcune nicchie; parliamo di tropismo largo per alcuni organismi, come stafilococchi e streptococchi che li possiamo trovare sia a livello del cavo orale che nel microbioma cutaneo; mentre altri organismi hanno tropismo stretto, come elicobacter pylori che ha una nicchia molto specifica, si trova esclusivamente nel tratto gastro-duodenale e non è capace di occupare altre nicchie.

Il serbatoio, invece, è l’organismo animale o vegetale o l’ambiente in cui normalmente l’organismo vive e si moltiplica. Clostridium tetani ha un serbatoio ambientale, cioè lo troviamo nel suolo. Altri microrganismi potenzialmente patogeni hanno come unico serbatoio l’uomo, come nel caso del meningococco che si trasmette solo da uomo a uomo. Escherichia coli, invece, ha come serbatoio sia animali (intestino) che ambiente (acqua e suolo).

Patogeni a ampio spettro d’ospite (E.coli) possono dare patologie nell’uomo, nel cavallo, nel maiale, in più animali; a spettro stretto danno patologie o solo nell’uomo (meningococco) o solo nel cavallo. Avere spettro d’ospite e serbatoio stretti ma potenziale di virulenza alto rappresenta uno svantaggio selettivo: se un organismo è altamente virulento, sterminando l’ospite distrugge se stesso poiché non ha altro ospite dove andare. Il meningococco, pur avendo un unico serbatoio, non è svantaggiato poiché a volte fa normalmente parte del microbioma umano (il 10% della popolazione sana è portatore sano del meningococco).

Il microrganismo più frequentemente coinvolto nelle infezioni comunitarie (cioè acquisite all’esterno dell’ospedale) è Escherichia coli (serbatoio e spettro d’ospite largo) e poi S.aureus. Quello più coinvolto in infezioni ospedaliere è stafilococcus aureus e poi E.coli.

Quindi dovete sapere cos’è un habitat, cos’è una nicchia ecologica, cos’è il serbatoio di un potenziale agente patogeno, cos’è lo spettro d’ospite e cos’è un ecosistema microbico. Un ecosistema microbico è non solo la popolazione microbica inclusa nell’ambiente in cui vive ma anche all’insieme delle attività svolte dai microrganismi in quell’ambiente e le ripercussioni fisiche e chimiche, positive e negative che l’attività del microrganismo ha sull’ambiente stesso. Quindi un ecosistema microbico è l’insieme delle popolazioni microbiche, generalmente multispecie, che condividono lo stesso habitat e l’insieme delle ripercussioni positive e negative, fisiche e chimiche, che l’attività del microrganismo ha sull’ambiente stesso e sugli altri organismi che ci vivono. Queste definizioni devono essere ben note ad un biologo!

Sempre guardando le interazioni ospite-parassita: come mai quando c’è un qualsiasi tipo di epidemia, soprattutto in passato quando non c’era modo di difendersi, perché non è stata sterminata la popolazione suscettibile? Alcune persone, pur non essendo vaccinate, quando entrano in contatto con il patogeno non sviluppano la malattia. Affinché si sviluppi la patologia in modo sintomatico, concorrono vari fattori che non dipendono esclusivamente dal patogeno ma anche dall’ospite (caratteristiche genotipiche dell’ospite che gli conferiscono resistenza oppure la sua immunizzazione dovuta a precedente esposizione) e anche fattori ambientali (es: l’affollamento facilita la diffusione di epidemie, favorisce il patogeno e sfavorisce l’ospite). Tra le caratteristiche genotipiche dell’ospite che lo “proteggono” dal patogeno (plasmodium falciparium), abbiamo il caso dell’anemia falciforme, alterazione del gene dell’emoglobina che in eterozigosi conferisce resistenza all’agente eziologico della malaria; questo tratto è diffuso dove la malaria è endemica (Africa, India). La mutazione di queste persone non riguarda solo la mutazione dell’emoglobina S ma anche altre alterazioni dell’actina del citoscheletro.

L’interazione ospite-parassita può essere molto complessa, ci può essere: una colonizzazione transitoria (passaggio del parassita che poi verrà eliminato anche senza l’intervento del sistema immunitario), colonizzazione permanente (infezione latente o inapparente), malattia. Normalmente, quello che avviene in un organismo sano dopo l’incontro con il patogeno, anche senza l’intervento dei farmaci, è la guarigione con la restitutio ad integrum. Se quando entriamo in contatto con il patogeno siamo stressati o ci siamo esposti al sole o ustionati o abbiamo avuto un trauma o assunto farmaci che hanno alterato il microbioma intestinale, in quel caso la patologia può essere più grave e si ha guarigione ma con possibili esiti (se il patogeno è molto virulento).

Se si combinano fattori diversi: circola un ceppo particolarmente virulento di meningococco e attacca un organismo in crescita o cardiopatico o diabetico, si frequentano ambienti affollati, si può raramente avere la morte; questo avviene fortunatamente in modo raro poiché abbiamo i mezzi per difenderci (ma solo se usati con intelligenza). I potenziali patogeni sono davvero solo una percentuale minima della popolazione microbica con cui entriamo in contatto nella nostra vita.

Allo stato di latenza abbiamo anche virus, come Herpes simplex (cute delle labbra). I batteri, come i virus, scelgono delle sedi dove restare, ad esempio, salmonella nella colecisti, micobatterio tubercolosis nelle cellule di Langerhans. Dopo il primo incontro, l’organismo, senza dare sintomi della malattia, resta nell’ospite fino a quando, come conseguenza di fattori che riguardano l’ospite o il microrganismo stesso o l’ambiente, può attivarsi e dare la patologia conclamata.