Microbiologia clinica

Microbiologia e microbiologia clinica

Lezione uno

Microbiologia: scienza che si occupa degli organismi viventi microscopici o sub-microscopici.

Microrganismi (MO): organismi viventi uni o pluricellulari di dimensioni microscopiche (virus, batteri, protozoi, elminti e funghi).

I microrganismi, quando entrano nell’organismo umano, provocano un’infezione: interazione di un agente biologico (microrganismo) ed un ospite recettivo (uomo, animale) che implica la replicazione dell’ospite; la malattia infettiva è invece l’espressione clinica dell’infezione.

Le infezioni vengono rappresentate sotto forma di iceberg: la base rappresenta il momento di contatto con il microrganismo (che può o meno comportare un’infezione), successivamente avviene la moltiplicazione del microrganismo (che può anche non avvenire), poi si ha la comparsa di sintomi (la maggior parte delle infezioni è asintomatica, qualcuna manifesta alcuni lievi sintomi, ancora meno hanno effetti e conseguenze anche gravi).

Il discorso inapparente o clinicamente evidente di un’infezione dipende da fattori, non sempre facilmente valutabili, legati:

• Al microrganismo
• All’ospite
• All’ambiente e alle vie di trasmissione

Ruolo del microrganismo

L’aggressività del microrganismo, invece, dipende da vari fattori:

• Patogenicità: capacità propria dei microrganismi parassiti di causare un danno all’ospite, che si esprime con uno stato di malattia
• Invasività: capacità di penetrare nell’ospite
• Tossigenicità: capacità di produrre tossine

I patogeni possono manifestare in misura diversa la loro capacità aggressiva nei riguardi dell’ospite, in rapporto a variazioni presentate da singoli stipiti.

Virulenza indica il diverso grado con cui si esprime la patogenicità a seconda dello stipite microbico in causa.

Carica infettante è il numero minimo di microrganismi necessario per dare inizio all’infezione; è molto variabile da una specie all’altra e, nell’ambito della stessa specie, può variare a seconda dello stipite. La carica infettante dipende dall’infettività, cioè dalla capacità di un microrganismo patogeno di penetrare, attecchire e moltiplicarsi nell’ospite.

Ruolo dell’ospite

L’organismo umano non subisce passivamente l’ingresso di microrganismi infettanti ma attiva vari fattori e linee di resistenza:

• Difese aspecifiche (barriere anatomico-funzionali):
  • Integrità della cute e delle mucose
  • Sostanze battericide presenti nei fluidi corporei (es. lisozima)
  • Acidità del succo gastrico, produzione di sudore, muco, lacrime
• Difese specifiche (Sistema Immunitario):
  • Produzione di anticorpi in risposta al contatto con il microrganismo
  • Intervento diretto di cellule specializzate
  • Ricezione di anticorpi dall’estero (vaccinazione, profilassi, trasmissione materno-fetale)

Fattori ambientali

L’ambiente fisico e sociale esercita la sua influenza sia sui microrganismi, sia sulle vie di trasmissione, sia infine sulla capacità relativa dell’ospite ed influenza in modo considerevole l’epidemiologia delle infezioni.

Alcuni esempi di fattori ambientali sono:

• Il basso livello socio-economico che espone ad un maggior rischio di infezioni di qualsiasi genere
• L’affollamento, fattore di rischio per le infezioni trasmesse per via aerea
• La scarsità di acqua e l’inquinamento fecale dell’ambiente per carenza dei sistemi di raccolta e smaltimento delle acque reflue urbane, che sono fattori importanti per il mantenimento dell’endemia per le manifestazioni epidemiche delle infezioni enteriche

Catena del contagio

La trasmissione di una malattia richiede il passaggio di un agente infettante da una sorgente di infezione ad uno o più individui ricettivi, cioè in grado di contrarre l’infezione.

Serbatoio di infezione: è costituito dall’organismo, animale o vegetale, o dall’ambiente nel quale il microrganismo abitualmente vive e si moltiplica e da cui dipende primariamente per la sopravvivenza.

Sorgente o fonte di infezione: rappresenta l’origine dell’infezione che ha consentito la trasmissione del microrganismo dal serbatoio di infezione ad un soggetto recettivo; può coincidere con il serbatoio (infezioni a trasmissione sessuale) o essere rappresentata da un veicolo (acqua, alimenti…)

Vie di penetrazione: rappresentano le vie attraverso le quali un microrganismo penetra nel corpo umano.

Diversi tipi di infezione

• Infezione acuta: il microrganismo entra nell’organismo, si replica e nel giro di poche settimane l’infezione si conclude con l’eliminazione completa del microrganismo
• Infezione persistente: si possono distinguere infezioni persistenti:
  • Latenti: condizione in cui il microrganismo può mantenersi mascherato per poi riattivarsi in condizioni favorevoli
  • Croniche: in cui il microrganismo si riproduce in modo continuo
  • Lente: caratterizzate da un periodo di incubazione molto lungo (anche di anni), da un’insorgenza progressiva e da evoluzione lenta in alcuni casi con esito letale (es. HIV)

Indici epidemiologici per descrivere l’andamento di malattie infettive

• Tasso di morbidità/morbosità: n° di malati/popolazione per anno
• Tasso di mortalità: n° di morti/popolazione per anno
• Tasso di letalità: n° di morti/malati per anno
• Tasso di morbilità: n° di giorni di assenza dal lavoro/n° giorni lavorativi
• Incidenza: n° di nuovi casi di malattia/popolazione per anno
• Prevalenza: n° di casi totali di una malattia/popolazione (in un periodo)

Da un punto di vista epidemiologico le malattie infettive possono essere definite in base al tipo di distribuzione che esse hanno nell’ambito di una popolazione:

• Malattia epidemica: coinvolge un numero di individui (casi) nettamente superiore rispetto a quanto ci si sarebbe attesi in quella zona ed in quel periodo di tempo
• Malattia endemica: costantemente presente con prevalenza bassa (ipoendemica) o alta (iperendemica) in una popolazione o in un’area geografica precisa
• Malattia sporadica: si presenta irregolarmente ed imprevedibilmente nello spazio e nel tempo, generalmente con bassa frequenza

Batteri

I batteri sono organismi semplici, unicellulari, procarioti (cellule non compartimentate, prive di nucleo e con un solo cromosoma circolare) di piccole dimensioni; rappresentano la forma vivente più diffusa sulla Terra.

Le cellule batteriche vengono classificate in base alle loro dimensioni, struttura, componenti fondamentali e componenti accessorie.

Si distinguono diversi tipi di microrganismi, sulla base dei rapporti che questi contraggono con l’ospite:

• Simbionti: microrganismi che vivono e si moltiplicano a contatto con l’ospite senza provocare danni e instaurando un rapporto di reciproco beneficio
• Commensali: microrganismi che vivono e si moltiplicano a contatto con l’ospite senza provocare danni
• Patogeni: microrganismi che sono in grado di vivere a spese di altri organismi viventi provocandovi una malattia
• Opportunisti: microrganismi normalmente innocui, ma in grado di provocare malattie, anche gravi, in seguito ad un indebolimento delle difese dell’organismo (anche durante l’infanzia in cui il bambino non ha molte difese immunitarie e durante l’anzianità per una lenta e fisiologica caduta delle difese immunitarie)

Anche l’uomo è abitato da milioni di batteri: alcuni sono fisiologici (simbionti e commensali) e altri patogeni.

La lunghezza dei più comuni batteri varia da 1 a 10 µm, sono visibili mediante un microscopio ottico.

Caratterizzazione dei batteri su base morfologica

• Cocchi (sferici): aggregati in vari modi (diplococchi, streptococchi, stafilococchi, sarcine…)
• Bacilli (bastoncellari): allungati, coccobacilli (via di mezzo tra bacilli e cocchi)
• Spirilli (spiraliformi): spirilli/spirochete
• Vibrioni: a forma di virgola

Classificazione sulla base della temperatura di crescita

• Batteri termofili: crescono ad alte temperature (47-70°C, temperatura ottimale: 50-55°C)
• Batteri mesofili: crescono a temperature intermedie (20-45°C, temperatura ottimale: 30-37°C)
• Batteri psicrofili: crescono a basse temperature (0-25°C, temperatura ottimale: 20-25°C)

Classificazione sulla base della respirazione

• Batteri aerobi: necessitano di ossigeno per moltiplicarsi
• Batteri anaerobi: non necessitano di ossigeno per moltiplicarsi
• Batteri aerobi facoltativi: possono vivere anche in assenza di ossigeno, ma generalmente lo preferiscono

Classificazione sulla base del nutrimento

• Batteri eterotrofi: si nutrono di composti organici
• Batteri autotrofi: sintetizzano autonomamente composti organici a partire da composti inorganici

Differenze tra eucarioti e procarioti

La cellula batterica ha quattro componenti fondamentali (dall’interno all’esterno): nucleoide e ribosomi (che si trovano nel citosol), una membrana citoplasmatica e parete. Presentano poi alcune strutture accessorie: plasmidi (materiale genetico circolare con la funzione di trasmettere informazioni da una cellula all’altra, contengono geni e sono molto importanti per la trasmissione per esempio di un gene che determina resistenza ad antibiotici), capsula (non presente in tutti i batteri, li rende più resistenti all’ambiente esterno).

Citoplasma: il citosol della cellula batterica è un gel colloidale che contiene l’80% di acqua, è molto meno complesso rispetto a quello della cellula eucariote; contiene il nucleoide e i ribosomi.

Nucleoide: il DNA cromosomico batterico è immerso direttamente nel citosol, in forma superavvolta e spesso associato a particolari regioni della membrana citoplasmatica (mesosomi), dove risiedono gli enzimi per la replicazione batterica; contiene tutta l’informazione genetica del batterio (il cui genoma è apolide).

Ribosomi: strutture deputate al processo della traduzione (sintesi proteica da una molecola di mRNA), sono più abbondanti dei ribosomi della cellula eucariote, hanno un coefficiente di sedimentazione di 70S (subunità 30S e 50S).

Colorazione di Gram

I batteri vengono inoltre suddivisi in due macro-categorie: gram-positivi e gram-negativi. Per determinare a quale dei due gruppi appartengano, i batteri vengono sottoposti a colorazione differenziale: vengono prelevati, purificati e posti su un vetrino in cui vengono colorati con colorante crystal-violetto di colore blu, dopodiché si attua una decolorazione; se i batteri conservano il colore significa che hanno una parete più spessa, se invece la perdono hanno una parete più sottile. Successivamente, i batteri vengono colorati con safranina di colore rosso che è visibile solo nei batteri che sono stati decolorati con successo e che quindi hanno perso la colorazione blu; questi ultimi vengono quindi chiamati gram-negativi mentre i batteri che mantengono la colorazione blu sono denominati gram-positivi. Questa distinzione è fondamentale per determinare rapidamente quale antibiotico somministrare perché i gram-negativi reagiscono ad alcuni antibiotici e i positivi ad altri (a grandi linee si può già seguire una via).

Plasmidi

I plasmidi sono molecole di DNA circolare bicentenario, indipendenti dal cromosoma batterico, che si trovano nel citosol; i suoi geni non sono essenziali ma utili perché conferiscono vantaggi alla cellula batterica. I plasmidi possono codificare per fattori di virulenza (mediante la produzione di tossine) o fattori di resistenza ad antibiotici; si replicano autonomamente facendo una o più copie. Un batterio quindi può essere tossico o meno a seconda che abbia incorporato il plasmide che porta alla produzione di tossine.

Capsula

Molti batteri secernono polimeri polisaccaridici che si depositano esternamente alla parete formando un rivestimento esterno detto capsula; essa ha molteplici funzioni: favorisce l'adesione ai tessuti dell’ospite, resiste alla fagocitosi ed ha proprietà antigeniche (riconosciuto dal Sistema Immunitario).

Pili e flagelli

I pili (o fimbriae) sono appendici proteiche rigide costituite da subunità di pilina, possono favorire attraverso la loro struttura il passaggio di materiale genetico; ne esistono varie tipologie:

• Pili comuni: funzione adesiva, per colonizzare le mucose
• Pili sessuali: mediano l’adesione fra cellule batteriche durante il processo di coniugazione, per il trasferimento del fattore F

I flagelli sono organelli locomotori per il movimento attivo della cellula batterica (es. risposta a nutrienti o a sostanze tossiche) e sono formati da subunità della proteina flagellina.

La cellula batterica

La crescita batterica avviene mediante scissione binaria: processo di riproduzione di tipo asessuato in cui una cellula batterica si divide in due cellule figlie identiche con l'obiettivo di moltiplicare il cromosoma.

Il batterio si può organizzare in spora batterica o endospora: forma di differenziamento cellulare, si origina in ambiente di crescita sfavorevole con lo scopo di favorire la sopravvivenza. Le spore sono in grado di resistere in questa forma per molto tempo senza che il DNA venga inattivato, possono sopravvivere anche in condizioni estreme (calore, essiccamento, radiazioni, agenti chimici tossici e alcuni disinfettanti). È una prerogativa dei bacilli Gram+ (caratteristiche dei generi Bacillus e Clostridium). In presenza di appropriate condizioni ambientali è possibile il passaggio inverso da spora a cellula vegetativa.

Invasività

L’invasività è la capacità di penetrare e diffondersi.

• Adesività: attitudine di alcune cellule batteriche a legarsi a siti recettoriali della cellula bersaglio (adesine: molecole o organelli di superficie, es. fimbriae, componenti polisaccaridici, capsula, acidi lipoteicoici…)
• Produzione di enzimi cellulari: enzimi che contrastano le difese antibatteriche dell’ospite, favoriscono la demolizione dei tessuti dell’ospite (coagulasi determina la coagulazione del plasma, ialuronidasi idrolizza l’acido ialuronico, chinasi dissolvono la fibrina dei coaguli)
• Capacità di inibire la fagocitosi: funzione svolta dal materiale polisaccaridico della capsula che impedisce l’attacco dei fagociti oppure delle leucocidine che danneggiano i leucociti dell’uomo costituiti in gran parte da fagociti
• Liberazione di emolisine: sostanze che causano la lisi di globuli rossi (batteriemia, quantità di batteri nel sangue)

Produzione di tossine

Le tossine sono veleni macromolecolari che causano tossicità nei tessuti dell’uomo e degli animali.

• Esotossine: di natura proteica, prodotte in forma solubile da batteri vivi e diffuse nei tessuti dell’ospite
• Endotossine: lipopolisaccaridi (LPS) liberate in seguito a disgregazione del batterio (Gram-)

Eliminazione della presenza microbica

• Sterilizzazione: eliminazione di qualsiasi forma di vita
• Disinfezione: eliminazione della potenzialità infettiva di un materiale (teoricamente, eliminazione dei microrganismi patogeni)
• Antisepsi: eliminazione dei microrganismi patogeni dalla superficie cutanea o mucosa (uso topico) (sepsi: danneggiamento di tessuti biologici ad opera di microrganismi, asettico: modalità atta ad evitare contaminazione ed a mantenere una condizione di asepsi)
• Apirogenicità: assenza di endotossina batterica (pirogeno esogeno)

Lezione due

Classificazione dei batteri

La gerarchia classificata dei batteri comprende:

• Ordini comprendono diverse
• Famiglie comprendono diversi
• Generi possono includere diverse
• Specie possono includere diversi
• Tipi possono includere diversi stipiti

Staphylococcus

Cocchi (forma sferica, 0.8-1 µm) gram+ aerobi-anaerobi facoltativi, disposizione a grappolo, sono immobili (privi di pili o flagelli), asporigeni (incapaci di produrre spore) e privi di capsula. Lo Staphylococcus è un ospite normale dell’uomo e degli animali sulla cute, nella bocca e nel nasofaringe. Sono poco esigenti e resistenti (fino a 60°C per qualche minuto, sopportano NaCl al 7.5%, pH 4-9, temperatura ottimale tra 10 e 45°C).

Si trasmettono:

• Per via aerea (goccioline)
• Per contatto diretto cutaneo (es. mani degli operatori)
• Per contatto con oggetti (sui quali rimangono vitali a lungo)

È molto pericoloso come contaminante ospedaliero (patogeno nosocomiale): è capace di sopravvivere nell’ambiente, si trasmette facilmente e seleziona rapidamente varianti resistenti ai farmaci (fitness).

Esistono due tipi di Stafilococchi:

1. Aureus: più patogeno per l’uomo, può provocare infezioni acute (sintomi acuti che si manifestano velocemente e possono essere facilmente trattati), infezioni croniche (difficile eradicazione) ed intossicazioni acute. Sono coagulasi positivi, ovvero possono favorire la coagulazione del sangue in test di laboratorio
2. Non Aureus: coagulasi negativi, possono causare infezioni urinarie, infezioni da catetere ed infezioni da protesi articolare