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 GASTROINTESINALE .................................................................... 128

PATOGENI CUTE ............................................................................................................... 142

VIRUS ERPETICI UMANI .................................................................................................. 150

HIV ...................................................................................................................................... 156

PATOGENI APPARATO GENITO-URINARIO .................................................................. 162

VACCINI .............................................................................................................................. 171

EPIDEMIOLOGIA GENERALE ......................................................................................... 185

APPROFONDIMETO: DISBIOSI E MICROBIOTA ........................................................... 189

A.A. 2022-2023

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. A.A. 2022-2023

3 Microbiologia e Profilassi delle Malattie Infettive

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. A.A. 2022-2023

4 Microbiologia e Profilassi delle Malattie Infettive

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, vene 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 sono

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. A.A. 2022-2023

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

neoplasiche 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)→ E’ 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 un 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