Microbiologia medica

Microbiologia medica

Concetti di patogenesi e virulenza

La patogenicità è il meccanismo attraverso il quale un agente infettivo esplica la sua azione virulenta. Un microrganismo si definisce patogeno quando è in grado di indurre uno stato morboso. La patogenesi è il processo attraverso il quale l’infezione virale provoca la malattia ed è necessaria l’interazione con la cellula ospite. Deve portare a compimento la sua azione, anche se ci sono casi in cui i virus non si replicano e non esplicano l’azione virulenta perché l’ospite non è permissivo. La patogenesi è legata all’attività patogena del virus stesso, alla permissività dell’ospite e dei suoi organi; è legata all’equilibrio, ovvero un duplice risultato di assicurare la diffusione del virus e la sopravvivenza dell’ospite.

Fattori di virulenza

I fattori di virulenza possono essere divisi in due categorie:

• Fattori di virulenza che promuovono la colonizzazione batterica nell’ospite;
• Fattori di virulenza che danneggiano l’ospite.

I fattori di virulenza favoriscono l’adesione alla cellula ospite o la resistenza alla rimozione fisica. Ci sono batteri nel tratto gastro-intestinale che non danno spazio agli altri batteri e questi possono rilasciare sostanze per permettere l’invaginazione all’interno delle cellule. Ad esempio, la Salmonella e la Shigella che entrano nell’enterocita provocano problemi a livello dell’intestino e anche le spirochete, le quali non riescono a penetrare attraverso le mucose, resistono alla fagocitosi e può capitare che alcuni batteri, anche se fagocitati, sopravvivono. Alcuni riescono a modificare la porzione terminale dei pili per aderire a più cellule. Altri batteri invece sono in grado di reclutare ferro, essenziale per la crescita batterica ed altri invece di legare la fenitina, ecc.

Adesione e risposta infiammatoria

La capacità delle componenti di adesione a legarsi alla cellula ospite provocano la sintesi e la crescita di sostanze infiammatorie come citochine e chemiochine e ciò è data dalla capacità di produrre endotossine e di indurre una risposta autoimmune:

• Le esotossine sono prodotte sia dai batteri gram positivi che negativi e sono di natura proteica. Hanno due subunità: la sub A e la sub B. Possiedono tre meccanismi:
  • Superantigeni => MHC (complesso maggiore di istocompatibilità) di classe 2; un esempio è la sindrome dello shock tossico.
  • Danneggiano le membrane della cellula ospite (tipo 2), interferiscono con il normale svolgimento della cellula;
• Le endotossine possono entrare per endocitosi o per passaggio diretto, un esempio sono le tossine difterica e colerica.

La virulenza o la mancanza di essa per ciascun tipo di virus può essere determinata da piccole mutazioni nel genoma. Il virione rappresenta la forma inerte dei virus, l’attività dei virus si esplica nel momento dell’interazione virus-cellula. La penetrazione del virus nella cellula genera una nuova entità: la cellula infetta. È essenziale che il virus venga riconosciuto da un recettore specifico, il quale è presente in alcune cellule particolari; altri invece riconoscono solo il recettore che è comune in molte cellule. Per esempio, nel COVID-19 il recettore è ACE2 o nell’epatite sono gli epatociti. Dopo il riconoscimento anche la cellula fa la sua parte perché permette la replicazione. Se non è permissiva ci sarà una situazione chiamata: abortiva.

Infezione virale

Molti virus non sono estremamente letali, perché altrimenti non ci sarebbe più l’uomo. Se un virus fosse letale, bloccherebbe la sua capacità di poter sopravvivere. Quando si replica, un virus crea numerosi pezzi di genoma ed è possibile che si presentino mutazioni.

Risposta cellulare e dell'ospite

Nell’infezione virale possiamo avere una risposta cellulare ed una risposta dell’ospite, lo si può dimostrare con l'iceberg dell’infezione:

• Risposta cellulare: Si avranno effetti visibili e non visibili. Negli effetti non visibili avremo un’esposizione senza legame o entrata nella cellula e la moltiplicazione virale senza modificazioni visibili o con maturazione non completa del virus. Negli effetti visibili avremo un effetto citopatico o trasformazione cellulare o alterazione della funzionalità cellulare. Al termine avremo la lisi della cellula.
• Risposta dell’ospite: Si avrà una malattia conclamata oppure un livello subclinico. Nella malattia conclamata avremo la malattia a sintomatologia severa e la malattia a entità limitata. Mentre a livello subclinico l’infezione sarà senza segni clinici; quindi, un’infezione asintomatica o avremo un’esposizione senza infezione. Al termine avremo morte dell’organismo.

Vie di trasmissione del virus

I virus una volta penetrati si avrà una penetrazione localizzata. Avviene una prima replicazione per poi diffondersi per via linfatica, ematica o nervosa, andando nell’organo bersaglio. Abbiamo delle barriere che proteggono, ma con vie di ingresso molteplici, come una puntura d’insetto è possibile. Avviene una seconda replicazione che diffonde e può arrivare a diversi distretti anatomici. La penetrazione passiva: inoculazione diretta nel circolo ematico per via transcutanea attraverso la cute. Ci sono altre vie di trasmissione:

• Ingestione;
• Inalazione;
• Sessuale;
• Iatrogena, morsicatura animale infetto;
• Contatto;
• Inoculazione artropodi e vettori;
• Gastrointestinali;
• Lesioni.

Ci sono vie d’ingresso: comuni, respiratoria, gastrointestinale; meno comuni: genitale, trasfusione, trapianti soprattutto rene e midollo osseo, lesione a causa di insetti e animali.

Infezioni virali

In sintesi: il virus presenta dei caratteri di virulenza che possono essere trasmessi mediante vettori diretti o indiretti. Inizialmente un virus deve superare le barriere esterne che presenta il nostro corpo, come le mucose o la cute. Dalle mucose il virus si replica nel sito d’ingresso e penetra all’interno, mentre dalla cute ha una penetrazione passiva mediante le cellule M. Il virus può andare verso un qualsiasi tessuto o mucose e replicarsi una prima volta causando un’infezione localizzata oppure una diffusione (linfatica, ematica o neuronale) e ciò dipende dai caratteri di virulenza di ogni virus. Dalla diffusione possiamo avere viremia (diffusione ematica) oppure il virus si direziona in un organo bersaglio in cui avviene una replicazione secondaria che darà viremia o infezione disseminata.

La penetrazione dei virus può essere passiva e consiste in una immissione diretta del virus nel circolo linfoematico; mentre, un caso comune, per via transcutanea tramite morsicature, siringhe, aghi infetti, inoculazione realizzate da artropodi. La trasmissione dipende da situazione a situazione:

• Respiratoria: dipende dall’ambiente ed è influenzata dalle condizioni economico sociali;
• Gastrointestinale: dipende da condizioni socioeconomiche e scarsa bonifica ambientale;
• Genitale: interessa soggetti adulti, dipende dal grado di promiscuità sessuale;
• Lesioni della cute: a causa di insetti e animali;
• Strumenti chirurgici o trasfusione: condizioni sociali (tossicodipendenti).

I batteri superano le barriere infettando le cellule, attraverso vie che infettano altri distretti con una ulteriore replicazione, che diventi sistemica una malattia batterica è un caso particolare; con i virus invece se c’è manifestazione clinica è già sistemica.

Tropismo

Il tropismo è la capacità di alcuni microrganismi a localizzarsi in un determinato tessuto o popolazione cellulare ed è il risultato dell’interazione dinamica tra svariati fattori del virus e dell’ospite. Abbiamo il tropismo cellulare, in cui i recettori sono specifici e regolazione cellulo-specifica della trascrizione dei geni virali; il tropismo d’organo invece ha un sito d’entrata e uno di diffusione, presenta recettori specifici e dipende dalle caratteristiche proprie dell’organo.

Il tropismo non è una caratteristica legata unicamente al virus, ma dipende anche dalla cellula permissiva, ci deve essere una garanzia. Quando riesce a replicarsi si parla, in base ai criteri di permissività, di infezione produttiva, la cellula è sensibile e permissiva e si avrà un ciclo completo di moltiplicazione virale con produzione di progenie virale infettante; in caso contrario avremo un’infezione abortiva, la cellula sensibile non è completamente permissiva per l’espressione di tutti i geni virali con produzione di prodotti precoci e la cellula può essere infettata da virus difettivi. Quando si presentano casi di permissività non costante si parla di infezione restrittiva.

Tipi di infezioni virali

Secondo la natura dell’infezione, dal tipo di virus e dalla manifestazione possiamo avere:

• Infezioni acute (citocida): successiva alla penetrazione si ha distruzione delle cellule, con finale rimozione del virus;
• Infezioni croniche (persistente): infezione acuta seguita da infezione cronica;
• Infezioni latenti: Herpes, con una prima manifestazione acuta seguita da un’infezione latente e riattivazione periodica;
• Infezioni trasformanti: il virus non si manifesta mai, ma si sintetizza trasformando le cellule ed infettando lentamente (papillomavirus).

I virus che si attaccano alla cellula bloccano le sintesi macromolecolari dell’ospite, infatti va incontro a necrosi:

• Blocco della replicazione del DNA: c’è un’alterazione della capacità di legare la DNA-POLIMERASI e inibizione delle sintesi proteiche;
• Blocco della sintesi del RNA: c’è una diminuzione dell’attività dell’RNA-POLIMERASICA e alterazione del DNA; Blocco del trasferimento RNA NUCLEO → CITOPLASMA;
• Blocco delle sintesi proteiche: arresto di formazione di ribosomi nascenti, disgregazione dei polisomi, alterazione del processo di traduzione.

In base a come possono agire danneggiano la cellula si notano diversi effetti citopatici in vitro:

• Lesioni di tipo degenerativo: virus che si liberano per lisi;
• Formazione di sincizi: virus provvisti di involucro pericapsidico che si fonde con la membrana infetta;
• Lesioni degenerative tardive;
• Inclusioni cellulari;
• Corpi inclusi: a livello nucleare e citoplasmatico.

Formazione dei sincizi e dei corpi inclusi

Una o due cellule si fondono e portano alla formazione di una cellula multinucleata. Sia a livello nucleare che citoplasmatico si formano i corpi inclusi, un ammasso di corpi virali.

Infezioni latenti e persistenti

Noi possiamo avere infezioni latenti perché il genoma rimane nella cellula, e quindi può essere integrato o in forma episomica (plasmide) e che riesce a infettare e dare luogo alla formazione di virioni. Ciò permette varie casistiche in cui si avranno:

• Un’infezione senza effetto citopatico: infezione di cellule non permissive, evoluzione di varianti virali meno citolitiche;
• Permanenza del genoma virale nella cellula: integrazione del genoma cellulare, mantenimento in forma circolare, mantenimento forma episomica in cellule non moltiplicanti;
• Evasione del sistema immunitario.

Infezioni persistenti danno luogo a cronicità e hanno una condizione di parassitismo virale controllato con produzione continua di antigeni virali e virioni infettanti. I meccanismi svolti sono:

• Diffusione a cellule meno permissive;
• Produzione di interferon;
• Rimozione non completa da parte del sistema immunitario;

C’ è una produzione di virus non alta perché le cellule producono sostanze (proteine) che bloccano la replicazione di altri virus e spesso ciò porta danno e la risposta infiammatoria (interferon). Si manifesteranno malattie cronicamente evolutive, lente e disfunzionali.

Infezioni trasformanti

Alcuni virus a DNA e retrovirus, stabiliscono infezioni persistenti che stimolano la replicazione cellulare incontrollata causa la trasformazione o immortalizzazione delle cellule. Diversi virus oncogeni possiedono differenti meccanismi per rendere immortali le cellule, come ad esempio attivando o fornendo geni che stimolano la crescita rimuovendo i meccanismi di inibizione che limitano la sintesi del DNA e crescita cellulare prevenendo l’apoptosi.

In seguito a questo tipo di infezione avvengono delle modifiche biochimiche e antigeniche:

• Cambiamento nella composizione delle glicoproteine di membrana e dei glicolipidi;
• Aumentata attività proteasica;
• Aumentata glicolisi aerobica;
• Diminuita concentrazione di AMP ciclico;
• Comparsa di neoantigeni cellulare di origine fetale;
• Induzione di enzimi connessi alla sintesi del DNA.

Presenza di macromolecole virus-specifiche:

• Genoma virale o parte di esso integrato nel genoma cellulare o libero in forma episomiale;
• Antigeni codificati dal virus;
• RNA messaggeri virus specifici.

Aberrazioni cromosomiche:

• Alterazioni numeriche: aneuploidia;
• Alterazioni strutturali: delezioni, traslocazioni ed altre anomalie cromosomiche spesso non casuali e specificamente associate alla trasformazione indotta da determinati virus oncogeni.

Interferon

L’interferon fa parte dei meccanismi difensivi naturali dell’ospite contro l’ingresso di agenti estranei, un fenomeno a cui le cellule infettate da virus risultano resistenti all’infezione da parte di un secondo virus. Questa proteina agisce sulle cellule rendendole capaci di resistere all’infezione virale. Viene prodotto dalle cellule infettate o lo producono per competizione. Non permette diffusione di altri virus.

• Interferon Alfa;
• Interferon Beta;
• Interferon Gamma.

Sono proteine cellulari indotte da vari stimoli e hanno un’azione non specifica per il virus e non possiedono attività antivirale diretta, ma sono dotate di specificità di specie. La loro persistenza è limitata.

Meccanismo d’azione

C’è inizialmente il rilascio dell’interferon dalle cellule infettate, poi si lega ad uno specifico recettore sulla superficie di un’altra cellula, esso induce uno stato virale con sintesi di protein-chinasi, 2-5’ oligoadenilato sintetasi e ribonucleasi. L’infezione virale della cellula attiva questi enzimi nominati e si verifica l’inibizione della sintesi proteica che blocca la replicazione virale.

Apparato respiratorio

Vediamo quali sono i virus e i batteri che colpiscono questo apparato. Tra batteri abbiamo: streptococcus pneumoniae e micoplasma definiti batteri atipici. Per i virus parleremo di quelli influenzali e del coronavirus, del virus sinciziale.

Ci interessa sapere come si dividono le vie respiratorie: vie aeree superiori e inferiori. A livello delle vie aeree sappiamo dell’epitelio respiratorio su cui sono presenti ciglia perché le ciglia vibratili servono per eliminare i microrganismi, ed il muco. Tra l’altro sull’epitelio abbiamo anche delle cellule che producono dei fluidi, ovvero il muco.

Struttura polmonare: ciglia, cellule epiteliali, cellule caliciformi, cellule staminali e membrana basale.

Nella norma accade che tale differenza essenziale sia:

• Vie aeree superiori: faringe; e le infezioni maggiormente sono a carico di virus (raffreddore ed influenza);
• Vie aeree inferiori: polmoni e bronchi; sono infezioni sono a carico di batteri (es. sinusiti, polmoniti e bronchiti), anche i funghi ed i protozoi possono causare polmoniti ma che agiscono in soggetti immunocompromessi.

(Es. COVID Omicron, vie aeree superiori. Inizialmente il coronavirus dava polmoniti interstiziali ed aveva più facilità ad infettare i polmoni)

Ricorda: i funghi o protozoi infettano le vie respiratorie quando si è immunocompromessi.

I virus più importanti agiscono portando rinite, infezione a livello nasale di origine parainfluenzale, con intervento batterico raro avremo:

• Rinite, infezione al livello del naso in cui la patogenesi è data dai virus e raramente dai batteri;
• Faringite, i virus sono gli stessi della rinite ma possiamo avere herpes simplex, o anche di natura batterica. I patogeni sono causati dallo streptococcus pyogenes e Neisseria gonorrea;
• Stomatite, non abbiamo batteri, ma un'infezione a livello del cavo orale, che può essere causata dall’herpes simplex o dalla candida (mughetto);
• Otite media acuta, dai seni paranasali arrivano batteri (streptococco di gruppo B). Quando c’è sinusite non ci sta la possibilità che possono arrivare virus, bensì batteri;
• Sinusite acuta, stessi batteri dell'otite media;
• Epiglottide, di origine batterica, corynobacterium diphteriae e streptococcus pyogenes;
• Laringite, di origine virulenta con rari casi di batteri come agenti patogeni;
• Bronchite, la più comune è rappresentata da virus; o quelli definiti batteri atipici, che sono batteri particolari in grado di dare una bronchite o una polmonite. Compromissione del parenchima polmonare;
• Polmonite cronica, data dal micobatterio della tubercolosi che ha come obiettivo il polmone con la formazione di tubercoli che si diffondono;
• Ascesso polmonare, si formano dei sacchi in cui c’è un ascesso di origine batterica;
• Empiema, di origine batterica.