Appunti schematici di microbiologia medica

Compendio di batteriologia

Farmaci antibatterici

Gli antibiotici sono sostanze a basso peso molecolare che possono:

• Impedire al batterio di dividersi (batteriostatici)
• Uccidere il batterio (battericidi)

Tossicità selettiva: l'antibiotico deve essere tale da riconoscere recettori presenti sulla membrana del batterio ed essere il meno possibile dannoso per l'organismo.

Scoperta di un nuovo antibiotico

Per scoprire un nuovo antibiotico devo:

1. Trovare una molecola che venga riconosciuta da recettori presenti sulla membrana del batterio.
2. Isolarla e sintetizzarla.

I farmaci antibatterici si differenziano in base a dove agiscono nel batterio.

Antibiotici che inibiscono la sintesi del peptidoglicano

Antibiotici β-lattamici

Sono antibiotici battericidi costituiti da una molecola organica che presenta l'anello β-lattamico. Si legano alle PBP, come le transglicosilasi e le transpeptidasi, e impediscono la formazione del cell wall. Questi antibiotici presentano due caratteristiche:

1. Riconoscono un bersaglio che non è assolutamente presente nell'uomo, ovvero le PBP. Tuttavia, le penicilline sono degli apteni: non innescano una risposta anticorpale ma si legano agli anticorpi, rendendo una proteina dell'organismo un antigene completo.
2. Possono essere inibite da enzimi che si chiamano β-lattamasi.

I batteri possono sviluppare dei sistemi di difesa contro questi antibiotici:

• Bloccare l'interazione tra antibiotico e PBP.
• Impedire il legame tra PBP e antibiotico.
• Aumentare la produzione di PBP. È raro, ma in questo modo le PBP sono sempre in numero maggiore rispetto all'antibiotico.
• Aumentare l'escrezione di antibiotico.
• Modificare l'antibiotico in modo da inattivarlo.
• Usare le β-lattamasi. Sono enzimi che distruggono l'anello β-lattamico. Ne esistono di quattro tipi da A a D. Esistono β-lattamasi ad ampio spettro e β-lattamasi specifiche.

Penicilline

Sono antibiotici derivati da una muffa, la Penicillium chrysogenum. Nella forma naturale l'antibiotico è inattivato dagli acidi ed è efficace contro gli streptococchi β-emolitici, i meningiococchi e batteri aerobi gram-positivi; mentre risulta poco efficace contro gli stafilococchi e i bacilli aerobi e anaerobi gram-negativi. La penicillina G è la penicillina naturale ed è stata la prima ad essere usata. Data la sua scarsa resistenza agli acidi, deve essere iniettata direttamente in vena. La forma biochimicamente modificata delle penicilline conferisce loro una maggiore resistenza agli acidi, un migliore assorbimento al livello intestinale ed uno spettro più ampio contro i batteri gram-negativi. La penicillina V si somministra per via orale. Esistono poi le penicilline ad ampio spettro che sono efficaci contro i cocchi gram-positivi come la variante naturale. Alcune penicilline sono penicillinasi-resistenti, poiché vengono degradate dalle penicillinasi batteriche e diventano più efficaci contro gli stafilococchi. Infine, alcune penicilline sono somministrate con inibitori della β-lattamasi e sono più efficaci contro gli stafilococchi e i bacilli gram-negativi.

Cefalosporine e cefamicine

Le cefalosporine sono antibiotici che derivano dall'acido 7-amminocefalosporanico prodotto dalla muffa Cafalosporium. Le cefamicine derivano dalle cefalosporine per sostituzione con l'ossigeno dell'atomo di zolfo nell'anello diidrotiazinico. Sono più efficaci rispetto alle penicilline ed hanno anche proprietà farmacologiche superiori: emivita più lunga. Le cefalosporine si distinguono in base alla generazione: le cefalosporine di prima generazione sono a spettro ristretto e sono efficaci contro batteri gram positivi, Proteus, Escherichia coli, Klebsiella; quelle di seconda generazione sono a spettro allargato e sono efficaci contro i gram positivi, Serratia, Enterobacter, Citrobacter, Haemophilus. Quelle di terza e quarta generazione sono ad ampio spettro e sono più efficaci contro i gram positivi, in particolare Pseudomonas aeruginosa. Purtroppo, i batteri gram negativi hanno sviluppato una resistenza a questi antibiotici, rendendoli inutilizzabili.

Altri farmaci β-lattamici

• Carbapenemici: sono antibiotici ad ampio spettro usati comunemente. Resistono alle β-lattamasi e quindi permettono la terapia nei casi di batteri che possiedono β-lattamasi di vario tipo. I carbapenemasi sono batteri che resistono ai carbapenemici. Ne fanno parte i KPC, come la Klebsiella pneumoniae e alcuni Coli.
• Monobattamici: sono efficaci solo contro batteri aerobi gram negativi.

Glicopeptidi

La vancomicina è un antibiotico prodotto dallo Streptomyces orientalis. È un antibiotico molto efficace contro i gram-positivi. Agisce al livello della sintesi del peptidoglicano, infatti distrugge i ponti D-alanina – D-alanina portando il batterio a lisi. È inefficace contro i batteri gram-negativi, perché non riesce a passare attraverso i pori che si trovano sulla outer membrane. Alcuni batteri hanno una resistenza intrinseca all'antibiotico, come il Lactobacillus che possiede ponti D-alanina – D-lattato. Un altro batterio resistente è l'Enterococcus faecalis che possiede un plasmide di resistenza. Il problema è che questo plasmide è trasmissibile per coniugazione; per cui capita che venga trasferito allo S. aureus che diventa quindi pluriresistente e molto pericoloso.

Lipopeptidi

La daptomicina è un antibiotico che deriva dallo Streptomyces roseosporus. Agisce sulla membrana plasmatica depolarizzandola e distruggendo i gradienti ionici. È molto efficace contro i gram-positivi, mentre è inefficace contro i gram-negativi perché non riesce ad attraversare la membrana esterna.

Polipeptidi

La bacitracina è un antibiotico che deriva dallo Streptomyces licheniformis. Agisce impedendo la defosforilazione del trasportatore lipidico che trasporta il precursore del peptidoglicano dal citoplasma al cell wall. Le polimixine agiscono come detergenti della membrana plasmatica.

Isoniazide ed etionamide

Agiscono contro i micobatteri inibendo la sintesi dell'acido micolico.

Etambutolo

Impedisce la sintesi dell'arabinogalattano.

Cicloserina

Inibisce la D-alanina – D-alanina sintetasi e l'alanina racemasi.

Antibiotici che inibiscono la sintesi proteica

Sono antibiotici che hanno come target i ribosomi batterici. Si dividono in due categorie:

• Antibiotici che si attaccano alla subunità 30S del ribosoma
• Antibiotici che si attaccano alla subunità 50S del ribosoma

Antibiotici che si attaccano alla subunità 30S del ribosoma

Aminoglicosidi

Sono antibiotici aminoglicosidici formati da aminozuccheri legati con un legame glicosidico a una molecola di aminociclitolo. Comprendono la streptomicina, la neomicina, la kanamicina. Questi antibiotici attraversano la membrana esterna, il cell wall e raggiungono il citoplasma. Qui si legano alla subunità 30S del ribosoma. In questo modo si producono proteine aberranti e la sintesi proteica del batterio viene interrotta. Sono principalmente usati nella terapia contro batteri gram-negativi. Siccome il passaggio attraverso la membrana plasmatica è un processo aerobio, l'antibiotico è inefficace contro tutti gli anaerobi. La streptomicina è l'unico antibiotico ad essere efficace contro la tubercolosi. La resistenza a questi antibiotici può essere causata da:

• Modificazioni del sito di legame con il ribosoma.
• Ridotta penetrazione dell'antibiotico.
• Aumento dell'eliminazione dell'antibiotico.
• Modificazione dell'antibiotico da parte del batterio, che è la più comune.

Tetracicline

Sono batteriostatici che si legano alla subunità 30S del ribosoma. Sono efficaci contro Chlamydia, Mycoplasma, Rickettsia ed altri batteri gram positivi e negativi. Il meccanismo di resistenza più comune a questo antibiotico è l'aumentata velocità di eliminazione attiva. Un altro sistema consiste nella produzione di proteine che proteggono la subunità 30S, per cui l'antibiotico si lega ma non altera la sintesi proteica.

Glicicicline: tigeciclina

Antibiotici che si legano alla subunità 50S del ribosoma

Ossazolidinoni

Sono antibiotici a spettro ristretto. Il lineazid si lega alla subunità 50S del ribosoma. È efficace contro stafilococchi, streptococchi ed enterococchi.

Macrolidi

L'eritromicina è il macrolide di riferimento. È caratterizzato da un anello lattone legato a desosamina e cladinosio. Si lega al rRNA 23S della subunità 50S e impedisce l'allungamento del peptide.

Chetolidi

Sono derivati dall'eritromicina. La telitromicina si lega alla subunità 50S del ribosoma e blocca la sintesi proteica.

Clindamicina: blocca l'allungamento del peptide legandosi alla subunità 50S del ribosoma.

Streptogramine

Sono peptidi ciclici di cui fa parte la quinupristin-dalfopristin. Al dalfopristin lega la subunità 50S del ribosoma, impedisce l'allungamento del peptide e facilita il legame con la quanupristin che induce il rilascio prematuro delle catene peptidiche dal ribosoma.

Antimetaboliti

Sono antibiotici che bloccano una o più vie metaboliche.

Sulfamidici

Sono antibiotici che bloccano la sintesi dell'acido folico. Siccome i mammiferi non producono acido folico, non vanno a danneggiare l'organismo. Il dapsone inibisce la diidropteroato sintasi, invece il trimetoprim inibisce la diidrofolato-reduttasi e blocca la sintesi dell'acido folico.

Stafilococchi e altri cocchi gram positivi

Gli stafilococchi sono cocchi che si raggruppano a formare strutture a grappolo. Si dividono in:

• Stafilococchi aerobi catalasi positivi
• Stafilococchi anaerobi catalasi positivi
• Stafilococchi anaerobi catalasi negativi

[La catalasi è un enzima che scinde l'acqua ossigenata in acqua e ossigeno molecolare. Per vedere se un batterio lo produce basta versare in coltura un po' di H₂O₂; se si formano piccole bollicine significa che è presente la catalasi].

Caratteristiche degli stafilococchi e di altri cocchi gram positivi

Sono cocchi gram-positivi, aerobi e anaerobi facoltativi, catalasi positivi o negativi e resistono a temperature non superiori ai 40°C. Sono batteri ubiquitari: si trovano sulla cute e alcuni si concentrano in nicchie di crescita: narici anteriori (Staphylococcus aureus), cute ascellare (staphylococcus hominis), fronte (staphylococcus capitis), feci (staphylococcus fecium e fecalis), alimenti. Sono tutti batteri di interesse clinico perché sono patogeni per l'uomo, in particolare lo Staphylococcus aureus.

Struttura di Staphylococcus aureus

Capsula e strato gelatinoso

Esternamente troviamo la capsula che è costituita da polisaccaridi. Ci sono circa 15 sierotipi diversi di capsula, più o meno patogeni. Lo strato gelatinoso, invece, è formato da monosaccaridi e peptidi e proteine e permette ai batteri di aderire alla superficie di cateteri, stent e trapianti valvolari ed è quindi indispensabile alla loro sopravvivenza.

Cell wall

Il peptidoglicano è formato da unità di NAG e NAM, le cui catene peptidiche sono legate da ponti trasversali, in particolare da pentaglicine che collegano la L-lisina con la D-alanina. Nel peptidoglicano troviamo acidi teicoici e lipoteicoici, proteina A e coagulasi.

Membrana cellulare

Patogenesi dello Staphylococcus aureus

È legata principalmente a due fattori:

• La capacità del batterio di eludere le difese immunitarie dell'organismo.
• Secrezione di tossine.

Capacità di eludere le difese immunitarie dell'organismo

Capsula e strato gelatinoso

Una volta penetrato nell'organismo, il batterio può essere opsonizzato da opsonine o dalla proteina C3 del complemento. In questo caso la capsula impedisce la fagocitosi del batterio, garantendone la sopravvivenza. Tuttavia, nel caso in cui vengano prodotti anticorpi specifici contro lo stafilococco, questo viene fagocitato.

Tossine

Lo Staphylococcus aureus secerne vari tipi di tossine: citolisine, enterotossine, tossine esfolianti, tossina-1 da sindrome di shock settico.

Citolisine

• Citolisina α: è una tossina che agisce formando pori sulla membrana della cellula. Dal poro fuoriescono ioni potassio ed entrano sodio e calcio, causando la lisi della cellula. Le cellule colpite sono eritrociti, piastrine, epatociti.
• Citolisina β: colpisce gli eritrociti, i macrofagi e i linfociti.
• Citolisina δ: ha un effetto ad ampio spettro. Agisce al livello della membrana plasmatica.
• Citolisina γ e leucocidina P-V: colpiscono prevalentemente i leucociti.

Tossine esfolianti

Sono delle serin-proteasi che distruggono la desmogleina, una proteina che tiene legate le cellule dello strato granuloso dell'epidermide. Esistono in due forme: una termostabile e una termolabile.

Enterotossine

Sono tossine che agiscono a livello intestinale e causano enterocoliti.

Tossina-1 da sindrome dello shock settico (TSST1)

Causa la sindrome da shock settico.

Altri fattori di patogenicità

Altri fattori di patogenicità sono enzimi prodotti dal batterio. Lo Staphylococcus aureus produce la coagulasi, un enzima che trasforma il fibrinogeno in fibrina. La coagulasi può trovarsi sulla membrana del batterio oppure libera. Nel primo caso si formano dei coaguli frammisti a colonie di stafilococchi, nel secondo caso si formano coaguli sparsi in circolo. Altri stafilococchi producono ialuronidasi, lipasi, nucleasi.

Sindromi

• Sindrome di Ritter (da cute scottata): interessa i bambini piccoli ed è causata dalla tossina esfoliante. Si formano bolle su tutto il corpo e se si preme su di esse la cute si desquama. La desquamazione coinvolge tutto il corpo, compresa la cute plantare e dei palmi delle mani. All'interno delle bolle è presente un liquido trasparente privo sia di batteri che di leucociti e questa è la prova che la sindrome è causata da una tossina. La cute si rigenera nel giro di 7-10 giorni e non lascia segni, perché la desquamazione interessa solo l'epidermide.
• Impetigine bollosa: coinvolge bambini piccoli ed è causata dalla tossina esfoliante. Si formano bolle ben definite soprattutto nella regione facciale. È contagiosa.
• Enterocolite: è causata da stafilococchi che producono enterotossine. Questi batteri non sopravvivono ad alte temperature, tuttavia l'enterotossina termostabile può resistere anche a temperature di 100°C. I cibi a rischio sono le carni lavorate, il gelato e i prodotti caseari. I sintomi si manifestano 4-5 ore dopo l'ingestione, dato che la tossina è già presente sul cibo, e comprendono diarrea, vomito, nausea, talvolta cefalea. La terapia antibiotica è inutile, dato che i sintomi sono causati dalla tossina e non dal batterio.
• Sindrome da shock tossico: è causata dalla TSST1. Colpisce soprattutto i bambini. Il contagio avviene per esposizione al batterio di tessuto non integro. Dopo poche ore il paziente manifesta eruzioni cutanee, nausea, vomito e febbre. I sintomi regrediscono non appena il sistema immunitario ha prodotto anticorpi specifici. A volte il paziente non produce anticorpi, anche se è guarito dalla malattia, per cui la sindrome è recidivante.
• Sindromi cutanee:
  • Foruncoli
  • Favi
  • Impetigine bollosa
• Batteriemia ed impetigine bollosa.
• Polmonite ed empiema.
• Osteomialgia ed artrite settica.

Streptococchi

Gli streptococchi sono una categoria eterogenea di batteri. Sono cocchi grampositivi che si organizzano a formare catene corte o lunghe, sono per la maggior parte anaerobi facoltativi e catalasi negativi. Per proliferare hanno bisogno di un terreno arricchito con sangue, mentre il glucosio rallenta la loro crescita. Gli streptococchi si classificano in base a tre criteri:

• Gruppo di Lancefield: Rebecca Lancefield suddivise gli streptococchi in vari gruppi da A a W.
• Emolisi: esistono tre tipi di emolisi: l'α emolisi che è parziale; la β emolisi che è totale e infine la γ emolisi che indica l'assenza di attività emolitica.
• Caratteristiche fisiologiche.

Streptococcus pyogenes

È un cocco grampositivo di forma sferica che si organizza a formare catene corte in vivo e catene più lunghe in terreni liquidi. È catalasi negativo. Per sopravvivere ha bisogno di un terreno arricchito con sangue, mentre la sua crescita è rallentata dalla presenza di glucosio e perossido di idrogeno. Appartiene al gruppo A di Lancefield.

Struttura

Il peptidoglicano è analogo a quello presente in tutti gli altri batteri grampositivi. Sulla superficie del cell wall troviamo antigeni gruppo- e tipo-specifici. L'antigene gruppo A specifico è costituito da NAG e ramnosio; invece l'antigene tipo-specifico è rappresentato dalla proteina M. Questa proteina è ancorata con l'estremità C-terminale, che è la parte costante, alla membrana cellulare; mentre l'estremità N-terminale, che è la regione variabile, è rivolta all'esterno. Si distinguono due classi di proteina M: la classe I esposta e la classe II non esposta. Altre proteine di superficie sono: la proteina tipo-M, che assomiglia alla proteina M, e gli acidi lipoteicoici e la proteina F, che sono importanti nell'adesione del batterio alla cellula ospite. Alcuni tipi di S. pyogenes presentano capsula e questi sono i più virulenti. Lo S. pyogenes è in grado di eseguire la β emolisi, infatti attorno alle colonie batteriche si forma un alone trasparente.

Patogenesi

La patogenicità deriva dalla capacità del batterio di evitare la fagocitosi, aderire alla cellula ospite e produrre tossine. La capsula rappresenta un sistema che impedisce la fagocitosi. Infatti, è costituita da acido ialuronico identico a quello delle cellule dai mammiferi. Per questo motivo il batterio non viene riconosciuto dal sistema immunitario finché non vengono prodotti antigeni specifici contro la capsula. L'adesione del batterio è mediata inizialmente dagli acidi.