Batteriologia - Microbiologia

Batteriologia generale

Classificazione e struttura dei batteri

Classificazione dei batteri

I batteri possono essere classificati in base al loro aspetto, alle caratteristiche di crescita, alle proprietà metaboliche e agli antigeni. Un batterio sferico prende il nome di cocco, un batterio a forma di bastoncello prende il nome di bacillo e un batterio a forma di spirale prende il nome di spirocheta. Alcuni batteri possono formare aggregati in coppie, in catenelle, in ammassi o in grappoli.

La colorazione di Gram è un test che permette di distinguere due principali classi di batteri, in base alle differenze nella parete cellulare. I batteri vengono fissati con il calore e colorati con del cristal-violetto e successivamente lavati con un decolorante; allo stesso tempo viene aggiunto un colorante rosso, chiamato safranina. I batteri Gram-positivi diventano viola-porpora, perché mantengono la colorazione iniziale, mentre i batteri Gram-negativi assorbono il colore rosso, dopo esser stati lavati.

I batteri possono essere classificati anche in base alle loro caratteristiche metaboliche, come la necessità di ambienti aerobi o anaerobi, di sostanze nutritive e la produzione di specifici metaboliti o enzimi.

Struttura dei batteri

I batteri non possiedono un nucleo definito e il loro DNA, costituito da un’unica molecola a doppio filamento circolare, è organizzato in una struttura chiamata nucleoide; non sono presenti istoni che condensano il DNA batterico. Oltre al cromosoma principale, i batteri possono contenere una o più molecole accessorie di DNA, chiamate plasmidi, che conferiscono ai batteri geni per la resistenza agli antibiotici o per la produzione di tossine.

La membrana citoplasmatica dei batteri è formata da un doppio strato di fosfolipidi, simile alla membrana degli eucarioti, ma nella maggior parte dei casi non sono presenti steroli; la membrana è circondata da uno strato di peptidoglicano che conferisce rigidità alla cellula e forma la parete cellulare: le differenze fra batteri Gram-positivi e Gram-negativi sono dovute alla diversa struttura della parete cellulare.

I batteri Gram-positivi possiedono una spessa parete cellulare costituita soprattutto da peptidoglicano, un reticolo rigido formato da unità ripetute dei disaccaridi N-acetil-glucosammina e acido N-acetil-muramico (GlcNAc e MurNAc), dei quali l’ultimo è legato a un tetrapeptide che forma legami crociati responsabili della struttura della parete. Oltre a questi componenti sono presenti anche acidi teicoici e lipoteicoici, importanti fattori di virulenza e antigeni di superficie.

La parete cellulare dei batteri Gram-negativi contiene un sottile strato di peptidoglicano, privo di acidi teicoici e lipoteicoici, circondato da una membrana esterna, caratterizzata da una struttura asimmetrica: nel foglietto interno sono presenti gli stessi fosfolipidi che si ritrovano anche nella membrana plasmatica, mentre il foglietto esterno è formato dal lipopolisaccaride (LPS). Il LPS è formato dal lipide A, responsabile dell’attività endotossica, dal core polisaccaridico e dall’antigene O; una variante del LPS è il LOS, presente nelle specie di Neisseria, che è sprovvisto dell’antigene O. Il LPS è detto anche endotossina ed è un potente stimolatore dell’immunità: questo attiva le cellule B e induce i fagociti a secernere grandi quantità di IL-1 e TNF, inoltre induce la febbre e può causare shock.

Spore

Alcuni batteri Gram-positivi (mai i Gram-negativi) sono sporigeni: in condizioni difficili questi batteri possono passare da uno stato vegetativo a uno quiescente di spora, che consente ai batteri di sopravvivere in “stand-by”.

In condizioni ambientali difficili, si ha la duplicazione del cromosoma e una copia del DNA e il contenuto del citoplasma vengono circondati dalla membrana, dal peptidoglicano e dalla membrana del setto; questa avvolge il DNA ed è circondata dalla corteccia, a sua volta ricoperta da un rivestimento cheratino-simile che protegge la spora.

Patogenesi batterica

Vie di accesso

I batteri penetrano all’interno dell’organismo attraverso la cute e le mucose, che normalmente possiedono meccanismi che rendono difficile l’accesso dei batteri, tuttavia se non sono integre possono fornire una via d’accesso: infatti la cute può essere facilmente superata se presenta tagli o lesioni, sia di origine accidentale sia tenuti aperti da dispositivi medici. Le mucose sono protette dal muco e dall’epitelio ciliato nel tratto respiratorio, mentre il tratto gastrointestinale è protetto dal lisozima, dall’acidità e dalla bile. Alcuni batteri sono però insensibili a questi meccanismi di difesa o hanno sviluppato dei mezzi per eluderli.

Diversi batteri colonizzano diverse parti del corpo e usano meccanismi specifici per aderire e colonizzare le varie superfici. Molti batteri possiedono adesine, proteine di adesione che si trovano all’apice dei pili e si legano saldamente a specifici zuccheri presenti nel tessuto bersaglio. Una particolare struttura che facilita l’adesione è il biofilm, una ragnatela vischiosa di polisaccaridi che lega i batteri fra loro e alle superfici; il biofilm può anche proteggere i batteri dalle difese dell’ospite e dall’azione degli antibiotici.

Azione patogena

I batteri producono sostanze dannose per i tessuti, inoltre molti batteri producono enzimi che danneggiano i tessuti in modo da procurarsi sostanze nutritive per la loro crescita. I batteri possono anche produrre tossine che danneggiano direttamente i tessuti o innescano processi distruttivi, come enzimi degradativi o sostanze che innescano una stimolazione incontrollata del sistema immunitario; le tossine sono spesso responsabili delle manifestazioni cliniche delle malattie causate dai batteri che le producono.

Le esotossine sono proteine che includono enzimi citolitici e proteine che legano un recettore specifico, alterando le funzioni cellulari o uccidendo le cellule; in molti casi il gene della tossina si trova in un plasmide o in un fago lisogeno. Le tossine citolitiche includono enzimi che danneggiano le membrane, favorendo la perdita di ioni e acqua dalla cellula, danneggiando la cellula o provocando la lisi cellulare. Molte tossine sono tossine dimeriche A-B, in cui la subunità B lega un recettore sulla cellula, mentre la subunità A viene trasferita all’interno ed esplica la sua azione dannosa. I superantigeni sono un particolare gruppo di tossine che attivano un enorme numero di linfociti T, i quali rilasciano grandi quantità di IL-1, TNF e IL-2, causando una risposta rischiosa per la vita del paziente.

Le endotossine sono componenti della parete cellulare batterica che si legano ai TLR e ad altre molecole che stimolano la produzione di citochine. La porzione A del LPS è un potente attivatore della risposta infiammatoria ed è denominato endotossina; reazioni simili, più deboli, si verificano anche a causa degli acidi teicoici e lipoteicoici. A basse concentrazioni l’endotossina stimola risposte protettive come la febbre e l’attivazione delle risposte immunitarie e infiammatorie, ma ad alti livelli la risposta immunitaria può essere eccessiva e provocare uno stato di shock tossico o persino la morte. Le alte concentrazioni di endotossina possono attivare la via alternativa del complemento e la produzione di anafilotossine, contribuendo alla vasodilatazione e all’aumento della permeabilità capillare; in combinazione con gli elevati livelli di TNF e IL-1 provoca ipotensione e shock. La CID (coagulazione intravascolare disseminata) può essere il risultato dell’attivazione della cascata della coagulazione.

Immunopatogenesi ed elusione delle difese dell'ospite

In alcuni casi i sintomi dell’infezione possono essere il risultato di risposte immunitarie eccessive nei confronti di un’infezione: se le risposte di fase acuta costituiscono una risposta protettiva, queste possono anche essere responsabili di febbre e malessere e, quando eccessive, dei sintomi potenzialmente mortali associati alla sepsi: i fagociti e l’attivazione del complemento possono danneggiare i tessuti; l’attivazione del complemento può essere responsabile dell’aumentata permeabilità vascolare; la tempesta di citochine in seguito al contatto con superantigeni possono causare shock e alterazioni sistemiche. Inoltre alcune componenti batteriche possono cross-reagire con alcune componenti dell’ospite e provocare risposte autoimmuni, mentre gli immunocomplessi possono depositarsi nei tessuti e scatenare risposte infiammatorie.

I batteri possiedono diversi meccanismi che permettono loro di eludere le risposte dell’ospite. La capsula è uno dei più importanti fattori di virulenza e protegge i batteri dal sistema immunitario e dalla fagocitosi; in genere è costituita da polisaccaridi poco immunogeni. Anche il biofilm può impedire agli anticorpi e alle proteine del complemento di raggiungere i batteri. I batteri possono eludere le risposte prevendo l’accesso dei componenti del sistema del complemento alla membrana batterica, ma anche per mezzo della variazione antigenica, dell’inattivazione degli anticorpi o crescendo all’interno delle cellule dell’ospite. I fagociti sono una delle più importanti difese nei confronti dei batteri, ma molti di questi possono eludere la fagocitosi, producendo enzimi in grado di lisare i fagociti o rendendosi inaccessibili a queste cellule. Altri batteri inoltre possono bloccare la formazione del fagolisosoma e sopravvivono in questo modo all’interno della cellula, dove si rendono inaccessibili al sistema immunitario e da cui si possono diffondere all’intero organismo.

Microbiota umano

Per microbiota si intende l’insieme dei microbi che vivono stabilmente all’interno di un organismo, con cui stabiliscono un rapporto dualistico. Il microbiota intestinale viene influenzato da caratteristiche genetiche dell’ospite, dalla prima colonizzazione e dall’uso o abuso di antibiotici, oltre che dall’età e dalla dieta. Una disbiosi è l’alterazione dell’equilibrio del microbiota ed è caratterizzata dalla perdita delle specie commensali a vantaggio di specie potenzialmente patogene, definite patobionti; le disbiosi intestinali sono malattie tipiche dei Paesi industrializzati.

L’intestino del feto è esposto al microbiota della madre, per cui l’alimentazione ha un impatto sulla colonizzazione dell’intestino del feto e quindi sulle future disbiosi a cui può andare incontro; alla nascita il feto viene in contatto con i microrganismi della vagina, dell’intestino, della cute della madre e dell’ambiente esterno. Il periodo neonatale è fondamentale per la colonizzazione e la formazione di un microbiota sano: la mancanza di un robusto microbiota (ipotesi dell’igiene) nei primi mesi di vita causa difetti nello sviluppo e nella regolazione del sistema immunitario, con conseguente perdita della tolleranza ad antigeni alimentari, infatti la sterilizzazione eccessiva degli oggetti con cui il bambino entra in contatto è dannosa, in quanto il contatto con i microbi è fondamentale: se non avvengono questi contatti, i TLR inducono il sistema immunitario verso l’ipersensibilità, una condizione tipica dei Paesi occidentali, in cui si osserva un incremento delle reazioni allergiche, del diabete di tipo 1 e di altre manifestazioni autoimmuni.

I microrganismi che colonizzano l’intestino nelle prime ore di vita sono stafilococchi, streptococchi ed enterobatteri, che preparano l’ambiente per l’arrivo dei lattobacilli; con l’inizio dell’allattamento al seno prevalgono i bifidobatteri, mentre nei bambini nutriti con il latte artificiale predominano i patobionti. Nel latte e nel colostro è presente la lattoferrina, dotata di effetti antinfiammatorio, quindi tiene sotto controllo il sistema immunitario del neonato e promuove l’omeostasi intestinale.

Un lavoro del 2010 svolto in Italia e Burkina Faso ha evidenziato che prima dell’introduzione della dieta solida i bambini allattati al seno presentano un microbiota in cui dominano i bifidobatteri, senza influenze genetiche o di condizioni climatiche, mentre in seguito all’introduzione della dieta, caratterizzata da legumi, cereali e polisaccaridi vegetali in Burkina Faso e da latticini e carni in Italia, si aveva lo sviluppo di differenti microbiota.

Le funzioni del microbiota sono molteplici: forniscono energie, degradando polisaccaridi vegetali e carboidrati, producono vitamine come la vitamina K, producono acidi grassi a corta catena e partecipano al metabolismo di sostanze esogene come i farmaci; i polisaccaridi non digeribili, come le fibre alimentari, vengono degradati dagli enzimi dei batteri presenti nell’intestino, i quali controllano anche la crescita dei patobionti attraverso modifiche del pH.

Lo stomaco contiene acido cloridrico e il pH di questo ambiente è sfavorevole alla crescita microbica, per cui si ritrovano solo batteri acido-tolleranti come H. pylori, una delle maggiori cause di gastrite ed ulcera gastrica; la popolazione varia enormemente in seguito all’assunzione di farmaci in grado di neutralizzare o ridurre l’acidità dello stomaco.

L’intestino tenue viene colonizzato da diversi microrganismi anaerobi; l’intestino crasso contiene invece un enorme numero di batteri, oltre 10¹¹ per grammo di feci: fra i più comuni si ritrovano Bifidobacterium, Eubacterium, Bacterioides ed Enterococcus, appartenenti alla famiglia delle Enterobacteriaceae, ed E. coli che si riscontra in tutti gli individui e rappresenta meno dell’1% della popolazione intestinale, anche se è il principale responsabile di malattie intraddominali. La terapia antibiotica può alterare la popolazione microbica e causare la proliferazione di specie antibiotico-resistenti, come Pseudomonas e C. difficile, che causa patologie che vanno da una lieve diarrea alla colite pseudomembranosa.

Batteriologia speciale

1 - Staphylococcus

Struttura

• Cocchi Gram-positivi di 1 µm, immobili e capsulati, disposti in grappoli.
• Aerobi-anaerobi facoltativi, catalasi-positivi.
• Specie patogene importanti: S. aureus, S. epidermidis e S. haemolyticus.

Patogenesi

Fattori di virulenza:

• Peptidoglicano. Possiede attività simil-endotossica, stimola il rilascio di pirogeni endogeni e causa infiammazione.
• Capsula. Protegge da fagocitosi e opsonizzazione; è di natura polisaccaridica, è immunogena e può essere neutralizzata da anticorpi.
• Adesine. Fra cui la fibronectina, sono importanti per l’adesione ai tessuti dell’ospite.
• Proteina A. Lega le immunoglobuline e forma immunocomplessi che consumano i fattori del complemento.
• Catalasi. La catalasi scinde il perossido d’idrogeno prodotti dai fagociti, permettendo ai batteri di sopravvivere all’interno di questi.
• Coagulasi. Converte il fibrinogeno in fibrina, formando un coagulo che protegge i batteri dalla fagocitosi.
• Ialuronidasi. Idrolizza l’acido ialuronico del tessuto connettivo.
• Stafilochinasi. Discioglie i coaguli di fibrina.
• Lipasi. Permettono ai batteri di sopravvivere nelle aree ricche di sebo della cute.

Tossine:

• Tossina α. Si integra nelle membrane cellulari, formando pori che lasciano passare gli ioni, provocando rigonfiamento e lisi cellulare.
• Tossina β. Labile al calore, specifica per la sfingomielina, catalizza l’idrolisi dei fosfolipidi di membrana.
• Tossina γ. Prodotta da molti stafilococchi, agisce distruggendo le membrane con attività simil-detergente.
• Tossina δ e tossina di Panton-Valentine. Formano pori sulle membrane, con incremento della permeabilità e instabilità osmotica.
• Tossina esfoliativa. Tossina termo-labile che agisce sui desmosomi dell’epidermide, provocando ampi scollamenti della cute.
• Enterotossine. Tossine resistenti al calore e all’acidità, sono responsabili delle tossinfezioni alimentari e agiscono come superantigeni.
• Tossina dello shock tossico. Tossina termo-stabile che agisce come superantigene e induce il rilascio di citochine e mediatori dell’infiammazione, portando a shock e insufficienza multiorgano.

Sindromi cliniche

• Sindrome stafilococcica della cute scottata. Colpisce soprattutto neonati e bambini ed è causata da ceppi produttori di tossina esfoliativa; la malattia è causata da un eritema localizzato e da desquamazione della pelle, con formazione di bolle e vesciche. La mortalità è del 5% ed è in genere dovuta a superinfezioni batteriche.
• Impetigine bollosa. Forma localizzata di SSSS, altamente contagiosa.
• Intossicazione alimentare. Causata dall’ingestione di cibo contaminato con enterotossina preformata, che si ritrova soprattutto nella carne lavorata, nel latte e nei latticini. Ha un’insorgenza improvvisa (4h) e un rapido decorso (24h) ed è caratterizzata da vomito, diarrea acquosa e dolori addominali.
• Sindrome da shock tossico. Causata da ceppi produttori di tossina, le manifestazioni cliniche comprendono febbre, ipotensione ed eruzioni cutanee e sono coinvolti diversi organi e apparati; la porpora fulminante è una forma particolarmente grave caratterizzata da lesioni cutanee, febbre e CID.
• Infezioni cutanee. Soprattutto impetigine, altamente contagiosa caratterizzata da una macula che evolve in una vescicola purulenta che si trasforma in crosta, e follicolite, infezione dei follicoli piliferi. Si possono anche avere infezioni di ferite in seguito a traumi o interventi chirurgici.
• Batteriemia ed endocardite. La batteriemia è dovuta alla diffusione dei batteri dal sangue alla cute ed è una conseguenza dell’infezione dei cateteri vascolari nei pazienti ospedalizzati; l’endocardite è dovuta alla distruzione delle valvole cardiache da parte dei batteri.
• Altre infezioni invasive. Polmonite da aspirazione, polmonite necrotizzante, osteomielite e artrite settica.

Trattamento e prevenzione

• Resistente a penicillina e altri β-lattamici, a causa della produzione di penicillinasi (MRSA); aumento della resistenza alla vancomicina (VMRSA).
• Trattamento con tetracicline o vancomicina.