Batteriologia generale

Batteriologia generale

Classificazione dei batteri

Nella vecchia classificazione di Whittaker i batteri costituivano il regno dei monera insieme alle alghe azzurre, un regno che comprende organismi unicellulari semplici con pochi organelli. Questa classificazione è stata sostituita da una più recente che riconosce tre regni: Bacteria, Archea ed Eukarya. Sono presenti quindi due tipi di regni per i batteri.

Gli archibatteri sono i più antichi comparsi sulla Terra, ma sono stati scoperti per ultimi, attorno agli anni ’70. Essi sono dei procarioti con caratteristiche simili alle cellule eucariotiche. Da questo si è stabilito che gli archibatteri sono stati i progenitori delle cellule batteriche e delle cellule eucariotiche. Il regno degli archibatteri comprende circa 100 specie e sono batteri che vivono in condizioni estreme; il loro ritrovamento è stato quindi più difficoltoso rispetto agli altri batteri che colonizzano la Terra.

• Metanogeni, cioè in grado di produrre metano a partire da anidride carbonica
• Termoacidofili, che sono sia batteri termofili sia acidofili
• Alofiloestremi, che sono batteri in grado di sopportare elevate pressioni osmotiche. Possono vivere ad una salinità eccezionale, 15%-20%

Non si conoscono ad oggi archibatteri in grado di determinare infezioni nell’uomo, proprio per le condizioni estreme in cui vivono e si replicano. Se rimossi dal loro ambiente non sono in grado di sopravvivere.

Gli eubatteri sono invece i più abbondanti e soltanto una piccola parte di essi è in grado di determinare delle infezioni negli animali. I batteri patogeni sono quindi un numero estremamente limitato rispetto ai batteri presenti nell’ambiente. Spesso i batteri sono utili a fini industriali per la produzione di metaboliti secondari, per la produzione di antibiotici, per la produzione di prodotti fermentati. Essi hanno una versatilità metabolica enorme e sono in grado di produrre molti composti dalla fermentazione degli zuccheri; possono quindi determinare l’aroma degli alimenti.

Anche i batteri, che normalmente non sono in grado di determinare infezione in un ospite, possono diventare patogeni in determinate condizioni: ad esempio in caso di immunosoppressione dovuta a farmaci antitumorali o squilibri ormonali. Questi batteri sono detti opportunisti, perché sono in grado di infettare un ospite solo in caso di immunosoppressione.

• Presenza di fattori virulenti
• Assenza di difese adatte

Tra il batterio totalmente innocuo e il batterio sempre virulento è chiaro che esistono batteri che possono diventare virulenti in base alle condizioni di difesa dell’ospite. In individui ustionati ad esempio anche batteri poco virulenti sono in grado di determinare l’infezione.

Caratteristiche per la classificazione di un organismo

In generale il batterio è costituito da una cellula senza DNA lineare con un cromosoma che normalmente è associato in un nucleoide, che viene mantenuto compattato da proteine simil-istoniche. Possono essere presenti dei plasmidi nella cellula, ovvero DNA addizionale che conferisce funzioni aggiuntive.

La caratteristica fondamentale dei batteri è che al di sopra della membrana plasmatica è presente una struttura detta parete batterica o mureina: è una struttura rigida che circonda tutta la membrana plasmatica e che fa sì che la cellula batterica mantenga una determinata morfologia; se il batterio ad esempio entra in acqua non va incontro a lisi osmotica grazie alla presenza della parete batterica. Questa caratteristica permette quindi ai batteri di sopravvivere in ambienti molto diversi e di essere presenti praticamente ovunque.

La parete è presente in quasi tutti i batteri; esistono solo dei batteri che ne sono privi detti micoplasmi e per tale motivo vennero confusi in passato per dei virus. Se facciamo passare i batteri in soluzione attraverso una membrana da filtro, i batteri con parete vengono trattenuti mentre i micoplasmi sono capaci di attraversare la membrana filtrante, perché possono deformarsi.

La maggior parte dei batteri possiede una parete che fa sì che questi reagiscano in modo diverso alla colorazione di Gram. La struttura della parete è diversa nei batteri Gram+ rispetto ai batteri Gram- e questo spiega perché i primi si colorano in viola e i secondi in rosso. Alcuni batteri non si colorano con il Gram ma si evidenziano con altre colorazioni (Zienn-Nielsen), come i micobatteri, che presentano una parete con caratteristiche diverse. Ovviamente i micoplasmi non si colorano allo stesso modo dei Gram+ e Gram-.

Nella classificazione è importante distinguere la forma del microrganismo, conferita dalla presenza della parete, che permette di identificare:

• Cocchi
• Spirilli
• Vibrioni
• Bacilli o bastoncelli

La forma del batterio è un carattere filogeneticamente conservato. Altre caratteristiche che permettono di classificare i batteri sono:

• La colorazione
• Il grado di associazione delle cellule: un esempio è dato dai cocchi, che spesso si ritrovano associati gli uni agli altri a due (diplococchi), a catenelle (streptococchi) o ad ammassi irregolari (stafilococchi). Uno stafilococco sarà sempre associato ad ammassi e questa associazione dipende dai piani di divisione. Anche i bastoncelli posso associarsi gli uni agli altri in modo diverso: alcuni possono associarsi uno di seguito all’altro (a canna di bambù), altri possono associarsi uno accanto all’altro (a mazzo di sigari). Spesso l’osservazione microscopica del campione prelevato in atto dà già informazioni importanti sul tipo di infezione che è attiva.
• Tolleranza all’ossigeno: i batteri possono essere aerobi stretti, cioè batteri che come le cellule del nostro organismo hanno bisogno dell’ossigeno come accettore finale della catena di elettroni, o anaerobi obbligati, cioè batteri che non utilizzano l’ossigeno e producono quindi energia attraverso processi di fermentazione. Per gli anaerobi obbligati l’ossigeno è tossico per vari motivi, il più importante è il fatto che in questi batteri mancano enzimi in grado di degradare composti come l’acqua ossigenata (catalasi, perossido dismutasi ecc.); se esposti all’ossigeno vanno incontro a morte per l’effetto tossico dei ROS. Si potrebbe pensare che difficilmente dei batteri anaerobi obbligati possano dare infezioni nell’uomo; in realtà i clostridi, anaerobi obbligati, possono infettare l’uomo (es. Clostridium tetani, C. botulini ecc.). Tra i due estremi abbiamo numerosi altri gruppi, in particolare due:
  • Gli aerobi facoltativi; sono batteri che possono respirare come aerobi normali ma, nel caso in cui l’ossigeno non fosse presente, sopravvivono ugualmente tramite la fermentazione
  • Gli anaerobi facoltativi; non utilizzano l’ossigeno per il loro metabolismo ma non vengono uccisi se esposti all’ossigeno.
• Capacità di produrre spore; queste sono cellule in cui i batteri possono trasformarsi tramite un processo detto sporificazione. La spora è una cellula estremamente resistente, a tal punto che sotto questa forma il batterio può sopravvivere centinaia di anni senza aver bisogno di nutrienti. Proprio per la loro estrema resistenza, le spore del Bacillus antracis sono utilizzate come arma bioterroristica. Tra i batteri patogeni dell’uomo quelli che sono in grado di produrre spora appartengono a due generi: clostridium e bacillus. I primi sono anaerobi obbligati mentre i secondi sono aerobi obbligati.

Con tutte queste caratteristiche siamo in grado di identificare genere e famiglia. Il primo nome è quello del genere, a cui segue il nome della specie. Quello che serve per arrivare all’identificazione di specie sono dei test addizionali biochimici che possono essere vari: ad es. la capacità di utilizzare diversi zuccheri o per via fermentativa o ossidativa, la produzione di prodotti di scarti del metabolismo.

Struttura della cellula batterica

Dall’interno verso l’esterno la cellula batterica presenta:

• Il nucleoide, più o meno compatto a seconda dello stato replicativo della cellula: quando la cellula si sta replicando il nucleoide si allunga e si aggancia ad un’altra struttura che è il mesosoma, che non è altro che l’inizio del setto che si formerà fra le due cellule figlie.
• Ribosomi liberi nel citoplasma della cellula batterica
• Inclusioni granulari, non sempre presenti
• Membrana plasmatica; effettua tutte le funzioni del RE e dell’apparato del Golgi, che invece sono assenti. La membrana plasmatica è simile a quella delle cellule eucariotiche e contiene tutti i sistemi di trasporto e secrezione proteica (i batteri molto spesso secernono nell’ambiente circostante enzimi, proteine varie, tossine). I batteri che respirano hanno la catena dei citocromi localizzati nella membrana plasmatica.
• Al di sopra della membrana plasmatica è presente la parete batterica
• Oltre la parete può essere presente una formazione detta capsula: questa, se presente, fa sì che il batterio possieda molte proprietà addizionali, anche di virulenza.
• Pili, appendici proteiche che si dipartono dalla membrana plasmatica e che hanno funzioni importanti, ad esempio nell’adesione alle superfici, comprese le superfici di un ospite come le mucose. L’adesione è un processo fondamentale affinché un batterio sia in grado di determinare un processo infettivo. In condizioni normali, infatti, affinché un germe possa determinare infezione deve aderire alle superfici (la contaminazione dell’ospite quindi non necessariamente determina infezione, perché il germe deve aderire, altrimenti viene eliminato; la flora normale dell’intestino ad esempio non determina infezione). Esistono anche i pili sessuali, necessari ai batteri per la coniugazione.
• Flagello: costituisce l’apparato di locomozione batterica. I batteri dotati di flagelli possono spostarsi nell’ambiente e nell’ospite: il flagello costituisce spesso un fattore di virulenza. Esso ruotando fa sì che il batterio si muova in un mezzo liquido ma lo rende anche capace di infettare le mucose. Non tutti i batteri possiedono i flagelli.

Strutture esterne alla cellula

Quasi tutti i batteri hanno al di sopra della parete un glicocalice: al microscopio elettronico appare come un velo acquoso glucidico attorno alla parete. Il glicocalice permette al batterio di sopravvivere all’essiccamento. Nell’ambito del glicocalice troviamo anche la capsula: una formazione a margini netti che è fortemente idrofilica e consente al batterio di sopravvivere meglio nell’ambiente.

Parte del glicocalice è data dallo strato S. È presente praticamente in tutti i batteri ed è costituito da una struttura paracristallina proteica (trimeri, tetrameri e pentameri organizzati a rosellina). La sua funzione è sconosciuta: si pensa che sia in grado di ridurre la suscettibilità batterica a variazioni di pH e di proteggere i batteri dall’azione di alcuni enzimi litici. In alcuni batteri può funzionare come adesina e sembra contribuire alla virulenza del germe che lo possiede, proteggendo il batterio dall’azione del complemento e, in parte, dalla fagocitosi.

La capsula è prodotta solo da alcuni batteri, dotati dei geni per la sua sintesi. Griffith per primo si accorse della patogenicità dello pneumococco, dovuta alla presenza o meno della capsula. Il ceppo acapsulato, rugoso, se veniva inoculato insieme a batteri capsulati, lisci, è in grado di uccidere il topo. Questo è dovuto alla mutazione dei geni per la sintesi della capsula nel ceppo R: questo ceppo acapsulato acquisisce i geni del ceppo S per la sintesi della capsula. Le specie batteriche che sono provviste di capsula non sempre la producono: se un microorganismo produttore di capsula viene fatto crescere in vitro, dopo alcune generazioni, non produce più la capsula; questo è dovuto al fatto che il batterio non ha la necessità di proteggersi perché non è soggetto a stimoli lesivi; se però lo stesso batterio è inoculato nell’animale, esso ricomincia a produrre la capsula.

La capsula conferisce un aspetto liscio alle colonie, che appaiono lucide, mucose, simili a gocce di grasso. La capsula può essere di natura polisaccaridica o polipeptidica, come nel caso di Bacillus antracis. Molto spesso la capsula è costituita da zuccheri, ampiamente presenti anche nei tessuti dell’uomo. Ad esempio, le capsule degli streptococchi sono costituite da acido ialuronico; quest’ultimo è capace di mascherare il microorganismo dall’immunità.

La capsula si osserva al microscopio ottico tramite l’uso di un obbiettivo 100x mentre per osservare i batteri occorre un ingrandimento 1000x. Quando si vuol vedere se un batterio ha la capsula, si pone sul vetrino una goccia di inchiostro di china nero; i batteri sono messi a bagno nell’inchiostro e, se presentano la capsula, appaiono con un alone bianco attorno, perché la capsula impedisce all’inchiostro di attraversarla. La capsula può essere osservata al microscopio elettronico a trasmissione e al microscopio elettronico a scansione, dove spesso si osservano le microcolonie o biofilm batterici. Il biofilm è un agglomerato batterico tenuto insieme dalle capsule ed è estremamente difficile da eradicare sia nell’ambiente sia nell’ospite. I biofilm si formano su protesi, catetere, valvole cardiache e sono i principali componenti della placca batterica.

Alcuni batteri presentano una microcapsula, che spesso non si vede al microscopio. Per renderla evidenziabile esiste una reazione detta di rigonfiamento capsulare o di Griefeld. Se si utilizzano anticorpi monoclonali diretti verso polisaccaridi capsulari si fa in modo che la capsula assorbi acqua e si rigonfi.

Ogni salmonella è caratterizzata da antigeni capsulari diversi. Se si adoperano quindi anticorpi monoclonali diretti verso la Salmonella Griffith, otterremo rigonfiamento capsulare solo per quel tipo di Salmonella. Le Salmonelle costituiscono un’ampia specie di batteri, che comprende specie altamente patogene solo per l’uomo (Salmonella tifi e S. paratifi) e salmonelle minori, in grado di infettare anche altre specie animali.

La capsula non è essenziale ma:

• Conferisce resistenza all’essiccamento
• Può essere utilizzata in caso il batterio si trovi in carenza di nutrienti, come fonte di nutrienti
• Favorisce l’aderenza dei batteri alle superfici di varia natura
• Favorisce la formazione di microcolonie batteriche (biofilm)

Il biofilm è un agglomerato di microorganismi aderenti alla superficie e racchiusi da un’unica capsula. Il più noto è la placca dentale, costituita da una serie di microorganismi, anche se è sempre innescata dallo Streptococcus mutans, uno dei principali agenti eziologici della placca dentale. Questo batterio è in grado di degradare il saccarosio ingerito in glucosio e fruttosio e di convertire il glucosio in destano, un polisaccaride appiccicoso che permette l’adesione tra capsula batterica e smalto. La caria si forma perché si è costituita una rientranza al cui interno sono presenti batteri vivi che continuano a moltiplicarsi. Il metabolismo del batterio all’interno del biofilm fa sì che si abbia abbassamento di pH e ciò è in grado di demineralizzare lo smalto fino alla formazione di un buco.

Un altro microorganismo capace di formare biofilm è lo Stafilococcus aureus. Questo microorganismo è temuto nei reparti di cardiochirurgia; in caso di infezione il batterio è capace di legarsi rapidamente alle valvole cardiache e formare biofilm su di essi. Il biofilm è una formazione in cui i batteri esterni sono morti e fungono da sorgente di nutrimenti per i batteri all’interno, che sono vivi e in proliferazione. Il più delle volte il biofilm è impermeabile ad agenti esterni e perciò è difficile da rimuovere. Anche in ortopedia, nel caso in cui ci sia formazione di biofilm su una protesi, questa deve essere rimossa. Le protesi odierne, per prevenire infezione, vengono impiantate ricoperte di antibiotici.

La resistenza alla fagocitosi non anticorpo-mediata

La capsula conferisce al batterio; nel caso in cui un batterio entri capsulato in un ospite in cui non sono già presenti delle opsonine, ovvero in un individuo che per la prima volta incontra il microorganismo, la capsula impedisce la fagocitosi. Il batterio possiede sulla propria superficie i PAMPs e il macrofago riconosce il batterio perché è in grado di legare questi PAMPs attraverso i TLR. Un batterio capsulato presenta i PAMP sulla parete e sulla membrana, ma la capsula impedisce al macrofago di aderire alla superficie batterica e di legare i PAMPs. Un batterio capsulato ha una superficie fortemente idrofilica, mentre la superficie del macrofago è lipofilica: anche l’incontro casuale tra batterio e macrofago viene ridotto perché c’è una repulsione tra le superfici. Ovviamente questo succede in un ambiente in cui sia presente acqua, in modo tale che la capsula sia idratata. Il macrofago potrebbe fagocitare il batterio capsulare solo in caso di carenza di acqua e se si è su una superficie, dove casualmente queste cellule possono entrare in contatto vincendo le repulsioni tra le due cellule. La capsula è un fattore di virulenza perché impedisce la fagocitosi non immune.

La più frequente infiammazione nella popolazione sana determinata da cocchi è la polmonite, causata dallo pneumococco. L’epitelio dell’alveolo è fenestrato, in modo tale da consentire lo scambio di tessuti ed evitare lacerazioni in corrispondenza dei movimenti respiratori. A questo livello sono presenti i macrofagi alveolari, che in presenza di batteri acapsulati, attivano la fagocitosi e uccidono il batterio. Se all’alveolo giunge uno pneumococco, capsulato, i macrofagi... (testo interrotto)