Microbiologia clinica

Introduzione alla microbiologia

Aspetti generali

I microorganismi si trovano in ogni ecosistema e in stretta associazione con ogni tipo di organismo pluricellulare. Per microorganismi si intendono: batteri, funghi microscopici e protozoi. Sono definiti agenti patogeni quelle relativamente poche specie di microorganismi che risultano dannose per l’uomo.

La colonizzazione può provocare:

• Eliminazione del microorganismo;
• Infezione.

La malattia infettiva si verifica allorché il microorganismo causi danni nel tessuto e alterazioni a carico delle funzioni corporee.

Patogeni procarioti

Tutte le forme batteriche sono comprese fra gli organismi procariotici.

Microbi procarioti:

• Bacteria;
• Archea.

Microbi eucarioti:

• Funghi;
• Protozoi;
• Alghe.

Cellula procariote

Batteri tipici

Quasi tutti i batteri hanno una parete cellulare rigida che circonda la membrana cellulare e che conferisce alla cellula la forma. Determina la classificazione del batterio come gram-positivo o gram-negativo. Esternamente alla parete cellulare vi possono essere degli annessi. Le cellule batteriche si dividono per scissione binaria.

Batteri atipici

Gruppi di microorganismi i quali, pur essendo cellule procariotiche, sono privi dei caratteristici elementi strutturali o delle capacità metaboliche che li separano dal più ampio gruppo dei batteri tipici.

Funghi

Organismi eucariotici non fotosintetici, alcuni funghi sono pluricellulari filamentosi (muffe), mentre altri sono unicellulari (lieviti). Tutti i funghi producono spore. I funghi patogeni possono causare malattie che variano da infezioni della pelle a gravi infezioni sistemiche. La riproduzione può essere sessuale, asessuale o di entrambi i tipi.

Protozoi

Organismi eucariotici, unicellulari, non fotosintetici, si presentano in varie forme e dimensioni. Infettano tessuti e gli organi principali del corpo. La trasmissione avviene per ingestione di uno stadio infettante del parassita o attraverso la puntura o il morso di un insetto.

Elminti

Gruppi di vermi parassiti. Suddivisi in tre gruppi principali: tenie, vermi piatti e vermi cilindrici. Acquisiscono i nutrienti ingerendo o assimilando il contenuto dell’apparato digerente oppure i fluidi o i tessuti corporei.

Virus

Particelle infettanti parassite intracellulari obbligate. Consiste di una o più molecole di DNA (virus a DNA) o di RNA (virus a RNA). Un virus può presentare un ulteriore rivestimento derivato dalla membrana citoplasmatica della cellula ospite da cui il virus è liberato. Richiedono le strutture cellulari e il macchinario enzimatico della cellula ospite per completare il proprio processo di riproduzione.

Flora microbica normale

Aspetti generali

Microorganismi che in circostanze normali sono inoffensivi per un individuo sano e possono persino apportare benefici al proprio ospite. Questi microorganismi sono chiamati “flora microbica normale”. Tranne la presenza di invasori transitori, gli organi e i sistemi interni dell’organismo sono di fatto sterili. Le specie contenute nella microflora normale non possono essere rigorosamente delineate per tutti gli uomini, in quanto variano da individuo a individuo.

Distribuzione della flora microbica normale nel corpo

Le zone del corpo più comunemente abitate dalla flora microbica normale sono quelle in contatto con il mondo esterno.

Cute

Potenzialmente in grado di acquisire tutti i batteri che sono presenti nell’ambiente circostante, ma questa flora transitoria muore o viene facilmente rimossa mediante il lavaggio. La superficie della cute non fornisce un ambiente favorevole per la colonizzazione da parte dei microorganismi:

• Asciutta;
• pH debolmente acido;
• Le ghiandole sudoripare secernono una soluzione contenente un’elevata concentrazione di cloruro di sodio → ambiente iperosmotico.

La cute ospita una popolazione batterica permanente. La flora residente è in grado di riprodursi anche dopo un lavaggio energico. I microorganismi colonizzatori sono rappresentati dal microorganismo aerobico Staphylococcus epidermidis e da altri stafilococchi coagulasi negativi. I microorganismi anaerobici (Propionibacterium acnes) risiedono negli strati più profondi, nei follicoli piliferi e nelle ghiandole sebacee e sudoripare. Gli abitanti microbici della cute sono generalmente inoffensivi, anche se Staphylococcus epidermidis è in grado di attaccare e colonizzare i cateteri di plastica oltre a vari strumenti medici che vengono a contatto o che sono introdotti nella cute.

Occhio

La congiuntiva è colonizzata da Staphylococcus epidermidis, Staphylococcus aureus, corinebatteri aerobici e da Streptococcus pneumoniae. Le lacrime consentono di limitare la popolazione batterica della congiuntiva.

Bocca e naso

Fra i più comuni vi sono i difteroidi, Staphylococcus aureus e Staphylococcus epidermidis. I denti e il tessuto gengivale sono colonizzati da specie particolari, come Streptococcus mutans.

Tratto intestinale

La densità dei microorganismi nello stomaco è relativamente bassa a causa degli enzimi gastrici e del pH acido. La densità dei microbi aumenta scendendo lungo il canale alimentare. Nell’intestino crasso sono presenti batteri del genere Bacteroides in una percentuale rilevante.

Tratto urogenitale

Il pH della vagina adulta è mantenuto basso dalla presenza di specie del genere Lactobacillus. Quando la popolazione di lattobacilli presenti nella vagina va incontro a una diminuzione si verifica un innalzamento del pH così da favorire una invasione e proliferazione di agenti potenzialmente patogeni. Nel rene e nella vescica l’urina è sterile, nel tratto inferiore dell’uretra gli stessi microorganismi che colonizzano lo strato esterno della cute e il perineo possono contaminarla.

Funzioni benefiche della flora microbica normale

1. Il numero reale di batteri inoffensivi presenti nel tratto inferiore dell’intestino e nel cavo orale rende improbabile che, in una persona sana, un agente patogeno invasore possa competere per le sostanze nutrienti e per i siti recettoriali.
2. Alcuni batteri intestinali sintetizzano sostanze antimicrobiche verso le quali i produttori stessi risultano immuni.
3. La colonizzazione batterica che avviene nel neonato agisce da stimolo potente per lo sviluppo del suo sistema immunitario.
4. I batteri dell’intestino favoriscono la digestione e l’assorbimento.

Effetti dannosi della flora microbica normale

Insorgono in presenza delle seguenti circostanze:

1. I microorganismi sono trasferiti nel corpo dal loro sito normale a un sito diverso.
2. Potenziali agenti patogeni ottengono un vantaggio competitivo a seguito della riduzione delle popolazioni microbiche residenti competitive e inoffensive.
3. Sostanze alimentari innocue sono convertite in derivati cancerogeni dai batteri presenti nel colon.
4. Gli individui sono immuno-compromessi → la flora normale può proliferare eccessivamente, invadere e diventare patogena.

Patogenicità dei microorganismi

Aspetti generali

Un microorganismo si definisce patogeno quando causa o è capace di causare una malattia. Alcuni microorganismi sono inequivocabilmente patogeni, mentre altri sono in genere inoffensivi. Alcuni agenti patogeni causano la malattia soltanto in presenza di determinate condizioni.

Patogenesi batterica

Il processo infettivo può essere suddiviso in varie fasi:

1. Penetrazione dei microbi nell’ospite;
2. Adesione del microorganismo alle cellule dell’ospite;
3. Propagazione;
4. Danni;
5. Elusione delle difese di secondo livello.

La patogenicità di un microorganismo dipende dal suo successo nel completare alcune o tutte queste fasi. Il termine “virulenza” esprime il grado di patogenicità di un determinato agente patogeno.

Fattori di virulenza

Caratteristiche di un batterio che incrementano la sua patogenicità.

1. Penetrazione nell’ospite: Una volta penetrato, l’agente patogeno deve affrontare e sopraffare una varietà di difese dell’ospite, prima di potersi impiantare. Batteri che possiedono una capsula polisaccaridica esterna hanno una maggiore probabilità di sopravvivenza nei confronti di queste difese di primo livello dell’ospite.

2. Adesione alle cellule dell’ospite: Alcuni batteri utilizzano i pili per aderire alla superficie delle cellule dell’ospite; altri batteri hanno molecole di adesione di superficie o pareti cellulari particolarmente idrofobiche che consentono loro di aderire alla membrana della cellula ospite. L’adesione aumenta la virulenza impedendo ai batteri di essere trasportati via dal muco, o di essere eliminati dagli organi attraverso un flusso significativo di liquidi. L’adesione inoltre consente a ogni cellula batterica adesa di formare una microcolonia.

3. Invasività: I batteri invasivi sono quelli capaci di entrare nelle cellule dell’ospite o penetrare le superfici della mucosa, propagandosi dal sito iniziale dell’infezione. È favorita da numerosi enzimi batterici, i più importanti sono rappresentati dalla collagenasi e dalla ialuronidasi. L’invasione è seguita dall’infiammazione.

4. Tossine batteriche: Alcuni batteri causano la malattia producendo tossine, di cui si conoscono due tipi generali: le esotossine e le endotossine. Le esotossine, che sono proteine, sono secrete sia dai batteri Gram-positivi che negativi. Le endotossine, che sono lipopolisaccaridi, sono parte integrante della parete cellulare dei batteri Gram-negativi.

• Esotossine: Le proteine dell’esotossina hanno generalmente due componenti peptidiche; una è responsabile del legame della proteina alla cellula dell’ospite mentre l’altra è responsabile dell’effetto tossico. La maggior parte delle esotossine risultano termolabili. Il trattamento con formaldeide diluita distrugge l’attività tossica della maggior parte delle esotossine ma non influisce sulla loro antigenicità.
• Endotossine: componenti lipopolisaccaridiche termostabili, della membrana esterna dei batteri Gram-negativi. Liberate nella circolazione dell’ospite in seguito alla lisi della cellula batterica. LPS consta di varie componenti:
  • Catene polisaccaridiche che costituiscono l’antigene O;
  • Core;
  • Lipide A che è rivolto verso l’interno della cellula. La porzione rappresentata dal lipide A è responsabile dell’attività tossica di questa molecola. Gli effetti fisiologici delle endotossine LPS sono febbre, shock, ipotensione e trombosi (shock settico). Anche il peptidoglicano della parete dei Gram-positivi può creare una situazione simile a quella dello shock settico.

Switch antigenico

Un agente patogeno per avere successo deve eludere il sistema immunitario dell’ospite che riconosce gli antigeni di superficie batterici. Una importante strategia messa in atto dall’agente patogeno è quella di cambiare i propri antigeni di superficie. Sono “disponibili” vari meccanismi:

1. Variazione di fase: capacità geneticamente reversibile di alcuni batteri di attivare e disattivare l’espressione dei geni che codificano per gli antigeni di superficie.
2. Variazione antigenica: modificazione del gene, che codifica per un antigene di superficie espresso, mediante una ricombinazione genica con una delle numerose sequenze variabili del DNA inespresso.

Qual è l’agente patogeno?

Se un microorganismo particolare viene isolato da un tessuto infetto, non si può certo affermare che sia stato proprio tale microorganismo a causare la lesione; infatti potrebbe essere un membro inoffensivo della flora normale della cute, fortuitamente presente nelle vicinanze. In alternativa, è possibile che il microorganismo non sia un residente naturale della cute, bensì un agente patogeno opportunista che ha infettato la lesione necrotica solo in un secondo momento.

Infezioni nelle popolazioni umane

Le malattie batteriche possono essere trasmissibili da persona a persona, o non trasmissibili. Le malattie altamente trasmissibili sono definite contagiose e tendono a manifestarsi in forma di epidemie localizzate, se la frequenza con cui si presenta la malattia è superiore al normale. Quando un’epidemia si diffonde in modo rapido e generalizzato a tutto il globo, è detta pandemia.

Patogenesi virale

I virus possono replicarsi soltanto all’interno delle cellule viventi.

Patogenesi virale a livello cellulare

1. Morte della cellula: Una cellula può essere direttamente uccisa dal virus. Questo esito è dovuto all’inibizione della sintesi del DNA, dell’RNA e delle proteine cellulari. Le cellule morte, o in procinto di morire, liberano una quantità di progenie virali che inizieranno a ripetere il processo di replicazione.

2. Trasformazione: Trasformano le cellule normali in cellule maligne. Le cellule maligne hanno minori esigenze per la crescita rispetto alle cellule normali, e hanno una durata di vita indefinitamente prolungata. È un processo genetico irreversibile causato dalla integrazione del DNA virale nel DNA dell’ospite.

3. Fusione delle cellule: L’infezione delle cellule da parte di alcuni virus induce una fusione cellulare, dando luogo a cellule giganti, multinucleate. Capacità dovuta alle trasformazioni indotte dai virus nella struttura della membrana cellulare.

4. Effetto citopatico: Alterazioni osservabili in una cellula infettata da virus.

Infezioni iniziali

L’infezione virale può rimanere localizzata o essere disseminata. L’infezione può essere asintomatica; in alternativa si possono manifestare i sintomi tipici della malattia, spesso in due forme distinte nel tempo:

1. Sintomi iniziali a livello del sito di infezione;
2. Sintomi ritardati che conseguono alla disseminazione dal sito primario di infezione.

1. Vie d’ingresso e disseminazione in siti secondari: Le vie comunemente utilizzate dai virus per penetrare nel corpo sono essenzialmente le stesse delle infezioni batteriche. Alcuni virus rimangono localizzati e causano una malattia. Altri virus subiscono una moltiplicazione all’interno delle cellule a livello del sito primario.

2. Tipici siti secondari di localizzazione: I siti secondari di infezione determinano la natura dei sintomi ritardati e solitamente le caratteristiche principali alla malattia che ne risulta.

3. Diffusione del virus e modalità della trasmissione: I tessuti comunemente coinvolti nella diffusione virale sono la cute, le vie respiratorie, il tratto gastrointestinale e i liquidi corporei.

4. Fattori coinvolti nella terminazione dell’infezione acuta: In una tipica infezione acuta il virus è completamente eliminato dall’ospite in due-tre settimane.

a) Risposte cellulo-mediate: Le risposte iniziali sono rappresentate da una risposta infiammatoria generalizzata, accompagnata dall’uccisione aspecifica delle cellule “natural killer”. Quest’ultima inizia ancor prima della risposta immunitaria virus-specifica. Successivamente, a eliminare le cellule infettate interviene anche la citolisi da parte dei linfociti T citotossici virus-specifici che riconoscono i peptidi virali esposti sulla superficie delle cellule. Queste risposte cellulari sono significative in quanto contribuiscono a limitare la diffusione dell’infezione uccidendo le cellule infette prima che abbiano liberato la progenie virale.

b) Risposta umorale: Questa risposta è di importanza primaria nella soppressione delle malattie che implicano una fase viremica, comunque anche gli anticorpi secretori (IgA) svolgono un ruolo protettivo importante nelle infezioni primarie dei tratti gastro-intestinale e respiratorio. Gli anticorpi umorali intervengono anche nell’uccisione delle cellule infettate attraverso due meccanismi:

1. Citotossicità cellulo-mediata e anticorpo-dipendente, in cui le cellule NK e altri leucociti che espongono i recettori Fc si legano alle porzioni Fe degli anticorpi che sono complessati agli antigeni virali espressi sulla superficie della cellula infetta, uccidendola;
2. Lisi mediata dal complemento delle cellule infette a cui si lega l’anticorpo virus-specifico.

Struttura crescita e metabolismo dei batteri

Aspetti generali

Le cellule che possiedono un nucleo ben definito sono denominate eucariotiche, mentre quelle che non lo possiedono sono chiamate procariotiche.

L’involucro cellulare

Materiale esterno che racchiude il citoplasma. Vari strati chimicamente e funzionalmente distinti.

Parete cellulare

Conferisce la forma alla cellula. Matrice di polisaccaridi-peptidi strettamente connessi da legami crociati. La porzione “glicano” è un polimero lineare di subunità monosaccaridiche alternate N-acetilglucosamina e acido N-acetilmurali. La porzione “peptidica” è una serie di amminoacidi che serve a formare legami crociati.

Membrana cellulare ↔ barriera di permeabilità

Composta da fosfolipidi. I gruppi polari del fosfato sono disposti sulla parte esterna del doppio strato, le catene non polari lipidiche sono nella parte interna.

Differenze fra gram-positive e gram-negative

Microorganismi gram-positivi: parete cellulare di peptidoglicano, spessa e formata da più strati. Il peptidoglicano è covalentemente legato.