Microbiologia e Virologia Base

Microbiologia e virologia

Lezione 1

La microbiologia è lo studio di organismi così piccoli da non essere visibili a occhio nudo, i quali richiedono per essere visti l’uso di un microscopio. Per batteri, funghi e protozoi si usa il microscopio ottico, per i virus quello elettronico.

La microbiologia nasce dalle osservazioni della vita quotidiana, come il deperimento della materia e l’ammalarsi degli individui e ad un certo punto si è capito che potesse dipendere da microrganismi. Questa scienza nasce quando si è reso disponibile l’uso di un microscopio, ma l’idea che ci fossero entità trasmissibili era una cognizione molto antica. Lucrezio disse “le malattie si trasmettono nelle comunità perché respirano la stessa area patogena, a causa di corpi in decomposizione o da acque impure”.

Si pensava che ci fosse qualcosa che venisse trasmesso tramite l’aria e che passasse da un soggetto malato ad uno sano infettandolo, oppure che si trasmettesse attraverso l’acqua. Queste materie non conosciute che potevano causare le malattie erano state attribuite a miasmi (odori cattivi che si creano, derivati di decomposizione e che quindi potessero trasportare microrganismi).

La malaria ha questo nome perché si pensava che fosse causata da un odore cattivo nell’aria vicino alle paludi, solo dopo aver scoperto il microrganismo, si è associato a quest’aria tale microrganismo e il vettore che lo portava, ovvero una zanzara che trasmetteva questa infezione (Anopheles).

Si pensava che altre cause scatenanti malattie fossero punizioni divine, l’influsso degli astri come nell’influenza (nome datogli nel 1500, perché si pensava che fosse un influsso degli astri, influenza astrorum), questi segni di malattia trasmissibili, hanno avuto nel corso del tempo qualche modificazione. Si cercava di capire perché la materia andasse in decomposizione e anche cosa fossero le malattie trasmissibili (entrambe venivano viste come una decomposizione).

Questa rappresentazione medievale rappresenta pazienti affetti da lebbra, si curavano e si cercava di capirne la causa. Testimonianze più antiche come l’archeologia ci ha permesso di capire come alcune malattie infettive esistessero già, il bassorilievo egiziano indica come questo sacerdote fosse afflitto da poliomielite, malattia antichissima.

Poliomielite

Questa malattia consiste in una paralisi flaccida infantile, perché colpisce principalmente i bambini, ed è dovuta ad un virus acquisibile con gli alimenti ed una volta assorbito dall’intestino, si instaura nei motoneuroni uccidendoli, causando una paralisi flaccida, cioè un’incapacità di contrarre i muscoli striati, compresi i muscoli respiratori. Quindi la paralisi di un arto ne consegue uno sviluppo scorretto e per compensare ciò il paziente deve assumere una posizione alterata, come nel quella del sacerdote nel bassorilievo.

Vaiolo

La seconda mummia, ha dei segni di pustole, queste sono pustole del vaiolo, grande pandemia storica, tra le sue varie manifestazioni cliniche si hanno anche le pustole, in alcune forme si ha una mortalità del 50-70%, queste vescicole sono ripiene di liquido virale. Questo virus è stato utilizzato come arma per la conquista dell’impero Inca da parte degli spagnoli (regalarono oggetti infettati di vaiolo come segno di pace). Il vaiolo è stato utilizzato per molti secoli come arma biologica. Anche nell’800, nella guerra civile americana, i nordisti la usarono contro i sudisti. Nella guerra fredda, l’unione sovietica mise a punto una testata biologica con il vaiolo. Il virus del vaiolo è l’unica malattia infettiva che è stata eradicata completamente.

I reperti egizi successivi (costole) hanno delle aderenze pleuriche dovute alla tubercolosi, che può colpire anche le ossa e che porta alla formazione di grossi buchi (tubercoli).

Quest’immagine è dell’assedio di Kaffa, da parte della repubblica marinara di Genova, l’assedio è stato effettuato perché Kaffa era il più grande porto per gli scambi tra Occidente e Oriente e quindi Genova voleva estendersi comprendendolo nella sua repubblica, nacque così una guerra che durò molto e per uscire dallo stallo creatosi, i genovesi catapultarono all’interno delle mura di Kaffa, dei cadaveri di soldati morti per la peste causando un’epidemia tra i cittadini di Kaffa, i sintomi comprendevano bubboni (peste bubbonica) dovuti ad un ingrossamento dei linfonodi.

Diffusione delle malattie infettive

Quindi da sempre esistono malattie infettive, ma cominciarono ad avere un ruolo cruciale, quando l’uomo cominciò ad organizzarsi in comunità. Infatti è la densità di popolazione che favorisce il propagarsi delle malattie infettive, perciò riportandolo su scala globale, più le aggregazioni di esseri umani aumentano più si diffondono.

I primi cenni di urbanizzazione si ebbero con la rivoluzione agricola, ma l’apice di tale aggregazione si ebbe con la rivoluzione industriale, ciò spinse i contadini ad andare in città per cercare lavoro nelle fabbriche, contribuendo alla formazione di metropoli. Buona parte dei cittadini viveva in condizioni igieniche precarie e perciò la diffusione di infezioni fu facilitata. Persone isolate le une dalle altre, non permettono la diffusione di infezioni, mentre nelle comunità chiuse ci possono essere delle infezioni, oppure no, ciò dipende da alcuni fattori: se la popolazione non è immune al microrganismo, questo potrà essere facilmente trasmesso da un individuo ad un altro. Dopo un po’ nella stessa comunità un numero consistente di soggetti esposti ad un’infezione, o sono morti, o sono diventati immuni (sono stati infettati ma hanno superato la malattia), quindi i soggetti suscettibili sono diventati pochi, perciò è come se i soggetti della comunità chiusa, fossero diventati soggetti isolati, questo concetto ha un significato importante nell’efficacia della vaccinazione (concetto che sfugge agli anti-vaccinisti).

L’immunità di gregge significa che non è necessario che tutta la popolazione sia immune ad un determinato microrganismo per far sì che non circoli più, quindi avendo un numero sufficiente di soggetti immuni, il microrganismo non circola, perché i soggetti non immuni, sono talmente pochi da non mantenere la trasmissione del microrganismo. Nel caso del morbillo, un soggetto infetto ne può infettare altri 17/18 (l’influenza ne può infettare solo 2/3), ma se la comunità è stata vaccinata oltre ad una certa percentuale si ha l’immunità di gregge, quindi anche i soggetti non vaccinati saranno immuni perché il microrganismo non si riuscirà a diffondere, non riuscendo a mantenere quella che si chiama “catena epidemiologica”, l’ultimo soggetto infettato non riuscirà a diffondere il virus così da arrestare l’epidemia. Quindi se in Italia si raggiungesse questo valore non avremmo tutti i casi morbillo che ci sono. Per il morbillo, data la sua facilità di trasmissione, serve una copertura del 95% dei soggetti, ma in Italia siamo sotto all’85% (anche sotto al 70% in alcune regioni).

La nascita della microbiologia moderna

Tornando alla parte storica: la vera e propria microbiologia, come abbiamo già detto, nasce con l’invenzione del microscopio, grazie a questo ottico olandese Van Leeuwenhoek. Il suo fu un microscopio molto semplice, ingrandiva dalle 50 alle 500 volte (molto minore a quelli attuali). Osservò molti materiali con questa sua invenzione e scoprì forme microscopiche di vita che chiamò “Animacules”, alcuni dei quali erano veri e propri microrganismi, altri invece aggregazioni più grosse.

Un aspetto importante è come si originano i microrganismi, un processo che va di pari passo con gli organismi viventi, secondo Arisostole gli animali si potevano originare spontaneamente (teoria dello spontaneismo), da altri organismi viventi e questa teoria è rimasta in auge fino al XVII secolo, finché nel ‘600 Francesco Redi confutò la teoria che gli organismi viventi avessero un’origine spontanea. Era osservazione comune che una carne in decomposizione facesse originare dei vermi al suo interno (larve delle mosche) in modo spontaneo, cioè che la carne in decomposizione si trasformasse in veri e propri vermi.

Esperimento di Francesco Redi

Prese 2 pezzi di carne, uno lo coprì con un coperchio, permettendo l’ingresso di aria e non delle mosche, mentre nel secondo non ci mise un coperchio permettendo l’ingresso anche alle mosche, entrambi i pezzi di carne andavano in decomposizione, ma il primo ci metteva più tempo e non presentava vermi, mentre il secondo sì.

Da qui la teoria dello spontaneismo, venne abolita per quanto riguarda l’origine spontanea degli animali. Per quanto riguarda i microrganismi, si pensava che fossero qualcosa di diverso e che quindi per loro la teoria della spontaneità valesse, quindi perdurò ancora, finché uno scienziato reggiano a metà del ‘700, fece il suo esperimento, prese una sospensione di microrganismi, la fece bollire, sterilizzandola, quindi questa sospensione non aveva più microrganismi, se però il contenitore veniva lasciato aperto, dopo un certo periodo di tempo, si intorbidava per la presenza di microrganismi, ripetendo il primo passaggio, e questa volta chiudendo il contenitore, in modo da far passare soltanto l’ossigeno, la sospensione non si intorbidava, dimostrando che non c’era un’origine spontanea, ma che i microrganismi venivano dall’esterno e quindi si cominciò ad utilizzare la sterilizzazione tramite calore per purificare le sostanze da microrganismi.

Adesso vediamo alcune tappe storiche: nella prima metà del ‘500, Fra Castoro, che si era occupato molto della sifilide (malattia batterica trasmissibile per via sessuale e che non era presente in Europa), arrivando a 2 concetti importanti: quelli che lui chiamava “seminaria contagiorum” (gli agenti infettivi della sifilide)

• Potevano essere trasmessi o attraverso oggetti, quindi per fomite, oppure attraverso l’aria e si rese conto che le malattie sono molto simili alla putrefazione della materia organica;
• Sono un inizio di danno che può portare alla degradazione di un tessuto o di un intero organismo.

Nella metà del ‘600, dopo la scoperta del microscopio, Kirker vide che nel sangue di molti malati di peste, si notano delle forme viventi che chiamò vermicoli, le quali riteneva che fossero la causa della patologia; nell’800 Acerbi, ipotizza che il tifo addominale era causato da dei parassiti che venivano introdotti dall’alimentazione (salmonella tiphy); all’inizio del ‘900 Bizzio scoprì che alcuni microrganismi provocavano la degradazione della farina di polenta facendola diventare rossa, evidenziandone così la crescita; Bassi scoprì che una malattia del baco da seta era causata da un fungo.

Quindi soprattutto dalla seconda metà dell’800 la microbiologia ha avuto un grande impatto nella vita quotidiana. Inoltre una delle grandi conseguenze dovuta a queste innovazioni scientifiche è stata la nascita dell’immunologia, cioè cercare di capire come l’organismo risponde alla malattia e protegge l’individuo, questo perché si vedeva che tra tutti i soggetti esposti alla stessa malattia, alcuni si ammalavano ed altri no, capendo così che c’era qualcosa nel nostro organismo che ci proteggeva.

Koch e la microbiologia

Koch fu una delle figure principali della microbiologia perché scoprì il bacillus anthracis, il bacillo del carbonchio e dimostrò la sua associazione con questa malattia, la malattia dell’antrace, molto diffusa dato che si trasmette dagli animali ed ha altissimi tassi di mortalità, fu utilizzata anche come arma biologica, contro dei senatori americani che ricevettero delle buste con al loro interno una polverina bianca e quest’ultima era costituita da spore di bacillus anthracis. Inoltre Koch ha scoperto il bacillo di Koch, cioè il mycobacterium tuberculosis, agente responsabile della tubercolosi (o tisi) cioè una polmonite gravissima portando facilmente alla morte il soggetto, da qui Koch promulgò i 4 postulati di Koch, i quali definiscono l’associazione tra un microrganismo ed una malattia, postulati che in parte sono ancora utilizzati:

• Bisogna che il microrganismo sia presente in tutti gli individui che si ammalano di tale malattia e che sia assente negli individui sani. Anche se adesso non è sempre così dato che si sono scoperte le infezioni asintomatiche.
• Dall’individuo ammalato dobbiamo riuscire ad isolare il microrganismo e farlo crescere.
• Una volta isolato, se si usa per infettare qualche soggetto (in genere animali), questi soggetti devono presentare la stessa malattia del soggetto di partenza;
• Da questo soggetto infettato dobbiamo riuscire ad isolare nuovamente il microrganismo, dimostrando così il microrganismo in questione è quello che causa la malattia.

Dato che prima di lui le tecniche per coltivare i microrganismi erano molto primitive, Koch ha messo a punto delle tecniche per coltivare i microrganismi, come l’agar (gelatina ottenuta da un’alga) addizionato con particolari sostanze nutritive per i microrganismi, venivano messi in recipienti rotondi chiamate piastre Petri, così da permettere una grossa crescita di microrganismi partendo da piccolissime quantità.

Louis Pasteur

Un altro padre della microbiologia fu Louis Pasteur che fece una serie di scoperte rivoluzionarie, una delle più importanti fu questa: tenendo i microrganismi, conservandoli a lungo, questi possono mantenere la loro vitalità ma attenuandosi (perdendo potere patogeno), e Pasteur utilizzò questa peculiarità per mettere a punto i primi vaccini, anche se non fu lui il primo ad inventare il vero e proprio vaccino. Scoprì il vaccino contro l’antrace ed il vaccino contro la rabbia, permettendone l’eradicazione momentanea, dato che in Italia è rientrata tramite gli animali selvatici (volpi = rabbia silvestre). Scoprì le fermentazioni alcoliche, cioè la produzione di bevande alcoliche tramite microrganismi ed ha inventato il processo di pastorizzazione, un processo di sanificazione che non elimina completamente i microrganismi ma ne riduce fortemente la carica, permettendo il consumo di alimenti che di norma avrebbero delle cariche microbiche molto elevate, per esempio il latte dato che è un terreno ottimo per la crescita di microrganismi. Diversi sono la pastorizzazione ed il trattamento OHT, la pastorizzazione rende il latte fresco bevibile per 3/4 giorni, mentre il trattamento OHT è un trattamento termico che sfruttando temperature elevatissime, rendendolo latte a lunga conservazione, non lo sterilizza ma ne riduce fortemente la carica microbica, però di contro c’è che una parte degli elementi nutritivi si degradano.

Microbiologia medica

La microbiologia studia protozoi, funghi, batteri e virus (in ordine decrescente di grandezza), ma i veri e propri microrganismi non comprendono i virus, dato che non si possono definire organismi per la mancanza di alcune caratteristiche tipiche dei viventi (non si muovono, non metabolizzano, non respirano). Oltre a questo la microbiologia si occupa sia di particelle sub-virali, agenti infettivi ancora più semplici e piccoli rispetto ai virus, come viroidi, virusoidi e prioni, anch’essi non definibili organismi. Si occupa anche di organismi molto grandi, come gli elminti, i vermi che definiamo parassiti, sono metazoi come la tenia lunga circa 10-11 metri, ma causando malattie trasmissibili vengono anch’essi studiati dalla microbiologia.

I microrganismi hanno delle proprietà importanti, oltre alle loro dimensioni, hanno un’estrema adattabilità all’ambiente, ai cambiamenti e quindi sono organismi che hanno avuto un successo evolutivo enorme, dato che li troviamo dappertutto ed in quantità inimmaginabili, per esempio in un grammo di terreno si possono trovare 10¹³ microrganismi, nelle acque di mare si possono trovare milioni di tonnellate di microrganismi.

Quello che si studia in questo corso è la microbiologia medica, una micro parte della microbiologia, studiamo quei microrganismi che causano patologie nell’uomo. Ciò rappresenta una minima parte dei microrganismi, la stragrande maggioranza non sono patogeni per uomo, piante ed animali. Viceversa questi microrganismi sono indispensabili per la vita, perché svolgono dei ruoli importantissimi per l’ecologia della terra, lo dimostra il fatto che quando si dice “cercare la vita su di un altro pianeta” perché si ricercano dei microrganismi. Questi microrganismi sono responsabili:

• Degradazione della materia, mantengono vitale il suolo, attraverso una serie di cicli (ciclo del carbonio, ciclo del ferro e ciclo del fosforo), l’agricoltura ha avuto un grosso impulso quando si è capito che per ottimizzare le coltivazioni, ogni anno si doveva fare la rotazione dei terreni, ed in quello dove non si coltivavano ortaggi, si faceva crescere l’erba medica, chiamata in tal modo perché fissava l’azoto nel terreno, elemento fondamentale favorire le future crescite;
• Produzione di petrolio e di gas combustibili, i quali sono prodotti di degradazione di materie vegetali da parte di microrganismi.

Ma sono utili anche direttamente all’uomo in vari modi, da un punto di vista economico nel campo alimentare:

• Saccharomyces cerevisiae, un fungo che fa parte dei lieviti, utilizzato per la produzione di vino e birra;
• Per la produzione di insaccati che non sono altro che carne fresca triturata sulla quale sono cresciuti dei microrganismi che alterano questa carne rendendola più ricca di sapori ed impedendo la crescita di microrganismi.