Microbiologia - Microbiologia medica

Microbiologia medica

Capitolo 1: Introduzione allo studio della microbiologia medica

Generalità sulle malattie da infezione

Le malattie causate da microrganismi, virus o parassiti prendono il nome di infezioni. In certi casi, come nel caso dei pidocchi, i quali rimangono confinati sulla superficie corporea, si parla di infestazione.

• Infezioni endogene e infezioni esogene: Le infezioni endogene trovano la loro causa nell’abnorme espansione numerica di una o più specie presenti nella popolazione microbica, oppure nel trasferimento di microrganismi da un distretto corporeo ad altri distretti. Le infezioni esogene ritrovano il loro momento iniziale nell’arrivo nell’organismo di un microrganismo o virus proveniente da una sorgente esterna (animali infetti, umani infetti o oggetti).
• Le vie di trasmissione delle infezioni esogene: Le modalità di trasmissione rientrano in cinque grandi categorie:
  • Per ingestione di alimenti o bevande contaminate (oro fecale)
  • Per via aerogena
  • Per contagio sessuale
  • Per inoculazione diretta
  • Per penetrazione traumatica
• Le infezioni esogene: infezione e malattia: L’infezione avviene con l’arrivo di un microrganismo nel sangue o nei tessuti profondi. La cute intatta, grazie anche all’azione di alcuni acidi grassi e dell’acido lattico, rappresenta una valida barriera contro la loro penetrazione. Le mucose invece sono facilmente colonizzabili da agenti possedenti strutture adatte all’ancoraggio. Alcuni agenti si limitano a provocare danni alla mucosa, altri invece si estendono fino ai tessuti sottostanti. Questa penetrazione però non è necessariamente seguita dalla malattia. Infatti, la malattia si manifesta quando l’agente infettante prende il sopravvento su altre difese dell’organismo che fanno parte del sistema immunitario. L’infezione si traduce in malattia anche dopo molto tempo, quello cosiddetto di incubazione. In ogni caso, l’organismo conserva una traccia permanente dell’infezione.
• Le malattie infettive: Per alcune infezioni esogene è possibile la trasmissione interumana. In questo caso si parla di malattie infettive.
• La trasmissione interumana delle malattie infettive: Si parla di trasmissione orizzontale quando l’infezione si trasmette tra individui diversi e tra di loro indipendenti, mentre si parla di trasmissione verticale quando l’infezione si trasmette dalla madre al feto, al neonato, oppure durante l’allattamento.

Le difese inducibili contro le infezioni e la risposta immune

L’immunità definisce lo stato di resistenza di un organismo ad un particolare microrganismo, quindi comprende anche le difese di quell’organismo. Il sistema immunitario è formato da cellule singole che si spostano in tutto il corpo e i suoi attori principali sono le cellule linfonoidi. Questo sistema è in grado di riconoscere le macromolecole estranee e di attivarne nei loro confronti una risposta specifica che si estrinseca o con la produzione di anticorpi, o con la produzione di linfociti, o con entrambi. Inoltre, il sistema immunitario possiede anche una memoria e una tolleranza (non attacca gli antigeni propri dell’organismo).

La risposta immune

Dipende dall’interazione dell’antigene con i linfociti B e T entrambi prodotti dal midollo osseo. La risposta immune nei confronti degli antigeni esogeni è di tipo umorale, grazie ai linfociti B. Nei confronti di antigeni endogeni la risposta è di tipo cellulo mediata, grazie ai linfociti T.

La diagnosi d’infezione: principi generali

La prima strada per giungere ad una diagnosi d’infezione è quella di utilizzare tutti i mezzi e gli strumenti disponibili per ricercare in un determinato lasso di tempo e in un determinato campione di materiale patologico, una possibile dimostrazione diretta dell’eventuale presenza di un microrganismo o virus patogeno per l’uomo.

• Ricerca di agenti infettanti nei campioni di materiale patologico: In alcune circostanze la ricerca può essere fatta con un esame microscopico, ma nella maggior parte dei casi si effettua mediante coltivazione in adatti substrati, in modo da consentire la moltiplicazione dei microrganismi. Nei casi in cui la coltivazione non serva, si provvede alla ricerca di un agente infettante non equivoco detto antigene caratteristico. Questo si fa con reazioni di immunofluorescenza o immunoenzimatiche, oppure con sequenze nucleotidiche caratteristiche. La tecnica di maggiore impiego è la P.C.R. (Polymerase Chain Reaction) o reazione polimerasica a catena, resa possibile dall’impiego di DNA polimerasi isolate da microrganismi termofili. Questa tecnica si basa sull’isolamento di un primer che avvia la reazione.
• Impiego della risposta anticorpale nella diagnosi di infezioni: Solo quando la ricerca dell’agente infettante non è percorribile bisogna ricorrere alla dimostrazione della presenza dell’agente infettante nell’organismo. Infatti, la risposta immune umorale è specifica per ogni agente. Ma questa tecnica ha un impiego limitato, poiché molte volte per avere una risposta immunitaria dal momento dell’iniezione di anticorpi circolanti, si può avere anche molti anni dopo, quando l’infezione è ormai stata superata da tempo.

I farmaci antimicrobici e antivirali: principi generali

Nelle patologie non infettive si usano farmaci che agiscono su funzioni o strutture dell’organismo, interferendo con il loro livello di attività, mentre nelle patologie da infezione si usano dei farmaci antimicrobici che hanno come bersaglio l’agente infettante. L’obiettivo è comunque quello di recare minor danno possibile all’organismo infetto. Gli antimicrobici sono molto tollerabili perché conferiscono poco l’organismo infetto, mentre gli antivirali hanno effetti collaterali molto gravi, dato che i virus si replicano integrandosi nei circuiti metabolici cellulari.

• Immunoterapia nelle malattie da infezione: i sieri immuni e la preparazione di gamma globuline: L’immunoterapia consiste nell’inoculare un siero immune di origine animale per mettere subito a disposizione dell’organismo gli anticorpi di cui ha bisogno. Le gamma globuline invece sono di origine umana e sono anticorpi provenienti da donatori adulti sani. Ma le gamma globuline non hanno un corredo anticorpale singolo, ma un cocktail di anticorpi rispecchianti le esperienze patologiche del donatore. La preparazione delle gamma globuline è mirata contro varie malattie e hanno il vantaggio, al contrario di quelle di origine animale, di non dar luogo ad allergie.

Cenni sulle possibilità di prevenzione delle malattie da infezione

La catena che rappresenta un processo di infezione è costituita da una sorgente d’infezione, da una via di trasmissione e infine da un organismo recettivo. Nelle malattie infettive è possibile agire su almeno uno dei tre anelli della catena per evitare l’infezione.

• I vaccini: La vaccinazione consiste nell’inoculazione di vaccini (virus, ecc.), in modo da indurre una risposta immunitaria analoga a quella dell’infezione naturale, ma senza esporre l’organismo a rischi.
• I problemi microbiologici nell’allestimento dei vaccini e le prospettive dei vaccini di nuova generazione: La difficoltà nella produzione dei vaccini è quella di isolare gli antigeni giusti, cioè senza effetti sull’organismo, da quelle parti che potrebbero essere rischiose per la salute. Ma non sempre gli antigeni giusti sono anche quelli buoni. Con le tecniche di nuova generazione si sta cercando di porre rimedio a questo problema.
• I vaccini a DNA: È possibile usare il DNA di un antigene che codifica una particolare proteina per indurre una risposta immunitaria. Il DNA che interessa viene inoculato e riconosciuto come estraneo dalle cellule fagocitarie che però non lo uccidono. Il DNA quindi viene trasportato e tradotto ma non replicato. Il prodotto della traduzione viene riconosciuto come estraneo e quindi viene avviata immediatamente la risposta immunitaria.

Le reazioni sierologiche

Se il siero di un animale immune nei confronti di un determinato antigene viene mescolato in vitro con l’antigene corrispondente, si viene a formare un immuno complesso. Questo si accompagna a fenomeni dimostrabili tramite delle reazioni sierologiche. Una reazione sierologica è quindi una reazione che consente, mettendo a contatto un siero immune con un determinato antigene, di apprezzare la formazione di un immuno complesso. Comunque in ogni reazione sierologica gli agenti fondamentali sono sempre due, il siero e l’antigene e almeno uno dei due deve essere sempre noto.

Capitolo 2: La cellula batterica

Dimensioni, forma e aggruppamento

La cellula batterica è procariotica e di piccole dimensioni, la cui forma può essere o a una sfera o a un cilindro. I batteri di forma sferica prendono il nome di cocchi, quelli di forma cilindrica prendono il nome di bacilli. I batteri di forma cilindrica ma corta sono detti cocchi bacilli, quelli che presentano delle estremità assottigliate sono detti bacilli fusiformi, mentre quelli con una o più curvature sono detti vibrioni o spirilli. In genere gli aggruppamenti fra i cocchi possono essere a diplococchi (due cocchi), stafilococco (più cocchi in ammassi regolari) e streptococchi (più cocchi disposti a catenelle). Gli aggruppamenti possibili fra i bacilli possono essere a diplobacillo e a streptobacillo.

Composizione chimica

Il componente cellulare più abbondante è l’acqua (circa l’80%), mentre gli altri costituenti organici sono sciolti in essa. I componenti inorganici più importanti sono il potassio, il sodio, il magnesio, il calcio, il ferro, lo zinco, il fosforo e lo zolfo. I componenti più caratterizzanti però sono rappresentati dai polimeri, ognuno formato da un certo numero di sostanze organiche.

Colorazione di Gram

Le osservazioni al microscopio ottico possono dare solo un’informazione approssimativa in base alla forma e all’aggruppamento, mentre per aumentare il contrasto e aumentare le rilevazioni morfologiche si usano delle speciali colorazioni. Le colorazioni si distinguono in semplici e differenziali. Le colorazioni semplici si eseguono mettendo a contatto insieme il colorante e il preparato contenente batteri. I coloranti più usati sono il cristalvioletto, la fuxina e il blu di metilene. Le colorazioni differenziali invece usano più coloranti in tempi successivi, che consentono di individuare differenze di colorazione tra specie batteriche diverse e talvolta particolari strutture intracellulari. La colorazione differenziale più importante è quella di Gram che si esegue nel seguente modo: il preparato viene trattato per due o tre minuti con il cristalvioletto, poi si mordenza per fissare il colore con una soluzione di iodio e ioduro di potassio in acqua, a questo punto il preparato viene trattato per uno o due minuti con un decolorante (alcool o acetone) e infine ancora per uno o due minuti con un secondo colorante di colore rosso (fuxina). Al termine del processo alcuni batteri appaiono in violetto poiché il decolorante non ha asportato la prima colorazione, e vengono detti Gram positivi. I restanti invece appaiono di colore rosso grazie all’azione del decolorante che ha eliminato la prima colorazione, e vengono detti Gram negativi. La diversa colorazione dei batteri è dovuta ad una diversa permeabilità degli involucri cellulari che è maggiore nei Gram negativi e minore nei Gram positivi.

L’architettura della cellula procariotica

La cellula batterica non presenta una compartimentazione al suo interno, caratteristica invece delle cellule eucariotiche. Essa è costituita da una struttura cromosomica immersa direttamente nel citoplasma, questo è delimitato da una membrana citoplasmatica che verso l’interno forma delle invaginazioni dette mesosomi. Il tutto è racchiuso nel sacculo o parete cellulare, sulla cui superficie si trova del materiale polissacaride denominato capsula. In alcune specie batteriche sono inoltre presenti dei flagelli utili per la locomozione, o dei pili, utili per la congiunzione ad altre cellule.

• Il cromosoma (nucleoide) batterico: Il nucleo è quella zona che contiene il DNA, contenente le informazioni genetiche cellulari. Infatti, all’interno del citoplasma si possono riscontrare una o più aree formate da un materiale filamentoso che si trova immerso nel citoplasma. Questo materiale costituito da DNA è disposto a forma circolare ed è denominato nucleoide.
• Il citoplasma e le inclusioni citoplasmatiche: i ribosomi batterici: In alcuni casi sono presenti nel citoplasma delle granulazioni o inclusioni che hanno il compito di accumulare le sostanze nutritive di riserva. In generale il citoplasma batterico è molto simile a quello eucariotico, ma al contrario di questo non presenta movimenti del materiale citoplasmatico. Nel citoplasma batterico sono inoltre presenti i ribosomi, unico centro della sintesi proteica, sono formati per il 60% da RNA e per il 40% da proteine, e sono costituiti da due subunità proteiche, una più grande e una più piccola.
• La membrana citoplasmatica: È formata dal 40% di lipidi e dal 60% di proteine, insieme ad una piccola quantità di carboidrati. Ha un doppio strato fosfolipidico contenente proteine che intervengono nel trasporto da e per il citoplasma. I meccanismi che regolano i vari tipi di trasporti sono diversi, il trasporto passivo è esclusivo dell’acqua e di poche sostanze liposolubili, mentre tutte le altre molecole necessitano di un trasporto attivo. Inoltre, la membrana citoplasmatica è sede di alcuni processi in grado di produrre ATP attraverso un processo di respirazione.
• Mesosomi: In alcuni batteri e soprattutto nei Gram positivi, sono presenti nella membrana citoplasmatica una serie di vescicole, tubuli e lamelle. Queste strutture sono dette mesosomi e possono avere diverse funzioni in rapporto alla divisione cellulare, alla produzione di enzimi e alla fosforilazione ossidativa.
• Il sacculo o parete cellulare: È un contenitore rigido che avvolge la cellula batterica. Il sacculo ha una composizione molto complessa e ha profonde differenze fra Gram positivi e Gram negativi. Quella dei Gram positivi presenta una sezione trilaminare circondata da un grosso strato denso agli elettroni. Nei Gram negativi invece l’involucro esterno ha tre diversi strati. In entrambi i casi il sacculo è circondato da uno strato di materiale mucoso chiamato anche capsula. Il componente fondamentale della parete cellulare è rappresentato da un enorme polimero detto peptidoglicano che non si riscontra in altre strutture biologiche.
• Gli involucri esterni dei batteri Gram positivi: Nei batteri Gram positivi la membrana citoplasmatica è protetta da una parete molto spessa formata da molti strati di peptidoglicano insieme a degli acidi teicoici che si differenziano per la loro composizione. La loro funzione è ancora oggi controversa, ma sembra che servono come ancoraggio. Il complesso di acidi e peptidoglicano non impedisce però il passaggio di molte molecole. Inoltre, la durezza dell’involucro esterno consente ai batteri di sopravvivere in un ambiente ipotonico, cioè con una pressione osmotica inferiore a quella del citoplasma. La presenza di una spessa parete cellulare fa sì che il cristalvioletto penetri in profondità e che non venga decolorato anche con l’uso di solventi adatti.
• Gli involucri esterni dei batteri Gram negativi: La loro parete cellulare è molto più sottile ed è formata solo da peptidoglicano, ma questa è avvolta da una seconda parete cellulare. Inoltre, contiene dei canali speciali che consentono la diffusione passiva e selettiva di molte sostanze, questi canali sono formati da proteine appunto chiamate porine. La presenza di una sottile parete cellulare è la peculiarità per cui i solventi riescono nella colorazione di Gram, a cancellare il primo colorante.
• Periplasma o spazio periplasmico: È uno spazio delimitato all’interno dalla membrana citoplasmatica ma esterno all’organizzazione della cellula. È composto prevalentemente da peptidoglicano e da un gel che ricopre varie funzioni. La sua funzione è quindi quella di racchiudere e contenere sia lo strato di peptidoglicano e sia altre molecole che garantiscono una serie di funzioni fisiologiche del batterio.
• Strato superficiale cristallino: Una grande parte dei batteri ha inoltre uno strato aggiuntivo all’esterno, detto strato cristallino o strato S, il quale è formato da una serie di proteine. La sua funzione è quella di protezione e interviene inoltre nei fenomeni di adesione, ma non si è sicuri sulla sua presenza in tutta la vita del batterio.
• Capsula: Numerosi batteri infine presentano un ulteriore involucro mucoso detto capsula che è utile al batterio per colonizzare numerose nicchie ecologiche, conferendogli una maggiore adesività. La sua particolarità è quella di essere antifagocitaria e quindi non è strano vedere i batteri circolare con un abbondante strato capsulare.
• I flagelli ed il movimento della cellula batterica: Sulla superficie batterica esistono i flagelli che rappresentano il mezzo per cui un batterio è capace di muoversi e sono composti da proteine o da sali. I flagelli batterici, al contrario dei flagelli eucariotici, sono molto semplici, infatti sono composti da un unico filamento sprovvisto di membrana. I flagelli di solito sono una peculiarità dei batteri cilindrici e si possono distinguere i batteri con flagelli polari (uno o più flagelli).