Riassunto esame aiuto compiti, docente Donnarumma, libro consigliato Brock - Biologia dei Microrganismi - Volume 3-Microbiologia biomedica,Madigan, Martinko, Stahl, Clark

Microbiologia medica: interazioni uomo-microrganismo

All'interno e sulla superficie del corpo umano è presente una popolazione numericamente elevata di microrganismi. Molti di questi microrganismi svolgono un ruolo positivo per il mantenimento della salute generale dell'individuo. Un numero ristretto di microrganismi, detti patogeni, è in grado di colonizzare, invadere e danneggiare l'ospite attraverso meccanismi diretti o indiretti, determinando infezioni e patologie.

Il corpo umano è costantemente esposto a milioni di microrganismi presenti nell'ambiente. All'interno o sulla superficie del nostro corpo vivono e crescono centinaia di specie e miliardi di singoli microrganismi, che sono collettivamente indicati come flora normale.

Colonizzazione e flora normale

I mammiferi nella vita intrauterina si sviluppano in un ambiente sterile e non vengono a contatto con microrganismi. La colonizzazione, ossia la crescita del microrganismo dopo che ha raggiunto il tessuto dell'ospite, ha inizio quando gli animali sono esposti ai microrganismi. Le popolazioni batteriche colonizzano gli individui in siti anatomici differenti e in momenti diversi. Per esempio, Escherichia coli è un normale residente dell'intestino umano e animale. La normale flora residente è influenzata notevolmente dall'ambiente in cui il soggetto vive e si diversifica.

Patogeni e sistema immunitario

Gli organismi che vivono sulla superficie o all'interno di un organismo ospite, provocando dei danni all’ospite stesso, sono denominati patogeni. L'esito dell'interazione parassita-ospite dipende dalla patogenicità, cioè dalla capacità del patogeno di determinare un danno all'ospite. In assenza di una normale e funzionale difesa dell'ospite i cosiddetti patogeni opportunisti riescono a determinare l'insorgenza della malattia. L'interazione parassita-ospite è una relazione dinamica tra i due organismi. Né la virulenza del patogeno né la relativa distanza dell'ospite sono fattori costanti.

Infezioni e malattie

Il termine infezione si riferisce a tutte le situazioni in cui un microrganismo si stabilisce e cresce in un ospite. La malattia è il danno o la lesione che compromette le funzioni dell'ospite. Infezione non è sinonimo di malattia, poiché la crescita di un microrganismo in un ospite non sempre arreca danno all'ospite infettato. La flora normale infetta l'ospite ma raramente causa malattia; essa può provocare malattia se la resistenza dell'ospite è compromessa, come per esempio nel caso di malati di cancro e di AIDS.

Ambienti favorevoli e difese dell'ospite

Gli organismi animali costituiscono degli ambienti favorevoli per la crescita di molti microrganismi. L'organismo animale non costituisce un ambiente uniforme: ogni distretto e ogni organo differisce chimicamente e fisicamente dagli altri e ciò fa sì che si creino ambienti selettivi, dove alcuni microrganismi sono favoriti rispetto ad altri. Per esempio, l'ambiente relativamente secco della pelle favorisce la crescita di batteri che resistono alla disidratazione, come il batterio Gram-positivo Staphylococcus aureus; l'ambiente ricco di ossigeno dei polmoni è particolarmente favorevole per la crescita di Mycobacterium tuberculosis, un batterio anaerobio obbligato. Gli organismi animali possiedono diversi meccanismi di difesa che cooperano per prevenire o inibire l'invasione e la crescita dei microrganismi. I microrganismi che riescono a colonizzare l'ospite sono quelli che hanno sviluppato meccanismi in grado di eludere i sistemi di difesa.

Infezioni e meccanismi di difesa

Le infezioni iniziano frequentemente a livello dei rivestimenti epiteliali delle mucose. Le mucose si trovano in diverse parti del corpo. Esse sono spesso rivestite da uno strato protettivo di muco, secreto dalle cellule epiteliali stesse; questo liquido partecipa alla difesa contro l'invasione microbica. I microrganismi si ritrovano quasi sempre sulle superfici del corpo che sono più esposte all'ambiente esterno, come la cute. Di solito sono assenti negli organi più interni, nel sangue, nel sistema linfatico o nel sistema nervoso.

Virulenza e patogenesi microbica

La virulenza è la capacità relativa dei microrganismi patogeni di danneggiare l’ospite. La patogenesi microbica è il processo con cui i microrganismi causano la malattia, e si divide in:

• Adesione del patogeno all’ospite
• Invasione
• Colonizzazione
• Infezione, o moltiplicazione dell’organismo

La crescita incontrollata del patogeno può determinare danni nell’ospite, e quindi la malattia. La virulenza di un patogeno può essere stimata valutando la LD₅₀, ossia la dose necessaria perché un agente uccida il 50% della popolazione in esame affetta dal patogeno. Per determinati patogeni la dose letale per il 100% della popolazione richiede più o meno la stessa quantità di cellule (es. Streptococcus pneumoniae), per altri no (es. Salmonella enterica).

Attenuazione e meccanismi patogenici

L'attenuazione è la diminuzione o la perdita di virulenza, a volte in modo permanente. Questo succede quando, per esempio, i patogeni vengono coltivati in laboratorio, senza passare per animali per molto tempo: questi organismi si definiscono attenuati. Questo è dovuto dal fatto che in coltura probabilmente i ceppi meno virulenti sono favoriti: questi vengono usati per i vaccini (es. ceppi attenuati di Mycobacterium bovis, come vaccino per la tubercolosi).

Per determinare un danno, i patogeni devono raggiungere il sito del corpo dove potersi moltiplicare, penetrando attraverso la pelle o le mucose. Nella maggior parte dei casi, le infezioni iniziano a livello di ferite della cute o di rotture dei tratti respiratorio, digestivo o urogenitale. I patogeni spesso aderiscono in maniera specifica con le cellule di un particolare sito d’infezione, e spesso aderiscono tra loro per formare biofilm. Alcune molecole che mediano l’adesione del patogeno all’ospite spesso non sono legate al microrganismo: queste formano il glicocalice, formato da polisaccaridi e secreto dallo stesso microrganismo, che ne ricopre la superficie. Esso può essere:

• Strato mucillaginoso (o mucoso), nel caso in cui si parli di una massa di fibre, apparentemente staccata dalla cellula
• Capsula, nel caso in cui si parli di un rivestimento costituito da polimeri, che forma uno strato ben definito intorno alla cellula

Essa ha anche un ruolo di protezione per il microrganismo (es. Streptococcus pneumoniae, in cui l’unico fattore di virulenza è la capsula, che rallenta il processo di fagocitosi dell’ospite).

Fimbrie, pili e adesione

Le fimbrie e i pili sono strutture proteiche presenti sulla superficie batterica, coinvolte nel processo di adesione. I pili, in genere, sono più lunghi delle fimbrie e sono presenti in minor numero, rispetto ad esse, sulla cellula. Determinati tipi di ceppi presenti nella flora normale dell’organismo, come alcuni ceppi di Escherichia coli, non sono patogeni, e quindi non producono i fattori antigenici di colonizzazione.

Metabolismo e diffusione nei tessuti

Per poter indurre la malattia un patogeno, dopo essere stato inoculato nell’ospite, deve trovare un terreno favorevole per poter crescere e moltiplicarsi. Non tutte le vitamine e gli altri fattori di crescita sono sempre presenti in tutti i tessuti, per cui sono favoriti quei microrganismi in grado di metabolizzare nutrienti specifici. Lo stesso vale per gli oligoelementi, come il ferro. Alcuni batteri, però, producono siderofori, ossia composti in grado di chelare gli ioni ferro in modo da ottenere ferro dall’ambiente (prodotti per es. da alcuni ceppi di Escherichia coli e Salmonella). Dopo la penetrazione, il microrganismo si localizza e inizia a riprodursi, formando un focolaio (es. foruncolo a causa di Staphylococcus). Una moltiplicazione massiva comporta una batteriemia, ossia un riversamento dei batteri nel sangue. La successiva diffusione del batterio dal sangue al sistema linfatico comporta una setticemia, ossia quando il microrganismo prolifera in vari tessuti. Quest’ultima può portare ad uno shock settico ed alla morte.

Virulenza e produzione di tossine

La virulenza è l’espressione della capacità di un patogeno di procurare danno all’ospite, ed è determinata da:

• Tossicità, ossia la capacità di un organismo di svolgere il suo ruolo patogeno attraverso la produzione di tossine che inibiscono le funzioni della cellula o la uccidono
• Invasività, ossia la capacità di un organismo di entrare a contatto con le cellule e i tessuti dell’ospite, di proliferare e causare la malattia

Un microrganismo può indurre una malattia producendo tossine e fattori di virulenza, i quali favoriscono il processo invasivo promuovendo la colonizzazione e la crescita (es. ialuronidasi prodotta da Streptococchi, Stafilococchi e alcuni Clostridi, o la collagenasi prodotta dai Clostridi). La fibrina è una proteina insolubile del sangue che forma coaguli, spesso in corrispondenza di una zona infettata: in questo modo i patogeni restano isolati e l’infezione è limitata ad una piccola regione. Alcuni organismi producono sostanze in grado di dissolvere tali coaguli (es. streptochinasi prodotta da Streptococcus pyogenes). Altri organismi producono sostanze in grado di promuovere i coaguli, in modo da restare confinati e protetti (es. coagulasi prodotta da Staphylococcus aureus).

Esotossine e endotossine

Le esotossine sono proteine tossiche rilasciate nell’ambiente circostante da un microrganismo in crescita: possono diffondersi e provocare danni anche in regioni lontane dal focolaio. Esse si dividono in tre categorie:

• Tossine citolitiche, extracellulari, capaci di ledere la membrana citoplasmatica delle cellule dell’ospite, provocando lisi e morte. La loro attività è particolarmente evidente sui globuli rossi, in questo caso vengono indicate come emolisine, che causano emolisi. Alcune ledono i fosfolipidi di membrana, e vengono indicate come lecitina e fosfolipasi (es. α-tossina prodotta da Clostridium perfringens), mentre altre non sono dotate di attività fosfolipasica (es. streptolisina O prodotta dagli streptococchi).
• Tossine AB, le quali inibiscono la sintesi proteica (es. tossina difterica prodotta da Corynebacterium diphteriae). Il frammento B promuove il legame specifico ad un recettore presente su molte cellule eucariotiche e, dopo il legame, un taglio separa i due frammenti A e B, permettendo al frammento A di entrare nel citoplasma e inibire la sintesi proteica, bloccando il trasferimento di aminoacidi dal tRNA alla catena polipeptidica nascente, ed in particolare inattivando il fattore di allungamento EF-2.
• Tossine superantigeniche.

Le enterotossine, prodotte dagli Enterobatteri, sono esotossine che agiscono sull’intestino tenue, provocando un’abbondante secrezione di fluidi nel lumen intestinale, che provocano vomito e diarrea. La tossina botulinica, prodotta da Clostridium botulinum, è una neurotossina rappresentata da sette esotossine AB correlate, e rappresenta la sostanza più velenosa che si conosca: essa provoca paralisi flaccida. La tossina tetanica, prodotta da Clostridium tetani, è una neurotossina di tipo AB. Essa porta a paralisi spastica, con il muscolo colpito costantemente contratto.

I batteri Gram-negativi producono come componenti dello strato esterno dell’involucro cellulare i lipopolisaccaridi, che sono chiamati endotossine. Esse sono diverse dalle esotossine, poiché parte integrante della cellula, e sono rilasciate in grandi quantità solo quando la cellula va incontro a lisi. Il lipopolisaccaride è formato da tre complessi: il polisaccaride O e il core polisaccaridico, che rendono il complesso idrosolubile e immunogenico, ed il lipide A, la frazione responsabile della tossicità. Esse provocano molti effetti fisiologici, come la febbre, la diarrea, di uno stato di infiammazione generalizzata, ecc.

Fattori di difesa e rischio dell'ospite

I fattori di difesa e di rischio dell’ospite influenzano la patogenicità di un microrganismo. Alcuni fattori di rischio sono controllabili, come l’alimentazione, lo stress o l’esposizione al patogeno, mentre altri no, come l’età o i fattori genetici. I fattori di difesa riguardano la resistenza naturale dell’ospite, la specificità del rapporto patogeno-tessuto, e le difese chimiche e fisiche dell’ospite, come alcune strutture che fungono da barriera o che producono sostanze di difesa.

Virus

Orthomyxovirus

Un gruppo di virus con genoma a RNA a polarità negativa è quello degli orthomyxovirus, al quale appartiene un importante patogeno umano, il virus dell'influenza. Il termine "myxo" deriva dal fatto che questi virus interagiscono con il muco che si trova sulla superficie cellulare. Nel caso dei virus dell'influenza, questo muco si trova sulla membrana mucosa del tratto respiratorio; quindi, questi virus sono trasmessi principalmente per via aerea. Il termine "ortho" distingue questo gruppo da un'altra famiglia di virus a polarità negativa, quella dei paramyxovirus. I paramyxovirus, che comprendono importanti patogeni per l'uomo come quelli responsabili della parotite e del morbillo, dal punto di vista della loro biologia molecolare, sono piuttosto simili ai rhabdovirus (virus della rabbia).

Gli orthomyxovirus sono virus rivestiti, nei quali il genoma a RNA è presente nel virione in forma segmentata. Nel caso del virus dell'influenza A, il genoma è ripartito in otto molecole lineari a singolo filamento. Il nucleocapside ha una simmetria elicoidale. Esso è inserito in un involucro che presenta un certo numero di proteine virus-specifiche e una componente lipidica derivante dalla cellula ospite. Le modalità con le quali il virus dell'influenza gemma lasciando la cellula fanno sì che il virione non abbia una forma definita e sia pertanto pleiomorfico. Le proteine sulla faccia esterna dell'involucro interagiscono con la superficie della cellula ospite. Una di queste è l'emoagglutinina, il cui nome deriva dal fatto che induce agglutinazione degli eritrociti. L'eritrocita non è l'ospite tipico del virus dell'influenza, ma presenta sulla sua superficie lo stesso componente di membrana, l'acido sialico, delle membrane delle cellule del tratto respiratorio. I globuli rossi sono, quindi, un tipo di cellule utile per saggiare l'attività agglutinante di questi virus. Una caratteristica importante dell'emoagglutina del virus dell'influenza è rappresentata dal fatto che anticorpi diretti contro di essa sono in grado di prevenire l'infezione delle cellule da parte del virus, neutralizzando il virus stesso: questo è il meccanismo attraverso il quale si sviluppa l'immunità verso l'influenza durante il processo di immunizzazione. Un secondo tipo di proteina presente sulla superficie del virus dell'influenza è l'enzima neuraminidasi. La neuraminidasi scinde la componente di acido sialico, un derivato dell'acido neuraminico, dalla membrana citoplasmatica dell'ospite. La sua attività interviene principalmente durante il processo di assemblaggio, distruggendo l'acido sialico sulla membrana citoplasmatica dell'ospite che altrimenti bloccherebbe l'assemblaggio o verrebbe incorporato nelle particelle virali mature.

Il virus possiede altri due enzimi chiave, una RNA polimerasi RNA-dipendente, che converte il genoma a polarità negativa in un filamento positivo, e una RNA endonucleasi, che taglia dai precursori degli mRNA cellulari il cap utilizzato come innesco per la sintesi degli mRNA virali. Una volta che il virione è entrato nella cellula, il nucleocapside si separa dall'envelope e migra verso il nucleo, dove avviene la trascrizione e la replicazione dell'acido nucleico. Le molecole di mRNA sono trascritte nel nucleo su stampo dell'RNA genomico utilizzando come inneschi oligonucleotidi tagliati dalla endonucleasi virale dall'estremità 5' degli mRNA cellulari neosintetizzati dotati di "cap". In questo modo gli mRNA virali dispongono di un "cap" al 5'. Dopo l'aggiunta delle code di poli-A, gli mRNA virali si spostano nel citoplasma per la traduzione. In questo modo, sebbene l'RNA del virus dell'influenza si replichi nel nucleo, le sue proteine, come tutte le proteine, sono sintetizzate nel citoplasma. Gli otto segmenti genomici del virus dell'influenza A codificano 10 proteine: gli mRNA trascritti da sei segmenti codificano ognuno una proteina singola, mentre gli altri due codificano due proteine ciascuno. Questo non avviene per traduzione di un mRNA policistronico, come nei procarioti, perché i ribosomi degli eucarioti riconoscono come codone di inizio soltanto l'AUG più vicino all'estremità 5'. Quindi, in generale, da un dato mRNA essi possono tradurre solo una proteina. Alcune delle proteine virali sono necessarie nei meccanismi di replicazione dell'RNA virale, mentre le altre sono proteine strutturali del virione. Nel suo insieme, la strategia di sintesi dell'RNA genomico somiglia a quella dei rhabdovirus, con la trascrizione virale primaria che porta alla produzione di filamenti positivi di RNA, della stessa lunghezza di un segmento genomico. La particella virale completa di involucro pericapsidico lascerà la cellula attraverso gemmazione dalla membrana citoplasmatica.

Il virus dell'influenza mostra un fenomeno noto come il riassortimento antigenico dovuto all'associazione, in nuove combinazioni, di segmenti genomici di RNA appartenenti a due ceppi virali geneticamente distinti che hanno infettato la stessa cellula. Da questa interazione genetica derivano virioni che esprimono un corredo di proteine di superficie significativamente differente da quello di entrambi i virus parentali. Le proteine di superficie sono il principale bersaglio degli anticorpi.