Patogenitate si virulenta. Clasificarea si caracteristicile

patogenilor. Originea si evolutia virulentei. Bazele genetice ale virulentei.

Masurarea virulentei patogenilor

Patogenitate si virulentaPatogenitate: capacitatea unui microorganism de a intra, coloniza

si a creste intr-o gazda pe care o paraziteaza caruia ii provoca o boala infectioasa.

Virulenta: este o masura a patogenitatii si se exprima ca fiind numarul de celule ori particule virale care genereaza un raspuns patogen in gazda, intr-o perioada determinata de timp.

Puterea patogena a unui microorganism depinde de:q capacitatea sa de invazie si multiplicare in interiorul

organismului parazitat (virulenta);q capacitatea de a produce substante toxice impotriva

organismului infectat (toxigeneza);q capacitatea de aparare antiinfectioasa a organismului atacat.

Capacitatea de aparare este foarte scazuta chiar si mo comensale pot deveni patogene (mo oportuniste) Bolile sunt de fapt rezultatul unui conflict intre patogen si organismul atacat: patogenul tinde sa invadeze tesuturile, organismul atacat se apara. Rezultatele acestui conflict pot fi minime (pacientul e clinic sanatos) sau maxime (moartea)

Microorganisme nepatogene

De exemplu, microorganismele care formeaza microflora indigena (normala) sunt specii comensale, care traiesc

Microorganisme care formeaza placa dentara (SEM)(dupa Madigan M.T., Martinko J.M, Parker J Brock

Biology of Microorganisms)

specii comensale, care traiesc in contact sau in imediata apropiere a celulelor umane si animale.

Microorganisme strict patogene

Microorganisme strict patogene: specii care invadeaza, se multiplica si imbolnavesc o gazda cu apararea antimicrobiana normala.Patogenii sunt paraziti (organism care traiesc pe sau intr-o gazda si beneficiaza de pe urma acesteia) care produc efecte adverse gazdei. Patogenii pot fii ectoparaziti, cand paraziteaza gazda la gazdei. Patogenii pot fii ectoparaziti, cand paraziteaza gazda la nivelul tegumentului ori endoparaziti: penetreaza in cavitatile gazdei sau ii invadeaza tesuturile.

O data cu vindecarea clinica a infectiei unele microorganisme strict patogene pot trece de la relatia de parazitism la comensalim sau mutualism. In cazul infectiei latente patogenii supravietuiesc adapostiti in tesuturi, dar intretin imunitatea gazdei. Purtatorii sanatosi de microbi patogeni (bacilul tuberculozei, difteric, tifos exantematic) pot transmite microbul persoanelor receptive.

Exista si paraziti nepatogeni, care nu produc efecte adverse asupra gazdei

Microorganisme oportuniste

Microorganisme oportuniste/conditionat patogene: microorganisme care isi manifesta potentialul patogen doar cand apar deficiente in sistemul antimicrobian al gazdei (plagi, boli grave).

Exemplu: virusuri (virusul citomegalic), bacterii (Streptococcus Exemplu: virusuri (virusul citomegalic), bacterii (Streptococcus mutans, Proteus sp., bacili coliformi, Arcanobacterium pyogenes la ruminate), fungi (Candida albicans).

Microorganismele conditionat patogene revin la relatia de comensalism sau mutualism atunci cand este restabilit sistemul antimicrobian al gazdei.

Placa dentara cu celule de Streptococcus mutans (SEM)(dupa Madigan M.T., Martinko J.M, Parker J Brock Biology of

Microorganisms)

Cariile dentare sunt asociate cu 2 specii de streptococi S. sobrinus si S. mutans (mai ales). S-a constatat ca 80-90% din populatia SUA si a Europei au dintii colonizati cu aceste bacterii. Totusi, in Tanzania copii nu au aceste bacterii in placa dentara probabil datorita dietei sarace in zaharuri

Adaptarea la parazitism in cazul microorganismelor patogene

Adaptarea la viata parazitara a determinat profunde transformari la organismele patogene:

q Au aparut si s-au dezvoltat organe de fixare, organe sau enzime de penetrare si invazie si capacitatea de neutralizare a fagocitelor;

q Au disparut ori s-au atrofiat organele care asigurau viata libera;

q Dezvoltarea excesiva a aparatului de reproducere;q Dezvoltarea structurilor de rezistenta in afara gazdei (spori,

chisti).

Organe de fixare: la virusuri exista molecule specifice de fixare, bacteriile au fimbrii, carlige la alti paraziti, Organe de penetrare: piesele bucale ale unor viermi sunt ca niste lame taioase, Enzime de penetrare: la bacteriiCapacitatea de neutralizare fagocite:capsula si alte substante antifagocitare produse de bacteriiAu disparut/atrofiat organele care asigurau viata libera: virusuri parazit intracelular, multe bacterii patogene au pierdut capacitatea de a sintetiza metaboliti, pe care ii obtin de la celula gazda; unele nici nu pot fi crescute in laborator bacilul leprei, treponema sifilisului), ochii sau antenele la parazitiDezvoltarea aparat reproductiv: particule virale in exces, parazitiForme de rezistenta: spori la bacterii si fungi, chisturile la protozoare. Sporii de B. anthracis pot rezista zeci de ani in pamant si nu sunt distrusi prin arderea animalelor moarte (sunt mancati de viermi si readusi la suprafata)

Originea si evolutia virulentei Cercetari recente sugereaza faptul ca patogenii au aparut cu

mult inaintea animalelor pe care le paraziteaza. Principalii factori selectivi care au dus la aparitia patogenilor au fost: predatorismul protozoarelor si stresul produs de factorii de mediu.

Ipoteza Pierderea independentei, castigarea virulenteiIpoteza Pierderea independentei, castigarea virulenteiConform acestei ipoteze microorganismele comensale in asociere cu gazda au pierdut abilitatea de a realiza procese cheie, devenind astfel dependente de gazda pentru crestere si supravietuire. Odata cu cresterea dependentei unele organisme s-au defectat si au devenit virulente. Adaptarea la acest mod de viata a generat o pierdere a unor gene esentiale modului de viata independent. Astfel, s-a observat ca tulpinile patogene de E. coli au pierdut regiuni intinse din cromozomul bacterian, prezente insa la alte tulpini de E. coli .

Similar E.coli este situatia de la Shigella

Originea si evolutia virulentei Totusi, aceasta ipoteza nu pare a aduce un avantaj evolutiv

acelor comensali care au dobandit gene de virulenta dar isi distrug complet gazda. Corynebacteriile comensale se gasesc din abundenta in partea superioara a tractusului respirator. Tulpina patogena Corynebacterium diphtheriae a castigat genele de virulenta dar omorarea gazdei duce si la distrugerea bacteriei.

Teoria nu ia in considerare nici principiile de baza ale selectiei naturale, care sustine competitia, nu pe coexistenta pasnica. Astfel, naturale, care sustine competitia, nu pe coexistenta pasnica. Astfel, un patogen superior din punct de vedere genetic ar trebui sa exploateze mai eficient resursele gazdei si sa se transmita pe parcursul mai multor generatii.

Evolutia virulentei microbiene este influentata de mai multi factori:q Presiunea selectiva a mecanismului imunitar al gazdei;q Rata de inmultire a patogenului;q Transmisibilitatea.

Patogenul benign

Originea si evolutia virulenteiModelul matematic care descrie dinamica de transmitere apatogenului intr-o populatie gazda

(reproducerea gazdei e continua si patogenul se transmite direct de la o gazda la alta):

R0 = bN/a + m + nb rata de transmitere a boliiN numarul de gazde susceptibilea rata mortalitatii patogen-independentem rata mortalitatiin rata de recuperare a gazdei

Selectia naturala favorizeaza transmiterea patogenului intr-o populatie gazda daca rata de transmitere (b) a bolii este mare sau daca mortalitatea (m) este redusa. Rata de transmitere este direct dependenta de timpul unei generatii. Distrugerea gazdei nu este intotdeauna o strategie evolutiva potrivita.

Patogenul se afla in gazda la granita intre transmisibilitate/necesitatea de a fi transmis la alta gazda si longevitate/dorinta de a supravietui cat mai multPatogenul care se multiplica rapid e avantajat

Neisseria meningitis este microorganism comensal la om in zona nasofaringiana dar poate ajunge in lichidul cerebrospinal si provoaca meningita.Rata de transmiterea a patogenului cand se afla in zone afla in zone nasofaringiana este foarte mare, dar microorganismul este sechestrat atunci cand se afla in lichidul cerebrospinal si nu poate fi transmis altei gazde.

Originea si evolutia virulenteiMecanismul de transmitere a patogenilor este unul dintre aspectele cele mai putin cunoscute ale virulentei microbiene.Multi patogeni au una sau mai multe rute de transmitere, dar una este predominanta. In multe cazuri, transferul de la o gazda la alta este un proces activ, microorganismele au dezvoltat mecanisme genetice specializate.Analiza cazurilor de enterita neonatala porcina cauzata de C. difficile Analiza cazurilor de enterita neonatala porcina cauzata de C. difficile a dovedit faptul ca agentii si caile de transmitere a patogenilor evolueaza continuu. Sistemul intensiv de crestere a animalelor afecteaza profund transferul patogenilor de la o gazda la alta. In astfel de comunitati se poate realiza o selectie neintentionata a unei tulpini patogene mai putin virulente, dar care se mentine in populatie timp indelungat. Se considera ca astfel de grupuri de animale clinic sanatoase pot avea tulpini patogene caracteristice, adaptate grupului respectiv.

Un alt exemplu este infectia cu HIV. HIV (retrovirus ARN mc) ataca toate celulele care au o pr de suprafata CD4, din aceasta categorie facand parte macrofagele si limfocitele T. Exista 3 categorii de medicamente care ataca HIV:inhibitori indirecti ai revers-transcriptazei, inhibitori directi ai revers-transcriptazei, inhibitori proteazici (inhiba maturarea virusului). Terapia anti-HIV trebuie sa contina un drug cocktails: toate cele 3 medicamente deoarece apare rezistenta virusului la antiviralele respective.

Originea si evolutia virulenteiMetoda de transmitere este direct corelata cu gradul in care patogenul afecteaza gazda. Astfel, patogenii care se transmit prin aerosoli nu imobilizeaza gazda si astfel nu este afectata rata de transmitere a bolii; in timp ce bolile transmise prin intermediul vectorilor pot imobiliza sau chiar omori gazda fara ca transmisibilitatea sa fie modificata. In cazul bolilor cu transmitere sexuala, in care este necesar contactul direct transmitere sexuala, in care este necesar contactul direct intre gazde, patogenul va beneficia mai mult daca are un sistem adecvat care sa il apare de sistemul imun al gazdei. Patogenii transmisi prin intermediul apei sunt de obicei foarte virulenti si se multiplica intens in gazda care este parte din ciclul lor de viata (vibrionul holerei). Extrem de virulenti sunt si patogenii care au dezvoltat structuri de rezistenta in afara gazdei (B. anthracis), desi modul lor de transmitere este pasiv.

Vibrio cholerae e transmis prin apa (de obicei) ori purtat de muste

Bazele genetice ale virulentei

Genomul bacterian contine un set de gene numit core gene pool care se gasesc in majoritatea bacteriilor si un set de gene flexible gene pool care asigura adaptarea la conditiile de mediu si care este tulpina-specific. Spre exemplu, la S. aureus (6300 kb) din genom este similar la toate tulpinile iar este specific si contine gene care codifica integraze ori iar este specific si contine gene care codifica integraze ori transpozaze implicate in mobilitate, gene de virulenta ori gene de rezistenta la antibiotice.

Reglarea cailor si genelor de virulenta este foarte complexa. Uneori cascadele reglatoare ale virulentei pot controla si gene care nu sunt direct asociate cu virulenta.

E. coli O157:H7 are aproape 1400 de gene tulpina-specifice, majoritatea lor codificand genele de virulenta.

Bazele genetice ale virulentei

Transferul orizontal de gene (plasmide, fagi, elemente genetice mobile) este foarte important in evolutia virulentei si a condus la formarea unor clustere de gene numite insule de patogenitate care transforma intr-o singura etapa tulpina avirulenta intr-o tulpina virulenta. Majoritatea insulelor de patogenitate contin 10 200 kb si Majoritatea insulelor de patogenitate contin 10 200 kb si continut ridicat de G + C, sunt asociate de obicei cu locusul tRNA, contin fragmente repetitive la fiecare capat si pot avea gene ce codifica mobilitatea genetica. Insule de patogenitate au fost descrise la E. coli, Salmonella spp., Yersinia spp., Shigella spp., Vibrio cholerae. De exemplu, la Salmonella, insula SP-1 guverneaza invazia celulelor epiteliale iar SP-2 mediaza supravietuirea in interiorul macrofagilor.

Bazele genetice ale virulentei Plasmide care contin gene de virulenta au fost identificate la

mai multe specii de patogeni: Yersinia pestis (toxina, coagulaze, fibrinolizina), E. coli (enterotoxina, factori de aderenta, hemolizina, factori de invazie celulara), Shigella sp., B. anthracis (capsula, factorul letal, antigen protectiv);

Bacteriofagi care poarta gene de virulenta. Tulpinile de E. coli care produc toxina Shiga sunt rezultatul lizogeniei cu fagul care produc toxina Shiga sunt rezultatul lizogeniei cu fagul care poarta genele stx. Toxinele produse de V. cholerae si C. diphtheriae si neurotoxinele C, D si E produse de Clostridium botulinum sunt codificate de gene aduse de bacteriofagi.

Transpozoni care codifica factori de virulenta au fost identificati la E. coli (operoni pentru enterotoxina termostabila, pentru siderofori, hemolizina si sinteza pililor), Shigella dysenteriae (genele pentru toxina shiga) si genele pentru toxina la V. cholerae.

Masurarea virulentei patogenilor Virulenta poate varia foarte mult de la o specie la alta (specie-specifica), dar si in cadrul aceleasi specii, de la o tulpina la alta (tulpina-specifica);

S-a remarcat ca virulenta poate creste prin treceri repetate dintr-un organism in altul sau poate diminua prin mentinerea indelungata a tulpinii pe medii de cultura. Tulpinile cu virulenta atenuata reinoculate intr-un animal pot redeveni virulente sau cum se intampla in majoritatea cazurilor virulente sau cum se intampla in majoritatea cazurilor virulenta este pierduta permanent, tulpinile fiind folosite la obtinerea vaccinurilor.

Virulenta poate fi masurata in laborator prin inocularea tulpinii respective la animale susceptibile

q Doza letala 50% (DL50) numarul de microbi care produc moartea a 50% din animale;

q Doza certa letala (DCL) numarul minim de microorganisme ce produc moartea unui animal.

Comparatie intre virulenta a doua tulpini patogene Streptococcus pneumoniae si Salmonella typhimurium

(dupa Madigan M.T., Martinko J.M, Parker J Brock Biology of Microorganisms)

Masurarea virulentei patogenilor

Doza letala minima(DLM) cantitatea minima de toxina capabila sa omoare un animal sensibil, intr-un interval de timp;

Testul Limulus de testare a endotoxinei: se bazeaza pe capacitatea endotoxinelor de a liza amebocitele (obtinute dintr-un crab Limulus polyphemus) dintr-o solutie, ceea ce dintr-un crab Limulus polyphemus) dintr-o solutie, ceea ce determina schimbarea turbiditatii solutiei. In diagnosticul clinic, metoda este folosita pentru a detecta prezenta endotoxinei din ser, lichid cerebrospinal, apa si alte fluide

Testul Limulus de testare a endotoxinei. Amebocite normale (sus) si amebocite tratate cu endotoxina (jos)

(dupa Madigan M.T., Martinko J.M, Parker J Brock Biology of Microorganisms)