COMPENDIO DI MICROBIOLOGIA GENERALE a cura di Paolo Di ...

COMPENDIO DI MICROBIOLOGIA GENERALE
a cura di Paolo Di Francesco
Veronica Di Cristanziano
Giuliano Iacovone
LA CELLULA BATTERICA
I batteri o procarioti (dal greco nucleo primitivo) sono organismi di piccole
dimensioni, privi di membrana nucleare e di apparato mitotico, con un unico
cromosoma batterico, detto nucleiode, circolare a doppia elica non racchiuso
in un nucleo. Sono chemiosintetici, fotoeterotrofi o fotoautotrofi, unicellulari,
con riproduzione asessuata mediante fissisione binaria.
I batteri a forma sferica prendono il nome di cocchi, diplococchi se riuniti a
coppia, stafilococchi se riuniti in ammassi irregolari e streptococchi se disposti
a catenelle. I batteri di forma cilindrica sono detti bacilli, mentre se presentano
le estremità con una o piu' curvature son detti vibrioni e spirilli.
I batteri sono caratterizzati da una architettura essenziale con assenza di
compartimenti intracellulari separati da membrane e con strutture presenti
solo nei procarioti come ad esempio la parete cellulare con i suoi principali
componenti: il peptidoglicano, il lipolisaccaride e strutture accessorie come la
capsula, i pili, i flagelli e le endospore.
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FUNZIONE DELLE STRUTTURE BATTERICHE
da P.R. Murray, K.S. Rosenthal, G.S. Kobayashi, M.A. Pfaller
Microbiologia
EDISES
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Il diverso comportamento dei batteri ad un test biochimico, la colorazione
di Gram, consente di suddividere i batteri in due gruppi principali, i batteri
Gram positivi che al termine della colorazione appaiono evidenziati in violetto e
i batteri Gram negativi che appaiono colorati in rosso.
La Gram positività e la Gram negatività è legata alle diversità strutturali dei
batteri che come vedremo costituiscono anche differenze funzionali che si
riflettono nel meccanismo di azione patogena dei Gram positivi e dei Gram
negativi.
CARATTERISTICHE DEI PROCARIOTI
Nucleo: assente, il DNA è disperso in un area nucleare priva di membrana.
Nucleolo: assente
DNA: Cromosomi singoli
Parete cellulare : presente
Membrana citoplasmatica : manca di steroli.
Ribosomi : 70S (50S, 30S)
Respirazione: associata alla membrana.
Movimento: flagelli, filamenti assiali.
Riproduzione: scissione binaria
Dimensioni: 0,5-5 micron.
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DIFFERENZE TRA EUCARIOTI E PROCARIOTI
da P.R. Murray, K.S. Rosenthal, G.S. Kobayashi, M.A. Pfaller
Microbiologia
EDISES
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STRUTTURE DELLA CELLULA PROCARIOTICA
MEMBRANA CITOPLASMATICA. E’ presente sia nei Gram positivi che nei
Gram negativi. E' un doppio strato lipidico che racchiude il citoplasma batterico
simile alla membrana cellulare degli eucarioti a parte la mancanza di steroli. Le
principali funzioni della membrana citoplasmatica batterica sono: 1)
permeabilità selettiva e trasporto di soluti; 2) trasporto degli elettroni,
fosforilazione ossidativa ed altri enzimi e vettori della catena respiratoria; 3)
escrezione degli enzimi idrolitici; 4) supporto per gli enzimi e per le molecole
trasportatrici che agiscono in processi biosintetici come la sintesi di DNA, dei
polimeri della parete cellulare e dei lipidi della membrana citoplasmatica; 5)
supporto per specifici recettori del sistema chemiotattico ed altri sensori di
traduzione.
IN EVIDENZA. La membrana citoplasmatica controlla il rilascio di varie
proteine che svolgono un ruolo importante nella patogenesi: tossine,
batteriocine ed enzimi citolitici
CITOPLASMA. E' privo di reticolo endoplasmatico e mitocondri. Sono spesso
presenti granulazioni citoplasmatiche di diversa composizione (polisaccaridi,
polifosfati) che rappresentano accumuli di materiali nutritivi di riserva.
PARETE CELLULARE. E’ una complessa struttura rigida presente solo nei
procarioti che racchiude e circonda come un involucro la cellula batterica e
conferisce la forma al batterio e ne garantisce la protezione dall'ambiente
esterno. La diversa struttura differenzia i batteri Gram positivi dai batteri Gram
negativi. La parete dei Gram positivi è costituita principalmente da una spesso
e stratificato strato rigido di peptidoglicano, molto piu' sottile nei batteri Gram
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negativi nei quali è presente una membrana esterna costituita da fosfolipidi
con acidi grassi saturi.
I batteri Gram positivi hanno uno spesso strato di peptidoglicano che
contiene acidi tecoici e lipotecoici.
I batteri Gram negativi hanno uno strato piu' sottile di peptidoglicano e
una membrana esterna che contiene lipopolisaccaride, proteine e fosfolipidi. Lo
spazio periplasmico contiene proteine di trasporto, enzimi degradativi e di
sintesi.
PRINCIPALI COMPONENTI DELLA PARETE CELLULARE
PEPTIDOGLICANO
DEI BATTERI GRAM POSITIVI
E' un complesso polimero costituito da catene polisaccaridiche lineari costituite
da NAM: Acido N-acetilmuramico e NAG: N-acetilglucosamina unite con legami
crociati. Questi legami sono catalizzati da transpeptidasi, transglicosidasi,
endopeptidasi e carbossipeptidasi legate alla membrana. Questi enzimi sono
chiamati proteine leganti la penicillina (PBP) poichè sono bersagli per la
penicillina e gli altri antibiotici beta-lattamici. Il peptidoglicano è essenziale per
la struttura e la forma, la replicazione e la sopravvivenza. Nell’infezione
interferisce con la fagocitosi, è mitogeno per i linfociti, ha attività pirogena. E’
degradato dal lisozima presente nelle lacrime e nel muco. Nei batteri Gram
positivi strati sovrapposti di peptidoglicano costituiscono lo spesso involucro
che circonda la cellula.
ACIDO TECOICO E ACIDO LIPOTECOICO. Sono polimeri di ribosio legati
covalentemente allo strato di peptidoglicano e presenti solo nei batteri Gram
positivi. Gli acidi tecoici sono altamente antigenici e presentano una notevole
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diversità di composizione fra le diverse specie di batteri gram positivi da venire
utlizzati per caratterizzare i sierotipi. Ad esempio il polisaccaride A di
Staphylococcus aureus e il carboidrato di gruppo D di Enterococcus faecalis
sono acidi tecoici differenti. Gli acidi tecoici promuovono l’adesione con altri
batteri o ai recettori delle cellule animali (ad es.: la proteina M di
Streptococcus pyogenes). L’acido tecoico è un fattore di virulenza. L’acido
lipotecoico ha anche un’attività endotossica
PRINCIPALI COMPONENTI DELLA PARETE CELLULARE
SPAZIO PERIPLASMATICO.
DEI BATTERI GRAM NEGATIVI
E' presente solo nei batteri Gram negativi. Area compresa tra la membrana
citoplasmatica e la membrana esterna contiene un sottile strato di
peptidoglicano e una soluzione proteica simile ad un gel ricca di enzimi idrolitici
per la digestione enzimatica (proteasi, lipasi, fosfatasi), di proteine per il
trasporto di sostanze nutritive come ad esempio gli zuccheri e nei patogeni
sono presenti fattori litici di virulenza (collagenasi, beta-lattamasi, ialuronidasi,
proteasi). Inoltre sono presenti enzimi che aggrediscono alcuni farmaci
antibatterici conferendo al batterio proprietà di farmaco-resistenza.
PORINE.
Sono canali proteici che attraversano la membrana esterna dei soli batteri
Gram negativi e consentono la diffusione passiva di piccole molecole idrofile a
basso peso molecolare come glucidi, aminoacidi e determinati ioni.
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MEMBRANA ESTERNA.
E' presente solo nei batteri Gram negativi. Ha una struttura bilaminare lipidica
che circonda il batterio e costituisce una barriera impermeabile a grandi
molecole e molecole idrofobiche. La membrana esterna e legata al
peptidoglicano medianta lipoproteine. Lo strato piu' esterno della membrana è
composto principalmente da molocole di lipopolisaccaride (LPS). Le grandi
molecole degli antibiotici penetrano con difficoltà attraverso la membrana
esterna e ciò spiega l’elevata resistenza agli antibiotici da parte dei batteri
Gram negativi.
LIPOPOLISACCARIDE (LPS)
E’ presente solo nei batteri Gram negativi: è l’endotossina, fattore di
virulenza che caratterizza l’azione patogena dei Gram negativi.
E' formato da tre sezioni strutturali:
• ANTIGENE O: polisaccaride lineare formato da diverse unità
saccaridiche che si estroflettono all'esterno, permette di distinguere tra
sierotipi (ceppi) di una stessa specie batterica. Fornisce una notevole
compatezza al batterio.
• CORE: polisaccaride ramificato essenziale per la struttura del batterio.
• LIPIDE A: formato da un disaccaride di glucosammina fosforilata e acidi
grassi, è responsabile dell’attività tossica dell’LPS
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LA PARETE CELLULARE DEI MICOBATTERI
Caratteristica dei Micobatteri, è una struttura complessa di natura
polisaccaridica e proteica, i cui lipidi complessati con le cere formate dagli acidi
grassi a lunga catena (acidi micolici) hanno una potente azione adiuvante la
patogenicità.
Fattore cordale:particolare derivato degli acidi micoloci, fattore di virulenza di
M. tuberculosis
La tubercolina o purifed protein derivative (PPD): proteine
micobatteriche purificate e utilizzate per la reazione di Mantoux
B.C.G. (bacillo di Calmette e Guérin): vaccino antitubercolare, variante
apatogena di M. bovis
STRUTTURE ESTERNE: flagelli, pili o fimbrie e capsula
FLAGELLI. Sono appendici filiformi formati da migliaia di una subunità
proteica avvolte ad elica chiamata flagellina. Rappresentano gli organi di
locomozione per i batteri che li posseggono. A seconda dello disposizione dei
flagelli sulla cellula, i batteri vengono distinti in monotrichi (con un unico
flagello ad un polo) lofotrichi (con un ciuffo di flagelli ad un polo), amfotrichi
(con un ciuffo di flagelli ai due poli) e peritrichi (con flagelli distribuiti su tutta
la superficie del batterio).
Il flagello è ancorato alla membrana citoplasmatica, al peptidoglicano e alla
parete esterna dei batteri da una serie di anelli, indicati come L, P, S e M,
all’interno dei quali il corpo basale dei flagelli può rotare su se stesso fornendo
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un moto rotatorio a tutta la struttura flagellare che genera la spinta per il
movimento. La presenza di una sostanza chimica che esercita una attrazione
(zuccheri, aminoacidi) è captata da specifici recettori sulla membrana cellulare
che attivano processi bioenergetici che forniscono l’energia per la rotazione dei
flagelli permettendo ai batterio di avvicinarsi alla sorgente di attrazione
(chemiotassi positiva). Una concentrazione di sostanze riconosciute dal batterio
come tossiche possono attivare al contrario la chemiotassi negativa che
allontana il batterio dalla fonte di sostanze repellenti.
FIMBRIE O PILI. Le fimbrie o pili sono appendici superficiali costituite da
unità proteiche dette piline le quali simili a ciglia sono presenti spesso a
centinaia sulla superficie esterna dei batteri.
Possono essere distinti in due classi: i pili ordinari che rappresentano fattori
di adesività: le punte delle fimbrie contengono delle proteine (lectine) che
legano specifici zuccheri (e.g., mannosio) presenti sulla cellula dell'ospite.
Il pilo sessuale o pilo F responsabile dell'attacco della cellula donatrice alla
cellula ricevente nel fenomeno della coniugazione batterica con il quale avviene
il trasferimento di materiale genetico tra cellule batteriche (vedere sezione
dedicata alla genetica batterica).
ADESINE. Sono proteine della parete cellulare esterna dei batteri che
riconoscono specifici recettori sulla cellula ospite e permettono al batterio di
aderire saldamente e colonizzare gli organi dell'ospite
Sia i pili che le adesine favoriscono l'adesività del batterio ad altri batteri per
formare colonie o agli organi dell'ospite per colononizzare i tessuti ed iniziare il
processo infettivo.
Sono infatti importanti fattori di virulenza: ad esempio le fimbrie di tipo
1, le fimbrie P e l'adesina Dr di alcuni ceppi di Escherichia coli uropatogeni si
legano selettivamente sulle cellule della mucosa urinaria. La pilina di Neisseria
gonorrhoeae media l'attacco iniziale del batterio alle cellule non ciliate
dell'epitelio vaginale, delle tube di Falloppio e della cavità buccale. L’acido
lipotecoico in associazione con la proteina M dello Streptoccus pyogenes forma
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microfibrille che facilitano l’aderenza del batterio alle cellule epiteliali della
bocca.
IN EVIDENZA. La tossina della pertosse (esotossina PT o Tox), oltre a
diffondere nell’ambiente extracellulare, quando ancorata alla parete della
Bordetella pertussis, è una adesina che permette il legame all’epitelio ciliato e
ai macrofagi.
CAPSULA. Strato lasso, viscoso, mucoso di natura polisaccaridica o proteica
non strutturale che circonda come ulteriore involucro sia i batteri Gram positivi
che Gram negativi
Nel caso sia poco aderente e poco uniforme per densità e spessore, questo
materiale è definto strato mucoso o glicocalice.
La capsula conferisce peculiari proprietà ai batteri che sono in grado di
sintetizzarla:
• previene l’essicamento
• favorisce l’adesività, offre al batterio la possibilità di aderire ad altri
batteri, alle superfici dei tessuti dell’ospite o colonizzare particolari
distretti biologici come nel caso di Streptococcus mutans che aderisce
allo smalto dentale favorendo l'adesione di altri batteri, in genere
lattobacilli, che contribuiscono alla formazione della placca: i prodotti
acidi della fermentazione di questi batteri demineralizzano lo smalto e si
ha l'avvio del processo che porta alla formazione di carie.
• ha proprietà antifagocitaria. La capsula impedisce il riconoscimento
tra cellula fagocitaria ed il batterio ed impedisce la fagocitosi. Mutanti di
batteri normalmente capsulati che hanno perso la capacità di formare la
capsula perdono anche la loro virulenza.
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APPENDICE
La fagocitosi e il killing microbico è quel processo operato dai
leucociti polimorfonucleati, dai moniciti e dai macrofagi che prevede l’attacco,
l’ingestione e la distruzione intracellulare dei batteri. Le principali fasi sono:
Chemiotassi. Reclutamento dei fagociti nel focolaio di infezione ad opera di
diversi stimoli come ad es. prodotti batterici e mediatori dell’infiammazione
prodotti dall’ospite.
Adesione. Il riconoscimento e il legame tra cellula e batterio è mediato da
recettori cellulari per specifiche strutture batteriche.
Fagocitosi. Dopo l’attacco il microrganismo viene circondato da una porzione
della membrana citoplasmatica, si forma un vacuolo (fagosoma) con all’interno
il batterio che viene trasportato nel fagocita.
Uccisione intracellulare. Due meccanismi con i quali il fagocita elimina i
batteri internalizzati:
• Killing ossigeno-dipendente. Il fagosoma si fonde con vescicole
contenti potenti radicali tossici dell’ossigeno (perossido di idrogeno,
ioni superossido) che attaccano la parete batterica.
• Killing lisosomiale: Il fagosoma si fonde con lisosomi che contengono
enzimi che digeriscono il batterio fagocitato.
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ENDOSPORA E SPOROGENESI
La spora è una struttura disidratata, pluristratificata e protettiva che
permette al batterio di sopravvivere in uno stato di vitalità sospesa. E’ prodotta
solo dai Gram positivi. In condizioni di deplezione nutrizionale, la cellula
batterica forma un unica spora interna che viene liberata nell'ambiente esterno
quando la cellula va incontro ad autolisi. La spora contiene una copia completa
del cromosoma, concentrazioni minime di proteine essenziali e ribisomi, alta
concentrazione di calcio legato all’acido dipicolinico e diverse membrane e
rivestimenti esterni costituiti di proteine simil-cheratiniche che permettono al
batterio quiescente di sopravvivere in condizioni sfavorevoli per un lungo
periodo di tempo: le spore possono infatti sopravvivere all’essicazione, ai
disinfettanti ed alla bollitura per parecchie ore. Quando le condizioni ambientali
tornano favorevoli la spora germina e forma una nuova cellula vegetativa che
riprende la divisione cellulare con conseguente moltiplicazione del batterio. Le
spore hanno un ruolo importante nell’epidemiologia di infezioni umane quale
l’antrace, il tetano e la gangrena gassosa.
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METABOLISMO E CRESCITA BATTERICA
I batteri per la crescita hanno bisogno di una sorgente di carbonio e azoto, una
sorgente di energia, acqua e vari ioni. I batteri patogeni ricavano energia dal
metabolismo di zuccheri, grassi e proteine.
In base alla fonte di carbonio utilizzato per la crescita i batteri possono essere
distinti in:
autotrofi: utilizzano solo carbonio inorganico (CO2)
eterotrofi: utilizzano carbonio di composti organici
Aerobi obbligati: cresita solo in presenza di ossigeno, e.g., Mycobacterium
tuberculosis
Anaerobi obbligati: crescita solo in completa assenza di ossigeno, e.g.,
Clostridium tetani
Anaerobi facoltativi: la maggior parte dei batteri possono crescere sia in
presenza che in assenza di ossigeno.
Il termine metabolismo indica l’insieme delle reazioni biochimiche necessarie
per ricavare ed utilizzare l’energia immagazzinata in grosse macromolecole. Lo
scopo finale del metabolismo batterico è la duplicazione delle strutture
necessarie per procedere alla divisione in due cellule figlie. L’energia che
impiega la cellula nelle reazioni di biosintesi è quella rilasciata dall’idrolisi
dell’ATP in ADP. Per rigenerare ATP il batterio necessita di nuova energia che
ottiene dalla degradazione di vari substrati organici (carboidrati,proteine e
lipidi). La fosforilazione dell’ADP in ATP può avvenire attraverso due
meccanismi:
• la fosforilazione a livello del substrato che caratterizza i processi
di fermentazione, in questo caso l’energia viene ricavata dal
catabolismo di varie sostanze in prodotti di minor livello energetico
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• la fosforilazione mediante il trasporto di elettroni che
caratterizza i processi di respirazione e costituisce un modello molto
più efficiente e redditizio in termini di ATP
La sintesi dell’acido piruvico rappresenta un passaggio fondamentale sia dei
processi fermentativi che di quelli respiratori.
I batteri possono utilizzare diverse vie metaboliche per la sintesi del piruvato:
• la glicolisi, la via più comune, presente anche nelle cellule eucariotiche e
che si realizza in condizioni di anaerobiosi
• lo shunt dei pentosi
• la via di Entner-Doudoroff
Il destino metabolico del piruvato può essere:
• la fermentazione, un processo catabolico che oltre a rifornire la cellula
di ATP determina l’accumulo nel mezzo ambiente di diversi prodotti
terminali organici, caratteristici delle diverse specie batteriche, come ad
esempio l’acido lattico nel caso dei lattobacilli, potenzialmente ancora
ricchi di energia non ulteriormente utilizzabile attraverso la via
fermentativa
• la respirazione, un processo più complicato che richiede la presenza di
O2 e che consente, attraverso il ciclo di Krebs, la completa degradazione
della sorgente energetica ad H2O e CO2, il che garantisce alla cellula un
apporto di ATP notevolmente maggiore rispetto alla fermentazione.
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DIVISIONE DELLA CELLULA BATTERICA
La divisione di una cellula batterica in due cellule figlie avviene mediante
scissione semplice, un processo che si realizza attraverso:
• l’estensione della parete
• la replicazione del materiale genetico, costituito nel caso dei batteri da
un’unica molecola circolare di DNA (cromosoma batterico o cromonema)
ancorata alla membrana citoplasmatica
• la formazione del setto
FASI DELLA CRESCITA BATTERICA
Fase di latenza. lag: le cellule aumentano di volume ma non di numero: i
batteri si adattano al nuovo ambiente.
Fase esponenziale o logaritmica, log: i batteri si moltiplicano con un tempo
di duplicazione che dipende dal ceppo e dall’ambiente
Fase stazionaria, stat: i batteri smettono di crescere per la mancanza di
metaboliti e l’accumulo di sostanze tossiche.
Fase di morte cellulare, death: la fase di declino o morte cellulare è una
funzione esponenziale e si manifesta come riduzione lineare del numero di
cellule vitale nel tempo. Il tasso di mortalità aumenta fino a raggiungere un
livello costante.
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GENETICA BATTERICA
Il materiale genetico presente nella cellula batterica è costituito da:
• cromosoma batterico, molecola di DNA circolare a doppio filamento e
presente in una unica copia
• elementi genetici extracromosomici come plasmidi e batteriofagi,
autonomi rispetto al cromosoma batterico e generalmente trasmissibili
da una cellula all’altra. Possono trovarsi sia in forma libera che integrati
nel cromosoma batterico (episomi)
IN EVIDENZA. I fattori R sono plasmidi contenenti geni che codificano per
molecole che determinano resistenza a numerosi farmaci antibatterici. Oltre ai
determinanti di resistenza, un fattore R può contenere diversi altri geni tra cui:
- geni che determinano resistenza a ioni metallici, raggi ultravioletti,
all’azione delle colicine, all’azione battericida del siero umano
- geni che permettono il metabolismo di diversi zuccheri (lattosio,
saccarasio)
- geni che codificano per fattori Ent (fattori tossici). I fattori Ent
determinano la produzione di enterotossine ed altri fattori di virulenza.
Come nella cellula eucariotica, la replicazione del DNA batterico è un processo
semiconservativo che prevede l’intervento di diversi enzimi.
Tra questi un ruolo chiave è svolto dall’elicasi che apre la doppia catena di DNA
e dalle DNA polimerasi DNA dipendenti che copiano il DNA solo in direzione 5’-
3’, in tal modo la sintesi del nuovo DNA procede bidirezionalmente a livello
delle forcelle di replicazione.
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Tra i numerosi enzimi implicati nella replicazione del genoma batterico, alcuni
costituiscono i bersagli di farmaci ad azione antibatterica, ad esempio le
topoisomerasi rappresentano il target degli antibiotici chinolonici.
IL TRASFERIMENTO DI MATERIALE GENETICO TRA I BATTERI
La cellula batterica presenta una notevole capacità di adattamento. Tra i
meccanismi responsabili di questa adattabilità, caratteristica che partecipa
all’azione patogena del batterio, rientrano i meccanismi di trasferimento
intercellulare di materiale genetico cromosomico che si attua attraverso:
TRASFORMAZIONE: acquisizione di nuovi marcatori genetici attraverso
l’incorporazione di DNA esogeno
TRASDUZIONE: Alcuni virus batterici (batteriofagi) possono trasferire geni
batterici da una cellula all’altra.
CONIUGAZIONE: trasferimento diretto di materiale genetico cromosomico
attraverso un contatto fisico tra due cellule, possibile solo se il batterio
possiede particolari plasmidi, detti appunto plasmidi coniugativi che generano
la sintesi del pilo F.
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LA PATOGENESI BATTERICA
I rapporti ospite-microrganismo
Nell’ambito dei rapporti ospite-parassita distinguiamo:
Mutualismo: particolare tipo di relazione dalla quale derivano benefici
reciproci per entrambi i partners e dove i membri sono metabolicamente
dipendenti l’uno dall’altro
Commensalismo: relazione simbiotica dove un organismo, commensale,
trae da essa beneficio, mentre l’altro, l’ospite, non ne viene né danneggiato
né favorito. Ad es., E.coli presente nel colon.
Parassitismo: relazione in cui il batterio patogeno si insedia nei tessuti
dell’ ospite, superandone i meccanismi di difesa e alterandone il
funzionamento
Nell’ambito delle interazioni ospite-microrganismo troviamo:
Contaminazione: l’ospite entra in contato con un microrganismo che
raggiunge le superfici cutanee o mucose
Colonizzazione: la presa di possesso di un distretto superficiale dell’ospite
dove il microrganismo trova candizioni idonee per il proprio insediamento.
Infezione: indica l’insediamento dei microrganismi nell’ospite che
stabiliscono un rapporto di equilibrio con le difese dell’ospite generalmente
senza causare danno, ma lasciando una traccia nel sistema immunitario. Le
infezioni sono definite: acute autolimitanti, croniche o persistenti e latenti.
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Malattia: è la moltiplicazione dei microrganismi nell’ospite in grado di
causare danno.
Le infezioni possono essere distinte in:
• endogene, in seguito all’abnorme espansione di una o più specie
presenti nella popolazione microbica normale di un distretto
dell’organismo (terapia antibiotica) o determinate dal trasferimento di
microrganismi presenti nella flora microbica di un distretto corporeo in
sedi diverse da quelle normalmente colonizzate.
• esogene, il microrganismo patogeno proviene da una sorgente esterna,
quali materiali inanimati, animali infetti (zoonosi), esseri umani infetti.
La capacità d’indurre la malattia, o PATOGENICITA’, è la risultante di vari
fattori e meccanismi che permettono al microrganismo patogeno di invadere i
tessuti di un organismo e di moltiplicarvisi, alterando il funzionamento
dell’organismo ospite attraverso la produzione di una o più sostanze tossiche
specifiche.
La patogenicità è caratterizzata da:
• fattori e meccanismi di virulenza
• carica batterica (numero iniziale di batteri infettanti)
• stato di salute, in particolare immunitario, dell’ospite.
I microrganismi che colonizzano l’uomo sia per brevi periodi che in modo
permanente in genere non alterano le normali funzioni dell’ospite. La malattia
si instaura quando l’interazione tra microrganismo ed ospite induca un
processo patologico caratterizzato da un danno per l’ospite. Il processo
patologico può dipendere da prodotti e fattori microbici (ad es., danno causato
dalla moltiplicazione batterica, produzione di enzimi e di tossine) o da una
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alterata risposta immunitaria dell’ospite contro il microrganismo (ad es., stati
di immunodepressione).
La capacità di invadere e moltiplicarsi di un batterio è strettamente associata a
una serie di meccanismi di virulenza che permettono al microrganismo di:
• Aderire alle cellule dell’ospite
• Invadere i tessuti dell’ospite
• Resistere all’immunità innata
• Evadere l’immunità adattativa
• Competere per i nutrienti
• Adesione
• Invasione
I principali meccanismi di virulenza batterica
• Produzione di metaboliti tossici legati alla crescita betterica (gas, acidi)
• Produzione di tossine, in particolare:
• Superantigeni
- Enzimi degradativi
- Esostossine
- Endotossine
• Induzione di una risposta infiammatoria eccessiva
• Elusione della risposta immunitaria
• Resistenza agli antibiotici
• Crescita intracellulare
La persistenza è la permanenza a tempo indefinito di un microrganismo
nell’ospite in assenza di danni conclamati (latenza clinica). E’ possibile che si
verifichi una riattivazione del processo infettivo, con il passaggio dallo stato di
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infezione a quello di malattia. Ad esempio, il Mycobacterium tuberculosis, a
seguito di una infezione primaria, può persistere per anni in maniera latente e
silente nell’organismo (polmone, linfonodi). La riattivazione e passaggio a
malattia potranno avvenire per una riduzione dell’immunità cellulo mediata,
evento comune con l’avanzare dell’età.
La fase di portatore è una forma di persistenza che può instaurarsi
nell’organismo ospite dopo il superamento di una malattia.
IN EVIDENZA. Nella catena epidemiologica delle malattie da infezione, una
figura importante è quella del portatore sano, paziente che ha superato la
malattia, ma che non ha eliminato il microrganismo, il quale risiede in specifici
siti anatomici (ad es., localizzazione di Salmonella typhi nella colecisti di
portatori sani). Il portatore sano è in grado di trasmettere l’infezione, non
presentando i segni clinici della malattia.
Sono:
1. Ingresso
LE TAPPE DEL PROCESSO INFETTIVO
2. Adesione, colonizzazione e invasione dei tessuti
3. Elusione delle risposte immunitarie
4. Produzione del danno (tossigenicità dei batteri)
1. INGRESSO. I batteri devono penetrare nel corpo umano affinché
l’infezione abbia inizio, superando i meccanismi di difesa naturale e le
barriere, quali la pelle, le mucose, l’epitelio ciliato e le secrezioni, che
contengono sostanze ad azione antibatterica.
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Le principali vie di accesso al corpo umano sono:
CUTE. Eccellente barriera fisica la cui integrità deve essere compromessa per
permettere l’ingresso, come ad es. dopo microtraumi, tagli, ferite, ustioni,
punture di insetti, manipolazioni come tatuaggi, liposuzioni etc.
CONGIUNTIVA. Rispetto la cute può essere oltrepassata anche se integra per
contatto con acqua o liquidi contaminati, per deposizione meccanica di
microrganismi (mani, fomiti, strumenti diagnostici) e per microtraumi o ferite.
APPARATO RESPIRATORIO. L’aria è il piu’ comune veicolo di infezione per il
passaggio dei microrganismi da soggetto a soggetto, per inalazione dei
microrganismi presenti nell’ambiente immessi tramite goccioline di saliva
eliminate con i colpi di tosse o gli starnuti e per uso di attrezzature
diagnostiche o terapeutiche contaminate. E’ la trasmissione oro-faringea
caratteristca della tubercolosi, influenza e affezione da virus respiratori
APPARATO DIGERENTE. La piu’ comune modalità di trasmissione è quella oro-
fecale, attraverso la quale i microrganismi eliminati con le feci arrivano in un
nuovo ospite veicolati da mani, fomiti, acqua, alimenti, insetti (colera, tifo,
epatite di tipo A).
APPARATO GENITOURINARIO. Attraverso rapporti sessuali o per cateterismo.
Una situazione a parte è rappresentata dalla trasmissione materno-fetale
per via transplacentare (trasmissione verticale) e per via ascendente a causa di
lesioni delle membrane fetali, e dalle infezioni contratte nel canale del parto.
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2. ADESIONE, COLONIZZAZIONE E INVASIONE DEI TESSUTI,
a tale scopo i batteri hanno sviluppato specifici meccanismi.
Adesione.
L’adesione microbica alla superficie delle mucose dell’ospite aiuta i
microrganismi a stabilire una base attraverso la quale penetrare nei tessuti o
invadere le cellule. Ad esempio alcuni microrganismi aderiscono attraverso le
fibrille, strutture sottili sulle pareti batteriche che legano gli streptococchi alle
cellule epiteliali umane. Altri batteri, come le Enterobacteriaceae (ad es.,
Escherichia coli), hanno organi specifici di adesività chiamati fimbrie o pili. Le
fimbrie offrono al microrganismo la possibilità di aderire a quasi tutte le cellule
umane, inclusi i neutrofili, le cellule epiteliali nel tratto GU, nel cavo orale e
nell’intestino. I recettori microbici sul tessuto dell’ospite, così come le adesine
(molecole presenti all’apice di fimbrie e pili o integrate nella parete batterica)
determinano anche se l’infezione si verificherà o meno. I recettori dell’ospite
sono le molecole o i ligandi a cui le adesine microbiche si legano per iniziare il
processo di colonizzazione; questi comprendono i residui glucidici del
glicocalice e le proteine di superficie quali la fibronectina, che facilitano
l’adesione di alcuni microrganismi gram positivi (ad es., gli stafilococchi).
IN EVIDENZA. L’interazione del microrganismo si può realizzare, oltre che con
superfici cellulari, anche con proteine del siero o con polipeptidi della matrice
extracellulare, come ad esempio il legame del clumping factor di S. aureus al
fibrinogeno che promuove l’adesione batterica ai trombi sulla superficie delle
valvole cardiache. Inoltre, è possibile che ceppi batterici possano aderire solo
in particolari situazioni patologiche che favoriscono l’esposizione di recettori
cellulari, come nel caso delle cellule epiteliali del tratto respiratorio le quali in
condizioni fisiologiche sono ricoperte da fibronectina che rappresenta una
barrieria protettiva nei confronti dei batteri gram negativi. In alcune situazioni
patologiche, ad es. la fibrosi cistica, un eccesso di enzimi proteolitici, presenti
nelle secrezioni mucose, distrugge la barriera di fibronectina esponendo in tal
24

modo i recettori che vengono ora riconosciuti da adesine presenti sulla parete
di batteri gram negativi. Infine, in altri casi l’adesione avviene su superfici
modificate dallo stesso microrganismo, come nel caso di ceppi di E. coli
enteropatogeni (EPEC) che sintetizzano proteine che attivano le vie di
trasduzione del segnale nella nella cellula ospite con il risultato di fosforilare la
proteina Hp 90. Tale proteina modificata rappresenta ora il recettore per le
adesine di EPEC.
I microrganismi possono anche aderire a presidi medici, come i cateteri
urinari e a quelli vascolari, protesi vascolari e materiale di sutura. L’adesione è
facilitata dalla ruvidità dei materiali, dalla composizione chimica e
dall’idrofobicità. La capacità di alcuni microrganismi di produrre il biofilm, una
struttura vischiosa che ingloba i microrganismi e genera una comunità
batterica, facilita la colonizzazione ad esempio delle valvole artificiali o dei
cateteri.
IN EVIDENZA. Un biofilm è una aggregazione complessa di microrganismi
contraddistinta dalla secrezione di una matrice adesiva e protettiva.
La formazione di un biofilm inizia con l'ancoraggio di microrganismi
liberamente fluttuanti ad una superficie. I primi "coloni" aderiscono alla
superfice inizialmente attraverso deboli e reversibili forze di Van der Waals.
Se i batteri colonizzatori non sono immediatamente separati dalla
superficie, possono ancorarsi più stabilmente utilizzando molecole di adesione
cellulare, come i pili.
I primi colonizzatori facilitano l'arrivo di altre cellule mettendo a
disposizione diversi siti di adesione cellulare e iniziano a costruire la matrice
che permette l'integrità del biofilm. Alcune specie non sono in grado di
attaccarsi autonomamente ad una superficie, ma spesso riescono ad ancorarsi
alla matrice o ai colonizzatori precedenti. Una volta che la colonizzazione ha
avuto inizio il biofilm cresce tramite divisioni cellulari e integrazione di batteri
esterni, anche di altre specie.
Un biofilm contenente differenti specie prende solitamente il nome di
consorzio batterico, ed è quantitativamente più frequente di biofilm composti
da singole specie, più rari e possibili solo a determinate condizioni. Ogni specie
25

presente nel consorzio svolge differenti funzioni metaboliche e presenta
solitamente diverso trofismo, richieste di ossigeno o nicchia ecologica. In
questo modo il consorzio è più efficiente senza che le diverse specie entrino in
conflitto tra loro. Il biofilm è consolidato e protetto da una matrice di composti
polimerici escreti. La matrice protegge le cellule all'interno e facilita la
comunicazione tramite segnali chimici o fisici (vedi quorum sensing). Un
beneficio del biofilm è l'aumentata resistenza a detergenti e antibiotici, dato
che la densa matrice extracellulare e lo strato esterno delle cellule protegge la
parte interna della comunità. In aluni casi la resistenza agli antibiotici può
aumentare di 1000 volte.
Il biofilm può comprendere una singola specie microbica o più specie, e
può formarsi su un ampio range di superfici abiotiche o biotiche. Nonostante i
biofilm misti predominino in molti ambienti, quelli composti da una singola
specie hanno un forte interesse medico, in quanto causa di una grande varietà
di infezioni, dal momento che possono formarsi sulla superficie di impianti
medici. Pseudomonas aeruginosa è la specie più studiata tra i batteri gram
negativi che formano biofilm singoli, ma anche altri microrganismi sono
produttori di biofilm come P. fluorescens, E. coli e Vibrio cholerae. Mentre tra i
gram positivi troviamo Staphylococcus epidermidis, S. aureus e gli
enterococchi.
I biofilm sono composti principalmente da cellule microbiche e matrice
extracellulare (EPS). La percentuale di EPS si aggira tra il 50% e il 90% ed è
considerata la materia prima del biofilm. Inoltre questa matrice può associare
con ioni metallici, cationi divalenti a altre macromolecole, come proteine, DNA,
lipidi ed anche acidi umici. A causa della sua elevata idratazione la matrice
previene l’essiccamento di alcuni biofilm naturali. Inoltre può contribuire alla
resistenza agli antibiotici impedendo il trasporto di massa e la diffusione di
queste sostanze attraverso il biofilm, probabilmente legando queste molecole
direttamente. Alcuni studi hanno mostrato che la stabilità della struttura del
biofilm è legata alla presenza di zuccheri neutri, polisaccaridi acidi e
aminozuccheri.
Ruolo in medicina
Molti biofilm hanno notevoli implicazioni in medicina. La placca dentale è un
biofilm, prodotto dai batteri presenti nel cavo orale come Streptococcus
sanguinis. Biofilm possono crescere sulla superficie di impianti solidi nel corpo.
26

Biofilm che si propagano lungo tubi o fili impiantati possono generare infezioni
nei pazienti. Staphylococcus epidermidis può produrre ad esempio biofilm su
cateteri venosi.
Pseudomonas aeruginosa e S. aureus possono produrre biofilm
sull'epitelio respiratorio dei polmoni, complicando il decorso dei pazienti affetti
da fibrosi cistica. Le cellule del sistema immunitario (come i macrofagi) non
sono infatti in grado di contrastare la presenza di biofilm, ma solo di generare
una infiammazione cronica. La terapia si basa infatti su farmaci anti-
infiammatori (come alcuni FANS) e molecole disgreganti.
Biofilm possono crescere anche su lenti a contatto non sufficientemente
pulite. Biofilm su pavimenti e superfici di lavoro possono rendere difficile
l'igiene nelle aree adibite alla preparazione di cibo.
IN EVIDENZA. Il sistema regolatore quorum sensing, che corrisponde a una
modalità di comunicazione tra i batteri, è basato sulla produzione di sostanze
diffusibili che correlano direttamente con la densità cellulare in un determinato
ambiente.
Nei batteri gram-negativi, la comunicazione cellulare avviene attraverso
l’attività delle molecole di omoserina lattone acetilata (AHLS). Queste
piccole molecole segnale, dette autoinduttori, sono rilasciate dalle cellule e si
accumulano nelle colture in funzione della densità cellulare. Ad una densità di
popolazione soglia, definita quorum, gli AHLS accumulati possono interagire
con i recettori situati sulla superficie della cellula batterica ed indurre dei
segnali intracellulari in grado di regolare l’espressione genica. Anche nei batteri
gram-positivi è stato descritto il meccanismo di comunicazione cellulare e di
regolazione dei geni definito quorum sensing; è diversa però la natura degli
autoinduttori: infatti in questo caso le molecole segnale sono dei piccoli peptidi.
Un esempio di interazione tra quorum sensing e biofilm sono le
infezioni croniche da Pseudomonas aeruginosa nella fibrosi cistica.
I polmoni della maggior parte dei pazienti con fibrosi cistica vengono
27

facilmente colonizzati dal batterio P. aeruginosa. Un difetto genetico tipico della
fibrosi cistica porta alla perdita del canale transmembrana regolatore del cloro,
canale presente nelle membrane apicali delle cellule epiteliali delle vie
respiratorie. Questo difetto favorisce la colonizzazione dell’epitelio da parte di
P. aeruginosa che diventa causa di infezione persistente sostenuta dalla
produzione di un biofilm.
All’interno del biofilm, raggiunto il quorum, gli autoinduttori prodotti da
P. aeruginosa interagiscono con attivatori trascrizionali (LasR e RhlR) che
coordinano l'espressione di un pool di geni correlati alla virulenza. L’attivazione
dei geni di virulenza induce la produzione di fattori come alginato, proteasi,
esotossina A, emolisine e pigmenti che facilitano la persistenza del
microrganismo nel polmone.
È stato anche descritto che ceppi di Pseudomonas aeruginosa mutati per
alcuni fattori del sistema quorum sensing formano biofilm piatti e
indifferenziati, mentre ceppi selvaggi formano biofilm con strutture più
complesse.
Questa osservazione supporta l'idea che il quorum sensing giochi un
ruolo importante negli stadi di maturazione del biofilm e delle sue architetture
e questo lo rende un obiettivo molto interessante per lo sviluppo di nuovi
agenti antimicrobici.
Recentemente è stato dimostrato in modelli animali che una sostanza
sintetica, un sale di furanone, è capace di agire sul sistema regolatore quorum
sensing di Pseudomonas aeruginosa, inibendo la produzione di fattori di
virulenza e lo sviluppo del biofilm, riducendo in tal modo la persistenza dei
batteri infettanti nell'organismo animale. Si intravede, pertanto, una nuova
strategia di cura nell’infezione broncopolmonare, prevenendo la formazione di
biofilm dannoso.
IN EVIDENZA. Numerosi geni, raggruppati in particolari e distinte zone del
cromosoma batterico, definite isole di patogenicità (Pathogenicity Islands),
determinano la produzione di tossine, di fimbrie che favoriscono l’adesione alle
28

cellule, di invasine per la penetrazione nelle cellule bersaglio e di prodotti ad
alto peso molecolare necessari per la moltiplicazione intracellulare
Altro fattore genomico di patogenicità è il mar (Multiple antibiotic resistance),
gruppo di geni descritti ad esempio in alcuni ceppi di Salmonella typhimurium,
che determina la possibilità di elaborare un maggior numero di meccanismi di
virulenza finalizzati alla colonizzazione e all’invasione degli organi e alla
predisposizione all’antibiotico-resistenza.
Colonizzazione.
La colonizzazione dipende dalla capacità che il patogeno ha di
competere con successo con la microflora dell’ospite per potere acquisire le
sostanze nutritive essenziali per la crescita e la riproduzione.
Invasione dei tessuti.
I batteri possono penetrare nei tessuti profondi dell’organismo ospite
attraverso due meccanismi principali:
1. La distruzione enzimatica dell’epitelio che consente al batterio di
raggiungere la sottomucosa riccamente vascolarizzata. La capacità dei batteri
di penetrare e diffondere nei tessuti profondi è condizionata dalla produzione di
esoenzimi, i cui bersagli sono i componenti tessutali dell’ospite. Gli esoenzimi
sono anche una delle componenti del danno tissutale diretto indotto dai batteri
(vedi elenco degli enzimi nella sezione 4: Tossigenicità dei batteri).
2. L’induzione di meccanismi invasivi che permettono al microrganismo di
penetrare direttamente all’interno delle cellule epiteliali. Diversi batteri, dopo
la fase di adesione, hanno sviluppato la capacità di essere internalizzati dalla
cellula ospite nella quale si moltiplicano. Ad esempio, il riarrangiamento dei
filamenti di actina del citoscheletro attraverso la microiniezione di invasine
batteriche nel citosol della cellula ospite facilita la formazione di un vacuolo
che internalizza il batterio.
29

Una volta raggiunta la sottomucosa, il processo infettivo può:
• rimanere localizzato nei tessuti subepiteliali;
• evolvere ulteriormente con la progressiva invasione dei tessuti vicini con
l’immissione in circolo di prodotti batterici o di tossine (tossiemia). Per
alcuni batteri, il superamento delle barriere epiteliali comporta la
penetrazione nei tessuti subepiteliali e il raggiungimento dei linfonodi, il
passaggio nel circolo linfatico e quindi nel circolo ematico con lo sviluppo
di una batteriemia ed eventualmente di una setticemia con l’instaurarsi
di uno stato settico.
GLOSSARIO
Batteremia. Presenza transitoria di batteri nel sangue: non si hanno segni
clinici anche se possono essere presenti sintomi e segni di infezione locale che
rappresentano la fonte dell’immissione in circolo di batteri.
Setticemia. Presenza di batteri o loro prodotti nel sangue associata a segni di
shock settico, ad es. tachicardia e ridotta pressione sanguigna. È spesso una
complicazione di una infezione localizzata, ad es. polmonite, meningite.
In ogni caso la risposta infiammatoria dell’ospite e l’azione lesiva del
batterio cooperano a determinare il danno tessutale che si manifesterà a
livello clinico con una serie di segni e sintomi di gravità differente a seconda
delle diverse circostanze.
3. Elusione delle risposte immunitarie da parte dei batteri
L’azione patogena del batterio e la capacità di generare un processo
infettivo non può prescindere dalle difese microbiche nei confronti delle quali i
batteri hanno sviluppato vari meccanismi per sfuggire al riconoscimento e
all’uccisione delle cellule fagocitiche e per inattivare o evadere il sistema
complemento e anticorpale. Alcuni batteri possono sottrarsi alla risposta
immunitaria moltiplicandosi intracellularmente.
30

Meccanismi di evasione delle difese dell’ospite
Un esempio in tal senso è la capsula polisaccaridica, di cui sono dotati alcuni
batteri patogeni, che assolve diverse funzioni, quali:
• sottrae le componenti antigeniche del batterio al riconoscimento del
sistema immunitario
• ostacola la fagocitosi
• protegge il batterio dall’ambiente del fagolisosoma nel macrofago o nel
leucocita.
Tutte queste proprietà fanno della capsula un importante fattore di virulenza.
Tra gli altri meccanismi di elusione della risposta immunitaria ricordiamo:
• il cambiamento della struttura antigenica del batterio
• la produzione di proteasi contro le immunoglobuline
• l’inattivazione del complemento
• la distruzione dei fagociti
• l’inibizione della chemiotassi e della fagocitosi
• l’elusione dal killing intracellulare attraverso:
- l’inibizione della fusione fagolisosomica
- la resistenza agli enzimi lisosomiali
- l’adattamento alla replicazione intracitoplasmatica
IN EVIDENZA. La capacità di molti batteri di indurre malattia è correlata
anche alla produzione di una capsula o di uno strato mucoide che
proteggono l’agente infettivo dalla fagocitosi. Pur non essendo in genere un
potente antigene, l’ospite monta una risposta anticorpale contro la capsula che
favorisce il processo di opsonizzazione e di lisi mediata dal complemento. Un
31

caso particolare è rappresentato dalla dall’Haemophilus influenzae di tipo B
(Hib). Il motivo per cui le patologie da Hib sono particolarmente gravi nei primi
anni di vita risiede nella struttura polisaccaridica (antigene T-indipendente)
della capsula contro la quale un adulto produce un particolare tipo di IgG, le
IgG di tipo 2. Il bambino di età inferiore a 24 mesi, per una fisiologica
immaturità del proprio sistema immunitario, produce una quantità
estremamente bassa di IgG di tipo 2 per cui non è in grado di difendersi da
patologie sostenute da batteri provvisti di capsula polisaccaridica.
IN EVIDENZA.
STRATEGIE DEI MICRORGANISMI PER CONTRASTARE LE DIFESE
ASPECIFICHE DELL’OSPITE
Inibizione della chemiotassi dei polimorfonucleati (PMN) e dei
macrofagi: ad esempio, le emolisine di S. aureus e di S. pyogenes
Uccisione dei fagociti: ad esempio, B. pertussis causa apoptosi dei
macrofagi; le emolisine e in particolare la leucocidina di Panton-Valentine di S.
aureus e le due emolisine O e S di S. pyogenes.
Mancato inglobamento da parte dei fagociti: ad esempio, l’adesina
MIAT di Klebsiella pneumoniae che interagisce con i PMN; le fimbrie di
Neisseria gonorrhoeae; la proteina M di S. pyogenes e la capsula di S.
pneumoniae.
Inibizione della fusione del fagosoma con i lisosomi: ad esempio,
Mycobacterium tuberculosis, Bordetella pertussis che causa un aumento
intracellulare di cAMP che inibisce la fusione e nell’infezione da Legionella
32

pneumophila in cui i fagosomi si ricoprono di mitocondri e ribosomi che ne
impediscono la fusione con i lisosomi.
Fuoriuscita del microrganismo da fagosoma: ad esempio, Listeria
monocytogenes che produce listeriolisina O all’interno del fagosoma e ne
distrugge la membrana legandosi al colesterolo, permettendo alla Listeria di
passare nel citoplasma dove si moltiplica. Lo Strptococcus pyogenes che
produce la streptolisina S all’interno del fagosoma e ne distrugge la membrana
e ne permetta la fuoriuscita.
Moltiplicazione nei fagociti: ad esempio, Brucella spp., Chlamydia,
Criptococcus neoformans, Listeria monocytogenes, Mycobacterium spp.,
Salmonella typhimurium, Toxoplasma gondii, Yersinia pestis.
DI SEGUITO BREVI SCHEMI RIASSUNTIVI DELLE DIFESE
ANTIMICROBICHE
IN EVIDENZA. L’ospite mette in campo tre linee base di difesa contro gli
agenti infettivi:
1. Barriere naturali, che limitano l'ingresso dell'agente infettante (ad es., cute,
muco, epitelio ciliato, acidità gastrica, bile).
2. Difese immunitarie innate non antigene-specifiche, che forniscono una
rapida risposta locale all'aggressione da parte di un qualsiasi agente infettivo
(ad es., febbre, interferone, neutrofili, macrofagi, cellule NK).
3. Risposte immunitarie antigene-specifiche (ad es., anticorpi e linfociti T), che
localizzano, attaccano ed eliminano gli agenti infettivi che sono riusciti ad
eludere le precedenti due barriere.
33

IN EVIDENZA. I peptidi e le proteine antibatteriche che intervengono nella
difesa delle superfici mucose:
Lisozima Idrolizza il peptidoglicano
Proteine leganti il ferro Inibiscono la crescita batterica
Lattoperossidasi Genera superossidi
Mucina Previene l’aderenza alle mucose
Fosfolipasi A2 Danneggia le membrane
Peptidi chemiotattici Richiamano i fagociti
Proteine fase acuta Opsonizzano i batteri
Collectine Opsonizzano i batteri
Properdina Attiva il complemento
Defensine Danneggiano la membrana
IN EVIDENZA. Le defensine sono un numeroso gruppo di peptidi
antimicrobici prodotti da cellule di molti mammiferi. Nell’uomo sono state
identificate due classi di defensine: le alpha-defensine (6 diversi peptidi
prodotti principalmente dai polimorfonucleati e dalle cellule Paneth
dell’intestino tenue) e le beta-defensine (4 diversi peptidi prodotti
principalmente dalle cellule dell’apparato respiratorio, del tessuto urogenitale,
34

del pancreas, del rene e dai cheratinociti). Le alpha-defensine agiscono su
batteri gram positivi e negativi, su miceti e sull’envelope di alcuni virus. Le
beta-defensine agiscono soprattutto sui batteri gram negativi e sui miceti. Le
defensine si legano sulla superficie esterna dei batteri: nei gram positivi
interagiscono con gli acidi tecoici e con gruppi anionici esterni al
peptidoglicano; nei gram negativi si legano alla porzione polianionica dell’LPS.
L’interazione delle defensine con le diverse stutture batteriche determina una
permeabilizzazione della parete batterica, sia attraverso un effetto detergente
sia attraverso la formazione di pori, che induce la fuoriuscita di materiale
citoplasmatico dalla cellula batterica.
IN EVIDENZA. Le opsonine sono delle macromolecole le quali, se ricoprono
un microrganismo, aumentano l'efficienza della fagocitosi in quanto sono
riconosciute da recettori espressi sulla membrana dei fagociti.
Esistono varie opsonine:
uno dei sistemi più potenti è rappresentato da anticorpi specifici di tipo IgG1 e
IgG3 che ricoprono il microrganismo e sono riconosciuti dal recettore per Fc dei
fagociti. I fagociti possiedono sulla propria membrana dei recettori capaci di
legare direttamente i microrganismi e quindi di inglobarli anche in assenza
degli anticorpi specifici: questo è un meccanismo proprio dell'immunità innata.
Quando invece i microbi sono rivestiti da anticorpi specifici, le opsonine
specifiche, i fagociti neutrofili o i mononucleati possono legarsi con un legame
ad alta affinità con il recettore di membrana per il frammento Fc delle IgG, in
tal modo l'efficienza della fagocitosi è notevolmente aumentata. Molte cellule
immunocompetenti posseggono recettori specifici per il frammento Fc che
svolgono molteplici azioni in seno al sistema immunitario; i recettori per il
frammento Fc implicato nelle reazioni di opsonizzazione sono quelli rivolti verso
la catena pesante delle IgG chiamati Fc-gamma. Un altro sistema di opsonine
piuttosto efficace è rappresentato da alcuni prodotti derivanti dall'attivazione
del complemento, soprattutto il C3b, sia che il complemento sia stato attivato
35

seguendo la via classica, e quindi in presenza di anticorpi, oppure secondo la
via alternativa, e quindi in assenza di anticorpi. In questo caso il C3b che
ricopre le cellule microbiche si lega ai recettori specifici espressi sui macrofagi
e sui neutrofili favorendo la fagocitosi.
Altre opsonine naturali sono molte proteine presenti nel circolo ematico.
Tra esse ricordiamo la fibronectina, il fibrinogeno, la proteina C-reattiva.
Queste proteine rivestendo il microrganismo determinano una opsonizzazione
non specifica, cioè non mediata da anticorpi.
E' da evidenziare che l'opsonizzazione non specifica è molto meno
efficace di quella specifica, tuttavia riveste un ruolo di difesa molto importante
nella fase che precede la produzione degli anticorpi specifici.
APPENDICE
Schema riassuntivo delle risposte antibatteriche attivate nell’ospite
Complemento. Svolge la propria funzione antibatterica attraverso:
- Via alternativa attivata dalle strutture batteriche
- Via classica attivata tardivamente dai complessi Ag-Ac
- Produzione di proteine chemiotattiche e anafilotossine (C3a, C5a)
- Opsonizzazione dei batteri (C3b)
- Eliminazione diretta dei batteri (MAC)
- Attivazione dei linfociti B (C3d)
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Anticorpi. Svolgono la propria funzione antibatterica attraverso:
- Legame a strutture di superficie (pili, acidi tecoici e lipotecoici,
capsula)
- Inibizione dell’adesione
- Opsonizzazione dei batteri per la fagocitosi
- Attivazione del complemento
- Eliminazione diretta dei batteri
- Neutralizzazione di tossine ed enzimi tossici
Macrofagi. Svolgono la propria funzione antibatterica attraverso:
- Azione fagocitaria antibatterica con killing intracellulare mediato da
meccanismi ossigeno dipendenti (perossido di idrogeno, NADPH
ossidasi e NADH ossidasi, superossido, radicale ossidrile,
mieloperossidasi, ossido nitrico) ed ossigeno indipendenti (acidi,
lisozima, lattoferrina, proteine cationiche, proteasi, elastasi, catepsina
G)
- Produzione di citochine (IL1, IL6, IL12, TNF alfa e beta, IFN alfa)
- Attivazione di risposte infiammatorie e di fase acute
- Presentazione dell’antigene ai linfociti T CD4
Neutrofili. Svolgono la propria funzione antibatterica attraverso:
- Azione fagocitaria antibatterica con killing intracellulare mediato da
meccanismi ossigeno dipendenti ed ossigeno indipendenti
Linfociti T. Svolgono la propria funzione antibatterica attraverso:
- Attivazione risposte di tipo CD4 Th1 e CD4 Th2 importanti per le
risposte antinfettive
- Linfociti T citolitici CD8
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4. LA TOSSIGENICITA’ DEI BATTERI.
Il danno il quale sfocia nella malattia è il risulatato di una serie di eventi diretti,
indiretti e su base immunitaria.
DANNO DIRETTO ad opera di metabolismo batterico
enzimi batterici
tossine batteriche
DANNO INDIRETTO ad opera di infiammazione
attivazione del complemento
produzione di citochine
induzione apoptosi
DANNO SU BASE ad opera di immunocomplessi
IMMUNITARIA reazioni cellulo-mediate
superantigeni
autoimmunità
In ogni caso la risposta infiammatoria dell’ospite e l’azione lesiva del
batterio cooperano a determinare il danno tissutale che si manifesterà a livello
clinico con una serie di segni e sintomi di gravità differente a seconda delle
diverse circostanze.
Tra i fattori batterici responsabili del danno tissutale diretto troviamo:
• il metabolismo batterico, in particolare la fermentazione, mediante la
produzione di acidi, gas, ed altri prodotti tossici per il tessuto;
• il rilascio di enzimi degradativi, quali ialuronidasi, lipasi, etc.
• la produzione di tossine (esotossine ed endotossine).
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Principali enzimi batterici e loro funzione
Aerobactina: sideroforo che veicola il Fe 2+ all’interno del batterio dopo essere
stata prodotta e secreta dallo stesso batterio
Catalasi: converte il perossido di idrogeno ad acqua ed ossigeno
Coagulasi: causa la formazione di fibrina che può depositarsi sulla superficie
del microorganismo ed inibire la fagocitosi
Collagenasi: digerisce il collagene del tessuto connettivo (fattore di diffusione)
Emolisine: lisano i globuli rossi ed altre cellule del sangue
Fosfolipasi: lisi delle cellule del sangue (resistenza alle difese dell'ospite)
Ialuronidasi: scinde l’acido ialuronico, componente del tessuto connettivo
(fattore di diffusione)
Lecitinasi: scinde la lecitina, componente delle membrane citoplasmatiche
Streptochinasi o fibrinolisina: trasforma il plasminogeno in plasmina che
digerisce la fibrina
Superossido-dismutasi: catalizza la conversione del superossido in perossido di
idrogeno ed ossigeno molecolare
IN EVIDENZA. In alcuni casi il danno che causano gli enzimi batterici è
fondamentale nel quadro della malattia. Ad esempio, Pseudomonas aeruginosa
e cheratite: la produzione di elastasi batterica può portare entro 2-3 giorni alla
totale distruzione della cornea. Streptoccoccus mutans e carie dentale: con
39

l’enzima glucosiltransferasi, il batterio si procura dal saccarosio il glucano per
la capsula che gli consente di colonizzare la superficie dentale (placca
cariogena); con gli enzimi della omofermentazione lattica, il batterio produce
acido lattico dagli zuccheri abbassando il pH al di sotto di 5.2, valore che
favorisce la demineralizzazione dello smalto.
La produzione di tossine. I microrganismi possono liberare tossine che
interagiscono con cellule adiacenti o distanti. Queste tossine sono molecole che
possono aggravare il processo della malattia o essere totalmente responsabili
dello sviluppo della malattia (ad. es., difterite, colera, tetano, botulismo). La
maggior parte delle tossine si lega a recettori specifici delle cellule da colpire.
Ad eccezione delle tossine preformate responsabili delle tossinfezioni
alimentari, le tossine sono prodotte dai microrganismi durante il decorso di
un’infezione locale o sistemica.
Le esotossine sono proteine dimeriche (componenti A e B) prodotte da batteri
Gram positivi e gram negativi e rilasciate nell’ambiente esterno. Il legame della
subunità B (binding = legame) a specifici recettori sulla superficie cellulare
consente il trasferimento della porzione tossica A (active = tossica) all’interno
della cellula dove viene indotto il danno cellulare.
In base al meccanismo d’azione, possiamo classificare le esotossine in:
• tossine emolitiche (emolisine o citolisine) enzimi che producono pori
nella membrana cellulare, digeriscono materiali cellulari, alterano la
composizione della membrana
• tossine che alterano il contenuto intracellulare di AMP-ciclico
(azione catalitica ADP-ribosilante). Ad es., la tossina colerica che nelle
40

cellule della mucosa intestinale induce un accumulo di AMPc con una
ipersecrezione di elettroliti ed acqua che produce la profusa diarrea
acquosa caratteristica del colera.
• tossine che alterano il contenuto intracellulare di AMP-ciclico
(azione enzimatica adenilato ciclasica). Ad es., la tossina del Bacillus
anthracis, causa dell’antrace, che nella sua forma piu’ letale, l’antrace
polmonare, provoca l’aumento di AMPc nelle cellule bersaglio con edema
localizzato.
• tossine che inibiscono la sintesi proteica cellulare. Ad es., la
tossina difterica che nelle cellule epiteliali della faringe blocca la sintesi
proteica e causa la morte cellulare.
• tossine neurotrope che interferiscono con il rilascio di
neurotrasmettitori. Ad es., la tossina tetanica che causa una
diminuzione nel rilascio dei neurotrasmettitori dai neuroni inbitori che
determina la paralisi spastica caratteristica del tetano, e la tossina
botulinica che causa la diminuzione del rilascio di acetilcolina nelle
sinapsi periferiche con paralisi flaccida caratteristica del botulismo
alimentare.
IN EVIDENZA. Le anatossine o tossoidi sono esotossine alle quali è stato
artificialmente eliminato il potere tossico preservando le proprietà antigeniche.
Sono i costituenti dei principali vaccini antibatterici (vaccino antitetanico,
antidifterico e antipertosse).
41

ENDOTOSSINA
Al contrario l’endotossina è il lipolisaccaride (LPS, vedi), una delle strutture
che costituiscono il rivestimento esterno dei batteri gram negativi. E’ prodotta
quindi solo dai batteri Gram negativi
I batteri Gram negativi rilasciano l’endotossina durante l’infezione.
Quest’ultima si lega a specifici recettori presenti sulla superficie delle cellule del
sistema immunitario stimolando la produzione di citochine proinfiammatorie
che alimentano la reazione flogistica acuta. Nel caso di sepsi da Gram negativi,
i livelli di endotossina nel sangue possono raggiungere valori molto alti,
scatenando una risposta infiammatoria eccessiva, non più protettiva, ma
addirittura dannosa, che conduce allo shock settico e nei casi più gravi al
decesso.
Meccanismi d’azione delle endotossine:
• Liberazione massiccia di alcune citochine.
• L’interazione con gli endoteli vascolari
• Attivazione del complemento per via alternativa.
• Attivazione della cascata di eventi legati alla coagulazione del sangue.
• Produzione di mediatori come TNF, IL-1.
• Aumento della permeabilità vascolare, vasodilatazione, ipotensione,
shock emodinamico, aumento del catabolismo proteico (cachessia).
IN EVIDENZA:
SEPSI
Indica una risposta infiammatoria sistemica (SYRS, Systemic Inflammatory
Response Syndrome) in organi o apparati (polmoni, addome, vie urinarie)
sostenuta da gravi infezioni, principalmente da gram negativi. In misura
minore, il peptidoglicano e prodotti di degradazioni (acidi tecoici e lipotecoici)
dei batteri gram positivi e componenti strutturali di miceti possono stimolare
una risposta pirogena della fase acuta endotossino-simile.
42

La sepsi è caratterizzata dalla massiccia produzione di elevate quantità di
fattori infiammatori (PGs,TNFs, IL1, IL6, IL8, IL12).
Le citochine proinfiammatorie innescano:
- alterazione degli endoteli vascolari con collasso ipotensivo (sepsi
ipotensiva)
- la cascata della coagulazione con la formazione di diffuse coagulazioni
intravasali (DIC: disseminated intravascular coagulation)
- estesi fatti emorragici con la grave compromissione di diversi organi
SHOCK SETTICO
(shock settico) ed effetti fatali per il paziente
Termine utilizzato per raggruppare una serie di eventi fisiopatologici che
portano al collasso del sistema circolatorio causando il quadro clinico della
sindrome da insufficienza multipla di organi (MOFS) che può provocare la
morte del paziente.
Lo shock settico è spesso causato da bacilli gram negativi acquisiti in ospedale e si
verifica comunemente in pazienti immunocompromessi e in quelli con patologie
croniche. In circa 1/3 dei pazienti, tuttavia, è causato da cocchi gram + e dalla
Candida. Lo shock causato da tossine stafilococciche è denominato shock tossico,
una condizione incontrata più frequentemente nelle ragazze.
Inizialmente si verifica la vasodilatazione delle arterie e delle arteriole che fanno
diminuire la resistenza arteriosa periferica con una gettata cardiaca normale o
aumentata, anche se la frazione di eiezione può risultare diminuita all'aumentare
del battito cardiaco. Successivamente la gittata cardiaca diminuisce e le resistenze
periferiche possono aumentare. Malgrado una gittata cardiaca aumentata, il flusso
sanguigno verso i vasi capillari di scambio risulta diminuito, come diminuito è il
rilascio dei substrati vitali, in particolare O 2 e la rimozione della CO 2 e dei prodotti
del catabolismo. Questa condizione di diminuita perfusione dell'organo colpisce
particolarmente i reni e il cervello con conseguente danneggiamento di uno o più
43

organi viscerali. Alla fine, la gettata cardiaca diminuisce e compare il quadro tipico
dello shock.
Fattori predisponenti per lo shock settico comprendono diabete mellito, cirrosi, stati
leucopenici, specialmente quelli associati a neoplasie o al trattamento con agenti
citotossici, infezioni antecedenti nel tratto urinario, biliare o GI, presidi invasivi,
inclusi i cateteri, i tubi di drenaggio e altri corpi estranei. Inoltre costituiscono fattori
predisponenti una precedente terapia con antibiotici, corticosteroidi o interventi
strumentali per la ventilazione. Lo shock settico si verifica più spesso nei neonati,
nei pazienti con più di 35 anni, nelle donne in gravidanza e nelle persone con un
grave grado di immunocompromessione indotto da patologie di base o nei casi di
complicanze iatrogene.
GLOSSARIO
DIC: disseminated intravascular coagulation: la formazione di diffuse
coagulazioni intravasali
ARDS: Acute Respiratory Distress Syndrome, sindrome da insufficienza
respiratoria acuta
MOFS: Multiple Organs Failure Syndrome, sindrome da insufficienza multipla
degli organi
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Le principali caratteristiche delle esotossine:
• Neosintetizzate si liberano nell’ambiente esterno.
• Si possono separare per filtrazione, centrifugazione
• Sono di natura proteica
• Sono prodotte sia dai Gram+ che dai Gram -
• Sono termolabili
• Resistono ai succhi gastrici tranne per l’enterotossina stafilococcica e
botulinica.
• Il loro potere tossico è neutralizzato dall’anticorpo specifico.
• Alcune vengono trasformate in laboratorio in anatossine (tossine a cui è
stato elimanto il potere tossico mantenendo le caratteristiche
antigeniche. Principali componenti dei vaccini antibatterici)
Le principali caratteristiche delle endotossine:
• Sostanze presenti costitutivamente nella cellula batterica, non si liberano
nell’ambiente se non dopo la lisi dei batteri stessi.
• Sono prodotte dai soli Gram-
• Sono di natura lipopolisaccaridica.
• Il potere tossico non è neutralizzato dall’anticorpo specifico.
• Resiste all’azione dei succhi gastrici.
• Non può essere detossificata.
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I SUPERANTIGENI sono proteine batteriche ad azione toxin-like che attivano
i linfociti T CD4+, in genere senza presenza di Ag specifico, legandosi al TCR (T
cell receptor) presente sui linfociti e al complesso maggiore di istocompatibiltà
di classe II (MHC-II) presente sulle cellule presentanti l’antigene (antigen
presenting cell, APC).
L’interazione APC-linfocita T mediata dal superantigene, senza presenza
di un Ag specifico, si traduce in una alterata attivazione e proliferazione delle
cellule T e nell’attivazione dei macrofagi con rilascio di elevate dosi di diverse
interleuchine (Il-1, Il-2, TNF alfa) coinvolte nella patogenesi dello shock.
Mentre un antigene stimola un clone di linfociti Ag-specifico, il
superantigene può indurre uno stato di attivazione di più cloni linfocitari,
inducendo nel linfocita uno stato cronico di non responsività definito anergia
che può portare all’apoptosi (morte cellulare) con conseguente perdita di un
notevole numero di linfociti T.
Esempi di alcuni superantigeni di origine microbiologica
• Toxic shock syndrome toxin-1 (TSST-1), prodotta da alcuni ceppi di
Staphylococcus aureus che causano la sindrome dello shock tossico
(TSS).
• Tossine pirogeniche dello Streptococcus pyogenes
• Le enterotossine stifilococciche di Staphylococcus aureus
• Le Sta (heat-stable toxins) di ceppi enterotossigenici di Escherichia coli
(ETEC).
• Superantigeni associati a Streptococcus pyogenes possono essere
responsabili della psoriasi e antigeni di Mycobacterium tuberculosis, del
virus rabbico e di HIV possono essere considerati superantigeni.
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IN EVIDENZA
DANNO MEDIATO DALL’OSPITE SU BASE IMMUNITARIA
Ipersensibilità di II tipo o danno citotossico: cellule dell’ospite possono
essere distrutte da anticorpi, complemento o cellule killer se esprimono sulla
propria superficie antigeni microbici o se antigeni dell’ospite presentano una
reattività crociata con antigeni del microrganismo. Ad esempio: la reattività
crociata indotta da Streptococcus pyogenes è alla base di una ipotesi
patogenetica della malattia reumatica post-streptococcica in quanto in questa
malattia si ritrovano anticorpi e complemento legati al miocardio e nel siero
sono presenti anticorpi anti-cuore con reattività crociata verso antigeni
streptococcici di varia natura.
Ipersensibilità di III tipo o danno da immunocomplessi: complessi
immuni solubili che si formano in eccesso di antigene circolano nel sangue e si
possono depositare in vari distretti vascolari (glomeruli, processi corioidei,
articolazioni, etc.). In queste sedi possono verificarsi attivazione del
complemento, chemiotassi da polimorfonucleati e fenomeni infiammatori, tutti
eventi in grado di creare danno. Ad esempio: la glomerulonefrite acuta post-
streptococcica indotta da Streptococcus pyogenes è un tipico esempio di
malattia da immunocomplessi.
Ipersensibilità di IV tipo o danno cellulo-mediato: sono effettori sia i
linfociti T CD4+ con la liberazione di linfochine, sia i linfociti T CD8+ con la loro
azione citolitica diretta contro le cellule infette. Ad esempio: la tubercolosi
indotta da M. tuberculosis è la tipica malattia sotto il controllo dell’immunità
cellulp-mediata nella quale esiste un precario equilibrio tra gli effetti positivi
per l’ospite (immunità) e quelli negativi (danno).
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MODALITÀ DI TRASMISSIONE DEGLI AGENTI INFETTIVI
1. Ingestione di alimenti o bevande contaminate (circuito oro-fecale)
2. Vie aeree respiratorie
3. Contatto diretto cutaneo-mucoso: contagio sessuale
4. Trasmissione attraverso artropodi vettori
5. Trasmissione per contaminazione di oggetti
1. INGESTIONE DI ALIMENTI O BEVANDE CONTAMINATE
Le malattie infettive che si trasmettono per via alimentare sono quelle nelle
quali l’agente infettante viene eliminato con le feci e, in presenza di cattive
condizioni igieniche, riesce a raggiungere il cibo realizzando quel circuito di
infezione che prende il nome di trasmissione oro-fecale (colera, tifo, epatite di
tipo A). Le intossicazioni alimentari, invece, fanno seguito alla ingestione di
cibi contaminati da batteri che si moltiplicano negli alimenti producendo la
tossina: quindi le patologie sono causate dall’ingestione di cibo
contaminato dalla tossina, come ad esempio nel botulismo (tossina
botulinica) o nelle patologie dovute alle tossine prodotte dallo Staphylococcus
aureus o dal Clostridium perfringens.
2. VIA AEREA
Attraverso l’inalazione di microrganismi presenti nell’aria su polveri o immessi
tramite goccioline di saliva eliminate con i colpi di tosse o gli starnuti. E’ la
trasmissione oro-faringea caratteristca della tubercolosi, pertosse, influenza e
affezioni sostenute da virus respiratori
3. CONTATTO DIRETTO CUTANEO-MUCOSO: CONTAGIO SESSUALE
Per un certo numero di microrganismi, che penetrano attraverso la cute o le
mucose esposte, la trasmissione tra soggetto ammalato a soggetto sano si
realizza per contatto diretto, come ad esempio nelle malattie veneree (sifilide e
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gonorrea) e diverse infezioni cutanee causate ad esempio da Staphylococcus
aureus da Bacillus anthracis etc. In questa categoria, si possono annoverare le
infezioni che si instaurano al momento del passaggio attraverso il canale del
parto (infezioni perinatali come ad esempio quelle sostenute da Neisseria
gonorrhoeae).
4. TRASMISSIONE ATTRAVERSO ARTROPODI VETTORI
Infezione di tessuti o nel sangue circolante da parte di microrganismi patogeni
o di virus veicolati da un animale infetto (rabbia, peste) o in seguito a puntura
di un artropode ematofago che si sia nutrito di sangue di un soggetto infetto
(malaria). I vettori più comuni sono zecche, pidocchi, pulci, mosche, zanzare
etc.
5. TRASMISSIONE PER CONTAMINAZIONE DI OGGETTI
La contaminazione di biancheria, utensili, aghi, siringhe, strumenti medici
favorisce la trasmissione di microrganismi responsabili di patologie cutanee,
respiratorie, urinarie e intestinali. Tale modalità di trasmissione è
particolarmente attiva in ambito ospedaliero (infezioni nosocomiali), dove
dispositivi sanitari, quali cateteri, tubi endotracheali, apparecchi per
ventilazione meccanica, tubi da dialisi etc., rappresentano una importante
fonte di contagio.
Vanno inoltre ricordate:
- la trasmissione trans-placentare, che comporta il trasferimento
dell’agente infettivo dalla madre al feto attraverso la placenta (infezioni
congenite), come ad esempio la sifilide congenita, listeriosi e la maggior
parte delle infezioni virali.
- la trasmissione per ferite accidentali, chirurgiche, graffi, morsi con
infezioni sostenute da Clostridium tetani, Escherichia coli e
Staphylococcus aureus.
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AGENTI ANTIBATTERICI E MECCANISMI DI RESISTENZA
GLOSSARIO
AGENTI ANTIBATTERICI. Sostanze con caratteristiche inibitorie verso i
microrganismi (comprendono gli antibiotici ed i composti sintetici) e con effetti
minimi sulle cellule dell’ospite (tossicità selettiva).
ANTIBIOTICI. Sostanze prodotte da microrganismi che inibiscono la crescita
batterica (batteriostatici) o provocano la morte del batterio (battericidi)
ATTIVITA’ BATTERIOSTATICA: il livello di attività antibatterica che inibisce la
crescita del microrganismo.
ATTIVITA’ BATTERICIDA: il livello di attività antibatterica che uccide il
microrganismo saggiato.
ANTIBIOTICI SEMI-SINTETICI. Antibiotici modificati chimicamente per
migliorarne le proprietà, come ad es. la stabilità e lo spettro di azione.
COMBINAZIONE DI ANTIBIOTICI. Si possono usare combinazioni di antibiotici
per: 1) ampliare lo spettro antibatterico per una terapia empirica o per il
trattamento di infezioni polimicrobiche; 2) prevenire la comparsa di
microrganismi resistenti; 3) ottenere un effetto sinergico di uccisione.
EFFETTO SINERGICO. Combinazione di due antibiotici che hanno attività
battericida amplificata se somministrati insieme rispetto l’attività dei singoli
antibiotici.
EFFETTO ANTAGONISTA. Combinazione di antibiotici in cui l’attività di uno
interferisce con l’attività dell’altro, ad es. l’attività della somma è minore
dell’attività dei singoli farmaci.
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I PRINCIPALI MECCANISMI D’AZIONE DEI FARMACI ANTIBATTERICI
1. INIBIZIONE DELLA SINTESI DELLA PARETE BATTERICA
Penicilline, cefalosporine, cefamicine, monobattamici, carbapenemici:
agiscono legando le PBP e gli enzimi responsabili della sintesi del
peptidoglicano.
inibitori della beta-lattamasi (acido clavulanico): lega le beta lattamasi e
inibisce l’inattivazione enzimatica del beta-lattamico
Vancomicina: interagisce con la D-alanina D-alanina terminale delle catene
laterali penta-peptidiche interferendo con la formazione dei ponti tra gli strati
di peptidoglicano. I batteri resistenti sostituiscono una D-alanina con un D-
lattato che non lega l’antibiotico
Bacitracina: altera il trasporto dei precursori del peptidoglicano
Isoniazide e etionammide: impedisce la sintesi dell’acido micolico
Etambutolo: impedisce la sintesi dell’arabinogalattano
Cicloserina: altera i legami crociati degli strati del peptidoglicano
La maggior parte degli antibiotici attivi sulla parete batterica sono classificati
come beta-lattamici, così chiamati per la presenza di un anello beta-lattamico
nella loro struttura chimica. Generalmente agiscono come battericidi,
inducendo la morte della cellula batterica attraverso il blocco di specifici
enzimi, detti proteine leganti la penicillina (PBP), implicati nella sintesi del
peptidoglicano, componente strutturale della parete delle cellule batteriche.
51

I batteri possono sviluppare resistenza nei confronti di tali molecole
principalmente attraverso tre meccanismi:
• l’antibiotico non riesce a penetrare nella cellula per modificazione dei pori
della membrana esterna, caratteristica strutturale esclusiva dei GRAM-
• l’antibiotico non riesce a legarsi alle PBP poichè risultano modificate in
seguito a mutazioni geniche
• il batterio produce beta-lattamasi che inattivano l’antibiotico
2. INIBIZIONE DELLA SINTESI PROTEICA
Amminoglicosidi: streptomicina, kanamicina, gentamicina, tobramicina,
amikacina. Si legano irreversibilmente alle proteine 30S dei ribosomi ed
esplicano un’azione battericida mediante due effetti: la produzione di proteine
aberranti e l’interruzione della sintesi proteica per rilascio prematuro del
mRNA.
I principali meccanismi di resistenza agli amminoglicosidi sono:
• Mutazione del sito legante il ribosoma
• Ridotta penetrazione nella cellule batterica
• Modificazione enzimatica dell’antibiotico mediante fosforilazione,
adenilazione o acetilazione dei gruppi amminici e idrossilici
Tetracicline: tetraciclina, doxiciclina, minociclina. Si legano reversibilmente
alla subunità ribosomiale 30S e bloccano l’attacco dell’aminoacil-RNA transfer.
Possiedono un’azione batteriostatica.
I principali meccanismi di resistenza alle tetracicline sono:
• Diminuita penetrazione dell’antibiotico
• Efflusso attivo (pompe di efflusso)
• Alterazione del sito bersaglio ribosomale, con produzione di fattori simili
che legano l’antibiotico senza che la sintesi proteica sia alterata
• Modificazione enzimatica dell’antibiotico
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Macrolidi: eritromicina, azitromicina, claritromicina. Si legano reversibilmente
al ribosoma 50S e bloccano l’allungamento del polipeptide. Possiedono
un’azione batteriostatica.
I principali meccanismi di resistenza ai macrolidi sono:
• Metilazione dell’RNA ribosomale 23S che impedisce il legame
dell’antibiotico
• Distruzione enzimatica dell’anello lattonico
• Efflusso attivo dell’antibiotico
Cloramfenicolo e clindamicina: interferiscono, al pari dei macrolidi, con la
subunità ribosomiale 50S. Il principale meccanismo di resistenza al
cloramfenicolo è l’alterazione del legame alla subunità 50S dopo acetilazione
del gruppo ossidrilico della molecola antibiotica
3. INIBIZIONE DELLA SINTESI DEGLI ACIDI NUCLEICI (DNA e RNA)
Chinoloni: acido nalidixico, ciprofloxacina, levofloxacina, ofloxacina, etc.
Inibiscono le subunità alfa della DNA girasi o topoisomerasi necessari per
superavvolgere il DNA batterico.
I principali meccanismi di resistenza ai chinoloni sono:
• Ridotta assunzione del farmaco per alterazione delle porine di membrana
• Modificazione della DNA girasi
Rifampicina: Si lega all’RNA polimerasi DNA-dipendente ed inibisce l’inizio
della sintesi dell’RNA. E’ battericida per Mycobecterium tuberculosis.
ll principale meccanismo di resistenza alla rifampicina è:
• Mutazione nella subunità beta dell’RNA polimerasi DNA-dipendente
I Gram negativi sono naturalmente resistenti poichè l’antibiotico idrofobico non
supera la parete esterna
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4. ANTIMETABOLITI
Sulfamidici: competono con l’acido p-amminobenzoico, impedendo la sintesi
di acido folico richiesto come vitamina dai mammiferi che non lo sintetizzano
I principali meccanismi di resistenza ai sulfamidici sono:
• Barriere di impermeabilità
• Ridotta affinità per la idrolato riduttasi
5. ALTERAZIONE DELLE MEMBRANE CELLULARI
Polimixina e bacitracina: alterano la membrana citoplsmatica del batterio.
LA RESISTENZA AI FARMACI ANTIBATTERICI
I principali meccanismi di resistenza ai farmaci antibatterici sono:
1. Alterazione ed interferenza nel trasporto del farmaco, ad es. con
l’alterazione delle proteine poriniche della membrana esterna dei batteri.
I principali antibatterici coinvolti da tale meccanismo sono:
• Beta lattamici
• Bacitracina
• Farmaci contro la parete dei micobatteri
• Amminoglicosidi
• Chinoloni
• Rifampicina
• Antimetaboliti
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2. Modificazione del sito bersaglio dell’antibiotico, ad es. con la
produzione di proteine simili ai fattori di allungamento che proteggono il
ribosoma 30S ai quali l’antibiotico si lega senza che la sintesi proteica
venga alterata
I principali antibatterici coinvolti da tale meccanismo sono:
• Beta lattamici (alterate PBP)
• Vancomicina (sostituzione nel peptidoglicano del terminale del
pentapeptide da D-alanina in D-lattato o D-serina)
• Amminoglicosidi (mutazione del sito legante il ribosoma)
• Tetracicline (produzione di proteine simili al fattore di allungamento
che protegge il ribosoma 30S)
• Macrolidi (metilazione dell’RNA ribosomiale 23S che impedisce il
legame dell’antibiotico)
• Chinoloni (alterazione delle subunità alfa della DNA girasi)
• Rifampicina (modificazione della subunità beta dell’RNA polimerasi)
• Sulfamidici (ridotta affinità di idrofolato riduttasi)
3. Distruzione o inattivazione del farmaco, ad es., la modficazione
enzimatica mediante fosforilazione, adenilazione o acetilazione dei gruppi
amminici e idrossilici degli antibiotici
I principali antibatterici coinvolti da tale meccanismo sono:
• Beta lattamici (beta lattamasi)
• Amminoglicosidi (fosforilazione, adenilazione e acetilazione della
molecola)
• Cloramfenicolo (acetilazione)
• Macrolidi (distruzione dell’anello lattonico da parte di una eritromicina
esterasi)
• Sulfamidici (produzione di timidina come antagonista)
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4. Attivazione di pompe di efflusso, il trasporto cioè dell’antibiotico
all’esterno della cellula batterica
APPENDICE
FATTORI CHE INFLUENZANO LA SCELTA DI UNA TERAPIA ANTIMICROBICA
• Farmacologia
• Interazione con altri farmaci
• Penetrazione nel sito di infezione
• Costo
• Tossicità
• Patogeni coinvolti
• Spettro di attività antimicrobica
• Valutazione delle resistenze
• Età del paziente
• Tollerabiltà
• Particolari condizioni patologiche (ad es. insufficienza renale o epatica)
• Allergie del paziente
• Gravidanza
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PRINCIPI DI DIAGNOSTICA MICROBIOLOGICA
Lo scopo dell’esame batteriologico è quello di verificare la presenza di un
batterio patogeno in un individuo. La dianosi microbiologica è un processo
articolato in diverse fasi:
1. PRELIEVO del materiale da esaminare che può essere costituito da:
• campioni oro-faringei
• liquido pleurico
• sangue
• urine
• campioni ostetrici
• escreato o lavaggio bronchiale
• liquido peritoneale
• liquido cefalo rachidiano
In questa fase del processo diagnostico è doveroso osservare alcune regole tra
cui:
- eseguire il prelievo al momento più opportuno a seconda del tipo di
batterio e di materiale e comunque prima di intraprendere qualunque
terapia antibiotica
- evitare l’inquinamento da parte di microrganismi estranei
- evitare alterazioni del materiale dal momento del prelievo a quello
dell’esame
2. ESAME MICROSCOPICO DIRETTO eseguito in preparati colorati con il
metodo di Gram. Generalmente non consente l’identificazione definitiva dei
batteri osservati ma fornisce informazioni di carattere generale che aiutano ad
orientare le tappe successive dell’indagine diagnostica.
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3. ISOLAMENTO dei batteri presenti nel materiale prelevato attraverso l’esame
colturale. Quest’ultimo implica la scelta del terreno e delle condizioni di
incubazione più idonee alla crescita del batterio di cui si ricerca la presenza o
l’impiego di diversi terreni e varie condizioni d’incubazione in assenza di uno
specifico sospetto diagnostico.
4. IDENTIFICAZIONE DEFINITIVA che richiede l’allestimento di colture pure ed
omogenee, ottenute inoculando il terreno con una singola coltura ben isolata,
al fine di poter esaminare i caratteri del ceppo batterico in esame:
• caratteri microscopici (morfologia, aggruppamento, caratteri tintoriali)
• caratteri biochimici (produzione di specifici metaboliti, presenza di
particolari enzimi)
• caratteri antigeni
5. ANTIBIOGRAMMA: test per l’individuazione degli antibiotici nei confronti dei
quali il nostro isolato è sensibile e/o resistente. A tale scopo è necessario
allestire delle piastre inoculate in superficie con una quantità di batteri in grado
di formare una patina uniforme sul terreno. A questo punto si depongono, sulla
superficie della piastra, una serie di dischi di carta imbevuti di adatte
concentrazioni di antibiotico. Se il batterio in esame è sensibile al farmaco si
assisterà alla comparsa, attorno al disco stesso, di una zona circolare più o
meno ampia (in rapporto alla maggiore o minore sensibilità del batterio), il
cosiddetto alone di inbizione.
Prove sierologiche
I test sierologici misurano la risposta anticorpale sierica del paziente in seguito
ad una infezione. I principali sono:
- Saggi di agglutinazione
- Reazione di fissazione del complemento
- ELISA o immunoenzimatico
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- Immunofluorescenza diretta e indiretta
- Western blot
Occorre ricordare che la presenza di anticorpi non sempre sta ad indicare
un’infezione in atto ma può essere la conseguenza di vaccinazioni o infezioni
pregresse. Per escludere tali dubbi è opportuno analizzare due campioni di
siero, prelevati a distanza di alcuni giorni l’uno dall’altro, in modo tale da
verificare, in caso di risultato positivo del test, se c’è un aumento del titolo
anticorpale.
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LE VACCINAZIONI
da: Michela La Placa
Principi di Microbiologia Medica, Esculapio Editore
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IL CALENDARIO VACCINALE PER L’INFANZIA
da: Michela La Placa
Principi di Microbiologia Medica
Esculapio Editore
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