Właściwości chorobotwórcze związane z budową komórki. Katedra i Zakład Mikrobiologii

Transkrypt

1 Właściwości chorobotwórcze związane z budową komórki Prof. dr hab. Anna Przondo-Mordarska Katedra i Zakład Mikrobiologii Akademia Medyczna we Wrocławiu ł

2 Dziś w dobie rozwiniętych i badań ń genetycznych immunochemicznych, wiedzy o człowieku i drobnoustrojach na poziomie molekularnym, sformułowanie Ludwika Hirszfelda, że mikrobiologia jest wspaniałym obrazem zmagającego się życia, a choroba zakaźna wyścigiem między zdolnością obronną jednego, a siłą niszczycielską drugiego gatunku jest jak najbardziej prawdziwe. Ludwik Hirszfeld

3 Mikroorganizmy i w tworzeniu Ziemi i Miliard Mikroogranizmy pojawiły się 3,5 do 4 miliardów lat temu, zmieniając warunki na Ziemi umożliwiły ewolucję zwierząt wyższych

4 Komórka eukariotyczna pierwotna z symbiontem Wolnożyjące tlenowe bakterie Bakterie weszły ł do prymitywnych hkomórek k eukariotycznych jako symbionty wewnątrzkomórkowe, otrzymywały pokarm, dostarczały energii otrzymuje pokarm Jądro kom. dostarcza energii Komórka eukariotyczna z pasożytem wewnątrzkomórkowymi Bakteria utraciła część swojego DNA, otrzymuje substraty część bakteryjnych białek jest syntetyzowana energrtyczne pod kontrolą komórkowego DNA Jądro kom. kontrolujące bakterie białka dostarcza energii

5 Wolnożyjące drobnoustroje Przypadkowy kontakt, adaptacja Zdolne do życia jako wolnożyjące Zakażenia za środowisko ORGANIZM Przeniesienie LUDZKI GOSPODARZ zakażenia -ctwa w insektach Adaptacja do pasożytctwa w insektach Pasożyty dziedziczone Pasożyty obligatoryjne

6 Kolonizacja mikroorganizmów na powierzchni tkanek gospodarza Fizjologiczna równowaga gospodarz-mikroorganizm Inwazja i rozsiew Objawy zakażenia ż

7 Drobnoustroje wywołujące zakażenia Choroby zakaźne ź Choroby o tle infekcyjnym Bakterie prokariota Grzyby Pierwotniaki - eukariota Wirusy Priony Wiroidy

8 Postawy chorobotwórczości Chorobotwórczość zdolność drobnoustroju do wywoływania zmian patologicznych lub określonej choroby u osoby zakażonej Zakaźność zdolność do wniknięcia i utrzymania się w tkankach gospodarza Inwazyjność zdolność do przenikania przez bariery obronne i rozprzestrzeniania się i rozmnażania w organizmie gospodarza Toksyczność zdolność do wytwarzania toksyn (toksyny y właściwe, enzymy, y, metabolity) powodujące uszkodzenie tkanek i wystąpienie objawów chorobowych

9 Morfologia bakterii Leptospira Borrelia Zdjęcia z mikroskopu elektronowego

10 Streptococcus pneumoniae preparat bezpośredni

11 Schemat budowy komórki bakteryjnej Komórka bakteryjna

12 Main features of a bacterial cell.

13 Figure 1 - The structure of a phospholipid Figure 2 - Cartoon of the Lipid Bilayer

14 Model mozaikowy błony biologicznej

15 Cytoplasmic membrane Exterior Signal peptide cytochromes nutrients Cytoplasma bactoprenol wall precursors exported proteins

16

17 Ściana komórkowa bakterii Gram dodatnich kw.teichowy peptydoglikan kw. lipoteichowyi ściana komórkowa błona cytoplazmatyczna białka strukturalne białka enzymatyczne

18 Structure of one of the repeating units of the peptidoglycan cell wall structure

19 Ściana bakterii Gram ujemnych lipopolisacharyd kanały porynowe Błona zewnętrzna Przestrzeń periplazmatyczna Błona cytoplazmatyczna Białko wiążące Białko nośnikowe peptydoglikan lipoproteina

20 Structure of the lipopolysaccaride of gram negative bacteria

21 Cell Wall G iti b t i Gram positive bacteria Peptidoglycan Teichoic acid Lipoteichoic acid Gram-negative bacteria Peptidoglycan Periplasmic space Outer membranes Proteins LPS

22 Cell wall types: Gram stain teichoic acid peptidoglycan outer membrane periplasm cytoplasmic membrane (enzymes, binding proteins) Gram-positive Gram-negative Dye complex retained Dye complex lost = purple (crystal violet) = pink (saffranin)

23 Structure of mycobacterial cell wall

24

25 Flagellum E. coli has peritrichous flagella

26 Fimbrie ie fimbrie Escherichia coli

27 Model of P pilus assembly by the chaperone/usher pathway Pili are grouped according to mechanisms of assembly

28 Swoistość receptorów fimbrialnych Drobnoustrój Fimbrie Receptor Miejsce zakażenia E.coli, Enterobacter Typ 1 D-mannoza nabł. dr. moczowych Klebsiella, Citrobacter glikoproteina nabł. dr. oddechowych Salmonella E. coli Typ P D Gal 1-4 D Gal nabłonek dróg glikolipid moczowych fibronektyna E. coli Typ S Neu Nac 2-3 D Gal nabłonek glikolipid serii globo naczyniowy y V. cholerae n.k. L-fukoza nabłonek jelita cienkiego

29 Drobnoustroje wiążące ąą się ę z ECM/ białkami kolagenowymi Drobnoustró ECM Receptor bakteryjny Staphylococcus aureus fibronektyna białka bł. zew. 210 kda kolagen białka bł. zew. 135 kda Streptococcus pyogenes fibronektyna kw. lipoteichowy E. coli fibronektyna Fim typu? Klebsiella kolagen V Fim 3

30 Typy adhezyn występujące u pałeczek Klebsiella Adhezyny fimbrialne fimbrie typu 1 (MS - mannozowrażliwe) fimbrie typu 3 (MR - mannozooporne) fimbrie KPF-28 (geny zlokalizowane na plazmidach kodujących enzymy ESBL) Adhezyny niefimbrialne adhezyny typu P (P-like czynnik CF29K (geny zlokalizowane na plazmidach kodujących enzymy y ESBL)

31 Charakterystyka fimbrii typu 1 u Klebsiella Rodzaj Właściwości Receptory lub Powinowactwo do adhezyny hemaglutynacyjne rozpoznawalne tkanek cząsteczki Fimbrie typu 1, adhezyna właściwa Fim H Zdolność aglutynacji świeżych krwinek świnki morskiej. Reakcja jest blokowana przez D-mannozę (mannose sensitive MS) Mannozydy, białka typu laminina, fibronektyna, plazminogen oraz rozpuszczalne zawierające mannozę, glikoproteiny w moczu i w ślinie Adhezja do komórek jamy ustnej, tchawicy, płuc, oraz do obecnego w drogach moczowych śluzu Hemaglutyniny mannozo wrażliwe najlepiej poznane wśród wszystkich adhezyn. Mają postać długich, grubych i sztywnych y włókienek. Ekspresjonowane na powierzchni u około 90% szczepów K.pneumoniae i u 30% K.oxytoca Kodowane na chromosomie lub na plazmidzie szczep 589 (fimbrie typu 1)

32 Struktura podjednostek wchodzących w skład fimbrii typu 1 u Klebsiella Podjednostka fimbrialna gen kodujący Charakterystyka FimA/fimA Główna strukturalna podjednostka fimbrii o masie cząsteczkowej 17kDa. FimB/fimB FimC/fimC FimD/fimD FimE/fimE Białko o masie cząsteczkowej 23Kda. Odpowiada za regulację syntezy fimbrii, wymagane do inwersji promotora genu fima Białko periplazmatyczne, tzw. Białko opiekuńcze (chaperonowe), wiąże poszczególne podjednostki fimbrii i przenosi je do centrum polimeryzacji Występujące w błonie zew. białko kanałowe o masie cząsteczkowej 81kDa, transportujące peptydy na zew. komórki. Białko o masie cząsteczkowej 22 kda, odpowiada za regulację syntezy fimbrii, wymagane do inwersji promotora genu fima FimF/fimF Mniejszy (16 kda) składnik kompleksu decydujący o tworzeniu nowych fimbrii FimG/fimG Mniejsza (14 kda) podjednostka decydująca o długości fimbrii FimH/fimH Właściwa adhezyna o masie 32kDa, może występować zarówno na szczycie jak i w środkowej fazie wydłużania fimbrii. Kształtem przypomina immunoglobuliną

33 Oczyszczone fimbrie typu 1 szczepu Klebsiella pneumoniae 304 zdjęcie z mikroskopu elektronowego

34 Charakterystyka fimbrii typu 3 u Klebsiella Rodzaj adhezyny y Właściwości Receptory lub Powinowactwo do hemaglutynacyjne rozpoznawalne tkanek cząsteczki Fimbrie typu 3, adhezyna właściwa MrkD Zdolność aglutynacji wyłącznie krwinek taninowanych. Reakcja nie jest hamowana przez D- mannozę (mannose resistante) Swoiste peptydy dostępne wskutek wcześniejszego uszkodzenia komórek nabłonkowych odsłonięcie kolagenu V Komórki tkanek nerek, tchawicy i komórek nabłonkowych Hemaglutyniny mannozooporne (MR). Mają postać cienkich i krótkich włókienek. Występują u ponad 80% K.pneumoniae i K.oxytoca. Kodowane na chromosomie lub na plazmidzie szczep nr 640 (fimbrie typu 3 )

35 Struktura podjednostek wchodzących w skład fimbrii typu 3 u Klebsiella ll Podjednostka fimbrialna gen kodujący Charakterystyka k Mrk A/mrkA MrkB/mrkB MrkC/mrkC MrkD/mrkD MrkE/mrkE MrkF/mrkF MrkG/mrkG Główna strukturalna podjednostki fimbrii Białko odpowiedzialne za regulację ekspresji i decydujące o długości fimbrii Białko odpowiedzialne za regulację ekspresji i decydujące o długości fimbrii Białko warunkujące specyficzne oddziaływanie fimbrii z receptorem adhezyna właściwa. Różnice w specyficzności wiązania receptorów wiąże się ze zmiennością w sekwencji aminokwasowej tej podjednostki. Białko odpowiedzialne za regulację ekspresji i decydujące o długości fimbrii Obecność tego białka warunkuje zachowanie określonej struktury fimbrii na powierzchni komórki bakteryjnej Białko regulatorowe

36 Oczyszczone fimbrie typu 3 u Klebsiella oxytoca szczep 666 zdjęcie z mikroskopu elektronowego

37 Fimbrie typu 6 Rodzaj adhezyny Właściwości hemaglutynacyjne Receptory lub rozpoznawalne cząsteczki Powinowactwo do tkanek Fimbrie typu 6 Brak hemaglutynacji Brak danych Są to struktury grube i najdłuższe z dotychczas wymienionych. Występują w bardzo małej ilości na powierzchni komórek. Ich obecność stwierdzono w mikroskopie elektronowym tylko u K.ozaenae

38 Fimbrie KPF-28 Rodzaj adhezyny Właściwości hemaglutynacyjne Receptory lub rozpoznawalne cząsteczki Powinowactwo do tkanek Fimbrie KPF-28 Brak hemaglutynacji Adhezja do nabłonka jelitowego Są to struktury długie, cienkie i giętkie. Słabo poznane. Kodowane na plazmidzie

39 Czynnik CF29K Rodzaj Właściwości ś ś i Receptory lub Powinowactwo do adhezyny hemaglutynacyjne rozpoznawalne tkanek cząsteczki Adhezyna CF29K Brak właściwości hemaglutynacyjnych Reszty NeuAc (kw. N- acetyloneuraminowy) Nabłonek jelitowy Adhezyna niefimbrialna, ciężar cząsteczkowy Da Kodowana na plazmidzie

40 Niefimbrialna adhezyna typu P Rodzaj adhezyny y Właściwości Receptory lub Powinowactwo do hemaglutynacyj rozpoznawalne tkanek ne cząsteczki Białko o ciężarze właściwym 40 kda; Gen kodujący papg (allel papgii) Kodowana na chromosomie Niefimbrialna Aglutynują świeże Receptory tkankowe Warunkują adhezję do adhezyna typu P, adhezya właściwa PapG krwinki ludzkie OP1 zawierające w składzie dwucukier receptorowy α-ddróg moczowych. Wariant GII najczęściej związany z zapaleniem pęcherza moczowego i nerek. Galp-(1 4)-β-D- β Galp galabiozę

41 Cechy drobnoustrojówsprzyjającesprzyjające zasiedleniu Zdolność adherencji do gładkich powierzchni (szkło,,p plastik) Staphylococcus, Streptococcus, Pseudomonas, Klebsiella Zdolność do wiązania się : -z białkami surowicy: albuminą, fibrynogenem, immunoglobulinami - białkami i ECM: fibronektyna, kolagen, elastyna, witronektyna, trombospodyna -kostną ą sialoproteiną ą - kolagen, Tworzenie ochronnej warstwy glicocalyx (Staph. koag(-))

42 Wyniki Adhezja do hodowli komórkowych Linia Caco-2 szczep o dyfuzyjnym typie adhezji Linia Caco-2 szczep o adhezji mieszanej

43 Wyniki Adhezja do hodowli komórkowych Szczep wykazujący silną (> 100 kom. w polu widzenia) agregacyjną adhezję do linii Int-407 Linia Int szczep wykazujący brak adhezji

44 Otoczki otoczka Pseudomonas aeruginosa

45 Electron micrographs of encapsulated E. coli O18:K5:H-

46 Main features of a bacterial cell.

47 Funkcje struktur bakteryjnych Nukleoid zapis genetyczny cech Plazmidy Rybosomy synteza białek Błona cytoplazmatyczna bariery przepuszczalności mezosomy błona zewnętrzna transport, oddychanie (gromadzenie energii), udział w syntezie ściany komórkowej Ściana komórkowa kształt komórki, sito, wrażliwość na antybiotyki, antygenowość toksyczność (LPS) Rzęski ruch fimbrie, kw.teichowy adhezja Białka Otoczki ochrona przed fagocytozą Białka (M)

48 Struktury powierzchni komórki bakteryjnej o znaczeniu ochronnym i chorobotwórczym Ściana komórkowa Otoczki Adhezyny Śluz Białka powierzchniowe i

49 Struktury drobnoustroju warunkujące adherencję Fimbrie adhezyjne Włókienka - rod like fimbriae Białka adhezyjne Glikoproteiny powierzchniowe Śluz Glikokaliks LPS Kwasy teichowe

50 Kolonizacja Inwazja bezobjawowa Uszkodzenie komórek, k tkanekk narządów Zdolność drobnoustroju do wywołania zakażenia objawowego

51 Komórka gospodarza - stopniowe wiązanie integryny z receptorami ibkt bakterii prowadzi dido it integracji jikomórki ókibkt bakterii z komórkami gospodarza INTEGRYNA LIGAND BAKTERYJNY NP.: INWAZYNA YERSINIA ENTEROCOLITICA

52 Struktura biofilmu wytworzonego przez bakterie (Fim1, 3) na powierzchni i cewnika po 24 h Mikroskop JSM 5800 LV firma Jeol powiększenie 3000

53 Czynniki wirulencji pomocne w kolonizacji i przeżyciu bakterii wywołujących zakażenie Czynniki wirulencji Funkcje Rzęski i fimbrie adhezja do śluzu Niefimbrialne adhezyny bliskie wiązanie z kom. gospodarza Tworzenie biofilmu wiązanie z powierzchnią i tworzenie skupisk bakterii co zmniejsza wrażliwość na antybiotyki; t ognisko wysiewu do krwi Inwazyny indukcja niefagocytujących komórek do pochłaniania bakterii Przegrupowanie wymuszenie fagocytozy, aktyny rozprzestrzenianie i się i przemieszczanie i w komórkach gospodarza Wiązanie z komórkami M kom. M jako naturalne wrota wejścia do organizmu Ruch i chemotaksja osiąganie i powierzchni i śluzówkió siga proteazy zapobieganie uwięzieniu bakterii w śluzie Siderofory,powierzchowne ułatwianie dostępu do Fe ++ ; przy braku żelaza białka, które wiążą transferyny, bakterie wykorzystują mangan (B. burgdorferii) laktoferyny

54 Endospory. Sporogeneza, proces formowania się ę endospory peptydoglikan błona cytoplazmatyczna DNA ściana dzieląca podwójna osłona peptydoglikan płaszcz endospory wolna endospora

55 Endospory

56 Oporność różnych form drobnoustrojów na środki dezynfekcyjne Drobnoustrój Przykłady wirusy lipidowe HSV, CMV,HIV formy wegetatywne E.coli, Staph.aureus bakterii N.meningitidis grzyby Candida, Trychophyton nielipidowe id wirusy małeł wirus polio, Coxacie prątki M.tuberculosis przetrwalniki bakteryjne C.tetani, C.difficile priony czynnik etiologiczny ch. Creutzfeldta-Jacoba

57 Cechy drobnoustrojów sprzyjające przetrwaniu i rozsiewalności ś i Struktury ypowierzchni drobnoustrojów Oporność na czynniki środowiskowe wysuszenie promienie, temperatura Oporność na środki dezynfekcyjne, antybiotyki Zdolność do wytwarzania przetrwalników (Clostridium t difficile, il Clostridium septicum), zarodników Aspergillus Powszechne występowanie jako flora stała lub przejściowa na skórze (Staphylococcus), p y błonach śluzowych, y, w jelicie grubym (Enterococcus) Małe zapotrzebowanie odżywcze przetrwanie i rozwój w źródłach i rezerwuarach skrajnie pokarmowo ubogich (woda, leki) Inwazyjność wysokiego stopnia masowe wydzielanie zarazka różnymi drogami (dżuma, wirusy gorączek krwotocznych) Zdolność zasiedlania organizmu Cechy te często decydują o drodze transmisji drobnoustrojów

58 Patogeny niebezpieczne z Wielorakie mechanizmy oporności naturalnej i nabytej Łatwe przekazywanie i rozprzestrzenianie się oporności - epidemiczne szerzenie się ę oporności Liczne rezerwuary Oportunistyczny charakter