Mechanizmy Patogenezy Bakteryjnej Prof. dr hab. n. med Grażyna Młynarczyk Drobnoustroje Trzy domeny: archeony, bakterie i jądrowce: Królestwo Pierwotniaki Grzyby Glony Bakterie 1. Eukaryota 2. Bacteria Nie mają budowy komórkowej: Wirusy Wiroidy i inne Priony 3.Archaea 1 mikrometr (1µm) = 10-6 m, czyli: 1:1000 mm 1 nanometr (1 nm) = 10-9 m, czyli: 1: 1 000 000 mm Bakterie są wszędobylskie i niezbędne dla zachowania życia na Ziemi Tylko niewielka grupa bakterii może zasiedlać organizm człowieka, i też nie wszystkie z nich mogą być chorobotwórcze Systematyka organizmów Schemat opracowany przez Karola Linneusza Podstawową jednostką jest gatunek Każdy organizm (gatunek) posiada podwójną nazwę: 1 człon to nazwa rodzajowa (piszemy ją z dużej litery) 2 człon nazwa gatunkowa-epitet (piszemy z małej litery) np. Homo sapiens lub Escherichia coli Na całym świecie stosuje się jednakowe nazwy łacińskie Można niekiedy skracać pierwszy człon (nazwę rodzajową) do 1 litery (np. E. coli) Systematyka: Nadkrólestwo Królestwo Typ Gromada Klasa Rząd Rodzina Rodzaj Gatunek Podgatunek, Odmiany, Serotypy, Serowary, Biotypy etc., 1
Bakterie Wiele rośnie na podłożach sztucznych (bezkomórkowych) niektóre są pasożytami bezwzględnie wewnatrzkomórkowymi: np. riketsje, erlichie, chlamydie hoduje się je tak jak wirusy są bakterie, których nie potrafimy hodować ani na podłożach sztucznych, ani w hodowlach żywych komórek (np. krętki kiły czy prątki trądu) Podział klasycznie bakterii opiera się głównie na takich właściwościach jak: kształt komórki sposób barwienia metodą Grama fizjologia (oddychanie, inne procesy metaboliczne) obecnie: podobieństwo genetyczne, najczęściej rrna Bakterie dzielimy pod względem wymagań środowiska atmosferycznego na: bezwzględne tlenowce względne beztlenowce bezwzględne beztlenowce Niezależnie wyróżnia się: mikroaerofile kapnofile Różnice między komórką bakteryjną a zwierzęcą Związek wielu chorób z mikroorganizmami historia medycyny w tym historia mikrobiologii Nie jest to proces zakończony Postulaty Kocha Postulaty Kocha (1892) Postulat 1 - Drobnoustrój musi być obecny u wszystkich osób mających daną chorobę i powinien mieć związek ze zmianami chorobowymi. Postulat 2 - Drobnoustrój musi być wyizolowany w czystej kulturze od osoby chorej. Postulat 3 - Drobnoustrój, wyosobniony od chorej osoby, po wprowadzeniu do ludzi lub zwierząt musi wywołać tą samą chorobę. Postulat 4 - Drobnoustrój należy ponownie wyosobnić w czystej kulturze od eksperymentalnie zakażonego człowieka lub zwierzęcia w celu spełnienia trzeciego postulatu. 2
Molekularne postulaty Kocha (sformułowane przez S. Falkowa 100 lat po Kochu) Jakie cechy powinien mieć gen, by jego produkt zaklasyfikowano jako czynnik wirulencji: Odnajdywany jedynie w szczepach chorobotwórczych, a jeśli występuje w genomie szczepów niewirulentnych powinien być zmutowany lub nie ulegać ekspresji. Powinien ulegać ekspresji na pewnym etapie infekcji, a kodowany przez niego produkt powinien indukować pewien typ odpowiedzi immunologicznej (odp. Komórkową lub humoralną). Unieczynnienie genu kodującego czynnik wirulencji powinno, choć nie musi prowadzić do obniżenia poziomu wirulencji. Wprowadzenie genu do szczepu niewirulentnego może przekształcić go w szczep chorobotwórczy. Postulaty Kocha Istnieją wyjatki np. nie każdy organizm zachoruje po zakażeniu drobnoustrojem chorobotwórczym odporność makroorganizmu różna zjadliwość szczepów drobnoustrojów tego samego gatunku Rozszerzone pojęcie chorobotwórczości Definicje Choroby wynikające z zaburzenia naturalnej mikroflory, w których zmniejszenie populacji jednych drobnoustrojów prowadzi do nadmiernego namnożenia innych (np. vaginosis czy tez drożdzyca po kuracji antybiotykowej) Choroby wynikające ze współdziałania kilku różnych mikrorganizmów (np. zapalenie przyzębia konieczne kompleksy bakterii) Zakażenie Kolonizacja Nosicielstwo Zachorowanie Chorobotwórczość i zjadliwość drobnoustrojów Zakażenie w badaniach na zwierzętach LD 50 ID 50 endogenne egzogenne Własna normalna flora bakteryjna stała przejściowa 3
Czy po wniknięciu bakterii dojdzie do zachorowania? Bakteryjne czynniki wirulencji: Adhezja Status Gospodarza (odporność) Wrota zakażenia Jakie bakterie (gatunek, szczep) Liczba bakterii zakażających (inokulum) Umiejętność wykorzystania substancji pokarmowych (np. systemy zdobywania żelaza, siderofory) Zdolność do unikania układu odpornościowego Wytwarzanie toksyn (niekoniecznie) Bakterie Chorobotwórcze Systemy transportu białek przez błony komórkowe bakterie Gram-ujemne inwazyjne nieinwazyjne (zatruwacze) 5 systemów sekrecyjnych (I-V) Uszkodzenie tkanek gospodarza toksyny i enzymy bakteryjne reakcje nieswoiste (odczyn zapalny) reakcje swoiste: autoimmunizacja, wszystkie typy alergii Geny systemów I, III, IV, V - często w obrębie wysp patogenności Wszystkie moga uczestniczyć w wydzielaniu białek związanych z patogennością Systemy III i IV mają zdolność transportowania białek od razu do wnętrza komórki eukariotycznej Adhezja Adhezja Jest niezbędna, ponieważ bakterie szybko zostałyby usunięte z makroorganizmu Fimbrie Adhezyny niefimbriowe Otoczki Kwasy tejchojowe Białka ściany komórkowej np fibronectin binding protein 4
Unikanie układu odpornościowego makroorganizmu Dwie strategie pasożyta życie na zewnątrz komórek życie wewnątrz komórek makroorganizmu makroorganizmu (adhezja (tylko adhezja) jest etapem koniecznym do wniknięcia do wnętrza komórki) Pasożyty pozakomórkowe Zmienność antygenowa Neisseria gonorrhoeae (fimbrie, Opa) Otoczki Proteazy IgA Neisseria spp., Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae Powierzchniowe białka antyfagocytarne i antykomplementarne Staphylococcus aureus białkoa Streptococcus pyogenes białko M Pasożyty pozakomórkowe c.d. Wytwarzanie biofilmów Szczególnie istotne: - zakażenie cewników oraz protez naczyniowych i kostnych przez Staphylococcus epidermidis - zakażena Pseudomonas aeruginosa i innymi pałeczkami niefermentującymi Pasożyty pozakomórkowe Zdobywanie substancji pokarmowych Systemy zdobywania żelaza - siderofory Pasożyty wewnątrzkomórkowe 1. Wniknięcie do wnętrza odpowiedniej komórki prowokacja do fagocytozy, zwłaszcza w przypadku nieprofesjonalnych fagocytów 2. Obrona przed strawieniem ucieczka z fagosomu (Shigella spp, riketsje) hamowanie fuzji fagosomu z lizosomem (Salmonella spp., Mycobacterium spp., Legionella spp., chlamydie oporność na enzymy degradacyjne (Bacillus anthracis, Mycobacterium spp.) Toksyny i enzymy Toksyny wywierają szkodliwy wpływ na komórki gospodarza Toksyny Tradycyjnie dzieli się na: 1. Endotoksyny - LPS w outer membrane bakterii G- 2. Egzotoksyny - pozostałe toksyny (głównie białkowe) Wiele egzotoksyn jest w rzeczywistości uwalnianych na zewnątrz dopiero po rozpadzie komórki bakteryjnej np. pneumolizyna Streptococcus pneumoniae, cyklaza adenylowa Bordetella pertussis 5
Enzymy Toksyny i enzymy rozprzestrzenianie się bakterii, zdobywanie substancji odżywczych np. proteazy, hialuronidazy, kolagenazy, fibrynolizyny. Jeśli nie są toksynami nie uszkadzają komórek makroorganizmu. Wiele toksyn jest specyficznymi enzymami Różne kryteria podziału: -wielkość i budowa: Toksyny małe białka np. enterotoksyny gronkowcowe duże zbudowane z kilku domen lub podjednostek np. toksyna cholery) TOKSYNY A-B polipeptydy agregujące dopiero w miejscu działania (np. toksyny tworzące pory w błonach) mechanizm działania na komórkę gospodarza działanie na cały organizm Toksyny A-B Zbudowane z części A i części B podjednostki lub łańcuchy lub domeny tego samego białka całej toksyny Podjednostka A właściwa toksyna (może być enzymem) Podjednostka B doprowadza podjednostkę A do właściwego miejsca działania Zwykle 1A + 5B (Stx, LT, toksyna V. cholerae) lub 1A +1B (toksyny błonicza, tężcowa, botuliniwa, toksyna A P. aeruginosa) Egzoksyny - mechanizmy działania 1. Działanie cytotoksyczne 2. Zaburzanie cytoszkieletu komórki 3. Hamowanie retencji wody w jelicie (enterotoksyny) 4. Emetyny (też zaliczane do enterotoksyn) 5. Inaktywacja białek błonowych neuronów 6. Superantygeny Cytotoksyny uszkadzające błony komórkowe hamujące synteze białek Cytotoksyny 1.Uszkodzenie błony komórki eukariotycznej 1.1. Toksyny tworzące pory w błonie np. toksyna alfa u S. aureus 1.2. Enzymy uszkadzające błonę np. toksyna A u C. perfringens jest fosfolipazą C 1.3. Działanie podobne do detergentów np. toksyna delta S. aureus 6
Cytotoksyny c.d. 2. Zahamowanie syntezy białek 2.1. ADP rybozylaza EF2 np.toksyna C.diphtheriae, toksyna P. aeruginosa 2.2. N-glikozydaza 28S RNA Toksyny STX i STX2 enterokrwotocznych E. coli (EHEC) oraz Shiga toxin u S. dysynteriae Toksyny działające na cytoszkielet komórki Modyfikacja białek Rho Białka Rho są to małe białka błonowe wiążące GTP wykazują aktywność GTPaz i stanowią główne regulatory aktyny cytoszkieletu komórki eukariotycznej. Inaktywacja tych białek przez toksyny lub moduliny bakterii może zablokować np. chemotaksję, fagocytozę czy wybuch tlenowy dezaminacja, glikozylacja, ADP-rybozylacja przykłady toksyn działających na białka Rho Bordatella pertussis toksyna dermonekrotyzująca, E. coli CNF cytotoxic necrotizing factor dezaminacja P. difficile (C. difficile) ToxA i ToxB - glikozylacja Enterotoksyny Toksyny działające na przewód pokarmowy, powodujące biegunkę lub wymioty (emetyny) Toksyna Vibrio cholerae typowa enterotoksyna toksyny LT enterotoksynogennych E. coli (ETEC) ADP rybozylacja białka G stymulacja camp S. aureus EDIN - ADP-rybozylacja ST enterotoksynogennych E. coli (ETEC) podobne działanie, ale stymulacja cgmp Enterotoksyny Inne enterotoksyny mogą mieć zupełnie inny mechanizm działania, np. enterotoksyny gronkowcowe, C. perfringens czy B. cereus Enterotoksyny gronkowcowe są małymi białkami, ale wykazują dwa odmienne mechanizmy działania (różne domeny) są enterotoksynami i superantygenami Neurotoksyny Najsilniejsze neurotoksyny to tężcowa i botulinowa Obydwa białka mają po dwa łańcuchy: ciężki, odpowiedzialny za translokację i przyłączanie i lekki metaloproteaza zależna od cynku Powodują proteolizę białek odpowiedzialnych za przyłączanie się i fuzję pęcherzyków synaptycznych do błon presynaptycznych Mają powinowactwo do różnych neuronów 7
Toksyna botulinowa neurony ruchowe obwodowego układu nerwowego proteoliza - powoduje brak uwalniania acetylocholiny Toksyna tężcowa neurony hamujące rdzenia kręgowego proteoliza - powoduje brak uwalniania glicyny i kwasu gamma-aminomasłowego Toksyna botulinowa tworzy kompleksy z białkami, co stabilizuje ją w przewodzie pokarmowym S. aureus: TSST, enterotoksyny S. pyogenes: Superantygeny SPE (streptococcal pyrogenic egzotoxin): A, C, G, H, J, L, M SSA (streptococcal superantigen), SmeZ(streptococcal mitogenic enterotoxin) Superantygeny Nieswoiście stymulują układ immunologiczny, wiążą się bezpośrednio z MHC II oraz z określonymi Vβ TCR bez wcześniejszej prezentacji. Bardzo silnie działają stymulująco na układ immunologiczny, często doporowadzają do wstrząsu (zespół wstrząsu toksycznego) Wyspy patogenności pathogenicity islands (PAI) Są to duże, zróżnicowane regiony w chromosomie o wielkości od 10 do 200 kb Zawierają geny wirulencji (przynajmniej jeden) Mają charakterystyczny skład zasad, różny od podstawowego genomu (element obcy) Często związek z ruchomymi elementami, ale same nie są ruchome Są niestabilne 8