Corso di Microbiologia integrato con Igiene

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1 Corso di Microbiologia integrato con Igiene Prof.ssa Stefania Conti Dipartimento di Patologia e Medicina di Laboratorio, Sezione di Microbiologia Viale Gramsci, Parma tel.: o Fax: stefania.conti@unipr.it Ricevimento studenti presso Sezione di Microbiologia previo appuntamento telefonico

2 Obiettivi del corso fornire le conoscenze fondamentali su: batteri, miceti, protozoi e virus; interazioni ospiteparassita e meccanismi di induzione delle malattie da infezione; modalità d azione ed utilizzazione dei principali farmaci antimicrobici ed antivirali; risposta dell ospite alle infezioni e modalità di prevenzione delle malattie da infezione Testo consigliato P. Mazza, C. Dacarro. Microbiologia Farmaceutica. Società Editrice Farmaceutica, Milano. Testi da consultare Hugo-Russell. Microbiologia Farmaceutica. Editrice EMSI, Roma M. La Placa. Principi di Microbiologia Medica. Società Editrice Esculapio, Bologna.

3 Origine ed evoluzione della Microbiologia Branca della Biologia che studia i microrganismi micros (piccolo), bios (vita) e logos (parola) Microrganismi organismi unicellulari invisibili ad occhio nudo, a volte organizzati in aggregati pluricellulari senza differenziazione in tessuti od organi I microrganismi sono coinvolti in importanti cicli della materia, trasformazioni geochimiche e processi biologici

4 Classificazione in Regni degli organismi viventi Regno dei PROTISTI (Ernst Haeckel, 1866) Protisti inferiori (procarioti) Batteri e Cianobatteri (alghe blu-verdi) Protisti superiori (eucarioti) Miceti (Funghi) e Protozoi Monera Funghi Protisti Piante Animali Ernst H. Haeckel ( )

5 Caratteristiche dei microrganismi Monera Organismi unicellulari procarioti (nucleo primitivo) a riproduzione asessuata, chemiosintetici, autotrofi od eterotrofi (Batteri) Protisti Organismi unicellulari eucarioti (nucleo organizzato) a riproduzione sessuata e/o asessuata, eterotrofi o fototrofi (Protozoi ed alghe) Funghi Organismi unicellulari o pluricellulari, senza differenziazione tessutale, a riproduzione sessuata e/o asessuata, eterotrofi (Funghi macroscopici e microscopici)

6 I virus Entità biologiche subcellulari Parassiti endocellulari obbligati Possiedono un solo tipo di acido nucleico (DNA o RNA) Hanno dimensioni piccolissime (sono filtrabili) Possiedono un involucro proteico (capside) e, a volte, un involucro lipoproteico (pericapside o peplos) Presentano in superficie strutture proteiche (antirecettori) che si attaccano a specifici recettori della cellula bersaglio

7 Storia della Terra ed età dei microrganismi L età dei microrganismi si estese per circa 3 miliardi di anni (microfossili di cellule procariotiche sono stati ritrovati in depositi risalenti a quel periodo); cellule più semplici devono averli preceduti (4,5 miliardi di anni). Per circa 2 miliardi di anni i microrganismi procarioti hanno rappresentato l unica forma di vita sulla Terra. I primissimi fossili di eucarioti risalgono a solo un miliardo e 300 milioni di anni fa. Origine della vita Aerobi Eucarioti Formazione Comparsa dell ossigeno Mammiferi della Terra nell atmosfera Dinosauri EVOLUZIONE CHIMICA DELLA TERRA E DELLE FORME PRE- PROCARIOTE ETA DEI MICRORGANISMI ETA DEI METAZOI 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0

8 Principali caratteristiche di eucarioti e procarioti

9 Probabile origine degli organismi eucarioti e procarioti da un progenota comune Teoria endosimbiontica Cloroplasto batterio endosimbionte fotosintetico Mitocondrio batterio endosimbionte aerobio Flagello spirocheta endosimbionte

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11 Evoluzione della Microbiologia Lucrezio (96?-55 a.c.): De Rerum natura - trasmissione delle malattie attraverso "semi" Fracastoro ( ): De contagione - contagio attraverso seminaria": nascita dell'epidemiologia Antonie van Leeuwenhoek ( ) : osservazione diretta di animalcules mediante un microscopio considerato lo scopritore dei batteri

12 Evoluzione della Microbiologia Spallanzani ( ) introduce l uso dei terreni di coltura sterili confutando la teoria della generazione spontanea Hunter dimostra la trasmissibilità di malattie da infezione (1750) Jenner introduce la vaccinazione antivaiolosa (1798) Appert dimostra che è possibile conservare i cibi in contenitori a chiusura ermetica sottoponendoli a trattamenti termici Bassi dimostra sperimentalmente l eziologia fungina di una malattia (del baco da seta) (1836) Lister applica la pratica dell asepsi in chirurgia, introduce la sterilizzazione degli strumenti chirurgici, la disinfezione degli ambienti e l uso di materiale da medicazione sterile (1867)

13 Evoluzione della Microbiologia Pasteur Louis Pasteur ( ) Robert Koch ( ) Pasteur dimostra che la fermentazione dell'acido lattico è dovuta a un microrganismo (1857) e confuta definitivamente la teoria della generazione spontanea (con l ulteriore conferma da parte di Tyndall nel 1877), inoltre sviluppa la pratica della vaccinazione nei confronti di diverse malattie da infezione (1875, vaccinazione antirabbica) Koch studia il ruolo eziologico dei batteri nelle malattie : Bacillus anthracis agente del carbonchio : scoperta del bacillo della tubercolosi : postulati di Koch - terreni di coltura agarizzati Koch

14 Evoluzione della Microbiologia Petri (1877) propone l'utilizzazione di terreni in piastre Gram (1884) sviluppa il suo metodo di colorazione dei batteri Chamberland (1884) inventore dell'autoclave - allestisce un filtro per batteri scoperta dei virus Ivanowsky (1892) dimostra l'eziologia virale del mosaico del tabacco Fine '800 - primi '900: identificazione di molti batteri e virus patogeni Alexander Fleming scopre la penicillina (1929) scoperta dei sulfamidici (1935) Beadle e Tatum (1941): formulano l ipotesi un gene-un enzima Avery (1944) riconosce il DNA depositario dell'informazione genetica Watson e Crick (1953) propongono la struttura a doppia elica del DNA Jacob e Monod (1961) propongono l'operone nella regolazione genica

15 Principali agenti eziologici di malattie umane scoperti durante l Età d oro della Microbiologia ( ) MALATTIA AGENTE EZIOLOGICO SCOPRITORE DATA Gonorrea Neisseria gonorrhoeae A. Neisser 1879 Malaria Plasmodium C. Liveran; R. Ross 1880 Febbre tifoide Salmonella typhi K. Eberth 1880 Polmonite Streptococcus pneumoniae L. Pasteur, G. Sternberg 1881 Tubercolosi Mycobacterium tuberculosis R. Koch 1882 Colera Vibrio cholerae R. Koch 1883 Difterite Corynebacterium diphteriae E. Klebs, F. Loeffler 1883 Tetano Clostridium tetani A. Nicolaier 1884 Diarrea Escherichia coli T. Escherich 1885 Febbre ondulante Brucella D. Bruce 1887 Gangrena gassosa Clostridium perfringens W. Welch, G.H. Nuttal 1892 Peste Yersinia pestis S. Kitasato, A. Yersin 1894 Botulismo Clostridium botulinum E. Ermengem 1896 Dissenteria Shigella dysenteriae K. Shiga 1898

16 Campi di interesse e settori della Microbiologia Microbiologia Microbiologia Microbiologia medica agraria farmaceutica ed industriale Microbiologia ambientale Genetica dei microrganismi Biologia molecolare (DNA ricombinante)

17 Microbiologia Medica Batteriologia Micologia Parassitologia Virologia Immunologia Igiene Patologia Generale Infettivologia Farmacologia Qualsiasi disciplina medica o chirurgica che presenti problemi correlati alle infezioni

18 Saprosphira Ameba gigante Paramecium lunghezza 500 µm Batterio 1 mm Protozoo 300 µm Protozoo Dimensioni relative di microrganismi e virus Chlamydomonas 25 µm Alga nanometri Plasmodio malaria 15 µm Protozoo Lievito (S.cerevisiae) 10 µm Fungo Treponema pallidum 10 µm Batterio Escherichia coli Mycoplasma 3 µm Batterio 0,2 µm Batterio

19 Limiti di risoluzione dei microscopi Le dimensioni sono indicate su una scala logaritmica (ciascuna divisione maggiore equivale a un cambiamento di dimensioni pari a dieci volte). A destra della scala sono riportate le dimensioni approssimative delle cellule, dei batteri, dei virus, delle molecole e degli atomi.

20 Principali caratteristiche dei vari tipi di microscopi

21 Microscopio ottico in campo chiaro (binoculare)

22 Microscopio a fluorescenza

23 Microscopio elettronico a trasmissione Il generatore del fascio di elettroni è situato all estremità superiore della colonna centrale, mentre le lenti elettomagnetriche sono all interno della colonna. L immagine proiettata sullo schermo fluorescente può essere osservata attraverso un amplificatore di immagine posizionato sopra l apertura per l osservazione. La fotocamera è collocata in un compartimento al di sotto dello schermo.

24 Aspetti morfologici dei procarioti forma e disposizione delle cellule dimensioni: da 0,1-0,2 a diversi micron Batteri osservati al microscopio elettronico a scansione

25 Osservazione microscopica Osservazione "a fresco": possibile con ingrandimenti non superiori a 400 Coloranti sostanze organiche con un gruppo cromoforo le cellule batteriche devono essere uccise ("fissate") - Coloranti acidi o anionici (es. eosina, fucsina acida) Affinità per strutture cellulari cariche positivamente - Coloranti basici o cationici (es. blu di metilene, cristalvioletto) Affinità per strutture cellulari cariche negativamente - Coloranti fluorescenti (es. arancio di acridina, fluoresceina) Si intercalano al DNA (osservazione con raggi UV) Mordenzanti (es. acido fenico, soluzione iodio-iodurata di Lugol) facilitano la fissazione del colorante

26 Colorazioni Colorazioni semplici un solo colorante (es. blu di metilene) Colorazioni complesse differenziali diversi coloranti differenziano batteri diversi o strutture batteriche Gram Ziehl-Neelsen Colorazioni negative cellule vive, colorante di fondo (es. inchiostro di china) Colorazioni con metalli pesanti (es. sali di Osmio, M.E.)

27 Colorazioni semplici Batteri: aspetti microscopici Blu di metilene Stafilococchi Blu di metilene striscio di feci con granulociti e Campylobacter Blu di metilene Corynebacterium xerosis arancio di acridina (bastoncino) fluorescenza diretta (fluoresceina, rodamina, auramina) M. tuberculosis immunofluorescenza indiretta - Ab marcato con fluoresceina (Clostridium septicum) - Ab marcato con rodamina (C. chauvoei)

28 Colorazioni negative Batteri: aspetti microscopici nigrosina E. coli nigrosina C. tetani inchiostro di china batterio capsulato

29 La colorazione di Gram

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31 Colorazioni complesse Batteri: aspetti microscopici Ziehl-Neelsen Mycobacterium tuberculosis (escreato) colorazione metacromatica Corinebatteri (granuli volutina) impregnazione argentica Spirochete (spire e uncini terminali)