Cesira Giordano. Escherichia coli

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1 Cesira Giordano Escherichia coli

2 BERGEY'S MANUAL OF DETERMINATIVE BACTERIOLOGY Dominio Prokaryota Regno Phylum Classe Ordine Famiglia Genere Specie Bacteria Proteobacteria Gammaproteobacteria Enterobacteriales Enterobacteriaceae Escherichia E.coli Short rods. Motile or non-motile. Gram-negative. Glucose and lactose are fermented with the production of acid and gas. Acetylmethylcarbinol is not produced. Methyl red test positive. Carbon dioxide and hydrogen are produced in approximately equal volumes from glucose. Generally not able to utilize uric acid as a sole source of nitrogen. Found in feces; occasionally pathogenic to man (enteritis, peritonitis, cystitis, etc.). Widely distributed in nature.

3 Antigeni di superficie I diversi ceppi possono essere classificati sierologicamente sulla base dei 3 principali antigeni di superficie: 1. Somatico (antigene O) 2. Flagellare (antigene H) 3. Capsulare (antigene K) Attualmente sono stati identificati: 174 antigeni O, 56 antigeni H, 80 antigeni K. da P.R. Murray, K.S. Rosenthal, G.S. Kobayashi, M.A. Pfaller Microbiologia EDISES

4 Determinanti di virulenza di E. coli «This normally harmless commensal needs only to acquire a combination of mobile genetic elements to become a highly adapted pathogen capable of causing a range of diseases» * Adesine CFAI/CFAII Fimbrie tipo 1 Fimbrie P Fimbrie S Intimina (adesina non fimbriale) Difese contro le proprietà battericide del siero LPS Antigeni K Difese contro la risposta immune Capsula Antigeni K LPS Variazione antigenica * Matthew A. Croxen and B. Brett Finlay Invasine Emolisine Siderofori e sistemi di captazione dei siderofori Invasine simil-shigella per invasione intracellulare e Diffusione Strutture antifagocitarie di superficie Capsule Antigeni K LPS Motilità/chemiotassi Flagelli Tossine Tossina LT Tossina ST Tossina simil-shiga Citotossine Endotossina LPS Isole di patogenicità Attributi genetici Scambio genico per trasduzione e coniugazione Plasmidi trasmissibili Plasmidi di antibiotico-resistenza Tossine e altri plasmidi di virulenza

5 Pathovars Ad oggi, 8 pathovars e i loro meccanismi patogenetici, sono stati ampiamente studiati. Questi patovar possono essere classificati sia come E. coli diarrogeni o E. coli extraintestinali (ExPEC). Diarrogeni ExPEC 2 pathovars 6 pathovars E. coli uropatogeni (UPEC) E. coli enteropatogeni (EPEC) E. coli da meningite E. coli enteroemorragici (EHEC) neonatale (NMEC) E. coli enterotossigeni (ETEC) E. coli enteroinvasivi, Incl.Shigella (EIEC) E. coli enteroaggreganti (EAEC) E. coli diffusamente aderenti (DAEC) Molecular mechanisms of Escherichia coli pathogenicity. Matthew A. Croxen and B. Brett Finlay. NATURE REVIEwS Microbiology, january 2010 VOLUME 8 Altri pathovar sono stati identificati, ma i loro meccanismi di patogenesi non sono così ben definiti.

6 2 pathovars expec E. coli uropatogeni (UPEC) E. coli da meningite neonatale (NMEC) Meccanismi patogenetici di UPEC intracellular bacterial communities Emolisina A 1. Attacco all epitelio urogenitale con pili di tipo 1 2. Questo legame stimola vie di segnalazione sconosciute che mediano l'invasione e l'apoptosi 3. Il legame all integrina α3β1 media l'internalizzazione dei batteri nelle cellule superficiali per formare comunità batteriche intracellulari. 4. Concentrazioni sublitiche della tossina formante pori, emolisina A (hlya), possono inibire l'attivazione delle proteine Akt e condurre ad apoptosi delle cellule ed esfoliazione. 5. Questo favorisce l esposizione e l ulteriore invasione delle cellule di transizione, che fungono da serbatoio quiescent intracellular reservoirs Molecular mechanisms of Escherichia coli pathogenicity. Matthew A. Croxen and B. Brett Finlay. NATURE REVIEwS Microbiology, january 2010 VOLUME 8

7 2 pathovars ExPEC E. coli uropatogeni (UPEC) E. coli da meningite neonatale (NMEC) Meccanismi patogenetici di NMEC 1. NMEC è protetto dalla RI dell ospite dalla capsula K1 e dalle proteine della membrana esterna OmpA 2. Vengono invasi i macrofagi, dove i batteri possono replicare e raggiungere una concentrazione tale da poter attraversare la BBB e raggiungere il SNC 3. L attacco è mediato dal legame dei pili di tipo 1 a recettori specifici 4. L invasione coinvolge il fattore di necrosi citotossico CNF1 con riarrangiamenti del citoscheletro Molecular mechanisms of Escherichia coli pathogenicity. Matthew A. Croxen and B. Brett Finlay. NATURE REVIEwS Microbiology, january 2010 VOLUME 8

8 Pathovars Ad oggi, 8 pathovars e i loro meccanismi patogenetici, sono stati ampiamente studiati. Questi patovar possono essere classificati sia come E. coli diarrogeni o E. coli extraintestinali (ExPEC). Diarrogeni ExPEC 2 pathovars 6 pathovars E. coli uropatogeni (UPEC) E. coli enteropatogeni (EPEC) E. coli da meningite E. coli enteroemorragici (EHEC) neonatale (NMEC) E. coli enterotossigeni (ETEC) E. coli enteroaggreganti (EAEC) E. coli diffusamente aderenti (DAEC) E. coli enteroinvasivi, Incl.Shigella (EIEC) Molecular mechanisms of Escherichia coli pathogenicity. Matthew A. Croxen and B. Brett Finlay. NATURE REVIEwS Microbiology, january 2010 VOLUME 8 Altri pathovar sono stati identificati, ma i loro meccanismi di patogenesi non sono così ben definiti.

9 Enterocita Cellula epiteliale cilindrica che costituisce l epitelio di rivestimento dei villi intestinali; svolge un ruolo fondamentale nell assorbimento dei fattori nutritivi grazie a una fitta e regolare serie di estroflessioni della membrana cellulare (microvilli) a livello del lume, in grado di garantire un notevole aumento della superficie. Istituto di anatomia umana normale università degli studi di Bologna Gli enterociti (Ent) sono cellule alte, dotate di orletto striato (Os) con glicocalice ben visibile e con i nuclei disposti alla base della cellula. Intercalate tra gli enterociti sono visibili le cellule mucipare caliciformi (Cmc).

10 pathovars diarrogeni E. coli enteropatogeni (EPEC) E. coli enteroemorragici (EHEC) E. coli enteroaggreganti (EAEC) E. coli diffusamente aderenti (DAEC) E. coli enterotossigeni (ETEC) Meccanismi patogenetici di EPEC e EHEC ceppo O157:H7 1. Cancellano i microvilli 2. Formano un piedistallo 3. nel sito di attacco 4. Effettori secreti dal SST3 possono influire sullo scambio di ioni Cl-, OH-, Na+, H+; sulla localizzazione delle acquaporine e inibire il cotransporter sodio-dglucosio 5. Vengono sovvertiti i pathway di trasduzione del segnale 6. Gli effettori tra EPEC e EHEC sono diversi 7. Il fattore di virulenza più importante per EHEC è la verocitossina Stx. Molecular mechanisms of Escherichia coli pathogenicity. Matthew A. Croxen and B. Brett Finlay. NATURE REVIEwS Microbiology, january 2010 VOLUME 8 Shiga toxin phage encoded

11 EHEC E. coli O157:H7 fu descritto per la prima volta come causa di malattia nel 1982 negli Stati Uniti nel corso di una indagine epidemiologica su due focolai di diarrea emorragica associati al consumo di hamburger in ristoranti appartenenti alla stessa catena di fast-food. Il Centers for Diseases for Control and Prevention (CDC) di Atlanta identificò un ceppo di E. coli che esprimeva l antigene somatico O157 e quello flagellare H7. Source: 5tim.com E. coli O157:H7 rappresenta il prototipo del gruppo dei EHEC I ceppi EHEC producono due tipi di tossine denominate VT1 e VT2 diverse per proprietà antigeniche e biologiche. Mai in precedenza tale sierotipo era stato segnalato come patogeno per l uomo. Studi microbiologici, clinici ed epidemiologici hanno dimostrato che E. coli O157:H7 rappresenta un dei più temibili patogeni zoonotici a trasmissione alimentare. Molti EHEC sopravvivono anche negli alimenti acidi o fermentati. Sono sensibili alle alte temperature ma sopravvivono negli alimenti surgelati e per più di 20 settimane nel suolo.

12 Verocitossine Shiga toxin Le verocitossine (VT-1 e VT-2) sono una famiglia di proteine citotossiche capaci di determinare effetto citopatico sulle cellule Vero, una linea cellulare derivante dal rene di scimmia verde africana. Tali tossine si legano a recettori specifici glicolipidici Gb3 presenti sulle cellule di Paneth (glicolipidico globotriaosylceramide): inibiscono la sintesi proteica nelle cellule target e possono indurre apoptosi nelle cellule dei tubuli renali. Determinano la distruzione dei villi intestinali e ciò è accompagnato da diarrea, spesso sanguinolenta. Le tossine VT-1 sono simili alle Stx prodotte da Shigella dysenteriae tipo 1, mentre le tossine VT-2 mostrano solo il 55% di omologia con la sequenza aminoacidica di Shigella Molecular mechanisms of Escherichia coli pathogenicity. Matthew A. Croxen and B. Brett Finlay. NATURE REVIEwS Microbiology, january 2010 VOLUME 8

13 Un ampia varietà di alimenti costituisce fonte d infezione per l uomo: PRINCIPALI VEICOLI DI TRASMISSIONE Alimenti di origine bovina Macinato di manzo (43%) Altro tipo di carne di manzo (6%) Latte (4%) Altri alimenti Acqua (6%) Sidro di mele Salsiccia stagionata Maionese Insalate Trasmissione diretta Interumana (20%) Da bovini a persona Misure preventive: igiene e sicurezza d uso degli alimenti

14 Diagnosi La maggior parte dei ceppi di E. coli O157 possiede caratteristiche metaboliche distintive rispetto agli altri E. coli: Proteus E. coli Incapacità di fermentare il sorbitolo in 24 ore Incapacità a produrre β-glucuronidasi Crescita inibita a 44 C Queste caratteristiche distintive sono largamente utilizzate per l isolamento del microrganismo su terreni differenziali. Tra i terreni più spesso impiegati per isolare E. coli O157 troviamo l agar MacConkey contenente sorbitolo al posto del lattosio. Su questi terreni le colonie appaiono incolori

15 pathovars diarrogeni E. coli enteropatogeni (EPEC) E. coli enteroemorragici (EHEC) E. coli enteroaggreganti (EAEC) E. coli diffusamente aderenti (DAEC) E. coli enterotossigeni (ETEC) Meccanismi patogenetici di EAEC e DAEC EHEA si attaccano agli enterociti sia dell intestino tenue che del crasso, attraverso fimbie di aderenza aggreganti (AAF) che stimolano una forte risposta da parte dell interleuchina- 8 (IL-8), consentendo al biofilm di formarsi sulla superficie delle cellule. La tossina plasmidica (Pet) è un autotransporter serina proteasi della Enterobacteriaceae (SPATE) che ha come target α-fodrin (noto anche come SPTAN1), che interrompe il citoscheletro di actina e induce sfaldamento. Molecular mechanisms of Escherichia coli pathogenicity. Matthew A. Croxen and B. Brett Finlay. NATURE REVIEwS Microbiology, january 2010 VOLUME 8 DAEC creano un pattern di attacco agli enterociti dell intestino tenue, mediato sia da fimbrie che da adesine non-fimbriali. La maggior parte di esse legano il fattore di decadimento-accelerazione del complemento (DAF). La tossina autotransported Sat è stata implicata in lesioni alle giunzioni strette e in un aumento della permeabilità. L arrivo di leucociti polimorfonucleati PMN aumenta la localizzazione della superficie di DAF.

16 pathovars diarrogeni E. coli enteropatogeni (EPEC) E. coli enteroemorragici (EHEC) E. coli enteroaggreganti (EAEC) E. coli diffusamente aderenti (DAEC) E. coli enterotossigeni (ETEC) Meccanismi patogenetici di ETEC CFs: fattore di colonizzazione, che può essere di tipo non-fimbriale, fimbriale, of fibrillare EtpA: adesina secreta, che può essere usata come fattore di aderenza per le cellule epiteliali Sia CFs che i flagelli ancorano ETEC per un iniziale attacco alla cellula ospite, ma un più intimo attacco può essere mediato dalle proteine della membrana esterna Tia e TibA 63. EatA è un trasportatore serina-proteasi delle Enterobacteriaceae, che taglia la catepsina G e può accelerare la fuoriuscita dei fluidi.

17 E. coli enterotossigeni (ETEC) I ceppi di E. coli produttori di tossine sono responsabili del 50 60% di casi di diarree dei viaggiatori e delle diarree con disidratazione nei bambini nei paesi in via di sviluppo. L uomo è il principale serbatoio di questo ceppo, la cui caratteristica principale è la produzione di 2 differenti tipi di enterotossine: Tossine termolabili (LT) inattivate a 60 C per 30 minuti Tossine termostabili (ST) stabili a 100 C per 30 minuti Alcuni ceppi sono in grado di produrle entrambe L infezione si contrae mediante ingestione di acqua e di alimenti contaminati.

18 I ceppi colonizzano il tratto prossimale dell intestino tenue grazie ad adesine. Alla colonizzazione segue la produzione di tossine termostabili (STa) o termolabili (LT-1), che inducono secrezione di liquidi all interno dell intestino. La sintomatologia dell infezione è caratterizzata da: diarrea acquosa, nausea e crampi addominali, in genere autolimitante negli adulti immunocompetenti. L inizio dei sintomi compare dopo ~26 ore l ingestione (range 8-44 ore)

19 E stato accertato che l enterotossina LT-1 possiede il 78%* degli aminoacidi in comune con la tossina del colera (CT) e può provocare, quindi, la comparsa di manifestazioni diarroiche della stessa gravità di quelle coleriche. Bambini e adulti immunocompromessi possono sviluppare una malattia simil-colerica, che può durare fino a ~19 giorni. Dati ottenuti da volontari umani hanno rivelato che per determinare la malattia è necessaria una concentrazione di microrganismi pari a * Toxin Mediated Diarrhea in the 21st Century: The Pathophysiology of Intestinal Ion Transport in the Course of ETEC, V. cholerae and Rotavirus Infection. Sascha Kopic and John P. Geibel, Toxins 2010, 2,

20 Tossina termolabile Di tipo A5B, ADP-ribosilazione della proteina G stimolatoria dell adenilato ciclasi, con attivazione permanente e aumento del camp nell intestino, inserzione di acquaporine, secrezione di acqua ed elettroliti, diarrea. LT è secreta da un polo della cellula ed è associata con il lipopolisaccaride sulla superficie cellulare, dove può comportarsi come adesina, facilitando l attacco all ospite. La subunità B interagisce con un recettore sulla cellula ospite (monosialoganglioside GM1); la tossina viene internalizzata tramite gusci lipidi ed è trasportata nel citosol attraverso il reticolo endoplasmatico. La subunità A, ADP-ribosilata, stimola la subunità α della proteina G, che attiva la adenil ciclasi e aumenta i livelli di intracellulare AMP ciclico. Questo attiva la protein chinasi A camp-dipendente (PKA), che a sua volta attiva CFTR. Peptidi antimicrobici Toxin Mediated Diarrhea in the 21st Century: The Pathophysiology of Intestinal Ion Transport in the Course of ETEC, V. cholerae and Rotavirus Infection. Sascha Kopic and John P. Geibel, Toxins 2010, 2,

21 Tossina termostabile ST sono piccole tossine che possono essere ulteriormente classificati come STa o STb sulla base della loro struttura e funzione, e sono sintetizzate come precursori di 72 aminoacidi che sono trasformate in forme attive di aminoacidi per STa e 48 aminoacidi per STb. STa, che è associata con la malattia umana, si lega ai recettori guanylyl ciclasi sull orletto a spazzola dell'intestino e stimola la loro attività. Questo porta ad un aumento dei livelli intracellulari di GMP ciclico e attiva il canale CFTR, con conseguente assorbimento alterato di Na+ e afflusso di H2O nel lume.

22 Diagnosi di laboratorio: Coprocoltura (isolamento). Ricerca sierologica delle tossine nel surnatante di colture batteriche. Abbondanti feci diarroiche acquose Tests molecolari (sonde geniche) per i geni codificanti LT-1 e STs, per la ricerca in feci, alimenti ed acqua. There is no formal surveillance system for diarrheagenic E. coli and most laboratories are unable to identify them (CDC) * Migliorare il sistema di sorveglianza * Migliorare le nostre conoscenze sulla genetica dei ceppi diarrogeni