Patogenicità e virulenza. Patogenicità e virulenza. Argomenti trattati PATOGENESI DELLE INFEZIONI

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1 Argomenti trattati Introduzione - Batteriologia generale Virologia generale e replicazione. Micologia generale; alcuni patogeni d interesse clinico Rapporto ospite-parassita, antibiotici, antivirali, meccanismi di resistenza La flora normale e infezioni nosocomiali Gram positivi: Stafilococchi, Streptococchi, Enterococchi, Bacilli, Clostridi. Gram negativi: Enterobatteri Pseudomonas Neisserie Spirochete Virus respiratori. Virus esantematici e Virus erpetici Virus delle epatiti virali e Virus dell immunodeficienza umana PATOGENESI DELLE INFEZIONI Il processo attraverso il quale un microbo può causare una malattia 1 Il risultato dell interazione tra elementi caratteristici del microbo e fattori tipici dell ospite che rendono possibile l infezione 2 Patogenicità e virulenza Patogenicità e virulenza Requisiti di patogenicità Un batterio è PATOGENO quando causa malattia nell ospite Un batterio è VIRULENTO quando cresce a spese dell ospite Esistono batteri OPPORTUNISTI che non sono particolamente virulenti ma possono trarre vantaggio da alcune condizioni: accedere ed aderire ai tessuti dell ospite, penetrare in cellule permissive distruggere o evadere le difese dell ospite e quindi, danneggiare i tessuti dell ospite Immunosoppressione dell ospite Alterazione delle barriere chimico-fisiche Alterazione della flora residente Presenza in un sito diverso da quello solito Fattori di virulenza 1. Fattori che promuovono la colonizzazione/infezione 3 2. Fattori che danneggiano l ospite 4 1

2 Patogenesi batterica ESPOSIZIONE E DOSE INFETTANTE Ad agenti patogeni esogeni Patogenesi virale Patogenicità e virulenza ovvero come i batteri causano malattia INGRESSO Acquisizione dell infezione REPLICAZIONE sito primario VIREMIA E DISSEMINAZIONE REPLICAZIONE organo target DIFFUSIONE 5 6 Fattori di virulenza 1. Fattori che promuovono la colonizzazione a. Accesso a cellule e tessuti dell ospite b. Adesione a cellule e resistenza a rimozione fisica c. Invasione di cellule d. Resistenza a difese immunitarie innate e. Evasione difese immunitarie acquisite f. Competizione per ferro ed altri nutrienti 2. Fattori che danneggiano l ospite a. b. Endotossina 7 Fattori di virulenza 1a. accesso a cellule e tessuti dell ospite Flagelli es. Helycobacter pylori 8 2

3 Fattori di virulenza 1b. Adesione cellulare e resistenza a rimozione fisica es. Shigella Fattori di virulenza 1c. Invasione di cellule: invasine es. Salmonella es. adesione di Neisseria gonorrhoeae ad epitelio urinario Type III secretion system 9 10 Risposta immunitaria innata: fagocitosi Le molecole complessivamente denominate PAMP -Pathogen-Associated Molecular Patterns- (peptidoglicano, acidi lipoteicoici, LPS) non sono presenti nelle cellule eucariotiche Sono riconosciute e si legano ai recettori noti sotto il nome di Endocytic Pattern- Recognition Receptors sui fagociti che innescano il processo di fagocitosi e distruzione del microrganismo 11 Fattori di virulenza 1d. Resistenza a risposta immunitaria innata (1) Resistenza alla ingestione: capsula Type III secretion system Type III secretion system 12 3

4 Fattori di virulenza 1d. Resistenza a risposta immunitaria innata (2) Risposta immunitaria acquisita: produzione anticorpi - opsonofagocitosi Resistenza alla distruzione Fuga dal fagosoma Listeria monocytogenes, Shigella, Rickettsia Inibizione fusione fagosoma-lisosoma Salmonella, Mycobacterium, Legionella, Chlamydia Resistenza all interno del fagosoma Salmonella Inibizione acidificazione fagosoma Mycobacterium tubercolosis, Legionella Uccisione del fagocita Staphylococcus aureus, Salmonella, Shigella, Streptococcus pyogenes Fuga dal fagosoma Inibizione fusione 13 IgG IgG aumentano contatto con fagociti Opsonizzazione e fagocitosi 14 Fattori di virulenza 1e. Evasione della risposta immunitaria acquisita (Ab) - Modificazione antigene - Mascheramento antigene Fattori di virulenza 1f. Competizione per ferro ed altri nutrienti Denota la capacità di competere con successo rispetto alle cellule dell organismo e alla flora residente per l utilizzo di nutrienti presenti in quantità limitata come ad es. il Fe 3+ Secrezione di siderofori che competono per il Fe con i composti chelanti prodotti dal nostro organismo (transferrina, lactoferrina, ferritina, emina) o presenza di recettori per i siderofori di altri batteri es. N. gonorrhoeae es. S. aureus - Distruzione immunoglobuline: IgA proteasi H. influenzae, S. pneumoniae, H. pilori, S. flexneri, N. meningitidis

5 Fattori di virulenza 2. Fattori che danneggiano l ospite Le tossine batteriche = tossine proteiche secrete nel mezzo Endotossina = lipopolisaccaride (Gram negativi) ü proteine tossiche (in genere enzimi), secrete o rilasciate per lisi della cellula, con struttura e meccanismo di azione differenti ü solubili nei liquidi corporei, trasportati attraverso sangue e linfa ü spesso rappresentano il principale fattore di patogenicità di un patogeno ü i geni sono generalmente su plasmidi o fagi ü molte proteggono i batteri dal sistema immune ü in genere sono labili al calore 17 ü >200 tossine batteriche note 18 A. che agiscono a livello della superficie cellulare 1.Tossine che agiscono a livello extracellulare 2.Tossine ciliostatiche 3.Tossine che danneggiano membrane cellulari B. che penetrano nelle cellule bersaglio 1.Tossine che agiscono alterando il contenuto intracellulare di AMPc 2.Tossine che inibiscono la sintesi proteica 3.Tossine citotossiche per azione sul citoscheletro 4.Tossine che inibiscono la liberazione di neurotrasmettitori (metallo proteasi) 19 A. che agiscono a livello della superficie cellulare 20 5

6 1. Tossine che agiscono a livello extracellulare tossina esfoliativa o epidermolitica di Staphylococcus aureus 2. Tossine ciliostatiche Provocano asincronia o paralisi completa del movimento ciliare con perdita di efficienza da parte dei tessuti interessati nel ripulire le mucose (Bordetella pertussis, Pseudomonas aeruginosa) Aree di scollamento epidermico superficiale Sindrome della cute ustionata Interferisce con le proteine della matrice presenti tra le cellule compromettendo la stabilità dello stato granulomatoso per cui la pelle si danneggia al minimo insulto 21 Lecitinasi: tossina α di Clostridium perfringens 3. Tossine che danneggiano membrane cellulari (emolisine e citolisine) attraverso la formazione di pori o canali transmembrana per azione enzimatica sui lipidi e proteine di membrana Staphilococcus aureus H2O 22 aumento permeabilità di capillari e cellule muscolari (edema ) Tossina α Fosfolipasi C gangrena gassosa Proteasi: esotossina B di Streptococcus pyogenes bassa osmolarità Idrolizza la fosforilcolina delle membrane cellulari alta osmolarità MEMBRANA DESTABILZZATA Le cellule dell ospite si gonfiano, lisano e muoiono 23 distruzione delle membrane delle cellule del derma fascite necrotizzante 24 6

7 1) Tossine che alterano il contenuto intracellulare di camp o bloccano EF2 a) attività enzimatica ADP-ribosilante: tossina colerica, tossina difterica B. che penetrano nella cellula bersaglio 25 il gruppo ADP-ribosio è rimosso dal co-enzima NAD ed è legato ad una proteina bersaglio (Gprotein, EF-2)è é camp, blocco sintesi proteica 26 4) Tossine che inibiscono la liberazione di neurotrasmettitori 4) Tossine che inibiscono la liberazione di neurotrasmattitori Neurotossina di Clostridium tetani blocca gli impulsi inibitori spinali inibisce la liberazione dei neurotrasmettitori dai neuroni inibitori del sistema nervoso centrale Neurotossina di Clostridium botulinum: blocca il del rilascio di acetilcolina dalle vescicole presinaptiche delle giunzioni neuromuscolari con conseguente INIBIZIONE DELLA CONTRAZIONE MUSCOLARE PARALISI FLACCIDA PARALISI SPASTICA

8 Endotossina Rilascio di LPS (Lipide A, endotossina) dalla parete dei Gram - Rilascio di molecole infiammatorie Effetto pirogeno Shock settico Ø Stabile al calore: non viene distrutta da bollitura o autoclave Ø Continuamente rilasciata dai Gram-, non è immunogenica: no vaccini Ø Si lega ai macrofagi e causa rilascio di molecole infiammatorie - Effetto pirogeno, Shock settico Ø Limulus test: test per scoprire la presenza di endotossina in - sangue, liquor, soluzioni sterili (plasma, solventi di farmaci) Il concetto iceberg dell infezione Patogenesi delle infezioni virali 31 Nel soggetto sano adulto (eccezioni, Morbillo, Vaiolo, Rabbia, Influenza,) la produzione di malattia, punto focale della patogenesi, è un evento relativamente inusuale dell infezione virale 32 8

9 L esito finale dipende dal bilanciamento di due processi Ceppo virale (patogenicità e virulenza) Dose infettiva Via d ingresso Infezione acuta Persistenza Latenza Regolazione del potenziale litico Possibilità di evasione dal sistema immune Malattia Clearence Background genetico Età Sesso Stato immune Condizioni generali di salute Recettori per l ingresso Fattori di crescita per la replicazione Possibilità di trasmissione ad altre cellule 33 Tipi d infezioni 1. Infezioni Acute - Localizzate (Hit & run) (RhinoV, FluA) - Sistemiche - diffusione del virus attraverso il sangue come virus libero o associato a cellule (morbillo, parotite, rosolia, HAV) IL VIRUS ALLA FINE E ELIMINATO DALL OSPITE 2. Infezioni Persistenti - Nessuna malattia (BKV, JCV) - Malattia Periodica (HSV) - Malattia progressiva con danno del tessuto target (HIV, HCV, HBV) - Tumore (HPV, HBV) IL VIRUS PERSISTE DOPO L INFEZIONE PER IL RESTO DELLA VITA DELL OSPITE 34 Infezioni virali localizzate Infezioni virali localizzate ü REPLICAZIONE LOCALE ü BREVE INCUBAZIONE ü IMMUNITA PROTETTIVA IgA-MEDIATA ü VACCINI EFFICACI SE CAPACI DI SUSCITARE Virus respiratori, gastroenterici (es. rotavirus), virus delle verruche (i papilloma virus) producono infezione alla sede d ingresso (mucose o cute) con una fugace viremia ma senza disseminazione sistemica 35 UNA RISPOSTA IgA 36 9

10 Infezioni virali sistemiche Infezioni virali sistemiche Rosolia ü PERIODO DI INCUBAZIONE ü TRASMISSIONE PRIMA DELLA MALATTIA viremia ü IMMUNITA PERMANENTE Si sviluppano lontano dalla porta d ingresso, i virus raggiungono l organo target in seguito alla viremia primaria o secondaria 37 ü RISPOSTA IgM DIAGNOSTICA ü RISPOSTA IgG PROTETTIVA ü VACCINI EFFICACI Drenaggio per via linfatica dei virus che si trovano nei liquidi extracellulari e immissione in circolo (VIREMIA). 38 Infezioni virali persistenti ü IL SISTEMA IMMUNE NON RIESCE AD ERADICARE L INFEZIONE ü TRASMISSIONE DURANTE LA PERSISTENZA ü IMMUNITA NON PROTETTIVA ü VACCINI INEFFICACI (ECCETTO HBV) 39 Infezioni ESOGENE ed ENDOGENE INFEZIONI ESOGENE: ü i microrganismi patogeni provengono da una sorgente esterna ü uomo antroponosi ü animale zoonosi ü ambiente INFEZIONI ENDOGENE: ü i microrganismi della flora normale ü localizzazione in sede diversa da quella abituale (es.: batteri intestinali infezioni vie urinarie) ü aumento numerico di una o più specie nella sede normale a causa di condizioni favorenti la moltiplicazione (es.: terapia antibiotica) ü riattivazione di infezioni latenti in relazione a eventi chimici, fisici o infettivi/terapeutici immunosopprimenti (es.: virus erpetici, JCV, BKV etc: Mycobacterium tubercolosis, Treponema pallidum, alcuni miceti opportunisti) 40 10

11 Vie d entrata Vie d uscita 1. Tratto respiratorio: rhinovirus, morbillo, parotite, VZ, CMV, EBV, virus respiratori, Mycobatterium tubercolosis, Streptococcus pneumoniae, agenti di micosi sistemiche 2. Tratto gastroenterico: poliovirus, epatite A, epatite E, rotavirus, Salmonella typhi, Vibrio cholerae 3. Tratto genitale: (trasmissione sessuale) HIV, HSV, HBV, papillomavirus Treponema pallidum, Gonococco, Chamydia tracomatis 4. Cute e mucose: papillomavirus, HSV, Clostridium tetani, agenti di micosi cutanee 5. Sangue: virus a trasmissione parenterale, virus, batteri e protozoi trasmessi da insetti Via d ingresso e modalità di trasmissione condizionano fortemente le caratteristiche epidemiologiche dell infezione 41 esempio: Streptococcus pneumoniae agente eziologico di polmonite q se inalato può causare polmonite q se ingerito non provoca malattia 42 Le vie di trasmissione ü Aerea: inalazione di goccioline es. virus respiratori, morbillo, parotite, rosolia, virus erpetici, Mycobacterium tubercolosis, agenti di micosi sistemiche ü Fecale-orale: i microbi si trovano nelle feci e contaminano alimenti e bevande: es. tra i virus Rotav. Adenovirus, Norovirus, HAV, HEV Poliov, Enterov; tra i batteri Salmonella typhi, Vibrio cholerae ü Stretto contatto personale con scambio di fluidi biologici ü contatto diretto con oggetti contaminati (fomiti) es. virus respiratori, v. enterici, agenti di micosi cutanee ü sessuale, es. HSV, CMV, papilloma, HCV, HBV, HIV, gonococco, Treponema pallidum; ü parenterale, trapianti, oggetti taglienti contaminati, es. HSV, CMV, HCV, HBV, HIV, Clostridium tetani ü Placentare: es Rosolia CMV Toxoplasma gondii, Listeria monocytogenes ü Vettori animali: zoonosi a trasmissione diretta dall animale reservoir es. rabbia; a trasmissione indiretta attraverso insetti ematofagi (infezioni da arbovirus es. virus della febbre gialla; da batteri es. Borrelia burgdorferi, Francisella tularensis, Yersinia pestis; da protozoi, Plasmodium, Trypanosoma) Modelli di trasmissione

12 Infezione del feto Potenzialmente tutti i virus che diffondono per via ematica alcuni batteri e/o protozoi possono essere trasmessi al feto In realtà in molti casi la placenta rappresenta una barriera efficiente Virus viremici Virus della rosolia, Citomegalovirus, Parvovirus B19 danno viremia e si replicano abbondantemente nella placenta si trasmettono nel periodo prenatale per via transplacentare INFEZIONI PRENATALI HIV, HCV, HBV danno viremia, ma non si replicano molto bene nella placenta si trasmettono preferenzialmente al momento del parto INFEZIONI CONNATALI o PERINATALI attraverso il contatto del neonato con il sangue materno Anche virus che non danno viremia possono causare infezioni materno-fetali? Ingresso nell ospite Adesione ai tessuti Stadi dell infezione Igiene Causano principalmente INFEZIONI PERINATALI venendo trasmessi durante il parto per contatto con le secrezioni infette: Es: Virus dell Herpes Simplex e Papillomavirus Moltiplicazione Rilascio di tossine locale o sistemico (batteri) Vaccini Antibiotici Antivirali 47 Malattia e diffusione 48 12

13 Terapia antimicrobica La scoperta degli antibiotici DISINFETTANTI Azione aspecifica, poca o nulla tossicità selettiva Sir Alexander Fleming (premio Nobel 1945) scoprì la penicillina prodotta dal fungo Penicillium notatum ANTIBIOTICI Azione specifica, tossicità selettiva più o meno ampia Caratteristiche degli antibiotici Terapia antibiotica Ø Sostanze organiche a basso peso molecolare Ø Struttura chimica anche molto complessa Ø Composizione elementare varia (C, H, O, N, S, F, ecc ) Ø Non riconducibili ad una singola classe chimica Ø Metaboliti secondari ü Sintetizzati da alcune specie microbiche (Streptomiceti, funghi) ü Non hanno una precisa funzione nel processo di crescita di questi microrganismi ü I ceppi produttori di antibiotici possono perdere per mutazione la capacità di produrli senza apparente svantaggio ü Spesso sintetizzati in fase stazionaria Caratteristiche desiderabili per uso clinico Ampio spettro Non tossico, non allergenico, senza effetti collaterali Capace di raggiungere il sito d infezione Facile ed economico da produrre Chimicamente stabile Assenza di resistenze

14 Criteri di classificazione degli antibiotici 1. Classificazione in FAMIGLIE Molecole che presentano caratteristiche simili (es. penicilline, cefalosporine, etc.) 2. Classificazione secondo lo SPETTRO D AZIONE (ampio, medio, stretto) 3. Classificazione secondo il TIPO D AZIONE (azione batteriostatica o battericida) 4. Classificazione secondo l ORIGINE Estrattiva, naturale (antibiotici); semisintetica, di sintesi (chemioterapici) 5. Classificazione in base al MECCANISMO D AZIONE 53 Classificazione degli antibiotici: meccanismo d azione a Inibizione della sintesi del A peptidoglicano ß-lattamici: Penicilline Cefalosporine Carbapenemici Monobattamici v Inibitori ß-lattamasi Acido clavulanico Glicopeptidi: Vancomicina Teicoplanina a A Azione sugli acidi nucleici Chinoloni Rifamicine Nitroimidazoli A Inibizione della sintesi proteica Aminoglicosidi Tetracicline Cloramfenicolo Macrolidi A Lincosamidi New class! Oxazolidinoni Danno alla membrana A Polimixine New class! Lipopeptidi ciclici Inibizione dei processi metabolici (acido folico) Sulfamidici 54 Diaminopirimidine (Trimetoprim) Valutazione dell attività antibatterica: antibiogramma Breakpoint valori soglia di riferimento Lo sviluppo di batteri resistenti Resistenza naturale (o intrinseca) insensibilità costituzionale nei confronti di un dato antibiotico - presente in tutti i ceppi (es: Pseudomonas; Enterococchi) Resistenza acquisita Ø ENDOGENA Mutazioni, selezione clonale Ø ESOGENA Geni eterologhi, trasferimento genetico orizzontale

15 Antibiotici, fitness, resistenza batterica Considerazioni sulla resistenza batterica The survival of the fittest... GLI ANTIBIOTICI SONO PRODOTTI IN NATURA DA ALCUNI MICROORGANISMI PER COMPETERE NELL ECOSISTEMA I BATTERI presenti anche in ecosistemi lontani dalla civiltà FRONTEGGIANO QUOTIDIANAMENTE ANTIBIOTICI ED EVOLVONO RESISTENZE L AMBIENTE URBANO COMPRENDE ECOSISTEMI AD ELEVATA CONCENTRAZIONE DI ANTIBIOTICI In tali ambienti, I MECCANISMI DI RESISTENZA POSSONO SELEZIONARSI AUTONOMAMENTE O GIUNGERE DA AMBIENTI DIVERSI E QUI EVOLVERE A LIVELLO DI EFFICIENZA E REGOLAZIONE CHEMIOTERAPIA ANTIBATTERICA CHEMIOTERAPIA ANTIVIRALE I batteri sono organismi indipendenti e molto diversi dalle cellule eucariotiche E relativamente facile trovare veleni selettivi I virus usano per lo più le vie metaboliche della cellula ospite E difficile trovare farmaci selettivi E inoltre molto difficile sperimentarne in vitro l efficacia

16 CHEMIOTERAPIA ANTIVIRALE La chiave del successo è la selettività Un farmaco ideale deve essere solubile in acqua stabile chimicamente e metabolicamente facilmente adsorbito (e quindi sufficientemente lipofilo, apolare) Non deve essere cancerogeno allergenico mutagenico teratogenico tossico 61 Requisiti di un chemioterapico antivirale Interferire con un enzima virale non presente nella cellula ospite Interferire con una funzione cellulare indispensabile al virus per la sua replicazione cruciale per il virus e non per la cellula solo le cellule infettate vengono colpite (es. attivazione del farmaco solo nella cellula infettata) 62 Strategie per lo sviluppo di un farmaco Problemi comunque aperti Conoscere al meglio i meccanismi di replicazione del nostro nemico mediante le tecniche di biologia molecolare Trovare il tallone di Achille, il bersaglio da inibire Utilizzare il computer per disegnare la molecola attiva su cui lavorare Utilizzare la chimica combinatoriale per ottenere un gran numero di molecole da saggiare Identificare il composto attivo che sarà il prototipo da cui partire 63 Tossicità cellulare Sviluppo di farmaco resistenza 64 16

17 HIV Ogni stadio della replicazione virale può essere il bersaglio della terapia anti-influenzali ERPETICI, HIV, HCV Inibitori di DNA polimerasi virali, Trascrittasi Inversa, RNApol-RNAdip HIV, HCV anti-influenzali