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Facultad de Ciencias Biológicas Departamento de Ciencias Biológicas

Microbiota Normal y Patogenicidad

Microbiota Normal Microorganismo A

Simbiosis

Humano

Microbiota Normal

“Colección de microorganismos que se encuentran en el individuo sano normal y que coexisten en una relación equilibrada con el humano” “Microorganismos que colonizan nuestro cuerpo en un delicado equilibrio y que mantienen una relación simbiótica con el hombre”

Microbiota Normal Comensalismo, con la mayor parte de los m.o. Microbiota Normal

Mutualismo, ej: Algunas Enterobacterias Parasitismo, ej: Streptococcus

Portador: Individuo sano que presenta especies patógenas en su microbiota normal. (Ej: Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae)

Generalidades Generalmente, la microbiota normal se divide en dos grupos: • Microbiota Residente o Permanente: Es el conjunto de bacterias “amigas” que viven con nosotros. • Microbiota Transitoria o Temporal: Son las bacterias “amigas” que sólo están de paso. IMPORTANTE La presencia de microorganismos patógenos en algunas regiones del organismo es altamente sugestivo de enfermedad, pero no constituye una prueba.

Generalidades • Dentro de la microbiota normal existe una mayor proporción de microorganismos anaerobios estrictos que de microorganismos facultativos y aerobios. (relación promedio de 10 -100:1) La cantidad y variedad de especies presentes en la microbiota normal varía de acuerdo a diversos factores:

Factores ambientales: Humedad Temperatura pH Niveles de oxígeno

Factores del hospedero: Edad Género Estado inmunológico Alimentación Ocupación

Generalidades Zonas Anatómicamente:

Estériles

“En general, las regiones internas del organismo humano (órganos y tejidos) que no están expuestas al medio ambiente son estériles”

Colonizadas

“En general, las regiones del organismo humano (órganos y tejidos) que se encuentran directamente expuestas al medio ambiente presentan microbiota normal”

Zonas anatómicas estériles Principales zonas estériles del organismo humano: •

Sangre y médula ósea.

•

Sistema nervioso central (LCR).

•

Líquido sinovial, peritoneal, pleural y pericárdico (presentes en cavidades estériles).

•

Tracto respiratorio inferior (senos nasales, tráquea, bronquios y alvéolos).

•

Órganos profundos (corazón, hígado, bazo, estómago, vesícula biliar, páncreas, etc.).

•

Tracto urinario superior (riñones y vejiga). IMPORTANTE La presencia de microorganismos patógenos en estas regiones del organismo es altamente sugestivo de enfermedad.

Zonas anatómicas colonizadas Principales zonas del organismo humano que presentan microbiota normal : •

Piel.

•

Canal auditivo.

•

Cavidad oral.

•

Tracto respiratorio superior.

•

Tracto gastrointestinal.

•

Tracto urogenital (vagina y uretra).

Zonas anatómicas colonizadas •

El tracto digestivo (intestino): Es rico en sustancias alimenticias que favorecen el crecimiento de saprófitos.

•

La boca, región orofaríngea y región genitourinaria: Presenta sustancias provenientes del medio externo y acumulación de restos celulares. La existencia de zonas ricas en pliegues favorecen la existencia de microorganismos anaerobios.

•

La piel: Difiere de los otros ambientes por su menor humedad (debido al alto grado de descamación) y alto contenido lipídico. Tiende a seleccionar una biota algo diferente.

Microbiota normal: tejido específica 1. Tropismo por tejidos. El tejido proporciona a la bacteria un factor de crecimiento que la favorece. BACTERIA Corynebacterium diphtheriae

TEJIDO Garganta

Neisseria gonorrhoeae

Epitelio urogenital

Streptococcus mutans

Superficie de los dientes

Streptococcus salivarius

Superficie de la lengua

Vibrio cholerae

Epitelio del intestino delgado

Escherichia coli

Epitelio del intestino delgado

Staphylococcus aureus Staphylococcus epidermidis

Membranas nasales Piel

Microbiota normal: tejido específica 2. Receptores específicos. Los componentes de adhesión de la bacteria (cápsula, fimbrias, etc.) reconocen ligandos específicos en el tejido. Bacteria

Ligando Bacteria

Ligando Tisular

Sitio de unión

Streptococcus pyogenes

Proteina F

Amino terminal de fibronectina

Epitelio de la faringe

Streptococcus mutans

Glicosil transferasa

Glicoproteína salival

Diente

Streptococcus salivarius

Ácido lipoteicoico

Desconocido

Epitelio de la lengua

Staphylococcus aureus

Proteína de unión a cel

Amino terminus of fibronectin

Epitelio Mucosa

Neisseria gonorrhoeae

N-metilfenilalanina pili

Glucosamina/galactosa

Epitelio cervical y uretral

Vibrio cholerae

N-metilfenilalanine pili

Fucosa/manosa

Epitelio intestinal

Mycoplasma

Proteina de Membrana

Acido sialico

Epitelio respiratorio

Chlamydia

Desconocido

Acido sialico

Epitelio conjuval o uretral

3. Formación de biopelículas. Varios tipos bacterianos necesitan tejidos específicos para formar biopelículas y otros tipos necesitan una biopelícula preformada para poder establecerse.

Microbiota normal: Piel • La microbiota cutánea está presente en toda la piel, siendo más concentrada en áreas húmedas (axilas y perineo). • La mayoría de la bacterias de la piel se localizan en la superficie (epidermis, estrato córneo). • Otras se encuentran en los folículos pilosos y actúan como reservorios para restablecer la microbiota superficial • (Ej.: Después de lavado de manos). La microbiota normal de la piel varía en composición y cantidad según la región anatómica y el individuo

Microbiota normal: Tracto respiratorio superior

El tracto respiratorio superior presenta microbiota normal El tracto respiratorio inferior es estéril

Microbiota normal: Placa dental

Microbiota normal: Placa dental

Microbiota normal: Tracto digestivo

• Intestino delgado: El mayor el número de microorganismos se encuentra en el íleon terminal (~107 bacterias/ml). • Intestino grueso: Principal reservorio de bacterias en el organismo (~106 anaerobios por 1 aerobio).

Microbiota normal: Sistema urogenital • La microbiota vaginal varía con la edad, el pH y la secreción hormonal: Hasta la menopausia predominan Lactobacillus spp. Uretra anterior: Contiene cantidades variables de Staphylococcus epidermidis, Corynebacterium, Enterococcus faecalis y Escherichia coli. El resto de los órganos y conductos del sistema urogenital son estériles

Microbiota normal: mucosa conjuntiva • Presenta escasa presencia de microbiota, principalmente por la presencia de la lisozima presente en las lágrimas. • Las principales especies encontradas corresponden a especies de Corynebacterium, Neisseria y Moraxella También pueden estar presentes especies de Staphylococcus y Streptococcus, además de Haemophilus parainfluenzae (25% de las muestras)

Conjuntivitis

Beneficios de la presencia de microbiota normal • Estimulación y desarrollo del sistema inmune: La presencia de microorganismos estimula la producción basal de anticuerpos. • Exclusión de invasores (Interferencia bacteriana con patógenos): Mediante ocupación de receptores y producción de sustancias antibacterianas (antibióticos, bacteriocinas, etc.) • Producción de nutrientes: Vitamina K y vitaminas del complejo B (Ej: E. coli y Bacteroides) • Participación en el metabolismo: Desconjugación de sales biliares y hormonas sexuales (Ej.: E. coli y Bacteroides)

Distribución de la microbiota

Marsland, B., et al., Nature Reviews, 2014

Análisis de muestras fecales: composición bacteriana

Composición espacial y temporal de la microbiota intestinal. (A) Variación del número y composición a través del tracto GI. (B) Variación transversal en la composición microbiana del intestino. (C) Aspecto temporal del establecimiento de la microbiota, mantención y factores que influyen en su composición.

Sekirov et al. Physiol Rev (2010)

Variaciones en la microbiota intestinal

Microbiota humana: inicio y variación a través de etapas de la vida. Abundancia total medido en phylum a lo largo del desarrollo. Datos obtenidos por RNA 16S y metagenómica.

Ottman et al. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology (2012)

Factores externos / Microbiota / Enfermedad

Tamburini et al. Nature Medicine (2016)

Persistencia de la microbiota normal “Para que los microorganismos de la microbiota normal puedan colonizar al ser humano, deben resistir los mecanismos de defensa del hospedero” Ejemplos: • Barrido de microorganismo por corrientes de líquido (Adherencia a epitelios mediada por fimbrias y componentes de la pared celular, formación de biopelículas). • Destrucción del microorganismo por los fagocitos del hospedero (Producción de factores antifagocíticos como cápsulas y exopolisacáridos). • Opsonización del microorganismo con anticuerpos (Producción de barreras físicas como cápsulas; formación de biopelículas).

Enfermedades asociadas a la microbiota normal •

Normalmente existe un equilibrio entre los microorganismos de la microbiota normal y el hospedero. Éste puede romperse por: - Aumento de la masa crítica - Traslado desde el sitio original - Ruptura de barreras mecánicas por traumatismos

•

Esto produce una proliferación e invasión de los microorganismos de la microbiota normal en órganos y tejidos profundos (normalmente estériles), dando origen a una infección endógena. Patógeno oportunista: Microorganismo que generalmente no es patógeno (incluso pueden ser parte de la microbiota normal del individuo), pero que genera enfermedad cuando se disemina por el organismo o coloniza regiones distintas a las que ocupa como parte de la microbiota normal (Ej.: Eschericia coli, Bacteroides, Pseudomonas )

Enfermedades asociadas a la microbiota normal • Infecciones urinarias causadas por Escherichia coli y Enterococcus faecalis • Peritonitis causada por Bacteroides fragilis • Endocarditis bacteriana causadas por Streptococcus mutans • Colitis pseudomembranosa producida luego de un tratamiento con antibióticos de amplio espectro (Ej.: Clindamicina) que suprime la microbiota normal predominante, permitiendo la selección y proliferación de Clostridium difficile (productor de toxinas). Por lo general, existen algunos determinantes para que se produzcan estas enfermedades, como deficiencia en el estado inmunitario del hospedero, tratamiento inmunosupresor o con corticoides, cirugía, uso de antibióticos, etc.

Patogenicidad

Generalidades Infección Cuando un microorganismo patógeno crece y se multiplica en el hospedero. La naturaleza de la infección varía de acuerdo a la severidad, ubicación y número de microorganismos involucrados.

Enfermedad Infecciosa Cambio de la salud en el cual parte o todo el hospedero es incapaz de realizar su función normal debido a la presencia de un organismo parásito o sus productos.

Patógeno Cualquier organismo parásito capaz de producir una enfermedad infecciosa.

Generalidades Patógeno Cualquier organismo parásito capaz de producir una enfermedad infecciosa.

Virulencia El grado o intensidad que posee la patogenicidad. En general esta determinada por dos características del organismo patogénico o patógeno:

Invasividad

Toxigenicidad

Habilidad que tiene el patógeno de entrar y proliferar dentro de su hospedero.

Habilidad de producir sustancia químicas (toxinas) que dañen o produzcan enfermedad en el hospedero.

Ejemplo: Escherichia coli O157:H7

Foco de infección La carne de vacuno es el principal reservorio de la bacteria

Patógeno: E. coli O157:H7

Enfermedad Infecciosa Diarrea con sangre, dolor abdominal y fiebre

Determinantes de las enfermedades infecciosas Para producir enfermedad el patógeno debe ser capaz de: •

Transportarse a su hospedero (transmisión)

•

Adherirse a, y/o invadir células del hospedero (colonización)

•

Multiplicarse (crecer) o completar un ciclo de vida en su hospedero

•

Inicialmente evadir los mecanismos de defensa del hospedero

•

Poseer los mecanismos, compuestos químicos o habilidad de producir daño en su hospedero.

Transmisión: transportarse hasta su hospedero El microorganismo se transporta hasta su hospedero desde una fuente o reservorio. Reservorio humano Corresponde al principal reservorio de especies patógenas para la especie humana. Reservorio animal Importante reservorio de especies bacterianas patógenas. Zoonosis: "aquellas enfermedades que se transmiten de los animales vertebrados al hombre y viceversa"

Transmisión: transportarse hasta su hospedero Reservorio ambiental El medio ambiente se encuentra poblado por miles de especies patógenas para el ser humano. En general, la contaminación ambiental con heces de origen animal y humano corresponde al principal reservorio de patógenos del tracto gastrointestinal (alimentos y agua contaminados).

Transmisión Transmisión por vía aérea: El agente infeccioso se transporta suspendido en pequeñas partículas.

Transmisión: transportarse hasta su hospedero Transmisión por contacto: Directo: implica contacto físico entre la fuente y el hospedero. Conocida como “de persona a persona”. Ocurre por tocarse, besarse o por contacto sexual. Indirecto: la transmisión es a través de un intermediario, inanimado (vehículo) o animado (vector). Transmisión mediante vehículos: Vehículo: Material u objeto inanimado envuelto en la transmisión de una enfermedad infecciosa. Ocurre a través de termómetros, utensilios para comer, vasos, cigarrillos, etc.

Transmisión: transportarse hasta su hospedero Transmisión mediante vectores: Vector: Organismo viviente envuelto en la transmisión de una enfermedad infecciosa. En su mayor parte artrópodos (insectos, arañas, moscas, etc) y vertebrados (perros, gatos, ratones, etc.) Transmisión Vía aérea (Sin contacto físico)

Por contacto físico

Directo

Vehículos (Obj Inanimado)

Indirecto

Vectores (Org Viviente)

Mecanismos de patogenicidad bacterianos Adhesión •

En esta etapa la bacteria se establece en un sitio de entrada (Ej.: tracto digestivo, respiratorio, urogenital, piel o conjuntiva).

•

Para que una bacteria logre adherirse o fijarse a la superficie de las células eucariotas, emplea estructuras de adherencia llamadas ADHESINAS, que participan en la fijación a receptores específicos.

•

Los receptores del hospedero son normalmente hidratos de carbono o residuos peptídicos expuestos en su superficie.

•

Las adhesinas bacterianas corresponden normalmente a componentes de la superficie celular (cápsulas, pared celular, fimbrias, etc.) (Las adhesinas y sus receptores interaccionan de una forma específica,

similar a lo que ocurre en una reacción enzima/sustrato o antígeno/anticuerpo)

Mecanismos de patogenicidad bacterianos Adhesión en la células del hospedero (Colonización)

Interacción con receptores específicos

Cápsula

Fimbrias

Mecanismos de patogenicidad bacterianos Principales factores de adherencia que facilitan la fijación de patógenos a los tejidos del hospedero Factor Glicocálix/ Cápsula/ Cápsula viscosa

Proteínas de adherencia Acido lipoteicoico

Ejemplo Escherichia coli patógena, el glicocálix promueve la adherencia al borde en cepillo de las vellosidades intestinales. La unión a la superficie dental por Streptococcus mutans, mediada por el glicocálix y el dextrano. La proteína M en la superficie de Streptococcus pyogenes se une al receptor de la mucosa respiratoria, Neisseria gonorrhoeae facilita con la proteína Opa la unión a receptores del epitelio urogenital. Junto con la proteína M de Streptococcus pyogenes facilita la unión al receptor de la mucosa respiratoria. Los pilis de Neisseria gonorrhoeae facilitan la unión a receptores del epitelio urogenital.

Fimbrias (pili)

Especies de Salmonella, las fimbrias de tipo I facilitan la unión al epitelio del intestino. Los patógenos de Escherichia coli, los antígenos del factor de colonización (CFA’s) que son fimbrias facilitan la unión al epitelio del intestino delgado.

Mecanismos de patogenicidad bacterianos Invasión Algunas bacterias tienen evolucionados mecanismos para ingresar a las células del hospedero que no son naturalmente fagocíticas (ej.: células del epitelio intestinal). Las proteínas secretadas o de la superficie bacteriana que inducen la fagocitosis de la bacteria por células no–fagocíticas son llamadas invasinas.

Invasión de Salmonella en células epiteliales humanas

Mecanismos de patogenicidad bacterianos

Mecanismo de invasión •

Adhesión bacteriana a la superficie de la célula hospedera.

•

Inducción de reordenamientos en el citoesqueleto celular (polimerización y despolimerización de filamentos de actina).

•

Se produce la fagocitosis de la bacteria, que ahora habita dentro de una vacuola especializada.

Mecanismos de patogenicidad bacterianos Invasinas Enzimas que producen destrucción de tejidos (Matriz extracelular) •

Hialuronidasa.

•

Colagenas.

•

Neuraminidasas (virus).

•

Estreptoquinasa (fibrinógeno).

•

Estafiloquinasa (fibrinógeno).

Enzimas digestivas extracelulares •

Proteasas.

•

Lipasas.

•

Nucleasas.

Enzimas que producen lisis celular (Hemólisis y leucólisis) •

Lecitinasas.

•

Coagulasa.

•

Hemolisinas (Formación de poros).

Mecanismos de patogenicidad bacterianos Multiplicación en su hospedero

•

Luego de la adhesión bacteriana a un tejido específico, ocurre una adaptación al nuevo hábitat (acondicionamiento del metabolismo, etc), lo que le permite comenzar a multiplicarse lentamente para lograr su asentamiento en el hospedero.

Mecanismos de patogenicidad bacterianos Bacteremia: Aparición de bacterias en la sangre. • Transitoria: Ej. Extracción de un diente, herida, etc. • Continua: puede conducir a endocarditis. • Intermitente: Ej. Mediada por abscesos Septicemia: Bacteremia donde los productos de desecho del microorganismo son tóxicos para el hospedero. Puede dar origen a un “shock séptico” y a la muerte. Shock séptico: Es una condición seria y anormal que se da cuando una infección arrolladora lleva a que se presente flujo sanguíneo bajo y presión sanguínea baja. Los órganos vitales, como el cerebro, el corazón, los riñones y el hígado pueden no funcionar adecuadamente o no funcionar del todo.

Mecanismos de patogenicidad bacterianos Multiplicación

Formación de biopelículas. Varios tipos bacterianos necesitan tejidos específicos para formar biopelículas y otros tipos necesitan una biopelícula preformada para poder establecerse.

Determinantes de las Enfermedades infecciosas Bases Moleculares de la Patogenicidad • Las bacterias tienen codificados en su genoma genes que participan en virulencia. • Estos genes codifican para proteínas que se denominan: Factores de virulencia. • Estos pueden participar activamente en el proceso infeccioso. • Pueden estar codificados en plásmidos o agrupados en regiones cromosomales denominados: Islas de Patogenicidad.

Mecanismos de patogenicidad bacterianos Evasión del sistema inmune del hospedero Lisozimas de las lágrimas disuelven la pared celular. microbiota normal compite con los patógenos. La piel produce ácidos grasos antimicrobianos y su microbiota normal inhibe la colonización de patógenos. Cambios rápidos de pH inhiben el crecimiento microbiano. Vaciamiento del tracto urinario previene la colonización.

Remoción de partículas y m.o. por el rápido pasaje de aire sobre los cilios en la nasofaringe. Mucus capaz de mover los m.o. fuera del cuerpo (tos). Proteínas de la sangre que inhiben al crecimiento microbiano. Mucus y fagocitos en el pulmón previenen la colonización. Acidez del estómago (pH2) inhibe el crecimiento microbiano. Microbiota normal compite con los patógenos.

Mecanismos de patogenicidad bacterianos Evasión del sistema inmune del hospedero Defensas antifagocíticas •

Evitando el contacto con fagocitos.

•

Evitando la adsorción fagocítica.

•

Sobreviviendo dentro del fagocito.

•

Produciendo factores que matan o dañan fagocitos (antes y después de la ingestión).

Defensas contra el sistema inmune •

Persistencia de un patógeno en sitios orgánicos inaccesibles a la respuesta inmune.

•

Inducción de anticuerpos poco efectivos.

•

Adsorción de anticuerpos por antígenos bacterianos solubles.

•

Variación antigénica (Salmonella).

Determinantes de las Enfermedades infecciosas Capacidad de producir daño en el hospedero: Toxigenicidad Las toxinas bacterianas pueden ser clasificadas en dos grupos: • Exotoxinas (toxinas excretadas hacia el medio externo) • Endotoxinas (componentes estructurales presente en bacterias Gram (-) Intoxicación: enfermedad que resulta de la entrada de una toxina específica al cuerpo del hospedero. Las toxinas pueden producir enfermedad aún cuando el microorganismo este ausente.

Mecanismos de intoxicación: Exotoxinas

Mecanismos de intoxicación: Endotoxinas Lipopolisacárido (LPS), Lipooligosacárido (LOS)

Unidad repetida de polisacárido (Antígeno O)

“Core” Oligosacárido central

Endotoxina

Endotoxina Lipopolisacáridos (PM ~ 10 kDa) Componentes de bacterias Gram Presentes en la Membrana Externa. Termoestables (a 60°C). Es antigénica (Producción de Ac no protectores).

Exotoxinas Proteínas (PM ~ 50 a 1000 kDa). Producidas por Gram + y Gram Factores extracelulares (difusibles). Termolábiles (a 60°C). Son antigénicas (Producción de anticuerpos anti-toxina). Toxicidad elevada (1 ug).

Toxicidad baja (>100 ug).

Alto nivel de especificidad.

Bajo nivel de especificidad.

Presentan actividad enzimática.

No presenta actividad enzimática.

Ocasionalmente pirógenos.

Gran actividad pirógena (Fiebre).

Resumen