Dva různé pohledy • Mikroorganismy – původci nemocí
X • Mikroorganismy producenti biofarmaceutik
Spirochety – Gram neg. tyčinky Rod Treponema (T. pallidum) původce syfilis
Rod Leptospira (L. parva interrogans) horečnaté onemocnění
Lymská borelióza je vážné chronické onemocnění vyvolávané spirochétou Borellia burgdorgeri
Grampozitivní koky Rod Staphylococcus (S. aureus, S.epidermis) hnisavé záněty
Rod Enterococcus (E. faecalis)
Rod Streptococcus (S. pyogenes, S.agalactiae, S.pneumoniae) růže, záněty hrtanu )
Gramnegativní koky a kokobacily - Rod Neisseria (N. gonorrhoeae, meningitidis) - Rod Moraxella (M. lacunata) zaněty stř. ucha - Rod Acinetobacter zaněty po popaleninách
Grampozitivní nesporulující aerobní tyčky • Rod Listeria (L. monocytogenes)
Grampozitivní sporulující aerobní tyčky Rod Bacillus (B. anthracis, B.cereus)
Grampozitivní sporulující anaerobní tyčky • Rod Clostridium (C. botulinum, C. tetani, C. perfringens)
Gramnegativní aerobní tyčky Rod Pseudomonas (P. aeruginosa, putida) Rod Legionella pneumophila Rod Francisella (F. tularensis) tularemie Rod Bordetella (B. pertusis) černý kašel Rod Brucella
Gramnegativní fakultativně anaerobní tyčky - Rod Escherichia (E.coli) - Rod Klebsiella (K. pneumoniae) - Rod Enterobacter (E.cloacae, aerogenes) - Rod Serratia (S. marcescens) - Rod Citrobacter (C. freundii) - Rod Erwinia - Rod Proteus (P. vulgaris) - Rod Morganella - Rod Providentia - Rod Salmonella (S. typhi, typhimurium, enteritidis, paratyphi) - Rod Shigella (S. dysenteriae) - Rod Yersinia (Y. pestis, enterocolitica) - Rod Vibrio (V. cholerae) - Rod Aeromonas - Rod Pasteurella (P. multocida) - Rod Rod Haemophillus (H. influenzae, H.parainfluenzae) - Rod Actinobacillus
Gramnegativní aerobní až mikroaerofilní tyčky Rod Campylobacter (C. jejuni)
Rod Helicobacter (H. pylori)
• • •
• • • • • •
ZNÁMÉ OSOBY INFIKOVANÉ HELICOBACTER PYLORI (podle The Helicobacter foundation) Chomejní, íránský ájatolláh . zemřel na krvácení do zažívacího traktu; většina Íráncu má H. pylori. James Joyce . v rodinné anamnéze měl rakovinu žaludku a sám zemřel na perforovaný žaludeční vřed; Tímto vředem trpí většina Iru narozených před rokem 1940. George Bush . v 60. letech měl duodenální vřed; v USA má H. pylori např. řada agentu CIA (pobývají dlouhodobě v zahraničí). Papež Jan Pavel II. . r. 1980 měl krvácení z žaludečního vředu; H. pylori má většina Poláku.
Nepravidelné nesporulující aerobní bakterie Rod Corynebacterium (C. diphteriae) záškrt
Rod Gardnerella (G. vaginalis)
Tyčinky špatně barvitelné podle Grama Rod Mycobacterium (M.tuberculosis, leprae) Rod Nocardia
Mollicutes Mycoplasmata (M. pneumoniae, genitalium, hominis) Bez buněčné stěny, parazitují na povrchu buňky
Chlamydie Chlamydiaceae (Ch. trachomatis, pneumoniae, psittaci)
Rickettsie
Na rozhraní virů a bakterií, parazit, původce skvrnitého tyfu
Fungi Mykózy
Rod Candida, Aspergillus
1. DNA viry Virologie
- Poxviridae - Herpesviridae - Papovaviridae - Adenoviridae - Parvoviridae
2. RNA viry - Orthomyxoviridae - Paramyxoviridae - Picornaviridae - Reoviridae - Coronaviridae - Bunyaviridae - Togaviridae - Flaviviridae - Rhabdoviridae - Arenaviridae - Filviridae - Retroviridae
Základní pojmy • Symbiosa – soužití dvou typů organismů • Komensalismus – jeden z partnerů má ze spojení určité výhody, ale druhý je neovlivněn. Propionibacterium sp. žije na povrchu kůže z kožního sekretu, ani neškodí, ani neprospívá • Mutualismus – prospívá oběma partnerům. E.coli a člověk vitamin K a některé vitaminy B, vstřebávají se v tlustém střevě, hostitel chrání životní prostředí • Parasitismus – jeden organismus získává výhody na úkor druhého. Všechny živé organismy mohou sloužit jako hostitelé dalším organismům. Hostitel – makroskopický organismus, parasit – mikroskopický.
Základní pojmy • • •
•
•
•
Avirulentní – nevirulentní, mikroorganismus nemá schopnost působit onemocnění Kolonisační – mikroorganismus roste na povrchu těla (sliznice) Onemocnění – nemoc, stav zhoršených tělesných funkcí vyvolaný mikroorganismy nebo viry, ale také jinými faktory , jako je autoimunní oemocnění Infekce – nastává po průniku mikroorganismů povrchem těla, jejich vstupem do tkání, kde se množí a vyvolávají u hostitele reakci imunního nebo jiného typu Infekční nemoc – jakákoli situace, ve které nastává zaznamenatelné zhoršení tělesných funkcí vyvolané infikujícím mikroorganismem nebo virem Oportunista – mikroorganismus, který je schopen vyvolat onemocnění pouze u hostitele s poškozenými obrannými mechanismy
Patogen – mikroorganismus vyvolávající onemocněnní • Pathogenita – schopnost vyvolávat onemocnění
Patogen má schopnost průniku do hostitele a obsadit tam svou „niku“. Přitom často buď přímo nebo nepřímo poškodí buňky hostitele. Dovede prolomit ochranné bariéry hostitele a zaujmout specifická místa.
Definice patogenity Jaké má patogen odlišné vlastnosti, které jej oddělují od komensálních typů? Některé základní determinanty patogenity jsou na mobilních genetických elementech – bakteriofágy a plasmidy.
Bakteriální virulence • Virulence – porovnatelný stupeň patogenity • A. LD50 – míra virulence, počet mikroorganismů nezbytných k usmrcení 50% pokusných zvířat nebo buněk v kultuře. • B. ID50 - míra virulence, počet mikroorganismů nezbytných k vyvolání infekce u 50% pokusných zvířat nebo buněk v kultuře. • C. LD50 bakterie A u králíka je 1000 organismů, zatímco pro bakterii B 5000 organismů. Která bakterie je více virulentní?
Vstup patogena do hostitele, kolonizace, růst, poškození hostitele Virulence: míra patogenity kmene, je funkcí invazivity a toxigenity, souvisí s: LD50: letální dávka, (počet) MO, které po aplikaci do hostitelů způsobí smrt 50% hostitelů ID50: infekční dávka, dávka způsobující onemocnění u 50% hostitelů Invazivita: schopnost parazita proniknout do organismu hostitele, množit a šířit se v něm Toxigenita: schopnost MO produkovat látky toxické pro hostitele (př. Clostridium tetani - toxigenní, neinvazivní x Streptococcus pneumoniae – toxin neznámý, invazivní MO) Adherence: přichycení patogena k povrchu sliznice (přes fimbrie, glykokalyx), tkáňová specificita (Neisseria gonorhoae – glykoproteiny sliznice urogenitálního traktu), hostitelská specificita (Treponema pallidum – člověk) Kolonizace: množení MO po adhezi (ovlivnění pH, teplota, živiny) Obrana proti fagocytóze: tvorba pouzdra (Streptococcus pneumoniae, Treponema pallidum) Fagocytosa je schopnost specializovanych buněk imunitniho systému vyhledat, pohltit,usmrtit a rozložit mikroorganismy, stárnouci buňky a dalši endogenni material (leukocyty, granulocyty, makrofágy). Adaptace k fagocytóze: fagocytované bakterie odolávají destrukci uvnitř buňky (Mycobacterium tuberculosis)
Produkce exoenzymů: (faktory průniku) leukocidiny: lyse leukocytů
hemolysiny: lyse buněk (zóna hemolýzy kolem kolonií na krevním agaru) koagulázy: polymerace fibrinogenu (obalení MO fibrinem, obrana před leukocyty)
streptokinázy, stafylokinázy: rozpouštění krevních sraženin, které izolují tkáň proti další infekci hyaluronidázy: degradace kys. hyaluronové, snadnější průnik do okolních tkání kolagenázy: degradace kolagenu
Toxiny patogenních mikrobů: endotoxiny: struktury vlastní bakteriální buňce, působí „nespecifickou odpověď“ produkce interleukinů makrofágy, horečka, průjem, zvracení, vasodilatace – pokles tlaku exotoxiny: proteiny produkované MO extracelulárně, mají cílený fyziologický efekt na hostitele (někt. teplotně labilní – botulotoxin, jiné stabilní – satfylokokový enterotoxin) – vyvolávají tvorbu protilátek (vakcíny na základě exotoxinů –Clostridium tetani) botulotoxin: brání přenosu nervového impulsu v synapsi (blokuje uvolnění acetylcholinu do synapse), způsobuje paralýzu – Clostridium botulinum tetanospasmin: inhibuje uvolňování glycinu do synapsí – zrušení relaxace po svalovém stahu, postupně způsobí permanentní svalový stah velkých skupin svalů – Clostridium tetani difterický toxin: katalyzuje ribosylaci elongačního faktoru host. buňky (inhibice proteosyntézy, 1 mol. zabije buňku) – Corynebacterium diphteriae (záškrt) stafylokokový enterotoxin: brání absorpci vody z tenkého střeva, půs. průjem, zvracení – Staphylococcus aureus, podobně i Salmonella, Escherichia cholerový toxin: aktivace adenylátcyklázy - zvýšení hladiny cAMP, sekrece Clz buněk střevní sliznice, dehydratace organismu těžkými průjmy, Vibrio cholerae
• Interleukiny jsou skupinou cytokinů, které se podílejí na regulaci imunitních dějů. Z biochemického hlediska se jedná o několik skupin proteinů (např. interleukiny rodiny IL-10 nebo IL-1). Interleukiny byly pojmenovány podle zjištění, že se jedná o látky produkované leukocyty (bílými krvinkami), které regulují jejich vzájemné interkace. Další výzkumy odhalily, že interleukiny nejsou produkované pouze bílými krvinkami, ale celou řadou dalších buněk (např. různé epiteliální buňky). Jednotlivé interleukiny působí různě na mnoho typů buněk a vzájemně se jejich akce doplňují a překrývají. • Některé interleukiny můžeme podle souhrnu jimi vyvolaných reakcí označit za prozánětlivé (např. IL-1,2) nebo naopak protizánětlivé (tlumivé - např. IL-10). • Při výzkumu role interleukinů bývá důležité stanovit, zda jednotlivé interleukiny jsou druhově specifické (existuje mezidruhová bariera a nelze je použít ke studiu na jiných živočišných druzích), nebo druhově nespecifické (bez mezidruhové bariéry). Převážně se zkoumá specifita myších a lidských interleukinů.
Cytokiny - skupina peptidů a bílkovin, vylučovaných živočišnými buňkami a ovlivňující buněčný růst (též růstové faktory). Významnou skupinu tvoří lymfokiny (též interleukiny), bílkoviny uvolňované z aktivovaných buněk imunitního systému a koordinující imunitní odpověď organismu
Adaptace ke specifické imunitní odpovědi: změna povrchových antigenů parazita v čase ( virus chřipky, spirochety, trypanosomy), vazba a aktivace komplementu (lipopolysacharid u G- bakterií), degradace specifických Ig hostitele (streptokoky) bakteriémie: přítomnost bakterií v krvi septikémie: bakterie se množí v krvi
resistence hostitele a její mechanismy: resistence: obrana hostitele proti patogennímu MO specifická resistence: obrana organismu namířená proti určitému MO (produkce protilátek) nespecifická resistence: mechanismy obrany proti patogenům obecně – kůže, sliznice, fagocytosa, zánět, autochtonní mikroflóra, lysosym – slzy, sliny, řasinkový epitel – nosní dutina, průdušnice)
PATOGENITA A VIRULENCE BAKTERIÍ
1.Vztah člověka a bakterií 2. Poškození hostitele 3. Toxické bakteriální proteiny ( toxiny ) 4. Únik bakterií před imunitou 5. Imunopatologické důsledky bakteriální infekce
Infekční proces: 1. setkání mikroba s hostitelem 2. vstup mikroba do hostitelského organizmu 3. šíření z místa vstupu 4. množení v hostiteli 5. poškození hostitele - přímým působením mikroba - odpověď hostitele na mikrobní agens 6. konečná fáze
- vítězství obrany hostitele - vítězství patogenity mikroba - dojde k vyrovnání a koexistenci
Faktory patogenity A. geneticky kódovány - chromozomálně - extrachromozomálně na plazmidech B. vázány na lyzogenní konverzi přijetí gemomu profága se strukturálním tox genem
faktory patogenity -faktory invazivity (umožňují bakterii kolonizaci, průnik a množení) -toxické produkty (většinou uvolňované do prostředí, ale někdy též vázané na buňku a uvolňované po rozpadu)
Poškození hostitele 1. adheze a invaze do buněk
2. produkce toxinů 3. stimulace zánětlivé reakce a uvolnění cytokinů 4. indukce imunopatologických reakcí
Infekce povrchu hostitele 1. pomocí aktivního pohybu (tvar bakterie, bičíky) a enzymů
2. na povrchu buněk soutěží s rezidentní flórou o přístup k živinám, o možnost vazby na buněčné receptory 3. mikrob musí být schopen čelit obraně hostitele (nespecifická, specifická (sekreční protilátky)) neadherované bakterie jsou odstraňovány:
- proudem moče - pohybem obsahu trávicího traktu - proudem vydechovaného vzduchu - pohybem řasinek
Adherence 1. jen na komplementární struktury 2. zahrnuje interakci mezi strukturami na povrchu bakterie (ADHEZINY) a RECEPTORY na eukaryot. buňce
- receptory - adheziny
membránové glykoproteiny, glykolipidy proteiny, souvislá vrstva, výběžky v podobě fimbrií
- specifická - nespecifická tvorba receptorů je kódována geneticky rozdílná přítomnost receptorů je dána věkem adherované bakterie se množí in situ adheze
Průnik bakterií do buněk Intracelulární prostředí poskytuje těmto bakteriím ochranu před obrannými faktory hostitele a poskytuje jim výživu a vhodné růstové podmínky pro přežití
invaze do buněk: 2 způsoby 1. využití vysoké afinity mezi receptorem hostitelské buňky a bakteriálním adhezinem 2. pomocí transportního systému buňky
Průnik bakterií do tkání - po rozpadu buněk (transcelulárně) - mezi buňkami • po průniku slizniční bariérou je další šíření vázáno na enzymy • ( = faktory šíření) • hyaluronidasy (Streptococcus pyogenes, Clostridium perfringens) • proteasy • po průniku bakterií do tkání mohou být bakterie fagocytovány • makrofágy a transportovány dál, do lymfatických cév a krevního oběhu
Množení bakterií in vivo • • • •
rychlost množení v hostitelském organismu se výrazně liší v průběhu onemocnění: Akutní onemocnění-kratší doba zdvojení Chronické onemocnění-delší doba zdvojení
• rychlost množení in vivo je zpravidla menšínež in vitro
• Metabolická aktivita může ovlivnit vnitřní prostředí hostitele • (spotřeba glukosy a pokles glykemie, obsah železa v prostředí) • patog. bakterie jsou závislé na možnosti získávat železo z • hostitele, zvyšuje se virulence bakterie vytváří tzv. siderofory (transportní sloučeniny pro Fe–např. fenoláty), nebezpečí infekce vzrůstá v prostředí se zvýš. konc. Fe, např. transfuse, srpkovitá anemie, předávkování Fe)
Srpkovitá anémie dědičné onemocnění projevuje změnou tvaru červených krvinek z tzv. promáčknutých piškotů na protažené srpky. Tato změna tvaru je způsobená mutací genu pro hemoglobin, při níž je na 6. pozici v ß-řetězci valin místo glutamové kyseliny (vzniká hemoglobin označovaný jako „HbS“). Valin je hydrofobní aminokyselina, zatímco glutamová kyselina je hydrofilní. Takto vzniklá molekula HbS vykazuje odlišné vlastnosti a ve své deoxygenované podobě (tzn. když není navázán kyslík) se molekuly hemoglobinu shlukují a deformují krvinku]
Průměrná délka života lidí postižených touto nemocí je 42 let u mužů a 48 let u žen.
Toxiny • Antigenní bílkoviny • neutralizace pomocí specifických protilátek • toxicita: ng/ kg hmotnosti vnímaného hostitele • př. botulotoxin 0,5 ng/ kg • • • •
produkce v dostatečném množství, aktivita v hostitelském organismu, způsob vstřebávání a rezistence vůči trávicím enzymům (botulotoxin, tetanospasmin)
Toxiny • • • • •
Molekulová hmotnost: 30 000 až 150 000 Skládají se z peptidických řetězců Termolabilní (inaktivace varem) většinou dobré imunogeny aktivita je blokována neutralizačními protilátkami • změněny v toxoidy (ztráta toxicity, ale ne imunogenicity), které jsou využívány k aktivní imunizaci • odpovědné za onemocnění zvané toxinosy
toxiny dle místa zásahu • 1. reakce s membránami eukaryot. buněk, které poškozuje • (cytolytické) •
Cytolýza, nebo-li osmotická lýze, nastává v hypotonickém prostředí osmotická nerovnováha, pohyb vody do buňky
•
2. pronikají po vazbě na specifický receptor na buňce do cytoplasmy
dle cílových orgánů – Neurotoxiny (botulotoxiny, tetanospasmin) – Enterotoxiny (choleragen, enterobakt., E.coli) – Dermonekrotoxiny (difterický, stafylokokový alfa toxin) – cytotoxiny – kardiotoxiny – kapilarotoxiny (toxiny Bacillus anthracis) – toxiny hemolysinu – leukocidiny – toxiny s vlastnostmi superantigenů (superantigeny-navodí falešnou aktivaci imunity)
Produkce toxinů: • kódována chromozomálně • kódována na plazmidech • vázána na specifického bakteriofága produkce je často ovlivňována koncentrací iontů (Fe, Ca, Mg)
Cytolytické toxiny: extracelulární proteiny Působí přímo na membrány eukaryotických buněk, které porušují a dochází k uvolňování aktivních látek rozpad erytrocytů, krevních destiček, leukocytů a endotelií (endotel - jednovrstevná výstelka všech krevních cév)
Mechanismy poškození buněčné membrány - enzymovou hydrolýzou membránových fosfolipidů fosfolipázami C a D (Clostridium perfringens, Staphylococcus aureus) - tvorbou pórů v buněčné membráně po vazbě na cholesterol (Streptococcus pyogenes, Str. pneumoniae, Listeria monocytogenes, Clostridium tetani)
- povrchově aktivní hemolysiny (Staphylococcus aureus) - insercí do lipidové buněčné dvojvrstvy tvoří póry (Staphylococcus aureus)
Toxiny působící intracelulárně Mechanismus působení: - vazba toxinu na specifické receptory na membráně vnímaných buněk - translokace toxinu přes membránovou bariéru - interakce se substrátem v cytoplasmě tvoří polypeptidické řetězce: dvě funkční části: fragment A: -enzymově aktivní -netoxický -nemůže proniknout do buňky fragment B:-váže se na buněčný receptor
Toxiny s transferázovou aktivitou Katalyzují ADP-ribosylaci cílového proteinu v buňce 3 kategorie: 1) naváže ADP-ribosu na eukaryotický elongační faktor 2 –zástava proteosyntézy (difterický toxin) 2) naváže ADP-ribosu na regulační složky adenylátcyklázyzvýšená produkce cyklického AMP, sekrece Cl-iontů, únik tekutiny průjmem (Escherichia coli, Bordetella pertussis) 3) produkt Clostridium botulinum typ C2 a C3 a C. perfringens
Botulotoxin a tetanospasmin neurotoxiny-půs. Intracelulárně • Botulotoxin jeden polypeptidovýřetězec (150 000) těžký řetězec (100 000) –vazebnáčást lehký řetězec (50 000) –aktivníčást Dostává se do neuromuskulární ploténky, váže se na motorickou část, kde vyvolává presynaptický blok uvolňování acetylcholinu Ireverzibilní ochabnutí svalů, smrt Tetanospasmin vychytáván nervovými zakončeními, transportován do šedé hmoty předních rohů míšních, kde proniká do buňky blokuje uvolňování inhibičních neurotransmiterů křeče příčně pruhovaných svalů
Komplexní toxin Antraxový toxin 3 samostatné proteiny: 1-protektivní antigen (vazba na receptor) 2 –edemogenní faktor (adenylátcykláza) 3 –letální faktor (edém vzniká únikem tekutiny a iontů v buňkách postižené tkáně)
celý komplex tří faktorů je vysoce imunogenní, letální i všechny zvlášť, kombinace 2 a 3 nic nezpůsobuje
Bakteriální superantigeny Rozpustné bakteriální antigeny: -enterotoxiny -toxin toxického šoku -pyrogenní toxiny aminokyselinové řetězce (22 –28 kDa) mají imunomodulační účinek stafylokokový enterotoxin: příčina tzv. otravy z potravin (zvracení a průjmy) Streptococcus pyogenes: Rozpustné antigeny = pyrogenní toxiny (horečka) Superantigeny vázané na buňku
Lipopolysacharidový komplex – endotoxin Gramnegativní bakterie (biologicky aktivní složka buň. stěny) Strukturní oblasti - specifický polysacharid (nese antigenní determinanty) - dřeňová oblast - lipid A (zodpovědný za toxicitu) Vyplavení při rozpadu bakterií Působí vznik toxického šoku interakce s plasmatickými proteiny a s buněčnými povrchy Pyrogenní reakce (100 ng i.v. podání způsobí zvýšení teploty –asi 106G-tyček)
Sepse stav spojený s infekcí a následnou celkovovou odpovědí organismu na náhlý vstup infekčního agens, může vyvrcholit šokem a orgánovým selháním • podíl imunitního i cévního systému • zvýšený podíl aktivovaných neutrofil a makrofágů
• zvýšená vasodilatace (rozšíření cév), koagulace, ucpávání kapilár
