Universul bacteriilor Clasificare bacterii

raspunsul imun la infectii

Lector Univ. Dr. Ruxandra Moroti Conf. Dr. Adriana Hristea

Catedra de Boli Infectioase Institutul National de Boli Infectioase “Matei Bals” Bucuresti

UMF “Carol Davila” Bucuresti 03.2015

Geneza

http://learn.genetics.utah.edu/content/begin/cells/organelles

• Mitocondria: consumă oxigen pentru a extrage eficient energie din hidrocarbonate (ex din glucoză), producând bioxid de carbon și apă

• Cloroplastul: consumă bioxid de carbon și apă transformându-le, în prezența luminii (condiție obligatorie), în glucoză și eliberând oxigen în acest proces

http://highered.mcgraw-hill.com/sites/9834092339/student_view0/chapter4/animation_-_endosymbiosis.html

Teoria endosimbiozei Endosimbioți: mitocondria și cloroplastul

Procariote versus Eucariote

• Procariotele cuprindeau bacteriile si archaea

• Archaea: caracteristici comune atat cu procariotele dar si cu eucariotele si diferente semnificative fata de ambele separare

• Extremofile

• <3% din microbiota intestinala umana

Procariote si Eucariote sau…

Bacteria, Archaea si Eucarya?

Conditii extreme de mediu, unde archaea supravietuiesc

http://www.physicsdaily.com/physics/Archaebacteria

Based on ribosomal RNA: 3 domains of life:

Bacteria - Archaea – Eucarya

Bacteria, Archaea & Eucarya

Bacteria și Archaea formează împreună procariotele din clasificarea veche . Celulele umane se află în domeniul eucariot în regatul “animals” (”animalia”) (încercuite cu galben)

Lumea vie – nomenclatura: domeniu, regn, încrengătură…

• 3 Domeniile: Archaea, Bacteria, Eukarya • 6 Regatele (regnuri, kingdoms) sunt incluse in domenii:

1. Archaebacteria (bacteriile ancestrale) 2. Eubacteria (bacteriile propriu-zise) 3. Protista 4. Fungi 5. Plantae 6. Animalia

• Impartirea apoi in interiorul regatelor - formula mnemotehnica: “King Phillip came over from great Spain”

K ingdom

P hylum

C lass

O rder

F amily

G enus

S pecies

François Jacob (1973): “It is perfectly possible to imagine a rather boring Universe without sex, without hormones and without nervous systems peopled only by individual cells reproducing ad infinitum. This Universe in fact exists. It is the one formed by a culture of bacteria.” • Au viata sociala bogata! • Comunica prin limbaj specific! • Isi construiesc orase (protejate in biofilm) si • Participa la viata polisului (fac politica!) • Presteaza munca in folosul comunitatii! (inclusiv al macroorganismului) • Se pot imbolnavi! • Leaga prietenii si au adversitati • Au viata… romantica si …sexuala !

Universul microorganismelor

Del Pozo (2007): “Bacteria apparently prefer a community-based, surface bound, sedentary lifestyle to a nomadic existence”

Universul bacteriilor: celule “singuratice” sau “sociale”?

Limbajul bacterian

• Quorum sensing = simtul de quorum; Vibrio fisheri (~1970) • Comunicarea interbacteriana: molecule peptidice (aceleasi

pentru o specie data = limbaj intraspecie si alte molecule specifice pentru limbajul interspecii).

• Eliberand si receptionand semnale, bacteriile pot sti, in orice moment, ce alte bacterii se afla in zona si in ce densitate

Orasele bacteriene: biofilmele

Istoricul biofilmului: observatia lui van Leeuwenhoek

• Biofilmul = ansamblu de celule microbiene atasate pe o suprafata (nu pot fi inlaturate prin manevre usoare de curatare) inglobate intr-o matrice polizaharidica.

• Biofilme se pot forma pe orice

tip de suprafata - inerta sau tesut viu

• Bacteriile din biofilm difera de corespondentele lor planctonice prin nivelul de transcriptie genica

prima observatie a microorganismelor atasate (pe suprafata dentara)

Atasare initiala

Atasare ireversibila

Maturatie I

Maturatie II

Dispersie

http://www.poolgeniusnetwork.com/profiles/blogs/biofilm-the-hidden-accomplice

Formarea biofilmului

Biofilmul

• Pseudomonas aeruginosa si stafilococul: primele biofilme

• In interiorul biofilmelor, bacteriile = la adapost de

dezinfectanti, antibiotice (rezistenta poate creste de 1000x) si de actiunile sistemului imun

Image by D. Davis form Monroe, D "Looking for Chinks in the Armor of Bacterial Biofilms" PLoS Biol, Vol 5, issue 11. Micrografie electronica: biofilm stafilococic pe cateter retras de la pacient .

Bacteriile: fac politica!

Bacteriile: se pot imbolnavi!

• Bacteriofagii = virusuri care infecteaza bacteriile

Fig 1 Fig 2 Fig 3 • In fig1: pe una dintre bacterii (albastra) este atasat un bacteriofag (verde); acesta patrunde

in interiorul bacteriei unde se replica (fig 2), distruge bacteria (eventual, in procesul de replicare poate incorpora ADN bacterian), apoi infecteaza alte bacterii (fig 3), carora le poate aduce materialul genetic al primei bacterii infectate. Procesul prin care este astfel transferat (prin intermediul unui bacteriofag) material genetic intre doua bacterii = transductie

Bacteriile: pot avea “viata…sexuala” …pot fi romantice…

• Conjugarea bacteriana = procesul prin care este transferat material genetic de la o bacterie la alta, prin intermediul unui pil; de exemplu, prin conjugare sunt transferate plasmide care contin casete de rezistenta la antibiotice

http://www.sciencephoto.com/media/151993/view

Microbiomul uman

• Microbiom ~ Microbiotă/sumă de microbiote = ansamblul microorganismelor care populează cvasistabil un anumit areal

• Microbiomul uman ~ ansamblul microbiotelor care

populează diversele situsuri ale organismul uman: – Pielea – Tubul digestiv (cavitatea orala, intestinul subtire,

colonul) – Vaginul – Căile respiratorii (fosele nazale)

Macroorganismul uman si

microorganismele “conlocuitoare” Din ce/ din “cine” suntem formati?

10% celule eucariote versus 90% celule bacteriene

http://www.ted.com/talks/bonnie_bassler_on_how_bacteria_communicate.html

Macroorganismul uman si

microorganismele “conlocuitoare”

1% genom uman versus 99% genom bacterian

suntem constituiti majoritar din bacterii!

Bonnie Bassler Princeton

Film 20 min prof Bassler (Princeton)

Based on ribosomal RNA: 3 domains of life:

Bacteria - Archaea – Eucarya

Bacteria, Archaea & Eucarya

Bacteria și Archaea formează împreună procariotele din clasificarea veche . Celulele umane se află în domeniul eucariot în regatul “animals” (”animalia”) (încercuite cu galben)

Filogenetic

De unde vin microorganismele care cauzează infecţii?

• Microorganismele care produc infecţii (sporadice, epidemice, endemice)

– Endogene: comensale/saprofite

– Exogene: aer, sol, apa, alimente, animale, oameni, vectori

• Dupa locul în care sunt dobândite infecţiile:

– Infecţii comunitare

– Infectii asociate asistentei medicale

– Infecţii nozocomiale

Saprofit: μorganism care se dezvoltă fără să determine manifestări patologice (uneori simbioză) Oportunist: agent infecţios ce devine patogen când imunitatea este alterată

Patogen: μorganism capabil să producă o boală infecţioasă (BI)

Ce determină caracterul “periculos” al unui microorganism ?

Infecţia şi imunitatea antiinfecţioasă

• Infecţia: multiplicarea unui μorganism la nivelul unei gazde (poate fi benefică)

• Boală infecţioasă: rezultatul agresării organismului de către un

agent patogen, care determină modificări: Anatomice Manifestări clinice (BOALA) Funcţionale Biologice, umorale VIRULENŢA AGENT PATOGEN CAPACITATE DE APĂRARE

• Virulenţa: măsura cantitativă a patogenităţii (probabilitatea de a determina boala)

• Patogenitatea: nr de persoane care dezvoltă boala clinic/nr de

persoane infectate • Infectivitatea: nr de indivizi infectaţi/nr de indivizi susceptibili

(expuşi)

Durata până când o infecţie bacteriană devine manifestă

Durata Boala Microorganism Mecanism Minute Toxinfectie Clostridium perfringens Toxină preformată alimentară Ore Fasceită Streptococcus Răspândirea necrozantă pyogenes bacteriilor Zile Antrax Bacillus anthracis Rezistenţă la macrofage Săptămâni Abces pulmonar Anaerobi orali Proces piogenic

necrotizant Luni Endocardită bact. Streptococi β hemolitici Infecţie sediu privilegiat Ani (persistenţă) Osteomielita S.aureus Infecţie piogenă de ţesut devitalizat+/- corp strain Ani (latenţă) Tuberculoza Mycobacterium Reactivarea unui focar

tuberculosis latent în proces granulomatos

Decade Oncogeneză Helicobacter pylori Persistenţa inflamaţiei selectează anomaliile

celulare

Mecanisme de apărare ale gazdei

VIRULENŢA AGENT PATOGEN CAPACITATE DE APĂRARE

Mecanisme de apărare ale gazdei

Bariere anatomice: Tegumente şi mucoase - protecţie mecanică, chimică, biologică Aponevroze, seroase

Apărare nespecifică a gazdei

protecţie biologică chimică, mecanică,

Reacţie inflamatorie (vasodil + aflux de cel sang şi fact umorali)

stimulare monocite\macrofage cu sinteză IL1 Centrii termoreglăriifebră Măduva hematogenă neutrofilie Stimulează neutrofile fagocitoza LB creşte producţia de Ac LT sinteza de IL2 Fibroblaste proliferare fibre de colagen Ficat sinteza proteinelor de fază acută

Fagocitoza 2 tipuri de celule PN si MN Etape:

•Chimiotaxie = mobilizare către focarul infecţios (C3a, C5a + complexul C5b, 6,7) •Opsonizare = recunoaştere + pregătire agent patogen pt fagocitoza prin cuplare cu IgG, C3b)

Necesită opsonizare: pneumococ, stafilococ auriu H.influenzae, piocianic, Klebsiella, NU necesită opsonizare: BGN, stafilococ alb

•Ingestie = înglobare în fagozomi •Digestie =cuplare cu lizozomi + inactivare şi distrugere intracelulară a agentului patogen; după distrugere PN sunt distruse puroi, MN nu sunt distruse

Apărare nespecifică a gazdei

Apărare nespecifică a gazdei

• Imunitate umorală nespecifică: complement – Complex de proteine (C1-9) activate succesiv în cascadă

– Activarea C complexul litic C6-C9 • Calea clasică: Ag-Ac

• Calea alternă: endotoxine (BGN), polizaharid bacterian (BGP), agregate de Ig

– Consecinţele biologice ale activării complementului: • Liza celulară prin complexul C6-C9 (Neisseria, BGN)

• Opsonizare prin C3b favorizarea fagocitozei

• Efect proinflamator prin C3a şi C5a

• Modularea proliferării LB

• Creşterea activităţii citotoxice Ac dependentă a celulelor NK

Apărarea specifică

Liza celulelor infectate de către celule T citotoxice

Formare de Ac de către limfocitele B în cadrul RI umoral T dependent

Raspunsul imun specific

Th0

Th1 Th17 Treg Th2

Pro-inflammatory response Anti-inflammatory response

Sun and Singh, Current Opinion ID, 2009

IFN-G

IL17 IL22

TGF-B IL10

IL4 IL10

Raspuns excesiv: rejet + autoagresiune imuna

Th0

Th1 Th17

Treg Th2

Pro-inflammatory response Anti-inflammatory response

IFN-G

IL17 IL22

TGF-B

IL10

IL4 IL10

Th17 Th1

↑Th1 ↑Th17 ↓Tregs ↓Th2

rejet microorganism +/- autoagresiune

Raspuns slab: invazie + toleranta imuna

↓Th1 ↓Th17 ↑Tregs ↑Th2

Th0

Th1 Th17 Treg Th2

Pro-inflammatory response Anti-inflammatory response

Sun and Singh, Current Opinion ID, 2009

IFN-G

IL17 IL22

TGF-B

IL10

IL4 IL10

T1

Treg Th2

Toleranta imuna

Raspunsul adecvat = echilibrat

Th0

Th1 Th17

Treg Th2

Pro-inflammatory response Anti-inflammatory response

Sun and Singh, Current Opinion ID, 2009

IFN-G

IL17 IL22

TGF-B

IL10

IL4 IL10

Aparare antibacteriana

• Raspunsul imun depinde de: – Calea de patrundere – Marimea inoculului – Virulenta bacteriei

• Raspuns imun nespecific (innascut): fagocitoza (macrofage locale si neutrofile migrate), este suficient la inocul si virulente mici;

• Raspuns imun specific (adaptativ): umoral (anticorpi) = esential pt bacterii (=majoritatea extracelulare) – Neutralizeaza toxinele bacteriene (stafilococice, streptococice) si blocheaza atasarea

toxinelor la receptorii gazdei: botulism, tetanos, difterie – Opsonizeaza bacteriile (prin opsonizare creste eficienta fagocitozei): pneumococ,

H.influenzae, piocianic, Klebsiella, stafilococ auriu – Mediaza liza bacteriilor (mai ales Gram-negativ), activand cascada complementului pe calea

clasica formarea complexului de atac membranar: H.influenzae, Neisserii, Enterobacterii; formare de anafilatoxine proinflamatie (activare mastocite si bazofile histamina creste permeabilitatea capilara, vasodilatatie chemotactism pt macrofage si neutrofile

• Raspuns imun specific celular = esential pt bacteriile intracelulare; pt acestea (listeria, TBC)

Apararea antivirala

multiplicare strict intracelulară imunitatea celulară =rol primordial

• Raspuns imun innascut – umoral: interferonii (sintetizati de celulele infectate, dar si de

celulele sistemului imun); • se leaga de receptori aflati pe celulele infectate si declanseaza

cascade intracelulare care degradeaza materialul genetic viral si sinteza proteinelor virale

• Se leaga de NK, crescand activitatea acestora – celular: celule NK = esentiale pt apararea antivirala in primele zile

• Raspuns imun specific

– umoral: anticorpii activeaza doar in spatiul extracelular – rol la portile de intrare (IgAs); blocheaza fixarea pe celulele tinta (IgA, IgM, IgG); opsonizeaza virusurile anvelopate (IgM, IgG); aglutineaza virusurile (IgM) virusurile sunt sensibile la Ac numai la contactul secundar (la “reintalnire”) si în timpul viremiilor

– celular: dupa intrarea virusurilor in celula: T8 citotoxice si T4:Th1 (IFN-G si IL2 activitate directa si prin activare NK)

Aparare antiparazitara

• Raspuns umoral (IgE) si celular (eozinofile):

• Eozinofilele au rec pt IgE: dupa atasare de IgE fixate pe paraziti: elibereaza proteina bazica majora din granule = un important toxic antihelmintic

• T4 Th2 stimuleaza diferentierea LfB in plasmocite producatoare de IgE

• Pentru parazitii intracelulari, imunitatea celulara devine importanta

Deficite imunitare • Imunitate umorală

– Hipo/agamaglobulinemia congenitală (infecţii cu bacterii cu multiplicare extracelulară)

– Deficit de IgA (infecţii respiratorii/digestive repetate)

• Deficit de complement (infecţii cu bacterii cu multiplicare extracelulară, Neisseria C6-9)

• Splenectomia (pneumococ H.influenzae, meningococ)

• Neutropenii • Anomalii funcţionale ale granulocitelor (granulomatoza cronică

familială, deficit de G6PDH)

• Deficit de LT (infecţii cu germeni cu dezvoltare intracelulară) – Congenital: sd Di George – Dobândit: hemopatii maligne, transplante, trat imunosupresoare,

denutriţie, malnutriţie, infecţie HIV

• Alte deficite imune: – Diabet zaharat (afectează chemotactismul, fagocitoza, bactericidia PN) – Ciroza hepatică, etilism (pneumococ, infectarea spontană a lichidului de

ascită)