Microbiologia - Introduzione alla microbiologia PDF

Sbobinatore: Simone Di Tomaso 16 Ottobre 2023 Revisionatore: Nicholas Fortunato Microbiologia – Introduzione alla microbiologia La flora microbica o microbiota residente [A lezione vengono proiettate delle diapositive raffiguranti ambie...

Sbobinatore: Simone Di Tomaso 16 Ottobre 2023 Revisionatore: Nicholas Fortunato Microbiologia – Introduzione alla microbiologia La flora microbica o microbiota residente [A lezione vengono proiettate delle diapositive raffiguranti ambienti estremi, presenti sulla terra, per far capire che essi si possono presentare anche in ambienti extraterrestri. Se ci aspettano le tracce di un mondo microbico in questi ambienti, essi saranno nella forma di batteri in grado di adattarsi a condizioni estreme simili a quelle presenti in alcuni ambienti terrestri.] Esistono delle specie di batteri definiti estremofili: essi sono in grado di adattarsi ad altissime temperature (anche oltre i 100°C), pressioni estreme o bassissime temperature. Ne sono un esempio proprio le endospore oppure il termophilus acquaticus, il cui funzionamento ha permesso lo sviluppo della taq polimerasi, ancora utilizzata oggi nel mondo sperimentale e scientifico. Il concetto di adattamento è ciò che permette ai microrganismi continuamente di adattarsi all’ambiente in cui vogliono sopravvivere. Anche nel corpo umano, però, vale il concetto di adattamento. Una condizione estrema dal punto di vista ambientale nell’organismo umano si riconosce nello stomaco: a livello gastrico, infatti, non vi sono tutte queste specie batteriche in grado di sopravvivere, se non pochissime: fra queste riconosciamo sicuramente l’Helicobacter pylori. Questo batterio si è evoluto con l’uomo ed è in grado di sfuggire all’acidità gastrica. Ad oggi, in ogni specializzazione medica, si trovano tantissimi lavori riguardanti il microbiota intestinale. Nota bene: quando si parla di microbiota intestinale non ci si riferisce unicamente alle specie batteriche che sono presenti fisiologicamente nel tratto gastro-enterico, ma anche ad una serie di altri microrganismi “residenti”. La coltura batterica Storicamente i batteri sono stati studiati tramite una indagine di tipo colturale: in laboratorio si fanno crescere in terreno solido o brodo (terreno liquido) delle specie batteriche, così da poterle studiare e individuarne le caratteristiche. Il principale limite delle indagini colturali è la possibilità di far crescere solo una minima parte dei microrganismi presenti nella nostra flora residente. Negli ultimi 20 anni, però, c’è stata una vera e propria rivoluzione microbiomica tramite lo sviluppo di tecnologie NGS o next generation sequency. Si tratta, cioè, di tecniche di sequenziamento che permettono di superare la necessità di coltivare un batterio. La NGS applicata alla microbiomica permette di studiare sequenze genomiche dei batteri, potendo vedere sequenze di batteri che non crescerebbero mai in una data coltura. Inoltre, ciò ha permesso di vedere la composizione microbica della flora nei vari distretti del nostro corpo. Nota bene: microbiota e microbioma fanno entrambi riferimento alla flora residente di un determinato distretto. Nel caso del microbioma si fa proprio riferimento all’indagine molecolare (acidi nucleici) della flora residente. 3 domande per iniziare a comprendere la microbiologia medica [A inizio lezione viene proiettata la seguente diapositiva, contenente 3 domande. Nei successivi paragrafi verrà data risposta ad ognuna delle seguenti questioni.] Il microbiota è presente in tutti i distretti? [Il prof chiede ad alcuni studenti se il microbiota sia lo stesso in tutti i distretti corporei. Gli studenti rispondono che varia decisamente fra un distretto corporeo e l’altro: si pensi, banalmente, alla differenza fra il microambiente intestinale e quello cerebrale. Viene chiesto se questa situazione sia valida sempre, indipendentemente dal periodo o fase della vita, tramite il confronto con l’immagina di un feto all’interno della placenta. La risposta è chiaramente no, ma varia decisamente fra un momento della vita e l’altro. All’interno della cavità amniotica, infatti, i batteri non si possono replicare impunemente, pena l’interruzione della gravidanza stessa. La cute del feto sarà massicciamente colonizzata dal passaggio attraverso le vie genitali materne. La principale differenza sta, quindi, nel contatto con l’ambiente esterno.] Il contatto con l’ambiente esterno ci espone inevitabilmente al contatto con il mondo microbico, poiché favorisce la colonizzazione del corpo umano. Inoltre, la cute di un neonato risulta differente se si considera un neonato nato per parto cesareo (in cui prevalgono i germi gialli) rispetto ad uno nato per parto naturale. Nonostante questo, dopo qualche settimana le flore di chi è nato per parto naturale e chi è nato per parto eutocico si uniformano. Ciò è una conseguenza di un adattamento ad ambienti simili. Dopo un certo lasso di tempo, quindi, si viene a creare una clusterizzazione, secondo cui: - La flora orale va in una parte precisa del grafico; - Le feci vanno in un’altra parte del grafico; - La flora nasale e la cute vanno ancora in un’altra parte del grafico. Questa differenziazione, ovviamente, è associata al diverso tipo di ambiente all’interno di questi distretti.  Uno degli aspetti di maggior interesse della microbiologia è capire se alterazioni della flora possano avere nel medio e lungo termine delle conseguenze permanenti sulla sua composizione, eventualmente associate con una serie di problematiche cliniche. [Viene proiettato un articolo scientifico (studio di popolazione) in cui, bambini nati con parto cesareo e bambini nati per via eutocica, si confronta la composizione della flora batterica. L’aspetto più interessante, però, è che nella flora dei bambini nati per parto cesareo si notano dei componenti microbici che, soprattutto in ambito ospedaliero, possono dare luogo a delle infezioni opportunistiche.] I principali fattori che possono favorire le alterazioni della flora neonatale sono: a. Delivery mod o tipologia di parto: più frequenti nei bambini che hanno subito un parto cesareo; b. Somministrazione di terapia antibiotica alla gestante o al bambino: una terapia antibiotica, infatti, qualsiasi essa sia, produce una alterazione della flora batterica (disbiosi). [in uno studio su Nature è stata valutata la possibilità di colonizzare la cute dei bambini nati tramite parto cesareo grazie ad un campione prelevato nelle vie genitali materne (tampone vaginale).] La colonia batterica + classificazione batteri di interesse medico [Viene proiettata una capsula Petri con del sangue di bovino (agar sangue). Se si passa la mano di un bambino sul terreno di agar sangue, dopo poco tempo si osserva lo sviluppo di colonie batteriche.] Per colonia batterica si intende un ammasso o agglomerato di cellule con le stesse caratteristiche morfologiche. Una colonia batterica, infatti, è l’effetto visibile ad occhio nudo di quella che è la replicazione di una cellula. La classificazione di base dei microrganismi in ambito medico si basa proprio sulla morfologia. Chiaramente, una colonia batterica risulta visibile a occhio nudo, mentre il singolo batterio no: è necessario un microscopio ottico, dato che hanno un diametro di circa 1 micron (10-3 mm). A. I batteri con morfologia sferica vengono definiti cocchi B. I batteri con morfologia cilindrica vengono definiti bastoncelli o bacilli C. Batteri lunghi ma molto sottili vengono definiti spirilli: fra questi, uno dei più studiati in ambito medico è il Treponema Pallidum, ossia l’agente eziologico della sifilide, una delle patologie a trasmissione sessuale che negli ultimi 10/15 ha subito un forte incremento. Inoltre, la classificazione morfologica viene anche integrata dalle caratteristiche assunte dal batterio mediante colorazione di Gram. I batteri di interesse medico, quindi, vengono classificati in 4 gruppi principali: 1. Cocchi Gram + 2. Cocchi Gram- 3. Bacilli Gram + 4. Bacilli Gram- Le flore residenti sono tutte polimicrobiche Viene proiettata una diapositiva raffigurante due colonie batteriche diverse, almeno all’aspetto (colori diversi fra le due immagini). Ciò è dovuto principalmente al fatto che sono colonie di batteri diversi. Le flore residenti – non solo quella cutanea – sono tutte polimicrobiche. Inoltre, le flore residenti variano qualitativamente (composizione) e quantitativamente (carica/load) non solo nei diversi distretti di un individuo, ma anche nello stesso individuo nel tempo. Ad esempio: la flora della mia cute in questo momento sarà differente fra una settimana, anche solo per aver iniziato ad utilizzare massivamente un sapone molto più aggressivo. Un altro esempio, a conferma di questo concetto, è il confronto fra la flora enterica di chi segue una Western diet è notevolmente diversa rispetto a chi mangia fibre, fino ad arrivare agli estremi, cioè di chi non consuma assolutamente delle proteine animali. Considerando la cute, nelle diverse aree della superficie cutanea la sua composizione in quanto a specie batteriche risulta diversa da parte a parte. Ciò è dovuto al fatto che localmente vi sono degli ambienti diversi. In corrispondenza delle ghiandole sebacee, vicino ai bulbi piliferi, vi saranno dei batteri lipofili. Alterazioni locali della flora cutanea, infatti, sono la causa di patologie cutanee di cui altrimenti non si avrebbe spiegazione. Il contatto con l’ambiente esterno è un fattore imprescindibile o è necessaria qualche forma di regolazione? I principali esempi di strutture che sono a contatto con l’ambiente esterno sono: - Cute - Tratto gastroenterico: si tratta del distretto corporeo più a diretto contatto con l’ambiente esterno. Dal punto di vista quantitativo, infatti, il maggior numero di cellule del sistema immune si trova nel MALT, ossia nel tessuto linfoide associato alla mucosa, in particolare al GALT. Il concetto di polimicrobismo e differenza quali/quantitativa trova la sua massima applicazione nei diversi distretti del tratto gastroenterico, all’interno del quale la flora varia in modo marcatissimo. - Vie respiratorie I vari distretti, però, NON sono colonizzati allo stesso modo. Ciò è dovuto all’importanza funzionale di un determinato distretto quando è a contatto con l’ambiente esterno. I polmoni, infatti, non possono permettersi una replicazione incontrollata di microrganismi laddove avvengono gli scambi gassosi, cioè a livello degli alveoli. Per questo motivo, già a partire dall’alito, vi sono una serie di barriere naturali, ad esempio: - Il sistema muco-ciliare; - Il fenomeno dello starnuto; - La tosse: si tratta di un riflesso utile a creare una pressione positiva che permette di sputare via microrganismi che potrebbero arrivare a livello polmonare; - Pneumociti di tipo II; - Macrofagi alveolari. La parte alta delle vie aree (oro e rinofaringe) risulta colonizzata. Andando verso il basso, però, si fa di tutto per controllare la presenza di batteri a livello alveolare. Un discorso analogo è possibile farlo anche per le vie genito-urinarie. Il tratto colonizzato delle vie urinarie è il tratto distale dell’uretra, in modo che non vi sia una colonizzazione per via ascendente. Il tratto iniziale delle vie urinarie, infatti, è sterile. Uno dei primi meccanismi messo in atto dal corpo per evitare una colonizzazione per via ascendente delle vie urinarie è l’insorgenza di cistiti. Le principali differenze fra cellula procariota ed eucariota sono: - Assenza di compartimentalizzazione interna - Differente composizione della membrana plasmatica - Presenza di una parete cellulare, che risulta assente nella cellula eucariotica - Dimensioni: la cellula procariotica è molto più piccola della cellula eucariotica. Questi aspetti sono fondamentali per far luce sui meccanismi di divisione della cellule batteriche, ossia la fissione binaria. Proprio per via delle dimensioni limitate, infatti, la fissione binaria ha luogo in tempi molto più limitati di quelli di una cellula eucariotica. In ambito microbiologico si parla di tempo di duplicazione, ossia il tempo necessario affinché una cellula madre dia origine, dividendosi, a due cellule figlie “identiche.” Il tempo in cui un E. Coli può realizzare questo processo in laboratorio è all’incirca 20 minuti. In condizioni adatte (vedi la piastra di agar sangue), un batterio è in grado di replicare aumentando esponenzialmente la propria carica. La curva di crescita batterica La curva di crescita permette di capire, variando le condizioni all’interno di un sistema chiuso, i fattori capaci di influenzare la crescita batterica. Ad esempio, per valutare la suscettibilità di un batterio agli antibiotici, si fanno crescere i batteri con delle concentrazioni scalari di un antibiotico. (concetto di MIC o minima contrazione inibitoria) La curva di crescita prende in considerazione due parametri: a. Carica batterica b. Quantità di batteri presenti nel brodo di coltura Serve a verificare come la carica batterica possa variare nel tempo. La curva di crescita batterica risulta caratterizzata da 4 fasi: 1. Fase lag o fase di attesa: la carica batterica non aumenta né diminuisce. In questa fase non si apprezza una crescita, ma dal punto di vista metabolico è molto attiva: la cellula batterica si prepara a dividersi. 2. Fase esponenziale o logaritmica di crescita o fase log: si ha un aumento esponenziale dei batteri presenti all’interno del sistema. La fase aumenta fino ad un certo punto (picco), per poi arrivare ad un plateau, dove la carica batterica non aumenta né diminuisce. 3. Fase stazionaria (o fase di plateau): in questa fase la carica batterica né aumenta né diminuisce. Ciò è dovuto al fatto che il numero di batteri che si originano dalla replicazione è uguale al numero di batteri che non si replicano più o iniziano a morire. In un sistema chiuso, infatti, i metaboliti vengono consumati, ma soprattutto si accumulano delle sostanze tossiche del metabolismo batterico. 4. Fase di morte cellulare: si assiste ad una diminuzione in modo massiccio il numero di batteri vitali all’interno del sistema, sempre per via dell’accumulo di sostanze tossiche.