Cattedra di Microbiologia Pseudomonas aeruginosa

Pseudomonadaceae Pseudomonadi 140 specie Pseudomonas Pseudomonadaceae Pseudomonadi 140 specie

Habitat generale Suolo, acqua, ambienti marini Regolarmente presente sulle superfici delle piante Patogeni delle piante: lattuga, funghi Contaminanti delle piante: fiori, insalata Occasionalmente presente sulla superficie di alcuni animali

Caratteristiche generali Gram-negativo Non sporigeno Bacilli diritti o leggermente curvati Mobile: uno o più flagelli polari; chemiotattico Aerobio: non fermentante Può utilizzare accettori di elettroni alternativi (NO3) Pseudomonas spp. utilizza > 150 sostanze come sorgenti carboniose

Caratteristiche generali Importante nella decomposizione aerobica e nel recupero di sostanze utili per trasformazione Degrada sostanze quali: idrocarburi alifatici e aromatici, acidi grassi, insetticidi, naftalene, salicilati, toluene e altri inquinanti ambientali Eccezioni: Teflon, Styrofoam, one-carbon sostanze ad un solo atomo di carbonio (metano, metanolo) Pigmenti: limitationi da ferro e acquisizione di ferro

Caratteristiche generali Elevata antibiotico-resistenza 13 plasmidi di resistanza conosciuti plasmidi ad ampio “host-range” Transferimento a qualsiasi specie Gram-negativa Efficienti pompe d’efflusso Formazione di biofilm

Patogeno umano Patogeni principali Patogeni opportunistici P. (Burkholderia) mallei P. (Burkholderia) pseudomallei Patogeni opportunistici P. aeruginosa nelle piante e negli animali “bassa virulenza” Colpisce sistemi di difesa degli ospiti compromessi Glanders: contagious disease f horses, communicable to man. Marked by purulent inflammation of mucous membranes and an eruption of nodules on the skin with coalesce and break down, forming deep ulcers, which may end in necrosis of cartilages and bones. Meliodosis: infectious disease of rodents transmissible to man. Occurs in India, Malay states and Indonesia. Human disease is characterized in some y a chronic granulomatous pneumonia or a chronic extrapulmonary form with multiple abscess formation. Other have a fulminant septicemia with high mortality rate despite antibiotic therapy.

Habitat di P. aeruginosa Prevalentemente tutti i siti del corpo urinario, respiratorio, ferite, sangue Materiali ospedalieri Soluzioni di antisettici e disinfettanti, acqua, soluzioni saline, utensili e strumentazioni mediche, unghie, etc. Cibo (insalate) e fiori

Caratteristiche di P. aeruginosa Gram-negativo Terreno e acqua: ubiquitario nosocomiale Bacilli con un solo flagello polare: fortemente mobile Disponibile in forma planktonica o biofilm Aerobio, ma utilizza anche NO3 (anaerobio) non-fermentante Versatile dal punto di vista metabolico: 75 sostanze organiche Temperatura ottimale: 37°C (T crescita fino a 42°C) Tollerante ad alte concentrazioni di sale, antisettici, antibiotici

Colorazione di Gram di Pseudomonas aeruginosa

Pseudomonas aeruginosa: scanning electron micrograph, CDC

The soluble blue pigment pyocyanin is produced by many, but not all, strains of Pseudomonas aeruginosa

Caratteristiche di P. aeruginosa Produce pigmenti solubili Pioverdina: pigmento fluorescente (lampada di Woods) Piocianina: pigmento blu in ambienti scarsi di ferro Resistenza agli antibiotici Barriera di permeabilità di membrana, LPS Formazione di biofilm Plasmidi di resistenza (R) Sistemi efficienti di efflusso Sensibilità agli antibiotici : fluorochinoloni, gentamicina and imipenem

Patogenesi di P. aeruginosa Infezioni opportunistiche Topo normale: LD50: 108 Topo ustionato: LD50: <102 Infezioni nosocomiali 3-5% pazienti che entrano in ospedale 20% pazienti che lasciano l’ospedale Compromissione delle barriere plus deficienza immunitaria

Patogenesi di P. aeruginosa Patologie Dermatiti Infezioni dell’orecchio Lenti a contatto Polmoniti acute e croniche Endocarditi Setticemie Infezioni del tratto urinario (UTI)

Patogenesi di P. aeruginosa Adesione e colonizzazione Colonizzazione locale Tossinogenica Patologie disseminate

Adesione di P. aeruginosa Aderisce alle cellule epiteliali Galattosio, mannosio o recettori degli acidi sialici Pili: estremità specializzate Primo aminoacido: N-metil-fenilalanina asialoGM1 gangliosidi esposti da neuraminidasi di P. aeruginosa (residui di acidi sialici) Fimbrie: recettori esposti da proteasi che degradano fibronectina delle cellule epiteliali

Adesione di P. aeruginosa Adesine: esoenzimi S che si attaccano a glicolipidi Adesine: non definite che si legano alla mucina LPS: si lega al CFTR (regolatore di conduttanza transmembrana della fibrosi cistica) Biofilm: esopolisaccaride (alginato)

Colonizzazione locale di P. aeruginosa Diffusione o disseminazione Elastasi distrugge epiteli (polmoni) ed endoteli (vasi sanguigni) distrugge il collagene, IgG, IgA, complemento, fibronectina Due componenti: LasA lega le proteine; LasB le digerisce Proteasi alcaline lisa la fibrina Citotossina proteina che forma pori Due emolisine fosfolipasi e lecitinasi Ramnolipidi Non enzimatici un surnatante che solubilizza i fosfolipidi

Invasione delle cellule ospiti Acquisizione endocitica delle cellule ospiti e traslocazione Invasine: geni batterici

Tossinogenesi di P. aeruginosa LPS Esoenzima S (ExoS) escrezione di Tipo III : applicazione esogena che non uccide le cellule ADP-ribosilazione Effetti Scompensa cellule PMN Scompensa il “signaling” per le citochine

Tossinogenesi di P. aeruginosa Esotossina A (tossina A) Escrezione di tipo III ADP-ribosilazione del fattore di elongazione di tipo 2 come la tossina difterica (distinta antigenicamente) Differenti recettori dell’ospite Attività locale necrotizzante La tossina purificata è letale ExoU Non ancora ben studiata: inattiva i macrofagi

Colonizzazione locale di P. aeruginosa Mutazioni fenotipiche da ceppi non mucoidi (smooth) a mucoidi Produzione di alginato (mucoide) Esopolisaccaride Un operone composto da diversi geni Funzioni sconosciute Adesine: alla mucina Formazione di biofilm Modifica in LPS dalla forma B: le catene dell’antigene O sono caricate negativamente alla forma A: catene dell’antigene O più corte, cambi nella combinazione degli zuccheri, gli zuccheri sono neutri Più resistenti alle defensine?

Disseminazione di P. aeruginosa (evasione batterica) Non chiaro come il batterio causa malattie sistemiche Antifagocitario: LPS (serotipi), capsula, alginato, biofilm Anti-anticorpo: Proteasi digeriscono IgG, IgA Anti-complemento: proteasi; LPS, capsule Anti-citochine: elastasi e proteasi alkaline degradano IFN- e TNF Endotossine (Lipid A del LPS) provoca febbre, ipotensione, coagulazione intravascolare

Difese dell’ospite a P. aeruginosa Anticorpi opsonizzanti Fagocitosi Anticorpi anti-tossine Ancora alti livelli di anticorpi in pazienti infettati da P. aeruginosa affetti da fibrosi cistica

Chemioterapia Antibiotici efficaci : fluorochinoloni, amoxicillina, gentamicina, imipenem Naturalmente resistenti alla maggior parte degli antibiotici Imipenem entra via OprD2 (outer membrane porin D2) Fluorochinoloni superano la membrana esterna secondo una via porino-independente legandosi al LPS caricato negativamente; cambi del LPS dalla forma B ad A Pompa d’efflusso degli antibiotici: estrudono gli antibiotici fuori dalla cellula batterica

Summary Virulence Factors

Summary Virulence Factors Adhesins fimbriae (N-methyl-phenylalanine pili) polysaccharide capsule (glycocalyx) alginate slime (biofilm) Invasins elastase alkaline protease hemolysins (phospholipase and lecithinase) cytotoxin (leukocidin) siderophores and siderophore uptake systems pyocyanin diffusible pigment

Summary Virulence Factors Motility/chemotaxis Flagella Toxins Exoenzyme S Exotoxin A Lipopolysaccharide Antiphagocytic surface properties capsules, slime layers LPS

Summary Virulence Factors Defense against serum bactericidal reaction slime layers, capsules LPS protease enzymes Defense against immune responses capsules, slime layers

Summary Virulence Factors Genetic attributes genetic exchange by transduction and conjugation inherent (natural) drug resistance R factors and drug resistance plasmids Ecologic criteria adaptability to minimal nutritional requirements metabolic diversity widespread occurrence in a variety of habitats