ASOCIACIONES SIMBIOTICAS, PATOGENICIDAD Y VIRULENCIA

Bacteriología y Micología Veterinaria

M. en C. Gerardo CastilloOtoño 2011

SimbiosisAsociación de dos o mas organismos diferentesSimbionte: Organismo que pasa la mayor parte o la totalidad de su ciclo vital asociado físicamente con otro organismo diferente

• Comensalismo• Mutualismo• Parasitismo

Tres tipos de simbiosis:

Comensalismo

Asociación en la que el simbionte (comensal) se beneficia y el hospedero no es perjudicado ni beneficiadoCepas no patógenas de E. coli

Mutualismo

Asociación en la que ambos organismos obtienen un beneficio reciprocoAsociación entre rumiantes y microorganismos en el rumen

Vibrio fischeri

Euprymna scolopes

Parasitismo

Interacción entre dos organismos diferentes en la cual uno (parasito) daña o vive a expensas del otro (hospedero)Virus, bacterias, hongos, protozoos, helmintos, insectos

Endoparásito o

ectoparásito

Interacción Microorganismo-Hospedero

PATOGENO/(Factores de Virulencia o de Asociación)

HOSPEDERO(Respuesta Celular)

MEDIO AMBIENTE

Regulación de la ExpresiónTransducció

n de Señales

Modulación de la Respuesta

CONTACTO MICROORGANISM0HOSPEDERO

TIEMPO

COMENSALISMO

SIMBIOSIS

INFECCION

A

ELIMINACION

D

G

ERRADICACION INMUNE Y TERAPEUTICA

MUERTE

H

C

B

F

E

TIEMPO

PERSISTENCIA (CRONICIDAD Y LATENCIA)

TIEMPO ENFERMEDA

D

TIEMPO

COLONIZACION

Enfermedad infecciosa

Cualquier desviación de la salud, por la que parte o totalidad del hospedero no esta equilibrada adecuadamente o es incapaz de realizar sus funciones normales, debido a la presencia de un organismo parasitario o sus productos

Equilibrio salud-

enfermedad

Numero de organismos presentes

VirulenciaDefensas del hospedero

Virulencia

Toxigenicid

ad

Infectividad

Invasividad

Enfermedad y Daño• Enfermedad: Ocurre cuando el hospedero

cursa con un daño suficiente para perturbar la homeostasis.

• Daño: – A) Su naturaleza y extensión depende del

estado inmune del hospedero e incluye a células, órganos y tejidos.

– B) Puede ser mediado por el patógeno o por el hospedero.• Mediado por patógeno: Cuando el

hospedero monta una respuesta inmune débil.

• Mediado por hospedero: Cuando este monta una respuesta inmune muy fuerte.

PATOGENESIS• La interacción recíproca entre un

microorganismo patógeno y su célula hospedera es el aspecto central de la patogénesis.

• La patogénesis es también un problema ecológico y depende de interacciones complejas y continuas entre organismos evolutivamente dispares, en ambientes que están en constantes cambios

• El grado de daño al hospedero no necesariamente correlaciona en forma directa, con el éxito evolutivo del patógeno. La interacción más evolucionada sería aquélla en donde el grado de virulencia es tal, que permite la sobrevivencia del hospedero

Patogénesis Mediada por Hospedero Patogénesis Mediada por

BacteriaToxinas Secretadas +LeukocitosAntígenos

Respuesta celular inmune e

inflamatoria prolongadaDaño a

células somáticas

Mecanismos Generalizados de patogénesis bacteriana

Curvas Daño-Respuesta de Patógenos Microbianos

Da ñ

o

Respuesta

Clase 2

Da ñ

o

Respuesta

Clase 3D

a ño

Respuesta

Clase 1

Da ñ

o

Respuesta

Clase 4

Da ñ

o

Respuesta

Clase 6D

a ño

Respuesta

Clase 5

• Mecanismos de Patogenicidad : Estrategias microbianas para causar daño en un hospedero.

• Virulencia: La capacidad relativa de un microorganismo para causar daño en un hospedero.

Patogenicidad y Virulencia

• Factor o determinante de virulencia: Componente microbiano que está directamente involucrado en el daño al hospedero o cualquier producto de una función o estructura básica, que favorece el crecimiento o sobrevivencia durante la infección. El gen que lo codifica es un gen de virulencia.

• Un microorganismo patógeno posee la capacidad de provocar un daño, a cualquier nivel, en un organismo hospedero susceptible

Patogenicidad y Virulencia

Tipos de Factores de Virulencia

• Esenciales o Indispensables: Confieren patogenicidad y habilidad para causar daño y por lo tanto sirven para discriminar a patógenos. Toxinas, cápsulas,

• Contribuyentes: Modifican la magnitud y extensión del daño. Proteasas, fosfolipasas

Bases Moleculares de la Interacción Microorganismo -

Hospedero • Tropismo: Especificidad tisular

y de hospedero.• Multiplicación: Tiempo de

generación media, incluye factores para recuperar nutrimentos y evadir la eliminación por el hospedero.

• Citotoxicidad: Daño a los tejidos del hospedero.

Mecanismos de Patogenicidad

• Tropismo y Colonización: Adherencia, Movilización y Quimiotaxis,

• Invasión: Translocación de efectores, Penetración por “Zipper” y “Ruffling”.

• Multiplicación y Diseminación: Sobrevivencia, Movilidad intracelular

• Interferencia a la Respuesta del Hospedero: Evasión de la respuesta inmune, Variación antigénica, sometimiento y confrontación

• Daño al hospedero: Toxicidad, Inducción de apoptosis, Respuesta inflamatoria

Inmunidad a las Infecciones Microbianas

• Innata: Barreras físicas y químicas de prevención.–Piel: Prevención del libre acceso

(bajo pH, desecación) y descamación.

–Mucosas: Peristaltismo, movimiento mucociliar, flujos (lagrimeo de conjuntivas).

–Químicos: Acidos orgánicos, pH, lisozima, lactoferrina, etc.

• Específica: Producción de anticuerpos y linfocitos T.

Inmunidad a las Infecciones Microbianas

• Fiebre: Aumento anormal de la temperatura corporal. Llamada también pirexia.

• Pirógeno: Agente patógeno que puede inducir pirexia.– Fiebre continua: 24 hrs ≤ 1o C– Fiebre remitente: 24 hrs > 1º C– Fiebre intermitente: T normal una

parte del día, luego se eleva– Fiebre recurrente: T normal durante

periodos largos de tiempo seguido por periodos de fiebre

La Firma del Patógeno: Interferencia a la respuesta del

hospedero

• Evasión: Cápsula, modificación de la envoltura celular, proteínas similares a inmunoglobulinas, Adherencia a receptores alternativos.

• Sometimiento (secuestro de las vías de señalización): Invasión por mecanismos de “cierre” y “disparo”, uso y modificación de las enzimas hospederas.

• Confrontación: Proteasas de IgAs,

Neisseria gonorrea

Streptococcus pneumoniae

Haemophilus influenzae

Proteína M

Streptococcus pyogenes

Inhibición de C3b

Staphylococcus aureus

Carotenoides Estallido respiratorio

Proteína A Unión a región Fc de IgG

Estrategias y Factores de Virulencia: Fases Tempranas

Estrategia

Factor de virulencia

Adherencia

Adhesinas fimbriales y afimbriales

Movilidad y Quimiotaxis

Flagelo, fimbrias tipo IV

Invasión por disparo o cierre

Sistema de secreción tipo III, “Jeringas” moleculares, Efectores de mimetismo molecular

A B

Figura 1. A. Para algunos patógenos, la adhesión estrecha de la bacteria a la superficie celular produce una polimerización modesta de la actina, solo en la vecindad inmediata del sitio de interacción bacteriana (mecanismo “zipper” de inducción de la fagocitosis). B. Para otros patógenos, la célula huésped altera su membrana, produciendo filamentos largos sobre la bacteria para atraparla dentro de un compartimiento rodeado de membrana celular (mecanismo “trigger” de inducción de la fagocitosis).

Interacción de S. typhimurium con células del epitelio intestinal. (A) Microfotografía electrónica de barrido de células intestinales Caco-2 infectadas. (B y C) Rearreglos de actina del citoesqueleto de las células infectadas.

Complejo Aguja del sistema de secreción tipo III de S. typhimurium type. (A) complejos en la envoltura bacteriana (flechas). (B) Microfotografia Electrónica de complejos purificados y (C) representación esquemática.

Estrategias y Factores de Virulencia: Fases Tardías

Estrategia Factor de virulencia

Sobrevivencia intracelular

Sideróforos, Efectores de mimetismo molecular,

Movilidad Intracelular

Efectores de escape vacuolar y de unión a componentes del citoesqueleto,

Evasión de la respuesta inmune y Variación antigénica

Cápsula, modificación de la envoltura celular, proteínas similares a inmunoglobulinas.Alteración y/o ausencia de la presentación inmunológica

Sometimiento y Confrontación

Uso y modificación de las enzimas hospederas, Proteasas de IgAs, Adherencia a receptores alternativos

Estrategias Comunes de Sobrevivencia Microbiana

Sobrevivencia a las barreras físicas y químicas.

• Resistencia a los ácidos, movilidad y enmascaramiento.

• Enzimas para crear un ambiente permisivo.Sobrevivencia intracelular.

• Inhibición de la fusión endosoma-lisosoma.

• Protección del ambiente intracelular.

Mimetismo molecular• Respuesta inmune inadecuada.• Inducción de respuesta inmune cruzada

Variación Antigénica• Alteración y/o ausencia de la presentación

inmunológica. Factores superficiales y secretados.

• Capsulas, proteínas, polisacaridos, enzimas, toxinas

Cell membra

ne

Hostcell

Facultative intracellular bacteria:SalmonellaShigeliaYersinia

Oblígate intracellular bacteria:RickettsiaChlamydiaCoxiella

Extracellular bacteria:Vibrio cholerasePseudomonasE. coli (ETEC)

Pathogenic bacteria, indicating their preferred growth phase within the host

Sobrevivencia Mediada por Fagocitosis Hospedero -Dirigida

Patógeno Mecanismo Mycobacterium spp Inhibición de la fusión endosoma-

lisosoma

Legionella pneumophila La proteína de membrana externa Mip interactúa con el complemento C3b. Usando los receptores C3b, el fagocito toma al patógeno disminuyendo su exposición al oxígeno tóxico.

Rickettsia spp Disuelve la membrana endosomal previo a la fusión con el lisosoma.

Strategies to survive in macrophages. New phagosomes are generated by coordinated actin polymerization (rods) and myosindependent contractions. As the phagosome matures, its lipid and protein composition changes to resemble that of (a) early endosomes, then (b) late lysosomes, and eventually (c) phagosomal prey is degraded in digestive lysosomes. To survive in macrophages, some pathogens (d) exclude from their vacuoles host proteins that promote phagosome maturation. Other parasites (e) exploit either specialized secretion systems or glycolipid coats to stall phagosome maturation.

E. coli enteropatógena y Shigella explotan la maquinaria de polimerización de actina para adherirse intimamente o para desplazarse intracelularmente

Factores de Virulencia que Causan Daño al Hospedero

• Exotoxinas: Tipo A-B, proteolíticas, formadoras de poro, alterantes de membrana.

• Endotoxinas y otros componentes de la pared: LPS, lipooligosacaridos (LOS).

• Enzimas hidrolíticas: Fosfolipasas, DNAasa.• Productos bacterianos que provocan

respuesta autoinmune: Proteínas de choque térmico.

• Inducción de Apoptosis: Factor activante de proteasa, desoxiribonucleasa activada por caspasa

Exotoxinas bacterianas

Tipo Blanco Mecanismo Tipo de toxina

I Envoltura celular, membranas

Interferencia con la transducción de señales, activación inapropiada de receptores celulares

Enterotoxinas termoestablesSuperantígenos

II Membrana Formación de canales, daño enzimático a membrana

Fosfolipasa C, proteasas, citolisinas, toxinas RTX

III Intracelular Inhibición de síntesis de proteínas, activación de adenilato ciclasa, alteración del citoesqueleto, alteración de la señalización celular

Toxinas AB (CT, LT, Pertusis, ExoA, DT, Stx’s), ExoS, ExoT

Multiple Biologic Activities Exhibited by the Lipid A Component of Endotoxin

Pyrogenicity

Leukopenia , leukocytosis

Complement activation

Depression of blood

pressure

Hageman factor

activation

Plalelet activation

Induction of plasminogen

activator

Bone marrow necrosis

Hypothermia in mice

LeIhal toxicity in mice

Induction of prostaglandin

sinthesis

Induction of nonspecific

resistance to infection

Induction of endotoxina tolerance

Adjuvant activity

Mitogenic activity for

lymphocytes

Macrophage activation

Induction of interleron synthesis

Induction of necrosis factor

synthesis

Intracellular bacteria that induce and/or inhibit host cell apoptosis

Bacteria Host cells Apoptosis Host targets

Shigella (IpaB) Macrophages Induction Caspase-1

Salmonella (SipB) Macrophages Induction Caspase-1

Listeria (LlyO) Hepatocytes, dendritic cells, lymphocytes

Induction Unknown

Legionella Macrophages,epithelial cells

Induction Caspase-3

Yersinia (YopJ/YopP) Macrophages Induction TNF-a, NF-kB, MAPKK

Mycobacterium (Cell Wall)

Macrophages Induction and inhibition

TNF-a, Caspase-1

Chlamydia Epithelial cells, Macrophages

Induction and inhibition

Caspase-3, cyt c

Rickettsia Epithelial cells Induction and inhibition

NF-kB

Coxiella Macrophages Induction TNF-a

[a]Abbreviations: cyt c, cytochrome c; MAPKK, mitogen-activated protein kinase kinase; NF-kB, nuclear factor B; TNF-a, tumor necrosis factor

APAF1, factor apoptotico activante de proteasa 1; CAD, desoxirobonucleasa activada por caspasa; MAPKK, proteína cinasa de cinasa activada por mitogen;NF-kB, factor nuclear B; TNF-a, factor de necrosis tumoral

Mecanismos para el establecimiento de una infección persistente por Helicobacter pylori. La bacteria sobrepasa el sistema inmune innato neutralizando el ácido gastrico (a) y produciendo un flagelo y LPS con bajo reconocimiento inmunoestimulatorio por receptores Toll-like (b). La proliferación de células B (c) y T (d) es bloqueada por la actividad de CagA (producto de genes asociado a cytotoxin-associated gene (cag) en la isla de pategenicidad) y VacA (citotoxina vacuolizante), respectivamente. Además puede sobrevivir intracelularmente (e), y mostrar una alta frecuencia de rearreglos genéticos (f) que aparentan ser esenciales para una colonización persistente.

Interaction of Salmonella with intestinal epithelial cells. (a) Electron micrograph of S. typhimurium infected Madin Darby canine kidney (MDCK) cell. The apical surface of the MDCK cell is pseudo-colored red and displays numerous microvilli (finger-like projections). The bacterium pseudo-colored green. Invasion disrupts the microvilli and induces localized membrane ruffles that envelop the bacteria leading to engulfment (C Ginocchio, S Olmsted, C Wells and JE Gala´ n; unpublished). (b) Immunofluorescence image showing actin cytoskeletal rearrangements (arrow) stimulated by S. typhimurium infection of Henle 407 cells. F-actin was stained with rhodamine phalloidin (red), S. typhimurium with a FITC-conjugated antibody (green) and DNA with DAPI (blue).

Table 1 An overview of mechanisms used by bacteria to avoid host immune responses

Immune response affected

Pathogen Bacterial factor/mechanism

Induction of apoptosis/cytotoxicity

Shigella flexneri Yersinia

IpaB activation of pro-caspase 1YopJ/P injection into macrophages

Inhibition of apoptosis ChlamydiaMycobacterium tuberculosis

IL-10-induced TNF- suppressionIncreased expression of bcl2 and Rb

Inhibition of cytokine production

Bartonella Vibrio cholerae

IL-10 induction suppresses other cytokinesCT inhibition of IL-12 secretion

Cytokine overproduction

Bordetella pertussisHelicobacter pylori

Pertussis toxin induction of IL-1 and IL-4IL-8 induction

Evasion of host antibodies

Staphylococcus aureusPeptostreptococcus magnus

Protein A binding of IgG blocks phagocytosisProtein L binding of light chains

Phase/antigenic variation

Neisseria gonorrhoeaeHelicobacter pylori

Modulation of pilin

Modulation of PAI and CagA