Mikrobiologický ústav LF MU a FN u sv. Anny v Brně Miroslav Votava PATOGENITA A VIRULENCE Třetí přednáška pro II. r. ZL 5.3.2013

Patogenita (choroboplodnost) = schopnost mikroba poškozovat a vyvolat onemocnění infekciozita = schopnost vyvolat infekci → infekce = širší termín než onemocnění Při onemocnění jsou chorobné příznaky (infekce je manifestní) Infekce ale může probíhat bez příznaků (inaparentní infekce) Kromě infekcí mohou mikroby vyvolávat i otravy z potravin

Infekce (nákaza) Definice infekce není snadná Infekce = stav, kdy původce nákazy čili etiologické agens infekce pronikne do organismu a množí se v něm, případně se usadí na tělesných površích a nepříznivě na nich působí  Kolonizace = osídlení povrchu těla mikrobem nepatogenním (případně i patogenem, který tam ale nevyvolává chorobné příznaky)

Historie nauky o infekcích – I Leviticus (III. kniha Mojžíšova) – zákaz vepřového Karanténa (40 dnů, termín ze středověku) – mor Fracastoro (1485-1553): „De contagione“ 1676 van Leeuwehoek – první pozoroval bakterie 1838 Schönlein – plíseň v kštici při favu 1850 Davaine – bakterie u ovcí s anthraxem 1857 Pasteur – mikroby → kazí víno a pivo 1865 Villemin – mikroskopicky: bakterie u tbc 1869 Pasteur – parazité u bource morušového 1876 Lister – antisepse → „velké“ operace 1876 Robert Koch a Louis Pasteur – anthrax

Historie nauky o infekcích – II Hippokratova fyziologická these: Choroba (každá, tedy i infekční) = důsledek jistých nedostatků organismu Pasteurova a Kochova mikrobiální antithese: Příčinou infekční choroby je mikrob Ekologická synthese: = syntéza fyziologické these a mikrobiální antithese → za vznik infekční choroby odpovídají: mikrob, hostitel a prostředí

Kochovy postuláty Určitý mikrob je etiologickým agens, pokud je přítomen ve všech případech choroby a jeho rozložení v těle odpovídá pozorovaným poškozením; je z hostitele vypěstován a v čisté kultuře udržován po několik generací; takto vypěstovaným mikrobem lze napodobit onemocnění na jiném hostiteli; je opět izolován z pokusně infikovaného hostitele.

Vztah mikrob  hostitel Je dynamický a je ovlivňován prostředím: mikrob hostitel prostředí Onemocnění není pravidlem – pro mikroba bývá výhodnější pokojné soužití Přesto se hostitel mikroba snaží zbavit – zničit, odstranit nebo aspoň lokalizovat

Patogenita – vlastnost druhová Patogenita se týká druhu – závisí jak na druhu mikroba, tak na druhu hostitele Určitý druh mikroba je patogenní pro určitý druh hostitele, pro jiný druh může být nepatogenní Určitý druh hostitele je vůči určitému druhu mikroba vnímavý, vůči jinému druhu mikroba může být rezistentní – může mu odolávat

Patogeny primární a oportunní Patogeny primární (obligátní) → onemocnění i u jinak zdravých jedinců: hlavně původci klasických nákaz (záškrt, břišní tyf, mor, kapavka, tetanus, chřipka, spalničky atd.) Patogeny oportunní (fakultativní) → nemoc vzniká jen za jistých podmínek či při jisté dispozici; obvykle jde o příslušníky normální flóry; ti vyvolají nemoc jen tehdy, když se dostanou na jiné místo těla nebo když se sníží obranyschopnost jedince

Patogenita přirozená a experimentální – příklady Mikroby přirozeně patogenní pro člověka i zvířata: Staph. aureus, Francisella tularensis, Clostridium botulinum, v. vztekliny, v. klíšťové encefalitidy Mikroby patogenní pro zvíře jen v pokusu: Bacillus anthracis, Streptococcus pneumoniae, Clostridium tetani – myš Mycobacterium tuberculosis, rickettsie – morče Treponema pallidum, v. herpes simplex – králík Mikroby patogenní pouze pro člověka: Neisseria gonorrhoeae, Haemophilus ducreyi Mikroby pro člověka nepatogenní: naprostá většina půdních a vodních mikrobů

Typický oportunní patogen: Oportunní patogeny – I Typický oportunní patogen: Escherichia coli Součást normální flóry tlustého střeva (ale <1 %) Mimo střevo = patogen cystitidy, pyelonefritidy, urosepse cholecystitidy, peritonitidy infekce ran Při snížené obranyschopnosti (např. novorozenci): meningitidy průjmy (EPEC – serotypy O55, O111 aj.)

Oportunní patogeny – II Jiný oportunní patogen: Staphylococcus epidermidis Součást normální flóry pokožky a sliznic Mimo pokožku a sliznice = patogen infekce ran (i operačních: sternum, oko) cystitidy Při snížené obranyschopnosti: především infekce krevního řečiště u osob s i.v. katétry, implantáty aj. pomůckami sepse u nedonošených novorozenců a u neutropeniků

Virulence Virulence = stupeň (míra) patogenity Virulence = vlastnost určitého kmene – patogenní druh může mít kmeny vysoce virulentní i téměř avirulentní Ukazatel virulence kmene: schopnost usmrtit LD50 = 50% letální dávka (= množství mikroba, které usmrtí přesně ½ pokusných zvířat) Zesílení virulence: opakovanými pasážemi kmene (vysoce virulentní kmeny z pitevního materiálu) Atenuace = umělé oslabení virulence (atenuované kmeny slouží k přípravě očkovacích látek neboli vakcin)

BCG-vakcina proti tbc (bacille Calmette-Guérin) Atenuace – příklad BCG-vakcina proti tbc (bacille Calmette-Guérin) Výchozí kmen: Mycobacterium bovis – je méně patogenní pro člověka než Mycob. tuberculosis Vybraný kmen 12 let trápili na bramboru se žlučí, až ztratil většinu své virulence (je téměř avirulentní) U normálního novorozence BCG vyvolá infekční proces jen v místě podání (v pokožce), případně v regionální mízní uzlině Velmi vzácně – u novorozence imunodeficitního – může vyvolat generalizovanou infekci

MIKROB obligátně oportunně Druh: patogenní patogenní nepatogenní Kmen: virulentní avirulentní Jedinec: citlivý nespecificky odolný nebo specificky imunní Druh: vnímavý rezistentní HOSTITEL

Tři složky patogenity a virulence Kontagiozita (nakažlivost) – schopnost přenášet se mezi hostiteli 2. Invazivita – schopnost vstoupit do hostitele schopnost množit se v něm = překonávat šířit se jím obranu 3. Toxicita – schopnost poškozovat hostitele

Kontagiozita – I Závisí na způsobu přenosu – zejm. na způsobu vylučování množství vylučovaných mikrobů vstupní bráně tenacitě mikroba – na jeho odolnosti vůči zevnímu prostředí minimální infekční dávce – na počtu mikrobů nutných k zahájení infekce chování hostitele – zneužití obranných reflexů

Kontagiozita – II Způsob vylučování: nakažlivé jsou nejen respirační sekrety a průjmová stolice, ale i všechen ostatní biologický materiál břišní tyf – proč je Salm. Typhi pro okolí nebezpečnější v ledvinách než ve žlučníku? (→ moč × stolice!) Množství vylučovaných mikrobů: 102 virionů/1 nakaženou respirační epitelii → 109 virionů/ml sekretu Vstupní brána: obecně sliznicemi proniká infekce snáz než pokožkou (laboratorní respir. infekce virem kl. encefalitidy: )

Kontagiozita – III Tenacita mikrobů (stabilita v prostředí) Odolné: spory bakterií (Bacillus anthracis), cysty prvoků (Giardia lamblia), vajíčka helmintů (Taenia saginata) Choulostivé mikroby spoléhají na: přímý přenos (zejména pohlavním stykem – gonokoky, treponemata) biologické vektory (klíšťata, komáry – borrelie, arboviry) přenos vodou (leptospiry, shigely)

Kontagiozita – IV Infekční dávka vysoká: V. cholerae, salmonely – cca 108 buněk obecně: vždy nutná u imunního jedince nízká: shigely 102 buněk gonokoky, Mycob. tuberculosis 101 Coxiella burnetii (Q-horečka) 100 (!) Chování jedince Zneužití obranných reflexů jako jsou kašel, kýchání, průjem Cílená změna chování: Toxoplasma gondii – infikovaní potkani ztrácejí strach z koček (aby parazit mohl ve střevě kočky dokončit svůj životní cyklus)

Invazivita – vstup do hostitele Nejčastěji skrze sliznice, méně často kůží Někdy vstupu předchází kolonizace = překonání konkurence komenzálů Předpoklad úspěšného vstupu: schopnost adherovat (přilnout) na epitel pomocí adherenčních faktorů (např. fimbrií) penetrovat (pronikat) epitelem pomocí poranění penetračních faktorů vynucenou fagocytózou

Průnik do vnitřního prostředí – I Poraněním Trhlinkami v pokožce (S. aureus, Str. pyogenes, B. anthracis, F. tularensis, virus bradavic) Trhlinkami ve sliznici (T. pallidum, HBV, HIV) Pokousáním (v. vztekliny, P. multocida) Bodnutím členovce (arboviry, borrelie, malarická plasmodia aj.) Pomocí penetračních faktorů Lecithinasa (C. perfringens): povrch. membrána Hyaluronidasa (S. pyogenes): mezibuněčný tmel

Průnik do vnitřního prostředí – II Vynucenou fagocytózou Pomocí invazinů měnících buněčný skelet Ipa (shigelly) internalin (L. monocytogeses) YadA (Y. enterocolitica) Zvlněním povrchu (ruffling) epitelií (salmonelly) Zatím neznámým mechanismem (legionelly, chlamydie)

Schopnost množit se in vivo Intracelulární množení výhodnější – v buňce spousta živin, ochrana před imunitou intracelulární parazité: mykobakteria, rickettsie, chlamydie, listerie, i salmonelly Extracelulární množení – zvl. v plasmě vadí protibakteriální látky (komplement, lysozym, protilátky), ale především málo volného železa (laktoferin, transferin), k získání Fe si bakterie tvoří siderofory, hemolyziny vysoká teplota (M. leprae, M. haemophilum)

Schopnost šířit se organismem Infekce lokální (rýma, salmonelóza, kapavka) Infekce systémové (chřipka, meningitida) Infekce generalizované (spalničky, břišní tyf, výjimečně i infekce lokální a systémové) Způsob šíření: lymfou krví per continuitatem podél nervů (podrobněji v přednášce o patogenezi infekce)

Dva těsně spjaté obranné systémy: Obrana proti infekci Dva těsně spjaté obranné systémy: 1. Vrozená imunita (= též: nespecifická rezistence) 2. Získaná (specifická, adaptivní) imunita Oba systémy ruku v ruce a) brání usídlení mikrobů na povrchu těla b) zamezují jejich průniku do tkání c) brzdí jejich šíření uvnitř organismu d) zneškodňují jejich toxiny a další produkty e) ničí proniknuvší mikroby a f) odstraňují jejich zbytky

Vrozená imunita – vlastnosti - působí nespecificky proti celým skupinám mikrobů (proti bakteriím, virům atd.) - existuje od narození - je přítomna u všech jedinců daného druhu (je podstatou druhové odolnosti) - proti obligátním patogenům je jen málo účinná - působí ale okamžitě, a proto rozvoj infekce většinou stačí alespoň zpomalit - i při opakovaném styku s mikrobem účinkuje stejně

Vrozená imunita – nástroje Povrchové bariéry: anatomické překážky (kůže a sliznice), ochranné reflexy, normální mikroflóra Buněčné nástroje uvnitř organismu: fagocyty, mízní uzliny, buňky NK Humorální nástroje uvnitř organismu: komplement, lysozym, bazické polypeptidy, IF a další cytokiny, proteiny akutní fáze Horečka Zánět (dolor, tumor, rubor, calor, functio laesa)

Získaná imunita – vlastnosti - je zaměřená specificky jen na určité agens a je adaptivní – tomuto agens přizpůsobená - je získaná – vyvíjí se až během života po kontaktu s daným agens - vzniká jen u určitého jedince (je podstatou individuální odolnosti) - chrání i proti virulentním kmenům obligátních patogenů - ale začíná účinkovat poměrně pozdě, až se rozvine imunitní reakce - díky imunologické paměti je při opakovaném styku s tímtéž mikrobem obrana rychlejší a účinnější

Získaná imunita – nástroje Buňky předkládající antigen (např. tzv. dendritické buňky, makrofágy aj.; antigen = cizorodá struktura např. na povrchu mikroba) T-buňky (T-lymfocyty) plus aktivované makrofágy (buňkami zprostředkovaná neboli buněčná imunita) B-buňky (B-lymfocyty) = producenti protilátek čili imunoglobulinů (humorální neboli protilátková imunita)

Jak chrání buněčná imunita – I Nezbytná v obraně proti intracelulárním parazitům (mykobakteria, listerie, brucelly, franciselly, viry, většina mikromycet, prvoci) V neimunním makroorganismu: mikroby zůstávají naživu a množí se ve fagocytech, které je roznášejí po těle V imunním makroorganismu: s mikrobiálními antigeny reagují imunní lymfocyty Th1 a tvoří cytokiny (IFN-γ, TNFα atd.), které přitahují a aktivují makrofágy

Jak chrání buněčná imunita – II Aktivované makrofágy řádí jak puštěné z řetězu: - uvolňují do okolí cytokiny a enzymy, jimiž poškozují jak mikroby, tak okolní tkáň (pozdní přecitlivělost) - mnohem živěji fagocytují - fagocytované mikroby spolehlivě zabíjejí U virových infekcí a nádorů jsou postižené buňky rozeznány a zničeny cytotoxickými lymphocyty Tc

Jak chrání protilátková imunita Bakteriální infekce: 1) podpora fagocytózy – opsonizace opouzdřených bakterií (IgG) 2) zábrana adherence na epitelie sliznic – sekreční protilátky (IgA) 3) neutralizace bakteriálních toxinů (IgG) 4) bakteriolýza vyvolaná komplementem (IgM, IgG) Parasitární infekce: 5) vypuzení helmintů (IgE) Virové infekce: 6) neutralizace infekčnosti virů (IgG, IgA)

Schopnost překonávat obranu – A A) Schopnost překonávat vrozenou imunitu: - odolávat komplementu (C) zábrana aktivace C ochrana povrchu - odolávat fagocytóze nenechat se pohltit přežít uvnitř fagocytu - interferovat s funkcí cytokinů např. relativní odolnost vůči interferonu

Schopnost odolávat komplementu Co aktivuje komplement (kromě komplexů AG+PL)? Např. endotoxin, zymosan, mannan Zábrana aktivace C pouzdro kryjící povrchové molekuly (meningokoky, pneumokoky) inhibitory aktivace (gonokoky – přídavek kys. sialové k terminálním sacharidům, viry, E. coli a S. pyogenes – regulační faktor H, S. pyogenes a P. aeruginosa – enzymy štěpící C3b a C5a) Ochrana povrchu (salmonely a E. coli v S-fázi, bičíky salmonel a proteů) Schopnost odolávat C → serorezistence

Schopnost odolávat fagocytóze – I 1. Nenechat se pohltit inhibitory chemotaxe (bordetely, vaginální anaeroby, pseudomonády) leukocidiny a lecithinasa (stafylokoky, streptokoky, pseudomonády, klostridia) injekce Yop (yersinie) tvorba pouzdra – nejdůležitější – původci meningitid a pneumonií (N. meningitidis, H. influenzae, S. pneumoniae, E. coli, K. pneumoniae)

Schopnost odolávat fagocytóze – II 2. Přežít uvnitř fagocytu blokáda vzniku fagolysosomu (chlamydie, mykobakteria, legionely, toxoplasmata) únik z fagosomu (rickettsie, shigely, listerie, leishmanie, trypanosomy) tvorba antioxidantů (stafylokoky, gonokoky, meningokoky) výrazná tenacita (koxiely, ehrlichie)

Schopnost překonávat obranu – B B) Schopnost překonávat získanou imunitu: Nejlépe pokusit vyhnout se protilátkám, příp. imunním lymfocytům: - rychle se pomnožit (respirační viry, původci průjmů, malarická plasmodia) - oklamat imunitní systém ukrýt se navodit toleranci změnit své antigeny - potlačit imunitní reakci

Schopnost klamat imunitní systém 1. Ukrýt se v gangliích (HSV, VZV) na nitrobun. membránách (HIV, adenoviry) v infekčních ložiscích (M. tbc, echinokoky) v privileg. místech (agens slizničních nákaz, T. gondii v oku, retroviry v genomu) 2. Navodit toleranci (CMV, v. zarděnek, leishmanie, kryptokoky, snad i HIV)

Schopnost klamat imunitní systém 3. Měnit své antigeny antigenní mimikry (S. pyogenes, T. pallidum, M. pneumoniae) antigenní kamufláž (schistosomy – krevní bílkoviny, stafylokoky – protein A, streptokoky – protein G, CMV – βmG) antigenní proměnlivost (trypanosomy, borrelie, gonokoky, v. chřipky)

Schopnost potlačit imunitní reakci invaze do imunitního systému (HIV, virus spalniček) zásah do tvorby cytokinů (M. leprae, prvoci) tvorba superantigenů (stafylokoky → zbytečná tvorba neprotekčních PL) tvorba proteas (meningokoky, gonokoky, hemofily, pneumokoky → štěpí IgA) vazba Fc-fragmentu IgG (stafylokoky, streptokoky, HSV) ? (v. chřipky, HBV, EBV)

Toxicita – I Poškození přímým účinkem infekčního agens Buněčná smrt lýza vlivem toxinů, virů, imunních lymfocytů apoptóza (HSV, shigely) Metabolické poškození – vlivem exotoxinů Mechanické příčiny (vajíčka schistosom, P. jirovecii, pablány při difterii) Septický šok vlivem endotoxinů = nejčastější příčina smrti při infekci G – : lipopolysacharid G + : kys. teichoová + peptidoglykan

Bakteriální exotoxiny Průnikové faktory (hyasa, DN-asa, elastasa, kolagenasa) Cytolysiny (lecithinasa, sfingomyelinasa, hemolysiny) Inhibitory proteosyntézy (difterický toxin) Farmakologicky účinné toxiny (choleragen, termolab. enterotoxin E. coli, pertusový t.) Neurotoxiny (tetanotoxin, botulotoxin) Superantigeny (staf. enterotoxin a exfoliatin, streptokokový pyrogenní toxin)

Toxicita – II Poškození jako důsledek obranných reakcí a) Poškození způsobená zánětlivou reakcí calor, rubor, tumor, dolor, functio laesa = typické známky zánětu a zároveň chorobné příznaky otok: encephalitis, epiglottitis zánětlivý infiltrát: pneumonie hnisání: kapavčitá blenorrhoea neonatorum tvorba vaziva: jizvení

Toxicita - III Poškození jako důsledek obranných reakcí b) Poškození způsobená specifickou imunitní reakcí (imunopatol. následky přecitlivělosti) I. typ: (IgE, anafylaxe) helmintózy II. typ: (cytotoxicita) hepatitis B, revmat. hor. III. typ: (imunokomplexy) farm. plíce, postrep. zánět ledvin, systémové reakce při sepsi IV. typ: (pozdní, buněčná) tbc, lepra, syfilis, aktinomykóza, vyrážka u spalniček

Doporučená literatura Paul de Kruif: Lovci mikrobů Paul de Kruif: Bojovníci se smrtí Alarich: Medicina v županu Axel Munthe: Kniha o životě a smrti Prosím o další příklady beletrie v souvislosti s medicínou vůbec a mikrobiologií zvlášť. Tyto příklady, jakož i mikrobiologické vtipy a případné dotazy zasílejte na adresu mvotava@med.muni.cz Děkuji, že jste mne sledovali