Přehled mikrobů. Patogenita a virulence Mikrobiologie a imunologie – BSKM021p + c Týden 1 Ondřej Zahradníček Abych se představil l MUDr. Ondřej Zahradníček l povolání: klinický mikrobiolog, asistent na LF MU; učíme u nás bakalářské obory, mediky, zubaře i studenty přírodovědecké fakulty l budu s vámi mít celý semestr dvouhodinové bloky, formálně se skládající z přednášky a cvičení, reálně to bude přednáška či seminář, budu se ale snažit nosit buď letáky, nebo přímo ukázky věcí z naší laboratoře l zájemci se u mne mohou přihlásit a mohou se přijít podívat přímo k nám Náš ústav V naší praktikárně Klinická mikrobiologie Klinická mikrobiologie a imunologie l Klinická mikrobiologie se jako samostatný obor odštěpila začátkem 20. století z patologie. Do té doby se diagnostikou mikrobiálních původců ve vzorcích pacientů zabývali patologové l O více než půlstoletí později se z mikrobiologie vyčlenila imunologie, tedy věda o obranyschopnosti organismu. Dnes už existují samostatné imunologické ústavy a laboratoře, medici mají samostatnou zkoušku z imunologie. Klinická imunologie je však zároveň i součástí interny, případně pediatrie. Kdo jsou mikrobiologové Co nás čeká v tomto předmětu l Povídání o klinicky významných mikrobech a jejich vlastnostech l Povídání o určování mikrobů a vůbec o práci v laboratoři klinické mikrobiologie l Krátké představení lidské imunity a imunologie jako takové l A hlavně představení infekcí jednotlivých orgánových soustav, způsobů odběru vzorků, interpretace výsledků a podobně Co je to mikrob l Musí to být živé. Zrníčko prachu není mikrob, i když je mikroskopické l Musí to být mikroskopické. Žirafa není mikrob, i když je živá Z druhé podmínky se připouštějí výjimky. Třeba tasemnice patří do mikrobiologie přesto, že mohou mít deset metrů. Ale jejich vajíčka jsou mikroskopická. Co jsou všechno mikroby l Mikroby jsou tedy například mikroskopické řasy a sinice, archea (dříve archeobaktérie), různé organismy schopné vydržet hluboko pod mořem nebo v extrémních podmínkách horkých pramenů l Jako klinického mikrobiologa mne tyto mikroby neživí, přesto musím uvést, že jsou zajímavé a úžasné Co tyhle mikroby umí l Přežívají v moři v hloubce 10 km l Přežijí i teploty kolem 110 stupňů Celsia l Vydrží značnou radioaktivitu l Jsou schopny místo kyslíku „dýchat“ síru či dusík (zkrátka, mají jiný akceptor elektronů než atom kyslíku) l Mnoho věcí ovšem umějí i mikroby lékařsky významné, jak si povíme dále Třídění živých organismů l Priony – neobsahují DNA, většinou se vůbec nepovažují za živé organismy l Viry a bakteriofágy l Buněčné organismy – Archea (archeobakterie) – Eubacteria (eubakterie) – Eucarya (eukaryotní organismy) l jednobuněčné l mnohobuněčné Klinicky významné mikroby l Klinicky významné mikroby jsou takové, které jsou významné pro lidské tělo (ne tedy pro člověka = tvůrce, ale pro člověka = objekt) l „Významné pro tělo“ ani zdaleka není totéž jako „tělu škodlivé“. Naopak, mnohé jsou neškodné, nebo dokonce pomáhají l Každý organismus má své klinicky významné mikroby: člověk, každý druh zvířete či rostliny. Dokonce i mikroby (třeba bakterie) mají své mikroby (bakteriofágy). Hlavní klinicky významné mikroby l Viry (a priony) l Bakterie (třeba streptokok nebo Escherichia) l Houby (kvasinky a plísně) l Paraziti – přesahují pojem mikrob: – Vnitřní paraziti l Prvoci (třeba původce malárie) l Motolice (třeba motolice jaterní) l Hlístice (třeba roup nebo škrkavka) l Tasemnice (třeba tasemnice dlouhočlenná) – Vnější paraziti (vši, blechy, štěnice) Rozdělení virů l DNA viry, například – herpesviry – HSV, VZV, EBV, CMV, HHV6 – adenoviry – některé respirační virózy – papovaviry – například urogenitální papilomaviry – parvoviry – například původce páté dětské nemoci – virus žloutenky B l RNA viry, například – enteroviry – polio, coxsackie, ECHO – rhinoviry – viry rýmy – viry chřipky, parachřipky, spalniček, zarděnek, příušnic – viry žloutenek A, C, D, E – různé viry klíšťových encefalitid, tropických viróz, vztekliny, horeček Lassa a Ebola – virus HIV Rozdělení bakterií 1 l podle tvaru a uspořádání – koky – kulovité, tvoří dvojice, řetízky, shluky… – tyčinky – protáhlé, mohou být rovné, zahnuté… – kokotyčinky (kokobacily) – mezi koky a tyčinkami – spirochety – ve tvaru spirály – bez tvaru – např. mykoplasmata l podle tzv. Gramova barvení (dáno typem buněčné stěny) – grampozitivní – barví se modře – gramnegativní – barví se červeně – Gramem se nebarvící – jiný typ stěny či bez stěny Rozdělení bakterií 2 l podle vztahu ke kyslíku – striktně aerobní (rostou pouze v přítomnosti kyslíku) – striktně anaerobní (vyžadují atmosféru bez kyslíku) – fakultativně anaerobní („přepínají“ metabolismus) – aerotolerantní (v praxi neodlišitelné od předchozích) – mikroaerofilní (potřebují kyslík, ale musí ho být málo) – kapnofilní (potřebují kyslík, ale také zvýšený podíl CO2 v atmosféře) l v praxi často jen aerobní / anaerobní Listeria monocytogenes Co nás zajímá o mikrobech Co nás zajímá o klinicky významných mikrobech Morfologie klinicky významných mikroorganismů l Viry se skládají z DNA nebo RNA a bílkovin; některé viry mají navíc membránový obal, který „ukradly“ nějaké hostitelské buňce l Viry mají kubickou nebo šroubovicovou symetrii. Některé mají třeba tvar dvanáctistěnu. Mohou tvořit „pseudokrystaly“ l Kvasinky mají tvar vajíčka, mohou pučet a tvořit tzv. pseudomycelia. Na povrchu mají b. stěnu l Vláknité houby a paraziti jsou tvarově velice rozmanití, navíc se liší vývojová stádia Morfologie bakterií l Koky ve dvojicích (diplokoky), v řetízcích a ve shlucích (neříkejme raději „streptokoky“ a „stafylokoky“, bylo by to matoucí) l Tyčinky rovné či zahnuté (vibria), případně několikrát zahnuté (spirily), krátké nebo dlouhé, tvořící až vlákna či rozvětvená vlákna; konce mohou být oblé či špičaté a i tyčinky můžou být různě uspořádané l Spirochety – tenké spirálovité bakterie l Beztvaré bakterie, například mykoplasmata (nemají buněčnou stěnu, takže nemají tvar) Zprohýbaná tyčinka – helikobakter Spirochety Typ buněčné stěny l Grampozitivní bakterie mají tlustou a jednoduchou buněčnou stěnu. Jsou odolné hlavně mechanicky. Při barvení podle Grama jsou fialové. Například stafylokoky. l Gramnegativní bakterie mají tenkou, ale o to složitější buněčnou stěnu. Jsou odolné hlavně chemicky. Při barvení podle Grama jsou červené. Například escherichie. l Gramem se nebarvící bakterie buněčnou stěnu nemají (mykoplasmata) nebo ji mají hodně jinou (mykobakteria). Grampozitivní Fimbrie a bičíky l Mnohé bakterie jsou schopny pohybu l K pohybu slouží hlavně bičíky l Fimbrie mohou vedle pohybu sloužit např. i k přilnutí bakterie na povrch nebo při výměně genetické informace l Bičíky bakterií jsou úplně jiné než bičíky eukaryotních organismů Bakterie s bičíky (Escherichia coli) Pouzdro a biofilm l Pouzdro obklopuje jednotlivou bakterii, popř. dvojici. Není to už integrální součást bakteriální buňky, spíš nánosy molekul (většinou polysacharidů), které buňku chrání l Biofilm je souvislá vrstva, vzniklá z bakterií, jejich pouzder a dalšího materiálu. Biofilm je mnohem odolnější než jednotlivá bakterie, žijící v tzv. planktonické formě Jak se tvoří biofilm bakterií l Přímý kontakt plovoucích bakterií s.povrchem l Přilnutí na tento povrch l Růst a shlukování těchto bakterií do mikrokolonií l Produkce polymerové matrix l Vytvoření trojrozměrné struktury, které se říká biofilm l Bakterie regulují svůj počet pomocí takzvaného quorum sensingu (Podle kolegyně Černohorské z našeho ústavu) Neobarvené pouzdro V barvení dle Burriho byly nabarveny bakterie na červeno a pozadí dobarveno tuší; mikroskopista pak tuší pouzdro tam, kde se nic neobarvilo Sporulace l Sporulace je něco jako zimní spánek, ale mnohem dokonalejší než je zimní spánek zvířat. Opakem spory je vegetativní forma života buňky l Spory přežijí velmi vysoké teploty, vyschnutí, desinfekci a podobně l Spora vzniká tak, že se buňka rozdělí na dvě části. Ty se však neoddělí úplně: jedna, ze které se stane spora, je obklopena tou druhou, které zůstává vegetativní forma. Takové spoře říkáme endospora l V extrémních podmínkách vegetativní buňka hyne a zůstane pouze spora l Za příznivých podmínek spora vyklíčí l Nepleťme si spory bakterií a spory hub! Spory jsou biochemicky neaktivní, samy o sobě se nebarví při téměř žádném barvení Fyziologie a metabolismus bakterií l Tak jako každý organismus, i bakterie mají svůj katabolismus a anabolismus l Katabolismus může být trojí: – Fermentace – štěpení bez potřeby kyslíku. Málo energeticky výhodný, ale nepotřebuje kyslík. Využívají ji například střevní bakterie – Aerobní respirace – z mála živin se získá hodně energie, je ale nutný kyslík. Využívají ji bakterie, které nacházíme ve vnějším prostředí, na rostlinách aj. – Anaerobní respirace – jiný akceptor elektronů než kyslík, pro člověka málo významné Množení bakterií l Každá bakterie má svou generační dobu l Za jednu generační dobu jsou z jedné dvě, za desetinásobek je z jedné bakterie 1024 bakterií (teoreticky) a podobně l Ideální množení by existovalo pouze kdybychom neustále přidávali živiny a popř. kyslík a odebírali odpadní produkty l Pozor, nepleťte si generační dobu (za jak dlouho se bakterie rozdělí na dvě) a kultivační dobu (za jak dlouho vidíme výsledek na kultivační půdě) V jedné z našich laboratoří Životní podmínky bakterií l Pro život bakterií jsou nutné určité podmínky l Tyto podmínky musíme splnit také v případě, že chceme bakterie uměle pěstovat (třeba proto, abychom je přitom mohli určovat) l Nestačí takové, aby bakterie přežívala. Musí být i schopna se množit l Na druhou stranu, pokud s bakteriemi bojujeme (při desinfekci, sterilizaci), nestačí obvykle potlačit jejich množení, ale musíme je úplně zahubit. Životní podmínky – pokračování l Podmínky musí být splněny, co se týče teploty, pH, koncentrace solí a mnoha dalších věcí l Nepůsobí přitom jednotlivě, kombinují se Interakce mikrob – makroorganismus: obecně (1) l Mezi mikrobem (mikroorganismem) a hostitelským organismem (člověk, ale i zvíře, rostlina, jiný mikrob…) může nastat celá škála vztahů – interakcí. Může to být kooperace (člověk poskytuje útočiště střevním escherichiím a ty se mu za to odvděčí tvorbou vitamínů), indiferentní vztah nebo přímo antagonistický vztah. Interakce mikrob – makroorganismus: obecně (2) l Z hlediska klinické mikrobiologie je významný vztah mikroorganismus – makroorganismus (což může být člověk, ale také zvíře či rostlina) l Může jít o symbiózu, neutrální vztah či antibiózu l Často se používají i termíny z potravních řetězců (komenzalismus, saprofytismus, parazitismus). Virulentní mikroby jsou zpravidla – ale ne vždy – parazitické l Ne vždycky se dají mikroby jednoduše „zaškatulkovat“. Často záleží na okolnostech, jestli bude mikrob „zlý“ nebo „hodný“ Interakce mikrob – makroorganismus: mikroby napadající člověka l Mikroorganismy, které napadají člověka, jsou vybaveny různými faktory virulence – jsou to faktory, které zajišťují schopnost mikroba proniknout do organismu. Nejčastěji to bývají různé enzymy, toxiny, bakteriální pouzdro aj. l Makroorganismus se mikrobům brání řadou různých způsobů. Jde vždy o to, zda se více prosadí faktor virulence mikroba, nebo mechanismus obranyschopnosti makroorganismu Patogenita mikroorganismů l Existují mikroby nepatogenní – neschopné vyvolat nemoc. Většinou jsou to ty, které vůbec nejsou schopny do organismu proniknout. l Existují mikroby podmíněně patogenní, které vyvolávají nemoci jen za určitých podmínek. Často jsou to prospěšné bakterie, které jsou většinou „hodné“ a jen výjimečně začnou „zlobit“, když se třeba dostanou kam nemají, nebo když zmutují l Existují i mikroby obligátně patogenní, které vyvolávají nemoc vždy, když se dostanou do těla v dostatečném počtu a vhodným způsobem Předpoklady patogenity 1) Přenosnost z hostitele (zdroje) na další organismus (osobu) 2) Nakažlivost – schopnost narušit obranu hostitele 3) Virulence – schopnost mikroba nějak poškodit hostitele. Faktory zodpovědné za virulenci, respektive patogenitu Kolonizace hostitele – fimbrie, bičíky, adheziny Faktory invazivity – vnikání do tkáně Toxiny (jedy), hlavně u bakterií: neurotoxiny, enterotoxiny, lokální toxiny a jiné Faktory boje s obrannými mechanismy hostitele Biofilm – složitý útvar, složený nejen z mikrobů Patogenita a virulence Virulence okamžitá vlastnost konkrétního kmene mikroba (kmen = populace z jedné buňky) Kmeny tedy mohou být avirulentní – tedy v daném okamžiku úplně neškodné, neschopné napadat makroorganismus méně či více virulentní – tedy disponující různou mírou schopnosti napadnout makroorganismus. Patogenita vlastnost určitého mikrobiálního druhu Nepatogenní: nejsou schopny vyvolat u daného živočišného druhu nemoc. Potenciální (oportunní) patogeni: vyvolávají chorobu jen někdy Obligátní (primární) patogeni vyvolávají nemoc "vždy" Příklad působení patogenního mikroba Hodné mikroby: běžná mikroflóra l Mnoho mikrobů nám pomáhá. Tím, že osidlují naše sliznice, zabrání tomu, aby je osídlily zlé patogenní mikroby. Některé pomáhají i jinak l Nejvíc, asi kilogram, je jich v tlustém střevě l Hodně mikrobů je i v dutině ústní a v hltanu l U žen je mikrobní ekosystém v pochvě l I přes relativní nedostatek vody má svoji mikroflóru také kůže (poněkud se liší na různých místech) Mikroflóra jako ekosystém l Kdysi lidé mysleli, že všechny škůdce úrody jednoduše zahubí například DDT. Ukázalo se ale, že takový brutální zásah často nadělá víc škody než užitku, zvlášť když se použije nevhodným způsobem l Podobně složitý ekosystém je i třeba střevní mikroflóra. I proto dnes na střevní infekce většinou nedoporučujeme antibiotika, protože systém „rozhodí“ často ještě víc. Co ovlivňuje infekci l Vstupní brána infekce (kudy mikrob pronikl) l Forma infekce – podle rozsahu – lokální / celková – podle vyjádření průběhu – bezpříznaková / příznaková – u infekce s příznaky dále průběh abortivní – typický – komplikovaný l Vylučování mikrobů z těla V podstatě je plynulý přechod mezi infekcí, bezpříznakovou kolonizací a běžnou flórou. Co ovlivňuje formu infekce l na straně mikroba: vybavenost faktory virulence (může být dána třeba i tím, že mikrob sám je napaden bakteriálním virem – bakteriofágem) l na straně makroorganismu: stav imunity, stav anatomických bariér, hormonální rovnováha, případné základní onemocnění a spousta dalších věcí l forma vzájemného setkání mikroba a makroorganismu Na shledanou za týden!