ASOCIACIONES SIMBIOTICAS, PATOGENICIDAD Y

VIRULENCIA

Bacteriología y Micología Veterinaria

M. en C. Gerardo Castillo

Otoño 2012

Simbiosis

• Asociación de dos o mas organismos diferentes

• Simbionte: Organismo que pasa la mayor parte o la totalidad de su

ciclo vital asociado físicamente con otro organismo diferente

• Tres tipos de simbiosis:

– Comensalismo

– Mutualismo

– Parasitismo

Comensalismo

• Asociación en la que el simbionte (comensal) se

beneficia y el hospedero no es perjudicado ni

beneficiado

• Cepas no patógenas de E. coli

Mutualismo

• Asociación en la que ambos

organismos obtienen un

beneficio reciproco

• Asociación 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

Interacción Microorganismo-Hospedero

PATOGENO/

(Factores de Virulencia o de Asociación)

HOSPEDERO

(Respuesta Celular)

MEDIO AMBIENTE

Regulación de la

ExpresiónTransducción de

Señales

Modulación de la

Respuesta

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.

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

Patogenicidad

• Capacidad de un microorganismo para

causar enfermedad en un hospedero

susceptible.

Patogénesis Mediada por Hospedero Patogénesis Mediada por Bacteria

Toxinas Secretadas+

LeukocitosAntígenos

Respuesta celular inmune e

inflamatoria prolongada

Daño a células

somáticas

Mecanismos Generalizados de patogénesis bacteriana

• 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

Curvas Daño-Respuesta de Patógenos Microbianos

Respuesta

Clase 2

Respuesta

Clase 3

Respuesta

Clase 1

Respuesta

Clase 4

Respuesta

Clase 6

Respuesta

Clase 5

• 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.

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

PATOGENESIS

• La interacción recíproca entre un microorganismo patógeno y su célula

hospedera es el aspecto central de la patogénesis.

• 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

¿Cómo produce enfermedad un

microorganismo?

• Debe tener una vía de entrada

• Mucosas

• Tracto respiratorio

• Tracto gastrointestinal

• Tracto genitourinario

• Conjuntiva

• Piel

• Vía parenteral

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 Fcde IgG

Estrategias y Factores de Virulencia: Fases Tempranas

A B

Figura 1. A. Para algunos patógenos, la adhesión estrecha de la bacteria a la superficie celularproduce una polimerización modesta de la actina, solo en la vecindad inmediata del sitio deinteracción bacteriana (mecanismo “zipper” de inducción de la fagocitosis). B. Para otrospatógenos, la célula huésped altera su membrana, produciendo filamentos largos sobre labacteria 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. (By 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

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

membrane

Host

cell

Facultative intracellular

bacteria:

Salmonella

Shigelia

Yersinia

Oblígate intracellular

bacteria:

Rickettsia

Chlamydia

Coxiella

Extracellular bacteria:

Vibrio cholerase

Pseudomonas

E. 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 degradedin 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

Factores de virulencia en H. pylori

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

• Tres tipos:• Citotoxinas:

– Dos componentes:• Polipeptido A (activo) y B (union)

• Neurotoxinas• Enterotoxinas

Exotoxinas bacterianas

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-α, NF-κB, MAPKK

Mycobacterium (Cell Wall)

Macrophages Induction and inhibition

TNF-α, Caspase-1

Chlamydia Epithelial cells, Macrophages

Induction and inhibition

Caspase-3, cyt c

Rickettsia Epithelial cells Induction and inhibition

NF-κB

Coxiella Macrophages Induction TNF-α

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

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

Regulación de los Factores de Virulencia