HC2: Bacterial anatomy + Requirements for infection

Peptidoglycaan

= vaak gezien als de celwand van de bacterie

→ bestaat uit 2 suikermoleculen die worden samengehouden door kleine peptides

• geven stevigheid aan de cel

• beschermt de cel tegen osmotische veranderingen en stress door de omgeving

Outer membrane → Gram-

= extra beschermlaag die Gram+ niet hebben

• bestaat uit vetten en eiwitten

• lipoproteïne verbinden de outer membrane aan de peptidoglycaan laag

Outer membrane: opbouw

• Binnenste laag: vooral fosfolipiden (normale membraanvetten)

• Buitenste laag: vooral LPS (lipopolysaccharide)
  Opbouw:

  • Lipid A: het “anker” in het membraan (dit deel is toxisch en heet endotoxine)

  • Core polysaccharide

  • O-polysaccharide (O-antigen): steekt naar buiten en varieert per bacteriestam (handig voor herkenning/serotypering)

O polysaccharides (O-antigenen)

• Carbohydrate chain
  = een keten van suikers

  • buitenste deel van LPS op outer membrane van Gram-negatieve bacteriën

  • steekt letterlijk naar buiten uit de bacteriën en maakt zo contact met omgeving/gastheer

• Kan bijdragen aan hechting doordat suikergroepen kunnen interageren met receptoren of structuren op gastheercellen of slijm.

• De suikersamenstelling en volgorde van die keten verschilt enorm.

→ antigen

= iets dat het afweersysteem kan herkennen

Capsule

• bestaat voornamelijk uit polysaccharides

• beschermt tegen stress uit de omgeving

• kan ook gebruikt worden als voedingsmiddel

  → is betrokken bij aanhechting tot gastheercellen
  → kan fagocytose inhiberen
  → bescherming van oppervlakte-antigenen
  → zonder capsule zijn veel bacteriën niet pathogeen
  → capsule samenstelling varieert veel tussen bacteriën van de zelfde soort

Fimbriae/pili

• betrokken bij aanhechting

• steken uit de cel, maar korter dan de flagella

• vooral aanwezig op Gram-negatieve bacteriën (fimbriae ook in Gram-negatief)

• pili bestaan uit 1 eiwit: het piline eiwit

Verschil tussen fimbriae/pili

• fimbriae → alleen voor aanhechting

• pili → kan meerdere functies hebben

Andere functies van pili

• Mobiliteit

• Overdragen van genetisch materiaal (conjugation-pilus)

• Betrokken bij aanmaak van de biofilm

• Fragmenten van pili (S pili) kunnen binden en daarbij antistoffen inactiveren

• Variatie van pili structuur zorgt ervoor dat ze uit de handen van het immuunsysteem kunnen blijven

Flagellaat

• wordt alleen gebruikt voor mobiliteit

• erg lange structuur: veel langer dan de cel zelf

• zorgt ervoor dat de cel relatief verre afstanden kan afleggen

• is alleen gevonden in baccilli

Flagellaat: structuur

→ bestaat uit 3 delen:

• filament

• haak

• basale lichaam

→ zorgt voor opportunistische infecties door snelle verandering van locatie → ontsnapt aan gastheer verdediging → kan zorgen voor systemische infectie (een infectie die niet op 1 plek blijft, zoals bijvoorbeeld E. coli)

Axiale filamenten

= flagellaat-achtige structuren van spirocheten

• bevinden zich tussen de inner en outer membrane en zijn om de cel heen gebonden

• zorgt voor mobiliteit bij het ronddraaien van de bacterie (als een schroevendraaier)

→ de schroevendraai beweging zorgt ervoor dat de pathogeen door weefsel heen kan komen

→ hierdoor kan het ook de bloedbaan binnenkomen

Virulentiefactoren van Gram- bacteriën (secretiesystemen)

→ bacteriën maken stoffen die buiten de cel werken om de gastheer te helpen infecteren, zoals enzymen of gifstoffen. Die virulentiefactoren moeten door de “cell envelope” naar buiten

→ bij Gram- bacteriën is dit extra moeilijk omdat ze een dubbele membraan hebben

= hiervoor hebben Gram- bacteriën speciale transport eiwitten:

Type I tot type VI secretiesystemen

= elk type werkt net iets anders en kan andere lading exporteren

→ type III secretie

= een soort moleculaire injectiespuit van veel Gram- bacteriën. Systeem bouwt een naald-achtig kanaal van de bacterie naar de gastheercel en injecteert effector-eiwitten direct in het cytoplasma van de gastheercel
→ die effectoren manipuleren de gastheercel zodat de bacterie beter kan:

• binnendringen of opgenomen worden

• immuunreacties onderdrukken/ontwijken

• celstructuur veranderen

• ontsteking sturen

(kan verschillen per pathogeen)

Mycolzuren

= een andere klasse bacteriën naast Gram- en Gram+

• hebben een celwand met een dikke, wasachtige laag van lange vetzuren (mycolzuren)

• bijvoorbeeld: mycobacterium (tuberculosis), cornyebacterium (difterie)

• zijn genetisch gezien meest dichtbij Gram+ bacteriën

  → maar kleuren niet/nauwelijks Gram+

Mycolzuren: klinische relevantie

• die mycolzuurlaag is extreem dicht → stoffen komen veel moelijker naar binnen dan bij Gram-

• de envelop werkt als een sterke bescherm barrière tegen schade van buitenaf

• mycobacteriën kunnen beter overleven waardoor stoffen van je afweer hun doel minder goed bereiken

  → veel antibiotica kunnen niet (genoeg) door de envelope heen

  → daarom is Tuberculose moeilijker te behandelen en duurt therapie lang

  → veel TB-medicijnen richten zich hierom juist op de opbouw ervan, als je de envelope-synthese verstoort, verzwakt/sterft de bacterie

Bij M. Tuberculose → zijn overleving in afweercellen (extracellulaire eiwitten)

1. Het blokkeert de fusie van het fagosoom met het lysosoom

2. Het kan ontsnappen uit het fagosoom

   → extracellulaire eiwitten zijn centraal in beide processen

→ M. Tuberculose scheidt dus ook eiwitten uit

= ze hebben een type VII secretiesysteem
Functie: transport van specifieke virulentie-eiwitten door de dikke, mycolzuur-rijke celwand naar buiten

→ deze eiwitten dragen bij aan o.a. overleving in macrofagen, immuunmodulatie (fagosoom) en membraandisruptie

Requirements for infection:

1. Entry of host

→ all places on/in body where a pathogen can enter

1. Airways
   = by inhalation of water droplets and dust particles

2. Gastrointestinal tract
   = second favorite site of entry, although there are efficient barriers agains infection

3. Urogenital tract
   = sexually transmitted disease
   → 40% of hospital-acquired infections

4. Skin
   = largest organ of our body; largest surface to penetrate
   → must be damaged
   → parenteral route = entry via damage to the skin (injections, cuts etc.)

Requirements for infection:

2. Establishment

→ defence against clean-up

1. conjuctiva
   = tears

2. respiratory tract
   = capture particles with mucus, then remove them using the cilia

3. gastrointestinal system
   = thick mucous, continuous

4. reproductive organs and urinary tract
   = mucous layer, low pH (vagina), flow of urine

Establishment: Sleutel-slot principe

= bacteriën hebben aan hun oppervlak adhesines (hechtingsmoleculen; vaak eiwitten op pili/fimbriae of andere oppervlaktestructuren)

→ die adhesines binden specifiek aan bepaalde receptoren op de gastheercel

→ zonder hechting worden bacteriën vaak weggespoeld

→ hechting bepaald vaak welk weefsel een bacterie kan infecteren!

Voorbeelden: Fibronectin / Helicobacter

Establishment: Formatie van biofilm (cyclus)

1. initial, reversible cell deposition
   = losse bacteriën komen langs en plakken tijdelijk vast
   → reversibel! ze kunnen nog relatief makkelijk weer los door stroming

2. irreversible cell adsorption
   = als de omstandigheden goed zijn:

• bacteriën zetten adhesie-genen aan

• geen sterkere bindingen maken

• starten met het maken van de matrix (EPS)

3. quorum sensing and secretion of polysaccharides
   = de switch naar echte biofilm
   → bacteriën meten hoeveel buren er zijn via quorum sensing → bij voldoende dichtheid gaan ze massaal polysacchariden uitscheiden

   → dat vormt de EPS-matrix (de lijm) waarin de bacteriën ingebed raken

4. biofilm development and inflammatory host response
   = de biofilm wordt dikker en krijgt 3D-vormen
   → cellen groeien in lagen & er ontstaan kanaaltjes voor aanvoer van voedingsstoffen

Tegelijk reageert je lichaam:

• je ziet frustrated phagocytes

• gevolg: langdurige ontsteking en weefselschade

5. detachment, erosion and sloughing (verspreiding)
   = stukjes biofilm of losse bacteriën laten los door

Formatie van biofilm: quorum sensing (3)

= manier waarop bacteriën samen beslissen wanneer ze bepaalde genen aanzetten

Requirements for infection:

3. Interaction with host’s immune system

→ 2 extreme strategies to deal with immune system

1. Frontal attack strategy = confront immune system → often causing acute infection: multiply as fast as possible and spread rapidly

→ a lot of damage! For example: Vibrio cholerae

2. Stealth attack strategy = hide from immune system → often causing chronic or persistent infection: staying in the host for a long time

→ causing little damage For example: Helicobacter pylori

Mechanisms of immune evasion by Helicobacter pylori (1-9)

• resides in the stomach

• infects proximately 50% of the world population → 20% eventually develop symptoms (gastric cancer)

• role model for chronic infection

1. Kolonisatie in de maagwand (mucuslaag) = H. pylori gaat niet los in het maagzuur leven, maar kruipt de slijmlaag in dicht bij het epitheel → daar is de pH minder extreem en is het ook minder bereikbaar voor veel afweerfactoren

2. Overleven bij lage pH via urease = de bacterie maakt het enzym urease → dit zet ureum om in ammoniak + CO2 → Ammoniak bindt H → de omgeving wordt lokaal minder zuur waardoor H. pylori kan overleven

3. Ontwijken van het aangeboren (innate) immuunsysteem = normaal herkennen Toll-like receptors (TLRs) bacteriële patronen zoals LPS en flagelline

4. Ontwijken van het verworven (adaptive) immuunsysteem via virulentiefactoren CagA en VacA = H. pylori scheidt belangrijke effectoren uit, vooral CagA en VacA → die kunnen immuuncellen bijsturen/remmen en helpen zo een chronische infectie in stand te houden

5. CagA remt B-celrespons (JAK-STAT remming) = deze figuur zoomt in op 1 effect: CagA kan B-celproliferatie remmen door interferentie met de JAK-STAT signaalroute Gevolg: zwakkere antistofrespons, waardoor bacterie langer kan blijven zitten

6. CagA remt ook B-cel apoptose → kan bijdragen aan kanker = geprogrammeerde celdood → waardoor B-cellen langer kunnen overleven → dit helpt de bacterie indirect (ontregeling) en kan bijdragen aan maligniteit

7. VacA remt T-cel proliferatie en cytokineproductie = T-cellen moeten actief worden en delen (prolifereren) om een sterke adaptieve respons te maken → VacA kan de TCR-signalling blokkeren (T-cell receptor) waardoor - T-cellen minder goed activeren en minder delen - minder cytokines worden aangemaakt Gevolg: een zwakkere T-cel hulp

8. Overleven in/inside epithelial cells = H. pylori kan ook tijdelijk intracellulair overleven in epitheelcellen → als een pathogeen in cellen zit, is het: - minder zichtbaar voor antistoffen - vaak moeilijker te clearen door immuunsysteem

9. Veranderen van virulentiefactoren (antigenic variation / phase variation) = “genetic rearrangement” → de bacterie kan delen van virulentiefactoren aanpassen/variëren
   Effect: het immuunsysteem maakt een gerichte respons tegen versie A, maar de bacterie “switcht” naar versie B → immune escape en persistentie

Requirements for infection:

4. Damage to the host

(lokaal vs. systemisch)

→ wordt veroorzaakt door:

• het pathogeen zelf (enzymen, toxines)

• door de gastheer zijn eigen systeem in antwoord tot het pathogeen (ontsteking)

Schade door het pathogeen is:

• lokaal
  = lokale schade van gastheercellen of weefsel
  → normaal gecontroleerd door immuunrespons van gastheer

• systemisch
  = systemische schade door toxine productie door het pathogeen

Requirements for infection:

5. Spreading to other hosts

→ chapter 6