Note Complete di Microbiologia e Batteriologia Medica

Introduzione alla Microbiologia e Batteriologia

Origine della vita: Circa $3,5/4$ miliardi di anni fa compare la prima forma di vita, un batterio fotosintetico che ha arricchito l'atmosfera di ossigeno.
Classificazione filogenetica: Basata sull'analisi molecolare dell'omologia di sequenze dell'RNA 16s ribosomiale. * Bacteria (Procarioti). * Archea (Procarioti estremofili, con proteine associate al DNA; alcuni metanogeni vivono nell'intestino umano). * Eukarya (Eucarioti).
Tassonomia gerarchica: Phylum, Classe, Ordine, Famiglia, Genere, Specie (es. Escherichia coli: Phylum Proteobacteria, Famiglia Enterobacteriacee).
Microrganismi e ambiente: Fondamentali nei cicli biogeochimici (trasformazione di azoto e ammonio gassosi in forme inorganiche assimilabili dalle piante).
Microbiologia alimentare: Utilizzata fin dagli Egizi (fermentazione lattica per il vino, lievitazione acida per il pane).
Scoperta degli antibiotici: L' $80\%$ degli antibiotici è prodotto da batteri (es. Streptomyces) per identificare bersagli in altre specie microbiche.

Struttura della Cellula Batterica

Dimensioni: Al di sotto del potere di risoluzione dell'occhio umano (richiedono microscopio ottico).
Materiale genetico: Unica molecola circolare di DNA (aploidi). Non è racchiuso da membrana nucleare (nucleoide).
Mesosoma: Estroflessione della membrana citoplasmatica coinvolta nella segregazione dei cromosomi durante la divisione.
Citoplasma: Privo di compartimentalizzazione (no Golgi, no RE, no mitocondri). I mitocondri eucariotici derivano da simbiosi batterica.
Ribosomi: Coefficiente di sedimentazione $70s$ (subunità $50s$ e $30s$ ).
Membrana citoplasmatica: Doppio strato fosfolipidico privo di steroli (tranne nei micoplasmi) e privo di glicoproteine. Contiene opanoidi.
Cromosoma batterico: * Struttura a doppia elica superavvolta senza istoni. * Mancanza di introni (sequenze totalmente codificanti). * Eccezioni: Vibrio cholerae ha due cromosomi.
Replicazione: Meccanismo semiconservativo, bidirezionale, a partire da un'unica "origine di replicazione".
Plasmidi: Molecole di DNA circolari autoreplicanti accessorie. * Plasmidi R: Portano geni per la resistenza agli antibiotici. * Siderofori: Proteine per il trasporto del ferro codificate da plasmidi. * Plasmidi coniugativi: Codificano per il pilo sessuale per lo scambio genetico orizzontale.

La Parete Cellulare

Funzione: Protegge dalla lisi osmotica, conferisce forma e agisce come sensore molecolare per l'immunità.
Peptidoglicano (Mureina): Polisaccaride formato da due carboidrati azotati con legame $\beta-1,4$ glicosidico: * N-acetilmuramico (NAM) * N-acetilglucosammina (NAG)
Lisozima: Enzima presente in liquidi biologici (saliva, lacrime) che scinde il legame $\beta-1,4$ . I commensali resistono grazie a legami $1,3$ o $1,6$ .
Batteri Gram-positivi: * Parete spessa con fino a 40 strati di peptidoglicano. * Presenza di acidi teicoici (legati al peptidoglicano) e acidi lipoteicoici (legati ai fosfolipidi). * Reticolazione tramite ponte pentaglicinico.
Batteri Gram-negativi: * Strato sottile di peptidoglicano. * Membrana esterna asimmetrica: Foglietto interno (fosfolipidi) e foglietto esterno composto da Lipopolisaccaride (LPS). * Spazio periplasmatico: Contiene enzimi catabolici e fattori tossici. * Porine: Proteine falciformi per il trasporto selettivo; coinvolte nella resistenza antibiotica.
Lipopolisaccaride (LPS/Endotossina): * Lipide A: Parte tossica (disaccaride fosforilato con acidi grassi). Negli aggressivi è molto fosforilato (>10 catene). * Core glucidico: Costante. * Antigene O: Catena polisaccaridica esterna variabile, usata per la sierotipizzazione.
Parete dei Micobatteri: Ricca di lipidi complessi (lipomannani, arabinogalattano, acidi micolici). Molto selettiva e alcool-acido resistente.
Micoplasmi: Unico genere privo di parete cellulare.

Strutture Accessorie, Mobilità e Sporulazione

Capsula: Strato polisaccaridico (o proteico/acido ialuronico) esterno. Funzione antifagocitaria, adesiva e protettiva contro i batteriofagi.
Flagelli: Costituiti da flagellina (Antigene H nei Gram-). * Motore: Convertitore energetico che usa il gradiente protonico. * Chemiotassi: Movimento orientato verso nutrienti o lontano da tossine. * Disposizione: Monotrichi (uno), Anfitrichi (due ai poli), Lofotrichi (ciuffo), Peritrichi (tutta la superficie). * Movimento a cavatappo: Tipico delle Spirochete (flagelli endoperiplasmatici).
Pili o Fimbrie: Costituiti da pilina. * Pili comuni: Organi di adesione specifica (es. E. coli usa residui di mannosio nella vescica). * Pili di tipo IV: Contrattili (es. Neisseria, V. cholerae). * Pili sessuali: Coinvolti nella coniugazione.
Spora (Endospora): Forma criptobiotica di resistenza prodotta da Clostridium (anaerobi) e Bacillus (aerobi). * Composizione: Esosporio, tunica proteica, corteccia di peptidoglicano, core disidratato. * Acido dipicolinico: Costituisce il $15\%$ del peso; fondamentale per la termoresistenza. * Germinazione: Ritorno alla forma vegetativa in condizioni favorevoli.

Nutrizione, Metabolismo e Crescita

Classificazione Nutrizionale: * Eterotrofi: Usano sostanze organiche. * Chemioterotrofi: Estraggono energia da molecole organiche (ATP).
Vie Metaboliche: 1. Respirazione Aerobia: Accettore finale $O_2$ . Resa: $38$ ATP. 2. Respirazione Anaerobia: Accettore finale composto inorganico (Nitrato, ecc.). Resa: $24$ ATP. 3. Fermentazione: Accettore finale composto organico (es. piruvato). Resa: $2$ ATP.
Fermentazione amminoacidica: Produce ammine biogene volatili (es. putrescina).
Siderofori: Molecole con affinità $10.000$ volte superiore alla lattoferrina per sequestrare lo ione ferrico ( $Fe^{3+}$ ).
Curva di Crescita (Sistema chiuso): 1. Fase di Latenza (Lag): Sintesi enzimi, nessuna divisione. 2. Fase Logaritmica (Log): Crescita esponenziale. Momento ideale per estrarre mRNA o testare antibiotici. 3. Fase Stazionaria: Numero morti = numero nati. Esaurimento nutrienti. 4. Fase di Morte: Accumulo metaboliti tossici e calo del pH.
Rapporto con l'Ossigeno: * Aerobi stretti: Necessitano $O_2$ . * Anaerobi obbligati: Uccisi da $O_2$ causa specie reattive (ROS: anione superossido $O_2^-$ , perossido di idrogeno $H_2O_2$ ). Mancano di superossido dismutasi e catalasi. * Anaerobi facoltativi: Possono usare entrambe le vie. * Microaerofili: Richiedono basse tensioni di $O_2$ . * Capnofili: Richiedono elevata $CO_2$ .
Fattori Ambientali: * Temperatura: Mesofili ( $30-36\,^\circ C$ ); l'unico patogeno che cresce a $42\,^\circ C$ è Campylobacter. * pH: Neutrofili ( $6.5-7.5$ ). Vibrio cholerae cresce a pH 9 (alcalofilo). * Water Activity ( $a_w$ ): Disponibilità di acqua libera; zucchero e sale agiscono da conservanti abbassando $a_w$ .

Metodi di Studio e Colorazioni

Colorazione di Gram: Colorazione differenziale basata sulla parete. 1. Cristalvioletto (colora tutti di blu). 2. Lugol (mordenzante, fissa il colore). 3. Alcool-Acetone (decolora i Gram-). 4. Safranina (colorante di contrasto rosso). * Risultato: Gram+ (Blu/Viola), Gram- (Rossi).
Colorazione di Ziehl-Neelsen: Per micobatteri alcool-acido resistenti. * Uso di Fucsina fenicata a caldo e successivo decolorante acido-alcool.
Metodi di Conta: * Spettrofotometria (Densità Ottica): Misura la torbidità totale (vivi + morti). * Conta Vitale (UFC): Conteggio delle colonie su terreno solido (solo vivi).
Terreni di Coltura: Resi solidi dall'Agar-agar (polisaccaride derivato da alghe, fonde a $100\,^\circ C$ , solidifica a $45\,^\circ C$ , indigeribile dai batteri).

Biofilm e Quorum Sensing

Biofilm: Comunità microbica complessa racchiusa in una matrice extracellulare (esopolisaccaridi, DNA extracellulare, proteine).
Stile di vita: Planctonico (libero, fase transitoria) vs Sessile (adesione a superfici biotiche/abiotiche).
Quorum Sensing (QS): Comunicazione cellula-cellula basata sulla densità di popolazione tramite attivatori trascrizionali. Regola: sporulazione, sintesi di tossine e farmaco-resistenza.
Impatto clinico: I biofilm proteggono i batteri dai disinfettanti, dagli antibiotici e dal sistema immunitario (inducono i macrofagi verso il fenotipo M2 anti-infiammatorio).

Immunologia

Immunità Innata (Aspecifica): Veloce, presente alla nascita. * Barriere: Cute (pH $5.6-6.5$ ), mucose, lisozima (scinde legame $\beta-1,4$ ), lattoferrina (sequestra ferro, riduce $IL-6$ ). * Sensori PRR (Pattern Recognition Receptors): TLR-4 (riconosce LPS), TLR-5 (riconosce flagellina), TLR-2 (riconosce lipoproteine). * PAMPs: Motivi molecolari associati ai patogeni. * Complemento: Sistema di proteine plasmatiche ( $C3$ è la centrale). Vie: Classica (Ag-Ab), Alternativa (legame diretto), Lectinica (Mannosio). Funzioni: Opsonizzazione ( $C3b$ ), Chemiotassi ( $C5a$ ), Complesso di attacco alla membrana ( $MAC/C5b$ ).
Cellule dell'Immunità Innata: * Macrofagi: Fenotipo M1 (pro-infiammatorio, distrugge i batteri con ROS e RNS) vs M2 (riparazione tissutale). * Neutrofili (PMN): Fagociti professionali, degranulano, formano NET (DNA estruso), muoiono formando il pus. * Cellule Dendritiche (DC): Uniche in grado di attivare i linfociti Naïve (APC per eccellenza). * Natural Killer (NK): Attività antivirale e antitumorale; rilasciano perforine e granzimi.
Immunità Acquisita (Specifica): Lenta, genera memoria. * Linfociti T: CD4+ (Helper, coordinano la risposta), CD8+ (Citotossici, inducono apoptosi). * Linfociti B: Si differenziano in plasmacellule per produrre anticorpi ( $IgM$ prime a comparire, $IgG$ persistenti).

Patogenicità e Tossine

Definizioni: * Simbioti: Mutualismo, Commensalismo, Parassitismo. * Disbiosi: Alterazione del microbiota; causa malattie polimicrobiche (Nososimbioticità). * Patobionte: Variante aggressiva di un commensale (es. E. coli AIEC nel morbo di Crohn).
Infezione Correlata all'Assistenza (ICA): Infezioni contratte in ospedale (es. cateteri infetti da S. epidermidis o P. aeruginosa).
Esotossine: Proteine secrete, ottimi antigeni (Anatossine/Tossoidi usati nei vaccini). * Struttura A-B: A (Active), B (Binding). Es. Tossina Colerica (aumenta cAMP), Tossina Difterica (blocca sintesi proteica via EF-2). * Citotossine: Formano pori. Es. Streptolisina O, Tossina Panton-Valentine (S. aureus). * Superantigeni: Causano attivazione policlonale dei linfociti T, storm citochinico e shock. Es. TSST-1. * Neurotossine: Tetanospasmina (blocca GABA/Glicina -> paralisi spastica), Tossina Botulinica (blocca Acetilcolina -> paralisi flaccida).
Endotossina (Lipide A): Termostabile, non immunogena. Causa shock settico, CID e insufficienza multiorgano (MODS) attivando $IL-1$ , $IL-6$ , $TNF-\alpha$ .

Antibiotici e Resistenza

Meccanismo d'azione: * Beta-lattamici (Penicilline, Cefalosporine): Inibiscono la sintesi della parete legandosi alle PBP (transpeptidasi). * Glicopeptidi (Vancomicina): Bloccano la reticolazione legando la D-Ala-D-Ala. * Macrolidi (Eritromicina): Inibiscono la subunità $50s$ . * Aminoglicosidi: Inibiscono la subunità $30s$ ; nefrotossici e ototossici. * Chinoloni: Inibiscono la DNA girasi (topoisomerasi).
Resistenza: * Naturale: Es. Micoplasmi resistenti ai beta-lattamici (manca parete). * Acquisita: Mutazioni o Scambio Orizzontale (Trasformazione, Coniugazione, Trasduzione). * Meccanismi: Pompe di efflusso, enzimi idrolizzanti (Beta-lattamasi), ESBL, alterazione del bersaglio (es. MRSA via gene mecA).
Antibiogramma: Determina la MIC (Minima Concentrazione Inibente) e la MBC (Minima Concentrazione Battericida).

Vaccinologia

Tipi di vaccini: * Microrganismi inattivati: Morti (es. influenza). * Microrganismi vivi attenuati: Migliore risposta mucosale ( $IgA$ ), ma meno stabili (es. Sabin per Polio). * A subunità/Ricombinanti: Es. Epatite B ( $antigene\, S$ ). * AD RNA messaggero (mRNA): Veicolati da nanoparticelle (es. Sars-Cov-2). * Vaccini coniugati: Polisaccaridi capsulari legati a proteine per stimolare i linfociti T nei bambini (es. Pneumococco, Meningococco).
Immunità di popolazione: Richiede una copertura del $95\%$ per proteggere i non vaccinabili.

Batteriologia Speciale

Staphylococcus aureus: Coagulasi+, Catalasi+. Causa infezioni suppurative, sindrome della cute scottata, intossicazioni alimentari (tossine termostabili).
Streptococcus pyogenes (GAS): $\beta$ -emolitico Gruppo A. Causa faringite, scarlattina, fascite necrotizzante, febbre reumatica (reazione crociata con proteine cardiache).
Streptococcus pneumoniae (Pneumococco): $\alpha$ -emolitico. Causa polmonite lombare, otite, meningite. Possiede capsula polisaccaridica.
Mycobacterium tuberculosis: Bacillo alcool-acido resistente. Infezione latente (granuloma/tubercolo) vs Malattia attiva. Diagnosi: Mantoux, test IGRA.
Clostridium difficile: Causa colite pseudomembranosa post-antibiotica. Spore resistenti. Trattamento: Trapianto di microbiota fecale nelle recidive.
Enterobacteriaceae: * Salmonella: Forme non tifoidi (zoonosi da polli) vs Tifoidee (S. typhi, serbatoio umano). * Escherichia coli: ETEC (diarrea del viaggiatore), EHEC ( $O157:H7$ , causa SEU), UPEC (infezioni urinarie).
Helicobacter pylori: Spiraliforme, ureasi+. Produce ammoniaca per neutralizzare il pH gastrico. Causa ulcera e adenocarcinoma.
Chlamydia trachomatis: Endocellulare obbligato, dimorfico (Corpo Elementare infettante / Corpo Reticolare replicativo). Causa cecità (tracoma) e sterilità.
Spirochete (Treponema pallidum): Causa sifilide (stadio primario: sifiloma; secondario: rash; terziario: gomme/neuro-cardiosifilide). Diagnosi sierologica (VDRL/TPHA).