Pseudomonas aeruginosa

1. Cattedra di Microbiologia Pseudomonas aeruginosa

2. Pseudomonas Pseudomonadaceae Pseudomonadi 140 specie

3. Habitat generale • Suolo, acqua, ambienti marini • Regolarmente presente sulle superfici delle piante • Patogeni delle piante: lattuga, funghi • Contaminanti delle piante: fiori, insalata • Occasionalmente presente sulla superficie di alcuni animali

4. Caratteristiche generali • Gram-negativo • Non sporigeno • Bacilli diritti o leggermente curvati • Mobile: uno o più flagelli polari; chemiotattico • Aerobio: non fermentante • Può utilizzare accettori di elettroni alternativi (NO3) • Pseudomonas spp. utilizza > 150 sostanze come sorgenti carboniose

5. Caratteristiche generali • Importante nella decomposizione aerobica • e nel recupero di sostanze utili per trasformazione • Degrada sostanze quali: idrocarburi alifatici e aromatici, acidi grassi, insetticidi, naftalene, salicilati, toluene e altri inquinanti ambientali • Eccezioni: Teflon, Styrofoam, one-carbon sostanze ad un solo atomo di carbonio (metano, metanolo) • Pigmenti: limitationi da ferro e acquisizione di ferro

6. Caratteristiche generali • Elevata antibiotico-resistenza • 13 plasmidi di resistanza conosciuti • plasmidi ad ampio “host-range” • Transferimento a qualsiasi specie Gram-negativa • Efficienti pompe d’efflusso • Formazione di biofilm

7. Patogeno umano • Patogeni principali • P. (Burkholderia) mallei • P. (Burkholderia) pseudomallei • Patogeni opportunistici • P. aeruginosa nelle piante e negli animali • “bassa virulenza” • Colpisce sistemi di difesa degli ospiti compromessi

8. Habitatdi P. aeruginosa • Prevalentemente tutti i siti del corpo • urinario, respiratorio, ferite, sangue • Materiali ospedalieri • Soluzioni di antisettici e disinfettanti, acqua, soluzioni saline, utensili e strumentazioni mediche, unghie, etc. • Cibo (insalate) e fiori

9. Caratteristiche di P. aeruginosa • Gram-negativo • Terreno e acqua: ubiquitario nosocomiale • Bacilli con un solo flagello polare: fortemente mobile • Disponibile in forma planktonica o biofilm • Aerobio, ma utilizza anche NO3 (anaerobio) • non-fermentante • Versatile dal punto di vista metabolico: 75 sostanze organiche • Temperatura ottimale: 37°C (T crescita fino a 42°C) • Tollerante ad alte concentrazioni di sale, antisettici, antibiotici

10. Colorazione di Gram di Pseudomonas aeruginosa

11. Pseudomonas aeruginosa: scanning electron micrograph, CDC

13. The soluble blue pigment pyocyanin is produced by many,but not all, strains of Pseudomonas aeruginosa

14. Caratteristiche di P. aeruginosa • Produce pigmenti solubili • Pioverdina: pigmento fluorescente (lampada di Woods) • Piocianina: pigmento blu • in ambienti scarsi di ferro • Resistenza agli antibiotici • Barriera di permeabilità di membrana, LPS • Formazione di biofilm • Plasmidi di resistenza (R) • Sistemi efficienti di efflusso • Sensibilità agli antibiotici : fluorochinoloni, gentamicina and imipenem

15. Patogenesi di P. aeruginosa • Infezioni opportunistiche • Topo normale: LD50: 108 • Topo ustionato: LD50: <102 • Infezioni nosocomiali • 3-5% pazienti che entrano in ospedale • 20% pazienti che lasciano l’ospedale • Compromissione delle barriere plus deficienza immunitaria

16. Patogenesi di P. aeruginosa Patologie • Dermatiti • Infezioni dell’orecchio • Lenti a contatto • Polmoniti acute e croniche • Endocarditi • Setticemie • Infezioni del tratto urinario (UTI)

17. Patogenesi di P. aeruginosa • Adesione e colonizzazione • Colonizzazione locale • Tossinogenica • Patologie disseminate

18. Adesione di P. aeruginosa • Aderisce alle cellule epiteliali • Galattosio, mannosio o recettori degli acidi sialici • Pili: estremità specializzate • Primo aminoacido: N-metil-fenilalanina • asialoGM1 gangliosidi esposti da neuraminidasi di P. aeruginosa (residui di acidi sialici) • Fimbrie: recettori esposti da proteasi che degradano fibronectina delle cellule epiteliali

19. Adesione di P. aeruginosa • Adesine: esoenzimi S che si attaccano a glicolipidi • Adesine: non definite che si legano alla mucina • LPS: si lega al CFTR (regolatore di conduttanza transmembrana della fibrosi cistica) • Biofilm: esopolisaccaride (alginato)

20. Colonizzazione locale di P. aeruginosa • Diffusione o disseminazione • Elastasi • distrugge epiteli (polmoni) ed endoteli (vasi sanguigni) • distrugge il collagene, IgG, IgA, complemento, fibronectina • Due componenti: LasA lega le proteine; LasB le digerisce • Proteasi alcaline • lisa la fibrina • Citotossina • proteina che forma pori • Due emolisine • fosfolipasi e lecitinasi • Ramnolipidi • Non enzimatici • un surnatante che solubilizza i fosfolipidi

21. Invasione delle cellule ospiti • Acquisizione endocitica delle cellule ospiti e traslocazione • Invasine: geni batterici

22. Tossinogenesi di P. aeruginosa • LPS • Esoenzima S (ExoS) • escrezione di Tipo III : applicazione esogena che non uccide le cellule • ADP-ribosilazione • Effetti • Scompensa cellule PMN • Scompensa il “signaling” per le citochine

23. Tossinogenesi di P. aeruginosa • Esotossina A (tossina A) • Escrezione di tipo III • ADP-ribosilazione del fattore di elongazione di tipo 2 • come la tossina difterica (distinta antigenicamente) • Differenti recettori dell’ospite • Attività locale necrotizzante • La tossina purificata è letale • ExoU • Non ancora ben studiata: inattiva i macrofagi

24. Colonizzazione locale di P. aeruginosa • Mutazioni fenotipiche • da ceppi non mucoidi (smooth) a mucoidi • Produzione di alginato (mucoide) • Esopolisaccaride • Un operone composto da diversi geni • Funzioni sconosciute • Adesine: alla mucina • Formazione di biofilm • Modifica in LPS • dalla forma B: le catene dell’antigene O sono caricate negativamente • alla forma A: catene dell’antigene O più corte, cambi nella combinazione degli zuccheri, gli zuccheri sono neutri • Più resistenti alle defensine?

25. Disseminazione di P. aeruginosa (evasione batterica) • Non chiaro come il batterio causa malattie sistemiche • Antifagocitario: LPS (serotipi), capsula, alginato, biofilm • Anti-anticorpo: Proteasi digeriscono IgG, IgA • Anti-complemento: proteasi; LPS, capsule • Anti-citochine: elastasi e proteasi alkaline degradano IFN- e TNF • Endotossine (Lipid A del LPS) provoca febbre, ipotensione, coagulazione intravascolare

26. Difese dell’ospite a P. aeruginosa • Anticorpi opsonizzanti • Fagocitosi • Anticorpi anti-tossine • Ancora alti livelli di anticorpi in pazienti infettati da P. aeruginosa affetti da fibrosi cistica

27. Chemioterapia • Antibiotici efficaci : fluorochinoloni, amoxicillina, gentamicina, imipenem • Naturalmente resistenti alla maggior parte degli antibiotici • Imipenem entra via OprD2 (outer membrane porin D2) • Fluorochinoloni superano la membrana esterna secondo una via porino-independente legandosi al LPS caricato negativamente; cambi del LPS dalla forma B ad A • Pompa d’efflusso degli antibiotici: estrudono gli antibiotici fuori dalla cellula batterica

28. Summary Virulence Factors

29. Summary Virulence Factors Adhesins fimbriae (N-methyl-phenylalanine pili) polysaccharide capsule (glycocalyx) alginate slime (biofilm) Invasins elastase alkaline protease hemolysins (phospholipase and lecithinase) cytotoxin (leukocidin) siderophores and siderophore uptake systems pyocyanin diffusible pigment

30. Summary Virulence Factors Motility/chemotaxis Flagella Toxins Exoenzyme S Exotoxin A Lipopolysaccharide Antiphagocytic surface properties capsules, slime layers LPS

31. Summary Virulence Factors Defense against serum bactericidal reaction slime layers, capsules LPS protease enzymes Defense against immune responses capsules, slime layers protease enzymes

32. Summary Virulence Factors Genetic attributes genetic exchange by transduction and conjugation inherent (natural) drug resistance R factors and drug resistance plasmids Ecologic criteria adaptability to minimal nutritional requirements metabolic diversity widespread occurrence in a variety of habitats