Patogenita

1. Patogenita • Pathogenita je schopnost pathogenavyvolat infekční onemocnění organismu. • Často je zaměňovaná za termín virulence , tento termín mnoho autorů ponechává k popisu relativního stupně poškození způsobeného pathogenem. Virulence je schopnost mikroorganismu napadat krevní oběh.

2. Základní pojmy • Symbiosa– soužití dvou typů organismů • Komensalismus– jeden z partnerů má ze spojení určité výhody, ale druhý je neovlivněn. Propionibacterium sp. žije na povrchu kůže z kožního sekretu, ani neškodí, ani neprospívá • Mutualismus – prospívá oběma partnerům. E.coli a člověk vitamin K a některé vitaminy B, vstřebávají se v tlustém střevě, hostitel chrání životní prostředí • Parasitismus– jeden organismus získává výhody na úkor druhého. Všechny živé organismy mohou sloužit jako hostitelé dalším organismům. Hostitel –makroskopický organismus, parasit – mikroskopický.

3. Patogen – mikroorganismus vyvolávající onemocněnní • Pathogenita – schopnost vyvolávat onemocnění Patogen má schopnost průniku do hostitele a obsadit tam svou „niku“. Přitom často buď přímo nebo nepřímo poškodí buňky hostitele. Dovede prolomit ochranné bariéry hostitele a zaujmout specifická místa.

4. Pathogen je jakýkoli mikroorganismus, který přímou interakcí (infekcí) s jiným organismem, většinouvícebuněčnýmvyvolá onemocnění tohoto organismu. Pathogen tedy není jakýkoli mikroorganismus, který je náhodně spojen s onemocněním. Např. mikrob, který produkuje TOXIN, který vyvolá onemocnění v nepřítomnosti produkčního mikroorganismu nemůže být považován za pathogena.

5. Claviceps purpureamůže být považován za pathogena skupiny obilovin, ale nemůže být označen jako pathogen pro člověka, i když požití ergotových alkaloidů,vyvolává u člověka ergotimus. Oportunistický pathogen je organismus, který je schopen samostatné existence, nebo který je normální součástí mikroflory člověka, ale může se za určitých podmínek stát patogenem. To nastává v případech, kdy normální obranný systém organismu je poškozen a je neúčinný.

6. Definice patogenity Jaké má patogen odlišné vlastnosti, které jej oddělují od komensálních typů? Některé základní determinanty patogenity jsou na mobilních genetických elementech – bakteriofágy a plasmidy.

7. Trojúhelník onemocnění: kompatibilní interakce mezi patogenem a hostitelem končí nemocí při vhodných vnějších podmínkách. Nejsou-li všechny podmínky splněny, nemoc nepropukne.

8. Virulemce • Virulence je individuální vlastnost pathogena (např. bakterie nebo viru), která vyjadřuje stupeň pathogenity určitého mikrobiálního kmene ve srovnání s ostatními kmeny daného druhu. Také se dá říci, že jednotlivé kmeny jsou různě virulentní. • Virulence se určuje například podle schopnosti mikroba vyvolat onemocnění či v rámci něho usmrtit hostitele. Kmeny, které mají tak nízkou virulenci, které téměř nezpůsobují onemocnění, ačkoliv daný druh patogenní je, se nazývají avirulentní (a daná vlastnost avirulence).

9. Bakteriální virulence • Virulence – porovnatelný stupeň patogenity • A. LD50 – míra virulence, počet mikroorganismů nezbytných k usmrcení 50% pokusných zvířat nebo buněk v kultuře. • B. ID50 - míra virulence, počet mikroorganismů nezbytných k vyvolání infekce u 50% pokusných zvířat nebo buněk v kultuře. • C. LD50 bakterie A u králíka je 1000 organismů, zatímco pro bakterii B 5000 organismů. Která bakterie je více virulentní?

11. Determinanty virulence bakterií • A. adheziny– proteiny bakterií, umožňují bakterii připevnění a kolonizaci hostitelských buněk • 1. Pili (fimbrie)‏

12. Adheze • Adheze Mnoho bakterií musí nejprve obsadit povrch buněk hostitele. Mnoho bakteriálních a hostitelských molekul, které jsou součástí mechanismu adheze již bylo identifikováno. Často, jsou bakteriální receptory buněk hostitele nezbytnými proteiny pro další funkce.

13. Kolonizace • Některé virulentní bakterie produkují speciální proteiny, které jim umožňují kolonizaci částí těla hostitele. Helicobacter pylorije schopen přežít v kyselém prostředí lidského žaludku tvorbou enzymu ureasa. Kolonizace žaludku pak vede k vředům. • Virulence různých kmenů Helicobacter pylori značně koreluje se stupněm produkce ureasy.

14. 2. Mediátory aktivní invaze 1.invasiny- proteiny bakteriálního povrchu startující invazi do hostitelské buňky 2.indukovanáfagocytosa:L.monocytogenes produkuje internalin reagující s E-cadherinem hostitelské buňky 3.InvasinE. coli EPEC - Hp90 hostitelské buňky

15. invazivita • Některé virulentní bakterie tvoří proteiny, které poškozují membrány hostitelských buněk nebo stimulují endocytosu do hostitelských buněk. • Tyto virulenční faktory umožňují bakteriím vstup do hostitelských buněk a usnadňují tak vstup do těla přes povrchové vrstvy epithelu.

16. Virulence internalin Listeriolysin, lecitinasa Aktinová vlákna Faktory virulence jsou umístěny v lecithinasovém operonu a jejich transkripce ke regulována transkripčním aktivátorem PrfA.

17. 3. Mediátory pasivní invaze bakterie se váže na molekuly hostitele k usnadnění invaze fagocytů Legionella pneumophila a Mycobacterium spp. obě se vážou na komplement C3b a fragmenty C3bi - alveolární makrofágy

18. 4. Bičíky lineární přívěsky delší nežli „pili“ a) pohyb a průnik do tkání b) umožňují chemotaxi Nejvíce glykosylované bakteriální proteiny jsou flagelinyCampylobacter jejuni a Campylobacter coli.fla geny Flagelin z kmene C. jejuni 81–176 byl glykosylován na 19 serinových nebo threoninových zbytcích, a C. coli VC167 na přibližně 16 místech.

19. Typická patogenní buňka

20. 5.Toxiny Mnoho faktorů virulence jsou proteiny bakterií, které otravují hostitelské buňky a působí poškození tkáně. Na př.mnoho toxinů tvoří bakterie přenášené potravinami. Některé pak přetrvávají v potravině i po tepelné úpravě a vyvolávají po konzumaci onemocnění.Některé bakteriální toxiny jsou však inaktivovány po záhřevu.

21. Typy toxinů • Endotoxiny a exotoxiny. • Endotoxin je lipopolysacharid (LPS), který je součástí vnější membrány Gramnegativních bakterií. • Lipid A složka LPS má toxické vlastnosti. • LPS je velmi účinným antigenem a stimuluje účinnou imunitní odpověď hostitele. Jako část této odpovědi jsou uvolňovány cytokiny, které vyvolávají horečku a další symptomy onemocnění. Je-li přítomna vysoká hladina LPS nastává septický šok (nebo endotoxický šok),může vyvolat i smrt.

22. 5. Toxiny a) Endotoxiny- lipopolysacharidy G- - strukturální protektivní složky pouzdra - toxická aktivita Lipidu A b) Exotoxiny G- a G+ c) Enterotoxiny –Staphylococcus aureus

23. 6. Získání Fe 1. Siderofory- sekretované bakteriemi a) vysoká afinita k Fe b)komplex Fe-siderofor -internalizován c) některé bakterie užívají siderofory jiných druhů - hub 2. Některé bakterie vážou transferin a laktofe- rin přímo: Neisseria meningitidis Haemophilus influenzae

24. Získávání Fe V tělech teplokrevných živočichů (a lidí) je Fe vázané na transportní proteiny: transferin a laktoferin. Koncentrace volného Fe je zanedbatelná a k přežití patogena je nutné Fe získat. E. coli – siderofory – nízkomolekulární chelátory Fe, enterobaktin a aerobaktin. Yersiniayersiniabaktin,kódovanýHPI ( highpathogenity island)‏ Nalezen u všech patogenních variantE. coli

25. Modelové zobrazení způsobu získávání železa u Proteus mirabilis Receptory na OM jsou červené Vstup hemu je zelený Údajný systém vstupu Fecitrátu je oranžový Proteiny účastnící se bio-syntézy sideroforů- modré. Fialový je kolicinový receptor. Cytoplasmatické Fe proteiny-bílé, Hnědé -removal

26. Receptory na OM jsou červené Vstup hemu je zelený Údajný systém vstupu Fecitrátu je oranžový Proteiny účastnící se bio-syntézy sideroforů- modré. Fialový je kolicinový receptor. Cytoplasmatické Fe proteiny-bílé, Hnědé -removal

27. 7. Inhibice imunitní odpovědi • Mnoho bakterií produkuje faktory virulence, které inhibují hostitelův imunitní obranný systém. • Na př. běžnou bakteriální strategií je tvorba proteinů, které se vážou na protilátky hostitele. • Polysacharidové pouzdroStreptococcus pneumoniae inhibuje fagocytosu této bakterie buňkami imunitního systému.

28. Úloha pouzder • Pouzdra, tvořená polysacharidy umístěná na vnějších strukturách mnoha bakterií včetně Neisseria meningitidis (příčinným faktorem meningitis). • Pouzdra mají významnou roli při úniku působení imunitního systému,neboť inhibují fagocytosu a ochraňují bakterie mimo hostitele.

29. 8. Složky modulující imunitní odpověď 1. mnoho z nich je uvolňováno sekrecí III - po kon-taktu s cílovou buňkou 2. Destrukce fagocytosy - injikované proteiny lyzují fagocyt: Yersinia spp., Shigella spp., Salmonella spp., 3. Injikovaný protein znemožní fagocytosu – YopHYersinia - defosforyluje proteiny fagocytu

30. Sekrece typu III

31. 8. Složky chránící předimunitní odpovědí 1. Pouzdro - polysacharid, nebo komplex polysacharidu s proteiny na povrchu bakterie 2. Chrání před aktivací komplementu a fagocytosou 3. Preventivní tvorba C3bBb na povrchu bakterie zmenšuje opsonizaci vyvolanou C3b 4. Lipopolysacharid -LPS znemožňuje tvorbu „membrane attack complex“ MAC, délka řetězce O-antigenu je kritická

32. 9.Složky mechanismu umožňující ochranu před protilátkami 1.Staphylococcus aureus - protein A a protein GStreptococcus pyogenes vážou Fe složku protilátky a znemožňují opsonizaci 2. Variace antigenu - proměnlivost povrchových složek :LPS, bičíky, pili, pouzdro, proteiny vnější membrány

33. 10. Enzymy 1. IgA proteasa, štěpí IgA a) zabraňuje fagocytose působené Fc receptory protilátky b) nalezena u H. influenzae, A. meningitidis 2.Tkáň poškozující exotoxiny - penetrace 3. Ostatní exotoxiny

34. 11.Genydeterminant virulence jsou buď na chromosomu, plasmidu nebo fágu Shigella a Salmonella spp. jak chromosom, tak plasmidy 2. Příklady fága: Corynebacterium diphtheriae - difterický toxin Vibrio cholerae - cholera toxin

35. Virulenční faktory • Virulenční faktory bakterií jsou specifické proteiny nebo jiné molekuly, tvořené enzymovou činností. • Tyto proteiny jsou kódované geny na chromosomální DNA, bakteriofágové DNA nebo na plasmidech. Bakterie užívají quorum sensing pro synchronizaci sekrece těchto molekul. Jsou bezprostředními příčinami úmrtnosti hostitele.

36. Campylobacter jejuni - OMV • Váčky vnější membrány – specifický sekreční systém • Proteomika – 151 proteinů, některé z OM, ale také CDT (cytoletální distendní toxin) heterotrimerní toxiny tvořené proteobakteriemi, mají Dnasovou aktivitu. • Tyto toxiny spouští zástavu buněčného cyklu v G2/M fázi u specifických buněčných linií, která vede ke zvětšeným nebo „oteklým“buňkám, podle kterých byl toxin nazván. Postižené buňky odumírají apoptosou. • Každý toxin sestává ze 3 rozdílných podjednotek, označených abecedně, v pořadí jak jsou kódující geny umístěny v cdt operonu. Cytoletální distendní toxiny náleží mezi AB toxiny. s aktivní ("A") podjednotkou, která přímo napadá DNA a vazebnou ("B") podjednotkou napomáhající toxinu připojení k cílové buňce. CdtB je aktivní podjednotka a homolog k savčí DNase1, CdtA a CdtC jsouvazebné podjednotky.

37. OMV – váčky vnější membrány • Genom Camp. Jejuni nemá sekreční systémy • Jediný analog sekrece typu III jsou bičíky, zajišťují sekreci invazních antigenů. • Velikost 10 – 500 nm průměr. Obsahují složky vnější membrány (proteiny, fosfolipidy, lipoologosacharidy, periplasmatické proteiny, a také β-laktamasy, alkalickou proteasu, hemolytickou fosfolipasu C.) • Kromě CDT (CdtA, CdtB a CdtC), vazebné proteiny fibronektinu, glykosylační proteiny.

38. DNA sondy založené na genech spojených s virulencí Cílový gen sonda specifita α–listeriolysin přirozená L. monocytogenes syntetická L. monocytogenes β –listeriolysin přirozená L. monocytogenes syntetická L. monocytogenes Oddálená hyper- přirozená L. monocytogenes sensitivita (DTH) L. ivanovii α–listeriolysin – SH aktivovaný hemolysin (60 kDa) Hly listeriolysin O β–listeriolysin – β-hemolysin, 5.2 kb DNA

39. Problém nemocničních infekcí • V USA tyto infekce patří mezi 10 nejčastějších příčin smrti. • Infekce E. coli v nemocnici – když epidemie zvládnuta do 1 týdne nepředstavuje riziko, když měsíc – zemře až 10% dětí. • Salmonelosa – mimo nemocnici dnes není smrtelná, při nemocničních infekcích zemře až 1/7 nakažených. • Klebsiela – 2× smrtelnější v nemocnici.

40. Válka a virulence • Evakuační nemocnice ve Francii za 1. světové války – 360 lůžek pro pacienty s respiračními chorobami, za 3 měsíce tudy prošlo 34000 osob. • Chřipka – 3 měsíce před a 3 po konci války – 10× větší úmrtnost, během 3 let se vrátila k normálu (0,1%). Celkem na španělskou chřipku zemřelo 20-40 milionů lidí. • Americká Občanská válka – první rok umírala na průjmová onemocnění 3% pacientů, nakonec 20%. (Úmrtnost na malárii byla po celou dobu stejná.) • Z Napoleonovy armády 0,5 mil. se vrátilo z Ruska 130 tisíc. Teprve ve 2. světové válce padlo více vojáků v boji než zemřelo na nemoci.

41. Genetika patogenity • Geny podmiňující patogenitu jsou nápadně často součástí PAIS (Pathogenicity Islands) – až 200 kB, často odchylný obsah GC párů, často ohraničeny IS elementy. • Přítomnost určitých genů naznačuje možnost horizontálního šíření. Vibrio cholerae – PAI kóduje pilus na který přisedá fág s choleratoxinem. S. aureus – PAI kóduje toxin toxického šoku, může být přenesen do jiné buňky. • Geny s možností horizontálního přenosu mají tendenci poškozovat svého nositele, samy mohou včas opustit potápějící se loď.

42. Ostrůvky pathogenity • Úseky DNA, obklopené sekvencemi pro tRNA • %GC je relativně nízké při porovnání se zbytkem genomu • Obsahují sekvence, které jsou unikátní pro daný organismus • Jsou často značně velké (>20kb)

43. Pathogenicity islands (PAIs) • Jsou zvláštní třídou genomických ostrovů, které jsou přenášeny horizontálním transferem. • Jsou včleněny do genomu pathogeních mikroorganismů , nejsou přítomny v nepathogenních organismech téhož nebo úzce příbuzného druhu.Mohou být také na plasmidech . • Obvykle zabírají relativně velké úseky genomu od 10-200 kb a kódují geny přispívající k virulenci pathogena. • Typické vlastnosti jsou adherenční faktory, toxiny, systém na vstup Fe, invazní faktory a sekreční systémy. • Ostrovy pathogenity jsou samostatné genetické jednotky obklopené repetitivními sekvencemi, inserčními sekvencemi nebo tRNA geny, které jsou místy pro rekombinace do DNA. • Vyskytuje se též geny kryptické mobility, které ukazují původ transdukce. • Analogní genomické struktury u rhizobií jsou označovány jako ostrovy symbiosy.

44. Vlastnosti PAI • 1. PAIs kódují jeden nebo více faktorů virulence: adheziny, toxiny, invasiny apod.,. • 2. Jejich obsah GC se často liší od zbytku genomu. • 3. Jsou obklopeny přímými repeticemi: Sekvence bazí na obou koncích jsou totožné. • 4. PAIs jsou spojeny s geny pro tRNA, která tak určují cílová místa k integraci do DNA • 5. PAIs nesou i další funkční geny např. integrasa, transposasa, nebo části inserčních sekvencí. • 6. Representují nestabilní oblasti DNA. Mohou se pohybovat od jednoho tRNA lokusu ke druhému, nebo být deletovány. • 7. Site- specific integrace PAIs bývá zprostředkovaná integrasou a rekombinasou. • 8. Jsou přenositelné jako samostatné jednotky do nových buněk a tak vytvářet virulenci u původně neškodných kmenů.

45. PAI • Jeden druh bakterie může obsahovat více než jeden PAI. (např. Salmonella má minimálně 5). • PAIs jsou umístěny převážně v Gram negativních buňkách ,ale není to pravidlo. • Některé byly prokázány v Gram-pozitivních buňkách. • Jsou u pathogenů, které mají přenesené geny plasmidy, fágy nebo konjugativním transposomem. • Jejich přenos je horizontální přenos genů.

46. Velké inserty DNA- pathogenicityislands (Pais)‏ • Tyto úseky DNA nejsou u nepatogenních mikroorganismů • EPEC (enteropatogenní E.coli) 35 – 170 kb • Celá řada genů virulence • Některé geny nalézané na Pais – nápadná homologie • Podobně geny na plasmidech virulence

47. Sekreční systém typu III • Spouští se pokontaktu s hostitelskoubuňkou • Dopravujeúčinnémolekulynapovrchhostitelskébuňky • DNA složeníPaisje odlišnéodvětšinygenůnachromosomu • Pais– jedinečnésekvence „přímáopakování“ a inserčnísekvence IS

49. Šíření Pais – horizontální přenos • Bakteriální populace majícharakterklonů • Většinaklonůmáodlišnékombinacegenů • VstupPaisneznamenávzniknovéhodruhupatogenu • Variantystejnéhodruhupatogenujsoučasté – nadbytekserotypůSalmonella

50. Více o „pathogenity islands“ • Pathogenicity islands (PAIs) jsou zřetelně odlišnou skupinou „genomových ostrůvků“, které jsou šířeny horizontálním přenosem. • Jsou začleněny do genomu pathogenního mikroorganismu a obvykle chybí v nepatogenních příbuzných druzích téhož organismu. • Jsou velké od 10 do 200 kB a kódují geny přispívající k virulenci daného pathogena. Typickými příklady jsou geny pro adherenci, toxiny, získávání Fe, invazní faktory a sekreční systémy.