ASOCIACIONES SIMBIOTICAS, PATOGENICIDAD Y VIRULENCIA Bacteriología y Micología Veterinaria M. en C. Gerardo Castillo Otoño 2011

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 Comensalismo Mutualismo Parasitismo Tres tipos de simbiosis:

Comensalismo Cepas no patógenas de E. coli 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

Endoparásito o ectoparásito Hospedero reservorio Hospedero final Hospedero intermedio Hospedero de transferencia

Interacción Microorganismo-Hospedero PATOGENO/ (Factores de Virulencia o de Asociación) Regulación de la Expresión Transducción de Señales MEDIO AMBIENTE HOSPEDERO (Respuesta Celular) Modulación de la Respuesta

PERSISTENCIA (CRONICIDAD Y LATENCIA) CONTACTO MICROORGANISM0 HOSPEDERO SIMBIOSIS DAÑO TIEMPO COMENSALISMO G ERRADICACION INMUNE Y TERAPEUTICA INFECCION MUERTE H C A ELIMINACION B DAÑO TIEMPO ENFERMEDAD D E TIEMPO COLONIZACION DAÑO F TIEMPO PERSISTENCIA (CRONICIDAD Y LATENCIA) DAÑO

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

Equilibrio salud- enfermedad Numero de organismos presentes Virulencia Defensas del hospedero

Virulencia Toxigenicidad Infectividad Invasividad

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.

PATOGENESIS La interacción recíproca entre un microorganismo patógeno y su célula hospedera es el aspecto central de la patogénesis. La patogénesis es también un problema ecológico y depende de interacciones complejas y continuas entre organismos evolutivamente dispares, en ambientes que están en constantes cambios 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

+ Patogénesis Mediada por Hospedero Patogénesis Mediada por Bacteria Toxinas Secretadas + Antígenos Leukocitos Respuesta celular inmune e inflamatoria prolongada Daño a células somáticas Mecanismos Generalizados de patogénesis bacteriana

Curvas Daño-Respuesta de Patógenos Microbianos Clase 2 Clase 3 Clase 1 Daño Respuesta Clase 4 Clase 6 Clase 5

Patogenicidad y Virulencia 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 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. Un microorganismo patógeno posee la capacidad de provocar un daño, a cualquier nivel, en un organismo hospedero susceptible

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

Bases Moleculares de la Interacción Microorganismo -Hospedero Tropismo: Especificidad tisular y de hospedero. Multiplicación: Tiempo de generación media, incluye factores para recuperar nutrimentos y evadir la eliminación por el hospedero. Citotoxicidad: Daño a los tejidos del hospedero.

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

Inhibición de C3b Proteína M Streptococcus pyogenes Carotenoides Estallido respiratorio Proteína A Unión a región Fc de IgG Staphylococcus aureus

Estrategias y Factores de Virulencia: Fases Tempranas Factor de virulencia Adherencia Adhesinas fimbriales y afimbriales Movilidad y Quimiotaxis Flagelo, fimbrias tipo IV Invasión por disparo o cierre Sistema de secreción tipo III, “Jeringas” moleculares, Efectores de mimetismo molecular

A B Figura 1. A. Para algunos patógenos, la adhesión estrecha de la bacteria a la superficie celular produce una polimerización modesta de la actina, solo en la vecindad inmediata del sitio de interacción bacteriana (mecanismo “zipper” de inducción de la fagocitosis). B. Para otros patógenos, la célula huésped altera su membrana, produciendo filamentos largos sobre la bacteria 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 Interacción de S. typhimurium con células del epitelio intestinal. (A) Microfotografía electrónica de barrido de células intestinales Caco-2 infectadas. (B y 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 Factor de virulencia Sobrevivencia intracelular Sideróforos, Efectores de mimetismo molecular, Movilidad Intracelular Efectores de escape vacuolar y de unión a componentes del citoesqueleto, Evasión de la respuesta inmune y Variación antigénica Cápsula, modificación de la envoltura celular, proteínas similares a inmunoglobulinas. Alteración y/o ausencia de la presentación inmunológica Sometimiento y Confrontación Uso y modificación de las enzimas hospederas, Proteasas de IgAs, Adherencia a receptores alternativos

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 Facultative intracellular bacteria: Salmonella Shigelia Yersinia Oblígate intracellular bacteria: Rickettsia Chlamydia Coxiella Host cell Extracellular bacteria: Vibrio cholerase Pseudomonas E. coli (ETEC) Pathogenic bacteria, indicating their preferred growth phase within the host

Sobrevivencia Mediada por Fagocitosis Hospedero -Dirigida

Strategies to survive in macrophages 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 degraded in 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

Exotoxinas bacterianas Tipo Blanco Mecanismo Tipo de toxina I Envoltura celular, membranas Interferencia con la transducción de señales, activación inapropiada de receptores celulares Enterotoxinas termoestables Superantígenos 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

Multiple Biologic Activities Exhibited by the Lipid A Component of Endotoxin Pyrogenicity Leukopenia , leukocytosis Complement activation Depression of blood pressure Hageman factor activation Plalelet activation Induction of plasminogen activator Bone marrow necrosis Hypothermia in mice LeIhal toxicity in mice Induction of prostaglandin sinthesis Induction of nonspecific resistance to infection Induction of endotoxina tolerance Adjuvant activity Mitogenic activity for lymphocytes Macrophage activation Induction of interleron synthesis Induction of necrosis factor synthesis

Intracellular bacteria that induce and/or inhibit host cell apoptosis Host cells Apoptosis Host targets Shigella (IpaB) Macrophages Induction Caspase-1 Salmonella (SipB) Listeria (LlyO) Hepatocytes, dendritic cells, lymphocytes Unknown Legionella Macrophages,epithelial cells Caspase-3 Yersinia (YopJ/YopP) TNF-a, NF-kB, MAPKK Mycobacterium (Cell Wall) Induction and inhibition TNF-a, Caspase-1 Chlamydia Epithelial cells, Macrophages Caspase-3, cyt c Rickettsia Epithelial cells NF-kB Coxiella TNF-a [a]Abbreviations: cyt c, cytochrome c; MAPKK, mitogen-activated protein kinase kinase; NF-kB, nuclear factor B; TNF-a, tumor necrosis factor

APAF1, factor apoptotico activante de proteasa 1; CAD, desoxirobonucleasa activada por caspasa; MAPKK, proteína cinasa de cinasa activada por mitogen;NF-kB, factor nuclear B; TNF-a, factor de necrosis tumoral

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 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 Immune response affected Pathogen Bacterial factor/mechanism Induction of apoptosis/cytotoxicity Shigella flexneri Yersinia IpaB activation of pro-caspase 1 YopJ/P injection into macrophages Inhibition of apoptosis Chlamydia Mycobacterium tuberculosis IL-10-induced TNF- suppression Increased expression of bcl2 and Rb Inhibition of cytokine production Bartonella Vibrio cholerae IL-10 induction suppresses other cytokines CT inhibition of IL-12 secretion Cytokine overproduction Bordetella pertussis Helicobacter pylori Pertussis toxin induction of IL-1 and IL-4 IL-8 induction Evasion of host antibodies Staphylococcus aureus Peptostreptococcus magnus Protein A binding of IgG blocks phagocytosis Protein L binding of light chains Phase/antigenic variation Neisseria gonorrhoeae Modulation of pilin Modulation of PAI and CagA