Staphylococcus epidermidis

Caratteristiche

Staphylococcus epidermidis è un batterio Gram positivo, appartenente al genere degli stafilococchi. Gli stafilococchi sono dei batteri generalmente immobili, non formanti spore, anaerobi facoltativi, e colonizzatori di pelle e mucose.

In particolare, S. epidermidis è la specie maggiormente isolata dall’epitelio umano e colonizza prevalentemente ascelle, testa e narici. Questo organismo può anche essere trovato all’interno della placca dentale, e sembra essere associato a parodontite, pulpite acuta e cronica e pericoronite.

Si tratta quindi di un batterio

  • Coagulasi –
  • Ureasi +
  • Ossidasi –
  • Alofilo

Nella maggior parte dei casi questo batterio è del tutto innocuo e, secondo alcuni studi, è in grado di sopprimere la crescita di Propionibacterium acnes, un batterio che si sviluppa eccessivamente in caso di disbiosi acneica.

In alcuni casi, tuttavia,può diventare patogeno e provocare infezioni post-chirurgiche molto pericolose. S. epidemidis è noto per la sua implicazione nelle infezioni nosocomiali, dovute all’utilizzo di biomateriale nell’ambiente clinico. E’ infatti una delle principali cause di infezioni da dispositivi di impianto medico, come cateteri endovenosi, protesi, shunt e innesti vascolari.

Morfologia strutturale e metabolismo

Essendo un batterio Gram-positivoStaphylococcus epidermidis possiede una parete cellulare costituita da uno spesso strato di peptidoglicano, e priva membrana esterna. La parete contiene acidi teicoici costituiti da glicerolo, glucosio e N-acetilglucosammina, connessi al peptidoglicano tramite legami covalenti. Questi acidi teicoici fungono da ancora per alcuni fattori di virulenza che determinano la patogenicità del batterio. S.epidermidis è in grado di crescere in condizioni anaerobiche utilizzando glucosio, ma non è in grado di fermentare il mannitolo. In presenza di ossigeno, è in grado di  produrre acidi grassi a catena corta (come l’acido butirrico) a partire da fruttosio, maltosio, saccarosio e glicerolo.

Informazioni sul genoma

Il genoma di Staphylococcus epidermidis ha una lunghezza di 2,616,530 bp e contiene il 32% di G+C. Gli elementi genomici, che includono isole genomiche, sequenze di inserzione, trasposoni compositi e plasmidi integrati, costituiscono più o meno il 9% del genoma. Tra i vari plasmidi identificati, i più importanti sono vSev1 e vSev2 i quali codificano rispettivamente geni per la resistenza al cadmio e alcune proteine di adesione

Filogenesi

DominioProkaryota
RegnoBacteria
SottoregnoPosibacteria
PhylumFirmicutes
ClasseBacilli
OrdineBacillales
FamigliaStaphylococcaceae
GenereStaphylococcus
SpecieS.epidermidis

Morfologia delle colonie

Le colonie appaiono rotonde, rialzate, brillanti e di un colore grigiastro. Il diametro è approssimativamente di 1-2 mm. Generalmente non producono zone di emolisi. I ceppi  che sono in grado di produrre muco, formano colonie traslucide e appiccicose.

Colonie su agar sangue di pecora. Coltivazione 24 ore in atmosfera aerobica, 37 ° C
Figura 1 – colonie di S.epidermidis su agar sangue
comparazione tra colonie di S.epidermidis e S.aureus su terreno MSA
Figura 2 – colonie di S.epidermidis su MSA, comparate con colonie di S.aureus (in alto a sinistra)

Patogenesi

In precedenza considerato solo un microrganismo commensale innocuo sulla pelle umana, S.epidermidis è oggi visto come un importante patogeno opportunistico. E’ infatti la causa più frequente di infezioni nosocomiali, ad un ritmo quasi pari a quello dovuto al suo cugino più virulento Staphylococcus aureus.

Il patogeno nosocomiale provoca infezioni su valvole protesiche, protesi vascolari, protesi articolari e nelle ferite post-operatorie, specialmente in pazienti immunocompromessi. Sembra inoltre essere associato ad altre infezioni come mediastinite, cheratite oculare ed endoftalmite da lenti a contatto contaminate.  I segni clinici di questo tipo di infezioni includono sepsi con batteremia, febbre, leucocitosi, mancata incorporazione della protesi con infiammazione ed essudazione. La sua patogenicità è dovuta principalmente alla straordinaria capacità di formare biofilm altamente strutturati e complessi su superfici artificiali come protesi e cateteri . La presenza di un corpo estraneo e del biofilm risultano in uno stimolo coinfiammatorio in grado di attivare il sistema immunitario portando a un danneggiamento dei tessuti.

Caratteristiche del biofilm

Il biofilm formato da S.epidermidis possiede una fisiologia e un’architettura caratteristica, la quale è alla base della resistenza a molti antibiotici. La formazione del biofilm è un processo multistep costituito da 4 fasi: adesione, accumulo, maturazione e distacco.

Fase di adesione

La fase di adesione iniziale del batterio è mediata da complesse relazioni tra fattori di virulenza, fattori legati all’ospite e alle superfici di adesione. In questo processo partecipano proteine specifiche come le proteine di superficie AtlE, le quali sono in grado di legarsi a fibrinogeno, fibronectina e vitronectina. Alcune di queste proteine, come SdrG, sono attaccate al pepetidoglicano mediante il loro motivo LPXTG C-terminale.

Fase di accumulo

La fase di accumulo è caratterizzata dalla produzione di fattori che mediano l’adesione intracellulare, ovvero polisaccaridi extracellulari, adesine intracellulari polisaccaridiche (PIA) e le proteine associate al biofilm (Aap e Bhp).

  • L’adesina intracellulare polisaccaridica è il maggior componente della matrice extracellulare. Si tratta di un omopolimero costituito da residui di N-acetilglucosammina con legami β 1-6. Questa struttura facilita i contatti a lungo raggio e le interazioni tra catene di polisaccaridi adiacenti e la parete cellulare, portando ad una adesione intracellulare e ad accumulo di biofilm. La PIA  viene sintetizzata da enzimi codificati dall’operone icaADBC. L’operone è composto da 4 open reading frames : IcaA, IcaD, IcaB, IcaC. Un quinto gene, IcaR, è responsabile per la trascrizione di IcaADBC ed è localizzato a monte di IcaA. IcaA e IcaD producono una catena costituita da monomeri attivati id N-acetilglucosammina, mentre IcaC provvede all’allungamento. IcaB provvede ad una parziale deacetilazione dei residui di N-acetilglucosammina, conferendo cariche positive importanti per la formazione del biofilm.
  • La proteina Aap (accumulation-associated protein) è una proteina extracellulare ancorata alla membrana cellulare, con un peso molecolare di 140 kDa. Anche questa proteina sembra essere coinvolta nella formazione del biofilm, ma attualmente necessita di ulteriori studi. Inoltre, non tutti gli ceppi of S.epidermidis sono in grado di sintetizzarla
  • La proteina Bap (biofilm-associated protein) è una proteina di superficie la quale sembra facilitare la formazione di biofilm in presenza di PIA, e sembra compensare la sua funzione in quelle specie in cui la PIA è assente.
Fase di maturazione e distacco

La maturazione è caratterizzata dalla formazione di un glicocalice di slime, il quale intrappola gli organismi legati alla superficie in una matrice gelatinosa. Questa struttura aumenta la stabilità del biofilm e la protegge dalle difese immunitarie dell’ospite e da eventuali antibiotici.

Il biofilm maturo ha una struttura stratificata nella quale è possibile individuare microcolonie di microorganismi separate da canali ripieni di fluido. Questi canali permettono il passaggio di ossigeno e nutrienti e facilitano la rimozione dei residui metabolici. Cellule batteriche individuali che hanno acquisito la capacità di lasciare il biofilm, possono staccarsi  e colonizzare ulteriori siti. Questo processo è mediato dalle molecole di delta-tossina, le quali inibiscono le interazioni idrofobiche tra i batteri, causandone il distacco dal biofilm. Questa tossina possiede inoltre un’attività citolitica nei confronti delle cellule, ed è responsabile dell’enterocolite emorragica 

fasi di formazione del biofilm
Figura 3 – processo di formazione del biofilm
immagine ottenuta con microscopio elettronico, che mostra la crescita del biofilm
Figura 4 – biofilm di S.epidermidis

Recentemente è stato dimostrato che il biofilm di S. epidermidis contiene un gran numero di cellule che proteggono il microrganismo dall’uccisione da parte dei neutrofili: si tratta delle moduline solubili in fenolo (PSM), ovvero una famiglia di peptidi pro-infiammatori ad attività citolitica implicate nei processi di evasione immunitaria e sviluppo del biofilm. Questi peptidi sono in grado di svolgere numerose funzioni tra le quali indurre la produzione di citochine proinfiammatorie, reclutare, attivare e lisare i neutrofili per aiutare gli stafilococchi a eludere il danno immunitario e portare a lisi eritrocitaria.

Metodi di identificazione

L’identificazione di Staphylococcus epidermidis avviene prevalentemente mediante l’utilizzo di terreni selettivi, come agar sangue. In alternativa, possono essere utilizzati terreni come:

MSA (Mannitol Salt Agar). Gli stafilococchi, infatti sono in grado di tollerare l’alta concentrazione di sale presente in questo terreno di coltura. La fermentazione del mannitolo porta alla produzione di prodotti acidi che cambiano il colore del rosso fenolo da rosso (alcalino) a giallo (acido). S. epidermidis non è in grado di fermentare il mannitolo, per questo produce piccole colonie rosa senza cambiamento di colore nel mezzo.

Figura 5- crescita di S.epidermidis su terreno MSA
Figura 5 – differenza tra colonie di S.epidermidis e S.aureus su terreno MSA

DNase agar : questo terreno viene utilizzato per valutare la produzione di DNAsi da parte del batterio. Il DNasi agar contiene uno 0,2 % di DNA e, in seguito all’incubazione e alla crescita, viene aggiunto HCl.  S.epidermidis è negativo alla produzione di DNasi e per questo le colture appaiono ombreggiate intorno all’area di crescita, dove l’acido ha causato la precipitazione del DNA.  

Per l’isolamento è possibile utilizzare anche un brodo di coltura, generalmente costituito da TSB supplementato con glucosio (0,25% destrosio).

Terapia

I patogeni nosocomiali sono noti per la loro resistenza agli antibiotici. Nel caso di Staphylococcus epidermidis, la presenza del biofilm e di una matrice esopolisaccaridica, riduce la permeabilità e penetrazione degli antibiotici.

Attualmente, infatti, S.epidemidis risulta essere resistente alla meticillina. Questa resistenza è conferita dal gene mec, il quale può essere trasferito da una cellula batterica ad un’altra. E’ nota la resistenza a quinoloni come ciprofloxacina, ofloxacina, acido fusidico ed altri agenti antimicrobiani come la vancomicina.

Tuttavia, sono presenti sul mercato alcuni antibiotici come il linezolid, che hanno un ruolo fondamentale nella prevenzione e nel trattamento di infezioni causate da S.epidermidis in quanto inibiscono il complesso iniziale 70S portando a un blocco della sintesi proteica. Altri antibiotici utilizzati per il trattamento, sono la daptomicina, tigeciclina, dalbavancina e quinupristina/dalfopristina. Inoltre, l’olio di cannella e il farnesolo sembrano avere un ruolo nel ridurre la formazione di biofilm.

Fonti

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