Tossine dei Gram-negativi effetti e meccanismi di azione patogena

La proprietà di un microrganismo di provocare malattie all’interno del suo ospite è legata alla capacità di aderire alla superficie dell’ospite, invadere i tessuti dell’ospite e provocare danni all’ospite mediante sostanze chimiche chiamate tossine. Questo articolo tratta degli effetti e dei meccanismi di azione delle tossine dannose per gli esseri umani, prodotte dai Batteri Gram-negativi, microrganismi privi di nucleo cellulare e con una sottile parete cellulare rivestita da una membrana esterna.

Batteri

Le tossine batteriche si distinguono in:

Endotossine: componenti strutturali, che si liberano dopo la morte e dissoluzione della cellula batterica;
Esotossine: proteine dannose per l’ospite, secrete dal batterio ancora in vita.

Tutti i batteri Gram-negativi compresi i cianobatteri producono endotossine, che corrispondono al Lipide A dei lipopolisaccaridi (LPS), una molecola della membrana esterna dei Gram-negativi. Appartengono a questo gruppo gli Enterobatteri (come Escherichia coli e Salmonella) e i Vibrioni, alcuni di questi producono anche esotossine. Il lipide A ha un’azione in parte benefica, poiché stimola le difese immunitarie aspecifiche legandosi al recettore CD14 provocando in tal modo il rilascio di citochine da parte delle cellule del sistema immunitario. Tuttavia, un’eccessiva stimolazione porta a sintomi morbosi come febbre, shock settico, dilatazione dei vasi sanguigni, trombosi, debolezza, diarrea ed emorragie. Le endotossine batteriche sono caratterizzate da un’elevata termoresistenza anche a 150-180°C, e non vengono riconosciute dagli anticorpi. Negli ultimi anni è stato ideato un s istema allo scopo di curare i pazienti più debilitati e depurare il sangue dalle endotossine batteriche, basato sull’azione della Polimixina B, un antibiotico che lega l’endotossina.

Tossine prodotte da Batteri Gram-negativi: Enterobatteri

Escherichia coli e Shigella dysenteriae

*Figura 1 – Una cellula di Escherichia coli osservata al microscopio elettronico a scansione, ingrandimento 12800X. [Fonte: CDC/Evangeline Sowers, Janice Carr]*

E. coli è un batterio Gram-negativo lungo da 1,5 a 6 μm, che vive nell’intestino dei mammiferi in genere senza danneggiare l’ospite. Tuttavia, alcuni ceppi di E. coli provocano malattie. I ceppi che producono esotossine sono i ceppi enterotossinogeni (ETEC, Entero-Toxinogenic E. coli) e i ceppi Enteroemorragici (EHEC, Entero-Haemorrhagic E. coli). I primi producono due tipi di esotossine: termolabili (LT) e termostabili (ST). Entrambe le tossine si legano con un glicolipide presente sulla membrana delle cellule della superficie dell’intestino e, dopo aver attraversato la membrana cellulare producono rispettivamente l’aumento dell’AMP ciclico e del GMP ciclico. L’alteranzione della quantità di questi due messaggeri intracellulari ha come conseguenza il veloce rilascio da parte delle cellule intestinali di varie sostanze disciolte nel citoplasma. Quindi queste sostanze richiamano acqua e provocano la cosiddetta “diarrea del viaggiatore”.

I ceppi EHEC, di cui il più noto è O157:H7, producono tossine Stx simili a quelle prodotte dal batterio Gram-negativo Shigella dysenteriae, che riconoscono un particolare sfingolipide della membrana delle cellule intestinali e una volta raggiunto il citoplasma bloccano la sintesi proteica legandosi ai ribosomi. Quindi l’arresto della sintesi proteica porta alla morte delle cellule intestinali. La fragilità dei capillari non più protetti, provoca emorragie dando luogo a diarree sanguinolente. In alcuni casi il quadro patologico si allarga al sangue e ai reni, perciò si parla di sindrome emolitico-uremica. Poiché il ceppo O157:H7 è legato al consumo di carne bovina, si raccomanda un’adeguata cottura delle carni. Le infezioni da E. coli si curano solitamente mediante l’uso di antibiotici ai quali i ceppi batterici risultano sensibili.

Genere Yersinia

*Figura 2- Yersinia pestis, cellule osservate con il microscopio elettronico a scansione [Fonte: Rocky Mountain Laboratories, NIAID, NIH]*

I batteri del genere Yersinia appartengono al gruppo degli enterobatteri e sono lunghi 1,3 μm. Gli effetti e i meccanismi di azione delle tossine dei Gram-negativi del gene Yersinia sono molto noti. Yersinia pestis provoca la peste bubbonica, ed è trasmesso all’uomo dai morsi delle pulci. Successivamente il batterio infetta il sistema linfatico e provoca l’ingrossamento e la morte cellulare nei linfonodi, che si manifestano come bubboni.

Yersinia enterocolitica vive nell’intestino dei mammiferi, in particolare dei suini, e nell’uomo è causa di diarrea acquosa ricca di muco e pus. Entrambe le specie possiedono un complesso di geni chiamato virulon Yop, che servono a costruire una specie siringa allo scopo di iniettare le loro esotossine. Alcune tossine Yop bloccano la fagocitosi paralizzando i microfilamenti del citoscheletro, altre bloccano la produzione delle citochine. Y. enterocolitica può produrre anche un’enterotossina termostabile, simile a quella prodotta dai ceppi ETEC. Nei casi di infezione da Yersinia si utilizzano antibiotici, tuttavia si raccomanda di mantenere sanificati gli ambienti e gli alimenti.

Tossine prodotte da Batteri Gram-negativi: Genere Vibrio

*Figura 3 – Questa immagine al microscopio elettronico a scansione raffigura una cellula di Vibrio cholerae, osservata sotto un ingrandimento di 22371X [Fonte: CDC/ Janice Haney Carr].*

I batteri del genere Vibrio hanno la forma di un bastoncello spesso ricurvo lungo 1,4-2,6 μm e possiedono un unico flagello. Vivono nelle acque dei fiumi e dei mari e possono infettare gli animali acquatici. L’uomo può infettarsi attraverso l’acqua e i cibi contaminati. Gli effetti dell’assunzione di cibo contaminato da questi Gram-negativi dipendono dal meccanismo di azione delle tossine. Vibrio cholerae provoca il colera, malattia caratterizzata da una diarrea incolore o biancastra, e come conseguenza, grave disidratazione. Questo sintomo è dovuto all’azione dell’esotossina termolabile CTX. Essa penetra nelle cellule intestinali riconoscendo un particolare glicolipide della loro membrana e fa aumentare l’AMP ciclico nelle cellule dell’intestino, che di conseguenza rilasciano grandi quantità di liquido nel tubo digerente.

Le specie Vibrio parahaemolyticus e Vibrio vulnificus non provocano il colera, ma possono infettare rispettivamente l’intestino e le ferite cutanee. Questi batteri producono delle esotossine chiamate emolisine, che si aggregano a formare dei pori che bucano la membrana delle cellule dell’ospite e di conseguenza le uccidono privandole di acqua e sostanze nutritive. Vibrio alginolyticus e V. parahaemolyticus producono la tetrodotossina (TTX), una potente neurotossina paralizzante, associata al consumo di pesce palla crudo, che causa la sindrome neurotossica da pesce palla. Si tratta di una molecola organica relativamente piccola che agisce sulle cellule nervose, tappando letteralmente i canali di membrana per gli ioni sodio, sfruttando la sua carica positiva. Questa azione impedisce la trasmissione degli impulsi nervosi e, quando provoca la paralisi dei muscoli respiratori, risulta letale.

Tossine prodotte da Batteri Gram-negativi: Pseudomonas aeruginosa

Figura 4 – Questa immagine al microscopio elettronico a scansione raffigura alcuni batteri Gram-negativi fatti a forma di bastoncino della specie Pseudomonas aeruginosa [Fonte: CDC/ Janice Haney Carr].

Pseudomonas aeruginosa è un batterio Gram-negativo fatto a forma di bastoncello lungo 1,5-5 μm dotato di flagelli. È ubiquitario, poiché vive nel suolo, nelle acque e su animali ospiti. Provoca polmoniti, otiti e infezioni agli occhi. Questi effetti dipendono dalle tossine prodotte dai Batteri Gram-negativi P. aeruginosa e dal loro meccanismo di azione. P. aeruginosa, oltre a produrre diversi enzimi litici, secerne l’esotossina A. Questa proteina blocca la sintesi proteica, inattivando il fattore di allungamento EF-2, determinando così l’uccisione delle cellule dell’ospite. P. aeruginosa è molto resistente a diversi antibiotici, perciò per sviluppare una terapia efficace contro questo batterio occorre esaminare la sua sensibilità agli antibiotici e cercare di evitare che si selezionino dei ceppi resistenti.

Tossine prodotte da Batteri Gram-negativi: Bordetella pertussis

Bordetella pertussis osservate tra le ciglia delle vie aeree per mezzo di un microscopio elettronico a scansione Gram-negativo produce tossine — *Figura 5 – Bordetella pertussis osservate tra le ciglia delle vie aeree per mezzo di un microscopio elettronico a scansione [Fonte: Natasha Donn/Portugal resident].*

Bordetella pertussis è un batterio Gram-negativo di forma ovoidale lungo 0,5-2 μm, che possiede flagelli. Gli effetti e i meccanismi di questo Gram-negativo sono molteplici. Infetta lo strato di cellule cigliate che riveste le vie respiratorie degli animali e si trasmette tramite l’aria respirata. Non invade i tessuti sottostanti, ma li rende vulnerabili a infezioni secondarie. Come suggerito dal nome della specie, B. pertussis provoca la pertosse, una malattia acuta caratterizzata da violenti spasmi di tosse seguiti da rumori striduli che accompagnano la fase di inspirazione. La pericolosità del batterio è dovuta alla tossina della pertosse (PT). Questa tossina penetra nelle cellule dell’ospite, poiché riconosce alcuni glicolipidi e proteine della loro membrana. Giunta nel citoplasma, la tossina blocca le vie di segnalazione intracellulari, perché blocca le proteine G che inibiscono l’adenilato ciclasi, così si genera un eccesso di AMP ciclico. Le conseguenze dipendono dal tipo di cellula colpita:

nelle cellule di rivestimento, l’aumento di AMP ciclico, provoca l’aumento della secrezione di muco;
nei globuli bianchi, l’aumento di AMP ciclico impedisce la fagocitosi.

Il danno provocato dal batterio è ancora maggiore, perché produce anche una propria emolisina-adenilato ciclasi (ACT), che oltre ad interferire con le vie di segnalazione intracellulari, si comporta da emolisina e uccide così le cellule dell’ospite. Inoltre, B. pertussis rilascia porzioni solubili della sua parte cellulare chiamate citotossina tracheale (TCT), che stimolano il rilascio di citochine con l’effetto di produrre monossido di azoto, il quale uccide le cellule di rivestimento. La prevenzione nei confronti della pertosse si basa sulla vaccinazione. La terapia antibiotica, spesso a base di Eritromicina, abbrevia il tempo di contagiosità e la durata della malattia, ma non ha effetto sull’intensità dei sintomi.

Fonti

Libri

David C. Morrison, John L. Ryan, Bacterial Endotoxic Lipopolysaccharides:
- Vol.I: Molecular Biochemistry and Cellular Biology – 1st Edition, 1992 CRC Press, ISBN 978-0849367878
- Vol.II: Immunopharmacology and Pathophysiology –1st Edition, 1992 CRC Press, ISBN 978-0849367885
Mauro Moroni, Roberto Esposito, Fausto De Lalla, Malattie infettive – Settima Edizione, 2008 Elsevier, ISBN 978-88-214-2980-4
Kenneth J. Ryan, C. George Ray, Sherris Medical Microbiology – Fourth Edition, 2004 McGraw Hill, ISBN 978-0838585290
Giorgio Poli, Alessandra Cocilovo, Paola Dall’Ara, Piera Anna Martino, Wilma Ponti, Microbiologia e Immunologia Veterinaria – Seconda Edizione, 2005 UTET S.p.A, ISBN 978-88-02-07034-6
Michele La Placa, Principi di Microbiologia Medica – undicesima edizione, 2008 Esculapio, ISBN 9788874882557
Vilnay Kumar, Abul K. Abbas, Jon C. Aster, Robbins & Cotran Pathologic Basis of Disease – 9th Edition, 2015 Saunders Elsevier Inc., ISBN 978-1-4557-2613-4