Download - Microbiologie - Curs 1

Transcript

1

() .. -~ ~,Introducere în studiul microbiologiei medicale

1.2.

( }

3.

4.5.6.

Ce este microbiologia?Ce sunt microorganismele şi care sunt principalele categorii de microorganismecunoscute?Obiectivele şi scopurile microbiologiei fundamentale şi ale microbiologieiaplicativeObiectul şi scopul microbiologiei medicale.Repere istorice in microbiologia medicala. Principalele etape.Metode utilizate în bacteriologia şi micologia medicală.

1. Ce este miorobiologia?

Microbiologia este o ramură a biologiei care se ocupă cu studiulmicroorganismelor şi derivatelor lor, al geneticii, proprietăţilor biochimice şi metaboliceale acestora, al sensibilităţii lor la antimicrobiene, precum şi al efectelor asupra stării desănătate a omului şi inteidcţiunilor lor cu ecosistemul uman.

2. Ce sunt microorganismele şi care sunt principalele categorii de micro organismecunoscute?

. Microorganismele sunt fiinţe de dimensiuni mici, care nu pot fi observate la nivelindividual decât cu ajutorul unor instrumente optice.

Principalele categorii de micro organisme cunoscute sunt:• Bacteriile• Virusurile• Fungii microscopici• Paraziţii unicelulari• Prionii: particule infectante care nu deţin informaţie genetică

Întrucât virusurile şi paraziţii de interes medical fac obiectul unor disciplineseparate, manualul de faţă tratează exclusiv aspectele legate de principalele genuri şispecii de bacterii şi fungi de interes medical.

3. Obiectivele şi scopurile microbiologiei fundamentale şi ale microbiologieiaplicative

Există două tipuri de abordări ştiinţifice, care urmăresc obiective Ş1 scopuridiferite.

Tipul de abordare care se adresează acumulării de noi cunoştinţe şi înţelegeriimecanismelor care stau la baza fenomenelor naturale şi a modalităţilor multiple deinterconectare a acestor mecanisme contribuie la constituirea fundamentului pe care sedezvoltă toate celelalte activităţi ştiinţifice. De aici derivă denumirea de ştiinţăfundamentală.

~•. ".

Al doilea tip de abordare ştiinţifică urmăreşte rezolvarea unor probleme practice,pornind de la' cunoştinţele acumulate de ştiinţa fundamentală. Acest tip de abordareconstituie demersul ştiinţific aplicativ.

a. Microbiologia fundamentală - tendinţe actualeMicrobiologia fundamentală a acumulat cunoştinţe a căror cantitate şi profunzime

a evoluat exploziv, atât în domeniul fiziologiei microorganismelor cât şi, mai ales, îndomeniul mecanismelor moleculare şi corelaţiilor între informaţia genetică şi expresiagenelor la nivel fenotipic.

Aceste aspecte au ridicat provocări serioase în faţa microbiologilor, în ceea cepriveşte stocarea, prelucrarea şi interpretarea datelor.

Problemele' de acest tip îşi găsesc rezolvarea în domenii de graniţă, în care sepoate manifesta interacţiunea între microbiologi şi oameni de ştiintă de alte specialităţi, înspecial matematicieni, informaticieni, fizicieni, pentru a dezvolta împreună modele cepermit studiul aprofundat al rolului microorganismelor la nivelul ecosistemelor, inclusivprin simulare pe calculator.

S-a conturat astfel o abordare complexă, recunoscută sub denumirea de"microbiologia sistemelor", care-şi propune să pună în evidenţă efectele pe care le areasupra microorganismelor interacţiunea între gene, proteine, alte macromolecule,micromolecule, organite şi mediu (Systems microbiology: Beyond microbial genomics -A report from the American Academy of Microbiology - 2004, American Society ofMicrobiology - http://www.asmusa.org).

Este clar astăzi că suntem contemporanii unei noi etape în biologie, care a fostcalificată drept "era postgenomică", în care studiul genomului este corelat cu studiulproteomului şi al interacţiunilor acestora cu factorii de mediu.

b. Microbiologia aplicativă

Având la îndemâna tot mai multe cunoştinţe şi explicaţii privind interrelaţiilemicroorganismelor la nivelul ecosistemelor, microbiologia aplicativă este capabilă astăzisă abordeze tot mai multe probleme practice în domenii cum sunt:

• Microbiologia medicală (om, animale), microbiologia plantelor• Microbiologia alimentelor• Microbiologia mediului:

Microbiologia apei - tratarea apelor uzate; indicatorisanitari pentru apa potabilăMicrobiologia soluluiMicrobiologie aerului,Microbiologia materialelor (lemn, hârtie, materiale deconstrucţie, combustibili etc.)

• Microbiologie industrială (biotehnologie);Industria alimentară (conserve, mezeluri, brânzeturi) şi abăuturilorIndustria farmaceutică: producerea antibioticelor -majoritatea sunt produse de fungi; producerea vaccinurilor,a probioticelor etc.

2

3

Inginerie genetică - gene ale unor microorganisme cumultiplicare rapidă utilizate pentru a sintetiza proteineumane si/sau alte molecule cu rol terapeutic (ex. vaccinurirecombinante)

Ca urmare a abordării sistemice în microbiologie, se conturează tot mai pregnantfaptul că delimitarea dintre ramurile microbiologiei aplicative devine din ce în ce maiflexibilă. Studiul biodiversităţii microbiene din diverse biosisteme contribuie laclarificarea multor aspecte cu impact direct asupra stării de sănătate.

A devenit posibilă totodată acumularea de cunoştinţe şi intervenţia umană îndomenii în care sunt implicate microorganismele şi care au de asemenea legătură directăcu sănătatea umană, cum sunt: biodegradarea, bioregenerarea, utilizarea bacteriilor casursă de bioenergie etc.

4. Obiectul şi -scopurile microbiologiei medicale:

Microbiologia medicală umană se referă la studiul bacteriilor, virusurilor, fungilorşi paraziţilor cu potenţial patogen pentru om, al interrelaţiilor acestora cu organismul şicu ecosistemul uman. Bolile comune omului şi animalelor se numesc zoonoze.

Microbiologia medicală umană urmăreşte următoarele scopuri sau obiective:a. Controlul infecţiilor sau complexul acţiunilor direcţionate pentru:- recunoaşterea bolilor, prin aplicarea metodelor de investigare proprii acestei

ştiinţe, care se perfecţionează permanent, utilizând tezaurul de cunoştinţefundamentale despre microorganisme, factori de patogenitate şi patogeneza bolilorinfecţioase

- prevenirea răspândirii infecţiilor prin evidenţierea şi comunicarea către factoriide decizie din sistemele de sănătate publică a markerilor microbiologiei de interesepidemiologic, în scopul detectării surselor, căilor şi modalităţilor de transmitere ainfecţiilor şi adoptării măsurilor adecvate

Markerii sau caracterele distinctive, care fac posibilă diferenţiereamicroorganismelor de aceeaşi specie implicate în infecţii apărute la gazde diferite, înmomente şi în locuri diferite, pot fi: markeri fenotipici, adică exprimaţi de celulabacteriană la nivel structural, metabolic, ca rezistenţe la antibiotice etc. şi/sau markerigenetici moleculari, constând in gene sau alte structuri specifice ale materialului geneticmicrobian.

b. Orientarea şi evaluarea eficienţei terapiei cu antibiotice, vaccinuri, altebiopreparate, prin utilizarea diferitelor metode de testare a sensibilităţii -la_antibiotice amicroorganismelor, de evaluare a protecţiei prin mecanisme imunologice faţă de anumitemicro organisme etc.

c. Recunoaşterea utilizării microorganismelor ca arme biologice, respectiv aactelor de bioterorism, în condiţiile în care evenimentele internaţionale din ultima decadăau arătat că, din păcate, în ciuda acumulării a tot mai multe cunoştinţe, omenirea nubeneficiază încă de maturitatea necesară evitării conflictelor. Ramura microbiologieimedicale care se ocupă de aceste aspecte este microbiologia medico-legală,

5. Repereistorice in microbiologia medicala. Principalele etape.Deşi avem dovezi asupra existenţei unor concepte intuitive despre natura

exterioară şi uneori animată a unora dintre maladiile care au decimat populaţiile umane(ex. miasme, animalicule etc.), microbiologia bazată pe dovezi ale existenţeimicroorganismelor s-a dezvoltat abia la sfârşitul secolului al XIX-lea.

Epoca marilor descoperiri în microbiologia medicală a fost precedată de o serie deprecursori.

Astfel, Hooke descrie în 1665, utilizând o lupă puternică, nişte cămăruţe înstructura feliilor subţiri de lemn de pluta, cărora le dă denumirea de '~celule", dinlatinescul celula = cămăruţă. Teoria celulei, ca Unitatea oricărei fiinţe vii este lansată însăabia în 1839, de către Schwann. r

În 1674, Van Leeuwenhoek utilizează primul microscop, cu ajutorul căruiaobservă formaţiuni pe care astăzi le atribuim microorganismului Bacillus anthracis.

În sfârşit, CasimirJoseph Davaine observă în 1850 bastonaşe în sângele unuicadavru de oaie cu antrax şi retransmite boala prin inoculare, fiind în acest fel precursorullui Koch.

Prima intervenţie profilactică aparţine lui Edward Jenner, care efectuează în 1796prima vaccinare reuşită, cu virusul variolei, rară a cunoaşte însă natura agentului etiologieimplicat. Succesul în mediile de specialitate şi, mai ales succesul public a fostimpresionant. Era vorba despre o boală infecţioasă cu mortalitate de 30-40%, astăzicomplet eradicată, ca urmare a intervenţiei energice a Organizaţiei Mondiale a Sănătăţii,precum şi datorită faptului că omul este singura gazdă cunoscută pâna în prezent. Ultimulcaz a apărut natural în Africa în 1976.

John Snow este autorul primului studiu epidemiologic, în 1853. Cu o intuiţie şi ometodă de lucru magistrale, el reuşeşte să dovedească natura contagioasă a holerei,înainte de a se cunoaşte agentul etiologie al acesteia. Secretul a constat într-o minuţioasăreprezentare grafică pe harta Londrei a aglomerărilor de cazuri de holeră, care i-a datposibilitatea să incrimineze apa de băut de la cateva fântâni de pe Broad Street , ca factorimplicat în transmiterea bolii.

Epoca de aur a microbiologiei, a marilor descoperiri, care s-a derulat între 1861-1900, este marcată de cateva personalităţi proeminente ale microbiologiei.

Louis Pasteur poate fi considerat părintele microbiologiei medicale, deşi formaţiasa iniţială a fost cea de chimist. În 1861, el a demontat cu argumente experimentaleconvingătoare teoria "generatiei spontanee", care susţinea că microorganismele iaunaştere spontan în medii care le sunt propice. Este vorba despre experimentul celebru cuflacoane de sticlă cu "gât de lebădă", cau ajutorul cărora a putut demonstra că mediullichid dintr-un flacon nu se tulbură decât în cazul în care se crează condiţiile camicroorganismele însămânţate la gura flaconului să ajungă în contact cu mediul lichid dinpartea inferioară a flaconului.

Alte contribuţii semnificative ale lui Pasteur au fost: procedeul de pasteurizarepentru prevenirea înăcririi vinului, vaccinul contra antraxului (1881), vaccinul preventivîmpotriva rabiei (turbării) etc. Louis Pasteur a creat Şcoala de microbiologie franceză,care a constituit iniţial reperul principal al şcolilor de microbiologie din întrega lume.

4

5

2. Joseph Lord Lister, distins chirurg, este primul care aplică antiseptizarea cu formol aîncăperilor şi materialelor din spital, pentru prevenirea infecţiilor de plaga în 1865, fiindcunoscut ca tatăl chirurgiei aseptice.

3. Robert Koch a fost părintele microbiologiei germane şi una dintre figurile marcante alemicrobiologiei mondiale.

Este primul care a obţinut bacterii în cultură pură (Bacillus antharcis) şidescoperitorul Mycobacterium tuberculosis, denumit de aceea şi "bacilul Koch".

Campion al gândirii practice riguros organizate, este cel care a formulat criteriilede implicare a unui microorganism în etiologia unei infecţii, cunoscute sub numele de"postulatele lui Koch":

1. Microorganismul trebuie să fie prezent în cantitate mare la toate animalele caresuferă de boala (infecţioasă), dar nu trebuie să fie prezent la animalele sanătoase.

2. Microorganismul trebuie să poată fi izolat de la animalele bolnave şi să.fie crescutîn cultură pură.

3. Microorganismul cultivat trebuie să cauzeze boala când este introdus într-unorganism sănătos.

4. Microorganismuf ltrebuie să fie reizolat de la animalele inoculate experimental,care s-au îmbolnăvit, şi să fie identice cu agentul cauzal specific iniţial.

Totuşi, Koch însuşi a acceptat amendamente la regulile postulate de el, cum sunt:

- amendamente la postulatul Nr. 1: existentă purtători sănătoşi asimptomatici (ex.holera, febra tifoidă); ulterior a fost pusă în evidenţă existenţa purtătorilor cu infecţieasimptomatică sau subclinică, mai ales în cazul virusurilor (polio, herpes simplex, HIV,hepatita C etc.)

- amendamente la postulatul Nr.2: nu toate microorganismele _sau entităţileinfecţioase pot fi cultivate; de exemplu prionii, unele bacterii (ex. Treponema pallidum)etc. nu pot fi cultivate pe medii de cultură

- amendamente la postulatul Nr.3: în cazul anumitor bacterii, nu toate organismeleexpuse la acestea manifestă infecţia: ex. Mycobacterium tuberculosis, Vibrio choleraeetc.; explicaţia poate fi buna funcţionare a sistemului imunitar, imunitatea datorată uneiexpuneri anterioare sau vaccinării sau unor factori genetici care conferă imunitate, cumeste de exemplu rezistenţa la Plasmodium malariae a pacienţilor cu cel puţin o alelăpentru siclemie (hematii în formă de seceră).

La sfârşitul secolului XX, au fost formulate postulatele lui Koch "moleculare",pentru identificarea genelor de virulenţă (Stanley Falcow -1988):

1. Fenotipul sau caracterul care este investi gat trebuie sa fie asociat cu tulpinipatogene aparţinând unei specii bacteriene; de asemenea, gena respectivă trebuiesa fie prezentă la toate tulpinile patogene, dar să nu fie prezentă la tulpinilenepatogene.

Microbiologia modernă şi-a făcut intrarea în scenă odată cu Fleming, care în 1927descoperă penicilina. Câţiva ani mai târziu, cercetătorul rus Ruska pune la punct primalmicroscop electronic, iar în 1952, Watson şi Crick descriu structura dublu catenară aADN. Utilizarea metodelor de investigare moleculare bazate pe studiul ADN explodeazăodată cu descoperirea metodei de amplificare în lanţ (PCR), de către Karry Mullis, în1983. Primal genom bacterian complet secvenţiat a fost cel al bacteriei Haemophilusinfluenzae, în 1995.

<,'

2. Inactivarea specifică a genei(lor) asociate cu caracterul de virulentă suspectattrebuie 'să aibă ca rezultat o pierdere măsurabilă a patogenităţii sau virulenţei.

3. Reversia sau înlocuirea alelică a genei cu mutaţie trebuie sa aibă ca rezultatrestaurarea patogenităţii

4. Gena care codifică caracterul de virulenţă trebuie să se exprime în cursul infecţiei.5. Imunitatea trebuie să fie protectoare.

Alte nume de referinţă pentru introducerea unor metode de observaţie înmicrobiologia medicală sunt: Hans Christian Gram - descoperitorul metodei de colorarediferenţială a bacteriilor (1884), Ziehl şi Neelsen - autorii metodei de colorare amycobacteriilor (1892).'

În 1888,Roux şi Yersin descriu toxina difterica.

Ilja Metschnikovu l ScS - 1916) este considerat părintele imunologiei, fiindprimul care a descris fagocitoza şi teoria imunitatii celulare. Cercetările sale marcheazăetapa fiziologiei, în dezvoltarea microbiologiei medicale.

Printre dicipolii marilor maeştrii, câţiva s-au remarcat prin descoperirea unoraplicaţii cu mare impact in diagnosticul şi/sau în tratamentul bolilor infecţioase. Astfel,Twort si d'Herelle descoperă bacteriofagii (1915 - 1917), Albert Coons - tehnica cuanticorpi fluorescenti (1941), Salk şi Sabin sunt autorii vaccinurilor împotrivapoliomielitei (Salk - vaccinul inactivat în 1953; Sabin - vaccinul viu atenuat pentruadministrare orală în 1956).

Ultimul deceniu a marcat trecerea la era postgenomică, în care studiul proteinelorşi interacţiunilor între gene, proteine şi factorii de mediu contribuie la descifrarea dinperspectivă sistemică a relaţiilor complexe care se stabilesc între microorganime şiorganismul uman.

Dintre corifeii şcolii de microbiologie româneşti, îi amintim pe: Prof. IoanCantacuzino, Prof. Victor Babeş, Prof. Ionescu Mihăieşti, Prof. Mihai Ciucă, Prof.Nicolae Nestorescu, Prof. Marcella Popovici, Prof. Lidia şi Ioan Mesrobeanu, Prof.Andrei-Aubert Combiescu, Prof. Mihai Zamfirescu, Prof. Marian Neguţ.

Am trecut în revistă, sumar, momentele cele mai importante ale evoluţieimicrobiologiei. Avântul pe care l-a luat producerea de antibiotice în a doua jumătate asecolului XX l-a făcut pe medicul şef al SUA din acea vreme să proclame prematur

6

7

caştigarea bătăliei cu microorganismele şi sfârşitul războiului. Şi totuşi, de ce suntem încăîntr-un proces activ de cercetare şi cunoaştere a fenomenului reprezentat de bolileinfecţioase şi a agenţilor lor cauzali?

Trebuie ştiut că imediat după introducerea primelor antibiotice în practicamedicală au început să fie selectate şi primele tulpini rezistente. Fenomenul rezistenţei laantibiotice a evoluat progresiv, pentru ca ultimul deceniu al secolului XX să marchezemomentul în care rezistenţa la antibioticele în uz atinge nivele îngrijorătoare, mai ales încondiţiile în care numărul noilor antibiotice aflate în fază de studiu clinic este foarte mic.

Rezistenţa la antibiotice este unul dintre motivele pentru care nu este posibilăeradicarea patologiei infecţioase. La acesta se adaugă: schimbări climatice, demografice,tehnologice; dezvoltarea turismului, comerţului, care presupun mobilitatea crescută,urmată de creşterea riscului transmiterii transfrontaliere a microorganismelor rezistente,având în vedere că microorganismele nu recunosc granitele administrative. În plus, oserie de alte ameninţări, cum sunt cele provenite din utilizarea inadecvată amiroorganismelor, cum sunt bioterorismul, răspândirea microorganismelor modificategenetic etc., solicită activităţi şi programe de prevenire a efectelor negative asupracomunităţilor umane.

• t

6. Metode utilizate in bacteriologia şi micologia medicala:a. Metode directe - punerea în evidenţă a microorganismului sau componentelor sale

şi/sau caracterizarea acestuia pornind de la coloniile obţinute pe medii de cultură. .microscopiecultivarea microorganimelor pe medii de culturăobţinerea coloniilor izolatemetode de identificarea biochimică /sau serologică a microorganismelortestarea sensibilităţii la antibioticemetode moleculare bazate pe studiul acizilor nucleici: detectareamicroorganismelor direct în prelevatul clinic, evidenţierea markerilorgenetici de virulenţă şi/sau de rezistenţă la antibiotice etc.

b. Metode indirecte - punerea în evidenţă a reacţiei organismului fată demicroorganism sau componentele sale: anticorpi specifici evidenţiaţi in vitro(reacţii între antigene bacteriene şi serul pacientului) sau in vivo (ex. IDR pentrudiagnosticul scarlatinei sau al difteriei), sau dovezi ale imunităţii celulare in vivosau in vitro (ex. IDR la PPD, evidenţierea imunităţii celulare prin metode invitro).

Bibliografie:

Steven W. Popper - Economic Approaches to Measuring the Performance and Benefitsof Fundamental Science - RAND Domestic Research Division Final Report - 1995 -http://health.rand.orglpubs/monograph reports/2006/MR 708.0.pdfTom McMeekin et al - The future of predictive microbiology: Strategic research,innovative applications and great expectations - Int. J. Food Microbiology - 2008, 28, 1,2-9

",'

Systems microbiology: Beyond microbial genomics - A report from the AmericanAcademy of' Microbiology - 2004, American Society of Microbiology -http://www.asmusa.orgFalkow S (1988). "Molecular Koch's postulates applied to microbial pathogenicity." RevInfect Dis lO(suppI2):S274-S276.D. Buiuc, M. Negut - Tratat de microbiologie medicala, Editia a III-a, Editura medicala,Bucuresti,2009

8