ANTIMIKROBNI AGENSI I PATOGENOST MIKROORGANIZAMA Prof. dr Tanja Berić

Mehanizmi i faktori patogenosti Epidemiologija infektivnih bolesti Antimikrobni agensi Mehanizmi i faktori patogenosti Imunost i imunizacija Epidemiologija infektivnih bolesti

Kontrola rasta mikroorganizama Redukcija (ili eliminacija) MO i ograničavanje njihovog efekta Dekontaminacija (sterilanti, dezinficijensi i sanitarna srdstva) – sterilizacija neživog materijala Antiseptici i germicidi – redukcija rasta MO NA tkivu Sterilizacija: toplotom, zračenjem, filtracijom i hemijskim agensima Antimikrobni agensi (AA) – inhibiraju rast ili ubijaju MO i mogu biti sintetički, semisintetički i prirodni Efekti AA: - bakterio-statički - bakterio-cidni - bakterio-litički Poželjna selektivna toksičnost

Merenje antimikrobne aktivnosti Minimalna inhibitorna koncentracija (MIC) MIC je varijabilna vrednost, zavisi od organizma, sastava medijuma, vremena inkubacije, temperature..... standardizacija Disk-difuziona metoda zona inhibicije rasta Minimalna inhibitorna koncentracija Disk-difuziona metoda

Antimikrobni agensi koji se koriste in vivo Sintetički agensi i prirodni antibiotici podela na osnovu molek. strukture, mehanizma delovanja i spektra aktivnosti Početak 19. veka Ehrlich – koncept selektivne toksičnosti Sintetički agensi, analozi faktora rasta (vitamina, aminokiselina, purina i pirimidina...) - sulfa lekovi (analozi prekursora folne kiseline) - izoniazidi (uzak spektar, Mycobacterium) - analozi azotnih baza kinoloni (sprečavaju superspiralizaciju DNK) G+ i G- Antibiotici – AA koje proizvode mikroorganizmi (bakterije i gljive) - prirodni - polusintetički Osetljivost i spektar aktivnosti

Ciljna mesta i antimikrobni spektar različitih antimikrobnih agenasa

Mehanizmi delovanja različitih antibiotika Antibiotici koji utiču na sintezu proteina interakcija sa ribozomima i ometanje translacije različiti mehanizmi (čak i za isti korak u sintezi proteina) inhibicija inicijacije ili elongacije pp lanca 30S ili 50S inhibitori Antibiotici koji utiču na transkripciju vezivanje za subjedinicu RNK polimeraze ili vezivanje za DNK i sprečavanje elongacije RNK Antibiotici koji utiču na sintezu ćelijskog zida blokiranje transpeptidacije – β-laktamski antibiotici (penicilini i cefalosporini)

Antibiotici koje proizvode prokarioti Aminoglikozidi streptomicin iz Streptomyces griseus 30S inhibitori protiv gramnegativnih bakterija Makrolidi (sadrže laktonski prsten) eritromicin iz Streptomyces erythreus 50S inhibitori Tetraciklini širokog spektra ( i gram-pozitivne i –negativne) veliki broj polusintetičkih analoga

Antibiotici koje proizvode prokarioti Daptomicin ciklični lipopeptid sa jedinstvenim mehanizmom iz Streptomyces sp. vezuje se za ćelijsku membranu i izaziva njenu depolarizaciju i prestanak sinteze proteina i DNK = smrt ćelije ali ne i lizu protiv grampozitivnih rezistencija retka i još nije poznat mehanizam Plantezimicin inhibira enzim koji učestvuje u biosintezi lipida jedinstven mehanizam, za sada bez potencijala za razvitak rezistencije „radi“ i protiv MRSA i VRE Plantezimicin iz S. platensis

Antiviralni lekovi Osnovni problem – odsustvo selektivne toksičnosti Nukleozidni analozi (nukleozidni inhibitori reverzne transkripcije) AZT (azidotimidin) inhibira umnožavanje retrovirusa Inhibitori reverzne transkriptaze Inhibitori proteaza sprečavaju maturaciju retrovirusa Inhibitori fuzije sprečavaju ulazak HIV u T limfocit Interferoni indukuju interferenciju – fenomen da infekcija jednim virusom sprečava infekciju drugim Citokini koji sprečavaju replikaciju virusa stimulacijom proizvodnje antiviralnih proteina u neinficiranim ćelijama Specifični za domaćina, ne za virus Administracija – lokalno u visokoj dozi

Rezistencija na antibiotike i otkriće novih lekova Rezistencija – stečena osobina inače osetljivih MO Proizvodnja antibiotika podrazumeva i rezistenciju Horizontalni transfer gena kao vid „rasejavanja“ rezistencije Mehanizmi rezistencije: - nedostatak ciljne strukture (mikoplazme nemaju ćelijski zid) nepropustljivost (G-negativne za penicilin) modifikacija antibiotika u neaktivnu formu (β-laktamaze) modifikacija ciljne strukture (mutacija u hromozomskim genima) modifikacija (ili razvitak novog) rezistentnog biohemijskog puta (ne sintetišu folnu kiselinu nego je uzimaju spolja) efluks (izbacivanje) antibiotika Plazmidna ili hromozomska rezistencija

Rezistencija na antibiotike i otkriće novih lekova R(esistance) plazmid prethodi eri upotrebe antibiotika u medicini Čovek nije „izmislio“ rezistenciju ali ju je favorizovao Novi analozi faktora rasta optimizacija rastvorljivosti i afiniteta uvođenjem sitnih hemijskih modifikacija koje ne utiču na strukture ključne za aktivnost kombinatorijska hemija sa automatizovanim sistemima za modifikaciju i testiranje osetljivosti in vitro Kompjuterski dizajnirani lekovi virtuelna testiranja afiniteta i delotvornosti korišćenjem 3-D modela Kombinovanje lekova Bakteriofagna terapija

Rezistencija na antibiotike i otkriće novih lekova Teixobactin – novootkriveni prirodni antibiotik (2015) otkriven skrinovanjem bakterija iz zemljišta koje ne mogu da se odgaje u laboratoriji – novi pool novih antibiotika inhibira sintezu ćelijskog zida vezujući se za prekursore peptidoglikana i teijhojne kiseline za sada nema rezistencije

Interakcije čoveka sa mikroorganizmima Čovek ima 1013-1014 ćelija ALI i 1014-1015 MO u i na sebi Korisne interakcije normalna mikroflora kolonizacija započinje rođenjem i obuhvata kožu, usnu duplju, gastrointestinalni trakt i urogenitalni trakt Štetne interakcije patogeni kolonizuju i oštećuju ljudsko telo = proces infektivne bolesti patogenost – sposobnost patogena da nanese štetu domaćinu faktori patogenosti – omogućavaju uspešnu invaziju i oštećenje - virulencija – relativna sposobnost patogena da izazovu bolest (kvantitativna mera patogenosti) infekcija – svaka situacija u kojoj je mikroorganizam uspostavio rast u/na domaćinu bolest – infekcija praćena oštećenjem domaćina

Mehanizmi patogeneze patogeneza - proces izazivanja bolesti započinje izlaganjem patogenu i njegovim prianjanjem za kožu ili mukozne membrane nastavlja se invazijom kroz epitel i kolonizacijom kad se uspostavi rast patogena došlo je do infekcije infekcija ne vodi nužno do pojave bolesti, tek proizvodnjom faktora patogenosti se postiže toksičnost

Mehanizmi patogeneze Površinske strukture koje potpomažu prianjanje patogena: glikokaliks – površinski molekuli (sluz ili kapsula) fimbrije i pili Kolonizacija i infekcija zavise od vrste patogena i njegovih nutritivnih zahteva Inicijalni inokulum obično nije dovoljan da izazove štetu, patogen se mora umnožiti da bi uspešno kolonizovao target lokaciju Lokalizacija: - lokalna - bakteremija (bakterije u krvi) - septikemija (sistemska infekcija)

Invazivnost patogena Određena je faktorima patogenosti Površinske strukture Faktori virulencije i toksini Faktori virulencije su najčešće različiti enzimi: hijaluronidaze, kolagenaze, proteaze, nukleaze, lipaze, fibrinolitički enzimi, koagulaze Toksičnost – sposobnost MO da izazove bolest posredstvom toksina koji inhibiraju ćelijske funkcije ili ubijaju domaćina Egzotoksini i endotoksini

Egzotoksini Toksični proteini koje oslobađaju patogeni u toku svog rasta transportuju se od mesta infekcije do udaljenih mesta gde izazivaju štetu Egzotoksini se klasifikuju u tri kategorije: - citolitički toksini - AB toksini - superantigen toksini podgrupa egzotoksina su enterotoksini - nespecifični, njihova aktivnost zahvata tanko crevo - masivni gubitak tečnosti iz creva izaziva povraćanje i dijareju - izazivači trovanja hranom i intestinalni patogeni

Citolitički toksini Degraduju ćelijsku membranu domaćina izazivajući lizu ćelija i smrt Često se nazivaju hemolizini Fosfolipaze (lecitinaze): α- toksin Clostridium perfringens Streptolizin O streptokoka razlaže sterole u membrani α- toksin stafilokoka pravi pore u membrani kroz koje izlazi ćelijski sadržaj S. pyogenes na krvnom agaru α- toksin stafilokoka C. perfringens na žumancetnom agaru

AB toksini Grade ih dve subjedinice, A i B Komponenta B se vezuje za površinski receptor na ć. membrani i omogućava komponenti A da uđe u citoplazmu i oštećuje ćeliju Toksin difterije (Corynebacterium dyphtheriae) inhibira sintezu proteina blokirajući transfer AK sa tRNK na rastući polipeptidni niz deaktivirajući EF-2 nosilac tox gena je β fag

AB toksini tetanus (Clostridium tetani) i botulinum (C. botulinum) neurotoksini botulinum toksin (7 srodnih toksina) najpotentniji biološki agens (1 mg može da ubije više od milion zamoraca!) bar dva su kodirana genima iz lizogenih bakteriofaga blokira otpuštanje acetilholina na nervo-mišićnoj sinapsi efektivno sprečavajući kontrakciju mišića (flacidna paraliza) tetanus toksin sprečava relaksaciju mišića – tetanus = nekontrolisana mišićna kontrakcija (spastična paraliza) aktivnost botulinuma aktivnost tetanusa

AB toksini enterotoksin kolere (Vibrio cholerae) uzročnik se unosi hranom ili vodom A subjedinica aktivira adenilat ciklazu koja pretvara ATP u cAMP disbalans jona masivni gubitak vode iz creva – ozbiljna dijareja, dehidracija i gubitak elektrolita aktivnost toksina kolere

Superantigeni treća klasa egzotoksina deluju indirektno na ćelije domaćina narušavajući imunski sistem T ćelije i njihovi citokini intenzivno uništavaju ćelije domaćina superantigeni aktiviraju mnogo više T ćelija nego što je normalan imunski odgovor (5-25% naspram prosečnih 0.01%) proizvode ih i bakterije i virusi ozloglašeni superantigeni streptokoka i stafilokoka superantigeni interaguju sa T ćelijama (tj., sa TCR) izvan definisanog mesta za vezivanje (manje specifični, zajednički za mnoge T ćelije) ekstenzivna proizvodnja citokina od strane velikog broja aktiviranih T ćelija rezultuje sistemskom upalnom reakcijom Staphylococcus aureus – sindrom toksičnog šoka S. pyogenes - šarlah

Endotoksini većina gramnegativnih bakterija proizvode toksične lipopolisaharide kao deo spoljašnjeg sloja ćelijskog zida Escherichia, Salmonella, Shigella nespecifični vezani su ZA ćeliju i otpuštaju se u većoj količini nakon lize bakterijskih ćelija simptomi: groznica (endotoksin stimuliše proizvodnju citokina koji deluju kao endogeni pirogeni proteini), dijareja, pad broja limfocita i krvnih pločica, opšta upalna reakcija lipid A je odgovoran za toksičnost, ali posredno, preko makrofaga i B ćelija koje kad vežu lipid A za odgovarajući receptor proizvode proinflamatorne citokine manje toksični od egzotoksina Ć. zid gram-negativnih bakterija

Prirodna otpornost na infekciju fizički i hemijski faktori (barijere) zajednički svim kičmenjacima nespecifično inhibiraju invaziju većine patogena

Imunost i odbrambeni mehanizmi domaćina Imunost je aktivna sposobnost organizma da se odupre bolesti konstitutivna (urođena, nespecifična) i indukovana (adaptivna, specifična) urođeni imunski odgovor je u najvećoj meri funkcija fagocita i razvija se u roku od nekoliko sati fagocite mogu da „progutaju“, ubiju i „svare“ većinu patogena prepoznaju strukturne osobine zajedničke mnogim patogenima imunski odgovor u roku od nekoliko sati ako ih virulentnost patogena prevazilazi, fagocite mogu da aktiviraju adaptivni imunski odgovor (prezentacija antigena) mnogi patogeni su razvili mehanizme kojima inhibiraju fagocitozu funkcionalno sličan sistem prisutan kod svih višećelijskih organizama

Imunost i odbrambeni mehanizmi domaćina adaptivni imunski odgovor – stečena sposobnost prepoznavanja i uništavanja specifičnih patogena ili njihovih produkata akcija je usmerena na jedinstvene molekule patogena – antigene fagocite prezentuju antigene limfocitima koji su ključni u adaptivnom odgovoru antigeni interaguju sa specifičnim receptorima na limfocitima interakcija aktivira limfocite da transkribuju i translatuju gene koji proizvode proteine specifične za patogen (antitela) antitela interaguju sa specifičnim patogenom obeležavajući ga za uništenje potrebni su dani da bi se razvio

Adaptivni imunski odgovor antigen-specifična imunost koja se pokreće tek nakon izlaganja patogenu ili njihovom produktu tolerancija na „domaće“ primarni adaptivni imunski odgovor stvara klonove B limfocita (veliki broj identičnih antigen-reaktivnih ćelija) koje se diferenciraju u plazma ćelije i memorijske ćelije plazma ćelije su kratkoživeće dok memorijske ćelije mogu da opstanu godinama i daju organizmu dugotrajnu specifičnu imunost – imunološko pamćenje antigen-reaktivni limfociti: - B ćelije (antitela tj., imunoglobulini) - T ćelije (TCR-ćelijski receptori T ćelija) drugo izlaganje antigenu izaziva sekundarni adaptivni imunski odgovor

Najvažnije osobine adaptivnog imunskog odgovora specifičnost imunske ćelije prepoznaju i reaguju sa individualnim molekulima (antigenima) putem direktne molekularne interakcije pamćenje imunski odgovor na specifično antitelo je brži i snažniji prilikom ponovnog izlaganja zato što inicijalno izlaganje patogenu indukuje rast i deobu antigen-reaktivnih ćelija u velikom broju kopija tolerancija imunske ćelije prepoznaju sopstvene antigene antitela na sopstvene antigene se uništavaju u toku razvića imunskog odgovora

Imunizacija osobina imunološkog pamćenja iskorišćena za prevenciju infektivnih bolesti memorijske B ćelije mogu opstati godinama i posle ponovnog izlaganja antigenu nije im potrebna aktivacija od strane T ćelija transformišu se u plazma ćelije i proizvode antitela sekundarni imunski odgovor 10-100 veći titar specifičnih antitela prirodna i veštačka veštačka imunizacija – namerna veštačka indukcija imunosti na određen patogen pasivna i aktivna imunost pasivna – administracija seruma ili prečišćenih antitela iz krvi osoba sa aktivnim imunitetom terapeutska primena

Veštačka aktivna imunost vakcine – aktivni ili inaktivirani patogeni (ili njihovi produkti) bakterije (i virusi) ubijene hemijskim ili fizičkim sredstvima hemijski modifikovani egzotoksini – toksoidi atenuirani sojevi (nevirulentne forme koje nose antigene)

Veštačka aktivna imunost novina - sintetičke i vakcine nastale genetičkim inženjeringom sintetički peptidi – kratki peptidi koji mogu da budu dobri antigeni ako su vezani za veće proteinske „nosače“ rekombinantna-vektor vakcina geni koji kodiraju antigene (iz bilo kog virusa) se rekombinuju u genom vaccinia virusa vakcina protiv besnila rekombinantna-antigen vakcina gen za antigen se uklonira u genom kvasca (npr.) i eksprimira a protein se koristi za vakcinu vakcina protiv hepatitisa B i HPV DNK vakcine ekspresija gena ukloniranih u vektor (bakterijski plazmid) u ćelijama domaćina

Epidemiologija infektivne bolesti izazivaju ≈ 24% smrtih slučajeva godišnje u svetu epidemiologija proučava pojavu, distribuciju i učestalost determinanti bolesti u ljudskoj populaciji moraju se proučiti efekti kako na pojedinca tako i na populaciju interakcije patogen – domaćin veoma različite hronične infekcije (patogen u ravnoteži sa domaćinom, oba preživljavaju) akutne infekcije (brze i dramatične, utiču na evoluciju i preživljavanje svih uključenih strana)

Rečnik epidemiologije epidemija – pojava velikog broja obolelih jedinki za relativno kratko vreme na nekom ograničenom području pandemija – epidemija svetskih razmera endemija – bolest je konstantno prisutna kod malog broja jedinki (rezervoari infekcije) incidenca neke bolesti – broj novih slučajeva za neko vreme prevalenca – totalni broj obolelih za neko vreme mortalitet – učestalost smrtnih slučajeva u populaciji morbiditet – učestalost bolesti u populaciji (i fatalnih i nefatalnih)

Progresija infektivne bolesti prati predvidivi obrazac Infekcija Inkubacija Akutni period Period opadanja Period oporavka

Rezervoari bolesti i izvori infekcije živi, sa domaćina na domaćina direktno indirektno (vektorima) mnogi patogeni postoje samo u ljudskim populacijama (gonoreja, sifilis, polio, velike boginje) česti rezervoari bolesti su životinje gde je čovek slučajna žrtva – zoonoze (kuga, besnilo, ptičiji i svinjski grip) saprofitne zemljišne bakterije neživi objekti epidemije iz: 1. zajedničkog izvora (voda, hrana) - epidemija kolere izazvana neispravnom vodom 2. s domaćina na domaćina - grip, boginje

Zajednica domaćina život u ekvilibrijumu za većinu patogena – koevolucija sa domaćinom patogeni čiji primarni domaćin nisu ljudi “nemaju obzira” (Clostridium) grupni imunitet - imunizovane osobe štite ostatak populacije zato što ne mogu da prenesu patogen % imunizovanih koji može da zaštiti populaciju različit za različite patogene ciklične bolesti – influenca se pojavljuje u ciklusima koji su vezani za školsku godinu Grupni imunitet i prenošenje infekcije

Epidemiologija i javno zdravlje metode za identifikaciju, praćenje, zadržavanje i iskorenjivanje infektivnih bolesti u populaciji bolji uslovi života su ograničili neke bolesti samo na nerazvijene delove zemlje ključno – sprečavanje kontaminacije zajedničkih izvora: hrane i vode respiratorne infekcije je mnogo teže ograni;iti i suzbiti kontrola rezervoara bolesti: životinje imunizovati, invertebratske vektore uništavati imunizacija stanovništva, u krajnjoj potrebi - karantin i stroga izolacija stalno nadziranje eradikacija patogena – “success story” iskorenjavanje velikih boginja na svetskom nivou

Patogeni mikroorganizmi koji izazivaju infektivne bolesti samo nekoliko stotina su patogeni na osnovu načina transmisije (ekologije patogena) infekcije se dele: I sa čoveka na čoveka II preko životinjskih vektora III iz zajedničkog izvora

Sa čoveka na čoveka Respiratorne infekcije aerosol kao sredstvo raspršivanja – vazdušnim putem obično na male distance izuzeci bakterije koje mogu dugo da opstanu na suvom: streptokoke, stafilokoke i mikobakterije ljudi najčešće jedini rezervoari patogena koji izazivaju respiratorne infekcije nisu preterano ozbiljne same po sebi, ponekad mogu izazvati sekundarne probleme koji mogu biti ozbiljni

Respiratorne infekcije

Bakterijske respiratorne infekcije

Tuberkuloza i lepra (Hensenova bolest) Mycobacterium tuberculosis – Kohov bacil G-poz, acidfast štapić svojevremeno najvažnija infektivna bolest primarna i postprimarna infekcija bacil naseljava pluća, imunski sistem izaziva odgođenu hipersenzitivnu reakciju i formiranje agregata aktiviranih makrofaga (tuberkule) nekada bacil naseljava i same makrofage tuberkulin test – test na koži BCG vakcina obaveyna u Srbiji M. bovis

Grip (influenca) ss negativni RNK ortomiksovirusi sa dodatnim omotačem A, B i C tip gripa grip tipa A najznačajnija infektivna bolest čoveka svaki soj karakteriše jedinstven set površinskih glikoproteina: hemaglutinin (HA antigen) i neuraminidaza (NA antigen)

Reasortiman virusa gripa

Virusne respiratorne infekcije

Sa čoveka na čoveka Direktnim kontaktom kontakt sa osobom ili preko krvi i sekreta stafilokokne infekcije, ulceri i hepatitis; i STD Staphylococcus –infekcije kože i rana G-poz koke, fakult. anaerobi, rezistentne na isušivanje i visoke koncentracije soli, katalaza pozitivne S. aureus čitav asortiman faktora virulencije: 4 tipa hemolizina, koagulaza, leukocidin.. sindrom toksičnog šoka (TSS) – toksin je superantigen superantigen je i enterotoksin A koji izaziva trovanje hranom Meticilin Rezistentna Staphylococcus Aureusa

Sa čoveka na čoveka Direktnim kontaktom

Seksualno prenosive bolesti (STD)

Sifilis Treponema pallidum – G-neg spiroheta često seprenosi zajedno sa gonorejom kompleksna bolest koja može da se manifestuje kroz tri faze primarni sifilis – lezije na genitalijama može da migrira do oka, zglobova, kostiju i mozga sekundarni sifilis – sistemski osip tercijarni sifilis – ozbiljne infekcije kože, kardiovaskularnog i nervnog sistema penicilin „radi“

Infekcije preko vektora

Patogeni iz zemljišta saprofitne gljive i bakterije ljudi su slučajni domaćini svega 50-tak vrsta gljiva su patogene za čoveka izazivaju bolest preko 3 mehanizma: neodgovarajući imunski odgovor proizvodnja toksina mikoze (rast gljiva u/na telu) Clostridium botulinum i Clostridium tetani

Infekcije iz zajedničkog izvora kontaminirana voda (za piće i rekreaciju) ili hrana