Interacciones microbianas con organismos superiores - Un huésped está siempre en contacto con diferentes tipos de microorganismos. Algunos de ellos incluso ejercen una función

beneficiosa. - Se denomina microbiota a estos organismos que han establecido una íntima relación con nosotros. - Organismo Gnotobiótico: Aquel del que se conoce su microbiota. Se diferencia de un organismo Axénico (l ibre de gérmenes) como puede ser un feto humano dentro del útero

- Parásito: organismo que vive sobre o en un hospedador. No siempre el parásito produce patalogía. Si esto ocurriera, el parásito pasaría a l lamarse PATÓGENO.

- Virulencia: grado de patogenicidad que presenta un parásito. - El hospedador proporciona un entorno favorable para el microorganismo, ya sea patógeno o no (nutrientes, pH, temperaturas

constantes y altas). - No obstante, cada región del hospedador tiene características diferentes. - Los microorganismos se encuentran en las zonas del cuerpo expuestas al mundo exterior: piel, cavidad oral, tracto respiratorio,

intestinal, genitourinario. Cuando aparecen en órganos más internos suelen indicar alguna patología (sangre o sistema linfáti co). - En un ser humano hay más de 400 m2 superficie total de mucosa en donde pueden crecer los microorganismos… MICROBIOTA DE LA PIEL

- Podemos tener hasta 2m2 de superficie de piel. - La epidermis no es medio favorable para crecimiento bacteriano (sequedad). Pero en cuero cabelludo, orejas, axilas, zona

genitourinaria y anal, dedos de los pies, etc. hay condiciones de humedad y calor suficiente para favorecer ciertos microorga nismos residentes. - La actividad bacteriana puede producir el “conocido” olor de zonas mal aseadas como axilas, ombligo… donde los microorganismo s

se asocian a las glándulas sudoríparas. También los folículos pilosos, con su glándula sebácea, proporcionan un hábitat a los microorganismos. - La microbiota normal de la piel son bacterias Gram + (Staphylococcus, Propionibacterium acnes). Algunas Gram – como E.coli están presentes como contaminantes fecales. Acinetobacter es una Gram - residente frecuente de la piel.

CAVIDAD ORAL

- Es un hábitat muy heterogéneo.

- A pesar de que la saliva contiene componentes antibacterianos (l isozima, que rompe el péptidoglicano, y lactoperoxidasa), el exceso de restos de nutrientes convierte a la boca en un medio favorable para los microorganismos.

- Mediante microcolonias, las bacterias pueden agarrarse y crecer en la superficie del diente. Sólo algunas especies bacteriana s pueden anclarse: Streptococcus sobrinus, S. mutans. Se puede formar una zona bacteriana espesa denominada PLACA.

- A medida que la placa crece, van desarrollándose bacterias fi lamentosas (Fusobacterium).

- Debido al crecimiento de anaerobias facultativas, en una placa hay poco acceso de oxígeno y estas bacterias pueden ser anaerobias. - El resultado final del crecimiento bacteriano en los dientes puede ser CARIES DENTAL, que se puede desarrollar en zonas donde la l impieza no es intensa y hay restos orgánicos. Implicados: S. sobrinus y S. mutants.

- El fluoruro dentro del cristal de fosfato cálcico hace que el diente sea más resistente a la descalcificación producida por el ácido de bacterias ácido-lácticas que fermentan azúcares. TRACTO INTESTINAL

- Una característica importante es el bajo pH que existe en el estómago, convirtiéndose en una barrera antibacteriana. - Sin embargo, Lactobacilos y estreptococos, tolerantes al ácido, sí pueden colonizar las paredes del estómago.

- A medida que avanzamos desde el duodeno (cerca del estómago y ácido) a lo largo del intestino, el pH se va haciendo menos áci do y la microbiota va cambiando, aumentando el número total de bacterias que pueden mezclarse con material digestivo y l legar hasta

varios millones por gramo. - En el intestino grueso abundan las bacterias fermentativas. Algunas fermentativas, como E.coli suelen consumir todo el oxígeno y dejar un ambiente anaerobio estricto. Aquí pueden crecer géneros como Bacteroides, Clostridium o Enterococcus faecalis (puede haber un recuento, sobre todo de Bacteroides de hasta 1010-1011 células/g de contenido intestinal.

- La microbiota intestinal realiza un gran número de reacciones metabólicas que pueden afectar al animal en caso de modificació n (tratamiento con antibióticos, por ejemplo…). - Otros productos de la fermentación bacteriana son las sustancias odorífer as y gases. Esto, como ya se sabe, puede variar con la

dieta… - Las bacterias constituyen cerca de un tercio del peso de la materia fecal. - Con abuso de antibióticos, puede desaparecer la microbiota habitual y aparecer otros organismos oportunistas como Staphylococcus, Proteus o la levadura Candida albicans, que en condiciones normales no pueden competir con la microbiota normal.

- Un adulto normal expele diariamente de sus intestinos varios cientos de ml de gas (entre ellos metano, CO 2 y H2, procedentes de la acción fermentativa bacteriana), siendo más de un tercio N2 procedente del aire tragado…

TRACTO RESPIRATORIO

- Los microorganismos viven en áreas bañadas con las secreciones de las membranas mucosas. - Las bacterias pueden penetrar con el aire durante la respiración.

- Los organismos más frecuentes son estafilococos, estreptococos y algunos cocos Gram negativos (menos corrientes).

- También pueden coexistir (pero con crecimiento limitado por la microbiota normal) organismos potencialmente pató genos como: Staphylococcus aureus, Streptococcus pneumoniae, S. pyogenes o Corynebacterium diphteriae. El sistema inmune local delimita su crecimiento.

- El tracto respiratorio inferior (tráqueas, bronquios y pulmones) son bastante estériles, debido a que el flujo de aire va disminuyendo y el epitelio cil iado de las paredes empuja a las bacterias hasta que son expulsadas en la saliva o secreciones nasales. TRACTO UROGENITAL

- Tanto en el hombre como en la mujer, la vejiga suele ser estéril, pero la uretra puede colonizarse por bacilos y cocos Gram

negativos aerobios facultativos (E. coli y Proteus mirabilis). Normalmente no son patógenos, pero por cambios (inmunosupresión) pueden producir infección. - La vagina de la mujer adulta es l igeramente ácida y puede contener Lactobacillus acidophilus que fermenta glucógeno y produce

ácido. Asociaciones simbióticas - La simbiosis (syn juntos; bios vida) consiste en la íntima asociación física de dos o más organismos diferentes.

- Hay 3 tipos de simbiosis: Parasitismo, comensalismo y mutualismo. - En cada caso podemos hablar de ectosimbiosis (uno de los organismos permanece fuera del otro) y endosimbiosis (dentro del otro).

Parasitismo: Infección, patogenicidad y virulencia - Cuando un simbionte daña o vive a expensas de otro organismo (huésped), se denomina organismo parásito. Hablamos de Parasitismo.

- Existe numerosos agentes parásitos entre virus, bacterias , hongos, plantas y animales. Por convenio, cuando se emplea el término parásito, sin especificar, se refiere a un protozoo o helminto. - Grupo de parásitos más conocidos: - Virus

- Bacterias: Clamidias, micoplasmas, rickettsias... - Hongos: Tiñas (Trichophyton, Microsporum), Aspergillus, Candida... - Protozoos: Tripanosomas, malaria... - Helmintos: Nematodos, Platelmintos...

- Insectos: Ácaros, garrapatas... - Otros: Gusanos, sanguijuelas... - También podemos hablar de ectoparásitos y endoparásitos. El huésped donde el parásito alcanza la madurez sexual o se reproduc e

se denomina huésped final, para diferenciarlo del huésped intermedio y huésped reservorio - Nosotros vamos a centrarnos, después de haber estudiado los virus, en las relaciones con bacterias:

- Las fases que util iza un microorganismo para producir patogénesis son: Entrada, colonización, crecimiento y establecimiento d e VIRULENCIA (capacidad relativa del patógeno para producir enfermedad). - Normalmente, el microorganismo debe atravesar las barreras primarias antimicrobianas: piel, membranas mucosas o epitelio

intestinal. - Raramente se atraviesa la piel intacta para l legar a los estratos subcutáneos (se aprovechan las heridas). - La adherencia a los tejidos suele ser específica y se realiza por donde el organismo alcanza el interior del huésped. Por ejemplo, Neisseria gonorrhoeae se adhiere mucho más fuertemente al epitelio urogenital que a otro tejido. - También hay especificidad de especie, normalmente. - La adherencia bacteriana se suele realizar a través de la red pegajosa de fibras polisacáridas que forman denominada GLICOCÁL IX.

- También es crucial para la fijación a l tejido la posesión de fimbrias bacterianas y el tipo de las mismas (estructura más pequeña que el flagelo y también proteica). E.coli, cuando resulta enteropatógena posee un tipo de fimbria especial. - Tras la penetración en el epitelio se puede iniciar el proceso de INVASION. A través de la sangre, la bacteria puede llegar e invadir zonas lejanas de

donde se produjo la entrada. - Una vez que el microorganismo llega al tejido diana, puede empezar la COLONIZACIÓN Y CRECIMIENTO. - Para ello, se tiene que vencer a la vigilancia inmunológica. - Para la colonización es crucial la disponibilidad de nutrientes. También en este sentido hay especificidad dependiendo del ti po de nutriente

disponible.

- La llegada de la bacteria a la sangre puede llegar a producir una peligrosa infección sistémica. No obstante, el paso por la sangre también hace que el microorganismo pase por ganglios l infáticos y bazo, activando la respuesta inmune…

- Normalmente, las bacterias patógenas poseen proteínas extracelulares implicadas en la enfermedad. Suelen ser enzimas denominadas FACTORES DE VIRULENCIA. Algunos ejemplos son: - Hialuronidasa que rompe el ácido hialurónico (mantiene el tejido unido) y permite la difusión del patógeno.

- Colagenasa. - Hemolisinas que pueden romper células (se mide sobre eritrocitos, en cultivos en agar con sangre). Toxinas

- En muchos casos, los patógenos producen TOXINAS que son las responsables directas de la enfermedad, ya que la simple presenci a del microorganismo, aunque sea en grandes cantidades, no suele ser suficiente.

Exotoxinas: - Se liberan al medio extracelular a medida que crece el microorganismo.

- Pueden viajar a zonas alejadas del foco de infección. Ejemplos: - T. DIFTÉRICA: La produce Corynebacterium diphteriae. Es un polipéptido que bloquea la síntesis protei ca (elongación) por inhibir el transporte del Aa desde el tRNA. La difteria puede producir muerte por asfixia en la infancia.

- T. TETÁNICA: Clostridium tetani. En heridas punzantes profundas, en anaerobiosis. La toxina, proteína de 150 kDa, puede produci r síntomas neurológicos graves, ya que se fi ja en las sinapsis nerviosas bloqueando la l iberación de glicina (factor que produc e la relajación de los músculos).

- T. BOTULÍNICA: C. botulinum. Constituída por 7 toxinas relacionadas. Es la sustancia más venenosa conocida (1 mg mata más de un millón de cobayas). Se fi ja a la membrana presináptica en la unión neuromuscular bloqueando la l iberación de acetilcolina. Se inhibe la contracción muscular dando lugar a una parálisis flácida. - Enterotoxinas: Son exotoxinas que actúan sobre el intestino delgado. Están implicadas en pérdida masiva de líquido

(deshidratación). La pueden producir Clostridium perfringens, Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Escherichia coli (colitis por intoxicación con alimentos contaminados), Salmonella enteritidis (famosa intoxicación alimentaria), Vibrio cholerae (Toxina del cólera, proteína con 3 polipéptidos, que activa la adenilatociclasa, formando cAMP de forma masiva que produce secreción acti va de cloruro y bicarbonato en la luz del intestino, seguida de pérdida de gran cantidad de agua…). Endotoxinas: - Suelen ser lipopolisacáridos producidos por bacterias gram negativas que forman parte de su pared celular. - Se suelen liberar solamente cuando se lisa la bacteria. - Son grandes activadoras del sistema inmune. Suelen producir fiebre, diarrea, vómitos… - Dosis altas pueden producir muerte por necrosis tisular y shock hemorrágico, pero su toxicidad es infinitamente inferior a las exotoxinas.

Virulencia - Ya hemos definido VIRULENCIA como la capacidad relativa de un parásito para producir enfermedad. - Hay parásitos poco invasivos (C.tetani) pero que debido a otros factores (exotoxinas) pueden ser muy virulentos. - En otros casos (Salmonella) se pueden producir varios tipos diferentes de toxinas (enterotoxinas, endotoxinas y citotoxinas, que inhibe la síntesis proteica en la célula infectada). También los factores que favorezcan la adherencia influyen en la virulen cia (fimbrias, polisacáridos, etc…). - En algunos casos, estos factores de virulencia evitan también el ataque inmune. Incluso se han descrito mecanismos de “caballo de Troya” para especies de Salmonella… - En muchos casos, mediante pases en cultivo, en condiciones, a veces, de restricción del crecimiento, se pueden obtener cepas

ATENUADAS que incluso pueden ser util izadas para la vacunación (virus del sarampión, polio, parotiditis, rabia, algunas cepas de Mycobacterium…). Identificación de agentes patógenos: postulados de Koch - La TEORÍA MICROBIANA DE LAS ENFERMEDADES INFECCIOSAS fue claramente probada hacia la segunda mitad del siglo XIX por el

médico Robert Koch. - Estudiando en ratones domésticos (cazados en un establo cercano) la enfermedad del carbunco ( Bacillus anthracis) l legó a una serie de resultados plasmados en sus famosos POSTULADOS: - 1. El organismo debe estar siempre presente en los animales que sufran la enfermedad y no en individuos sanos. - 2. El organismo debe ser cultivado en cultivo puro fuera del cuerpo del animal. - 3. Tal cultivo, cuando se inocula a un animal susceptible, debe iniciar en él los síntomas característicos de la enfermedad. - 4. El organismo debe ser reaislado de estos animales experimentales y cultivado de nuevo en el laboratorio, tras lo cual debe mostrar las mismas

propiedades que el microorganismo original. - Estos postulados, que actualmente no siempre parecen fácil de demostrar (en enfermedades complejas como las vacas locas, por

ejemplo…), sirvieron para aislar e identificar un gran número de agentes causantes de enfermedad, así como para la obtención de cultivos AXÉNICOS (puros). Koch desarrolló la técnica del cultivo y aislamiento de colonias individuales. - Koch recibió en 1905 el Premio Nobel de Fisiología y Medicina por el aislamiento del agente cau sante de la tuberculosis, preparación de la tuberculina (para el diagnóstico) y preparación de un método de tinción para bacterias ácido -alcohol resistentes

(el precursor de la tinción de Ziehl -Nielsen). También aisló al agente causante del cólera… Comensalismo y Mutualismo - En el comensalismo, (com juntos y mensa mesa), el comensal se beneficia, mientras que el huésped ni se perjudica ni beneficia: - E. coli no patogénica vive en el colon humano, pero puede desarrollarse fuera del huésped con normalidad . - Bacteroides se aprovecha de la bajada de oxígeno producida por E. coli. Mutualismo: - En el mutualismo (mutuus préstamo o recíproco), ambos asociados obtienen beneficio. Tipos de Mutualismo: - Sintrofía: - El sintrofismo (syn juntos, trophe alimentación) es la asociación en la que el crecimiento de un organismo depende con los factores y nutrientes aportados por otro organismo que vive cerca.

- Un ejemplo muy importante es el que asocia la sintrofía con la producción de metano: - Existe una organización sinergística entre las diferentes bacterias implicadas en la metanogénesis. La reacción general podría

resumirse como: Biomasa CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S - Existen 4 grupos o categorías de bacterias que participan en los pasos de conversión de la materia hasta moléculas sencillas como metano o dióxido de carbono y que van cooperando de forma sinergística: Grupo 1: Bacterias hidrolíticas: Son un grupo de bacterias (Clostridium, Proteus, Bacteroides, Bacillus, Vibrio, Acetovibrio, Staphyloccoccus) que rompen los enlaces complejos de las proteínas, celulosa, l ignina o l ípidos en monómeros o moléculas como

aminoácidos, glucosa, ácidos grasos y glicerol. Estos monómeros pasarán al siguiente grupo de bacterias. Grupo 2: Bacterias fermentativas acidogénicas: (Clostridium, Lactobacillus, Escherichia, Bacillus, Pseudomonas, Desulfovibrio, Sarcina). Convierten azúcares, aminoácidos y l ípidos en ácidos orgánicos (propiónico, fórmico, láctico, butírico o succínico), alcoholes y cetonas (etanol, metanol, glicerol, acetona), acetato, CO2 y H2. Grupo 3: Bacterias acetogénicas: Son bacterias sintróficas (l iteralmente “que comen juntas”), es decir, solo se desarrollan como productoras de H2 junto a otras bacterias consumidoras de esta molécula. Syntrophobacter wolinii, especializada en la oxidación de propionato, y Syntrophomonas wolfei, que oxida ácidos grasos que tienen de 4 a 8 átomos de carbono, convierten el propiónico, butírico y algunos alcoholes en acetato, hidrógeno y dióxido de carbono, el cual se util iza en la metanogénesis.

Etanol + CO2 Acido acético + 2H2

Acido propiónico + 2H2O Acido acético + CO2 + 3H2

Acido butírico + 2H20 2 Acido acético + 2H2

4 grupo: Metanógenas: La digestión anaerobia de la materia orgánica en la naturaleza, l ibera del orden de 500 -800 millones de

toneladas de metano por año a la atmósfera. Esto se produce en la profundidad de sedimentos o en el rumen de los herbívoros. Existen tanto bacterias Gram positivas como negativas. Estos microorganismos crecen muy despacio, con tiempo de generación que van desde los 3 días a 35ºC hasta los 50 días a 10ºC. Estas bacterias se dividen en 2 subgrupos:

Metanógenos hidrogenotróficos (bacterias quimiolitótrofas que utilizan hidrógeno): CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O Metanógenas acetotróficas: Acético CH4 + CO2 - Líquenes: - Asociaciones entre ascomicetos (hongos) y a lgunas algas verdes o cianobacterias, es decir, entre un micobionte y un ficobionte.

- Según la morfología, existen 3 clases de líquenes: crustosos (compactos), foliosos (forma similar a hojas) y fruticosos (forma de arbusto). - El hongo obtiene el carbono orgánico directamente del ficobionte, que es fotoautótrofo, mediante proyecciones de hifas fúngicas o

haustorios que penetran la pared del alga o cianobacteria. - El ficobionte queda protegido frente a un exceso de intensidad de luz y recibe sustrato firme, agua (evitando la desecación) y minerales del hongo. - Otras relaciones mutualistas: - Protozoos y termitas: Algunos protozoos flagelados (Trichonympha) del intestino de las termitas digieren la celulosa (las termitas no tienen celulasa) y la metabolizan, produciendo acetato y otros productos... - Gusanos tubiformes y bacterias: Varios miles de metros bajo los oceanos, donde se separan las placas tectónicas. Condiciones

anóxicas con altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno. Bacterias quimiolitótrofas (Beggiatoa y Thiomicrospira) que producen energía oxidando el sulfuro de hidrógeno y fi jan CO2 por el ciclo de Calvin, produciendo materia orgánica utilizable por el gusano. Estas bacterias viven dentro de células del gusano. Son Endosimbiontes. - Ectosimbiosis en el Rumen: - Los mamíferos, como casi todos los animales, carecen de las enzimas necesarias para digerir la

celulosa. - En el Rumen se digiere la celulosa, mediante los microorganismos residentes. - El tamaño es grande: hasta 150 litros en una vaca, 6 en una oveja. Es el primer órgano donde va a parar el alimento ingerido, c on una temperatura cercana a los 39ºC, un pH de 6.5 y condiciones anóxicas. Mediante una fístula se puede estudiar el rumen directamente en la vaca. - El alimento permanece en el rumen de 9 a 12 horas, mientras se hidroliza la celulosa obteniéndose el disa cárido celobiosa y unidades de glucosa libre. - Productos de la fermentación bacteriana son: Ácidos grasos volátiles (acético, propiónico y butírico), y gases (CO2 y metano, hasta 400 litros/día que el animal eructa). - Los microorganismos del rumen producen, además, diferentes aminoácidos y vitaminas, esenciales para el animal. - El número de microorganismos del rumen es enorme: 1010-1012 bacterias por mili litro de fluido del rumen. - Microorganismos del rumen: - Anaerobias estrictas: Fibrobacter, Ruminococcus, Clostridium (degradan celulosa), Ruminobacter, Bacteroide, Succinomonas (degradan almidón, de cereales, por ejemplo), y algunas metanógenas como la arqueobacteria Methanomicrobium. - Protistas anaerobios (ciliados, principalmente) - Hongos anaerobios capaces de degradar la l ignina (compuesto que refuerza las paredes celulares de plantas leñosas). - Otros animales rumiantes: Cabras, camellos, bisontes, ciervos, renos, caribúes o antílopes (incluso algunas ballenas tienen u n

sistema parecido o la estructura denominada Buche de algunas aves tropicales folívoras, comedoras de hojas). - Los caballos y conejos son herbívoros, pero no rumiantes. Tienen el ciego como cámara de fermentación celulolítica (en la par te posterior del intestino grueso, justo antes del ano). Esto hace que la microbiota salga al exterior. Para recuperarla y util izarla como fuente de proteínas se practica la coprofagia...