aspectos ecolÓgicos da relaÇÃo bactÉria- … · o resultado da relação bactéria-hospedeiro...
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA DEPARTAMENTO DE PARASITOLOGIA, MICROLOGIA E IMUNOLOGIA
ASPECTOS ECOLÓGICOS DA RELAÇÃO BACTÉRIA-
HOSPEDEIRO
&
BIOFILMES
Daniele Maria Knupp Souza Sotte Abril 2017
O PLANETA MICROBIANO
Os microrganismos são ubíquos e são capazes de se adaptar a qualquer ambiente físico-químico.
Nascidos em um ambiente repleto de micróbios, todos os animais tornam-se infectados desde o momento do nascimento e, por toda a vida, tanto o homem como outros seres vivos albergam uma variedade de espécies bacterianas.
ECOSSISTEMA HUMANO
Número de células do nosso corpo: 10 trilhões
Número de células microbianas no nosso corpo: 100 trilhões
Número de células microbianas no trato gastrintestinal humano:
1013
Biomassa bacteriana no intestino humano: 1,2 kg (40 a 50% do peso
fecal)
Ecologia Microbiana => estudo das inter-relações entre os microrganismos e o mundo – como os microrganismos interagem entre si, como eles interagem com o hospedeiro (plantas, animais, homem) e como eles interagem com o mundo inanimado.
Os temas ambientais estão se tornando mais e mais populares. Contudo, os microrganismos têm sido deixados um pouco de lado.
Há uma grande preocupação com a conservação da diversidade biológica visível, mas ao mundo microbiano é dada pouca atenção pelas autoridades mundiais ligadas a esta preservação. Qual a porcentagem da população que reconhece os papéis críticos que os microrganismos representam na natureza, na manutenção de toda a vida
no planeta?
Simbiose Interação íntima durável entre dois organismos
Interações entre os microrganismos
Comensalismo
A bactéria não causa danos nem beneficia
ao hospedeiro– algumas bactérias comensais da flora
normal
Mutualismo Parasitismo
A bactéria e seu hospedeiro se
beneficiam – grande parte das bactérias
da flora normal
O hospedeiro é danificado pelo parasita (neste
caso, a bactéria)
Competição: Relação na qual uma espécie compete com outra no ecossistema por espaço e nutrientes, que pode ser atingida por diferentes estratégias:
Produção de substâncias antagonistas (bacteriocinas ou antibióticos): bloqueio do crescimento ou reprodução numa
relação “antibiótica” ou “antagônica” (Penicillium produtor de penicilina).
Consórcio: Coexistência de diferentes populações microbianas em comunidades estáveis como aquelas encontradas em biofilmes bacterianos. Em geral estas relações são mutualísticas. Predação: relação menos comum no Domínio Bacteria. Ex:Bdellovibrio spp. são bactérias predadoras, invadem o espaço periplasmático da “vítima”, enquanto consomem os compostos do citoplasma.
Exposição ao mundo microbiano
Infecção ou colonização - presença e multiplicação de uma bactéria em um hospedeiro, sem sinais e sintomas perceptíveis de doença. Infecção pode existir sem doença detectável.
Doença - alteração do estado normal do organismo
Morte
Exposição X Colonização X Doença
Microbiota
Os microrganismos que habitam os diversos sítios anatômicos do corpo humano são classificados em dois grupos:
• Microrganismos que estabelecem uma residência mais ou menos permanente (colonizam), mas que não produzem doença em condições normais; • Altamente dependente das condições às quais um indivíduo é exposto; • Altamente diversa entre indivíduos.
Microbiota residente, indígena, normal ou autóctone
- Oferecem barreiras contra colonização por patógenos;
- Produzem substâncias utilizáveis pelo hospedeiro; - Degradam produtos tóxicos;
- Participam da modulação do sistema imune dos hospedeiros.
Microbiota residente, indígena, normal ou autóctone
Papel importante na manutenção da integridade do hospedeiro, quando em equilíbrio em um sítio específico
Microrganismos podem se comportar como patógenos
oportunistas em situações de desequilíbrio ou ao serem
introduzidos em sítios estéreis ou não específicos.
Microbiota Residente
Caráter Anfibiôntico
Microrganismos da microbiota residente
humana
• Frequentemente são benéficos e necessários à
manutenção da saúde
Microbiota transitória, transiente ou alóctone
Microrganismos não patogênicos ou potencialmente patogênicos, encontrados em superfícies externas e internas, durante algumas horas, dias ou mesmo semanas; - Pouca importância se a microbiota residente estiver em
equilíbrio; - Caso ocorra alteração neste equilíbrio, os
microrganismos transitórios podem proliferar-se e produzir doença.
• O corpo humano é um conjunto de nichos ambientais que fornece nutrientes necessários para o seu crescimento;
• Corpo não é ambiente uniforme – crescimento de
determinados microrganismos é favorecido. - Pele: ambiente relativamente seco favorece crescimento de S. aureus; - Pulmões: ambiente altamente oxigenado favorece crescimento do aeróbio Mycobacterium tuberculosis - Intestino grosso: ambiente anóxico favorece crescimento dos anaeróbios estritos Clostridium e Bacteroides. • Hospedeiros – mecanismos de defesa; • Microrganismos que conseguem colonizar um hospedeiro
com sucesso sobrepujam esses mecanismos de defesa.
Interação bactéria-hospedeiro
• Patógeno – organismo que vive na superfície ou no interior do hospedeiro, causando danos.
• Patogenicidade – capacidade do microrganismo
provocar danos em um hospedeiro. • Virulência – grau de patogenicidade, ou seja, a dose ou
o número de células que resultará em resposta patológica em um dado período de tempo.
Microrganismos e mecanismos da patogênese
Estruturas, produtos ou estratégias que contribuem para o aumento da capacidade da bactéria de causar doença .
Fatores de Virulência
• Produção de toxinas e/ou enzimas • Cápsula e camada limosa • Fímbrias • Endotoxina • Peptideoglicano • Resistência aos antimicrobianos
Portas de entrada
Rotas de transmissão
Aderência Invasão
Portas de saída
Dano Doença
Colonização
Mecanismos bacterianos de patogenicidade
Trato respiratório Inaladas para dentro da cavidade nasal ou boca – gotículas de umidade ou partículas de pó
Bactéria Doença
Streptococcus pneumoniae
Pneumonia pneumocócica
Mycobacterium tuberculosis
Tuberculose
Bordetella pertusis Coqueluche
Portas de Entrada
Portas de Entrada
Trato gastrintestinal Alimentos e água
Bactéria Doença
Vibrio chloreae Cólera
Salmonella enterica Salmonelose
Escherichia coli Gastroenterites
Trato geniturinário Porta de entrada de patógenos sexualmente transmitidos
Membranas mucosas íntegras ou presença de cortes
Bactéria Doença
Neisseria gonorrhoeae Gonorréia
Treponema pallidum Sífilis
Chlamydia trachomatis Uretrite
Portas de Entrada
Pele ou via parenteral Pele íntegra – impenetrável para maioria das bactérias
Cortes, ferimentos, injeções - favorecem a entrada
Bactéria Doença
Clostridium tetani Tétano
Rickettsia rickettsii Febre maculosa
Leptospira interrogans Leptospirose
Portas de Entrada
Invasão e inflamação:
- Bactérias podem aderir (fímbrias, cápsula, etc) às células do hospedeiro, penetrar e se multiplicar no local nos tecidos sadios, induzindo a resposta inflamatória (eritema, edema, calor e dor)
Produção de toxinas e/ou enzimas:
- exotoxinas: polipeptídeos secretados pelas células (toxina botulínica, toxina tetânica, toxina estafilocócica);
- endotoxinas: LPS presentes na parede celular de Gram negativas.
- enzimas: colagenase, hialuronidase, coagulase, etc.
Como as bactérias causam danos às células hospedeiras
Contribuem para a susceptibilidade do hospedeiro: • Idade - Crianças: patógenos intestinais têm maior chance de se estabelecer. - Idosos: mais susceptíveis às infecções respiratórias. • Estresse e dieta - Fontes de estresse fisiológico (fadiga, dieta pobre, desidratação, mudanças climáticas bruscas) - Aumentam a incidência e gravidade das doenças infecciosas. • Hospedeiro comprometido - Um ou mais mecanismos de defesa estão inativados - Probabilidade de infecção é maior.
Fatores do hospedeiro nas doenças infecciosas
Fatores de proteção do hospedeiro nas doenças infecciosas
• Imunidade natural ou inata: - Mecanismos de defesa presentes independente da presença de agentes infecciosos (barreiras físicas, químicas e anatômicas). • Imunidade adquirida ou específica: - Mecanismos de defesa estimulados pela exposição a substâncias estranhas - imunoglobulinas.
Macrófago
fagocitando
bactérias Antígeno - anticorpo
O resultado da relação bactéria-hospedeiro depende da:
Fatores de virulência X
Patogenicidade do microrganismo
Resistência do hospedeiro
Mecanismo de defesa
Cada fator de virulência é considerado uma carta que pode contribuir para a patogenicidade bacteriana
Interações bactéria-hospedeiro
As cartas do hospedeiro: barreiras químicas e físicas, resposta imune inata, resposta imune adaptativa, imunização,
tratamento, diagnóstico, prevenção
Interações bactéria-hospedeiro
pele pH
ácido macrófago anticorpo
campanhas de
vacinação neutrófilos diagnóstico antimicrobiano
- Quais as cartas cada jogador possui? - Como as cartas são usadas?
O resultado do jogo da patogênese
Daniele Maria Knupp Souza Sotte
Abril 2017
Biofilmes bacterianos e sua
ecologia
UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA DEPARTAMENTO DE PARASITOLOGIA, MICROLOGIA E IMUNOLOGIA
• Por muito tempo foi considerado que as bactérias viviam de forma isolada.
• No entanto, observou-se que ocorre associação, e nas últimas
décadas também uma comunicação entre as bactérias. • Esse tipo de comportamento comunitário permite a formação de
uma estrutura multicelular complexa denominada BIOFILME.
BIOFILMES BACTERIANOS
Na realidade, a maioria das bactérias se encontra na natureza vivendo em comunidades, de maior ou menor
estruturação.
As bactérias existem em dois estados de vida básicos: • Células planctônicas, também conhecidas como células de vida
livre ou; • Células sésseis, também conhecidas como biofilmes.
• Estudos têm revelado que a maioria das bactérias não cresce
como células individuais, mas em comunidades estruturadas como organismos pseudomulticelulares ou biofilmes, estando presentes em praticamente todos os ecossistemas naturais e patogênicos.
Biofilmes
Complexos ecossistemas microbianos, podem ser formados por populações desenvolvidas a partir de uma única, ou de múltiplas espécies, podendo ser encontrados em uma variedade de superfícies bióticas e/ou abióticas.
Dinâmica de formação de um biofilme:
1. A adesão bacteriana é o primeiro estágio da formação de biofilme. Colonizadores primários se aderem a uma superfície, geralmente contendo proteínas ou outros compostos orgânicos;
2. A segunda etapa é a adesão secundária ou adesão irreversível. Nesse momento, os microrganismos fracamente ligados à superfície consolidam o processo de adesão, através da produção de EPS. As células aderidas passam a se desenvolver, originando microcolônias que sintetizam uma matriz exopolissacarídica (EPS), que passam a atuar como substrato para a aderência de microrganismos denominados colonizadores secundários;
3. Colonizadores secundários podem se aderir diretamente aos primários, ou promoverem a formação de coagregados com outros microrganismos e então se aderirem aos primários, formando agregados que vão estar firmemente ligados à superfície
Comunidades ou agregados microbianos imobilizados em uma matriz rica em substâncias extracelulares, conferindo proteção a ambientes hostis e
garantia de acesso a nutrientes necessários a sobrevivência.
O biofilme corresponde a uma "entidade" dinâmica pois, de acordo com os microrganismos que o compõem, teremos condições físicas, químicas e biológicas distintas.
Estas alterações fazem com que cada biofilme seja único, de acordo com os microrganismos presentes.
• Neste sentido, ao longo do tempo a composição microbiana dos biofilmes geralmente sofre alterações significativas.
Comportamento coletivo
Há várias décadas, foi proposto que as bactérias poderiam corresponder a organismos interativos, capazes
de atuar coletivamente, facilitando sua adaptação às alterações ambientais.
• Para que um biofilme de uma ou várias espécies seja formado, é necessário o estabelecimento de um comportamento multicelular, que se reflete em atividades coordenadas de interação e comunicação dos vários
organismos.
• Um dos mecanismos de comunicação interbacteriana que vem se mostrando extremamente importante na formação e desenvolvimento de biofilmes corresponde ao quorum sensing – mecanismos de sinalização celular.
Sinalização química – este mecanismo de comunicação acontece devido ao reconhecimento de concentrações mínimas de moléculas sinalizadoras ou auto indutores. Esta linguagem ou mecanismos de percepção e resposta empregados pelas bactérias, denominado quorum sensing.
Estrutura dos Biofilmes
• A maioria dos biofilmes exibe uma certa heterogeneidade, existindo conjuntos de agregados celulares distribuídos ao longo da matriz exopolissacarídica, que exibem densidades variáveis, originando aberturas e canais por onde a água pode trafegar.
• As microcolônias que compõem um biofilme podem ser de uma ou várias espécies, dependendo das condições ambientais.
• Ex.: Locais de grande estresse mecânico, tais como a superfície dental, o biofilme é bastante compactado e estratificado. Os espaços intersticiais (canais) também são parte importante dos biofilmes, pois permitem a circulação de nutrientes e a troca de metabólitos.
Por que formar um biofilme?
Acredita-se que a formação de biofilmes esteja associada,
por exemplo, à proteção contra o ambiente, ou seja, bactérias em um biofilme encontram-se abrigadas e em
relativa homeostase, graças à presença da matriz exopolissacarídica.
A adesão bacteriana e a consequente formação de biofilme possuem um papel importante na patogênese, representando
um grande obstáculo para a saúde humana, sendo causa comum de infecções persistentes
Por que formar um biofilme?
Ainda que sejam prejudiciais em diversos processos e locais, os biofilmes são necessários para a realização de outros processos.
Eles podem também ser benéficos.
Exemplo: produção de alimentos fermentados como o vinagre, onde as espécies Acetobacter e Gluconobacter de
microrganismos são utilizadas; área ambiental: descontaminação e limpeza de águas que possuam resíduos antes que estas sejam
lançadas novamente em córregos e rios.
Biorremediação de vários efluentes industriais, com o papel de retirar poluentes orgânicos e inorgânicos de águas contaminadas.
Papel dos biofilmes nas doenças
• Uma das mais importantes características dos biofilmes bacterianos é a sua resistência ao sistema imune do hospedeiro e aos agentes antimicrobianos.
Biofilme: Bactérias que vivem nessas comunidades são frequentemente de 10 a 1000 vezes mais tolerantes aos
antimicrobianos do que quando na forma planctônica, indicando que alguns dos mecanismos envolvidos na resistência dos biofilmes aos
antimicrobianos diferem dos mecanismos responsáveis pela resistência de bactérias planctônicas aos mesmos agentes.
• Infecções associadas a biofilmes geralmente são de
natureza recorrente, visto que as terapias antimicrobianas convencionais eliminam predominantemente as formas planctônicas, deixando as células sésseis livres para se reproduzir e propagar no biofilme após o tratamento. Como consequência, doenças envolvendo biofilmes são geralmente crônicas e difíceis de tratar.
• Diversos fatores têm sido postulados, para explicar a baixa suscetibilidade aos antimicrobianos de células na forma de biofilmes .
1. Baixa penetração de agentes químicos:
• O EPS reduz a capacidade de penetração de antimicrobianos em todas as áreas do biofilme.
• A matriz atua como barreira física para difusão, retendo grande parte dos agentes antimicrobianos e, assim, reduzir a quantidade do mesmo para agir sobre as células
2. Crescimento lento de células no interior do biofilme:
• O tratamento pode conduzir à erradicação da maior parte da população
do biofilme, mas a fração de células persistentes não é atingida e atua, portanto, como um núcleo para reinfecção, após a descontinuação terapêutica .
3. Transferência de genes de resistência : • Biofilmes são idealmente adequados para a troca de material genético
devido à proximidade das células bacterianas; • Dessa forma, a vida em comunidade facilita a transferência horizontal
de genes, através de plasmídeos, os quais podem codificar resistência para múltiplos agentes antimicrobianos.
Estudos realizados com placas dentais artificiais, formadas inicialmente por bactérias do gênero Streptococcus mostraram a transferência de transposons contendo genes de resistência a
tetraciclina de uma linhagem de Bacillus para células de Streptococcus.
4. Falha no reconhecimento dos biofilmes pela defesa imunológica humana: • As células do interior do biofilme estão protegidas contra a ação de
anticorpos, radicais livres e outros compostos reativos produzidos pelos fagócitos que são recrutados para o combate de infecções.
Até 60% das Infecções hospitalares têm participação
de biofilmes em sua patogênese.
• Exemplos típicos de doenças associadas a biofilmes incluem as infecções
de implantes tais como válvulas cardíacas, catéteres, sondas, lentes de contato, etc.
• Os biofilmes podem ainda promover doenças se formados em tecidos, tais
como nas infecções pulmonares provocadas por Pseudomonas aeruginosa, em pacientes com fibrose cística, que são suscetíveis a infecções crônicas por esta bactéria.
• A periodontite é outro exemplo de doença provocada por biofilmes.
=> O principal microrganismo associado a esta doença, Porphyromonas gingivalis, coloniza uma grande variedade de superfícies orais direta ou indiretamente, sendo então capaz de invadir as células das mucosas e liberar toxinas.
Dispersão de biofilmes
• Em determinados momentos, os biofilmes sofrem dispersão, liberando
microrganismos que podem vir a colonizar novos ambientes.
Existem três tipos de processos de dispersão:
• Expansiva
=> parte das células de uma microcolônia sofrem lise e outras retomam a motilidade, sendo então liberadas da estrutura;
• Fragmentação do biofilme => porções de matriz extracelular associadas a microrganismos são liberadas;
• Superficial
=> ocorre pelo crescimento do próprio biofilme como um todo.
Principais alvos para combate aos biofilmes microbianos
Bloqueio da adesão bacteriana
Rompimento da comunicação celular
Erradicação ou tratamento de biofilmes
já formados
• Pesquisas em biofilmes bacterianos tornaram-se mais consistentes nos últimos 40 anos.
• No entanto, o entendimento e o controle da formação de biofilmes
é uma tarefa muito complexa. Essa complexidade pode ser atribuída:
à heterogeneidade das superfícies bacterianas, incluindo a variabilidade entre diferentes espécies e cepas
e a dificuldade em reunir várias áreas do conhecimento científico, para abordar o problema de forma suficientemente interativa.