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Aspectos ecológicos da relação bactéria-hospedeiro
UNIVERSIDADE FEDERAL DE JUIZ DE FORA
DEPARTAMENTO DE PARASITOLOGIA, MICROBIOLOGIA E IMUNOLOGIA
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Os microrganismos são ubíquos. Os ecossistemas são normalmente colonizados por uma ampla e diversa
microbiota, formada principalmente
por bactérias, protozoários e fungos.
O mundo microbiano
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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?
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INTER-RELAÇÕES ENTRE OS ORGANISMOS
Simbiose: Associação de dois organismos (geralmente de espécies diferentes)
vivendo juntos em íntima associação => simbiontes. Quando a relação simbiótica é benéfica para ambos os simbiontes, ou seja, tanto o hospedeiro quanto o microrganismo se beneficiam de sua inter-relação, ela é denominada “mutualismo”. Esta relação é extremamente estável, visto que a sobrevivência de ambos os membros depende dela (Bacteriorrizas, micorrizas, líquens, cupins, etc). Quando a relação simbiótica é benéfica apenas para um simbionte, sem acarretar qualquer consequência para o outro, é denominada “comensalismo” (rêmoras x tubarão, plantas epífitas, etc). Quando a relação simbiótica é danosa para um simbionte (hospedeiro) e benéfica para o outro (parasita), é denominada de “parasitismo” (ectoparasitas, vírus, etc).
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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.
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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)
INTER-RELAÇÕES MICRORGANISMO-HOSPEDEIRO
Nascidos em um ambiente repleto de microrganismos, 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.
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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
Tanto a colonização quanto a doença resultam das inter-relações entre os microrganismos e
seus hospedeiros
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• Os microrganismos que habitam os diversos sítios
anatômicos do corpo humano e outros animais
saudáveis podem ser classificados em dois grupos:
Microbiota
transitória
Microbiota
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• Barreira contra instalação de microrganismos patogênicos
• Produção de substâncias utilizáveis pelo hospedeiro • Degradação de substâncias tóxicas • Modulação do sistema imunológico
Funções
• Microrganismos encontrados com regularidade em determinada área, quase sempre em altos números
• Não produzem doença em condições normais; • Diversificada habilidade metabólica
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Microrganismos podem se comportar como patógenos oportunistas, em situações de desequilíbrio ou ao serem introduzidos em sítios não específicos.
Ex: E. coli no intestino: inofensivo
E. coli no trato urinário: colonização - infecção urinária (doença)
Caráter anfibiôntico
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Microrganismos da
microbiota residente humana
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• Microrganismos não patogênicos ou potencialmente patogênicos; •Passam “temporariamente” pelo hospedeiro
Alguns microrganismos transitórios têm pouca importância, desde que a microbiota residente esteja em equilíbrio:
=> Havendo alteração nesse equilíbrio, os microrganismos transitórios podem proliferar-se e causar doença
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Muitos microrganismos que fazem parte da microbiota residente
Bactérias do intestino grosso que sintetizam
vitamina K – absorvidas pelos vasos sanguíneo IG fornece nutrientes
Muitas bactérias causadoras de doenças são parasitas
Relações entre a microbiota e o hospedeiro
Caráter anfibiôntico
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Um microrganismo é um patógeno se for capaz de causar doença
Patogenicidade – propriedade de um microrganismo provocar
alterações fisiológicas no hospedeiro, ou seja, capacidade de
produzir doença.
Virulência – Grau de patogenicidade, determinada pelos – fatores de
virulência - habilidades dos microrganismos.
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Fatores de virulência
Estruturas, produtos ou estratégias que contribuem para o aumento da capacidade da bactéria de causar doença
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Mecanismos bacterianos de patogenicidade
Portas de entrada
Rotas de transmissão
Aderência Invasão
Portas de saída
Dano Doença
Colonização
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Portas de entrada
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Portas de entrada
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
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Portas de entrada
Trato gastrintestinal Alimentos e água
Bactéria Doença
Vibrio chloreae Cólera
Salmonella enterica Salmonelose
Escherichia coli Gastroenterites
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Portas de entrada
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
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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
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Portas de saída
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Bactérias podem causar doença por 2 mecanismos principais:
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
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Exotoxinas e endotoxinas
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Barreiras físicas e químicas do hospedeiro
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Fatores de proteção do hospedeiro • Respostas imunes inatas Proporcionam respostas locais rápidas ao desafio de uma bactéria - Sistema complemento, neutrófilos, macrófagos e células natural killer • Respostas imunes adaptativas Identificam, atacam e eliminam as bactérias de forma específica - Anticorpos e células T
Barreiras imunológicas do hospedeiro
Macrófago fagocitando
bactérias
Antígeno - anticorpo
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Fatores de risco do hospedeiro para as doenças infecciosas
Fatores de risco do hospedeiro na infecção – contribuem para a susceptibilidade do hospedeiro • Idade - Crianças: sistema imunológico não amadurecido. - Idosos: doenças de base; mais susceptíveis as 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 imunocomprometido - Um ou mais mecanismos de defesa estão inativados - Probabilidade de infecção e maior.
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O resultado da relação bactéria-hospedeiro depende da:
Fatores de virulência
X
Patogenicidade do microrganismo
Resistência do hospedeiro
Mecanismo de defesa
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Interações bactéria-hospedeiro
“O jogo da patogênese”
Cada jogador tem as
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(Microbe, 2006)
Quais são cartas das bactérias? “As cartas de virulência”
Cada fator de virulência é considerado uma carta que pode contribuir para a patogenicidade bacteriana
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(Microbe, 2006)
Conjunto de diferentes cartas e trocas de cartas
“As cartas de virulência”
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Quais são as cartas do hospedeiro? “As cartas de defesa”
As cartas do hospedeiro: barreiras químicas e físicas, resposta imune inata,
resposta imune adaptativa, imunização, tratamento, diagnóstico, prevenção
pele pH
ácido macrófago anticorpo
campanhas de
vacinação neutrófilos diagnóstico antimicrobiano
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O resultado do jogo da patogênese
- Quais as cartas cada jogador possui - Como as cartas são usadas
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Biofilmes
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Agregados de microrganismos aderidos a superfícies bióticas ou abióticas em que as células
estão embebidas em uma matriz extracelular polimérica (EPS) produzida pelos próprios
microrganismos e que apresentam células diferenciadas que exercem papéis específicos na
manutenção da comunidade e de sua estrutura.
Biofilmes microbianos
Nossa percepção de bactérias como organismos unicelulares baseia-se essencialmente no conceito de culturas.
Na realidade, a maioria das bactérias se encontra na natureza vivendo em comunidades, de maior ou menor estruturação.
Biofilmes
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1. Colonizadores primários - se aderem a uma superfície, geralmente contendo proteínas ou outros compostos orgânicos;
2. 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.
Formação dos Biofilmes
(a) Colonização primária de um substrato;
(b) Crescimento, divisão celular e produção do
exopolissacarídeo (EPS), com o
desenvolvimento de microcolônias;
(c) Coadesão de células individuais, de células
coagregadas e grupos de células idênticas,
originando um biofilme jovem, de múltiplas
espécies;
(d) Maturação e formação de mosaicos clonais
no biofilme maduro.
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Iniciação: A regulação inicial é desencadeada pelas condições ambientais como: disponibilidade de nutrientes, temperatura, osmolaridade, pH, disponibilidade de ferro e oxigênio.
A ligação de uma bactéria envolve estruturas celulares (flagelo, pili, cápsulas, membrana externa (polímeros)
Transição controlada por complexos regulatórios
A ligação irreversível é caracterizada pela perda de flagelos e síntese de moléculas da parede celular que promovam a ligação da superfície.
Formação de Biofilmes
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Formação de Biofilmes
• Desenvolvimento estrutural (Maturação)
- A estrutura típica inclui colunas de células separadas por canais pelos quais há um fluxo de água, nutrientes e remoção de metabólitos.
- Os componentes estruturais incluem exopolissacarídeos como celulose, N-acetilglicosamina, ácido colônico e alginato.
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Biofilmes – Importância e aplicações
• Ciclagem de nutrients (água, solo, sedimentos…);
• Humanos são colonizados por microrganismos que forma biofilmes (infecções persistentes – dispositivos e implantes);
• Contaminação em processos industriais;
• Corrosão de superfície.
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Lopes e Siqueira Jr., 2004
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Matriz Exopolissacarídea
(EPS)
Benefícios estruturais e funcionais - Hidratação, - Captação de recursos, - Capacidade digestiva, - Proteção contra antimicrobianos, - Facilita interações intercelulares que podem melhorar a
capacidade metabólica das células no biofilme
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Cooperação fisiológica
Comunidades microbianas mais eficientes
Células planctônicas
Formação dos biofilmes
- Resistência a antimicrobianos;
- Facilita a transferência de material
genético;
- Resistência a resposta imune do
hospedeiro
Biofilmes
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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.
Comportamento social dos Biofilmes
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Indesejável
Problemas higiênicos; Perdas econômicas; Contaminação de alimentos com patógenos.
Desejável
Formação de biofilmes em tonéis de madeira que promovem a liberação de bactérias para acidificação do leite para fabricação de queijos artesanais.
Deterioração de alimentos Persistência de patógenos nas superfícies
de contato com os alimentos
Biofilmes na área de alimentos
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Biofilmes na área ambiental/industrial: biocorrosão/bioremediação/biolixiviação
Desejável
Indesejável
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Como remover os biofilmes na planta industrial
Evitar o acúmulo indesejável de biofilmes definir estratégias de atuação de modo preventivo, onde se evita ou retarda a formação de biofilmes. Definição e implementação de um plano de limpeza:
• ↓ Substância orgânica (nutrientes) na corrente líquida (quando possível);
• Monitoramento de biofilmes - inspeção visual e de sinais de corrosão;
• Desenho adequado dos equipamentos – evitar zonas de estagnação;
• Limpeza física (calor e remoção mecânica)
• Limpeza química - detergentes alcalinos clorados + detergentes ácidos, além
de sanitizantes com ação biocida, que penetram no biofilme.
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Biofilmes na área de saúde
Biofilmes formados sobre ou dentro de aparatos médicos constituem uma séria ameaça à saúde pública
Bactérias presentes nos biofilmes estão protegidas da antibioticoterapia e do sistema imune do hospedeiro.
Indesejável
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Biofilmes na área de saúde
Desejável ou não
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Dispersão
- A dispersão das células pode ser autoinduzida ou ser estimulada por fatores externos.
Mecanismo de controle ou
estratégia de colonização
de novos ambientes
- Há três estratégias para liberação de células: Dispersão por semeadura: liberação de células individuais; Dispersão por agregação: dispersão de agregados de células; Dispersão de superfície: movimento da estrutura do biofilme pela superfície.
Dispersão de Biofilmes