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

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

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

Portas de Entrada

Portas de saída

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

Defesa do hospedeiro

O resultado da relação bactéria-hospedeiro depende da:

Fatores de virulência X

Patogenicidade do microrganismo

Resistência do hospedeiro

Mecanismo de defesa

Interações bactéria-hospedeiro

“O jogo da patogênese”

Cada fator de virulência é considerado uma carta que pode contribuir para a patogenicidade bacteriana

Interações bactéria-hospedeiro

Conjunto de diferentes cartas e trocas de cartas

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.

Obrigada!