Microbiologia (Italiano)

L’immunità innata non specifica può essere caratterizzata come un sistema di difese sfaccettato che prende di mira gli agenti patogeni invasori in un ambiente aspecifico maniera. In questo capitolo abbiamo suddiviso le numerose difese che compongono questo sistema in tre categorie: difese fisiche, difese chimiche e difese cellulari. Tuttavia, è importante tenere presente che queste difese non funzionano in modo indipendente e le categorie spesso si sovrappongono. La tabella 1 fornisce una panoramica delle difese non specifiche discusse in questo capitolo.

Le difese fisiche forniscono la forma più elementare di difesa non specifica del corpo. Includono barriere fisiche ai microbi, come la pelle e le membrane mucose, nonché difese meccaniche che rimuovono fisicamente microbi e detriti dalle aree del corpo dove potrebbero causare danni o infezioni. Inoltre, il microbioma fornisce una misura di protezione fisica contro le malattie, poiché i microbi del microbiota normale competono con gli agenti patogeni per i nutrienti e i siti di legame cellulare necessari per causare l’infezione.

Barriere fisiche

Le barriere fisiche svolgono un ruolo importante nell’impedire ai microbi di raggiungere i tessuti suscettibili alle infezioni. A livello cellulare, le barriere sono costituite da cellule strettamente unite per impedire agli invasori di attraversare i tessuti più profondi. Ad esempio, le cellule endoteliali che rivestono i vasi sanguigni hanno giunzioni cellula-cellula molto strette, impedendo ai microbi di accedere al flusso sanguigno. Le giunzioni cellulari sono generalmente composte da proteine della membrana cellulare che possono connettersi con la matrice extracellulare o con proteine complementari da cellule vicine. I tessuti in varie parti del corpo hanno diversi tipi di giunzioni cellulari. Questi includono giunzioni strette, desmosomi e giunzioni gap, come illustrato nella Figura 1. I microrganismi invasori possono tentare di abbattere queste sostanze chimicamente, utilizzando enzimi come le proteasi che possono causare danni strutturali per creare un punto di ingresso per i patogeni.

Figura 1. Esistono diversi tipi di giunzioni cellulari nel tessuto umano, tre dei quali sono mostrati qui. Giunzioni strette rivettano insieme due celle adiacenti, impedendo o limitando lo scambio di materiale attraverso gli spazi tra di loro. I desmosomi hanno fibre intermedie che agiscono come i lacci delle scarpe, legando insieme due celle, consentendo a piccoli materiali di passare attraverso gli spazi risultanti. Le giunzioni di gap sono canali tra due celle che consentono la loro comunicazione tramite segnali. (credito: modifica dell’opera di Mariana Ruiz Villareal)

The Skin Barrier

Figura 2. Fare clic per ingrandire l’immagine. La pelle umana ha tre strati, l’epidermide, il derma e l’ipoderma, che forniscono una spessa barriera tra i microbi esterni al corpo e i tessuti più profondi. Le cellule morte della pelle sulla superficie dell’epidermide vengono continuamente eliminate, portando con sé i microbi sulla superficie della pelle. (credito: modifica del lavoro del National Institutes of Health)

Una delle barriere fisiche più importanti del corpo è la barriera cutanea, che è composta da tre strati di cellule fitte. Il sottile strato superiore è chiamato epidermide. Un secondo strato più spesso, chiamato derma, contiene follicoli piliferi, ghiandole sudoripare, nervi e vasi sanguigni. Uno strato di tessuto adiposo chiamato ipoderma si trova sotto il derma e contiene vasi sanguigni e linfatici (Figura 2).

Lo strato più superficiale della pelle, l’epidermide, è costituito da cellule ricche di cheratina. Queste cellule morte rimangono come uno strato denso e strettamente connesso di gusci cellulari pieni di proteine sulla superficie della pelle. La cheratina rende la superficie della pelle meccanicamente dura e resistente alla degradazione da parte degli enzimi batterici.Gli acidi grassi sulla superficie della pelle creano un ambiente secco, salato e acido che inibisce la crescita di alcuni microbi ed è altamente resistente alla degradazione da parte degli enzimi batterici. Inoltre, le cellule morte dell’epidermide vengono spesso eliminate, insieme a eventuali microbi che potrebbero esservi attaccati. Le cellule epiteliali del capannone vengono continuamente sostituite con nuove cellule dal basso, fornendo una nuova barriera che presto verrà eliminata allo stesso modo.

Le infezioni possono verificarsi quando la barriera cutanea è compromessa o rotta. Una ferita può fungere da punto di ingresso per agenti patogeni opportunisti, che possono infettare il tessuto cutaneo che circonda la ferita e possibilmente diffondersi a tessuti più profondi.

Ogni rosa ha la sua spina

Mike, un giardiniere della California meridionale, ha recentemente notato una piccola protuberanza rossa sull’avambraccio sinistro. Inizialmente, non ci pensava molto, ma presto si ingrandì e poi si ulcerò (si aprì), diventando una lesione dolorosa che si estese su gran parte del suo avambraccio (Figura 3). È andato in una struttura di cure urgenti, dove un medico ha chiesto informazioni sulla sua occupazione. Quando ha detto di essere un paesaggista, il medico ha immediatamente sospettato un caso di sporotricosi, un tipo di infezione fungina nota come malattia del giardiniere di rose perché spesso affligge paesaggisti e appassionati di giardinaggio.

Figura 3. La malattia del giardiniere di rose può verificarsi quando il fungo Sporothrix schenkii rompe la pelle attraverso piccoli tagli, come quelli che potrebbero essere causati dalle spine. (credito a sinistra: modifica del lavoro di Elisa Self; credito a destra: modifica del lavoro da parte dei Centers for Disease Control and Prevention)

Nella maggior parte delle condizioni, i funghi non possono produrre infezioni della pelle in individui sani. Ai funghi crescono filamenti noti come ife, che non sono particolarmente invasivi e possono essere facilmente tenuti a bada dalle barriere fisiche della pelle e delle mucose. Tuttavia, piccole ferite nella pelle, come quelle causate dalle spine, possono fornire un’apertura per agenti patogeni opportunisti come Sporothrix schenkii, un fungo che vive nel suolo e l’agente eziologico della malattia del giardiniere di rose. Una volta che supera la barriera cutanea, S. schenkii può infettare la pelle e i tessuti sottostanti, producendo lesioni ulcerate come quella di Mike. Sostanze aggravanti, altri patogeni possono entrare nel tessuto infetto, causando infezioni batteriche secondarie.

Fortunatamente, la malattia del giardiniere di rose è curabile. Il medico di Mike gli ha scritto una prescrizione per alcuni farmaci antifungini e un ciclo di antibiotici per combattere le infezioni batteriche secondarie. Le sue lesioni alla fine guarirono e Mike tornò a lavorare con un nuovo apprezzamento per i guanti e gli indumenti protettivi.

Membrane mucose

Le mucose che rivestono il naso, la bocca, i polmoni e le vie urinarie e digestive forniscono un’altra barriera non specifica contro potenziali patogeni. Le membrane mucose sono costituite da uno strato di cellule epiteliali legate da giunzioni strette. Le cellule epiteliali secernono una sostanza umida e appiccicosa chiamata muco, che copre e protegge gli strati cellulari più fragili sottostanti e intrappola detriti e particolato, compresi i microbi. Le secrezioni di muco contengono anche peptidi antimicrobici.

Figura 4. Questa micrografia elettronica a scansione mostra l’epitelio ciliato e non affilato cellule della trachea umana. La scala mobile mucociliare spinge il muco lontano dai polmoni, insieme a eventuali detriti o microrganismi che possono essere intrappolati nel muco appiccicoso, e il muco si sposta fino all’esofago dove può essere rimosso inghiottendo.

In molte regioni del corpo, le azioni meccaniche servono a eliminare il muco (insieme a microbi intrappolati o morti) dal corpo o lontano da potenziali siti di infezione. Ad esempio, nel sistema respiratorio, l’inalazione può portare microbi, polvere, spore di muffe e altri piccoli detriti trasportati dall’aria nel corpo. Questi detriti rimangono intrappolati nel muco che riveste le vie respiratorie, uno strato noto come coperta mucociliare. Le cellule epiteliali che rivestono le parti superiori del tratto respiratorio sono chiamate cellule epiteliali ciliate perché hanno appendici simili a capelli note come ciglia. Il movimento delle ciglia spinge il muco carico di detriti fuori e lontano dai polmoni. Il muco espulso viene quindi ingerito e distrutto nello stomaco, oppure espulso con la tosse o starnutito (Figura 4). Questo sistema di rimozione è spesso chiamato scala mobile mucociliare.

La scala mobile mucociliare è una barriera così efficace contro i microbi che i polmoni, la parte più bassa (e più sensibile) delle vie respiratorie, sono stati a lungo considerati un ambiente sterile in individui sani. Solo di recente la ricerca ha suggerito che i polmoni sani possono avere un microbiota normale piccolo.L’interruzione della scala mobile mucociliare a causa degli effetti dannosi del fumo o di malattie come la fibrosi cistica può portare a una maggiore colonizzazione di batteri nel tratto respiratorio inferiore e frequenti infezioni, il che sottolinea l’importanza di questa barriera fisica per le difese dell’ospite.

Come il tratto respiratorio, il tratto digerente è un portale di ingresso attraverso il quale i microbi entrano nel corpo e le membrane mucose che rivestono il tubo digerente forniscono una barriera fisica aspecifica contro i microbi ingeriti. Il tratto intestinale è rivestito di cellule epiteliali, intervallate da cellule caliciformi che secernono muco (Figura 5). Questo muco si mescola con il materiale ricevuto dallo stomaco, intrappolando microbi e detriti di origine alimentare. L’azione meccanica della peristalsi, una serie di contrazioni muscolari nel tratto digerente, sposta il muco escreto e altro materiale attraverso l’intestino, il retto e l’ano, espellendo il materiale nelle feci.

Figura 5. Le cellule caliciformi producono e secernono muco. Le frecce in questa microfotografia indicano le cellule caliciformi che secernono muco (ingrandimento 1600⨯) nell’epitelio intestinale. (micrografia credito: Micrografia fornita dalla Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

Endothelia

Le cellule epiteliali che rivestono il tratto urogenitale, vasi sanguigni, vasi linfatici e alcuni altri tessuti sono noti come endoteli. Queste celle fitte forniscono una barriera in prima linea particolarmente efficace contro gli invasori. L’endotelio della barriera emato-encefalica, ad esempio, protegge il sistema nervoso centrale (SNC), costituito dal cervello e dal midollo spinale. Il SNC è una delle zone più sensibili e importanti del corpo, poiché l’infezione microbica del SNC può portare rapidamente a infiammazioni gravi e spesso fatali. Le giunzioni cellulari nei vasi sanguigni che viaggiano attraverso il SNC sono tra le più strette e resistenti del corpo, impedendo a eventuali microbi transitori nel flusso sanguigno di entrare nel SNC. Ciò mantiene sterile il liquido cerebrospinale che circonda e bagna il cervello e il midollo spinale in condizioni normali.

Difese meccaniche

Oltre alle barriere fisiche che tengono lontani i microbi, il corpo ha una serie di difese meccaniche che rimuovono fisicamente gli agenti patogeni dal corpo, impedendo loro di stabilirsi. Abbiamo già discusso diversi esempi di difese meccaniche, tra cui la perdita di cellule della pelle, l’espulsione del muco attraverso la scala mobile mucociliare e l’escrezione di feci attraverso la peristalsi intestinale. Altri importanti esempi di difese meccaniche includono l’azione di lavaggio dell’urina e delle lacrime, che servono entrambe a trasportare i microbi lontano dal corpo. L’azione di lavaggio dell’urina è in gran parte responsabile dell’ambiente normalmente sterile del tratto urinario, che include i reni, gli ureteri e la vescica. L’urina che esce dal corpo lava via i microrganismi transitori, impedendo loro di stabilirsi. Gli occhi hanno anche barriere fisiche e meccanismi meccanici per prevenire le infezioni. Le ciglia e le palpebre impediscono alla polvere e ai microrganismi presenti nell’aria di raggiungere la superficie dell’occhio. Eventuali microbi o detriti che superano queste barriere fisiche possono essere spazzati via dall’azione meccanica del battito delle palpebre, che bagna l’occhio di lacrime, lavando via i detriti (Figura 6).

Figura 6. Le lacrime allontanano i microbi dalla superficie dell’occhio. L’urina lava via i microbi dal tratto urinario mentre passa attraverso; di conseguenza, il sistema urinario è normalmente sterile.

Microbioma

In varie regioni del corpo, il microbiota residente funge da importante difesa di prima linea contro gli agenti patogeni invasori. Attraverso la loro occupazione dei siti di legame cellulare e la competizione per i nutrienti disponibili, il microbiota residente previene le fasi iniziali critiche dell’attaccamento e della proliferazione dei patogeni necessari per l’instaurazione di un’infezione. Ad esempio, nella vagina, i membri del microbiota residente competono con agenti patogeni opportunisti come il lievito Candida. Questa competizione previene le infezioni limitando la disponibilità di nutrienti, inibendo così la crescita della Candida, tenendo sotto controllo la sua popolazione. Competizioni simili si verificano tra il microbiota e potenziali patogeni sulla pelle, nel tratto respiratorio superiore e nel tratto gastrointestinale. Come verrà discusso più avanti in questo capitolo, il microbiota residente contribuisce anche alle difese chimiche delle difese innate non specifiche dell’ospite.

L’importanza del microbiota normale nelle difese dell’ospite è evidenziata dalla maggiore suscettibilità alle malattie infettive quando il microbiota viene interrotto o eliminato. Il trattamento con antibiotici può ridurre in modo significativo il normale microbiota del tratto gastrointestinale, fornendo un vantaggio per i batteri patogeni per colonizzare e causare infezioni diarroiche. In caso di diarrea causata da Clostridium difficile, l’infezione può essere grave e potenzialmente letale. Una strategia per il trattamento delle infezioni da C. difficile è il trapianto fecale, che prevede il trasferimento di materiale fecale da un donatore (selezionato per potenziali patogeni) nell’intestino del paziente ricevente come metodo per ripristinare il normale microbiota e combattere le infezioni da C. difficile.

La Tabella 2 fornisce un riepilogo delle difese fisiche discusse in questa sezione.