, Bacteriologie, mycologie en parasitologie
Les 2: Bacteriologie
De bacteriele structuur
Bacteriën en mitochondria
• Vrijlevende prokaryoten w opgenomen door een cel
—> Ipv verteren: mutualistische endosymbiose
—> Na verloop van tijd meer aanpassing door die endosymbionten
—> Veel van hun genen naar celkern —> kunnen niet meer leven
buiten de cel = organellen nu
De celwand
• Celwand voor stevigheid en structuur
• Samenstelling varieert tussen verschillende soorten
—> Algemeen: peptidoglycaan (complex polymeer van suikers en az)
—> Sommige bacteriën dikke laag, andere een dunne laag
• Celwand cruciaal voor bescherming tegen osmotische stress en mechanische schade
Peptidoglycaan synthese
• Begint in cytoplasmatisch membraan van bacterie: vorming van precursormoleculen
—> Synthese in het cytoplasma —> naar buitenopp vd celmembraan door flippases
—> W samengevoegd met de groeiende celwand
• PBPs (penicilline-bindende eiwitten): enzymen die laatste stadia van peptidoglycaan synthese katalyseren
—> Door vorming kruisverbindingen tussen peptidoglycaanketens (transglycosylatie)
—> Andere laten ook transpeptidatiereacties toe, splitst specifieke peptidebindingen in peptidoglycaansubeenheden en vormt nieuwe
peptidebindingen
=> PBPs voor polymerisatie en crosslinking peptidoglycanen (essentieel voor structurele integriteit van bacteriën)
• Grote diversiteit van PBPs tussen en binnen soorten
—> Heeft directe implicaties voor ABgevoeligheid van bacterien (! Met name ß lactam AB zoals penicillines en cefalosporines)
—> W ingedeeld obv hun molecuulgewicht in laagmoleculaire (PBP4-7) en hoogmoleculaire (PBP1-3) eiwitten
• Diversiteit tussen soorten vnl door genetische variatie en evolutionaire druk
—> Mutaties of horizontale genoverdracht knn leiden tot structuurveranderingen PBPs —> affiniteit voor ß-lactam-AB neemt af (!)
, Inhibitie van peptidoglycaan synthese
• Penicilline AB remmen de synthese van peptidoglycaan
—> Lijken op de voorlopers van peptidoglycaan en binden aan het actieve
centrum van PBPs —> enzym geremd, geen kruisverbindingen —> zwakkere
celwand, minder structurele integriteit —> cellysis en dood vd bacterie
• Glycopeptide AB (vancomycine) inhiberen op een andere manier
—> Binden aan de D-Ala-D-Ala-terminale aminozuurresten van
peptidoglycaanprecursoren —> remming polymerisatie en kruisverbinding —>
blokkering groei peptidoglycaanlaag —> verstoorde celwandsynthese
PBP variatie (intrinsieke resistentie tegen ß-lactams) PBP modificatie (verworven resistentie)
• Diversiteit tussen E. faecium en E. faecalis verklaart deels • PBP2a heeft een verminderde affiniteit voor methicilline en
de verschillen in gevoeligheid voor ß lactam AB andere ß lactam AB
—> E. faecium is vaak resistent door veranderingen in PBP5 —> Maakt de bacterie ongevoelig voor deze middelen
—> E. faecalis blijft meestal gevoelig voor ampicilline door een
hogere affiniteit van zijn PBPs voor deze AB
=> Deze diversiteit heeft directe gevolgen voor de behandeling
Gram-negatieve bacteriën
• Celwand: dunne laag peptidoglycaan, omgeven door een buitenmembraan
• Lipiden in buitenmembraan zijn vnl fosfolipiden, naast lipide A van LPS
—> Vormen een asymmetrische dubbellaag: binnenste laag vnl uit fosfolipiden en buitenste laag
vnl uit LPS en fosfolipiden (draagt bij aan stabiliteit en integriteit vh membraan
• LPS belangrijke rol in interactie met gastheer
—> 3 delen: lipide A (endotoxisch deel dat sterke immuunrespons kan opwekken), core-
oligosaccharide en de O antigenen
• Poriën = eiwitten geïntegreerd in het buitenmembraan, fungeren als kanalen
voor passage kleine moleculen en ionen
—> Essentieel voor opname van voedingsstoffen en uitscheiding afvalstoffen
(dragen ook bij aan selectieve permeabiliteit vd membraan)
• Ook verschillende oppervlakte-eiwitten in buitenmembraan: betrokken bij
interacties met omgeving, adhesie aan oppervlakken en soms bij virulentie
—> Kunnen variëren afh van bacteriesoort en zijn vaak doelen voor
immuunsysteem vd gastheer
,Gram-positieve bacteriën
• Celwand: dikke laag peptidoglycaan (veel dikker dan in gramnegatieve) tot 40 lagen
—> Structuur uit suikerketens (N-acetylglucosamine en N-acetylmuraminezuur) die door korte peptiden zijn gekoppend
—> Naast suikerketens ook verschillende polysacchariden en az voor stabilisatie en versterking
—> Polysacchariden ook als herkenningspunten voor andere bacterien/immuunsysteem gastheer
• Teichoïnezuur: polymeer in celwand, is covalent gebonden ad peptidoglycaanlaag
• Lipoteichoïnezuur (LTA) is vergelijkbaar, is verankerd in celmembraan door lipide component
—> Strekt zich uit door peptidoglycaanlaag, speelt rol in handhaven celwandstructuur
—> Ook betrokken bij adhesie aan oppervlakken en immuunresponsen van de gastheer
• Geen buitenmembraan, dus ook geen LPS —> beperktere endotoxische eigenschappen
Mycobacteriën
Unieke structuur van de celwand
• Rijk aan lipiden, met name mycolzuren —> complexe, wasachtige structuur
• Functies: beschermt tegen uitdroging en fagocytose, maakt mycobacteriën resistent tegen
veel AB, vertraagt opname van geneesmiddelen —> langdurige behandeling vereist (bv. bij TB)
Werking van isoniazide (INH)
• Doelwit: synthese van mycolzuur
• Werkingsmechanisme: INH is een prodrug —> w geactiveerd in de bacterie door het
enzym KatG (katalase-peroxidase) —> actieve vorm remt enoyl-ACP-reductase (InhA) →
blokkeert mycolzuurproductie —> celwandschade
Resistentie bij niet-tuberculeuze mycobacteriën (NTM)
• Veel NTM's missen KatG —> ze kunnen INH niet activeren —> natuurlijke resistentie tegen INH
Klinische implicatie
• INH is effectief tegen M. ttuberculosis maar niet bruikbaar tegen de meeste NTM’s = alternatieve therapieën nodig voor NTM-infecties
Inhibitie van M tuberculose celwand synthese
Werkingsmechanisme van isoniazide (INH)
• Prodrug → wordt pas actief na activatie binnen de bacterie (door KatG (katalase-peroxidase), gecodeerd door het katG-gen)
• Actieve vorm remt InhA (NADH-afhankelijke enoyl-ACP-reductase) —> blokkade van mycolinezuursynthese
—> Mycolinezuur = essentieel voor de celwand van M. tuberculosis —>verstoorde celwandsynthese
Resistentiemechanismen
1. Mutaties in katG verhinderen activatie van INH (meest voorkomende mutatie: katG S315T)
—> Vermindert KatG-activiteit → minder of geen INH-activering
—> Hoofdoorzaak van hoge-niveaureistentie
2. Mutaties in inhA (doelwitgen)
—> Meestal in promotorregio —> leiden tot overexpressie van InhA —> meer doelwit-enzym
—> verminderde effectiviteit van INH —> leidt tot lage-niveaureistentie
Samengevat
• INH is gericht tegen mycolinezuursynthese via KatG-activatie en InhA-inhibitie
• Resistentie ontstaat door: geen activatie (katG-mutaties → hoog), overproductie doelwit (inhA-promotor-mutaties → laag)
• Belangrijk bij therapie en resistentie-opsporing bij tuberculosepatiënten
,Wandloze Chlamydiae
• Mycoplasma-bacteriën hebben geen celwand
• Hierdoor zijn ze intrinsiek resistent tegen β-lactamantibiotica (bv. penicillines, cefalosporines)
• β-lactams werken door remming van celwandsynthese → niet effectief bij Mycoplasma
• Bij community-acquired pneumonia (CAP) zijn β-lactams eerste keus voor klassieke verwekkers zoals
S. pneumoniae en H. influenzae
• Atypische verwekkers van CAP:
—> Mycoplasma pneumoniae: geen celwand
—> Chlamydophila pneumoniae: intracellulair
—> Legionella pneumophila: intracellulair en produceert β-lactamasen
• Bij atypische CAP zijn macroliden (bv. azithromycine), tetracyclines (bv. doxycycline) of fluoroquinolonen de voorkeursantibiotica
• Deze middelen werken onafhankelijk van celwandsynthese en dringen goed intracellulair door
De celmembraan
• Celmembraan (cytoplasmamembraan)
—> Bevindt zich direct onder de celwand
—> Scheiding tussen cytoplasma en buitenwereld
—> Semipermeabel: reguleert in- en uitstroom van stoffen (voedingsstoffen, ionen,
moleculen)
—> Bevordert elektrische gradiënt nodig voor energieproductie
• Cytoplasma = gelachtige substantie die de bacteriële cel vult
—> Bevat: ribosomen (eiwitsynthese), nucleoid (bacterieel DNA), opgeloste stoffen, enzymen en organische moleculen
—> Essentieel voor metabole processen en overleving van de bacterie
Flagellen
• Lange, draadvormige structuren die uitsteken uit het celoppervlak
• Functie: zorgen voor beweging van de bacterie
• Bacteriën gebruiken flagellen om naar gunstige omgevingen te bewegen (bijv. voedingsstoffen) en weg van
schadelijke omstandigheden te vluchten
• Draagvlak voor bacteriële overleving en kolonisatie
Pili
• Pili (fimbriae) = dunne, haarachtige structuren op bacterieel oppervlak
• Functie: adhesie aan slijmvliezen (bv. luchtwegen, darmen, urinewegen)
• Hechten aan specifieke receptoren op gastheercellen
• Essentieel voor kolonisatie, overleving en infectie van slijmvliezen
Sekspili (F-pili/conjugatiepili)
• Gespecialiseerde pili voor genetische uitwisseling (conjugatie)
• Vormt brug tussen donor- en ontvangerbacterie
• Overdracht van plasmiden → verspreiding van genen, bv. antibioticaresistentie
• Belangrijk voor genetische diversiteit bij bacteriën
,Het bacteriele genoom
Chromosomaal DNA
• Bestaat meestal uit 1 circulair DNA, vrij in het cytoplasma (geen kernmembraan zoals bij eukaryoten)
• Bevat essentiële genen voor overleving: metabolisme, celwand, virulentie
• Genen vaak georganiseerd in operons:
—> Meerdere genen onder controle van één promotor
—> Gelijktijdige transcriptie van functioneel gerelateerde genen
Plasmiden • Biedt snel aanpassingsvermogen aan veranderende omstandigheden
• Kleine, circulaire DNA-moleculen, apart van het chromosoom
• Bevatten vaak niet-essentiële genen die wel voordeel geven, zoals: ABresistentie en virulentiefactoren
• Klinisch voorbeeld: plasmiden in Klebsiella pneumoniae met genen voor ESBL’s
—> Geven resistentie tegen veel β-lactamantibiotica
• Plasmiden kunnen tussen bacteriën worden overgedragen —> belangrijke rol in verspreiding van antibioticaresistentie
Horizontale transfer van genetische elementen (in vivo)
• Horizontale genoverdracht = gen uitwisseling tussen bacteriën, niet via voortplanting
—> Belangrijk voor snelle verspreiding van resistentie- en virulentiegenen
Drie hoofdmechanismen:
• Transformatie: bacterie neemt vrij DNA uit de omgeving op
—> Voorbeeld: S pneumoniae → opname van resistentiegenen tegen penicilline
• Transductie: bacteriofagen (virussen) brengen DNA over van de ene naar de andere
—> Kan virulentiegenen verspreiden
• Conjugatie: direct contact tussen bacteriën via een pilus, plasmiden (zoals ESBL-plasmiden) worden overgedragen
—> Voorbeeld: E. coli kan resistentie doorgeven aan andere soorten
Klinisch belang
• Bevordert snelle verspreiding van antibioticaresistentie en pathogeniciteit in bacteriële populaties
Genetische modificatie van bacterien
• Een plasmide met het luciferase-gen wordt in de bacterie ingebracht
• Hiervoor moet de bacteriële celmembraan permeabel worden gemaakt (bv. via
warmte- shock of elektroporatie)
• Na succesvolle transformatie wordt het luciferase-gen tot expressie gebracht
• Bij toevoeging van het substraat (bv. luciferine) katalyseert luciferase een oxidatiereactie
• Deze reactie resulteert in lichtemissie, waardoor de bacteriën fluoresceren
• Toepassing: o.a. visualisatie van levende bacteriën in onderzoek of diagnostiek
Het bacterieel genoom onderzoeken (PCR)
• RT-qPCR = Reverse Transcriptase Quantitative PCR
• Detecteert en kwantificeert specifiek genetisch materiaal (DNA of RNA → cDNA)
• Wordt gebruikt voor: identificatie van bacteriën (bv. via 16S rRNA-gen), opsporen van
resistentiegenen
,Werking
• RNA/DNA wordt geëxtraheerd uit het monster
• Via PCR wordt het doelwitgen vermenigvuldigd
• Specifieke primers binden aan het gewenste gen → hoge specificiteit
• Tijdens elke cyclus wordt fluorescentie gemeten → hoeveelheid genetisch materiaal zichtbaar
—> Toename = aanwezigheid én kwantiteit van het doelwit
Voordelen
• Zeer specifiek en gevoelig, toepasbaar op resistentiemechanismen en soortsidentificatie, snel resultaat en kwantitatieve gegevens
Het bacterieel genoom onderzoeken (targeted sequencing - Sanger)
• Doel: exacte nucleotidevolgorde van een specifiek gen bepalen
• Toepassing: identificatie van bacteriesoort (bv. via 16S rRNA-gen), opsporing van
resistentiegenen en mutaties
Werkwijze:
• DNA-extractie uit bacterieel monster
• PCR-amplificatie van doelgen (bv. 16S rRNA of een resistentiegen)
Sequencing:
—> Fluorescent-gelabelde nucleotiden worden ingebouwd tijdens DNA-synthese
—> Vorming van DNA-fragmenten van verschillende lengtes
—> Strengen worden gescheiden en de volgorde wordt afgelezen via fluorescentiesignaal
• Analyse:
—> Sequentie wordt vergeleken met referentiedatabanken
—> Detectie van mutaties die antibioticaresistentie kunnen verklaren (bv. bij fluoroquinolonen)
—> Identificatie van bekende pathogenen of resistentievarianten
Voordelen:
• Zeer nauwkeurige en specifieke methode
• Detecteert zowel soortbepalende genen als resistentiemutaties op base-niveau
Bacteriele capsules
Functies van de capsule
• Dikke, slijmerige laag rond de bacterie
• Bescherming tegen: fagocytose door het immuunsysteem, uitdroging en omgevingsstress
Antigenische diversiteit
• Capsules bevatten antigenen die door het immuunsysteem worden herkend
• Verschillende stammen van dezelfde bacteriesoort kunnen verschillende capsuletypes hebben
• Deze diversiteit maakt het moeilijker voor het immuunsysteem om de bacterie blijvend te herkennen —> immuunontwijking
Implicaties voor vaccinatie
• Vaccins gericht op capsules moeten meerdere varianten bevatten om breed te beschermen
• Vaccins met slechts één type capsule-antigeen beschermen beperkt
• Oplossingen: combinatievaccins met meerdere capsuletypes en vaccins gericht op gedeelde, universele antigenen
• Doel: breed immuunantwoord tegen diverse stammen → betere bescherming tegen infectie
,Bacteriele capsules als vaccinatiecomponenten
Waarom capsules als vaccindoelwit?
• Beschermen bacteriën tegen fagocytose en enzymen van het immuunsysteem
• Polysacharidekapsels zijn goed herkenbaar als lichaamsvreemd
• Vaccin stimuleert de vorming van antilichamen tegen de kapsel
• Bij infectie wordt de bacterie sneller herkend en geneutraliseerd
Voorbeelden van capsulegebaseerde vaccins:
• Pneumokokkenvaccin (Streptococcus pneumoniae): bevat kapselpolysachariden van
verschillende serotypen
—> PCV13 (conjugaatvaccin): gekoppeld aan dragereiwit —> betere respons bij kinderen
—> Beschermt tegen: longontsteking, meningitis, bacteriëmie
• Meningokokkenvaccin (Neisseria meningitidis): polysachariden van serogroepen A, C, W, Y (bv. in MenACWY)
—> Beschermt tegen: meningitis en sepsis
• Hib-vaccin (Haemophilus influenzae type b): bevat type b kapselpolysacharide + eiwitdrager (vooral effectief bij jonge kinderen)
—> Beschermt tegen: meningitis, epiglottitis, sepsis
Conclusie
• Kapselpolysachariden zijn krachtige antigenen
• Conjugaatvaccins verhogen effectiviteit, vooral bij jonge kinderen
• Belangrijke strategie tegen ernstige invasieve bacteriële infecties
Vaccin-efficientie surveillance
Bacteriele sporen
Wat zijn sporen?
• Overlevingsstructuren gevormd door bacteriën bij ongunstige omst (bv. hitte, uitdroging, chemicaliën)
• Kunnen langdurig overleven in extreme omgevingen
• Ontkiemen opnieuw tot actieve bacteriën bij gunstige omstandigheden
Verspreiding in de natuur
• Via lucht, water, bodem en dieren (belangrijk voor overleving en verspreiding van bacteriën)
Voorbeeld: Clostridium difficile
• Vormt sporen → zeer resistent in de omgeving —> kan darminfecties veroorzaken na verstoring van darmflora (bv. door antibiotica)
• Sporen blijven lang aanwezig op oppervlakken in zorginstellingen —> nosocomiale transmissie via besmette oppervlakken of contact
Preventie in zorginstellingen
• Reiniging en desinfectie van oppervlakken, persoonlijke beschermingsmiddelen voor personeel, beperken van breed-spectrum antibiotica om
darmflora te beschermen, belangrijk om uitbraken van C. difficile te voorkomen
,Clostridium difficile pseudomembranous colitis
Tetanus (Clostridium tetani)
Oorzaak en besmetting
• Veroorzaakt door Clostridium tetani, via wonden —> komt voor in bodem, stof en uitwerpselen
Werking toxine
• Tetanospasmine blokkeert remmende neurotransmitters (GABA, glycine) —> leidt tot aanhoudende spierspasmen en stijfheid
Symptomen
• Begin na dagen tot weken, ernst afhankelijk van toxinehoeveelheid en wondlocatie
Preventie
• Vaccin met geïnactiveerd toxine (boosters nodig voor blijvende bescherming)
Behandeling
• Wondzorg, immuunglobuline, antibiotica
• Sedatie en spierontspanners tegen spasmen
Voedselvergiftiging (Clostridium perfringens)
Oorzaak en besmetting
• Besmetting via voedsel dat te lang op verkeerde temperatuur bewaard werd (vooral bij
vleesproducten)
Werkingsmechanisme
• In de dunne darm produceert de bacterie enterotoxine —> beschadigt darmepitheel en
Symptomen verstoort ionenbalans —> leidt tot vochtverlies in het darmlumen
• Buikpijn, diarree en misselijkheid: begin na 6 tot 24 uur, duurt meestal 24-48 uur
Ernst en behandeling
• Meestal mild en zelflimiterend, geeen specifieke behandeling nodig
Het bacteriële metabolisme
Bacterieel DNA
• Bacteriën hebben geen kern zoals eukaryoten
• DNA ligt vrij in het cytoplasma in een compact gebied: het nucleoid
• Bestaat uit één enkel, circulair chromosoom
• Bevat vaak ook plasmiden: kleine, circulaire stukjes extrachromosomaal DNA
• Plasmiden bevatten extra genetisch materiaal
• Deze structuur bevordert de evolutionaire flexibiliteit van bacteriën
, Voedingstoffen uitwisselen
• Actief transport: opname via transporteiwitten in het membraan, vereist ATP
• Passief transport: opname door diffusie van hoge naar lage concentratie
• Secundair actief transport: gebruikt energie van transport van een ander substraat
• Sideroforen: kleine moleculen die ijzer binden en beschikbaar maken voor de bacterie
Effluxpompen
• Eiwitten in het celmembraan die toxines en afvalstoffen uit de cel pompen
• Spelen rol in het handhaven van celhomeostase
• Verwijderen ook antibiotica uit de cel vóór ze schade veroorzaken
• Verminderen de effectiviteit van antibiotica en dragen bij aan resistentie
• Kunnen geactiveerd worden via upregulatie of horizontale genoverdracht via plasmiden
• Sommige pompen werken tegen een breed spectrum van antibiotica
Bacteriele ademhaling
• Bacteriën kiezen hun energiepad op basis van soort en zuurstofbeschikbaarheid
• Aërobe ademhaling: gebruikt zuurstof als eindacceptor in de
elektronentransportketen, maakt veel ATP
• Fermentatie: breekt organische stoffen af via glycolyse, zet pyruvaat om in zuren,
alcoholen of gassen, met beperkte ATP-productie
Toepassingen van fermentatie in de industrie
• Wordt veel gebruikt in voedsel- en drankproductie
• Bacteriën zetten suikers en koolhydraten om via fermentatie
• Leidt tot productie van metabolieten zoals zuren, alcoholen en gassen
Gasgangreen (Clostridium perfringens)
• Ontstaat na trauma of chirurgie met beschadigd, zuurstofarm weefsel
• Anaërobe omstandigheden bevorderen snelle bacteriegroei
• Bacterie produceert alfa-toxine dat celmembranen afbreekt
• Leidt tot lysis van rode bloedcellen, spiercellen en bloedvaten
• Veroorzaakt necrose, wat zuurstoftoevoer verder vermindert
• Bacteriën produceren gassen (H₂, CO₂) die zich ophopen in weefsel
• Resultaat: weefselzwelling, vaatbeschadiging, ischemie en uitbreiding infectie
Les 2: Bacteriologie
De bacteriele structuur
Bacteriën en mitochondria
• Vrijlevende prokaryoten w opgenomen door een cel
—> Ipv verteren: mutualistische endosymbiose
—> Na verloop van tijd meer aanpassing door die endosymbionten
—> Veel van hun genen naar celkern —> kunnen niet meer leven
buiten de cel = organellen nu
De celwand
• Celwand voor stevigheid en structuur
• Samenstelling varieert tussen verschillende soorten
—> Algemeen: peptidoglycaan (complex polymeer van suikers en az)
—> Sommige bacteriën dikke laag, andere een dunne laag
• Celwand cruciaal voor bescherming tegen osmotische stress en mechanische schade
Peptidoglycaan synthese
• Begint in cytoplasmatisch membraan van bacterie: vorming van precursormoleculen
—> Synthese in het cytoplasma —> naar buitenopp vd celmembraan door flippases
—> W samengevoegd met de groeiende celwand
• PBPs (penicilline-bindende eiwitten): enzymen die laatste stadia van peptidoglycaan synthese katalyseren
—> Door vorming kruisverbindingen tussen peptidoglycaanketens (transglycosylatie)
—> Andere laten ook transpeptidatiereacties toe, splitst specifieke peptidebindingen in peptidoglycaansubeenheden en vormt nieuwe
peptidebindingen
=> PBPs voor polymerisatie en crosslinking peptidoglycanen (essentieel voor structurele integriteit van bacteriën)
• Grote diversiteit van PBPs tussen en binnen soorten
—> Heeft directe implicaties voor ABgevoeligheid van bacterien (! Met name ß lactam AB zoals penicillines en cefalosporines)
—> W ingedeeld obv hun molecuulgewicht in laagmoleculaire (PBP4-7) en hoogmoleculaire (PBP1-3) eiwitten
• Diversiteit tussen soorten vnl door genetische variatie en evolutionaire druk
—> Mutaties of horizontale genoverdracht knn leiden tot structuurveranderingen PBPs —> affiniteit voor ß-lactam-AB neemt af (!)
, Inhibitie van peptidoglycaan synthese
• Penicilline AB remmen de synthese van peptidoglycaan
—> Lijken op de voorlopers van peptidoglycaan en binden aan het actieve
centrum van PBPs —> enzym geremd, geen kruisverbindingen —> zwakkere
celwand, minder structurele integriteit —> cellysis en dood vd bacterie
• Glycopeptide AB (vancomycine) inhiberen op een andere manier
—> Binden aan de D-Ala-D-Ala-terminale aminozuurresten van
peptidoglycaanprecursoren —> remming polymerisatie en kruisverbinding —>
blokkering groei peptidoglycaanlaag —> verstoorde celwandsynthese
PBP variatie (intrinsieke resistentie tegen ß-lactams) PBP modificatie (verworven resistentie)
• Diversiteit tussen E. faecium en E. faecalis verklaart deels • PBP2a heeft een verminderde affiniteit voor methicilline en
de verschillen in gevoeligheid voor ß lactam AB andere ß lactam AB
—> E. faecium is vaak resistent door veranderingen in PBP5 —> Maakt de bacterie ongevoelig voor deze middelen
—> E. faecalis blijft meestal gevoelig voor ampicilline door een
hogere affiniteit van zijn PBPs voor deze AB
=> Deze diversiteit heeft directe gevolgen voor de behandeling
Gram-negatieve bacteriën
• Celwand: dunne laag peptidoglycaan, omgeven door een buitenmembraan
• Lipiden in buitenmembraan zijn vnl fosfolipiden, naast lipide A van LPS
—> Vormen een asymmetrische dubbellaag: binnenste laag vnl uit fosfolipiden en buitenste laag
vnl uit LPS en fosfolipiden (draagt bij aan stabiliteit en integriteit vh membraan
• LPS belangrijke rol in interactie met gastheer
—> 3 delen: lipide A (endotoxisch deel dat sterke immuunrespons kan opwekken), core-
oligosaccharide en de O antigenen
• Poriën = eiwitten geïntegreerd in het buitenmembraan, fungeren als kanalen
voor passage kleine moleculen en ionen
—> Essentieel voor opname van voedingsstoffen en uitscheiding afvalstoffen
(dragen ook bij aan selectieve permeabiliteit vd membraan)
• Ook verschillende oppervlakte-eiwitten in buitenmembraan: betrokken bij
interacties met omgeving, adhesie aan oppervlakken en soms bij virulentie
—> Kunnen variëren afh van bacteriesoort en zijn vaak doelen voor
immuunsysteem vd gastheer
,Gram-positieve bacteriën
• Celwand: dikke laag peptidoglycaan (veel dikker dan in gramnegatieve) tot 40 lagen
—> Structuur uit suikerketens (N-acetylglucosamine en N-acetylmuraminezuur) die door korte peptiden zijn gekoppend
—> Naast suikerketens ook verschillende polysacchariden en az voor stabilisatie en versterking
—> Polysacchariden ook als herkenningspunten voor andere bacterien/immuunsysteem gastheer
• Teichoïnezuur: polymeer in celwand, is covalent gebonden ad peptidoglycaanlaag
• Lipoteichoïnezuur (LTA) is vergelijkbaar, is verankerd in celmembraan door lipide component
—> Strekt zich uit door peptidoglycaanlaag, speelt rol in handhaven celwandstructuur
—> Ook betrokken bij adhesie aan oppervlakken en immuunresponsen van de gastheer
• Geen buitenmembraan, dus ook geen LPS —> beperktere endotoxische eigenschappen
Mycobacteriën
Unieke structuur van de celwand
• Rijk aan lipiden, met name mycolzuren —> complexe, wasachtige structuur
• Functies: beschermt tegen uitdroging en fagocytose, maakt mycobacteriën resistent tegen
veel AB, vertraagt opname van geneesmiddelen —> langdurige behandeling vereist (bv. bij TB)
Werking van isoniazide (INH)
• Doelwit: synthese van mycolzuur
• Werkingsmechanisme: INH is een prodrug —> w geactiveerd in de bacterie door het
enzym KatG (katalase-peroxidase) —> actieve vorm remt enoyl-ACP-reductase (InhA) →
blokkeert mycolzuurproductie —> celwandschade
Resistentie bij niet-tuberculeuze mycobacteriën (NTM)
• Veel NTM's missen KatG —> ze kunnen INH niet activeren —> natuurlijke resistentie tegen INH
Klinische implicatie
• INH is effectief tegen M. ttuberculosis maar niet bruikbaar tegen de meeste NTM’s = alternatieve therapieën nodig voor NTM-infecties
Inhibitie van M tuberculose celwand synthese
Werkingsmechanisme van isoniazide (INH)
• Prodrug → wordt pas actief na activatie binnen de bacterie (door KatG (katalase-peroxidase), gecodeerd door het katG-gen)
• Actieve vorm remt InhA (NADH-afhankelijke enoyl-ACP-reductase) —> blokkade van mycolinezuursynthese
—> Mycolinezuur = essentieel voor de celwand van M. tuberculosis —>verstoorde celwandsynthese
Resistentiemechanismen
1. Mutaties in katG verhinderen activatie van INH (meest voorkomende mutatie: katG S315T)
—> Vermindert KatG-activiteit → minder of geen INH-activering
—> Hoofdoorzaak van hoge-niveaureistentie
2. Mutaties in inhA (doelwitgen)
—> Meestal in promotorregio —> leiden tot overexpressie van InhA —> meer doelwit-enzym
—> verminderde effectiviteit van INH —> leidt tot lage-niveaureistentie
Samengevat
• INH is gericht tegen mycolinezuursynthese via KatG-activatie en InhA-inhibitie
• Resistentie ontstaat door: geen activatie (katG-mutaties → hoog), overproductie doelwit (inhA-promotor-mutaties → laag)
• Belangrijk bij therapie en resistentie-opsporing bij tuberculosepatiënten
,Wandloze Chlamydiae
• Mycoplasma-bacteriën hebben geen celwand
• Hierdoor zijn ze intrinsiek resistent tegen β-lactamantibiotica (bv. penicillines, cefalosporines)
• β-lactams werken door remming van celwandsynthese → niet effectief bij Mycoplasma
• Bij community-acquired pneumonia (CAP) zijn β-lactams eerste keus voor klassieke verwekkers zoals
S. pneumoniae en H. influenzae
• Atypische verwekkers van CAP:
—> Mycoplasma pneumoniae: geen celwand
—> Chlamydophila pneumoniae: intracellulair
—> Legionella pneumophila: intracellulair en produceert β-lactamasen
• Bij atypische CAP zijn macroliden (bv. azithromycine), tetracyclines (bv. doxycycline) of fluoroquinolonen de voorkeursantibiotica
• Deze middelen werken onafhankelijk van celwandsynthese en dringen goed intracellulair door
De celmembraan
• Celmembraan (cytoplasmamembraan)
—> Bevindt zich direct onder de celwand
—> Scheiding tussen cytoplasma en buitenwereld
—> Semipermeabel: reguleert in- en uitstroom van stoffen (voedingsstoffen, ionen,
moleculen)
—> Bevordert elektrische gradiënt nodig voor energieproductie
• Cytoplasma = gelachtige substantie die de bacteriële cel vult
—> Bevat: ribosomen (eiwitsynthese), nucleoid (bacterieel DNA), opgeloste stoffen, enzymen en organische moleculen
—> Essentieel voor metabole processen en overleving van de bacterie
Flagellen
• Lange, draadvormige structuren die uitsteken uit het celoppervlak
• Functie: zorgen voor beweging van de bacterie
• Bacteriën gebruiken flagellen om naar gunstige omgevingen te bewegen (bijv. voedingsstoffen) en weg van
schadelijke omstandigheden te vluchten
• Draagvlak voor bacteriële overleving en kolonisatie
Pili
• Pili (fimbriae) = dunne, haarachtige structuren op bacterieel oppervlak
• Functie: adhesie aan slijmvliezen (bv. luchtwegen, darmen, urinewegen)
• Hechten aan specifieke receptoren op gastheercellen
• Essentieel voor kolonisatie, overleving en infectie van slijmvliezen
Sekspili (F-pili/conjugatiepili)
• Gespecialiseerde pili voor genetische uitwisseling (conjugatie)
• Vormt brug tussen donor- en ontvangerbacterie
• Overdracht van plasmiden → verspreiding van genen, bv. antibioticaresistentie
• Belangrijk voor genetische diversiteit bij bacteriën
,Het bacteriele genoom
Chromosomaal DNA
• Bestaat meestal uit 1 circulair DNA, vrij in het cytoplasma (geen kernmembraan zoals bij eukaryoten)
• Bevat essentiële genen voor overleving: metabolisme, celwand, virulentie
• Genen vaak georganiseerd in operons:
—> Meerdere genen onder controle van één promotor
—> Gelijktijdige transcriptie van functioneel gerelateerde genen
Plasmiden • Biedt snel aanpassingsvermogen aan veranderende omstandigheden
• Kleine, circulaire DNA-moleculen, apart van het chromosoom
• Bevatten vaak niet-essentiële genen die wel voordeel geven, zoals: ABresistentie en virulentiefactoren
• Klinisch voorbeeld: plasmiden in Klebsiella pneumoniae met genen voor ESBL’s
—> Geven resistentie tegen veel β-lactamantibiotica
• Plasmiden kunnen tussen bacteriën worden overgedragen —> belangrijke rol in verspreiding van antibioticaresistentie
Horizontale transfer van genetische elementen (in vivo)
• Horizontale genoverdracht = gen uitwisseling tussen bacteriën, niet via voortplanting
—> Belangrijk voor snelle verspreiding van resistentie- en virulentiegenen
Drie hoofdmechanismen:
• Transformatie: bacterie neemt vrij DNA uit de omgeving op
—> Voorbeeld: S pneumoniae → opname van resistentiegenen tegen penicilline
• Transductie: bacteriofagen (virussen) brengen DNA over van de ene naar de andere
—> Kan virulentiegenen verspreiden
• Conjugatie: direct contact tussen bacteriën via een pilus, plasmiden (zoals ESBL-plasmiden) worden overgedragen
—> Voorbeeld: E. coli kan resistentie doorgeven aan andere soorten
Klinisch belang
• Bevordert snelle verspreiding van antibioticaresistentie en pathogeniciteit in bacteriële populaties
Genetische modificatie van bacterien
• Een plasmide met het luciferase-gen wordt in de bacterie ingebracht
• Hiervoor moet de bacteriële celmembraan permeabel worden gemaakt (bv. via
warmte- shock of elektroporatie)
• Na succesvolle transformatie wordt het luciferase-gen tot expressie gebracht
• Bij toevoeging van het substraat (bv. luciferine) katalyseert luciferase een oxidatiereactie
• Deze reactie resulteert in lichtemissie, waardoor de bacteriën fluoresceren
• Toepassing: o.a. visualisatie van levende bacteriën in onderzoek of diagnostiek
Het bacterieel genoom onderzoeken (PCR)
• RT-qPCR = Reverse Transcriptase Quantitative PCR
• Detecteert en kwantificeert specifiek genetisch materiaal (DNA of RNA → cDNA)
• Wordt gebruikt voor: identificatie van bacteriën (bv. via 16S rRNA-gen), opsporen van
resistentiegenen
,Werking
• RNA/DNA wordt geëxtraheerd uit het monster
• Via PCR wordt het doelwitgen vermenigvuldigd
• Specifieke primers binden aan het gewenste gen → hoge specificiteit
• Tijdens elke cyclus wordt fluorescentie gemeten → hoeveelheid genetisch materiaal zichtbaar
—> Toename = aanwezigheid én kwantiteit van het doelwit
Voordelen
• Zeer specifiek en gevoelig, toepasbaar op resistentiemechanismen en soortsidentificatie, snel resultaat en kwantitatieve gegevens
Het bacterieel genoom onderzoeken (targeted sequencing - Sanger)
• Doel: exacte nucleotidevolgorde van een specifiek gen bepalen
• Toepassing: identificatie van bacteriesoort (bv. via 16S rRNA-gen), opsporing van
resistentiegenen en mutaties
Werkwijze:
• DNA-extractie uit bacterieel monster
• PCR-amplificatie van doelgen (bv. 16S rRNA of een resistentiegen)
Sequencing:
—> Fluorescent-gelabelde nucleotiden worden ingebouwd tijdens DNA-synthese
—> Vorming van DNA-fragmenten van verschillende lengtes
—> Strengen worden gescheiden en de volgorde wordt afgelezen via fluorescentiesignaal
• Analyse:
—> Sequentie wordt vergeleken met referentiedatabanken
—> Detectie van mutaties die antibioticaresistentie kunnen verklaren (bv. bij fluoroquinolonen)
—> Identificatie van bekende pathogenen of resistentievarianten
Voordelen:
• Zeer nauwkeurige en specifieke methode
• Detecteert zowel soortbepalende genen als resistentiemutaties op base-niveau
Bacteriele capsules
Functies van de capsule
• Dikke, slijmerige laag rond de bacterie
• Bescherming tegen: fagocytose door het immuunsysteem, uitdroging en omgevingsstress
Antigenische diversiteit
• Capsules bevatten antigenen die door het immuunsysteem worden herkend
• Verschillende stammen van dezelfde bacteriesoort kunnen verschillende capsuletypes hebben
• Deze diversiteit maakt het moeilijker voor het immuunsysteem om de bacterie blijvend te herkennen —> immuunontwijking
Implicaties voor vaccinatie
• Vaccins gericht op capsules moeten meerdere varianten bevatten om breed te beschermen
• Vaccins met slechts één type capsule-antigeen beschermen beperkt
• Oplossingen: combinatievaccins met meerdere capsuletypes en vaccins gericht op gedeelde, universele antigenen
• Doel: breed immuunantwoord tegen diverse stammen → betere bescherming tegen infectie
,Bacteriele capsules als vaccinatiecomponenten
Waarom capsules als vaccindoelwit?
• Beschermen bacteriën tegen fagocytose en enzymen van het immuunsysteem
• Polysacharidekapsels zijn goed herkenbaar als lichaamsvreemd
• Vaccin stimuleert de vorming van antilichamen tegen de kapsel
• Bij infectie wordt de bacterie sneller herkend en geneutraliseerd
Voorbeelden van capsulegebaseerde vaccins:
• Pneumokokkenvaccin (Streptococcus pneumoniae): bevat kapselpolysachariden van
verschillende serotypen
—> PCV13 (conjugaatvaccin): gekoppeld aan dragereiwit —> betere respons bij kinderen
—> Beschermt tegen: longontsteking, meningitis, bacteriëmie
• Meningokokkenvaccin (Neisseria meningitidis): polysachariden van serogroepen A, C, W, Y (bv. in MenACWY)
—> Beschermt tegen: meningitis en sepsis
• Hib-vaccin (Haemophilus influenzae type b): bevat type b kapselpolysacharide + eiwitdrager (vooral effectief bij jonge kinderen)
—> Beschermt tegen: meningitis, epiglottitis, sepsis
Conclusie
• Kapselpolysachariden zijn krachtige antigenen
• Conjugaatvaccins verhogen effectiviteit, vooral bij jonge kinderen
• Belangrijke strategie tegen ernstige invasieve bacteriële infecties
Vaccin-efficientie surveillance
Bacteriele sporen
Wat zijn sporen?
• Overlevingsstructuren gevormd door bacteriën bij ongunstige omst (bv. hitte, uitdroging, chemicaliën)
• Kunnen langdurig overleven in extreme omgevingen
• Ontkiemen opnieuw tot actieve bacteriën bij gunstige omstandigheden
Verspreiding in de natuur
• Via lucht, water, bodem en dieren (belangrijk voor overleving en verspreiding van bacteriën)
Voorbeeld: Clostridium difficile
• Vormt sporen → zeer resistent in de omgeving —> kan darminfecties veroorzaken na verstoring van darmflora (bv. door antibiotica)
• Sporen blijven lang aanwezig op oppervlakken in zorginstellingen —> nosocomiale transmissie via besmette oppervlakken of contact
Preventie in zorginstellingen
• Reiniging en desinfectie van oppervlakken, persoonlijke beschermingsmiddelen voor personeel, beperken van breed-spectrum antibiotica om
darmflora te beschermen, belangrijk om uitbraken van C. difficile te voorkomen
,Clostridium difficile pseudomembranous colitis
Tetanus (Clostridium tetani)
Oorzaak en besmetting
• Veroorzaakt door Clostridium tetani, via wonden —> komt voor in bodem, stof en uitwerpselen
Werking toxine
• Tetanospasmine blokkeert remmende neurotransmitters (GABA, glycine) —> leidt tot aanhoudende spierspasmen en stijfheid
Symptomen
• Begin na dagen tot weken, ernst afhankelijk van toxinehoeveelheid en wondlocatie
Preventie
• Vaccin met geïnactiveerd toxine (boosters nodig voor blijvende bescherming)
Behandeling
• Wondzorg, immuunglobuline, antibiotica
• Sedatie en spierontspanners tegen spasmen
Voedselvergiftiging (Clostridium perfringens)
Oorzaak en besmetting
• Besmetting via voedsel dat te lang op verkeerde temperatuur bewaard werd (vooral bij
vleesproducten)
Werkingsmechanisme
• In de dunne darm produceert de bacterie enterotoxine —> beschadigt darmepitheel en
Symptomen verstoort ionenbalans —> leidt tot vochtverlies in het darmlumen
• Buikpijn, diarree en misselijkheid: begin na 6 tot 24 uur, duurt meestal 24-48 uur
Ernst en behandeling
• Meestal mild en zelflimiterend, geeen specifieke behandeling nodig
Het bacteriële metabolisme
Bacterieel DNA
• Bacteriën hebben geen kern zoals eukaryoten
• DNA ligt vrij in het cytoplasma in een compact gebied: het nucleoid
• Bestaat uit één enkel, circulair chromosoom
• Bevat vaak ook plasmiden: kleine, circulaire stukjes extrachromosomaal DNA
• Plasmiden bevatten extra genetisch materiaal
• Deze structuur bevordert de evolutionaire flexibiliteit van bacteriën
, Voedingstoffen uitwisselen
• Actief transport: opname via transporteiwitten in het membraan, vereist ATP
• Passief transport: opname door diffusie van hoge naar lage concentratie
• Secundair actief transport: gebruikt energie van transport van een ander substraat
• Sideroforen: kleine moleculen die ijzer binden en beschikbaar maken voor de bacterie
Effluxpompen
• Eiwitten in het celmembraan die toxines en afvalstoffen uit de cel pompen
• Spelen rol in het handhaven van celhomeostase
• Verwijderen ook antibiotica uit de cel vóór ze schade veroorzaken
• Verminderen de effectiviteit van antibiotica en dragen bij aan resistentie
• Kunnen geactiveerd worden via upregulatie of horizontale genoverdracht via plasmiden
• Sommige pompen werken tegen een breed spectrum van antibiotica
Bacteriele ademhaling
• Bacteriën kiezen hun energiepad op basis van soort en zuurstofbeschikbaarheid
• Aërobe ademhaling: gebruikt zuurstof als eindacceptor in de
elektronentransportketen, maakt veel ATP
• Fermentatie: breekt organische stoffen af via glycolyse, zet pyruvaat om in zuren,
alcoholen of gassen, met beperkte ATP-productie
Toepassingen van fermentatie in de industrie
• Wordt veel gebruikt in voedsel- en drankproductie
• Bacteriën zetten suikers en koolhydraten om via fermentatie
• Leidt tot productie van metabolieten zoals zuren, alcoholen en gassen
Gasgangreen (Clostridium perfringens)
• Ontstaat na trauma of chirurgie met beschadigd, zuurstofarm weefsel
• Anaërobe omstandigheden bevorderen snelle bacteriegroei
• Bacterie produceert alfa-toxine dat celmembranen afbreekt
• Leidt tot lysis van rode bloedcellen, spiercellen en bloedvaten
• Veroorzaakt necrose, wat zuurstoftoevoer verder vermindert
• Bacteriën produceren gassen (H₂, CO₂) die zich ophopen in weefsel
• Resultaat: weefselzwelling, vaatbeschadiging, ischemie en uitbreiding infectie
