Capsula batterica

Lo strato cristallino

Molto spesso al di sopra della parete batterica non c’è niente, molti batteri invece hanno però degli ulteriori strati esterni, come lo strato cristallino (o strato S), che forse rappresenta una protezione verso l’ambiente l’esterno. A volte sembra avere una funzione di adesività, ma bisogna tenere in considerazione il tipo di batterio. È costituito in genere da proteine, disposte con una precisa simmetria cristallina che crea delle immagini particolari al microscopio elettronico.

La capsula

Questo è uno strato molto importante, infatti molte cellule isolate, a partire da un processo replicativo (con cui iniziano a generare a partire da sé stesse altre cellule batteriche), si sviluppano sul terreno colturale costruendo delle colonie, ovvero delle sovrapposizioni di qualche milione di batteri visibili ad occhio nudo. L’aspetto delle colonie può essere diverso a seconda dei batteri che le vanno a costituire, questo è importante per identificare il microrganismo che stiamo analizzando. Quando un batterio viene isolato in vitro, di solito sviluppa una colonia mucosa, liscia, a differenza di quello che succede se viene spostato più volte in altri terreni colturali, in quanto perde questa caratteristica e va a formare una colonia secca e rugosa (la differenza tra questi due tipi di colonie risiede nel fatto che nel primo tipo di colonia è presente un involucro esterno, solitamente la capsula, che separa la cellula batterica dall’ambiente esterno). La differente morfologia delle colonie è in relazione alla presenza o assenza della capsula, infatti mentre la capsula è determinante in vivo, perché per esempio se il batterio è Gram+ e ne è sprovvisto, viene fagocitato, perché gli acidi teicoici, che formano le proteine adesive della parete batterica, vanno a fare interagire questa cellula con il fagocita. La capsula invece è una struttura esterna che impedisce quasi meccanicamente il contatto con il fagocita, e allora è normale che le cellule batteriche acapsulate vengano fagocitate, mentre quelle che danno il via al processo infettivo abbiano la capsula.

La pressione selettiva dei fagociti avviene solo in vivo e non in vitro dove, per mutazione, si sviluppa solitamente una colonia rugosa avvantaggiata, perché deve sviluppare all’esterno un componente di meno, quindi si replica più velocemente, quando si isola invece un batterio da un processo patologico lo si trova sempre capsulato. Quando si ha una colonia, si formano delle grosse mucose (sono delle strutture piuttosto lisce, dovute alla formazione della capsula batterica) che vanno ad aderire sul coperchio, per questo le piastre dove vengono incubati i batteri vengono messe a rovescio, capovolte, per impedire che la condensa formata dall’acqua presente nell’agar evapori, poi condensi e finisca sulla colonia creando un disastro. Di frequente molte colonie di batteri possiedono una capsula esterna, come lo Pseudomonas aeruginosa, oppure la Klebsiella pneumoniae.

Se il batterio non ha la possibilità di avere a disposizione dei componenti importanti, come possono essere i polisaccaridi dei quali è costituita la capsula, esso fa fatica a formarla. La capsula è una struttura più fibrosa e molto più spessa dello strato S, non è indispensabile alla vita ma è determinante nel processo infettivo, come dimostrato da Griffith nel 1928, con un esperimento su dei batteri capsulati, chiamati pneumococchi. Lo Streptococcus pneumoniae è un batterio importante responsabile dell’otite e della polmonite. Solo i batteri capsulati riescono a portare in avanti il processo infettivo e Griffith, molto prima che si sapesse che la struttura è codificata da un gene, aveva dimostrato che le cellule possono perdere per mutazione questa capacità, quindi non portano avanti il processo infettivo sulla cavia. Nell’esperimento non si è solo messo in evidenza che la capsula non solo è la più importante componente di virulenza, ma anche che l’acido nucleico è il depositario di questi caratteri nella cellula.

La struttura della capsula batterica è data essenzialmente da un polisaccaride, ma ci sono alcune eccezioni, ad esempio nel genere “Bacillus” la capsula è costituita anche da sostanze proteiche, ovvero dei peptidi omopolimerici formati dall’acido D-glutammico. Un polisaccaride è una sovrapposizione di monomeri di zuccheri che possono essere allestiti anche a mosaico o secondo una particolare fantasia, in modo che modificandone la composizione, si cambia anche la struttura antigenica del batterio. Negli pneumococchi ci sono 80 polisaccaridi diversi, quindi 80 tipi diversi di antigeni, di conseguenza è molto importante cercare un carattere che differenzi le specie tra di loro, cioè una caratterizzazione intraspecifica tra le varie specie batteriche per quanto riguarda la capsula batterica. Ad esempio citiamo il caso in cui in un ospedale esplode un’infezione intraospedaliera, ed un paziente è infetto da polmonite in un certo reparto. Dopo 10 giorni un paziente viene affetto ancora da polmonite, ma in un reparto diverso. In entrambi i casi si trova uno Streptococcus pneumoniae che ha dato origine alla patologia, ma se si vanno a caratterizzare i polisaccaridi di superficie della capsula batterica, si vede che il primo era uno Streptococcus di tipo 3, mentre il secondo era uno Streptococcus di tipo 18, quindi non si possono correlare le due infezioni, perché i batteri hanno un diverso tipo di antigene. Se invece fossero stati tutti e due degli Streptococcus di tipo 18, bisognerebbe iniziare a pensare come sono stati messi in collegamento i due casi, ad esempio grazie ad un’infermiera o ad un medico che erano dei portatori sani di Streptococcus nella faringe, che ha infettato entrambi i pazienti, quindi nell’epidemiologia la classificazione intraspecifica può servire a collegare dei casi d’infezione batterica tra di loro.

Il fatto che un polisaccaride sia di un tipo o di un altro si dimostra con una reazione di rigonfiamento capsulare, o reazione di Neufeld. Volendo classificare ad esempio uno pneumococco, bisogna avere a disposizione 80-85 sieri che reagiscano ognuno ad uno specifico antigene. Il siero specifico va ad interagire con l’antigene polisaccaridico della capsula e lo lega come un immunocomplesso, sembrando così al microscopio ottico come un rigonfiamento della capsula, anche se noi sappiamo che esso rappresenta solamente l’apposizione degli anticorpi sulla capsula batterica stessa. Ogni volta che si vuole classificare un nuovo tipo di batterio bisogna mettere a contatto il batterio con tutti i tipi di anticorpi disponibili in commercio, per differenziarlo innanzitutto in questo tipo di caratteristiche.

Un’altra classificazione di queste capsule batteriche può essere fatta in base alla sensibilità ai batteriofagi.

 

Questa sensibilità ci permette di classificare i batteri in maniera intraspecifica (cioè all’interno della stessa specie).

  • Ad esempio facciamo il caso dello Sthaphilococcus aureus, di questo batterio sappiamo:
  • Famiglia: micrococcaci
  • Genere: Sthaphilococcus
  • Specie: aureus

però possiamo caratterizzarlo maggiormente valutando la sua sensibilità ai batteriofagi, in particolare i batteriofagi sono dei virus in grado d’infettare in maniera specifica solo certi tipi di cellule batteriche all’interno della stessa specie (dove si può ad esempio identificare il ceppo batterico).

Questo si può dimostrare seminando su una piastra lo Staphilococcus aureus da studiare, si divide poi la piastra in quadretti, in ognuno dei quali si depone una sospensione del batteriofago di tipo 1, 2, 3, 4 ed ancora di più in base ai quadretti che vogliamo costruire, successivamente si incuba la piastra per un giorno. I batteriofagi hanno la capacità di introdurre l’acido nucleico nel batterio ospite e vanno a dirottare la sintesi proteica della cellula batterica verso la formazione di nuove particelle virali, portando infine alla morte della cellula batterica stessa. Il batteriofago, che sarà specifico per lo Staphilococcus, il giorno dopo creerà sulla piastra un foro ben preciso dove nessun batterio è sopravissuto al virus, viceversa nelle parti circostanti avremo la presenza di una patina che ci indicherà la crescita di nuovi batteri. Dunque secondo il batteriofago specifico classificheremo lo Staphilococcus aureus di fagotipo 1, 2, 3 o con un altro numero, a partire dal tipo di fago che è stato in grado di attaccarlo. Questa rappresenta una tecnica di classificazione dove si utilizza un marcatore epidemiologico, ma ci sono altre tecniche di classificazione, come quella che utilizza i plasmidi.

I plasmidi sono dei frammenti extra-cromosomici di DNA che possono essere presenti o meno nelle cellule batteriche, in particolare i plasmidi possono essere classificati secondo dei gruppi di compatibilità. Tramite i plasmidi posso vedere se c’è un’affinità ad esempio tra uno staffilococco o un Escherichia coli che hanno dato un problema in due situazioni diverse, e vedere se in entrambi i casi è presente lo stesso plasmide e se codifica per la stessa sostanza. In questo modo si possono abbinare / correlare i due casi. Una classificazione intraspecifica ci permette dunque, dal punto di vista epidemiologico, di andare a collegare una serie di casi, oltre che a scoprire la sorgente infettante.

La capsula (oltre ad essere polisaccaridica) può anche essere proteica, per esempio nel genere Bacillus potremmo avere delle capsule formate da polimeri di acido D-glutammico.

La capsula può essere colorata tramite una modalità di colorazione particolare, infatti essendo una componente molto lassa non riesce ad assorbire il colorante. Se quindi in una soluzione fisiologica del microrganismo aggiungiamo delle gocce di nero di china, e se poniamo una piccola parte di questa sospensione sul microscopio ottico, vediamo una colorazione negativa, ovvero verrà colorato tutto il substrato circostante e la stessa cellula, ma non la capsula, che apparirà chiara rispetto all’ambiente circostante scuro.

La capsula ha un’attività antifagocitaria, inoltre si è visto che questa struttura così voluminosa come è la capsula può andare a condizionare la terapia. Vediamo ora un caso, in cui molti pazienti affetti dalla fibrosi cistica sono infettati dallo Pseudomonas aeruginosa, un batterio ubiquitario molto insidioso, il quale ha una certa dose d’insensibilità riguardo agli antibiotici, data la sua struttura cellulare (ci sono per fortuna però degli antibiotici che funzionano perfettamente come la gentamicina e la carbomicillina). Se allestiamo una minima concentrazione inibente, ovvero la più bassa concentrazione di antibiotico che serve per inibire la cellula batterica, si vedrà che gli Pseudomonas capsulati aumentano la MIC di 2 o 4 volte. Questo significa che prima di colpire il bersaglio, devo usare delle dosi massicce di antibiotico perché una buona parte di questo antibiotico è assorbito dalla capsula e non riesce a penetrare ed a colpire il fulcro della cellula, quindi la resistenza data dalla capsula batterica può condizionare la terapia.

La capsula è un ulteriore strato protettivo contro:

  • le batteriocine, delle sostanze antimicrobiche simili agli antibiotici, ma con degli spettri d’azione molto più limitati. Rappresentano un’arma a disposizione delle cellule microbiche, in quanto sono loro che le producono e come gli antibiotici faticano a superare la capsula batterica
  • i batteriofagi, in quanto difficilmente un batterio capsulato riesce ad essere infettato da un batteriofago, il quale necessita di un appoggio solido che non è rappresentato dalla capsula, per poter infettare la cellula batterica ospite

La presenza della capsula è fondamentale per l’allestimento del biofilm. Questo è importantissimo sia in vivo che in vitro, in quanto il biofilm è rappresentato da un ammasso di microrganismi raccolti all’interno di un materiale capsulare che li protegge dall’azione dei disinfettanti e degli agenti esterni. Ad esempio la Legionella pneumophila provoca delle polmoniti ed è inalata per areosol, di solito è presente nelle cisterne d’acqua. Quando, insieme ad altri organismi, forma dei biofilm, non viene più eliminata dagli agenti esterni, andando di conseguenza ad essere espulsa con l’acqua stessa, creando dei problemi, per esempio quando si fa la doccia può essere facilmente inalata. Il biofilm rende molto difficile sia la disinfezione che la terapia stessa nei confronti di questi batteri. Ci sono comunque anche altri esempi di batteri capsulati, tra cui citiamo lo Streptococcus mutans (presente nelle carie), gli Haemophilus (presenti nelle influenze), lo Pseudomonas aeruginosa e la Klebsiella pneumoniae.