Cos’è un’infezione?

L’infezione è un processo dinamico distinto in tappe che dipende sia dall’ospite con i suoi sistemi di difesa sia dal microrganismo con i suoi fattori di virulenza.

Per quanto riguarda l’ospite è importante considerare il suo stato di salute generale (cioè stabilire l’integrità delle sue difese antimicrobiche, quali ad esempio la cute e le mucose) ed il suo livello di immunocompetenza (quindi lo stato del suo sistema immunitario, l’età, la presenza di un’eventuale gravidanza o di possibili squilibri ormonali, come durante la pubertà).

Per quanto riguarda il microrganismo (che può essere un batterio, un virus, un fungo o altro ancora) possiamo suddividerlo in tre classi:

  • Patogeno accidentale: la sua vita è assolutamente indipendente da quella dell’ospite. Un esempio è il Clostridium tetani, che vive benissimo nell’ambiente esterno, in quanto è in grado di sporificare e quindi di adattarsi senza problemi alla vita nell’ambiente esterno, il suo ciclo vitale normalmente non provoca una malattia nell’ospite, a meno che non si verifichino delle particolari situazioni che lo rendono patogeno
  • Patogeno obbligato: ha bisogno di un ospite per sopravvivere, infatti ha impostato tutto il suo genoma e tutto ciò che ne deriva a livello fenotipico per interagire con un ospite a proprio vantaggio, gli obiettivi finali di questi microrganismi sono sostanzialmente riuscire a sopravvivere ed a replicarsi all’interno dell’ospite. Gli esempi sono i virus HCV e HIV o alcuni batteri come la Salmonella typhi, inoltre altri esempi sono dati dai micoplasmi o dai parassiti quali la Leishmania
  • Patogeno opportunista: è un commensale nell’ospite sano, ma può dare una malattia, a volte con un esito anche letale, nel paziente immunodepresso. Alcuni esempi di questa tipologia sono la Candida albicans, l’Escherichia coli, molti streptococchi ed alcuni stafilococchi

A seconda del rapporto tra l’ospite ed i microrganismi infettanti si potrà parlare di infezione asintomatica o sintomatica, se si ha la comparsa di una malattia.

LE TAPPE DEL PROCESSO INFETTIVO

  1. Esposizione ad agenti patogeni
  2. Adesione alle cellule dell’ospite. Data la specifica interazione tra le molecole di adesione del microrganismo ed i recettori dell’ospite, non tutti i microrganismi potranno infettare qualsiasi cellula: infatti è proprio da questo fatto che deriva il tropismo di specie per un determinato tessuto o organo. Conoscere tutti i meccanismi di adesione e le molecole coinvolte diventa quindi importante quando si vuole scoprire un metodo (ad esempio un farmaco o una molecola che vada stericamente ad occupare il sito di adesione) che mi vada a bloccare proprio questo fenomeno di adesione, con lo scopo di arrestare il processo infettivo
  3. Invasione, può essere presente o meno. Alcuni microrganismi colonizzano qualsiasi sito anatomico con facilità, senza particolari preferenze, altri hanno assolutamente bisogno di entrare nella cellula di un tessuto specifico per cominciare un processo infettivo: ad esempio, lo Staphilococcus può colonizzare un bulbo pilifero, una ferita chirurgica, una gengiva, o dare una sepsi od una polmonite, quindi è un microrganismo che non ha nessuna esigenza particolare, se non quello di replicarsi, ma qualsiasi luogo è adatto a questo scopo. Altri invece hanno bisogno per replicarsi di siti anatomici particolari, come il virus dell’epatite o lo Cryptococcus neoformans
  4. Colonizzazione e crescita in un particolare sito o in un luogo aspecifico
  5. Tossicità e invasività prendono in considerazione l’aggressione dei tessuti
  6. Danno ai tessuti e malattia

Queste tappe sono tutte regolate da alcuni obiettivi principali: la sopravvivenza in un determinato tessuto in cui il microrganismo è arrivato volontariamente o accidentalmente, o per inoculazione tramite una puntura da insetto, o tramite uno strumento chirurgico infetto. Una volta nel tessuto lo scopo del microrganismo è quello di moltiplicarsi, evadendo il sistema immunitario dell’ospite: tanto più questo microrganismo si replica, tanto più sarà visibile al complemento, ai fagociti, alle proteine di fase acuta, ai linfociti B e T e alle cellule della memoria, quindi se vorrà continuare a riprodursi dovrà escogitare dei sistemi sempre più raffinati per evadere le difese immunitarie dell’ospite. Infine, lo sviluppo di una malattia è dato dalla capacità di questi microrganismi di produrre delle sostanze, quali tossine, enzimi litici di varia natura, molecole che svolgono il ruolo di superantigeni, quindi molecole che possono essere parte integrante del microrganismo, oppure essere secrete ed andare in circolo per mediare il processo infettivo.

Dato che il processo infettivo lo possiamo suddividere in tappe è ovvio che in ogni tappa saranno coinvolti dei fattori di virulenza diversi (di cui parleremo tra poco).

COME QUANTIFICHIAMO LA CAPACITA’ DEL MICRORGANISMO DI CAUSARE DANNI

Patogenicità: capacità di un microrganismo di infliggere dei danni all’ospite

Virulenza: grado di patogenicità associato ad un agente patogeno, infatti uno stesso patogeno può avere gradi di patogenicità differenti a seconda che abbia avuto delle mutazioni a carico di un qualche gene, oppure in base al tipo di ospite che va a colonizzare (un neonato, un bambino, un adulto, un anziano, un obeso od un individuo già malato). Quindi la virulenza è un modo per misurare la patogenicità.

Sperimentalmente risulta molto utile utilizzare dei modelli animali per quantificare il concetto di virulenza, per associargli un valore numerico: essi sono il presupposto per fare poi delle ipotesi di lavoro e servono anche per confermare quello che si osserva negli studi clinici. Vengono quindi impiegati degli animali da laboratorio come ratti, cavie o scimmie, scelti non a caso, ma in funzione a quello che dobbiamo andare a cercare, in funzione dei vantaggi che ciascun modello sperimentale può offrire. Moltissimi degli studi sperimentali si fanno sul topo: infatti questo animale è comodo da catturare perché ha la coda lunga, è estremamente prolifico, è di piccole dimensioni, è in grado di dare ceppi “inbreed”, che si ottengono in seguito ad accoppiamenti successivi di individui fratelli per generazioni e generazioni, che hanno quindi tutti lo stesso patrimonio genetico. Questi ceppi “inbreed” tutti uguali gli uni agli altri ci permettono poi di fare facilmente il knock-out di alcuni geni. Inoltre nel topo si riescono a mimare parecchi dei quadri clinici che si riscontrano nell’uomo, purtroppo non tutti, ma la maggior parte. Infine si riesce a manipolare bene per simulare molte infezioni diverse (ad esempio le infezioni cutanea, intragastrica, endovenosa ed intracerebrale). Per tutti questi motivi quindi il topo può essere considerato uno dei migliori modelli sperimentali, quindi uno dei più largamente utilizzati. Ovviamente non possiamo sempre utilizzare il topo, perché ci sono alcuni microrganismi che non riescono ad infettare le sue cellule (ad esempio il virus HIV colpisce solo l’uomo o i primati). Quindi nel caso del HIV il modello sperimentale utilizzato è costituito dai primati, che ha permesso di fare notevoli passi avanti, ma risente anche di numerose limitazioni (ad esempio le dimensioni elevate, le strutture notevolmente costose, gli animali sono difficili da gestire, inoltre hanno una vita molto lunga e quindi è impossibile compattare gli studi in brevi periodi di tempo, cosa che farebbe molto comodo ed è possibile effettuarla ad esempio negli studi sui topi, qui invece i diversi stadi di una malattia possono comparire anche a distanza di anni).

Detto questo, i parametri che più si utilizzano per andare a misurare il grado di patogenicità sono:

  • Infettività: aggressività, capacità di un microrganismo d’interfacciarsi con un ospite e d’infettarlo. Solitamente la capacità infettante la misuriamo attraverso un valore detto dose infettante 50 (o ID50) o dose infettante al 50 %, che rappresenta il numero di microrganismi che è necessario inoculare per infettare il 50 % degli animali sperimentali. Questo è un parametro fondamentale per distinguere un ceppo da un altro a seconda del grado di patogenicità
  • Carica microbica (CFU) negli organi: in un modello di infezione in cui si andrà a somministrare una certa dose di microrganismi in un tessuto, dopo un certo intervallo di tempo potrò misurare il numero dei microrganismi ancora presenti nel tessuto, che rappresentano appunto la CFU. Infatti misurare la carica microbica negli organi, nei tessuti, nel sangue di un ospite significa proprio seguire nel tempo un determinato processo infettivo
  • Reazione antimicrobica tissutale dell’ospite: riguardano la produzione di citochine, l’arrivo di cellule infiammatorie, la produzione e attivazione dei marcatori dell’infiammazione, le reazioni di edema e l’alterazione di parametri morfologici e anatomici funzionali che ci aiutano a capire quanto un organismo è virulento
  • Danno istopatologico: è strettamente connesso con la reazione antimicrobica tissutale
  • Espressione dei geni di virulenza: è l’argomento più attuale, che ci ha permesso soprattutto di capire che uno stesso microrganismo, a seconda dell’homing (o tropismo) che lo caratterizza, andrà ad evocare in quel determinato tessuto delle reazioni diverse dagli altri tessuti, quindi una storia patogenetica diversa. Questo concetto risulta fondamentale quando ci apprestiamo a contrastare una certa patologia
  • Letalità: è la capacità di causare la morte. Sperimentalmente si parla di tempo mediano di sopravvivenza (o MST), cioè quanto mediamente un gruppo di animali sopravvive ad una certa spira microbica, un altro parametro fondamentale è il numero di morti sul totale dei trattati (D/T), che ci consentirà di fare delle valutazioni statistiche e misurare attraverso il livello di virulenza la patogenicità di un microrganismo

IL CALCOLO DELLA DOSE INFETTANTE 50

In ascissa abbiamo il numero di microrganismi che vengono inoculati nell’animale (in genere la scala è logaritmica). In ordinata abbiamo la percentuale di animali che vengono infettati. In questo modo si può stabilire il numero di animali che vengono infettati nel tempo a seconda del numero di microrganismi inoculati: quello che si ottiene è una curva sigmoidea, come quella del grafico. Avremo quindi una dose minima al di sotto della quale gli organismi non si infettano: l’infezione non parte perché probabilmente abbiamo somministrato pochi microrganismi. Poi mano a mano che aumentiamo il numero di microrganismi inoculati avremo una percentuale sempre più alta di animali infettati, fino al 100 % ad una certa dose. Quindi per misurare la dose al 50 % basta trasportare il punto corrispondente della curva sull’asse delle ascisse ed osservare il valore.

Ovviamente, però, non si possono quasi mai studiare dei modelli sperimentali direttamente sull’uomo, quindi si introduce un altro parametro che ci da sempre un’idea della virulenza e della patogenicità di un microrganismo: il tasso di incidenza di una certa malattia infettiva. Rappresenta il numero dei casi di malattia / numero di persone suscettibili, presenti nella popolazione.

LA DOSE LETALE 50 (o LD50): è il numero di microrganismi necessari per uccidere il 50 % degli animali esposti al contagio.