Sintomi dell’endocardite infettiva

L’endocardite infettiva è una patologia a carico dell’endocardio. Ci sono una serie di fattori di rischio e di condizioni predisponenti nei confronti delle endocarditi.
Fattori di rischio specifici legati ad alterazioni anatomiche

cardiopatie congenite

lesioni valvolari reumatiche

protesi valvolari cardiache

Si crea il presupposto per cui una fase batteriemica, che in un soggetto sano sarebbe transitoria e non percepita, può favorire l’arrivo e l’impianto del microrganismo.

Condizioni predisponenti

– manovre strumentali che favoriscono il rischio di batteriemie (cateterismo endovenoso, cardiochirurgia, emodialisi, alimentazione parenterale, trasfusioni, ecc…)

– estrazioni dentarie e interventi sul cavo orale

– tossicodipendenza (via endovenosa)

Le condizioni che predispongono sono situazioni nelle quali è facile che ci possa essere dispersione transitoria nel sangue di microrganismi che rappresenta il punto di partenza per lo sviluppo di un’endocardite se esistono fattori di rischio specifici.

 

EZIOLOGIA DELL’ENDOCARDITE INFETTIVA

BATTERI (sono causa di endocardite il 90 % delle volte)

  • Streptococchi orali (sanguis, mitis, oralis, ecc…) per interventi sul cavo orale (prevalenti)
  • Enterococchi in soggetti con patologie intestinali
  • Pneumococchi (Streptococcus pneumoniae soprattutto) negli alcoolisti
  • Staffilococchi nei tossicodipendenti
  • Più raramente altri batteri Gram negativi).

MICETI (raro)

  • Candida spp. e Aspergillus spp. nei tossicodipendenti

L’ endocardite nei tossicodipendenti per via endovenosa è una situazione ormai passata, che ha avuto il suo apice negli anni ’80 e ’90.

 

PATOGENESI

L’origine delle endocarditi in genere è esogena, anche se vi può essere pure un origine endogena. La genesi dell’endocardite vede quasi sempre all’inizio un danno all’ endocardio. In realtà, in rapporto alla virulenza del microrganismo, vi può essere anche la possibilità di insorgenza su endotelio integro. Si parte quindi da un’endotelio compromesso, caratterizzato per esempio dalla presenza di vegetazioni valvolari trombotiche sterili (fibrina e piastrine), come si possono trovare nella cardiopatia reumatica. A queste lesioni i batteri aderiscono formando piccoli biofilm e si moltiplicano. Si formano così vegetazioni settiche che rappresentano delle nicchie biologiche in cui i batteri sono protetti e nascosti dai meccanismi di difesa dell’ospite e dagli antibiotici. Quindi, a monte di questo processo vi è la capacità di taluni agenti patogeni di aggregarsi a formare biofilm e vegetazioni (più in generale focolai infiammatori) a livello di un substrato particolare (in questo caso l’ endotelio).

 

BIOFILM

Si stima che l’80% delle malattie ad eziologia microbica siano associate alla formazione di biofilm. In passato si pensava che il biofilm si formassero solo su substrati abiotici, in realtà è stato visto che possono formarsi anche a livello di una sede infiammata per un’ azione batterica e in questa situazione, l’organizzazione di biofilms diventa un momento patogenetico vero e proprio.

Definizione: Comunità sessile di cellule microbiche irreversibilmente attaccate ad un substrato, immerse in una matrice polimerica extracellulare autoprodotta (di solito di natura glucidica) che esibiscono un fenotipo alterato dovuto a differente velocità di crescita e di trascrizione genica.

Tale comunità in alcuni momenti è sincrona e organizzata mentre in altri momenti risulta disordinata e disomogenea. Essa può essere a singola specie (biofilm con mo tutti uguali, come nell’ endocardite) o mista, con specie microbiche anche molte diverse tra loro. Le cellule facenti parte di un biofilm sono cellule sessili, distinte da quelle che vengono dette cellule in forma planctonica, cioè le cellule che si trovano libere, come quelle nel circolo ematico. E’ utile distinguere cellule sessili da cellule planctoniche perché i mo assumono vari aspetti in base ai cambiamenti ai quali vanno incontro nel caso in cui essi abbiano la possibilità o meno di formare un biofilm. Se hanno la possibilità di formare un biofilm, le cellule batteriche cambiano la propria selezione genica, esprimendo diversi fattori di superficie, di virulenza e fattori che promuovono la farmaco resistenza. Questi elementi, di fatto, rientrano nell’insieme di tutti quei fattori che sostengono un processo infettivo e ne determinano l’ evoluzione. I biofilm si possono formare in vari ambienti. Ad esempio, in natura sono osservabili nelle acque dei geyser dello Yellowstone National Park, sul fondo dei laghi e dei fiumi, su rocce umide, ma anche su strumentazioni di laboratorio e biomedicali o su devices invasivi (protesi, cateteri e valvole), negli alimenti (biofilm commestibili o su cibi contaminati e avariati), nella placca dentale (biofilm naturale, comune e costituito da microrganismi diversi) e in lesioni periferiche, come sull’ulcera di un piede in un paziente diabetico.

Formazione del biofilm

Per la formazione del biofilm, intanto è necessaria la presenza di una superficie sulla quale si possa organizzare, come un supporto abiotico (ad esempio una una valvola, la protesi dell’anca o l’apparecchio ortodontico) oppure una superficie biologica (cioè porzioni di tessuto, come nel caso dell’endotelio alterato o del timpano infiammato).

  1. Fase di attacco o di adesione con ancoraggio delle cellule planctoniche alla superficie. Ovviamente non tutti i Mo riescono ad aderire alle superfici.
  2. Quelli in grado di farlo sia che prediligano una superficie abiotica, sia che preferiscano un tessuto danneggiato e/o infiammato, danno vita a microcolonie (crescita e sviluppo delle colonie) all’ interno delle quali continuerà l’ attività replicativa. I mo danno vita ad una struttura tridimensionale producendo una matrice nella quale sono contenute le cellule batteriche. Questa matrice, che ha quasi la funzione di collante, è fondamentale per garantire al biofilm una serie di proprietà, tra le quali l’impermeabilità. Quindi la matrice diventa ciò che funge da struttura, che garantisce l’adesione fra le cellule e che le protegge da insulti esterni.
  3. Come ultima tappa, il biofilm maturo determina la dispersione di nuove cellule, cellule planctoniche, che si distaccano periodicamente. Tali cellule non si distaccano singolarmente ma sotto forma di “piccole metastasi” multicellulari.

Perciò il biofilm presenta fasi precoci, dopo le quali va incontro a maturazione e nella fase tardiva dà luogo a disseminazione di alcune cellule.

Classificazione

I biofilm si distinguono in biofilm monospecie, costituiti dallo stesso tipo di microrganismo, e biofilm multispecie, costituiti da specie diverse. Nel caso dei multispecie, la presenza di microrganismi diversi tra loro rende il biofilm un’entità estremamente complessa, al contrario di un biofilm monospecie, in cui i microrganismi sono uguali tra loro, perciò c’è solo un attività metabolica, solo un tipo di risorse e di prodotti catabolici. Infatti, in un biofilm misto o multispecie, ci sarà la somma di eventi biochimici diversi l’uno dall’altro.

 Struttura di un biofilm misto

I microrganismi che colonizzano per primi una certa sede sono detti microrganismi pionieri: essi hanno la capacità di riconoscere una superficie adatta per l’ancoraggio, lì si appoggiano, formano le prime microcolonie e iniziano a sintetizzare matrice extracellulare, dando così origine ad un primo abbozzo di biofilm. In un secondo momento arrivano i cosiddetti colonizzatori secondari. Quindi, in un biofilm misto, l’evoluzione è graduale. I pionieri sono quelli che riconoscono meglio le superfici adatte per ancorarsi e hanno maggior capacità di adesione, i colonizzatori secondari sfruttano l’opportunità che è stata loro concessa dai pionieri e aderiscono ai batteri pionieri. In questo modo, i batteri pionieri diventano l’ancora d’attacco per i colonizzatori che giungono in un secondo momento, quando si sono verificate le condizioni che permettono l’ adesione o quando si è creata una situazione biochimica che è loro congeniale.

Placca dentale

La placca dentale è un perfetto esempio di biofilm misto. Man mano che alcuni microrganismi (ad esempio gli streptococchi) producono acido lattico e altre sostanze in grado di abbassare il pH, si formano zone più acide in cui si andranno a localizzare maggiormente i microrganismi acidofili. Quindi, l’acidogeno produce l’acidità e l’acidofilo giunge in tale sede e vi si posiziona. Si assiste così alla formazione di strutture complesse, caratterizzate dalla presenza di varie unità microbiche anche molto diverse fra loro. All’interno del biofilm esistono comparti differenti e i microrganismi si vanno a localizzare in punti ben precisi, in cui trovano la possibilità di replicarsi e vivere al meglio. Quindi solo all’inizio c’è una disposizione casuale, ma in una seconda fase i microrganismi si dispongono nei punti che favoriscono la loro attività e replicazione. Ecco che, all’interno di un biofilm misto, si crea una sorta di catena alimentare. Certi microrganismi che producono particolari cataboliti vengono circondati da altri microrganismi che sfruttano proprio tali cataboliti per il proprio metabolismo. Si crea dipendenza di una specie dall’altra (o interdipendenza) a seconda degli elementi prodotti da una specie e degli elementi che servono ad altre.

 Quorum Sensing

E’ stato dimostrato che le cellule che si organizzano a formare un biofilm sono in strettissimo contatto fra di loro e che grazie a ciò si instaura un particolare fenomeno detto Quorum Sensing (QS) che non è altro che un “dialogo” tra microrganismi permesso dalla produzione, dal rilascio e dalla ricezione di sostanze chimiche che fungono da segnali. Il tutto funziona perché ogni microrganismo è dotato dei rispettivi recettori per cogliere i messaggi provenienti dai microrganismi adiacenti. Si tratta di un colloquio a distanza mediato da HSL, lattoni dell’omoserina. La matrice coi suoi polimeri trattiene al suo interno i segnali emessi dalle cellule, per questo la possibilità di dialogare tra cellule libere (planctoniche) e cellule sessili è molto diversa. I Microrganismi che devono formare un biofilm, che sia monospecie o multispecie, si sincronizzano arrivando anche a modificare il loro assetto genetico. Mentre fanno questo, essendo talmente vicini tra loro, eventuali scambi di informazioni genetiche per coniugazione, trasformazione e trasduzione sono estremamente avvantaggiati. Quindi la nascita del biofilm è un momento in cui i batteri si scambiano informazioni genetiche che hanno a che fare con la farmaco-resistenza, con la produzione della capsula, di proteasi, di tossine e, più in generale, di fattori di virulenza. La scoperta di questo sistema di comunicazione ha risvolti anche dal punto di vista farmacologico, nel momento in cui si elaborano nuovi farmaci per fermare la produzione di biofilm. Inoltre, l’upregulation e la downregulation genetica che avviene durante la formazione del biofilm è utile a chi fa ricerca per avere informazioni in più per poterlo contrastare o almeno tentare di contrastarlo.

Recenti studi hanno dimostrato che il Vibrio cholerae ha la capacità di formare biofilms. Sembra che la loro formazione permetta ai batteri di rimanere vitali nei reservoirs idrici e di dare inizio alle epidemie stagionali nelle aree endemiche. Uno dei meccanismi che il Vibrio cholerae utilizza per formare l’ esopolisaccaride (EPS) della matrice sembra sia legato all’ attività Na-dipendente del flagello. L’ informazione genetica che permette di produrre EPS è codificata dai geni VPS, che vengono espressi anche in relazione all’ attività del flagello. Il Vibrio cholerae quindi aderisce all’ epitelio grazie sia alla motilità permessa dal flagello e sia alla capacità di sintetizzare matrice. L’espressione di VPS è downregolata da molecole che fan parte del QS che sono prodotte dai batteri del biofilm. Sembra che l’interruzione della produzione della matrice sia accompagnata anche dalla perdita del flagello e dalla parallela trascrizione di altri fattori di virulenza, come la tossina colerica. Questo dimostra l’enorme capacità del QS di regolare l’ espressione genica e la virulenza dei battteri. Altre proteine importanti nella formazione di biofilm e nell’adesione sono le OMPs (Outer membrane proteins) dello Pseudomonas aeruginosa. Questo scambio di informazioni chimiche e genetiche fa sì che vengano rilasciate nuove cellule planctoniche con tratti di virulenza aggiuntivi rispetto a quelle che all’ inizio hanno portato alla formazione del biofilm.

In definitiva, formare il biofilm significa due cose:

  1. Creare un microsistema (una nicchia ecologica) protetto
  2. Creare nuove cellule planctoniche con nuovi attributi di virulenza

Biofilm sui dispositivi

L’utilizzo di lenti a contatto, dispositivi per dialisi peritoneale, IUD (dispositivi intrauterini), cateteri urinari, dispositivi endotracheali, cateteri venosi, valvole cardiache meccaniche, inneschi vascolari, dispositivi ortopedici e protesi di vario genere rappresentano delle condizioni che determinano un ancoraggio e un substrato per i microrganismi. Quindi tra le complicanze o controindicazioni riguardanti la presenza di questi dispositivi, ci sono conseguenze importanti legate alla possibile formazione di biofilm.

Biofilm sui tessuti biologici

Se si formano causano infezioni, quali le carie dentali, la periodontite, l’otite media, le infezioni muscolo-scheletriche e la fascite necrotizzante (da streptococchi di gruppo A), le infezioni del tratto biliare, l’osteomielite, l’endocardite e la polmonite associata alla fibrosi cistica.

 

Dispositivi contaminati Biofilm
(specie batterica principale)
Lenti a contatto Cocchi Gram-positivi e Pseudomonas aeruginosa
Dispositivi per dialisi peritoneale Flora batterica e fungina mista
Cateteri urinari Escherichia coli e altri bacilli Gram-negativi
IUD Actinomyces israelii
Dispositivi endotracheali Flora batterica e fungina mista
Cateteri venosi Streptococcus epidermidis
Valvole cardiache meccaniche Staphylococcus aureus e Streptococcus epidermidis
Inneschi vascolari Cocchi Gram-positivi
Dispositivi ortopedici Staphylococcus aureus e Streptococcus epidermidis
Protesi di vari organi Staphylococcus aureus e Streptococcus epidermidis

Protezione della matrice

I batteri planctonici sono liberi e possono essere attaccati dagli anticorpi, dai macrofagi e dai farmaci. Invece dopo che le cellule si sono organizzate in biofilm e sono diventate sessili, esse risultano protette dalla matrice prodotta da loro stesse. Tanto più il biofilm diventa grande, tanto meno risulta permeabile nei confronti di antibiotici, anticorpi, elementi del complemento e macrofagi. Così facendo, si crea una situazione di notevole privilegio per i microrganismi che si sono aggregati.

Biofilm e farmaco-resistenza

Oggi si può parlare di malattie e infezioni associate alla formazione di biofilm. Il biofilm è infatti visto come un momento di opportunismo per i microrganismi che lo compongono, da esso possono formarsi nuovi elementi che possono dare origine a nuove patologie. Come detto, i microrganismi, una volta aggregati, non sono più aggredibili: aumenta perciò il fattore legato all’antibiotico-resistenza che porta una determinata terapia a non funzionare contro il biofilm.

Ci sono 5 motivi che spiegano la farmaco-resistenza:

  • Gli antibiotici non penetrano all’interno della matrice, ma danneggiano solo gli strati esterni
  • Gli antibiotici vengono intrappolati e distrutti da enzimi batterici presenti nella matrice grazie al fatto che i batteri attivano geni che codificano per le lattamasi, perdendo quindi la loro efficacia
  • Gli antibiotici sono inefficaci sui batteri in fase di latenza o quiescenza presenti nella parte centrale del biofilm, dove ci sono pochi metaboliti, pochi zuccheri e poco ossigeno. I batteri qui presenti vengono detti persister cells e sono insensibili agli antibiotici
  • I batteri esprimono geni associati alla farmaco-resistenza (ad esempio i geni che codificano per le pompe di efflusso)
  • I batteri rispondono allo stress dovuto alle condizioni ostili (per esempio l’iper-espressione di enzimi che distruggono gli antibiotici)

 

TERAPIA DELL’ENDOCARDITE INFETTIVA

La produzione di biofilm è in pratica un modo per esprimere tratti di virulenza marcati. In campo farmacologico è quindi necessario escogitare modi atti al contenimento di questo fenomeno. Queste sono le strategie possibili per trattare le infezioni associate a biofilm:

  1. Sostanze in grado di distruggere la matrice cellulare (ad esempio il dispersin B)
  2. Sostanze che distruggono le persister cells
  3. Segnali inibitori del Quorum Sensing
  4. Sostanze che causano autodistruzione del biofilm
  5. Strategie per migliorare l’azione antimicrobica (ad esempio le correnti elettriche)

Occorre mettere a punto anche una serie di farmaci e dei sistemi che possano, in una certa maniera, inibire la formazione di biofilm. Particolare attenzione è posta sulla possibilità di bloccare il QS e il rilascio di segnali tra microrganismi sfruttando dei controsegnali che possano rallentare, per quanto possibile, la formazione del biofilm. E’ strettamente necessario lavorare sul Quorum Sensing per impedire o limitare il passaggio di informazioni tra batteri, la loro coordinazione, collaborazione e organizzazione. A tal proposito è bene indagare sulle molecole che vengono utilizzate per il QS e quindi porre fine al “colloquio batterico”. Ciò significa avere un’opportunità nuova per cercare di limitare la formazione di biofilm. Bisognerebbe infine elaborare dei sistemi particolari che siano biocompatibili nei confronti del paziente e meno appetibili nei confronti di altri microrganismi che potrebbero dare luogo a biofilm (ad esempio protesi o devices medici in generale).