مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

98 

Lecture 7 – Mycobacteria 

Tuberculosis Bacteria (TB)      

  Tuberculosis is unquestionably among the most 

intensively studied of all human diseases. In view of the 
fact that tuberculosis can infect practically any organ in 
the body.

 

Tuberculosis (TB) is the leading cause of death 

in the world from a bacterial infectious disease. The 
disease affects 1.8 billion people/year which is equal to 
one-third of the entire world population. 

  Mycobacterium tuberculosis is the etiologic agent of 

tuberculosis  in humans. Humans are the only reservoir 
for the bacterium. Mycobacterium bovis is the etiologic 
agent of TB in cows and rarely in humans. Both cows 
and humans can serve as reservoirs. Humans can also be 
infected by the consumption of unpasteurized milk
This route of transmission can lead to the development of 
extrapulmonary TB, exemplified in history by bone 
infections
 that led to hunched backs. 

  Other human pathogens belonging to the 

Mycobacterium genus include 

Mycobacterium avium 

which causes a TB-like disease especially prevalent in 
AIDS patients, and Mycobacterium leprae, the causative 
agent of leprosy
 

 

Mycobacterium tuberculosis (Ziehl Neilson Stain) 
 

 

Mycobacterium tuberculosis 

Morphology and culturing

 

  TB are slender, acid-fast rods, 0.4 µm wide, and 3–4 µm 

long, nonsporing and nonmotile. They can be stained with 
special agents (Ziehl-Neelsen, Kinyoun, fluorescence).

 

Mycobacterium tuberculosis  (MTB) is distantly related 
to the Actinomycetes. Many nonpathogenic mycobacteria 
are components of the normal flora of humans, found 
most often in dry and oily locales. Mycobacterium 

tuberculosis is an obligate aerobe. For this reason, in the 
classic case of tuberculosis, MTB complexes are always 
found in the well-aerated upper lobes of the lungs. The 
bacterium is a facultative intracellular parasite, usually 
of macrophages, and has a slow generation time, 15-20 
hours, a physiological characteristic that may contribute 
to its virulence. 

  Two media are used to grow MTB  Middlebrook's 

medium which is an agar based medium and 
Lowenstein-Jensen medium which is an egg based 
medium. MTB colonies are small and buff colored when 
grown on either medium. Both types of media contain 
inhibitors to keep contaminants from out-growing MT. It 
takes 4-6 weeks to get visual colonies on either type of 
media. TB are obligate aerobes. Their reproduction is 
enhanced by the presence of 5–10% CO2 in the 
atmosphere. Cultures must be incubated for three to six or 
eight weeks at 37 ºC until proliferation becomes 
macroscopically visible. 

 

Cell wall.

 Many of the special characteristics of TB are 

ascribed to the chemistry of their cell wall, which features 
a murein layer as well as numerous lipids, the most 
important being the glycolipids (e.g., 
lipoarabinogalactan), the mycolic acidsmycosides, and 
wax D . For example 

Glycolipids and wax D are

 

r

esponsible for resistance to chemical and physical 

noxae. Also they have adjuvant effect (wax D), i.e., 
enhancement of antigen immunogenicity. Tuberculin is 
partially purified tuberculin contains a mixture of small 
proteins (10 kDa). Tuberculin is used to test for TB 
exposure (Delayed allergic reaction). 

 

Pathogenesis and clinical picture

  

It is necessary to differentiate between primary and 
secondary tuberculosis (reactivation or postprimary 
tuberculosis) . The clinical symptoms are based on 
reactions of the cellular immune system with TB antigens. 

  Primary tuberculosis.  

In the majority of cases, the pathogens enter the lung in 
droplets, where they are phagocytosed by alveolar 
macrophages. TB bacteria are able to reproduce in these 
macrophages due to their ability to inhibit formation of 
the phagolysosome. Within 10–14 days an inflammatory 
focus
 develops the so-called 

primary focus

 from which 

the TB bacteria move into the regional lymph nodes
where they reproduce and stimulate a cellular immune 
response
, which in turn results in clonal expansion of 
specific T lymphocytes
 and attendant lymph node 
swelling
. The primary complex (Ghon’s complex


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

99 

develops between six and 14 weeks after infection. At the 
same time, 

granulomas

 form at the primary infection 

site and in the affected lymph nodes, and macrophages 
are activated by the cytokine 

MAF 

(

macrophage 

activating factor

). 

A tuberculin allergy

 also develops in 

the macroorganism The further course of the disease 
depends on the outcome of the battle between the TB and 
the specific cellular immune defenses. 

Postprimary 

dissemination foci

 are sometimes observed as well, i.e., 

development of 

local tissue defect foci

 at 

other 

localizations

, typically the 

apices

 of the lungs. 

Mycobacteria may also be transported to other organs 
via the lymph vessels or bloodstream and produce 
dissemination foci there. The host eventually prevails in 
over 90% of cases: the granulomas and foci fibrose
scar, and calcify, and the infection remains clinically 
silent. 

  Secondary tuberculosis.  

In about 10% of infected persons the primary 
tuberculosis reactivates to become an 

organ tuberculosis

either within months (5 %) or after a number of years (5 
%). Exogenous reinfection is rare in the populations of 
developed countries

Reactivation 

begins with a 

caseation necrosis

 in the center of the granulomas (also 

called 

tubercles

) that may progress to 

cavitation 

(formation of caverns). Tissue destruction is caused by 
cytokines, among which tumor necrosis factor a (TNFa) 
appears to play an important role. This cytokine is also 
responsible for the 

cachexia

 associated with tuberculosis. 

Reactivation frequently stems from old foci in the lung 
apices
.The body’s immune defenses have a hard time 
containing necrotic tissue lesions in which large numbers 

of TB cells occur (e.g., up to 109 bacteria and more per 
cavern); the resulting lymphogenous or hematogenous 
dissemination may result in infection foci in other organs. 
Virtually all types of organs and tissues are at risk for this 
kind of secondary TB infection. Such infection courses 
are subsumed under the term 

extrapulmonary 

tuberculosis

 

Predisposing factors for TB infection include: 

  Close contact with large populations of people, i.e., 

schools, nursing homes, dormitories, prisons, etc.  

  Poor nutrition  

  IV drug use  

  Alcoholism  

  HIV infection is the number 1 predisposing factor for 

MTB infection. 10 percent of all HIV-positive individuals 
harbor MTB. This is 400-times the rate associated with 

the general public. Only 3-4% of infected individuals will 
develop active disease upon initial infection, 5-10% 
within one year. These percentages are much higher if the 
individual is HIV+. 
 

Immunity

 

  Humans show a considerable degree of genetically 

determined resistance to TB. Besides this inherited 
faculty, an organism acquires an (incomplete) specific 
immunity during initial exposure (first infection). This 
acquired immunity is characterized by localization of the 
TB at an old or new infection focus with limited 
dissemination (Koch’s phenomenon). This immunity is 
solely a function of the T lymphocytes. The level of 
immunity is high while the body is fending off the 
disease, but falls off rapidly afterwards.It is therefore 
speculated that resistance lasts only as long as TB or the 
immunogens remain in the organism (= infection 
immunity). 

 

Tuberculin reaction.

 Parallel to this specific immunity, 

an organism infected with TB shows an altered reaction 
mechanism
, the tuberculin allergy, which also develops 
in the cellular immune system only. The tuberculin 
reaction, positive six to 14 weeks after infection, confirms 
the allergy. The tuberculin proteins are isolated as purified 
tuberculin (PPD = purified protein derivative). Five 
tuberculin units (TU) are applied intracutaneously in the 
tuberculin test. If the reaction is negative, the dose is 
sequentially increased to 250 TU. A positive reaction 
appears within 48 to 72 hours as an inflammatory 
reaction
 (induration) at least 10mm in diameter at the 
site of antigen application. A positive reaction means that 
the person has either been infected with TB or 
vaccinated with BCG. It is important to understand that a 
positive test is not an indicator for an active infection or 
immune status. While a positive test person can be 
assumed to have a certain level of specific immunity, it 
will by no means be complete. One-half of the clinically 
manifest cases of tuberculosis in the population are 
secondary reactivation tuberculoses that develop in 
tuberculin positive persons. 

 

Diagnosis

 

R

equires microscopic and cultural identification of the 

pathogen or pathogen-specific DNA. 

  Traditional method 

  Workup of test material, for example with N-acetyl-L-

cysteine-NaOH (NALC-NaOH method) to liquefy 
viscous mucus
 and eliminate rapidly proliferating 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

100 

accompanying flora, followed by centrifugation to enrich 
the concentration. 

  Microscopy. Ziehl-Neelsen and/or auramine fluorescent 

staining . This method produces rapid results but has a 
low level of sensitivity (>104–105/ml) and specificity 
(acid-fast rods only). 

  Culture on special solid and in special liquid mediums. 

Time requirement: four to eight weeks. 

  Identification. Biochemical tests with pure culture if 

necessary. Time requirement: one to three weeks. 

 

Resistance test with pure culture.

 Time requirement: three 

weeks. 

  Rapid methods.  

A number of different rapid TB diagnostic methods have 
been introduced in recent years that require less time than 
the traditional methods. 

 

Culture.

 Early-stage growth detection in liquid mediums 

involving identification of TB metabolic products with 
highly sensitive, semi-automated equipment. Time 
requirement: one to three weeks. Tentative diagnosis. 

 

Identification.

 Analysis of cellular fatty acids by means of 

gas chromatography and of mycolic acids by means of 
HPLC. Time requirement: 12 days with a pure culture. 

 

DNA probes.

 Used to identify M. tuberculosis complex 

and other mycobacteria. Time requirement: several hours 
with a pure culture. 

 

Resistance test.

 Use of semi-automated equipment . 

Proliferation/ nonproliferation determination in liquid 
mediums containing standard antituberculotic agents. 
Time requirement: 7–10 days. 

  Direct identification in patient material.  

Molecular methods used for direct detection of the M. 
tuberculosis
 complex in (uncultured) test material. These 
methods involve amplification of the search sequence. 
 

Therapy  

The previous method of long-term therapy in sanatoriums 
has been replaced by a standardized chemotherapy often 
on an outpatient basis. 

 
Epidemiology and prevention

 

  Tuberculosis is endemic worldwide. The disease has 

become much less frequent in developed countries in 
recent decades. Tuberculosis is still a major medical 
problem. It is estimated that every year approximately 15 
million persons contract tuberculosis and that three 
million die of the disease. The main source of infection is 
the human carrier. There are no healthy carriers. Diseased 
cattle are not a significant source of infection in the 

developed world. Transmission of the disease is generally 
direct, in most cases by droplet infection. Indirect 
transmission via dust or milk (udder tuberculosis in cattle) 
is the exception rather than the rule. The incubation 
period
 is four to 12 weeks

  Exposure prophylaxis. Patients with open tuberculosis 

must be isolated during the secretory phase. Secretions 
containing TB must be disinfected. Tuberculous cattle 
must be eliminated. 

  Disposition prophylaxis. An active vaccine is available 

that reduces the risk of contracting the disease by about 
one-half. It contains the live vaccine BCG (lyophilized 
bovine TB of the Calmette-Gue´rin type). Vaccination of 
tuberculin-negative persons induces allergy & 
(incomplete) immunity that persist for about five to 10 
years. 
 

Leprosy Bacteria (LB) 

Morphology and culture  

Mycobacterium leprae (Hansen, 1873) is the causative 
pathogen of leprosy. In morphological terms, these acid-
fast rods are identical to tuberculosis bacteria. They differ, 
however, in that they cannot be grown on nutrient 
mediums or in cell cultures. 

 

Pathogenesis 

The pathomechanisms of LB are identical to those of TB. 
The host organism attempts to localize and isolate 
infection foci by forming granulomas. Leprous 
granulomas
 are histopathologically identical to 
tuberculous granulomas. High counts of leprosy bacteria 
are often found in the macrophages of the granulomas. 

 

Immunity 

The immune defenses mobilized against a leprosy 
infection are strictly of the cellular type. The lepromin 
skin test
 can detect a postinfection allergy. 
This test is not, however, very specific (i.e., positive 
reactions in cases in which no leprosy infection is 
present). The clinically differentiated infection course 
forms observed are probably due to individual immune 
response variants. 
 

Clinical picture 

Leprosy is manifested mainly on the skin, mucosa, and 
peripheral nerves. A clinical differentiation is made 
between tuberculoid leprosy and lepromatous leprosy 
(LL). There are many intermediate forms. TL is the 
benign, nonprogressive form characterized by spotty 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

101 

dermal lesions. The LL form, on the other hand, is 
characterized by a malignantprogressive course with 
nodular skin lesions and cordlike nerve thickenings 
that finally lead to neuroparalysis. The inflammatory 
foci contain large numbers of leprosy bacteria. 

 

Diagnosis 

Detection of the pathogens in skin or nasal mucosa 
scrapings under the microscope using Ziehl-Neelsen 
staining . Molecular confirmation of DNA sequences 
specific to leprosy bacteria in a polymerase chain reaction 
is possible. 
 

Therapy 

Paucibacillary forms are treated with dapson plus 
rifampicin for six months. Multibacillary forms require 
treatment with dapson, rifampicin, and clofazimine over a 
period of at least two years. 
 

Epidemiology and prevention 

Leprosy is now rare in socially developed countries, 
although still frequent in developing countries. There are 
an estimated 11 million victims worldwide. Infected 
humans are the only source of infection. The details of the 
transmission pathways are unknown. Discussion of the 
topic is considering transmission by direct contact with 
skin or mucosa injuries and aerogenic transmission
The incubation period is 2–5–20 years
Isolation of patients under treatment is no longer required. 
An effective epidemiological reaction requires early 
recognition of the disease in contact persons by means of 
periodical examinations every six to 12 months up to five 
years following contact. 

 

Nontuberculous Mycobacteria (NTM) 

Mycobacteria that are neither tuberculosis nor leprosy 
bacteria are categorized as atypical mycobacteria (old 
designation), nontuberculous mycobacteria (NTM) or 
MOTT (mycobacteria other than tubercle bacilli)

 

Morphology and culture 

In their morphology and staining behavior, NTM are 
generally indistinguishable from tuberculosis bacteria. 
With the exception of the rapidly growing NTM, their 
culturing characteristics are also similar to TB. Some 
species proliferate only at 30 °C. NTM are frequent 
inhabitants of the natural environment (water, soil) and 
also contribute to human and animal mucosal flora. Most 

of these species show resistance to the antituberculoid 
agents in common use. 
 

Clinical pictures and diagnosis 

  Some NTM species are apathogenic, others can cause 

mycobacterioses in humans that usually follow a chronic 
course  

  NTM infections are generally rare. Their occurrence is 

encouraged by compromised cellular immunity. Frequent 
occurrence is observed together with certain 
malignancies, in immunosuppressed patients and in 

  AIDS patients, whereby the NTM isolated in 80% of 

cases are M. avium or M. intercellulare. As a rule, NTM 
infections are indistinguishable from tuberculous lesions 
in clinical, radiological, and histological terms. Diagnosis 
therefore requires culturing and positive identification
The clinical significance of a positive result is difficult to 
determine due to the ubiquitous occurrence of these 
pathogens. They are frequent culture contaminants. Only 
about 10% of all persons in whom NTM are detected 
actually turn out to have a mycobacteriosis

 

Therapy 

Surgical removal of the infection focus is often 
indicated. Chemotherapy depends on the pathogen 
species, for instance a triple combination (e.g., INH, 
ethambutol, rifampicin) or, for resistant strains, a 
combination of four or five antituberculoid agents. 
 
 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام عضوان و 93 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل