background image

 

1

 

The Staphylococci

 

    The  staphylococci  are  gram-positive  spherical  cells,  usually  arranged 
in  grape-like  irregular  clusters.  They  grow  readily  on  many  types  of 
media  and  are  active  metabolically,  fermenting  carbohydrates  and 
producing  pigments  that  vary  from  white  to  deep  yellow.  Some  are 
members  of  the  normal  flora  of  the  skin  and  mucous  membranes  of 
humans;  others  cause  suppuration,  abscess  formation,  a  variety  of 
pyogenic  infections,  and  even  fatal  septicemia.  The  pathogenic 
staphylococci  often  hemolyze  blood,  coagulate  plasma,  and  produce  a 
variety of extracellular enzymes and toxins.  

    The  genus  staphylococcus  has  at  least  34  species.  The  three  main 
species of clinical importance are Staphylococcus aureus, Staphylococcus 
epidermidis,
 and Staphylococcus saprophyticus. Staphylococcus aureus is 
coagulase-positive,  its  a  major  pathogen  for  humans.  Almost  every 
person  will  have  some  type  of  S  aureus  infection  during  a  lifetime, 
ranging in severity from food poisoning or minor skin infections to severe 
life-threatening  infections.  The  coagulase-negative  staphylococci 
(CoNs)are  normal  human  flora  and  sometimes  cause  infection,  often 
associated  with  implanted  appliances  and  devices,  especially  in  very 
young, old, and immune-compromised patients.  

Morphology & Identification 

Typical Organisms 

    Staphylococci  are  spherical  cells  about  1  μm  in  diameter  arranged  in 
irregular clusters. Single cocci, pairs, tetrads, and chains are also seen in 
liquid cultures. Young cocci stain strongly gram-positive; on aging, many 
cells  become  gram-negative.  Staphylococci  are  non-motile  and  do  not 
form spores. 

 

Culture 

    Staphylococci grow readily on most bacteriologic media under aerobic 
or micro-aerophilic conditions. They grow most rapidly at 37 °C but form 
pigment  best  at  room  temperature  (20–25  °C).  Colonies  on  solid  media 
are round, smooth, raised, and glistening. S aureus usually forms gray to 
deep golden yellow colonies.  S epidermidis colonies usually are gray to 
white on primary isolation. Various degrees of hemolysis are produced by 
S aureus and occasionally by other species.  


background image

 

2

 

Growth Characteristics 

    The staphylococci produce catalase, which differentiates them from the 
streptococci.  Staphylococci  are  variably  sensitive  to  many  antimicrobial 
drugs. Resistance falls into several classes: 

1.  β-Lactamase  production  is  common,  is  under  plasmid  control,  and 
makes  the  organisms  resistant  to  many  penicillins  (penicillin  G, 
ampicillin, ticarcillin, piperacillin, and similar drugs).  

2. Resistance to nafcillin (and to methicillin and oxacillin) is independent 
of  β-lactamase  production.The  mechanism  of  nafcillin  resistance  is 
related to the lack or inaccessibility of certain penicillin-binding proteins 
(PBPs) in the organisms. 

3. S aureus is considered to be susceptible to vancomycin if the minimum 
inhibitory concentration (MIC) is 4µg/mL; of intermediate susceptibility 
if the MIC is 8–16 µg/mL; and resistant if the MIC is16µg/mL. Strains of 
S  aureus  with  intermediate  susceptibility  to  vancomycin  have  been 
isolated  in  Japan  .These  are  often  known  as  vancomycin-intermediate  
aureus,
 or "VISA.". 

4.  vancomycin-resistant  S  aureus  (VRSA)  strains  were  isolated  from 
patients in the United States.  

5.  Plasmid-mediated  resistance  to  tetracyclines,  erythromycins, 
aminoglycosides, and other drugs is frequent in staphylococci. 

6. "Tolerance" implies that staphylococci are inhibited by a drug but not 
killed by it . 

 

Antigenic Structure 

    Staphylococci  contain  antigenic  polysaccharides  and  proteins  as  well 
as  other  substances  important  in  cell  wall  structure.  Peptidoglycan  is 
important  in  the  pathogenesis  of  infection:  It  elicits  production  of 
interleukin-1  (endogenous  pyrogen)  and  opsonic  antibodies  by 
monocytes,  and  it  can  be  a  chemoattractant  for  polymorphonuclear 
leukocytes, have endotoxin-like activity, and activate complement. 

    Protein A is a cell wall component of many S aureus strains that binds 
to the Fc portion of IgG molecules except IgG3. protein A with attached 


background image

 

3

 

IgG  molecules  directed  against  a  specific  bacterial  antigen  will 
agglutinate bacteria that have that antigen ("coagglutination").  

    Some  S  aureus  strains  have  capsules,  which  inhibit  phagocytosis  by 
polymorphonuclear  leukocytes  unless  specific  antibodies  are  present. 
Most strains of S aureus have coagulase, or clumping factor, on the cell 
wall  surface;  coagulase  binds  nonenzymatically  to  fibrinogen,  yielding 
aggregation of the bacteria. 

Enzymes & Toxins 

    Staphylococci  can  produce  disease  both  through  their  ability  to 
multiply  and  spread  widely  in  tissues  and  through  their  production  of 
many extracellular substances.  

Catalase 

    Staphylococci  produce  catalase,  which  converts  hydrogen  peroxide 
into water and oxygen. The catalase test differentiates the staphylococci, 
which are positive, from the streptococci, which are negative. 

Coagulase and Clumping Factor 

    S  aureus  produces  coagulase,  an  enzyme-like  protein  that  clots 
oxalated  or  citrated  plasma.  Coagulase  binds  to  prothrombin;  together 
they  become  enzymatically  active  and  initiate  fibrin  polymerization. 
Coagulase  may  deposit  fibrin  on  the  surface  of  staphylococci,  perhaps 
altering  their  ingestion  by  phagocytic  cells  or  their  destruction  within 
such cells.  

    Clumping  factor  is  a  surface  S  aureus  compound  that  is  responsible 
for adherence of the organisms to fibrinogen and fibrin. 

 

Other Enzymes 

    Other enzymes produced by staphylococci include a hyaluronidase, or 
spreading  factor;  a  staphylokinase  resulting  in  fibrinolysis  but  acting 
much  more  slowly  than  streptokinase;  proteinases;  lipases;  and  β-
lactamase , DNase is an important in diagnosis of S. aureus

Exotoxins 

    The α-toxin is a heterogeneous protein that acts on a broad spectrum of 
eukaryotic  cell  membranes.  The  α-toxin  is  a  potent  hemolysin.  The  β-


background image

 

4

 

toxin  degrades  sphingomyelin  and  therefore  is  toxic  for  many  kinds  of 
cells, including human red blood cells. The  γ-toxin lyses red blood cells 
from humans and animals.  

Leukocidin 

    This  toxin  of  S  aureus  has  two  components.  It  can  kill  white  blood 
cells of humans and rabbits. 

Exfoliative Toxins 

    These epidermolytic toxins of S aureus are two distinct proteins of the 
same  molecular  weight.  Epidermolytic  toxin  A  is  a  chromosomal  gene 
product and is heat-stable (resists boiling for 20 minutes). Epidermolytic 
toxin  B  is  plasmid-mediated  and  heat-labile.  The  epidermolytic  toxins 
causes  the  staphylococcal  scalded  skin  syndrome.  The  toxins  are 
superantigens. 

Toxic Shock Syndrome Toxin 

    Most S aureus strains isolated from patients with toxic shock syndrome 
produce a toxin called  toxic shock syndrome toxin-1 (TSST-1). TSST-1 
is  the  prototypical  superantigen  .  TSST-1  binds  to  MHC  class  II 
molecules,  yielding  T  cell  stimulation,  which  promotes  the  protean 
manifestations of the toxic shock syndrome. The toxin is associated with 
fever,  shock,  and  multisystem  involvement,  including  a  desquamative 
skin rash.  

Enterotoxins 

    There are multiple (A–E, G–I, K–M) enterotoxins. Approximately 50% 
of S aureus strains can produce one or more of enterotoxins. Like TSST-
1, the enterotoxins are superantigens. The enterotoxins are heat-stable and 
resistant to the action of gut enzymes.  

Pathogenesis 

    Staphylococci, particularly  S  epidermidis,  are  members  of  the  normal 
flora of the human skin and respiratory and gastrointestinal tracts but can 
causes  diseases  in  immunecompromised  patients  such  as  bacteremia  . 
Nasal carriage of  S aureus occurs in 20–50% of humans. Staphylococci 
are  also  found  regularly  on  clothing,  bed  linens,  and  other  fomites  in 
human environments. 


background image

 

5

 

     Pathogenic,  invasive  S  aureus  produces  coagulase  and  tends  to 
produce  a  yellow  pigment  and  to  be  hemolytic.  Nonpathogenic, 
noninvasive staphylococci such as  S epidermidis are coagulase-negative 
and tend to be nonhemolytic. Such organisms rarely produce suppuration 
but may infect orthopedic or cardiovascular prostheses or cause disease in 
immunosuppressed  persons.  S  saprophyticus  is  typically  nonpigmented, 
novobiocin-resistant, and nonhemolytic; it causes urinary tract infections 
in young women. 

Pathology 

    The  prototype  of  a  staphylococcal  lesion  is  the  furuncle  or  other 
localized abscess. Groups of S aureus established in a hair follicle lead to 
tissue  necrosis  (dermonecrotic  factor).  Coagulase  is  produced  and 
coagulates fibrin around the lesion and within the lymphatics, resulting in 
formation  of  a  wall  that  limits  the  process  and  is  reinforced  by  the 
accumulation of inflammatory cells and fibrous tissue. Within the center 
of  the  lesion,  liquefaction  of  the  necrotic  tissue  occurs  (enhanced  by 
delayed hypersensitivity) . 

    Focal  suppuration  (abscess)  is  typical  of  staphylococcal  infection. 
From  any  one  focus,  organisms  may  spread  via  the  lymphatics  and 
bloodstream  to  other  parts  of  the  body.  Suppuration  within  veins, 
associated with  thrombosis, is a  common  feature of  such  dissemination. 
In  osteomyelitis,  the  primary  focus  of  S  aureus  growth  is  typically  in  a 
terminal  blood  vessel  of  the  metaphysis  of  a  long  bone,  leading  to 
necrosis  of  bone  and  chronic  suppuration.  S  aureus  may  cause 
pneumonia,  meningitis,  empyema,  endocarditis,  or  sepsis  with 
suppuration in any organ.  

    Staphylococci  also  cause  disease  through  the  elaboration  of  toxins, 
without apparent invasive infection. Bullous exfoliation, the scalded skin 
syndrome, is caused by the production of exfoliative toxins. Toxic shock 
syndrome is associated with toxic shock syndrome toxin-1 (TSST-1). 

Clinical Findings 

    A localized staphylococcal infection appears as a "pimple," hair follicle 
infection,  or  abscess.  There  is  usually  an  intense,  localized,  painful 
inflammatory  reaction  that  undergoes  central  suppuration  and  heals 
quickly when the pus is drained.  

    S  aureus  infection  can  also  result  from  direct  contamination  of  a 


background image

 

6

 

wound,  eg,  postoperative  staphylococcal  wound  infection  or  infection 
following trauma . 

    If  S  aureus  disseminates  and  bacteremia  ensues,  endocarditis,  acute 
hematogenous  osteomyelitis,  meningitis,  or  pulmonary  infection  can 
result.  The  clinical  presentations  resemble  those  seen  with  other 
bloodstream infections. Secondary localization within an organ or system 
is  accompanied  by  the  symptoms  and  signs  of  organ  dysfunction  and 
intense focal suppuration. 

    Food poisoning due to staphylococcal enterotoxin is characterized by a 
short  incubation  period  (1–8  hours);  violent  nausea,  vomiting,  and 
diarrhea; and rapid convalescence. There is no fever. 

    Toxic shock syndrome is manifested by an abrupt onset of high fever, 
vomiting,  diarrhea,  myalgias,  rash,  and  hypotension  with  cardiac  and 
renal failure in the most severe cases.  

Diagnostic Laboratory Tests 

Specimens 

    Surface swab, pus, blood, tracheal aspirate, or spinal fluid for culture, 
depending upon the localization of the process. 

Smears 

    Typical staphylococci are seen in stained smears of pus or sputum. It is 
not  possible  to  distinguish  saprophytic  (S  epidermidis)  from  pathogenic 
(S aureus) organisms on smears. 

Culture 

    Specimens cultivated on blood agar plates give rise to typical colonies 
in  18  hours  at  37  °C,  but  hemolysis  and  pigment  production  may  not 
occur  until  several  days  later  and  are  optimal  at  room  temperature.  
aureus
  but  not  other  staphylococci  ferment  mannitol.  Specimens 
contaminated  with  a  mixed  flora  can  be  cultured  on  media  containing 
7.5%  NaCl;  the  salt  inhibits  most  other  normal  flora  but  not  S  aureus
Mannitol  salt  agar  is  used  to  screen  for  nasal  carriers  of  S  aureus.  The 
isolates are 

catalase and coagulase 

positive when the members of S. 

aureus  ,  S.  intermedius  and  S.delphini  were  isolated.  All  isolates  of  S. 


background image

 

7

 

aureus give a positive results for DNase test.  

Serologic and Typing Tests 

     Serologic tests for diagnosis of S aureus infections have little practical 
value. 

    Molecular typing techniques have been used to document the spread of 
epidemic disease-producing clones of S aureus and PCR can be using in 
detection of MRSA and VRSA . 

Treatment 

    In the skin infections scrupulous local antisepsis is important to control 
recurrent  furunculosis.  Serious  multiple  skin  infections  (acne, 
furunculosis) occur most often in adolescents. Tetracyclines are used for 
long-term treatment. 

    Abscesses and other closed suppurating lesions are treated by drainage, 
which  is  essential, and  antimicrobial  therapy.  Many  antimicrobial  drugs 
have some effect against staphylococci in vitro.  

    Acute  hematogenous  osteomyelitis  responds  well  to  antimicrobial 
drugs.  In  chronic  and  recurrent  osteomyelitis,  surgical  drainage  and 
removal  of  dead  bone  is  accompanied  by  long-term  administration  of 
appropriate drugs. 

    Bacteremia, endocarditis, pneumonia, and  other  severe  infections  due 
to  S  aureus  require  prolonged  intravenous  therapy  with  a  β-lactamase-
resistant penicillin.  Vancomycin is often reserved for use with  nafcillin-
resistant staphylococci.  

    S  epidermidis  infections  are  difficult  to  cure  because  they  occur  in 
prosthetic  devices  where  the  bacteria  can  sequester  themselves  in  a 
biofilm. S epidermidis is more often resistant to antimicrobial drugs than 
is  S  aureus;  approximately  75%  of  S  epidermidis  strains  are  nafcillin-
resistant. 

Epidemiology & Control 

    Staphylococci  are  ubiquitous  human  parasites.  The  chief  sources  of 
infection  are  shedding  human  lesions,  fomites  contaminated  from  such 
lesions,  and  the  human  respiratory  tract  and  skin.  Contact  spread  of 
infection  has  assumed  added  importance  in  hospitals,  where  a  large 


background image

 

8

 

proportion of the staff and patients carry antibiotic-resistant staphylococci 
in  the  nose  or  on  the  skin.  Although  cleanliness,  hygiene,  and  aseptic 
management  of  lesions  can  control  the  spread  of  staphylococci  from 
lesions. 

    In  hospitals,  the  areas  at  highest  risk  for  severe  staphylococcal 
infections are the newborn nursery, intensive care units, operating rooms, 
and  cancer  chemotherapy  wards.  Massive  introduction  of  "epidemic" 
pathogenic S aureus into these areas may lead to serious clinical disease. 
Personnel  with  active  S  aureus  lesions  and  carriers  may  have  to  be 
excluded from these areas. In such individuals, the application of topical 
antiseptics  to  nasal  or  perineal  carriage  sites  may  diminish  shedding  of 
dangerous organisms.  

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 17 عضواً و 193 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