مواضيع المحاضرة: Clostridium perfingenus, Clostridium botulinum, Clostridium tetanI and Clostridium difficile
background image

 

True bacteria – Rods - Gram  positive rods 

Non-spore forming bacteria  

Anaerobic Rods-Clostridia 

 

 Clinically significant spps of Clostridia include:  

1)  C.  perfringens  which  cause  histotoxic  (soft  tissue  and  skin  destructive) 

infections (myonecrosis) and food poisoning.  

2)  C. tetani which causes tetanus. 
3)C. botulinum which causes botulism. 
4)C.difficile  which  causes  pseudomembranous  colitis  associated  with  antibiotic 
use.  
 

  General features of Clostridia 

   Physiology 

C.    use  a  variety  of  small  organic  molecules  as  pyruvate  as  the  final  electron 

acceptors.   

In vegetative state, C. are also damaged by O

2

 . C. grow on enriched media in 

the presence of a reducing agent such as cysteine or thioglycollate or in an O

2

-free, 

gaseous atmosphere provided by sealed jar or an air evacuated glove box … etc. 
   Epidemiology 

C.  is  a  part  of  the  vagina  and  intestinal  flora  in  humans  and  other  mammals,   

found  in  soil,  sewage,  and  aquatic  settings,  particularly  those  with  high  organic 
content. A number of C. produce destructive and invasive infections when introduced 
into  tissues,by  a  break  in  the  skin  resulting  from  surgery  or  trauma,and  presence 
infectious processes is opportunistic and derives from the patient’s normal flora. 

  


background image

 

  

 

Clostridium perfringens 

 

It  is  found  in  soil  and    the  vegetative  form  as  part  of  the  normal  flora  of  the 

vagina,  gastrointestinal  (GI)  tract.  When  introduced  into  tissue,  its  can  cause 
anaerobic cellulitis, and myonecrosis (gas gangrene). Some strains of C. perfringens 
cause a common form of food poising.  


background image

 

 

Pathogenesis 

C.  perfringens  secretes  a  variety  of  exotoxins 

enterotoxin,  and  hydrolytic  Es  that  facilitate  the 
disease process (figure 2).  
1-Exotoxins: C. elaborates at least twelve exotoxins 
designated  by  Greek  letters  (

  - 

  -  epsilon    عand 

iota)  .  The  most  important  of  these    required  for 
virulence  in  tissue  is  α-toxin, which  is  a lecithinase 
(phospholipase  C)  that  degrades  lecithin  in 
mammalian  cell  membrances  causing  lysis  of 
endothelial  cells,  erythrocytes,  leukocytes  and 
platelets.  Other  C.  perfringens  extotoxins  have 
hemolytic  or  other  cytotoxic  and  necrotic  effects 
either locally or when dispersed in the blood stream.  

C. perfringens strains are grouped A 

 E 

 F 

on the basis of their spectrum of exotoxins.  Type  A 
strains
,  produce  both  α-toxin  and  enterotoxin,  are 
responsible  for  most  human  clostridial  infections  as  
gas-gangerene  ,also  show  lecithinase  activity,that 
gives  positive  Nagler’s  Reaction(This  test  is  useful 
in  rapid  detection  of  C.    perfringens  in  clinical 
specimen    and  is  inhibited  by 

-toxin  –  antitoxin 

sera).  

 

2-  Enterotoxin:  acts  in  the  lower  portion  of  the 
small  intestine.  The  molecule  binds  to  receptors  on 
the  epithelial  cell  surface  and  alters  the  cell 
membrane,  disrupting  ion  transport  (in  the  ileum) 
leading loss of fluid and intracellular proteins.  
    Enterotoxin  (ET)  –  producing  strains  are 
unusually heat resistant, the spores remaining viable 
for  longer  than  an  hour  at  100

C  enhancing  their 

threat as food-borne pathogens.  
 
3-Degradative enzymes:  a variety of hydrolytic Es 
including:  DNases,  hyaluronidase  and  collagenases 
which  liquefy  tissue  and  promote  the  spread  of 
infection. 
 


background image

 

Eidemiology  

       

Transmission

 

by  contaminated  food  ,contamination  with  infected  soil  , 

contaminated  instruments,  severe  and  open  wounds  ,traumatic  injuries,  bowel 
obstructions, bowel surgery and reduced blood supply to given tissue.  

 
Clinical significance 

The disease processes initiated by C.  perfringens result from a combination of 

infection + the production of exotoxins and/or enterotoxins + degradative enzymes.  
1- Myonecrosis (gas gangrene) 

C. spores are introduced into tissue by exogenous (contamination with infected 

soil)  or  by  endogenous  (transfer  from  the  intestinal  tract)  or    by  severe  and  open 
wounds (such as compound fractures and other ischemia – producing injuries like car 
accidents) are a prime predisposing condition. 

 

-toxin and other exotoxins are secreted and extensive cell killing happened. 

Production  of  Es  facilitates  the  spread  of  infection.  Fermentation  of  tissue 
carbohydrates  yield  gas  and  an  accumulation  of  gas  bubbles  in  the  subcutaneous 
spaces  produces  a  crinkling  sensation  on  palpation,  hence  the  name  gas  gangrene.     
The exudates are foul smelling. As the disease progresses, the exotoxins being carried 
by the circulation from damaged tissue to other organs  such as shock, renal failure 
and  intravascular  hemolysis,  if  untreated  is  fatal  within  days  of  the  initiation  of 
gangrene.  
2- Anaerobic cellulitis 

Infection  of  connective  tissue,  along  fascial  planes  does  not  involve  muscle 

tissue. Surgical intervention is unsuccessful, because of the rapid spread of infection.  
3- Food poising  

Nausea,  abdominal  cramp,  diarrhea  occurs  9  -  19  hours  after  eating 

contaminated food with C.  perfringens. Fever is absent and vomiting rare. A typical 
episode  of  C.  enterotoxin  food  poisoning  involves  →bad  cooking  that  fails  to 
inactivate  spores  →  holding  the  food  for  several  hours  under  conditions  ,  allow 
bacterial germination  several cycles of growth. 
4- Enteritis necroticans 

Necrotizing bowel disease with high mortality greater than 50% caused by it   

5- Clostridial endometritis  

Is  a  complicated  of  incomplete  abortion  or  the  use  of  contaminated 

instruments.  Gangrenous  infection  of  uterine  tissue  is  followed  by  toxemia  and 
bacteremia. 

 
 
 
 


background image

 

Diagnostic laboratory tests 

Diagnosis  of    C.  myonecrosis  or  cellulitis  rests  on  clinical  impression. 

Increasing pain at the site of prior injury or surgery, together with signs of systemic 
toxicity and gas in the soft tissue, support the diagnosis of gas-gangrene.  

Specimens = are collected from :  

1-  Muscles at the edge of affected area.  
2-  Exudate from area where infection appears more active. 
3-  Necrotic tissue and muscle fragment. 
4-  Suspected food and patient’s feces in food poisoning,.  

Microscopic  examination  =  G

+

  rods  ,  large,  ,  capsulated,  nonmotile.The 

spores are oval , central or subterminal  and  not-bulging.  

Macroscopic  examination  =    cultured    anaerobically  on  blood  agar  →  grows 

rapidly producing colonies with a unique double zone of hemolysis. Also cultured in 
cooked meat media  → carbohydrate fermentation as red broth. 

Biochemical  reaction  =  Nagler’s  Reaction  +  (  the  B.  are  cultured  on  plates 

containing 20% human serum, or egg yolk, produces opalescence in media due to LE 
activity  of 

-toxin,  which  splits  lipoproteins  and  librates  lipids  deposit  around  the 

colony to give opalescence). Catalase  - , gelatin  + .  

Animal  pathogenicity  =  by  injection  of  guinea  pig,  swelling  of  injected  limb 

appeared  due  to  gas  formation,  muscles  becomes  pink.  B.  can  recover  from  heart  , 
spleen, liver and death occurs (24-48hr). 

 

 Treatment and Prevention

 

The key to both prevention and treatment of gas gangrene is  
1- immediate  removal of  foreign material 
2- removal dead tissue  
3-exposure of the wound to O

2

.  

4-Amputation of limb is required in many cases of gas-gangrene. 
5-The  administration  of  antibiotics  in  high  dose,  like  penicillin  and   

tetracyclines (see figure 1).

 

Prevention  of  food poisoning by good cooking and good holding the food . 

     Prevention    of    clostridial  endometritis    by  avoid    useing  of  contaminated 
instruments in delivery section  .

 

 
 
 
 
 
 


background image

 

Clostridium botulinum 

C.  botulinum  causes  botulism  ,  which  caused  by  the  action  of  a  neurotoxin, 

causes a paralysis. 

  

Epidemiology  

C.  botulinum  is  found  in  soil  and  aquatic  sediments,  and  the  spores 

contaminate  vegetables  and  meat  or  fish.The  spore  germinates  →    vegetative  form, 
produced  →  toxin  elaborated  in  food →out breaks occur in  families or other eating 
groups. 

  

Pathogenesis 

There  are  several  types  of  botulinum  toxin,  designated  A 

  G,  but  human 

disease  is  almost  caused  by  types  A,  B,  or  E.  The  botulinum  serotypes  and  tetanus 
toxin  constitute  a  homologous  set  of  proteins  whose  neurotoxicity  arise  from 
proteolytic cleavage of specific synaptic vesicle peptides, causing subsequent failure 
of  neurotransmission.  In  contrast  to  tetanus  toxin  (which  causes  constant 
contraction,  spasms),  botulinum  toxins  blocking  the  neuromuscular  junction  and 
inhibiting  release  of  the  neurotransmitter,  acetylcholine,  preventing  contraction  and 
causing  paralysis (Figure 3).  

 
 

 

 
 
 


background image

 

 
Clinical Significance

 

  1- Classic botulism 

Is a food poisoning in which a patient first begins to experience difficulties in 

focusing  vision,  swallowing  and  other  cranial  nerve  functions,  12-36  hs  after 
ingesting  toxin  containing  food  but  not  necessarily  viable  organisms.  There  is  no 
fever  or  sign  of  sepsis.  A  progressive  paralysis  of  striated  muscle  groups  develops 
and  mortality  is  about  15  %,    reach  to  respiratory  paralysis.Toxin  absorbed  from 
small intestine 

 blood 

 peripheral nerves 

 2- Infant  botulism or floppy  baby  syndrome 

Any supplements, such as honey contaminated with  C. botulinum spores may 

transmit the C. colonizes to the large bowel of infants 3 - 24 weeks of age, the toxin 
produced  is  slowly  absorbed.  Constipation,  feeding  problems,  lethargy  and  poor 
muscle  tone  are  common  early  signs,  lead  to  sudden  infant  death  syndrome,  but 
recovery is the usual outcome following prolonged treatment .  
 3- Wound botulism 

A  rare  form  occurs    when    a  wound  becomes  contaminated  with  the  C.  and 

toxin  is absorbed  from that site.  

 

Diagnostic laboratory tests 

Microscopic examination = G

+

 rods, large,  noncapsulated, motile. The spores 

are oval ,central or subterminal and bulging.  

Macroscopic  examination  =  identified  by  standard  anaerobic  methods.  In 

cooked meat broth → protolytic as black broth. 

Biochemical reaction = Nagler’s Reaction - , Catalase  - , gelatin  + .  
Animal  pathogenicity  =  With  standard  animal  pathogenicity  method  ,toxin  is 

also identifiable in serum, stool, and  food . 

 

 

Treatment and Prevention 

Antitoxin( which neutralizes unbound botulinum toxin) should be administered 

as  soon  as  possible.  A  trivalent  (A,  B,  E)  horse  antiserum  is  available  from  the 
Centers  for  Disease  Control  (CDC),  and  mechanical  ventilation  may  be  required.       
In wound botulism , the infection can be treated with penicillin or other antibiotics.   
       Prevention  by  inactivated  toxin  at  boiling  temperature(100

C)  for  20  mints, 

although  killing of  botulinal spores requires autoclaving.

 

 
 
 
 


background image

 

Clostridium tetani 

The introduction of C. tetani spores into small wounds and contaminated soil is 

probably  a  common  occurrence. But  a  combination  of the  extreme  O

2

  sensitivity  of 

vegetative  C. tetani + immunization against its exotoxin, make the resulting disease 
tentanus rare in developed countries. 

 In  U.S.  the  disease  is  seen  in  older  individuals  who  have  not  received  their 

immunization regularly and whose immunity has waned. 

 

Epidemiology 

       C.  tetani  spores  are  common  in  garden,  barnyard  and 
manures and the infection done by:  1-puncture wound , 
 2- severe burns ,        3- surgery,                 4-injection of drugs 
often  contain  spores.  Introduced  foreign  bodies  or  small  areas 
of cell killing create the spores to germinate and grow. 

 

 
Pathogenesis 

Tetanus  toxin, called  tetanospasmin, is transported  from 

an infected locus by neuronal flow or blood,consist of 2 chains 
held  together  by  a  disulfide  bond.  The  heavy  fragment  (B): 
binding  to  neurons  and  cell  penetration  of  the  light  fragment 
(A).  The  (A)  fragment:  blocks  neurotransmitter  release  at 
inhibitory  synapses  and  causes  severe  prolonged  muscle 
spasms (Figure 4). 

  

Clinical Significance 

1-Tetanus:    an  incubation  period  varying  from  4-10  days  to 
several weeks.  A shorter period is associated with more severe 
disease  and  wounds  closer  to  the  brain  .Tetanus  presents  as  a 
spastic paralysis, in which 

(1) muscle spasms often  involve the site of infection. 
(2)  the  jaw  muscles  are  affected,  so  that  the  mouth 

cannot open (“lock jaw”) 

(3) gradually, other  muscles become  involved and any external stimulus (e.g. 

noise or bright light) precipitates a painful spasm and convulsions 

(4) paralysis of chest muscles leading to respiratory failure, in young children 

and olderly persons then death occurs in 15-60 % of cases 

(5)in some cases, the spasm may be powerful and cause bones to break. 

2-Umbilical tetanus: is of the umbilical cord of the infants born at home and treated 
with unsterile instruments. Small amount of toxin is able to cause the disease because 
it’s potent. 


background image

 

 

Antigenic structure 

Ten  types  of  Cl.  tetani    are  differentiated  by  the  “flagellar  antigen”,  but  they 

share the same "somatic antigen".  Cl. tetani produces 3 types of toxins: 

1-Hemolysin  (Tetanolysis)  is  heat-labile  and  O

2

  –  labile,  and  is  active  against 

R.B.Cs of animals 
2-Neutrotoxin (Tetanospasmin) is heat-labile  and O

2

 – stable, can get toxoided 

in presence of low concentration of formaldehyde. It’s antigenic and neutralized 
by antitoxin.  
3-Non-spasmogenic peripherally active neurotoxin. 
  

Diagnostic laboratory tests 

Diagnosis  based  largely  on  clinical  findings  because  treatment  must  be 

initiated immediately  .  

Microscopic  examination  =,  G

+

  rod,  large  long  slender  rod,  noncapsulated, 

motile.The spore is spherical terminal bulging  as dram stick appearance .  
          Macroscopic  examination  =  diagnosis  by  culture  is  more  dependable.  In 
cooked  meat  broth  →    slightly  proteolytic  as  black  broth  .  On  blood  agar  →  
swarming growth 

 - hemolysin which later develops into 

 - hemolysin . 

         Biochemical  reactions =  indole + , catalase - , gelatin + 
        Animal  pathogenicity  :  Mouses  are  used.  Symptoms  appear  in  12  –  24  hours 
then the animal dies with 2 days. 
  

Treatment 

Treatment must be initiated immediately  . 

  

  1-administration of antitoxin(to neutralize any toxin in blood). 
  2-Treatment with human hyperimmune  globulin (tetanus immune  ) is preferred or 
horse  antitoxin  is  used,  as  toxoid  to  gives  active  immunization  by  stimulating  the 
antitoxins in the body. 
  3- give penicillin or tetracycline,large doses. 
  4-Remove dead tissue or foreign bodies from wounds is necessary and maintenance 
of ventilation. 
  5-Antispasmatic drugs should be used in case of muscle spasm. 

 

 
Prevention 

  1-  Active  immunization  with  tetanus  toxiod  ,administered    a  triple  vaccine  (DPT)   
begin with infant 1-3 month old 3 doses/ weekly 

 1-4 years later. 

  2-  immunizations  with  diphtheria  +  tetanus    toxoids(Td)  given  every  10  years 
throughout life are recommended( Ab levels gradually decline in older individuals, so 
they lose protection). 


background image

 

10 

  3-Tetanus  immunoglobulin  (with  human  antitoxin)  can  be  used  to  give  immediate 
passive immunity to injury victims with no history of immunization. 
  4-Antitoxin  +  toxoid,  administered  in  different  areas  of  the  body,  can  be  given 
simultaneously. 
  5- Spores can be killed by autoclaving at 121

C for 20 min, 1% iodine solution and 

H

2

O

2

 kill spores within few minutes. 

  6-Neonatal  umbilical  cord  tetanus  can  be  prevented  by  activity  immunization 
pregnant females who have no  previous immunization and the newborne  infant will 
then  have  natural  passive  immunity  at  time  of  birth  to  reduce  the  chance  of 
developing umbilical tetanus. 

  

Clostridium difficile 

Diarrhea,  a  common  complication  of  antimicrobial  drug  treatment,  can  range 

from loose stools to  Pseudo Membranous Colitis (PMC) (Figure 1).    C. difficile is 
responsible  for  about  one  fourth  of  antibiotic    associated  diarrheas  (AAD)  in 
hospitalized  patients  and  all  cases  of    PMC.  After  its  introduction  to  a  site  the 
environment 

 dust + bedding + toilets – becomes contaminated with spores which 

are  easily  colonized  and  are  a  higher  risk  for  developing  the  intestinal  effect  of 
antibiotic treatments 

  

Pathogenesis  

C. difficile is a minor component of the normal flora of the large intestine,but 

when  antimicrobial  treatment  suppresses  spps  in  this  community,  C.  difficile 
proliferates. 

Pathogenic  strains  produce  2  toxic  =  Toxin  A  is  an  enterotoxin  that  causes 

excessive  fluid  secretion,  but  also  (cytotoxic  activity)  stimulates  an  inflammatory 
response  and has  some  cytopathic  effect in tissue  culture. Toxin  B  is  a  cytotoxin in 
tissue  culture,  it  disrupts  protein  synthesis  and  causes  disorganization  of  the 
cytoskeleton.  

 

Clinical Significance 

All antimicrobial drugs have been reported as predisposing to clostridial AAD 

and  colitis  (Figure5)  and  the  most  commonly  implicated  are  clindamycin, 
amoxicillin, ampicillin, and the cephalosporins. 

 The severity of disease varies from mild diarrhea +  inflammation of the large 

intestine  +  PMC.  The  pseudomembranous  exudate,  composed  of  mucus,  fibrin, 
inflammatory  cells  and  cell  debris  overlying  an  ulcerated  epithelium,  is  best 
demonstrated by endoscopy. 

 
 


background image

 

11 

Laboratory Identification 

Specimens = watery or bloody stools. 
Microscopic  examination  =    G+  rods,  large  blunt  ended,noncapsulated  motile 

with spherical subterminal notbulging spores. 

 Macroscopic examination = identified by routine anaerobic procedures.  
Serology  tests=  ELISA  test  for  exotoxins  A  and  B  have  largely  replaced   

cytotoxicity assays( immunologic tissue culture).  

 

Treatment 

   1-Discontinuance of the predisposing drug.  
   2-fluid replacement. 
   3-Oral administration of metronidazole  or vancomycin is added.  

 


background image

 

12 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Dunya Isam
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 160 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