background image

 

Course: Medical Microbiology 

Lecturer: Dr. Weam Saad 

Subject: Introduction to Medical Microbiology 

Introduction to Medical Microbiology

 

What is microbiology? 

Microbiology is the study of Microorganisms (or microbes), microscopic or so 
small that they cannot be seen with the naked eye, inhabit every corner of the 
globe,  some  of  them  are  harmful  and  responsible  for  many  deadly  human 
diseases and others are useful which form the basis of many industrial processes 
and degraded dead bodies help in recycling of essential elements.  
 
Why is microbiology important? 
The  importance  of  microbiology  in  the  world  today  can  be  showed  by  the 
following list of some of the general areas in which Microbiology is involved: 

  Medicine 
  Environmental science 
  Food and drink production 
  Fundamental research 
  Agriculture 
  Pharmaceutical industry 
  Genetic engineering. 

 
Important Figures and dates in Microbiology Science: 

1.  Antoni  van  Leeuwenhoek  started  out  on  his  pioneering  very  simple 

microscope work in 1673. 

2.  The  Italian  Francesco  Redi  (1626–1697)  showed  in  an  experiment  that 

the  larvae  found  on  meat  arose  from  eggs  deposited  by  flies,  and  not 
spontaneously as a result of the decay process. 

3.  Edward  Jenner,  during  1796  discovered  a  method  of  smallpox 

vaccination  after  he  noted  that  dairy  workers  who  contracted  cowpox 
from milking infected cows were resistant to smallpox. 

4.  Louis Pasteur a French scientist (1822–1895), the most famous figure in 

the history of microbiology (father of Microbiology), he used his famous 


background image

 

swan-necked flasks to proof that contamination with dust lead to spoilage 
of broth (germ theory) and there is no spontaneous generation. He also 
used  attenuated  (weakened)  cultures  of  anthrax  and  rabies  to  vaccinate 
against those diseases and started the first steps in the science of serology.  
He  discovered  pasteurization  the  method  of  sterilization  food  mainly 
dairy products and as preservation method.  

5.  Joseph Lister is the father of antiseptic surgery, in 1867 he used carbolic 

acid for the first time to sterilize instruments during surgeries and reduced 
post-operative infections. 

6.  The  German  Robert  Koch.  In  1876  he  discovered  (Mycobacterium 

tuberculosis  was  the  causative  agent  of  tuberculosis,  which  at  the  time 
was responsible for around one in every seven human deaths in Europe 
using simple microscope.  

7.  Sir Alexander Fleming discovered  in 1928  the most common  used and 

the important antibiotic penicillin from the mold Penicillium notatum 

8.  Publication  of  Watson  and  Crick’s  structure  for  DNA  in  1953  was  an 

extraordinary achievement that changed the world ever after. 

9. 

 

Walter  Gilbert and Frederick  Sanger  developed  a  method  for  DNA 

sequencing  and  that  helped  in  production  of  recombinant  DNA  and 
produce synthetic Insulin in 1979 and first genetic engineered vaccine of 
Hepatitis B in 1986.   

 
Classification of Microorganisms: 

1.  Viruses and prions. 
2.  Bacteria and Archaebacteria. 
3.  Fungi, molds and yeasts. 
4.  Protozoa and helminthes. 

  

 
Why microorganisms are different? 

1. Some of them are cells like bacteria and protozoa (their bodies are cells) 

others are not cells like viruses and prions. 

2. Some of them are unicellular like bacteria, protozoa and molds. While others 

are multicellular like fungi. 


background image

 

3. Some of them are prokaryotes like bacteria and others are eukaryotes like 

protozoa. 

4. Some are able to live free in the environment and others are parasites of other 

organisms. 

5. Some of them are big microbes like fungi and other are very small microbes 

like viruses that cannot be seen only by using electron microscope. 

6. Some of them are easy to be cultivated in laboratories on media like Bacteria 

while others are intracellular parasites which can grow only inside living cells 
like viruses, hens need cell culture or tissue culture. 

 
 
What is Medical microbiology? 

The  study  of  Pathogenic  Microorganisms  that  cause  illness  to  human  also 
known as clinical microbiology. These illnesses are called infectious diseases 
and related to the public health of the populations. This science include studying 
of  the  characteristics  of  pathogenic  microbes,  modes  of  transmission,  portals 
for  entry,  virulence  factors,  pathogenicity,  immune  system  response, 
symptoms, diagnosis, laboratory tests, treatment, prevention, epidemiology and 
vaccination if found.  
 
The most important goals in studying medical microbiology: 

1.  Save humanity and improve public health. 
2.  Control  infectious  and  contagious  diseases  by  diagnosis  and  treatment 

and keep people safe and healthy. 

3.  Understand  infectious  diseases  etiology  to  avoid  outbreaks  and  put 

emergency management.  

4.  Prevention and stop spreading infectious diseases causative pathogens.   

 
 
 
 
Terms and Definitions: 

  Pathology,  branch  of  Biology,  refers  to  the  study  of  diseases  and  the 

abnormalities or

 alterations induced by an infection either in structure or 

in function causing the clinical

 manifestations to appear. 


background image

 

   Pathogenesis,  the  events  of  disease  development  producing  the 

pathology. 

   Pathogenic microorganism is a microbe that can cause pathology. 
   Disease refers to the existence of pathology, either infectious (resultant 

from  a  pathogenic  infection  like  Cholera),  or  non-infectious  disease 
(resultant from physiological defect like Diabetes). 

  Infection  is  the  damage  resultant  after  successful  invasion  due  to 

adhesion and colonization of pathogenic microbe which is not necessary 
to ends with infectious disease. 

   Infectious disease is a disease caused by a pathogenic microorganism 

due to its virulence factors. 

  Contagious disease is a type of infectious diseases that transmits from 

infected person to the healthy without need for carrier or vector or special 
mode of transmission like blood transfusion. 

   Virulence  is  a  term  referring  to  the  abilities of  a  microbe  to  produce 

disease  in  a  host,  like  presence  of  capsule  or  production  of  toxins  and 
enzymes. 

    Immunity  refers  to  the  degree  of  resistance  of  the  host  agains  the 

invading microbe.  

  Etiology refers to the study of disease occurrence, causes, development, 

modes of transmission

 and prevention.  

   The  host-parasite  interaction,  the  dynamic  process  of  infectious 

diseases  occurrence  when  the  parasite  tries  to  multiply  and  the  host 
defenses try to control. 

  Epidemiology is the study of diseases and public health conditions in a 

defined population and usually needs statistical analysis. 

  Outbreak is the occurrence of infectious disease in excess of what would 

normally  be  expected  in  a  defined  community,  geographical  area  or 
season. An outbreak may occur in a restricted geographical area, or may 
extend over several countries. It may last for a few days or weeks, or for 
several years. 

  Pandemic  is  a  global  disease  outbreak  spread  across  a  large  region 

(epidemic occurrence in multiple countries). 


background image

 

  Endemic

 

is  a  disease  that  is  always  present  in  a  certain  population  or 

region (regular with continuing occurrence).   

  Epidemic is an infectious disease that continuously present in a specific 

area or geographic location an infectious disease attacks many peoples at 
the same time and may spread through one or several communities in a 
short period. 

  Sporadic is a disease that has occasional occurrence. 

 
 Epidemiology: Chain of Infection 
Infectious diseases result from the interaction of agent, host, and environment, 
transmission occurs when the agent leaves its reservoir or host through a portal 
of exit, by some mode of transmission, and enters through an appropriate portal 
of entry to infect a susceptible host. This sequence is sometimes called the chain 
of infection. 
 

 

Chain of Infection 

 
 
Source of Agents 
Source of infectious agent means where the pathogenic microorganisms came 
from, include two sources: 

a) Endogenous  source:  when  the  microbe  is  normally  found  in 

human  body  and  form  an  infection  due  to  suppression  of  the 


background image

 

immune  system  or  using  antibiotics  for  long  time  that  will 
imbalance the normal flora like diarrhea caused by E.coli

b) Exogenous source: pathogenic microbes came from outside human 

body  and  include:  patient  or  carrier  people  like  Typhoid 
(Salmonella  typhi),  animals  in  zoonosis  diseases  like  Malta  fever 
(Brucells sp.) and soil like Tetanus (Clostridium tetanus)

 
 
Reservoir  
The reservoir of an infectious agent is the habitat in which the agent normally 
lives,  grows,  and  multiplies  then  may  be  transferred  to  a  susceptible  host, 
(simply, where can I found pathogenic microbes?). Reservoirs include; humans, 
animals,  and  the  environment.  For  example,  the  reservoir  of  Clostridium 
botulinum
  is  soil,  but  the  source  of  most  botulism  infections  is  improperly 
canned food containing C. botulinum spores. 
 

1.  Human  reservoirs.  Patients  are  common  reservoirs  of  infectious 

diseases.  Some  human  reservoirs  may  or  may  not  show  the  effects  of 
illness, which is called a  carrier: is  a  person with inapparent infection 
who is capable of transmitting the pathogen to others. Carriers can be: 

a)  Healthy  carriers  or  Asymptomatic  or  passive:  are  those  who  never 

experience symptoms despite being infected; like in the case of gonorrhea 
caused by Neisseria gonorrhea, Typhoid caused by Salmonella typhi and 
Cholera caused by Vibrio cholera. This type of carriers is considered as 
the most dangerous type. 

b)  Incubatory carriers are those who can transmit the agent during the 

incubation period before clinical illness begins; like in the case of 
Pertussis.  

c)  Convalescent carriers are those who have recovered from their illness 

but remain capable of transmitting to others; like in the case of Typhoid 
and Diphtheria caused by Corynebacterium diphtheria.  

d)  Chronic carriers are those who continue to harbor a pathogen such as 

hepatitis B virus or Salmonella Typhi, the causative agent of typhoid 
fever. 

 


background image

 

Note: Carriers commonly transmit disease because they do not realize they are 
infected, and consequently take no special precautions to prevent transmission. 
While symptomatic persons (patients) who are aware of their illness. 
 

2.  Animal reservoirs. The term zoonosis refers to an infectious disease that 

is  transmissible  under  natural  conditions  from  vertebrate  animals  to 
humans. Zoonotic diseases include brucellosis (cows and pigs), anthrax 
(sheep),  plague  (rodents),  trichinellosis/trichinosis  (swine),  tularemia 
(rabbits), and rabies (bats, raccoons, dogs, and other mammals).  
 

3.  Environmental reservoirs. Plants, soil, and water in the environment are 

also reservoirs for some infectious agents. Many fungal infections, such 
histoplasmosis, their microbes live and multiply in the soil. Outbreaks of 
Legionnaires disease are often related to water supplies in cooling towers 
and  evaporative  condensers,  reservoirs  for  the  causative  organism 
Legionella pneumophila

 
Portal of exit 
Portal of exit is the path by which a pathogen leaves its host. The portal of exit 
usually  related  to  the  site  where  the  pathogen  is  localized.  For  example, 
influenza viruses and Mycobacterium tuberculosis exit via the respiratory tract, 
schistosomes  through  urine,  cholera  vibrios  in  feces,  Sarcoptes  scabiei  in 
scabies skin lesions, and enterovirus 70, a cause of hemorrhagic conjunctivitis, 
in  conjunctival  secretions.  Some  bloodborne  agents  can  exit  by  crossing  the 
placenta from mother to fetus (rubella, syphilis, toxoplasmosis), while others 
exit  through  cuts  or  needles  in  the  skin  (hepatitis  B)  or  blood-sucking 
arthropods (malaria). 

Modes of transmission 
An infectious microbe or agent may be transmitted from its natural reservoir to 
a susceptible host in different ways: 
 

1.  Direct modes: 


background image

 

A.  Contact  mode;  occurs  through  skin-to-skin  contact,  kissing,  and 

sexual  intercourse.  Direct  contact  also  refers  to  contact  with  soil  or 
vegetation harboring infectious organisms. Gonorrhea is an example. 

B. Droplet spread mode refers to spray with relatively large, short-range 

aerosols  produced  by  sneezing,  coughing,  or  even  talking.  Droplet 
spread is classified as direct because transmission is by direct spray 
over a few feet, before the droplets fall to the ground. Pertussis and 
meningococcal infection are examples of diseases transmitted from an 
infectious patient to a susceptible host by droplet spread. 

 

2.  Indirect modes of transmission  

Refers  to  the  transfer  of  an  infectious  agent  from  a  reservoir  to  a  host  by 
suspended air particles, objects (vehicles), or vectors. 

A. Airborne  transmission  occurs  when  infectious  agents  are  carried  by 

dust or droplet nuclei suspended in air. Airborne dust includes material 
that has settled on surfaces and become re-suspended by air currents 
as well as infectious particles blown from the soil by the wind. Droplet 
nuclei  are  dried  residue  of  less  than  5  microns  in  size.  Measles,  for 
example, has occurred in children who came into a physician’s office 
after a child with measles had left, because the measles virus remained 
suspended in the air.

 

 

B. Vehicles that may indirectly transmit an infectious agent include food, 

water,  biologic  products  (blood),  and  fomites  (e.g.  handkerchiefs, 
bedding, or surgical scalpels).  

C. Vectors or carrier such as mosquitoes, fleas, and ticks may carry  an 

infectious agent either mechanical means or biological means. 
  

3.  Multiple mode of transmission: when the pathogen is able to use more 

than one mode of transmission like HIV virus that cause AIDS. 

 
Portal of entry 
The portal of entry refers to the manner in which a pathogen enters a susceptible 
host.  The  portal  of  entry  must  provide  access  to  target  tissues  in  which  the 
pathogen can  attach,  multiply or  their toxins can act. Some infectious agents 


background image

 

use the same portal to enter a new host that they used to exit the source host. 
For example, influenza virus exits the respiratory tract of the source host and 
enters  the  respiratory  tract  of  the  new host.  In  contrast,  many  pathogens  that 
cause  gastroenteritis  usually  called  (fecal-oral)  route  because  they  exit  the 
source host in feces  and enter a new host through the mouth. Human portals 
include:  

1.  Mouth; Ingestion; by contaminated food or drinks with foodborne 

or waterborne microbes, e.g. all gastrointestinal GTI infections. 

2.  Nose;  Inhalation;  by  ventilation  of  contaminated  air  with 

pathogenic airborne microbes e.g. TB, Influenza and measles.   

3.  Mucous  membranes,  adhesion  e.g.  Hemorrhagic  Enteritis  of   

E.coli. and syphilis. 

4.  Contact; either direct contact; inoculation; occur by scratch skin or 

trauma,  e.g.  pox  virus  and  MRSA  Staphylococcus  aureus.Or  by 
indirect contact via the vectors: 
A.  Biological  vectors  when  the  vector  transmit  pathogenic 

microbe while the microbe complete its life cycle inside vector, 
e.g. the causative agent of malaria undergoes maturation in the 
intermediate  host  (mosquito)  before  it  can  be  transmitted  to 
humans. 

B. Mechanical vectors when the insects or other animals transmit 

microbes  by  contact  like  transmission  of  Escherichia  coli  and 
Shigella sp. by fly and fleas carrying Yersinia pestis. Here the 
presence of Mechanical vectors is not of important for parasite 
transmission and it can spread by another mode.   

5.  Anal Transmission, rectal, via entering anus, e.g. Enterobius sp. 
6.  Vaginal  Transmission,  venereal  diseases  or  VD,  STDs,  via 

entering  Urogenital  Tract  (UGT)  or  vagina,  e.g.  Neisseria 
gonorrhea and Trichomonas vaginalis.
 

7.  Placental and colostral Transmission, e.g. AIDS, brucellosis and 

Toxoplasma gondii. 

8.  Blood,  during  blood  transfusion  process  e.g.  hepatitis  B,  human 

immunodeficiency virus AIDS. 

 

Host 
The final link in the chain of infection is a susceptible host. Susceptibility of a 
host depends on: 


background image

10 

 

A. The genetic factors. An individual’s genetics may either increase or 

decrease susceptibility. For example, persons with sickle cell anemia 
are partially protected from a type of malaria. 

B. Nonspecific  factors  that  affect  an  individual’s  ability  to  resist 

infection  or  to  limit  pathogenicity  of  microbes.  Nonspecific  factors 
(Innate  Immunity)  that  defend  against  infection  include  the  skin, 
mucous membranes, gastric acidity, cilia in the respiratory tract, the 
cough  reflex,  and  other  nonspecific  immune  response.  Factors  that 
may  increase  susceptibility  to  infection  by  disrupting  host  defenses 
include malnutrition, alcoholism, and disease or therapy that impairs 
the nonspecific immune response. 

C. Specific  Immunity.  Refers  to  protective  antibodies that  are  directed 

against a specific microbe. These specific antibodies may develop in 
response  to  infection,  vaccine,  or  toxoid  or  may  be  acquired  by 
transplacental  transfer  from  mother  to  fetus  or  by  injection  of 
antitoxin or immune globulin. 
 

Control strategies of Infectious Diseases: 
Knowledge of the portals of exit and entry and modes of transmission provides 
the bases for determining appropriate control measures. Control measures are 
directed at the following levels: 
 

1.  At the level of infectious agent source (reservoir)  

Refers to the treatment of infected patients with antibiotics and other therapies 
to eliminate the  infection,  soil may be  decontaminated or  covered to prevent 
escape of the agent.  

2.   At the level of mode of transmission. 

This  level  includes  many  strategies  depending  on  the  pathogenic  microbes’ 
mode  of  transmission.  In  general;  control  the  direct  transmission  may  be 
accomplished by isolation of infected patients. Vehicle borne transmission may 
be  stopped  by  decontamination  of  the  vehicle.  To  prevent  fecal-oral 
transmission, efforts focus on improve hygiene and handwashing. For airborne 
diseases, strategies may be directed at modifying ventilation and filtering the 
air. In the case of vector borne transmission, measures may be directed toward 


background image

11 

 

controlling  the  vector  population,  such  as  spraying  to  reduce  the  mosquito 
population. 

3.  At the level of entry portals 

Some  strategies  that  protect  portals  of  entry  are  simple  and  effective.  For 
example,  bed  nets  are  used  to  protect  sleeping  persons  from  being  bitten  by 
mosquitoes that may transmit malaria. Wearing personal protecting Equipment 
PPE is an important issue for workers in medical field, e.g. a dentist’s mask and 
gloves  are  used  to  protect  the  dentist  from  a  patient’s  blood,  secretions,  and 
droplets, as well to protect the patient from the dentist.   

4.  At the level of host 

Control via increase the host’s defenses. Vaccinations promote development of 
specific antibodies that protect against infection e.g. DPT and BCG vaccines. 
On  the  other  hand,  prophylactic  medications  usually  used  when  visiting 
endemic  area  with  certain  infectious  diseases  e.g.  use  of  antimalarial  drugs, 
recommended for visitors to malaria-endemic areas. 
 
 
 
 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Dr Weam Al-Hmadany
المشاهدات: لقد قام عضوان و 230 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