مواضيع المحاضرة: Bacterial virulence factors, modes of transmission, portal of entry and other epidemiological subjects
background image

 

Course: Medical Microbiology 

Lecturer: Dr. Weam Saad 

Subject:  Medical Bacteriology  

 

Bacterial Pathogenesis 

  Pathogen is a microorganism that is able to produce pathology. 
  Pathogenicity is the ability of a microorganism to cause disease in the 

host for the pathogen, pathogenicity is a manifestation of a host- parasite 
interaction.  

  Obligate pathogenic bacteria: bacteria that live only in host and cause 

diseases.  

  Opportunistic Pathogens Bacteria which cause a disease in the immune-

compromised such as normal flora; Staphylococcus aureus and E. coli can 
cause an opportunistic infection. 

  Determinants  of  Virulence:  the  weapons  or  characteristics  that 

pathogenic  bacteria  utilize  to  produce  disease,  e.g.  toxins,  capsules, 
enzymes …etc. 

Pathogenic Bacteria Virulence Factors 

1.  Bacterial Adherence and Colonization Factors (Surface Antigens): 

Bacterial adherence to portal of entry like: Mucosal Surfaces or attachment 
to a eukaryotic cell or tissue surface requires two factors: a receptor and an 
adhesin. The receptors are specific carbohydrate or peptide residues on the 
eukaryotic  cell  surface  (A  complementary  molecular  binding  site  on  a 
surface  that  binds  specific  adhesins).  The  bacterial  adhesin  is  typically  a 
component  of  the  bacterial  cell  surface  which  interacts  with  the  host  cell 
receptor.  

Some  adhesins  are  able  to  act  as  antigens  and  induce  specific  immune 
response against them. And some are used during infections diagnosis like 
flagellar  H Ag of Salmonella typhi. The following table contains the types 


background image

 

of  adherence  factors  are  used  by  pathogenic  bacteria  for  adherence  to 
surfaces or tissues: 

Adherence Factor 

Role associated with virulence   

1.  Fimbriae 

Filamentous proteins on the surface of bacterial 

cells that may behave as adhesins for specific 

adherence 

2.  Common pili 

Same as fimbriae 

3.  Sex pilus 

A specialized pilus that binds mating 

procaryotes together for the purpose of DNA 

transfer 

4.  Type 1 fimbriae 

Fimbriae in Enterobacteriaceae which bind 

specifically to mannose terminated 

glycoproteins on eukaryotic cell surfaces 

5.  Glycocalyx 

A layer of exopolysaccharide fibers on the 

surface of bacterial cells which may be involved 

in adherence to a surface 

6.  Capsule 

A detectable layer of polysaccharide (rarely 

polypeptide) on the surface of a bacterial cell 

which may mediate specific or nonspecific 

attachment 

7.  Lipopolysaccharide 

(LPS) 

A distinct cell wall component of the outer 

membrane of Gram-negative bacteria with the 

potential structural diversity to mediate specific 

adherence. Probably functions as an adhesion 


background image

 

8.  Teichoic acids and 

lipoteichoic acids 

(LTA) 

Cell wall components of Gram-positive bacteria 

that may be involved in nonspecific or specific 

adherence 

9.  Biofilm formation 

Formation of slimy extracellular matrix 

(polysaccharides) produced by some bacteria 

for colonization, avoid phagocytosis and resist 

antibiotics. 

 
Factors affect adherence: 

1)  Tissue  tropism:  some  bacteria  prefer  certain  tissues  e.g. Streptococcus 

mutans is usually found in dental plaques and not on epithelial surfaces of 
the tongue. 

2)  Species specificity: some pathogenic bacteria infect only certain species, 

e.g. Neisseria gonorrhoeae infections are limited to humans. 

3)  Genetic  susceptibility:  some  races  are  genetically  immunized  to  a 

pathogenic bacteria.

 

 

2.  Bacterial Invasion Factors: 

Invasins are proteins that act locally to damage host cells and facilitating the 

growth and spread of the pathogen. The damage (break down) to the host as a 
result of this invasive activity is a major part of the pathology of an infectious 
disease.  Also,  these  invasins  can  stop  immune  response  activity  against  the 
pathogenic bacteria. 

Some  bacteria  have  the  ability  to  survive  and  multiply  inside  phagocytic 

cells.  This  ability  is  considered  an  important  virulence  factor  and  escape 
mechanism from the specific immune response. For example: Mycobacterium 
tuberculosis
Legionella 

pneumophila, 

Brucella 

abortus

and Listeria 

monocytogenes can remain alive inside phagocytes. 

 

 


background image

 

  Types of Invasins: 

1.  Spreading Factors (Enzymes) 

They are bacterial enzymes that affect the physical properties of tissue matrices 
and intercellular spaces, they help in the spread of the pathogen.  

1)  Hyaluronidase.  

It is the original spreading factor produced by Streptococci, Staphylococci, and 
Clostridia.
  The  enzyme  attacks  the  interstitial  cement  (ground  substance)  of 
connective tissue (hyaluronic acid). 

2)  Collagenase 

It is produced by Clostridium perfringens. It breaks down collagen of muscles 
and cause gas gangrene. 

3)  Neuraminidase  

It  is  produced  by  intestinal  pathogens  such  as Vibrio  cholerae and Shigella 
dysenteriae. It breaks neuraminic acid the intercellular cement of the epithelial 
cells of the intestinal mucosa. 

4)  Streptokinase and Staphylokinase 

They are produced by streptococci and staphylococci. These Kinase enzymes 
convert plasminogen  to plasmin  which  digests  fibrin  and prevents  clotting  of 
the blood. The absence of fibrin in spreading bacterial lesions allows more rapid 
diffusion of the infectious bacteria. 

5)  Enzymes that Cause Hemolysis and/or Leucolysis 

These enzymes usually act on the animal cell membrane by forming a pore that 
results in cell lysis through enzymatic attack on phospholipids.sometmes thay 
are called lecithinases or phospholipases, and if they lyse red blood cells they 
are sometimes called hemolysins. Leukocidins, produced by staphylococci and 
streptolysin produced  by streptococci specifically  lyse  phagocytes  and  their 
granules (these enzymes are also considered as bacterial exotoxins). 


background image

 

6)  Phospholipases 

They are produced by Clostridium perfringens (i.e., alpha toxin), cause lysis of 
phospholipids in cell membranes. 

7)  Lecithinases 

They also produced by Clostridium perfringens, able to destroy lecithin 
(phosphatidylcholine) in cell membranes. 

8)  Hemolysins 

 They  are  produced  by  staphylococci  (i.e.,  alpha  toxin),  streptococci 
(i.e.,streptolysin)  and  many  clostridia,  may  be  channel-forming  proteins  or 
phospholipases or lecithinases that destroy red blood cells and other cells (i.e., 
phagocytes) by lysis. 

9) Staphylococcal coagulase 

Coagulase,  formed  by Staphylococcus  aureus,  it  is  an  enzyme  that  converts 
fibrinogen to fibrin which causes clotting. Coagulase activity is associated with 
pathogenic S.  aureus and  never  produced  by S.  epidermidis.  The  action  of 
coagulase  is  to  provide  an  antigenic  disguise  if  it  clotted  fibrin  on  the  cell 
surface.  

10)  Extracellular Digestive Enzymes 

Heterotrophic  bacteria  produce  a  wide  variety  of  extracellular  enzymes 
including proteases, lipases, nucleases,  etc.,  which  have  a  role  in  invasion  or 
pathogenesis. These enzymes have other functions more than bacterial nutrition 
or metabolism and help in invasion either directly or indirectly. 

 

2.  Toxins: 

They  are  bacterial  products  that  promote  bacterial  invasion,  Toxigenesis is 

the ability to produce toxins. Toxic substances, both soluble and cell-associated, 
may  be  transported  by  blood  and  lymph  and  cause  cytotoxic  effects  at  tissue 
sites remote from the original point of invasion or growth. There are two types 
of these toxins: 


background image

 

A. Endotoxins 

Endotoxin is the LPS layer of Gram-negative bacteria. Endotoxin biological 

effects  on  the  host  may  be  lethal  because  it  is  released  after  lysis  of  bacteria 
causing toxic effects include pyrogenicity, leukopenia followed by leukocytosis, 
complement  activation  (alternative  pathway),  depression  in  blood  pressure 
(hypotension),  mitogenicity,  induction  of  prostaglandin  synthesis,  and 
hypothermia;  cause  disseminated  intravascular  coagulation  DIC  leading  to 
thrombosis;  inhibits  inflammatory  responses  and  kinin  system;  some  patients 
suffer from sepsis and lethal shock.

 

In general it is not good antigen and heat 

stable. 

Some effects of endotoxin are beneficial to the host. These include: 

1.  Mitogenic  effects  on  B  lymphocytes  that  increase  resistance  to  viral  and 
bacterial infections 

2. Induction of gamma interferon (IFN-γ) production by T-lymphocytes, which 
may enhance the antiviral state, promotes rejection of tumor cells, and activates 
macrophages and natural killer cells 

3.  Activation of  the  complement  cascade  with  the  formation  of  C3a  and  C5a 
(anaphylotoxin) 

4. Induction the production of interleukin-1 by macrophages and interleukin-2 

and other mediators by T-lymphocytes. 

 

B. Exotoxins 

Exotoxins  are  bacterial  metabolic  products;  unlike  the  lipopolysaccharide 

endotoxin, the general properties are: 

1.   Proteins with toxic effects released from viable bacteria. 
1.   Immunogenic, they are protective antigen due to high molecular weight 

and complex composition, induce specific antibodies (called antitoxins), 
resulting in complete inhibition of the toxic activity (this immunological 
Ag-Ab reaction is called neutralization). 

2.   Poisonous in low doses (very low concentrations per unit weigh).  


background image

 

3.  Most of the higher molecular exotoxin proteins are heat labile; while, low 

molecular exotoxins are heat-stable peptides. 

4.  They are produced by both Gram-positive and Gram-negative bacteria.  
5.  Chemical  composition  of  exotoxins  contains  mainly  two  types  of 

polypeptides; Type A and Type B; type A polypeptides are responsible 
for the toxic effect (toxogenic part of the toxin); while B polypeptides are 
responsible for delivering the part A to the target cell or tissue. Part B do 
not enter target cell. Toxins are different in their composition of both parts 
types,  some  contain  (A2B)  meaning  one  Aand  two  polypeptides  of  B; 
while (2A5B) meaning two A polypeptides and five B polypeptides.  

 

Exotoxins can be grouped into several categories: 

1. Neurotoxins like Botulin of Clostridium botulinum.  

2. Cytotoxins, like diphtheria toxin of Corynebacterium diphtheriae.  

3.   Enterotoxins which are responsible of many types of watery diarrhea like 

shigatoxin of Shigela sp.   

4.  Hemolysins,  cause  blood  hemolysis  like  Streptolysin  of  Streptococcus 

pyogens. Include three types α, β and γ. 

5.  Erythrogenic  toxin  which  cause  bleeding  under  skin,  like  Streptococcus 

pyogens erythrogenic toxin. 

6. Leucocidin cause WBCs lysis like leucocidin of Staphylococcus aureus

 

 

 

 

 


background image

 

Bacteria Invasins 

Invasin 

Bacteria 

Activity 

Hyaluronidase 

Streptococci, 

staphylococci and 

clostridia 

Degrades hyaluronic of connective 

tissue 

Collagenase 

Clostridium species 

Dissolves collagen framework of 

muscles 

Neuraminidase 

Vibrio cholera 

 and Shigella dysenteriae 

Degrades neuraminic acid of intestinal 

mucosa 

Coagulase 

Staphylococcus aureus 

Converts fibrinogen to fibrin which 

causes clotting 

Kinases 

Staphylococci and 

Streptococci 

Converts plasminogen to plasmin 

which digests fibrin 

Leukocidin 

Staphylococcus aureus 

Disrupts neutrophil membranes and 

causes discharge of lysosomal granules 

Streptolysin 

Streptococcus pyogenes 

Repels phagocytes and disrupts 

phagocyte membrane and causes 

discharge of lysosomal granules 

Hemolysins 

Streptococci, 

staphylococci and 

clostridia  

Phospholipases or lecithinases that 

destroy red blood cells (and other 

cells) by lysis 

Lecithinases 

Clostridium perfringens 

Destroy lecithin in cell membranes 

Phospholipases  Clostridium perfringens 

Destroy phospholipids in cell 

membrane 


background image

 

Anthrax toxin   Bacillus anthracis 

One component (EF) is an adenylate 

cyclase which causes increased levels 

of intracellular cyclic AMP  

Pertussis toxin  Bordetella pertussis 

One toxin component is an adenylate 

cyclase that acts locally producing an 

increase in intracellular cyclic AMP 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

10 

 

 

Pyrogenic Bacteria 

These bacteria are pus forming bacteria, they include the following genera: 

1.  Staphylococci and Streptococci (Gram + cocci). 
2.  Neisseria (Gram - cocci). 
3.  Hemophilus (Gram - coccibacilli).  

 

Staphylococci Genus 

Staphylococci are Gram-positive spherical bacteria that found in clusters 

like grapes. Although more than 20 species of Staphylococcus are described in 
Bergey's  Manual  (2001),  only Staphylococcus  aureus and Staphylococcus 
epidermidis
 are of medical importance to humans. S. aureus colonizes mainly 
the  nasal  passages  and  S.  epidermidis is  normal  flora  of  the  skin. 
Taxonomically, 

the 

genus Staphylococcus is 

in 

the 

Bacterial 

family Staphylococcaceae. 

 

Staphylococcus Species That Affect Humans Most Frequently 

Species Parameter 

 

Species  

Special Character  

Infections  

S. aureus 

Coagulase-positive; 
colonies golden 
yellow. Can grow at 
45 C ˚ and NaCl 15% 

Local purulent 
infections: furuncles, carbuncles, 
bullous impetigo, wound 
infections, sinusitis, otitis media, 
mastitis puerperalis, ostitis, 
postinfluenza pneumonia, sepsis. 
Toxin-caused illnesses: food 
poisoning, dermatitis exfoliativa, 
toxic shock syndrome 
 

S. epidermidis 

Coagulase-negative; 
sensitive to 
novobiocin 

most frequent coagulase negative 
Staphylococci pathogen; 
opportunist; infection requires 
host predisposition; 


background image

11 

 

foreign body infections with 
discrete clinical symptoms 
 

S. saprophyticus  Coagulase-negative; 

resistant to 
novobiocin 

Urinary tract 
infections in young women (10–
20%); occasional nonspecific 
urethritis in men 

 

 
 
Staphylococcus aureus
 

Gram-positive, cluster-forming coccus  
nonmotile, nonsporeforming facultative anaerobe  
fermentation of glucose produces mainly lactic acid  
ferments mannitol (distinguishes from S. epidermidis)  
catalase positive  
coagulase positive  
golden yellow colony on agar  
normal flora of humans found on nasal passages, skin and mucous 
membranes
  

pathogen of humans, causes a wide range of suppurative infections, as 
well as food poisoning and toxic shock syndrome 
 
 

Pathogenesis of S. aureus infections 

Staphylococcus  aureus causes  suppurative  (pus-forming)  infections  and 

toxinoses  in  humans.  It  causes  superficial  skin  lesions  such  as boils;  more 
serious infections such as pneumoniamastitismeningitis, and urinary tract 
infections UTI
; and deep infections, such as osteomyelitis and endocarditis.  

S.  aureus is  a  major  cause  of  hospital  acquired  (nosocomial) 

infection of  surgical  wounds  and  infections  associated  with  contaminated 
medical  devices. S.  aureus causes food  poisoning by  releasing  enterotoxins 
into food, and toxic shock syndrome by release of superantigens into the blood 
stream. 

 


background image

12 

 

 

Portals for entry:  Staphylococcus produce local infection as a start after 

entry.  The  portal  may  be  a  hair  follicle,  but  usually  it  is  a  break  in  the  skin, 
scratches, trauma or surgical wound. Another portal for entry is the respiratory 
tract. Staphylococcal pneumonia is a common complication of influenza.  

        

 

Sites of infection and diseases caused by Staphylococcus aureus 

 

Adherence to Host Cell Proteins 

S. aureus have surface proteins that promote attachment to host proteins 

such as laminin and fibronectin that form the extracellular matrix of epithelial 
and  endothelial  surfaces.  In  addition,  most  strains  express  a  fibrin/fibrinogen 
binding protein (clumping factor) which promotes attachment to blood clots and 
traumatized  tissue.  Most  strains  of S.  aureus express  both  fibronectin  and 
fibrinogen-binding proteins. In addition, an adhesin that promotes attachment to 
collagen has been found in strains that cause osteomyelitis and septic arthritis. 
Interaction  with  collagen  may  also  be  important  in  promoting  bacterial 
attachment to damaged tissue where the underlying layers have been exposed. 


background image

13 

 

Invasion Factors 

The invasion of host tissues by staphylococci involves the production of 

a huge amount of  invasion factors (extracellular proteins). These proteins are 
described  below  with  some  possible  explanations  for  their  role  in  invasive 
process. 

1)  Membrane-damaging toxins 

1.  α-toxin  (α  -hemolysin): The  most  effective  membrane-damaging  toxin 

of S.  aureus,  mainly  platelets  and  monocytes  are  sensitive  to α  -toxin. 
Susceptible  cells  have  a  specific  receptor  for α  -toxin  which  allows  the 
toxin to bind then form small pores and cause osmotic lysis. 

2.  ß-toxin:  is  a  sphingomyelinase  which  damages  membranes  rich  in  this 

lipid, usually lyse RBCs. A lysogenic bacteriophage is known to encode 
the toxin. Found rare in human isolates. 

3.  γ-toxin is  a  very  small  peptide  toxin  produced  by  most  strains  of S. 

aureus.  It  is  also  produced  by S.  epidermidis.  The  role  of γ  -toxin  in 
pathogenisity is unknown. 

4.  Leukocidin is  a  multicomponent  protein  toxin  act  together  to  damage 

membranes,  it  is  hemolytic,  but  less  than  alpha  hemolysin.  The  strains 
isolated  from  severe  dermonecrotic  lesions  produce  this  toxin,  it  is  an 
important factor in necrotizing skin infections. 

5.  Coagulase  and  clumping  factor:  Coagulase  is  an  extracellular  protein 

which  binds  to  prothrombin  in  the  host  to  form  a  complex  called 
staphylothrombin.  It  has  protease  activity  and  cause  conversion  of 
fibrinogen to fibrin. Coagulase is a marker for identifying S. aureus in the 
clinical microbiology laboratory. Helps the bacteria to protect themselves 
from phagocytic and immune defenses by causing localized clotting. 

6.  Staphylokinase: it is a plasminogen activator, this factor lyses fibrin. The 

genetic code found in the lysogenic bacteriophages. It causes dissolution 
of fibrin clots, hence it is used in medicine to treat patients suffering from 
coronary thrombosis. It is bacterial spreading factor. 

7.  Other extracellular enzymes: S. aureus can produce proteases, a lipase, 

a  deoxyribonuclease  (DNase)  and  a  fatty  acid  modifying  enzyme 
(FAME).  The  first  three  provide  nutrients  for  the  bacteria,  and  have  a 


background image

14 

 

minor  role  in  pathogenesis.  But,  the  FAME  enzyme  is  important  in 
abscesses, where it could modify anti-bacterial lipids and help bacterial 
survival. 

 

2) Avoidance of Host Defenses 

S. aureus expresses a number of factors that interfere with host defense 

mechanisms.  This  includes  both  structural  and  soluble  elements  of  the 
bacterium. 

1.  Capsule  
The majority of clinical isolates of S aureus express a surface polysaccharide 

of either serotype 5 or 8. Usually called a microcapsule because it can be seen 
only  by  electron  microscopy  unlike  the  true  capsules  of  other  bacteria. The 
function of the capsule is to resist phagocytosis. 

 
2.  Protein A 
Protein A is a surface protein of S. aureus which binds to IgG molecules by 

their  Fc  region  (in  the  wrong  region),  which  disrupts  opsonization  and 
phagocytosis.  

3.  Leukocidin 
This toxin acts on polymorphonuclear leukocytes (PMNs).  
4.  Exotoxins 
Include  several  toxic  proteins  which  are  responsible  for  symptoms  during 

infections: 

  Enterotoxins and toxic shock syndrome toxin 

S.  aureus secretes  two  types  of  toxin  that  are  superantigens, enterotoxins 

(have  six  types  SE-A,  B,  C,  D,  E  and  G),  and toxic  shock  syndrome 
toxin
 (TSST-1). Enterotoxins cause diarrhea and vomiting when ingested and 
are responsible for staphylococcal food poisoning and Toxic shock. TSST-1 is 
expressed systemically and is the cause of toxic shock syndrome (TSS). When 
produced systemically.  

Superantigens  mode  of  action  is  to  stimulate  T-cells  non-specifically 

without normal antigenic recognition, see figure below, up to one in five T-cells 
will  be  activated,  whereas  only  1  in  10,000  are  stimulated  during  the  usual 


background image

15 

 

antigen  presentation.  Cytokines  are  released  in  large  amounts,  causing  the 
symptoms  of  TSS.  Superantigens  bind  directly  to  class  MHCII  major 
histocompatibility complexes of antigen-presenting cells. 

        

 

Superantigens and the non-specific stimulation of T cells.  

 

  Exfoliatin toxin (ET) 

The  exfoliatin toxin, associated  with scalded skin syndrome (SSS), causes 

separation within the  epidermis, between the living layers  and the  superficial 
dead layers. The separation is through the stratum granulosum of the epidermis 
leading to the risk of fluid loss and secondary infections.  

5.  Biofilm formation ability 

Biofilm is the slim growing of Staphylococcus aureus as group of bacterial cells 
forming  layer  upon  layer  of  bacterial  growth,  during  colonization  process  of 
infection.

 

The  biofilm  matrix  components,  contain  polysaccharides  polymer, 

protein  (teichoic  acid),  and  DNA,  they  play  a  major  role  in  pathogenicity 
because biofilm help to share nutrients, shield from immune system of hosts and 
avoid antibiotics effect.  


background image

16 

 

Pathogenic Staphylococcus epidermidis is able to show plastic interaction and 
able to colonize catheters devices by forming of biofilm. This ability to form a 
biofilm on the surface of a prosthetic device is a significant problem. 

 

 

Virulence determinants of Staphylococcus aureus 

 

Resistance of Staphylococci to Antimicrobial Drugs 

Hospital  strains  of S.  aureus are  usually  resistant  to  many  antibiotics 

except  vancomycin,  usually  called  as  MRSA refers  to Methicillin 
resistant Staphylococcus  aureus
.  Methicillin  resistance  is  widespread  and 
most  methicillin-resistant  strains  are  also  multi-antibiotics  resistant.  The 
antibiotics  resistance  is  due  to  the  plasmids  (extrachromosomal  genes) 
associated with resistance ability or by chromosomal mutation. 

 S.  aureus shows  resistance  to  antiseptics  and  disinfectants,  such  as 

quaternary ammonium compounds, which may aid its survival in the hospital 
environment  hence  these  bacteria  is  a  significant  problem  in  the  hospital 
environment causing nosocomial infection especially in surgical wounds. 

 
 
 


background image

17 

 

Host Defense against Staphylococcal Infections 

  Phagocytosis is the major mechanism against staphylococcal infection. But 

they  are  difficult  to  be  killed  after  phagocytic  engulfment  because  they 
produce catalase which neutralizes oxygen and superoxide and avoid killing 
mechanisms inside the phagolysosome.   

  Specific  Antibodies  are  produced  which  neutralize  toxins  and  induce 

opsonization.   

The localized host response to staphylococcal infection is inflammation, 

characterized by an elevated temperature at the site, swelling, the accumulation 
of pus, and necrosis of tissue. Around the inflammation area, a fibrin clot help 
to form pus-filled boil or abscess.  

Epidemiology and Control 
Staphylococci are widespread human parasites. The main sources of infection 
are shedding human lesions, fomites contaminated from such lesions, and the 
human respiratory tract and skin. Contact spread of occurs in hospitals, where 
the  staff  and  patients  carry  antibiotic-resistant  staphylococci  MRSA  in  their 
nose or on the skin.  
The  areas  at  highest  risk  for  severe  staphylococcal  infections  in hospitals  are 
newborn  nurseries,  intensive  care  units,  operating  rooms,  and  cancer 
chemotherapy wards.  
Hygiene,  and  aseptic  management  of  lesions  can  control  the  spread  of 
staphylococci  from  lesions,  ultraviolet  irradiation  of  air  have  little  effect  in 
prevent staphylococci spreading from carriers.  

Treatment 

Hospital acquired infection is often caused by antibiotic resistant strains and can 
only  be  treated  with  vancomycin  or  Rifampin  coupled  with  a  second  oral 
antistaphylococcal  drug  sometimes  provides  long-term  suppression  and 
possibly  cure  of  nasal  carriage.  Many  of  the  community  acquired 
Staphylococcal infections are now methicillin resistant and only be treated with 
combination therapy using sulfa drugs and minocycline or rifampin. 

 


background image

18 

 

Vaccines 

No  vaccine  is  yet  available  that  stimulates  active  immunity  against 

staphylococcal infections in humans.  

 

 

Infections and involved Virulence factors in the pathogenesis 

of Staphylococcus aureus  

 

(1)  Boils, pimples and carbuncle (folliculitis)  

Colonization: cell-bound (protein) adhesins  
InvasionInvasins: staphylokinase  
Other extracellular enzymes (proteases, lipases, nucleases, collagenase, 
elastase. etc.)  
Resistance to phagocytosis: coagulase, leukocidin  
Resistance to immune responses: coagulase  
Toxigenesis: cytotoxic toxins (hemolysins and leukocidin) 

  Pathogenesis: 

It is a pus-filled bump in the skin that is caused by the bacterial infection. It’s 

a bit like a very big yellow pimple, but it’s deeper in the skin and hurts a lot 
more. 

Boils develop when a hair follicle and the surrounding tissue become infected. 

Hair follicles consist of one hair, the root of the hair, a sebaceous gland and a 
small muscle that can pull the hair up, making it stand on end. Hair follicle 
inflammations  are  sometimes  also  referred  to  as  “deep  folliculitis”  or 
“perifolliculitis.” 

The infection cause the death of skin tissue inside the boil, creating a pus-filled 

space (an abscess). Skin abscesses can develop from boils, but also from other 
things  like  infected  insect  bites  or  injections  with  dirty  needles.  If  several 
boils merge into a larger bump, it’s called a carbuncle (a cluster of boils).. 

Sometimes  boils  heal  without  causing  any  problems,  but  it  is  better  to  get 

medical treatment for quick cure, relieve the pain and prevent complications. 
Because sometimes boils develop into carbuncle. 

 


background image

19 

 

 

(2) 

Pneumonia  

Colonization: cell-bound (protein) adhesins  
Invasins: staphylokinase, hyaluronidase  
Other extracellular enzymes (proteases, lipases, nucleases, collagenase, 
elastase. etc.)  
Resistance to phagocytosis: coagulase, leukocidin, hemolysins, 
carotenoids, superoxide dismutase, catalase, growth at low pH  
Resistance to immune responses: coagulase, antigenic variation  
Toxigenesis: Cytotoxic toxins (hemolysins and leukocidin) 

 

(3) 

Food poisoning (emesis or vomiting)  

Toxigenesis: Enterotoxins A-G (superantigens). 

 
Pathogenesis: 

Staph food poisoning is characterized by a sudden start of nausea, vomiting, and 
stomach  cramps.  Most  people  also  have  diarrhea.  Symptoms  usually  develop 
within 30 minutes to 8 hours after eating or drinking an item containing Staph 
toxin, and last no longer than 1 day. Severe illness is rare. The illness cannot be 
passed  from  one  person  to  another  with  Fast  cure.  The  enterotoxins  are  heat 
stable  and  resistant  to  the  action  of  gut  enzymes.  Important  cause  of  food 
poisoning, enterotoxins are produced when S. aureus grows in carbohydrate and 
protein  foods.  Ingestion  of  25  μg  of  enterotoxin  B  results  in  vomiting  and 


background image

20 

 

diarrhea. The emetic effect of enterotoxin is the result of central nervous system 
stimulation (vomiting center) after the toxin acts on neural receptors in the gut. 
 
(4) 

Septicemia (invasion of the bloodstream):  

Invasins: staphylokinase, hyaluronidase  
Other extracellular enzymes (proteases, lipases, nucleases, collagenase, 
elastase. etc.)  
Resistance to phagocytosis: coagulase, protein A, leukocidin, hemolysins, 
carotenoids, superoxide dismutase, catalase, growth at low pH  
Resistance to immune responses: coagulase, protein A, antigenic variation  
Toxigenesis: cytotoxic toxins (hemolysins and leukocidin) 

 

(5) 

Osteomyelitis (invasion of bone)  

Colonization: cell-bound (protein) adhesins  
Invasins: staphylokinase, hyaluronidase  
Other extracellular enzymes (proteases, lipases, nucleases, collagenase, 
elastase. etc.)  
Resistance to phagocytosis: coagulase, protein A, leukocidin, hemolysins, 
carotenoids, superoxide dismutase, catalase, growth at low pH  
Resistance to immune responses: coagulase, protein A, antigenic variation  
Toxigenesis: cytotoxic toxins (hemolysins and leukocidin) 

 

(6)  Toxic shock syndrome  

Colonization: cell-bound (protein) adhesins  
Resistance to immune responses: coagulase, antigenic variation  
Toxigenesis: TSST-1 toxin, Enterotoxins A-G 

 
Pathogenesis:
  
Staphylococcal  toxic  shock  syndrome  (TSS)  is  a  life-threatening  illness 

characterized by fever, rash (similar to sunburns), hypotension, multi-organ 
failure or dysfunction (involving at least 3 or more vital organs), and shock. 
Typically  syndrome  starts  with  the  infection  of  the  palms  and  soles  and 
develops  after  1-2  weeks  from  the  onset  of  acute  illness.  The  clinical 
syndrome can also include severe myalgia, vomiting, diarrhea, headache, and 
neurologic abnormalities. The gene encoding for this toxin found in 20% of 
S. aureus isolates including MRSA. 


background image

21 

 

 

(7) 

Surgical wound infections  

Colonization: cell-bound (protein) adhesins  
Invasins: staphylokinase, hyaluronidase  
Other extracellular enzymes (proteases, lipases, nucleases, collagenase, 
elastase. etc.)  
Resistance to phagocytosis: coagulase, protein A, leukocidin, hemolysins, 
carotenoids, superoxide dismutase, catalase, growth at low pH  
Resistance to immune responses: coagulase, protein A, antigenic variation  
Toxigenesis: cytotoxic toxins (hemolysins and leukocidin) 

 

(8) 

Scalded skin syndrome (analogous to scarlet fever) (Called SSS) 

Colonization: cell-bound (protein) adhesins  
Invasins: staphylokinase, hyaluronidase  
Other extracellular enzymes (proteases, lipases, nucleases, collagenase, 
elastase. etc.)  
Resistance to phagocytosis: coagulase, leukocidin, hemolysins  
Resistance to immune responses: coagulase, antigenic variation  
Toxigenesis: Exfoliative toxins A and B (superantigens)  

 

Pathogenesis: 

 Exfoliative toxins of S. aureus are two types of proteins of the same molecular 
weight and have epidermolytic activity. Exfoliative toxin A is encoded by gene 
in a bacteriophage and is heat stable (resists boiling for 20 minutes). Exfoliative 
toxin B is carried by plasmid and heat labile. These epidermolytic toxins act by 
dissolving the mucopolysaccharide matrix of the epidermis.  

Syndrome occurs commonly in newborns typically following an erythematous 
cellulitis. Severity of staphylococcal scalded skin syndrome varies from a few 
blisters localized to the site of infection to a severe exfoliation affecting almost 
the entire body.  

Pathogenesis of these toxins by breaking down the desmosomes of epidermal 
layer  due  to  protease  effect  of  the  exotoxins  lead  to  the  separation  of  the 
superficial  layer  of  the  epidermis  due  to  cleave desmoglein  (which  normally 


background image

22 

 

holds  the granulosum and spinosum layers  together),  like  in  the  case  of  the 
autoimmune skin disease pemphigus vulgaris. 

 

Diagnostic Laboratory tests: 

1)  Specimens: 
Surface swab for pus or aspirates from abscess, blood, tracheal aspirate or 
spinal fluid, are used for culture depending on infection location. 

2)  Smear:  
Staphylococci appear Gram + cocci in clusters in gram stained smears of pus 
or  sputum;  it  is  not  possible  to  distinguish  between  S.  aureus  and  S. 
eipermidis
 in smear only. 

3) Culture: 
On  blood  agar  give  typical  colonies,  on  mannitol  salt  agar  only 
Staphylococcus  aureus
  are  able  to  ferment  mannitol  and  it  is  used  as 
differential media during diagnosis. 

4)  Catalase Test 
5)  Coagulase Test 
6)  Antibiotic sensitivity test (susceptibility testing). 
7)  Serologic and typing test. 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Dr Weam Al-Hmadany
المشاهدات: لقد قام عضوان و 233 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