مواضيع المحاضرة: Immunology Bacteriology Mycology Virology
background image

 

 

Mustafa Hatim Kadhim 

Baghdad University 

Al-kindy college of medicine 

Third Stage 

2013 - 2014 

 

 
 
 
 


background image

 

List of contents

 

Lecture 

number 

Lecture name 

Doctor name 

Page number 

Unit 1: Immunology                                                                                          (3 – 57)

 

Introduction 

 دكتورة

بتول

 

4 - 6 

Antibodies & Cytokines 

7 - 12 

Cells of the immune system, receptors, 

mechanisms of action 

13 - 16 

Major Histocompatibility Complex (MHC) & 

Complement system 

17 - 20 

Hypersensitivity 

21 - 25 

Tolerance & Autoimmunity 

26 - 28 

Transplantation 

29 - 31 

8+9+10 

Immune response to infectious diseases 

 دكتورة

ايمان

 

32 - 43 

11+12+13 

Immunodeficiency 

44 - 50 

14 

Tumor Immunology 

51 - 53 

15 

Vaccines 

54 - 57 

Unit 2: Bacteriology                                                                                          (58 – 135)

 

  General Bacteriology                                                                                       (59 – 76)

 

General Microbiology 

 دكتور

نجاح

 

60 - 62 

The Morphology & Fine structure of bacteria 

63 - 65 

The Physiology of Metabolism and Growth in 

Bacteria 

66 - 69 

The Molecular Basis of Bacterial Genetics 

70 - 72 

The Principles of antibacterial therapy 

73 - 76 

  Gram Positive Bacteria                                                                                   (77 – 103)

 

Staphylococcus 

 دكتور

نجاح

 

78 - 79 

Streptococcus and Enterococcus 

80 - 84 

Pathogenic Neisseria, Moraxella and Acinetobacter 

85 - 87 

Aerobic Spore-Former Bacteria (Bacillus) 

88 - 90 

Anaerobic Spore-Former Bacteria (Pathogenic 

Clostridia) 

91 - 94 

Corynebacterium & Diphtheroid 

95 - 97 

Mycobacteria 

98 - 101 


background image

 

Nocardia & Listeria monocytogenes 

102 - 103 

  Gram Negative Bacteria                                                                                 (104 – 135)

 

1+2+3 

Enteric gramnegetive rods (enterobacteriaceae) 

Enteric bacteria or coliform 

 دكتورة

جميلة

 

105 - 109 

Pseudomonads, Acinetobacter & Uncommon gram 

negative bacteria 

110 - 111 

Vibrios (vibrio spp.) & associated bacteria 

112 - 113 

Campylobacters & Helicobacter 

114 - 115 

Haemophilus 

116 - 117 

Bordetellae 

118 - 119 

Legionellae, Bartonella & unusual bacterial 

pathogens 

120 - 122 

10+11 

zoonotic gram negative rods 

123 - 125 

12+13 

Spirochetes 

126 - 130 

14 

Mycoplasma, Chlamydia & Rickettsiae 

131 - 133 

15 

Normal microbial flora 

134 - 135 

Unit 3 – Mycology                                                                                             (136 – 150)

 

Introduction to mycology 

 دكتورة

اروى

 

137 - 139 

2+3+4+5 

Fungal diseases in humans (mycoses) 

140 - 148 

Antifungal Chemotherapy 

149 - 150 

Unit – Virology                                                                                                  (151 – 192)

 

1+2+3 

Introduction 

 دكتور

حيدر

 

152 - 156 

Antiviral Drugs 

157 - 159 

5+6+ Half 7 

RNA Enveloped viruses 

160 - 167 

Half 7+8 

RNA non enveloped viruses 

168 - 170 

9+10 

Retroviruses 

171 - 175 

11+12 

DNA enveloped viruses 

176 - 180 

13 

DNA Non-enveloped Virus 

181 - 182 

14+15+16 

Viral Hepatitis 

183 - 188 

17 

Human cancer viruses 

189 - 190 

18 

Slow Viruses & Prions 

191  

19 

Arbovirus 

192 

 
 
 
 


background image

 

 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

Lecture 1 - Introduction 

  Immunity: is resistance to disease  

  Immune system: collection of cells, tissues, molecules 

that mediate response.   

  Immune response: Coordinated reaction of cells and 

molecules to infectious disease. 

  Immunology: Is the science that study immune system 

and its response to pathogens 

  Function of the immune system: 

  Prevent infection 
  Eradicate established infection 

Types of immunity 

1)  Innate immunity:Exterior defense mechanism  

Characteristics of innate immunity 
1) Preexist     2) Not specific     3) No memory 
Types of innate immunity: 
1.  
Anatomic barrier( skin, mucous membrane) 
2.  Physiologic barriers( tempretire, PH, oxygen) 
3.  Chemical barriers( Lysozyme, Defensin, Interferon, 

complement) 

4.  Cellular barrier: Neutrophils, Macrophage, Natural 

killer cells and dendritic cells. 

5.  Toll-like receptors:It presents on phagocytic cells that 

recognize broad molecules on pathogens enhancing 
phagocytosis. It is called pattern  recognition receptors 
or pathogen associated molecular patterns. 

 

2)  Adaptive immunity 

Characteristics of Adaptive immunity 
1) Specificity   2) Diversity   3) Memory 
4) Self non self-recognition  5) Clonal expansion 

 

 

Central cell in the adaptive immune response 
Lymphocytes  
1- T lymphocytes-----cell mediated immunity 
2- B lymphocytes-------humoral immunity 

 

  Antigens (Ag): any molecule that can be specifically 

recognized by the adaptive immune system 

  Epitope: is a restricted part of Ag (short sequence of 

sugars, a.a., that bind with antibodies (Abs). 

  Hapten: a small molecule had a low molecular weight 

that cannot initiate an immune response unless its coupled 
with a large carrier molecule 

  Super antigen: certain bacterial toxin (Staphylococcal 

enterotoxins can bind to multiple T cells by binding to 
T-cell receptor  variable beta regions to alpha chain of 
class II major histocompatibility complex on antigen 
presenting cells. 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

Factors determining antigenicity 

1.  Degree of foreignness 
2.  Molecular size:100000 dalton 
3.  Chemical compositions: proteins-polysaccharide-lipid-

nucleic acids 

4.  Susceptibility to antigen processing 
5.  Genotype 
6.  Dose of immunogens 
7.  Route of adminstration 
8.  Adjuvants:substanc mix with Ag to enhance 

immunogenicity(Alum-Aluminum potassium sulfate) 

 

 

  Generation of mature lymph. first occurs in the embryo in 

-yolk sac 
-fetal liver 
-fetal bone marrow and continues throughout life 
in birds /lymphoid organs called Bursa of fibricius 
(primary site of B-cell maturation) 
In humans –BM and other lymphoid tissue serve as Bursa 
equivalent 

 

Lymphocytes: 

  B lymphocytes (B cells) 
  T lymphocytes (T cells) 
  Important for the adaptive immune response. 

 

  B cells: 

  Surface receptor = Immunoglobulin (Ig). 
  Humoral Immunity. 

 
 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

 

Thymus 

  Its flat, bilobed organ situated above the heart. Each lobe 

is surrounded by a capsule divide into lobule and 
separated from each other by a trabeculae.Each lobule is 
organized into cortex and medulla. 

  Hormones (thymosin, thymulin )and (enzymes like 

adenosine deaminase)   

 

  Progenitor T cells in hematopoiesis in bone marrow then 

ente thymus and acquire differentiation markers during 
development calld CD markers (CD) markers. 

  Immature double negative (CD3+ CD4- CD8-) then 

immature double positive thymocytes  (CD3+ CD4+ 
CD8+) then mature single positive single negative 
thymocytes  (CD3+ CD4+ CD8-)(CD3+ CD4 –CD8+) 

Thymic education and selection 
  The property of mature T cells is recognized only 

foreign Ag (non self)+self MHC molecule. This can be 
achived by selection process 

  Negative selection. 
  Positive selection. 
  The two processes called lymphocytes teachings. 

Negative selection 
Any lymph. Acquire receptors with high affinity for self 
Ags will be die by a programmed cell death (apoptosis). 
This occurs in the medulla by macrophages and dendretic 
cells. (95-99%)  

Positive selection 
Any lymph. Acquire receptors recognize foreign Ags+ 
self MHC molecule will allow to mature and expand and 
survive (1-5%). This occurs in the cortex of the thymus by 
epithelial cells. 

Lymphocytes homing 
Lymphocytes leave thymus to sec. lymphoid organs (LN) 
and to sites of inflammations through high endothelial 
venules (HEV) by binding to specific receptors on lym. 
and cell adhesion molecules on HEV after that lym. 
homing to different tissues (GALT, MALT, skin dermal 

endothelial venules ) by a cascade of interactions between 
adhesions molecules on lym. And other cells. 

 

Lymph nodes 

  Bean shaped, encapsulated ,containing a reticular network 

packed with lymp., macrophages and dendretic cells . 

  Consist of 3 layers: Cortex, Paracortex & Medulla. 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

Lecture 2 – Antibodies & Cytokines 

  Immunoglobulin Antibody (Ab) 

1)  Blood from an individual and put it in a plain tube 

without anticoagulant and left it for half an hour.  

2)  Blood will coagulate and you will get serum. 

Protein electrophoresis: Gamma globulin fraction of 
protein has antibody activity. 

 

Antibody  

  Is a specific glycoprotein developed for a specific 

antigen. 

  Synthesized by:  

  B-Cells armed on its surface and act as a surface 

molecule  bind an antigen  

  plasma cell that secrets free specific antibodies 

 

 

 

  Structure of Ab  

  Each antibody is made up of two identical heavy 

polypeptide chains and two identical light polypeptide 
chains, shaped to form a Y Linked covalently  bind by a 
disulfide bounds  

  Heavy chain (H) has a molecular weight twice that of 

light chain (L), so called heavy and light. 

  Each polypeptide chain is not linear but folded to form 

domes or loops by intrachain disulfide bonds (-s-s) and 
called domains. 

  Light chain had one VL and CL domain  

  Heavy chain had one VH an  CH 1,2,3, 

  Hinge region: area of heavy chain between CH1 and CH2 

domains where the disulfide bond is present. It is a 
flexible area permits the movement of Ab binding 
fragment (Fab) from 30-180

o

 

  Each chain has two regions: 

1)  The Variable Region:  makes up the tips of the Y's arms, 

represent the amino terminal of polypeptide chain, varies 
greatly in shape from one antibody to another. 
  This variation is due to change in aa sequence for this 

reason called the variable region. it has unique shape 
that "match" antigen to antibody., such as a lock 
matches a key 

2)  The Constant Region: The stem of the Y  activates the 

complement system and encourages phagocytosis 
  Its amino acid content and sequence is relatively 

constant and identical in all antibodies of the same 
class
 and it's called the constant region. It represents 
the carboxy terminal of polypeptide chain. This region 
of the antibody molecule is called the Fc 
region
 because it can be crystallized.  


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

 

  In this variable region (heavy and light) , there is a three  

area called a hypervariable region in that area the aa 
sequence is highly variable and called the 
Complemantarity Determining Region (CDR).  This binds 
epitope of Ag. 

  The regions between the complementarity determining 

regions are called the framework regions   

  Paratope: It is a small region (of 15–22 amino acids) of 

the antibody's Fv region and contains parts of the 
antibody's heavy and light chains  
 

 

  Affinity: Strength of interaction between single epitope 

and single paratope. 

 

 

 

 

  Functions of Igs 

1)  Activation of complement 
2)  Opsonization 
3)  Ab dependent cell mediated cytotoxicity 
4)  (ADCC) 
5)  4- Neutralization of toxins 
6)  5- Agglutination of RBC 
7)  6- Blocking the reaction 

 
 
 
 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

  Immunoglobulin Classes (ISOTYPES) 

Immunoglobulin classes  
The immunoglobulins can be divided into five different 
classes, based on differences in the amino acid 
sequences in the constant region of the heavy chains.
 
1. IgG - Gamma heavy chains 
2. IgM - Mu heavy chains 
3. IgA - Alpha heavy chains 
4. IgD - Delta heavy chains 
5. IgE - Epsilon heavy chains 

Immunoglobulin Subclasses 

The classes of immunoglobulins can be divided into 
subclasses based on small differences in the amino acid 
sequences in the constant region of the heavy chains. All 
immunoglobulins within a subclass will have very similar 
heavy chain constant region amino acid sequences.  
1. IgG Subclasses 
a) IgG1 - Gamma 1  heavy chains 
b) IgG2 - Gamma 2  heavy chains 
c) IgG3 - Gamma 3  heavy chains 
d) IgG4 - Gamma 4  heavy chains 

2. IgA Subclasses 
a) IgA1 - Alpha 1  heavy chains 
b) IgA2 - Alpha 2  heavy chains 

  Immunoglobulin Types 

Immunoglobulins can also be classified by the type of light 
chain
 that they have. This based on differences in the amino 
acid sequence in the constant region of the light chain 
1-Kappa light chains  
2- Lambda light chains 

Immunoglobulin Subtypes 

The light chains can also be divided into subtypes based 
on differences in the amino acid sequences in the constant 
region of the light chain. 
1- Lambda 1  2-  Lambda 2  3- Lambda 3  4- Lambda 4  

 

  Nomenclature 

  Immunoglobulins are named based on the class, or 

subclass of the heavy chain & type or subtype of light 
chain. 

  IgG = Immunoglobulin Gamma . 

   IgM - Immunoglobulin Mu  

   IgA - Immunoglobulin Alpha 

   IgD - Immunoglobulin Delta   

  IgE - Immunoglobulin Epsilon  

IgG 

  Structure 

  The structures of the IgG are made up of two   identical 

heavy chains and two identical light chains.  

  All IgG's are monomer.  MW=150 000 d. 
  called so because of its gamma heavy chain 
  The subclasses (IgG1, IgG2, IgG3, IgG4) differ in the 

number of disulfide bonds and length of the hinge region. 

  Properties: 

a)  IgG is the major Ig in serum - 75% of serum Ig 
b)  IgG is the major Ig in extra vascular spaces 
c)  Placental transfer - IgG is the only class of Ig that crosses 

the placenta. IgG2 does not cross well. 

d)  Fixes complement - Not all subclasses fix equally well; 

IgG4 does not fix complement 

e)  Binding to cells - Macrophages, PMN IgG2 and IgG4 do 

not bind to Fc receptors.  A consequence of binding to the 
Fc receptors on PMNs, monocytes and macrophages. The 
antibody has prepared the antigen for eating by the 
phagocytic cells. The term opsonin is used to describe 
substances that enhance phagocytosis.  

f)  main Ig in the secondary immune response 

 

IgA 

  Structure 

1- Serum IgA is a monomer  
2- IgA found in secretions is a dimer  
When IgA exits as a dimer, a J chain is associated with it & 
another protein associated with it called the secretory piece  

  J chain: small glycoprotein that are covalently linked to 

the carboxy terminal portions of heavy chains. 

  Secretary component: is a polypeptide chain synthesized 

by exocrine epithelial cells that enable IgA to pass 
through mucosal tissues into secretions and protect IgA 
from protease enzymes. 

  Properties 

a)  IgA is the 2nd most common serum Ig. 
b)  IgA is the major class of Ig in secretions - tears, saliva, 

colostrum, mucus called secretory IgA 

c)  IgA  activates the alternative pathway of complement 
d)  IgA can bind to some cells - PMN's and some 

lymphocytes. 

e)  E) MW=150 000- 600 000 d 
f)  F) constitutes 10-15 % of serum Ig 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

10 

g)  It is called so because of its alpha heavy chain 

components and of two subclasses: 
1- Alpha 1-----IgA1 
2- alpha 2 -----IgA2 

 

 

IgM 

  Structure 

1)  IgM normally exists as a pentamer  but it can also exist as 

a monomer   on B cell. In the pentameric form all heavy 
chains are identical and all light chains are identical. 
Thus, the valence is theoretically 10 times 

2)   IgM did not has a hing region and replaced by  an extra 

domain on the mu chain (CH4) , so it has 4 constant 
heavy domains  

3)   It has another protein covalently bound via a S-S bond 

called the J chain. This chain functions in polymerization 
of the molecule into a pentamer. 

  Properties: 

a.  IgM is the third most common serum Ig. Constitute 5-

10% of total serum Ig .

  MW=900 000 dalton 

b.  IgM is the first Ig to be made by the fetus and the first Ig 

to be made by a virgin B cells as an Ag receptor. 

c.  As a consequence of its pentameric structure, IgM is a 

good complement fixing  

d.  As a consequence of its structure, IgM is also a good 

hemagglutinating Ig  

e.  IgM binds to some cells via Fc receptors. 
f.  Called so because of Mu heavy chain 

 

 
 
 
 
 

IgE 

  Structure 

IgE exists as a monomer and has an extra domain in the 
constant region had four CH domains. 

  Properties 

a)  IgE is the least common serum Ig since it binds very 

tightly to Fc receptors on basophils and mast cells  

b)  Involved in allergic reactions - Binding of the allergen to 

the IgE on the cells results in the release of various 

pharmacological mediators that result in allergic 
symptoms. 

  It is called homocytotropic (bind cell) & called reagenic Ab 
c)  IgE also plays a role in parasitic helminth diseases. Since 

serum IgE levels rise in parasitic diseases, measuring IgE 
levels is helpful in diagnosing parasitic infections.  

  Eosinophils have Fc receptors for IgE and binding of 

eosinophils to IgE-coated helminths results in killing of 
the parasite. 

d)  IgE does not fix complement. 
e)  MW=190 000 d  
f)  constitutes about 0.002% of total serum Ig 
g)  called IgE because of its epsilon ε heavy chain 

components  

 

IgD 

  Structure 

IgD exists only as a monomer. 

  Properties 

a)  IgD is found in low levels in serum; constitutes about 

0.2% of total serum Ig 

     its role in serum uncertain. 
      MW=150 000 D 
b)  IgD is primarily found on B cell surfaces where it 

functions as a receptor for antigen.  

c)  IgD does not bind complement 
d)  D) called IgD because of  its  delta δ heavy chain 

components. 

 

  Variation of Igs 

1)  Isotypes: All classes and subclasses of Ig that are present 

in normal individuals (IgG,IgM,IgA,IgE,IgD) 

2)  Allotype:   That there is a single aa ifference in the 

peptide chain in CH and CL chain 

3)  Idiotype: represents the antigen binding specificities of 

Igs. The unique aa sequence of VH and VL can function 
as antigenic determinants. 
 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

11 

  Immune response 

  primary humoral immune response. The first contact of 

an exogenous Ag with an individual leads to generation a 

  Characteristics: 

1- longer lag phase: during this period , the naive B cells 
undergo clonal selection, clonal expansion and 
differentiation into memory and plasma cells 
2- Log phase (logarithmic): increase in IgM 
concentration. 

  Secondary immune response 

  Second contact with same exogenous antigen, generates 

secondary humoral immune response. 

  Characterization: 

1-shorter lag phase 
2-Rapid reaches a greater magnitude of IgG and last for 
longer time. This is because of memory B-cells specific 
for this Ag is existed. The processes of affinity maturation 
and class switching are responsible for higher affinity to 
Ag and different isotype 

 

 

Vaccination (immunization) 

 

Used to provoke a positive immune response by an 
individual to various pathogenic microorganisms to 
confer protection. 

 

 

 

Polyclonal antibody 
Most Ags possess multiple epitopes and each one of them 
induce different B cells to proliferate into many clones of 
cells that recognize different epitopes, these B cells secret 
Abs, resulting into a mixture of Abs called polyclonal Abs 

 

Monoclonal antibody 
A clone of single B-cells that recognize a single epitope 
that secret Abs spesific to a single epitope so it’s called 
monoclonal Abs. It’s used for diagnostic and theraputic 
purposes. 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

12 

  Cytokines 

  Are regulatory proteins or glycoproteins of low molecular 

weight secreted by white blood cells and other cells in 
response to a number of stimuli. 

  Function as intercellular messenger that evoke particular 

biological activity after binding to a specific receptor.  

 
 

  Nomenclature 

  Lymphokines: cytokines secreted by lymphocytes. 

  Monokines: cytokines secreted by monocytes and 

macrophages. 

 

Interlukines

: cytokines are secreted by some leukocytes 

and act upon other leukocytes. 

  IL-1 

o  Secreted by macrophages 
o  Act on lymphocytes 
o  Induce lymphocytes maturation , activation and clonal 

expansion 

o  Acts on hypothalamus inducing fever 

IL-2 

o  Secreted from Th1  
o  Acts on Ag specific T-cell  supporting its growth  
o  Acts on NK cell increasing activity 
o  Acts on  Tc cell increasing  cytotoxicity 
o  Leads to development cell mediated immunity 
o  Suppress cytokines secreted from Th2 cells.  

  IL-3 

o  Secreted from Th2 
o  Supports growth and differentiation of hematopoietic cells  

  IL4 and IL-5 

o  Secreted from TH2 
o  Its up-regulate classII MHC expression  
o  Stimulate growth of mast cell 
o  Stimulate proliferation of activated B-cell 
o  Stimulate Abs secretions from plasma cell 
o  Stimulates humoral immune response 
o  Down regulates Th1 
o  IL-4 promotes class switch to IgE 
o  IL-5 promotes Eosinophil activation and generation 

  IL-6 

o  Secreted by macrophages and endothelial cells. 
o  Effect liver induces acute phase protein synthesis and 

proliferation and antibody secretion of B-cells. 

  IL-10 

o  Secreted from Th2 

o  Antagonizes generation of Th1 subsets  and cytokines 

production by TH cell 

o  Mediate regulation of the immune system 

 

  Interferon (IFN) 

o  IFN α:secreted from leukocytes and inhibit viral 

replication 

o  IFN β:secreted from fibroblasts and inhibit viral 

replication 

o  IFN γ:secreted from Th1, Tc, NK cell and inhibit viral 

replication,  
   Enhance activity of macrophages,  
   Increase MHC class-II expression
   Inhibits Th2 proliferation 

  Tumor necrosis factor (TNF) 

o  TNF :secreted from macrophages and act on tumor cells 
o  Had direct cytotoxic effect on tumor cells and tumor 

undergoes visible hemorrhagic necrosis and regression by 
inhibition angiogenesis, thereby decreasing the flow of 
blood that is necessary for progressive tumor growth. 

o  Causes extensive loss weight (cachexia) by suppression 

lipogenetic metabolism. 
 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

13 

Lecture 3 - cells of the immune system, 
receptors, mechanisms of action 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

14 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

15 

 

 

 

 

 

 
 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

16 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

17 

Lecture 4 - Major Histocompatibility 
Complex (MHC) & Complement system 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

18 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

19 

 

 

 

 

 

 

 
 
 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

20 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

21 

Lecture 5 - Hypersensitivity   

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

22 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

23 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

24 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

25 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

26 

Lecture 6 - Tolerance & Autoimmunity 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

27 

 

 

 

 

 
 
 
 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

28 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

29 

Lecture 7 - Transplantation  

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

30 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

31 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

32 

Lecture 8+9+10 - Immune response to 
infectious diseases  

 

 

(Viral infection) 

 

  Definition of a Virus 

Sub microscopic organism consisting of a single nucleic acid 
surrounded by a protein coat and capable of replication only 
within the living cells of bacteria, human, animals or plants.  
It is obligate Intracellular Parasite 

 

 

  Virus Replication 

A. Virus attachment and entry 
B. Uncoating of virion 
C. Migration of genomic nucleic acid to nucleus, and 
Transcrirption 
D. Genomic replication 
E. Translation of viral mRNA 
F and G. Viroin assembly 
H. Release of new virus particles 

 

 

Transmission of Viruses 

  Respiratory transmission 

  Influenza A virus 

  Faecal-oral transmission 

  Enterovirus 

  Blood-borne transmission 

  Hepatitis B virus 

  Sexual Transmission 

  HIV 

  Animal or insect vectors 

  Rabies virus 

Virus Tissue Tropism 

  Targeting of the virus to specific tissue and cell types 

  Receptor Recognition 

  CD4+ cells infected by HIV 
  CD155 acts as the receptor for poliovirus 
 

  In vivo Disease Processes 

  Cell destruction 
  Virus-induced changes to gene expression 
  Immunopathogenic disease 

 

Acute Virus Infections 
  Localised to specific site of body 
  Development of viraemia with widespread infection of tissues 
 

  Immunity against Viral Infections 

  Within viruses life cycle they have a relatively short 

extracellular period, prior to infecting the cells, and a longer 
intracellular period
 during which they undergo replication.  

  The immune system has mechanisms which can attack the 

virus in both these phases of its life cycle, and which involve 
both innate and adaptive effectors mechanisms.  

  Immunological reactions are thus of two kinds:  

  Those directed against the virion are predominantly humoral   
  Those that act upon the virus infected cell are T-cell-mediated

 

1)  Innate Immunity: 

Involves skin, mucous membrane, HCL, enzymes in tears and 
secretions, toll-like receptors, but primarily through the 
induction of type I interferons (α,β) and activation of NK 
cells. 
 

  Toll-like receptors (TLR): 

TLR allow cells to “see” molecules, it signifying presence of 
microbes outside the   cell e.g. TLR2, TLR4 and found in 
variety of cell types 
  Toll-like receptor 9 (TLR9) Intracellular sensing in 

monocytes, dendritic cells and lymphocytes 

  NOD proteins: 

Are dipeptides binding intracellular protein, signaling via NF-
κb. These receptors recognize bacterial cell wall components 
within cytoplasm 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

33 

  RIG-I:  

Intracellular sensing of RNA viruses e.g. Hepatitis C. 
It induces type I interferons 

 

 

A.  Induction of type I interferons (IFN-α and IFN-β).  

Are one of the first lines of defense against viral infections. ds 
RNA produced during the viral life cycle can induce the 
expression of IFN- α and IFN- β by the infected cells leading 
to  induction of  "antiviral response or resistant to viral 
replication”
 by binding to IFN- α / β  receptor.  They activate 
the (JAK-STAT) transcription pathway, which in turn induces 
the activation of several genes. One of these genes encodes the 
enzyme known oligo-adenylate synthetase which activates a 
ribonuclease (RNAse) that degrades viral RNA. and also 
blocking viral replication. 

B.  Natural Killer Cells (NK):  

  NK cells possess the ability to recognize and lyses virally 

infected cells and certain tumor cells.  

  During the initial stages of infection, NK cells undergo non- 

specific proliferation mediated by IFN- α and IFN- β and IL-
12. There is no "lag" phase of clone expansion for NK cells to 
be active as effectors, as there is with antigen-specific T and B 
lymphocytes. Thus NK cells may be effective within 2 days of 
viral infection, and may limit the spread of infection during 
this early stage.  
 

2)  Adaptive Immunity: 

A.  Viral neutralization by humoral antibodies 

Antibodies specific for viral surface antigens are crucial in 
preventing the spreading of the virus during the acute infection 
and in protecting against reinfection. 

  Secretary IgA (sIgA): blocking viral attachment to mucosal 

cells. 

  IgG, IgM, IgA: blocks fusion of viral envelop to host cell 

plasma membrane.  

  IgG, IgM: enhance phagocytosis by opsonization.  
  IgM: agglutinates viral particles.  

  Complement activated by Ag-Ab immune complex leading to 

lysis of virus by membrane attack complex and lysis of 
enveloped viral particles. 
 

B.  Cell mediated immune response mediated by cytotoxic T 

lymphocytes (CD8+) that kill virus infected cell, after 
induction by activated Th1 cells which produce a number of 
cytokines including IL-2, IFN-γ and TNF-α that defends 
against viruses either directly or indirectly. 

  Mechanism of killing of MHC class I- restricted CD8+ CTLs 

cells specific for the virus elimination through the release of 
perforin and granzymes or through Fas-FasL interaction. CTL 
activity arises within 3-4 days, peak by 7-10 days and then 
decline. 

  But in case of persistent virus infection (e.g. hepatitis B 

virus), CTLs release IFN-γ and TNF, resulting in clearance 
of the virus without death of the cell.
 

 

  Viral evasion of host- defense mechanism 

1) 

Some viruses developed strategies to evade the action of IFN-
α/β.
 These include hepatitis C virus, which binds to IFN 
receptor & blocking or inhibiting the action of protein kinase 
(PKR). 

2) 

Herpes Simplex Viruses (HSV) inhibiting antigen 
presentation by infected host cells.
 

  HSV -1 and HSV-2 both express an immediate- early protein 

that synthesized shortly after viral replication, they effectively 
inhibits the human transporter protein TAP needed for 
antigen processing, and thus blocks peptide association with 
the class I MHC and effectively shut down a CD8+ T- cell 
responses to HSV- infected cells. 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

34 

  Other viruses used this strategies are: Adenoviruses and 

Cytomegalovirus (CMV) 

 

 

 

  How can viruses interfere with endogenous Ag processing 

as part of the active mechanism of evading immunity?  

  Herpes zoster virus can remain inactive or in latent state 

inside the cell (latency virus genome in sensory ganglion) and 
undergoing periodic cycles of activation and replication. The 
viral genome remains within the host cell but no expression of 
viral antigens occurs. When the host defense is upset perhaps 
by other infections, the virus may be activated (it is the most 

effective mechanism). 

 

3) 

CMV, Measles virus and HIV, have been shown to down 
regulation of class II MHC on the cell surface,
 thus blocking 
the function of antigen- specific anti- viral helper T cells. 

  HIV 

 
 

4) 

Vaccina virus is the prototypic member of the poxvirus 
family of cytoplasmic DNA viruses have strategies for 
evading complement- mediated destruction, by secretion a 
protein that binds to the C4b complement component thus 
inhibiting the classical pathway.  
  HSV have glycoprotein component that binds to C3b 

complement components, and inhibiting both the classical 
and alternative pathways. 

 

5) 

Large number of viruses causing generalized 
immunosuppresion

  Either by direct infection of B lymphocytes (e.g. Epestien 

Bar Virus), or macrophages (e.g. Measles virus) resulting in 
direct lysis of immune cells or alter their function. HIV 
destroy CD4+ T cells and macrophages 

  Some causes cytokine imbalance(e.g. EBV) inhibits T 

lymphocytes by producing a protein termed BCRF1 that is 
homologous to IL-10 and thus suppress the cytokine 
production by the Th 1 subset, resulting in decreased levels of 
IL-2, TNF, and IFN-γ.  

  Measles Virus binds the complement regulatory protein CD46 

(is a human cell receptor for measles virus ) on macrophages. 
Example: paramyxoviruses that cause mumps, the measles 
virus, epstein- barr virus (EBV), CMV and HIV. 

 

6) 

Some viruses escape immune attack by constantly changing 
their antigens, 
as in the Influenza virus, Rhinoviruses, the 
causative agent of the common cold, and HIV results in the 
frequent emergence of new infectious strains due to mutation 
and antigenic variation. 

 

  Influenza virus 

Properties of the virus 

o  Myxovirus 
o  Enveloped virus with a segmented RNA genome 
o  Infects a wide range of animals other than humans 
o  Undergoes extensive antigenic variation 
o  Major cause of respiratory infections 


background image

Unit 1: Immunology

 

 

 

35 

o  Influenza viral particles or virions are spherical in shape 

surrounded by an outer envelope, a lipid bilayer. Two 
glycoproteins particles inserted into the envelope, 
hemagglutinin (HA) and neuraminidase (NA), which form 
radiating projections.  
  Hemagglutinin are responsible for the attachment of the 

virus to host cells. 

  Neuraminidase facilitates viral budding from the infected 

host cell. 

  Each virus strain is defined by its animal host of origin or 

human, strain number, year of isolation,  antigenic 
description of HA and NA 

 

 

o  Two different mechanisms generate antigenic variation in HA 

and NA: 

1.  Antigenic drift involves a series of spontaneous point 

mutations that occur gradually, resulting in minor changes in 
HA and NA. 

2.  Antigenic shift results in the sudden emergence of a new 

subtype of influenza whose HA and possibly also NA are 
different from that of the virus present in a preceding 
epidemic. 

 

Generation of Novel Influenza A Viruses 

 

 

o  Host response to influenza infection 

  Humoral antibody specific for the HA molecule is produced 

during an influenza infection.  

  The antibody protects against influenza infection, but its 

specificity is strain- specific and is readily bypassed by 
antigenic drift.
 

  CTLs can play a role in immune response to influenza. 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

36 

 

Bacterial infection 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

37 

 

 

 

 
 
 
 

 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

38 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

39 

 

 

 
 
 
 
 

 

Parasitic Infection 

Immunity against parasites 

  Parasites of major medical important successfully adapted 

to innate & acquired immune responses of host.  

  Parasites can cause direct damage to host by:  

  Competing for nutrients (e.g. tapeworms). 
  Disrupting tissues (e.g. Hydatid cyst) or destroying 

cells (e.g. malaria, hookworm, schistosomiasis; feeding 
on or causing destruction of cells causing anaemia). 

  Mechanical blockage (e.g. Ascaris in intestine).  

  However, severe disease often has a specific immune or 

inflammatory component.  

 

  Protozoan Diseases 

  Protozoans are unicellular eukaryotic organisms. They are 

responsible for several serious diseases in humans, 
including amoebiasis, African sleeping sickness, 
malaria, leishmaniasis, and toxoplasmosis.
 

  Parasitic protozoa may live: 

  In the gut (e.g. amoebae) 
  In the blood (e.g. African trypanosomes) 
  Within erythrocytes (e.g. Plasmodium spp.) 
  In macrophages (e.g. leishmania spp., Trypanosomes) 
  In liver and spleen (e.g. leishmania spp.)  

Immune responses against protozoan infection

 

  The types of immune response that develop depend on 

the location of the parasite within the host. 

  Many protozoans have life-cycle stages in which they are 

free within the blood stream , the humoral antibody is 
most effective (e.g. T. brucei


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

40 

  Many of these same pathogens are also capable of 

intracellular growth, during these stages, cell mediated 
immune reaction are more effective in host defense.  
(e.g. Plasmodium  malariae (liver and blood stages),   
  T. cruzi and Leishmamia ( inside macrophages) 

 

Role of Abs in protozoan infection 

Antibody responses.   

  Extracellular protozoa are eliminated by: 

  Opsonisation and enhance phagocytosis.  
   Has direct damage, lysis of protozoa by Ag-Ab 

immune complex and complement activation. 

  Intracellular protozoa are  

  Prevented from entering the host cells by a process of 

neutralizing attachment sites, e.g. neutralising 
antibody against malaria sporozoites, blocks cell 
receptor for entry into liver cells.  

   Prevents escape from  lysosomal vacuoles  

 

  Malaria (Plasmodium Species) 

It is caused by various spp. of genus Plasmodium, of 
which the P. falciparum is the most 
virulent. Human infection begins when 
sporozoites are introduced into 
individual's blood stream as an infected 
mosquito takes a blood meal. Then they 
migrate to the liver, after that the released 

merozoites infect RBCs initiating the symptoms and 
pathology of malaria. 

Host Response to Plasmodium Infection 

  In regions where malaria is endemic, the immune 

response to plasmodium infection is poor with low 
antibody titer.
 

  The type of T cells responsible for controlling an infection 

varies with the stage of infection, and depends upon the 
kinds of cytokine they produce.  

  B cells mediate immunity against blood stage 

  CD8 T cells protect against the liver stage  

The action of CD8+ T cells is two folds
1)  They secrete IFN-γ which inhibits the multiplication of 

parasites within hepatocytes. 

2)  They are able to kill infected hepatocytes, but not 

infected erythrocytes. 

 

 

Evasion strategies of Plasmodium 

  Plasmodium needs time in host to complete complex 

development, to sexually reproduce & to ensure vector 
transmission. 

  Chronic infections (from a few months to many years) are 

normal; therefore parasite needs to avoid immune 
elimination.  

  Plasmodium has evolved a way of overcoming the 

immune response by sloughing off the surface CS- 
antigen coat, 
thus rendering the antibodies ineffective 
(immunosupression) 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

41 

The maturational changes from sporoziote to merozoite 
to gametocyte allow the organism to keep changing its 
surface molecule resulting in continual changes in the 
antigen seen by the immune system. 

African sleeping sickness (Trypanosoma 
Species) 

  Two spp. of African trypanosomes (Trypanosoma brucei, 

Trypanosoma cruzi), which are flagellated protozoan
can cause sleeping sickness, it transmitted to humans and 
cattle by the bite of tsetse fly.  

  The disease beginning with an early (systemic) stage in 

which trypanosomes multiply in the blood and 
progressing to a neurologic stage in which the parasite 
infects the CNS
 causing meningeoecephalitis. 

 

 
Host Response to Trypanosoma Infection
 
Humoral antibody 

  African Trypanosomes have one surface glycoprotein that 

covers the parasite. This protein is immunodominant for 
antibody responses . 

  The glycoprotein coat, called variant surface 

glycoprotein (VSG).  

  These Abs eliminate most of the parasites from the blood 

stream both by complement- mediated lysis and by 
opsonization and subsequent phagocytosis.  

  However about 1% of the organisms which bear an 

antigenically different VSG escape the initial Abs 
response. 

Evasion strategies of Trypanosoma 

1)  Antigenic variation    

  Trypanosoma brucei have “gene cassettes” of variant 

surface glycoproteins (VSG’s) which allow them to 
switch to different VSG. 

  Several unusual genetic processes generate the 

extensive variation in trypanosomal VSG that enable 
the organism to escape the immunological clearance. 

  VSG gene is switched regularly. The effect of this is 

that host mounts immune response to current VSG 
Abs but parasite is already switching VSG to another 
type which is not recognised by the host. A parasite 

expressing the new VSG will escape antibody 
detection and replicate to continue the infection.  

  This allows the parasite to survive for months or years.  
  Up to 2000 genes involved in this process. 
  This type of antigenic variation is known as 

phenotypic variation and is in contrast to genotypic 
variation in the case of influenza virus in which a new 
strain periodically results 

2)  Suppression of the immune response, e.g. 

Trypanosoma cruzi produces molecules that either inhibit 
the formation or accelerate the decay of C3 convertase, so 
blocking complement activation on the parasite surface.  

 

Leishmaniasis: 

  For Intra cellular protozoa 

Leishmania major is a protozoan that 
lives in the phagosomes of 
macrophages
.   

  Resistance to the infection correlates 

with the cytokines secreted from TH1 

and activation of Macrophages by 
IFN-γ and TNF-α and killing by 
Nitrous oxide and O2 metabolites 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

42 

Immune evasion mechanisms of Intracellular protozoa 
There are three main ways in which protozoa can evade or 
modify the host's immunological attack: 

1. Antigenic modulation 
2. Resistance to macrophages killing 
3. Suppression of the immune response  

Protozoan immune evasion strategies 

1.  Leishmania can evade the immune surveillance by 

Antigenic modulation, which can rapidly change their 
surface coat (cap off)
 within minutes of exposure to 
antibodies, so becoming refractory to the effects of 
antibodies and complement. 

2.  Toxoplasma has evolved mechanisms which prevent 

fusion of phagocytic vacuoles with lysosomes and resist 
to macrophages killing.
 

3.  Leishmania produce anti-oxidases to counter products of 

macrophage oxidative burst, resist lysosomal enzymes 
and  suppressed the immune responses 

 

  Parasitic Worms (Helminthes) 

  Too large for phagocytosis BUT Immune response can 

activate inflammation which results in expulsion of 
worms.
 

  Anti-worm IgE can activate degranulation of mast cells 

and eosinophils leads to Type I hypersensitivity like 
responses. 

  Initiation of response is poorly understood. Unusual 

carbohydrates can be recognized by innate and adaptive 
(antibody) responses. These responses are regulated by 
the TH2 subsets of CD4 T lymphocytes.  

 
 

The immunological responses in helminthes diseases 

1)  High titer of IgE that induced by a substance released 

from the parasite acting as B cell mitogens. 

2)  Accumulation of mast cell and degranulation of these 

cells releasing Eosinophils chemotactic factor (ECF), 
Neutrophil chemotactic factor (NCF) 

3)  cytokines secretion by Th2 :  

  IL-4 induces B-cells to class switching to IgE 

production ,  

  IL-5 induces bone marrow precursors to differentiate 

into Eosinophils ,  

  IL-13 stimulates growth of mast cells 

 

 

 

4)  Ab- Ag complex activates complement ending in cell lysis  
5)  The eosinophils express Fc receptors for IgE and IgG and 

bind to the Ab- coated parasite. Once bound to the 
parasite, an eosinophil can participate in Ab- dependent 
cell- mediated cytotoxicity (ADCC), releasing mediators 
from its granules called Major basic protein (MBP) that 
is toxic to helminthes causing small holes in the surface of 
the helminth.  

6)  Neutrophils and macrophages act by releasing toxic O2 

and N2   metabolites 

7)  In case of Nematodes, there is proliferation and 

stimulation of goblet cells, increased mucus secretion 
leads to expulsion of worm 

 

 

 
 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

43 

Helminth immune evasion strategies 

1)  Antigenic disguise: (e.g. Adult Schistosoma) 

  Decrease expression of Ag on its outer surface.  
  Enclosed itself in a glycolipid and a glycoprotein coat 

derived from the host , masking its own Ags Like 
ABO blood group Ags 

2)  Suppression of T- & B- cell responses: young schistosomes 

actively protect themselves by releasing peptidases that 
cleave bound immunoglobulin & other factors that inhibit 
both T-cell proliferation 7 release of IFN-γ or the mast cell 
signal required for eosinophil activation. 

 

 

3)  Location inside the lumen of the gut like nematodes or 

encysted inside protective cyst like Trichenella   spirallis. 

4)  Presence of a thick extracellular cuticle like tegument 

of Schistosomes which protect them from the immune 
system 

5)  Molecules production that interfere with host immune 

function e.g. Filarial worms secrete a protease inhibitor 
Filarial worm evasion of immune responses 

 

 

Compare between immune response to protozoa 
and helminthes 

 

 

Fungal Infection 

  Fungi are eukaryotes with a rigid cell wall enriched in 

complex polysaccharides such as chitin, glucans. Among 
the 70000 species of fungi, only a small number are 
pathogenic for humans. 

  Fungal infections are regularly seen in: 

* Patients with untreated AIDS. 
* Patients with cancer and undergoing chemotherapy. 
* Patients with transplants on immunosuppressive agents. 
* Some patients taking long-term corticosteroids. 

  Degree of fungal infection can range from cutaneous to 

deep and systemic 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

44 

Lecture 4+5+6 - Immunodeficiencies 

 

  Definition 

  It is a condition in which the immune system is failed to 

protect the host from disease-causing agents or from 
malignant cells. 

  Immunodeficiency disease results from the absence or 

failure of normal function of one or more elements of the 
immune system.  

  The immunodeficiencies should be suspected in every 

patient, irrespective of age, who has recurrent, persistent, 
sever or unusual infections.  
 

  Classification 

A.  Primary immunodeficiency: a condition results from a 

genetic or developmental defect in immune system 
(intrinsic defect). In such a condition, the defect is present 
at birth although it may manifest itself later in life. 

B.  Secondary immunodeficiency or (acquired 

immunodeficiency): is the loss of immune function and 
results from exposure to various agents (disease or therapy). 
The most common one is acquired immune-deficiency 
syndrome or AIDS, which results from infection with the 
human immunodeficiency virus 1 (HIV-1).  
 

1) Primary immunodeficiency 

  Primary immunodeficiencies may affect either adaptive or 

innate immune functions.  

  Specific immunodeficiency diseases involve 

abnormalities of T or B cells, the cells of the adaptive 
immune system.  

  Non-specific immunodeficiency diseases involve 

abnormalities of elements such as complement proteins or 
phagocytes, which act non-specifically in immunity..  

  Immunodeficiency diseases cause increased susceptibility 

to infection in patients. The infections encountered in 
immunodeficient patients fall into two categories: 

  Patients with defects in immunoglobulins, complement 

proteins or phagocytes are very susceptible to recurrent 
infections with encapsulated bacteria such as 
Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae and 
Staphylococcus aureus. These are called pyogenic 
infections, because the bacteria give rise to pus formation.  

  On the other hand, patients with defects in cell-

mediated immunity, in T cells, are susceptible to 
overwhelming, even lethal; infections with opportunistic 
microorganisms include yeast and common viruses such 
as chickenpox.  

Defects in the lymphoid Lineage 

A. Primary B-cell deficiencies include: 

Patients with common defects in B-cell function have 
recurrent pyogenic infections such as pneumonia, otitis 
media and sinusitis 

 

1)  X- Linked Agammaglobulinemia (XLA) early 

B- cell maturation fails 

  Affected males have few or no B cells in their blood or 

lymphoid tissue;  their lymph nodes are very small and 
their tonsils are absent. Their serum usually contains no 
IgA, IgM, IgD or IgE, and only small amounts of IgG 
(less than 1 md/dl). Infants for the first 6 – 12 months of 
life are protected from infection by the maternal IgG. As 
this supply of IgG is exhausted, affected male develop 
recurrent pyogenic infections. 

 

 

The gene that is defective in X-LA is a B-cell cytoplasmic 
tyrosine kinase (btk) belonging to the src oncogene family. 
It encoded B- cell signal transduction molecule called 
Burton’s tyrosin kinase is obviously vital for the process of 
B-cell maturation. Bone marrow of males with X-LA 
contains normal numbers of pre-B cells but, as a result of 
mutations in the btk gene, they cannot mature to B cells. 
Treatment by periodic Intravenous  administration of Igs  

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

45 

2)  X- Linked Hyper IgM Syndrome (XHM) 

  In XHIgM the B cells cannot make the switch from IgM 

to IgG, IgA and IgE synthesis that normally occurs in B-
cell maturation.   

  As a result, patients have decreased levels of serum IgG 

and IgA and elevated levels of IgM some times as high as 
10 mg/ml (normal Igm concentration is 1.5 mg/ ml).  

  It results from a variety of genetic defects that affect the 

interaction between T-lymphocytes and B-lymphocytes. 

  It is inherited as an X- linked recessive disorder.  

  In normal B cells, this switch to IgE is induced by two 

factors: 
  IL-4 must bind to the B-cell receptor for IL-4, and  
  The CD40 molecule on the B-cell surface must bind to 

the CD40 ligand on activated T cells.  

  70% is due to defect  in the gene encoding the CD40 

ligand (CD40L) on the membrane of TH cells  

  Children in first two years suffer recurrent infections, 

especially respiratory infections caused by opportunistic 
pathogens.  

  Treatment by administration of intravenous Ig.  

 

 

 

3)  Common variable immunodeficiency (CVID) 

  There are defect in T cell signaling to B cells. 

  Individuals with CVID have acquired 

agammaglobulinaemia in the second or third decade of 
life, or later. Both males and females are equally affected 
and the cause is generally not known, but may follow 
infection with viruses such as Epstein – Barr virus (EBV). 
Patients with CVID, like males with X-LA, are very 
susceptible to pyogenic organisms. 

  Most patients (80%) with CVID have B cells that do not 

function properly and are immature. The B cells are not 
defective; instead, they fail to receive proper signals from 
the T cells.  

  Patients with CVID should be treated with intravenous 

gammaglobulin. 
 

4)  Selective IgA deficiency 

 

B.  Primary T-cell deficiencies include: 

 

1)  Severe Combined Immunodeficiency (SCID): 

  Infants with SCID have very few lymphocytes in their 

blood (fewer than 3000/ml). Their lymphoid tissue also 
contains few or no lymphocytes. The thymus has a fetal 
appearance.  

  Patients with no T cells, or poor T-cell function, are 

susceptible to opportunistic infections. Since B-cell 
function in humans is largely T-cell dependent, T-cell 
deficiency also results in humoral immunodeficiency.  

  The infants have prolonged diarrhea due to rotavirus or 

bacterial infection of the GIT, and develop pneumonia 
usually due to protozoal infection.  

  The common yeast organism Candida albicans  grows in 

the mouth or on the skin of the patients with SCID.  

  If the patients with SCID are vaccinated with live 

organisms such as poliovirus or BCG  they die from 
progressive infection with these organisms 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

46 

 

 

1.  Over 50% of cases are caused by a gene defect on the X 

chromosome. SCID is more common in males than 
females infants (3:1) 
  Genetic defect in γ-chain of the IL-2R also shard 

receptors for other cytokines IL-4, 7, 11, and 15. 

2.  The remaining cases of SCID are due to recessive genes 

on other chromosomes of these, half have a genetic 
deficiency of adenosine deaminase (ADA) or purine 
nucleoside phosphorylase (PNP), resulting in the 
accumulation of metabolites that are toxic to lymphoid 
stem cells. These metabolites inhibit the enzyme 
ribonucleotide reductase, which is required for DNA 
synthesis and for all replication. 

3.  Other autosomal recessive form of SCID results from a 

mutation in either of the recombinase- activating genes 
encoding RAG-1 or RAG-2. 
 
  These two genes are absolutely required for cleaving 

double- stranded DNA before recombination of DNA 
to form the immunoglobulin genes and the genes 
encoding the lymphocyte cell receptor that 
characterized mature B and T cells. 

  If these gene rearrangements do not occur, B and T 

cells do not develop.   

 

  The optimal treatment: is a bone marrow transplant from a 

completely histocompatible donor, usually normal sibling, 
or the affected infants die within the first 2 years of life. 

  Also gene therapy of RAG 

 

 

2)  The DiGeorge Syndrome (Congenital Thymic 

Aplasia) 

  The thymic epithelium is derived from the third and 

fourth pharyngeal by the sixth week of human gestation. 
Defect is associated with the deletion in the embryo of a 
region on chromosome 22  

  The T-cell deficiency is variable, depending on how badly 

the thymus is affected. Affected infants have distinctive 
facial features in that their eyes are widely separated. 
They also have congenital malformations of the heart or 
aortic arch and neonatal tetany from the hypoplasia or 
aplasia of the parathyroid glands.  

  Treatment is by supportive therapy, or thymic 

epithelial transplant. 

 

 

3)  Wiskott- Aldrich Syndrome (WAS): 

  WAS is an X-linked immunodeficiency disease.  

  Affected males have small and abnormal platelets, which 

are also few in numbers (thrombocytopenia) which may 
lead to fatal bleeding. Boys with WAS develop severe 
eczema as well as pyogenic and opportunistic infections. 

  Their serum contains increased amounts of IgA & IgE

normal levels of IgG and decreased amounts of IgM.  

  Their T cells are defective in function. This fails to 

occur in the WAS, with the result that collaboration 
among immune cell is faulty. 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

47 

C. Genetic Defect in Complement Proteins 

  Deficiencies of the classical pathway componentsC1q, 

C1r, C1s, C4, or C2 results in susceptibility to develop 
immune complex disease such as 
systemic lupus 
erythematosus (SLE). This correlates with the known 
function of the classical pathway in the dissolution of 
immune complexes.  

  Deficiencies of C3, and the alternative pathway 

components, factor H, or factor I result in increased 
susceptibility to pyogenic infection
; this correlates with 
the important role of C3 in opsonization of pyogenic 
bacteria.  

  Deficiencies of the terminal components C5-8, and of 

the alternative pathway components, factor D and 
properdin results in remarkable susceptibility to 
infection with two pathogenic spp
. Of Neisseria
gonorrhoeae,
 and meningitides. 
  All these genetic complement component deficiencies 

are inherited. 

  Treatment usually maintained with antibiotics. 
 

Hereditary angioneurotic edema (HAE) is 
due to C1 inhibitor deficiency 

  It is well-known disease resulted due to deficiency of the 

complement system C1 inhibitor. This molecule is 
responsible for dissociation of activated C1, by binding to 
C1r2 and C1s2. 

  This disease is inherited as an autosomal dominant 

trait 

   C1 inhibitor deficiency may be acquired later in life. In 

some cases an autoantibody to C1inhibitor is found. 

  Patients with HAE have recurrent episodes of swelling of 

various parts of the body (angioedema). When the edema 
involves the intestine, abdominal pains ad cramps results, 
with severe vomiting. 

   When the edema involves the upper airway, the patients 

may choke to death from respiratory obstruction. 
Angioedema of the upper airway therefore presents a 
medical emergency, which requires rapid action to restore 
normal breathing.  

 

D. Defects in phagocytes 

  Phagocytic cells – polymorphonuclear leucocytes and 

cells of the monocyte /macrophage lineage – are 
important in host defense against pyogenic bacteria and 
other intracellular microorganisms. A severe deficiency 
of polymorphonuclear leucocytes (neutropenia) can result 
in overwhelming bacterial infection.  

  Two genetic defects of phagocytes are clinically 

important in that they result in susceptibility to severe 
infections and are often fatal includes: 

1. Chronic granulomatous disease  
2.  Leucocyte adhesion deficiency.  
 

1)  Chronic granulomatous disease (CGD) is due 

to a defect in the oxygen reduction pathway 

  

  Is a genetic disease, 70% is an X- linked form 

  Defect in the ability of macrophages and PMNs to kill 

phagocytosed organisms 

  Decrease in the ability of macrophages to serve as APCs. 

  Patients with CGD have defective NADPH oxidase 

which catalyzes the reduction of O

to •O

by the 

reaction:  

  NADPH + 2O

→ NADP

+ 2•O

2- 

+ H

+

 

  Thus, they are incapable of forming superoxide anions 

(•O

2

) and hydrogen peroxide in their phagocytes, 

following ingestion of microorganisms and so cannot 
readily kill ingested bacteria or fungi organisms.  

  As a result, microorganisms remain alive in phagocytes of 

patients with CGD. This gives rise to a cell-mediated 
response to persistent intracellular microbial antigens, and 
granulomas form. Children with CGD develop 
pneumonia, infections the lymph nodes (lymphadenitis), 
and abscesses in the skin, liver and other viscera. 

 

 

  Treatment with antibiotics 

 

 

2)  Leukocyte Adhesion Deficiency (LAD) 

  The receptor in the phagocyte membrane that binds to 

C3b on opsonized microorganisms is critical for the 
ingestion of bacteria by phagocytes. This receptor, an 
integrin called complement receptor 3 (CR3), is 
deficient in patients with LAD 
and consequently they 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

48 

develop severe bacterial infections, particularly of the 
mouth and GIT.  

 

CR3 is composed of two polypeptide chains: an α chain 
and  β chain. In LAD, there is a genetic defect of the β 
chain of CR3, encoded by a gene on chromosome 21. 
 

 

 

Other integrin proteins share the same β chain, namely 
lymphocyte function associated antigen (LFA-1) .  
Genetic defect of LFA-1 leading to impairment of 
adhesion of leukocytes to vascular endothelium and limits 
recruitment of cells to sites of inflammation. 

  LAD varies in its severity; some affected individuals die 

within a few years, whereas others may survive into their 
forties. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Secondary or Acquired 
Immunodeficiency 

It results from exposure to a number of chemical & 

biological 

agents that induce immunodeficient state. 

A.  Drugs: 
  Corticosteroids: commonly used for treatment of 

autoimmune disorders interfere with the immune response 
in order to relief the disease symptoms 

  Immunosuppressive drugs, such as cyclosporine- A 

used in transplantation patients which block the immune 
attack to transplanted organ. 

  Cytotoxic drugs or radiation treatments given to treat 

various forms of cancer frequently damage the dividing 
cells in the body (depression hematopoiesis)  

B.  Nutrient Deficiency 
  Lymphoid tissues are very vulnerable to the damaging 

effects of malnutrition.  

  Numerous enzymes with key roles in immune processes 

required zinc, iron, vitamin B6, and other 
micronutrients including selenium, and copper.
 

  Lymphoid atrophy is a prominent morphological feature 

of malnutrition (T selective deficiencies) 

C.  Infection:  

Acquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS): 
The most significant global cause of immunodeficiency is 
HIV infection. Over 25 million people have died from 
AIDS since the first cases were described in 1981. As the 
end of 2004, WHO estimate that, approximately 40 
million people are living with HIV infection worldwide, 
with approximately 5 million new infections and 3 million 
deaths each year. 

Acquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS) 

  AIDS: Is caused by Human Immunodeficiency Virus 

(HIV) a retrovirus, which is found in all cases of the 
disease.  

  The primary targets of HIV are activated CD4+ T helper 

lymphocytes but the virus can also infect several other 
cell types including macrophages.  

  Infection leads to loss of T4 helper lymphocytes and 

immunosuppression in the patient and the consequent 
fatal opportunistic infections. 

  HIV is a lentivirus, a class of retrovirus.  
  The name lentivirus means slow virus, so called because 

these viruses take a long time to cause overt disease.  

  Most lentiviruses target cells of the immune system and 

thus disease is often manifested as immunodeficiency 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

49 

  There are two types of HIV: HIV-1 and HIV-2. These 

cause clinically indistinguishable disease, although the 
time to disease onset is longer for HIV-2.  

  The worldwide epidemic of HIV and AIDS is caused 

by HIV-1 while HIV-2 is mostly restricted to west Africa 

  CD4 antigen is the main receptor for the virus entry, and 

is present on CD4+ T lymphocytes and monocytes.  

  The binding of the viral envelope glycoprotein gp120 to 

CD4 antigen results in conformational changes in gp120 
that expose binding sites for chemokine receptors, which 
serve as co-receptors for viral entry, these includes CCR5 
and CXCR4 

  The disease is appeared at the first time in 1981, as clusters 

of cases of Kaposi's sarcoma were reported in young 
patients in San Francisco and New York. This was an 
unusual occurrence since, in the United States, Kaposi's 
sarcoma was a rare disease that normally occurred in 
elderly men of Jewish or Mediterranean ancestry. however, 
these new clusters of patients were all young male 
homosexuals and the disease was much more aggressive 

 

 

 

  Immune Responses against HIV infection 

  Cell-mediated and humoral anti-HIV immune defense: 
  Cytotoxic T and B lymphocytes mount a strong defense 

and virus largely disappears from the circulation. 

  Virus titer, CD4T cells and anti-gp120 titer during the 

HIV infection  
After the increased cell-mediated immune response, there 
is a rise in antibodies in the serum of infected individuals 
2-3 weeks after infection, but though these lack the ability 
to inhibit viral infection. During this period, more than 10 
billion new HIV particles are produced each day. They are 
rapidly cleared by the immune system especially anti-
HIV antibody (gp120)
. So neutralizing antibodies play a 
role in controlling HIV viremia. 
 

 

 

  Despite the presence of high numbers of HIV specific 

CTLs in the peripheral blood, but like antibody 
responses unable to eliminate infection. 
 

  At this stage, most of this virus is coming from 

recently infected proliferating CD4

+

 cells. Thus, the 

virus is destroying the cells that are proliferating.  

  The infected cells that are producing this virus are 

destroyed either by the immune system or by the virus 
and have a half-life about 1 day. 
 

 

  Although activated, proliferating CD4+ cells are 

destroyed by the immune system, a small fraction of the 
infected cells survive long enough to revert back to the 
resting memory state (as do non-infected CD4

+

 

memory cells).  

  The resting memory cells do not express viral antigens but 

do carry a copy of the HIV genome which remains latent 
until the cells are reactivated by antigen. These memory 
cells may survive many years and constitute a 
reservoir that is very important in drug-based 
therapy
.  


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

50 

During this period, the virus disseminates to other regions 
including to lymphoid and nervous tissue. This is the most 
infectious phase of the disease.  
 

Loss of CD4

+

 cells & collapse of the immune 

response 

During the course of infection, there is a profound loss of 
the specific immune response to HIV because: 
Responding CD4+ cells become infected. Thus, there is 
clonal deletion leading to tolerance and escape of HIV 
from the immune surveillance.  

 

  Activated CD4+ T cells are susceptible to apoptosis.  

  Spontaneous apoptosis of uninfected CD4

+

 and CD8

+

 T 

cells occurs in HIV-infected patients. 

   Also there appears to be selective apoptosis of HIV-

specific CD8

+

 cells 

  the number of follicular dendritic cells falls over time, 

resulting in diminished capacity to stimulate CD4+ cells 

More severe infections are associated with a low 
CD+4 T cell count 

  It is the phase of the disease that lacks the neoplasms and 

opportunistic infections that are the definition of AIDS 

  Patients at this stage of the disease show weight loss and 

fatigue together with fungal infections of the mouth, 
finger and toe nails especially with Candida   

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Orofacial 
granulomatos
is with cobble 
stone mucosa 
in AIDS

 

Facial 
sarcoidosis 
in AIDS

 

Opportunistic 
infections that 
are the definition 
of AIDS 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

51 

Lecture 7 – Tumor Immunology 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

52 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

53 

 

 

 

 

 
 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

54 

Lecture 8 – Vaccines 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

55 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

56 

 

 

 

 

 

 

 

Making of DNA Vaccine against West Nile Virus

 


background image

Unit 1 - Immunology

 

 

 

57 

 

 


background image

 

58 

 


background image

 

59 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

Lecture 1 – General Microbiology 

 

Microbiology in Medicine & Host – Parasite 
Relationship 

Microbiology: is the study of microorganisms, which are 
tiny organisms that live around us & inside our body. An 
infection is caused by the infiltration of a disease-causing 
microorganism known as a Pathogenic microorganism. 
Some pathogenic microorganisms infect humans, but not 
other animals & plants. Some pathogenic microorganisms 
that infect animals or plants also infect humans. Not all 
microorganisms are pathogens. In fact many 
microorganisms help to maintain homeostasis in our 
bodies and are used in the production of food in our 
intestines that assist in the digestion of food & play a 
critical role in the formation of vitamins such as vitamin 
B & vitamin K. They help by breaking down large 
molecules into smaller ones. 

 

The History of Infectious Diseases 

The Past 

Infectious diseases have been known for thousands of 
years, although accurate information on their etiology has 
only been available for about a century. In the medical 
teachings of Hippocrates, the cause of infections 
occurring frequently in a certain locality or during a 
certain period (epidemics) was sought in “changes” in the 
air according to the theory of miasmas. This concept, still 
reflected in terms such as “swamp fever” or “malaria,” 
was the predominant academic opinion until the end of 
the 19th century, despite the fact that the Dutch cloth 
merchant A. van Leeuwenhoek had seen and described 
bacteria as early as the 17th century, using a microscope 
he built himself with a single convex lens and a very short 
focal length. At the time, general acceptance of the notion 
of “spontaneous generation”—creation of life from dead 
organic material—stood in the way of implicating the 
bacteria found in the corpses of infection victims as the 
cause of the deadly diseases. It was not until Pasteur 
disproved the doctrine of spontaneous generation in the 
second half of the 19th century that a new way of thinking 
became possible. By the end of that century, 
microorganisms had been identified as the causal agents 
in many familiar diseases by applying the Henle-Koch 
postulates formulated by R. Koch in 1890. 

 

 

The Henle–Koch Postulates

 

 

The postulates can be freely formulated as follows: 
  The microorganism must be found under conditions 

corresponding to the pathological changes and clinical 
course of the disease in question. 

  It must be possible to cause an identical (human) or 

similar (animal) disease with pure cultures of the 
pathogen. 

  The pathogen must not occur within the framework of 

other diseases as an “accidental parasite.” 

 

These postulates are still used today to confirm the cause 
of an infectious disease. 

 

However, the fact that these conditions are not met does 
not necessarily exclude a contribution to disease etiology 
by a pathogen found in context. In particular, many 
infections caused by subcellular entities do not fulfill the 
postulates in their classic form. 

 

The Present 

The frequency and deadliness of infectious diseases 
throughout thousands of years of human history have kept 
them at the focus of medical science. The development of 
effective preventive and therapeutic measures in recent 
decades has diminished, and sometimes eliminated 
entirely, the grim epidemics of smallpox, plague, spotted 
fever, diphtheria, and other such contagions. Today we 
have specific drug treatments for many infectious 
diseases. As a result of these developments, the attention 
of medical researchers was diverted to other fields: it 
seemed we had tamed the infectious diseases. Recent 
years have proved this assumption false. Previously 
unknown pathogens causing new diseases are being found 
and familiar organisms have demonstrated an ability to 
evolve new forms and reassert themselves. The origins of 
this reversal are many and complex: human behavior has 
changed, particularly in terms of mobility and nutrition. 
Further contributory factors were the introduction of 
invasive and aggressive medical therapies, neglect of 
established methods of infection control and, of course, 
the ability of pathogens to make full use of their specific 
genetic variability to adapt to changing conditions.The 
upshot is that physicians in particular, as well as other 
medical professionals and staff, urgently require a basic 
knowledge of the pathogens involved and the genesis of 
infectious diseases if they are to respond effectively to 
this dynamism in the field of infectiology. The aim of this 
textbook is to impart these essentials to them. 

 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

Pathogens: Prokaryotic and Eukaryotic 
Microorganisms 

 

According to a proposal by Woese that has been gaining 
general acceptance inrecent years, the world of living 
things is classified in the three domains: bacteria, 
archaea, and eucarya. In this system, each domain is 
subdivided into

 kingdoms. Pathogenic microorganisms 

are found in the domains bacteria and eucarya. 

  Bacteria. This domain includes the kingdom of the 

heterotrophic eubacteria and includes all human pathogen 
bacteria. The other kingdoms, for instance that of the 
photosynthetic cyanobacteria, are not pathogenic. It is 
estimated that bacterial species on Earth number in the 
hundreds of thousands, of which only about 5500 have 
been discovered and described in detail. 

  Archaea. This domain includes forms that live under 

extreme environmental  conditions, including thermophilic, 
hyperthermophilic, halophilic,and methanogenic 
microorganisms. The earlier term for the archaea was 
archaebacteria (ancient bacteria) , and they are indeed a 
kind of living fossil. Thermophilic archaea thrive mainly in 
warm, moist biotopes such as the hot springs at the top of 
geothermal vents. The hyperthermophilic archaea, a more 
recent discovery, live near deep-sea volcanic plumes at 
temperatures exceeding 100 °C. 

  Eucarya. This domain includes all life forms with cells 

possessing a genuine nucleus.The plant and animal 
kingdoms (animales and plantales) are all eukaryotic life 
forms. Pathogenic eukaryotic microorganisms include 
fungal and protozoan species.

 

 

Classic bacteria.  

These organisms reproduce asexually by binary transverse 
fission. They do not possess the nucleus typical of 
eucarya. The cell walls of these organisms are rigid (with 
some exceptions, e.g., the mycoplasma). 

 

Chlamydiae. These organisms are obligate intracellular 
parasites that are able to reproduce in certain human cells 
only and are found in two stages: the infectious, 
nonreproductive particles called elementary bodies (0.3 
µm) and the noninfectious, intracytoplasmic, reproductive 
forms known as initial (or reticulate) bodies (1 µm). 

 

Rickettsiae. These organisms are obligate intracellular 
parasites, rod-shaped to coccoid, that reproduce by binary 
transverse fission. The diameter of the individual cell is 
from 0.3–1 µm. 

  Mycoplasmas. Mycoplasmas are bacteria without rigid 

cellwalls. They are found in a wide variety of forms, the 
most common being the coccoid cell (0.3–0.8 

µ

m). 

Threadlike forms also occur in various lengths. 

 

Fungi and Protozoa 

 

Fungi. Fungi (Mycophyta) are nonmotile eukaryotes with 
rigid cell walls and a classic cell nucleus. They contain no 
photosynthetic pigments and are carbon heterotrophic, 
that is, they utilize various organic nutrient substrates (in 
contrast to carbon autotrophic plants). Of more than 50 
000 fungal species, only about 300 are known to be 
human pathogens. Most fungal infections occur as a result 
of weakened host immune defenses. 

 

Protozoa. Protozoa are microorganisms in various sizes 
and forms that may be free-living or parasitic. They 
possess a nucleus containing chromosomes and organelles 
such as mitochondria (lacking in some cases), an en-
doplasmic reticulum, pseudopods, flagella, cilia, 
kinetoplasts, etc. Many parasitic protozoa are transmitted 
by arthropods, whereby multiplication and transformation 
into the infectious stage take place in the vector.

 

 

Animals 

Helminths. Parasitic worms belong to the animal 
kingdom. These are metazoan organisms with highly 
differentiated structures. Medically significant groups 
include the trematodes (flukes or flatworms), cestodes 
(tapeworms), and nematodes (roundworms).

 

 

Subcellular Infectious Entities 

 

Prions (proteinaceous infectious particles). The evidence 
indicates that prions are protein molecules that cause 
degenerative central nervous system (CNS) diseases such 
as Creutzfeldt-Jakob disease, kuru, scrapie in sheep, and 
bovine spongiform encephalopathy (BSE) (general term: 
transmissible spongiform encephalopathies [TSE]). 

 

Viruses. Ultramicroscopic, obligate intracellular parasites 
that: 
  contain only one type of nucleic acid, either DNA or RNA 
  possess no enzymatic energy-producing system and no 

protein-synthesizing apparatus, and 

  Force infected host cells to synthesize virus particles. 

 

Arthropods. These animals are characterized by an external 
chitin skeleton, segmented bodies, jointed legs, special 
mouthparts, and other specific features. Their role as direct 
causative agents of diseases is a minor one (mites, for 
instance, cause scabies) as compared to their role as vectors 
transmitting viruses, bacteria, protozoa , & helminths. 

 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

Basic Terminology of Infectiology 

The terms pathogenicity and virulence are not clearly 
defined in their relevance to microorganisms. They are 
sometimes even used synonymously. It has been proposed 
that pathogenicity be used to characterize a particular 
species and that virulence be used to describe the sum of 
the disease-causing properties of a population (strain) of a 
pathogenic species. 
Pathogenicity and virulence in the microorganism 
correspond to susceptibility in a host species and 
disposition in a specific host organism, whereby an 
individual may be anywhere from highly disposed to 
resistant. 

 

Host–Pathogen Interactions 

 

The factors determining the genesis, clinical picture and 
outcome of an infection include complex relationships 
between the host and invading organisms that differ 
widely depending on the pathogen involved. Despite this 
variability, a number of general principles apply to the 
interactions between the invading pathogen with its 
aggression factors and the host with its defenses. Since 
the pathogenesis of bacterial infectious diseases has been 
researched very thoroughly, the following summary is 
based on the host–invader interactions seen in this type of 
infection. The determinants of bacterial pathogenicity 
and virulence can be outlined as follows:
 

 

Adhesion to host cells (adhesins). 

 

Breaching of host anatomical barriers (invasins) and 
colonization of tissues (aggressins). 

 

Strategies to overcome nonspecific defenses, especially 
antiphagocytic mechanisms (impedins). 

 

Strategies to overcome specific immunity, the most 
important of which is production of IgA proteases 
(impedins), molecular mimicry, and immunogen 
variability.Damage to host tissues due to direct bacterial 
cytotoxicity, exotoxins, and exoenzymes (aggressins). 

 

Damage due to inflammatory reactions in the 
macroorganism: activation of complement and 
phagocytosis; induction of cytokine production 
(modulins). 

 

 

The above bacterial pathogenicity factors are 
confronted by the following host defense mechanisms: 

  Nonspecific defenses including mechanical, humoral, and 

cellular systems. Phagocy- tosis is the most important 
process in this context. 

  Specific immune responses based on antibodies and 

specific reactions of T lymphocytes. 

The response of these defenses to infection thus involves 
the correlation of a number of different mechanisms. 
Defective defenses make it easier for an infection to take 
hold. Primary, innate defects are rare, whereas acquired, 
secondary immune defects occur frequently, paving the 
way for infections by microorganisms known as 
“facultative pathogens” (opportunists). 
  

Determinants of Bacterial Pathogenicity and Virulence 

Relatively little is known about the factors determining 
the pathogenicity and virulence of microorganisms, and 
most of what we do know concerns the disease -causing 
mechanisms of bacteria. 
There are five groups of potential bacterial contributors to 
the pathogenesis of infectious diseases: 

1)  Adhesins. They facilitate adhesion to specific target cells. 
2)  Invasins. They are responsible for active invasion of the 

cells of the acroorganism. 

3)  Impedins. These components disable host immune 

defenses in some cases. 

4)  Aggressins. These substances include toxins and tissue-

damaging enzymes. 

5)  Modulins. Substances that induce excess cytokine 

production (i.e., lipopolysaccharides of Gram-negative 
bacteria, superantigens, murein fragments). 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

Lecture 2 – The Morphology & Fine 

structure of bacteria

 

 

The main characteristics that distinguish 
prokaryotes from eukaryotes are the 
following: 

1)  Eukaryotic cells are generally more complex than 

prokaryotic cells. 

2)  DNA is enclosed in a nuclear membrane and is associated 

with histones and other proteins only in eukaryotes. 

3)  Organelles are membrane-bound in eukaryotes. 
4)  Prokaryotes divide by binary fission whereas eukaryotes 

divide by mitosis. 

5)  Some structures are absent in prokaryotes: for example, 

Golgi complex, endoplasmic reticulum, mitochondria, and 
chloroplasts.

 

      There are more other differences between prokaryotes 
and eukaryotes you can find them in reference text books.

 

 

The Morphology of Bacteria 

Bacteria differ from other single-cell microorganisms in 
both their cell structure and size, which varies from 0.3–5 
µm. Magnifications of 500–1000X—close to the 
resolution limits of light microscopy—are required to 
obtain useful images of bacteria. Another problem is that 
the structures of objects the size of bacteria offers little 
visual contrast. Techniques like phase contrast and dark 
field microscopy, both of which allow for live cell 
observation, are used to overcome this difficulty. 
Chemical-staining techniques are also used, but the 
prepared specimens are dead. Bacteria have three basic 
forms: cocci, straight rods, and curved or spiral rods.  

 

 

Cocci are spherical bacteria. Those found in grapelike 
clusters as in this picture are staphylococci (Scanning 
electron microscopy (SEM)). 

 

 

The straight rod bacteria with rounded ends 
Shown here are coli bacteria (SEM). 
 

 

Spirilla, in this case borrelia are spiral 
bacteria (light microscopy (LM), Giemsa stain). 

 

The Structures of Bacterial cell 

The Nucleoid and plasmids  

The prokaryote

 Nucleoid ( the equivalent of the 

eukaryotic Nucleus)   

consists of a very thin, long, 

circular DNA molecular double strand that is not 
surrounded by a membrane and localized in the 
cytoplasm. In E. coli (and probably in all bacteria), it 
takes the form of a single circular molecule of DNA. The 

genome of E. coli comprises 4.63 X106 base pairs (bp) 
that code for 4288 different proteins. The genomic 
sequence of many bacteria is known. The plasmids are 
nonessential genetic structures. These circular, twisted 
DNA molecules are 100–1000X smaller than the nucleoid 
genome structure and reproduce autonomously .The 
plasmids of human pathogen bacteria often bear important 
genes determining the phenotype of their cells (resistance 
genes, virulence genes).  


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

 

The nucleoid (nucleus equivalent) of bacteria consists of a 
tangled circular DNA molecule without a nuclear 
membrane. 
Transmission electron microscopy (TEM) image of 
staphylococci

 

 

 

A) Open circular form (OC). The result of a rupture in 
one of the two nucleic acid strands. B)  Twisted (CCC = 
covalently closed circular), native form (TEM image). 

 

Cytoplasm 

The cytoplasm contains a large number of solute (low- 
and high-molecularweight) substancesRNA and 
ribosomes (approximately 20 000 per cell). Bacteria have 
70S ribosomes comprising 30S and 50S subunits. 
Bacterial ribosomes function as the organelles for protein 
synthesis. The cytoplasm is also frequently used to store 
reserve substances (glycogen depots, polymerized 
metaphosphates, lipids). 

 

The Cytoplasmic Membrane 

This elementary membrane, also known as the plasma 
membrane
, is 

a 40–80 A ˚-thick semipermeable 

membrane

. It is basically a double layer of phospholipids 

with numerous proteins integrated into its structure. The 

most important of these membrane proteins are 
permeases, enzymes for the biosynthesis of the cellwall, 
transfer proteins for secretion of extracellular proteins, 
sensor or signal proteins, and respiratory chain enzymes. 
In electron microscopic images of Gram-positive bacteria, 
the  mesosomes appear as structures bound to the 
membrane. How they function and what role they play 
remain to be clarified. 

 

 

Cell Wall 

The tasks of the complex bacterial cellwall are to protect 
the protoplasts from external noxae, to withstand and 
maintain the osmotic pressure gradient between the cell 
interior and the extracellular environment (with internal 
pressures as high as 500–2000 kPa), to give the cell its 
outer form and to facilitate communication with its 
surroundings. 

 

Peptidoglycan (syn. murein).

 The most important 

structural element of the wall is peptidoglycan, a netlike 
polymer material surrounding the entire cell (sacculus). It 
is made up of polysaccharide chains crosslinked by 
peptides. 

 

The cell wall of Gram-positive bacteria 

. The 

murein sacculus may consist of as many as 40 layers (15–
80 nm thick) and account for as much as 30% of the dry 
mass of the cell wall. The membrane lipoteichoic acids 
are anchored in the cytoplasmic membrane, whereas the 
cell wall teichoic acids are covalently coupled to the 
murein. The physiological role of the teichoic acids is not 
known in detail; possibly they regulate the activity of the 
autolysins that steer growth and transverse fission 
processes in the cell. 

 

The cell wall of Gram-negative bacteria

. Here, the 

murein is only about 2 nm thick and contributes up to 10% 
of the dry cell wall mass. The outer membrane is the salient 
structural element. It contains numerous proteins (50% by 
mass) as well as the medically critical lipopolysaccharide. 

  Outer membrane proteins 

 

OmpA (outer membrane protein A) and the murein 

lipoprotein form a 
bond between outer membrane and murein. 

 

Porins, proteins that form pores in the outer 

membrane, allow passage of hydrophilic, low-molecular-
weight substances into the periplasmic space

 

Outer membrane-associated proteins constitute 

specific structures that enable bacteria to attach to host 
cell receptors. 

A

 

B

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

— 

A number of Omps are transport proteins. 

Examples include the LamB proteins for maltose transport 
and FepA for transport of the siderophore ferric (Fe3+) 
enterochelin in E. coli . 

 

  Lipopolysaccharide (LPS).  

This molecular complex, also known as endotoxin, is 
comprised of the lipoid A, the core polysaccharide, and 
the O-specific polysaccharide chain

 — 

Lipoid A is responsible for the toxic effect. 

— 

The O-specific polysaccharide chain is the so-called 

O antigen. 

 
L-forms (L = Lister Institute).
 The L-forms are bacteria 
with murein defects, e.g., resulting from the effects of 
betalactam antibiotics. L-forms are highly unstable when 
subjected to osmotic influences. 

 

 

Capsule 

Many pathogenic bacteria make use of extracellular 
enzymes to synthesize a polymer that forms a layer 
around the cell: the capsule. The capsule protects bacterial 
cells from phagocytosis. The capsule of most bacteria 
consists of a polysaccharide. The bacteria of a single 
species can be classified in different capsular serovars (or 
serotypes) based on the fine chemical structure of this 
polysaccharide. 

 

Flagella 

Flagella give bacteria the ability to move about actively. 
The flagella (singular flagellum) are made up of a class of 
linear proteins called flagellins.  Flagellated bacteria 

display various flagellar arrangements ranging from 
monotrichous (polar flagellum; e.g., Vibrio coma), 
lophotrichous (bundle of flagella at one end of the cell; 
e.g., Spirillum volutans), to peritrichous (several flagella 
distributed around the cell; e.g., Escherichia coli
.

Together with the O antigens, they are used to classify 

bacteria in serovars.

 

  

 

Flagellated bacterial cell (SEM, 13 000!). b Helical 
structure of bacterial flagella (SEM, 77 000X). 

 

Attachment Pili (Fimbriae), Conjugation Pili 

Many Gram-negative bacteria possess thin microfibrils 
made of proteins (0.1–1.5 nm thick, 4–8 nm long), the 
attachment pili. They are anchored in the outer membrane 
of the cell wall and extend radially from the surface. 
Using these structures, bacteria are capable of specific 
attachment to host cell receptors (ligand—receptor, key—
keyhole). The conjugation pili (syn. sex pili) in Gram-
negative bacteria are required for the process of 
conjugation and thus for transfer of conjugative plasmids.

  

 

Biofilm

   

 

A bacterial biofilm is a structured community of bacterial 
cells embedded in a self-produced polymer matrix and 
attached to either an inert surface or living tissue. Such 
films can develop considerable thickness (mm) . Foreign 
body infections are caused by bacteria that form a biofilm 
on inert surfaces. The bacteria located deep within such a 
biofilm structure are effectively isolated from immune 
system cells, antibodies, and antibiotics. The polymers 
they secrete are frequently glycosides, from which the 
term glycocalyx (glycoside cup) for the matrix is derived. 

 

Bacterial Spores 

Bacterial spores (endospores) are purely dormant life 
forms. Their development from bacterial cells in a 
“vegetative” state does not involve assimilation of 
additional external nutrients. They are spherical to oval in 
shape and are characterized by a thick spore wall & a high 
level of resistance to chemical & physical noxae. Among 
human pathogen bacteria, only the genera Clostridium 
and Bacillus produce spores. The heat resistance of these 
spores is their most important quality from a medical 
point of view, since heat sterilization procedures require 
very high temperatures to kill them effectively. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

00

 

Lecture 3 - The Physiology of 

Metabolism and Growth in Bacteria 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fine structure of Both: The Cell Wall of Gram-Positive Bacteria

 (left) and the

 Cell Wall

 

of Gram-Negative Bacteria (right)

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

Types of Metabolism  

Metabolism is the totality of chemical reactions occurring 
in bacterial cells. They can be subdivided into anabolic 
(synthetic) reactions that consume energy and catabolic 
reactions that supply energy. In the anabolic, endergonic 
reactions, the energy requirement is consumed in the form 
of light or chemical energy—by photosynthetic or 
chemosynthetic bacteria, respectively. Catabolic reactions 
supply both energy and the basic structural elements for 
synthesis of specific bacterial molecules. Bacteria that 
feed on inorganic nutrients are said to be lithotrophic, 
those that feed on organic nutrients are organotrophic. 
Human pathogenic bacteria are always chemosynthetic, 
organotrophic bacteria (or chemo-organotrophs).

  

Catabolic Reactions     

Organic nutrient substrates are catabolized in a wide 
variety of enzymatic processes that can be schematically 
divided into four phases: 

 

Digestion

.  Bacterial exoenzymes split up the nutrient 

substrates into smaller molecules outside the cell. The 
exoenzymes represent important pathogenicity factors in 
some cases. 

 

Uptake

. Nutrients can be taken up by means of passive 

diffusion or, more frequently, specifically by active 
transport through the membrane (s). Cytoplasmic 
membrane permeases play an important role in these 
processes. 

 

Preparation for oxidation

.   Splitting off of carboxyl 

and amino groups, phosphorylation, etc. 

 

 

Oxidation.

 This process is defined as the removal of 

electrons and H+ ions. The substance to which the H2 
atoms are transferred is called the hydrogen acceptor. 

  The two basic forms of oxidation are defined by 

the final hydrogen acceptor. 

o  Respiration. Here oxygen is the hydrogen acceptor. In 

anaerobic respiration, the O2 that serves as the hydrogen 
acceptor is a component of an inorganic salt. 

o  Fermentation. Here an organic compound serves as the 

hydrogen acceptor. The main difference between 
fermentation and respiration is the energy yield, which 
can be greater from respiration than from fermentation for 
a given nutrient substrate by as much as a factor of 10. 
Fermentation processes involving microorganisms are 
designated by the final product, e.g., alcoholic 
fermentation, butyric acid fermentation, etc. 

The energy released by oxidation is stored as chemical 
energy in the form of a thioester (e.g., acetyl-CoA) or 
organic phosphates (e.g., ATP). 

  The role of oxygen. Oxygen is activated in one of 

three ways: 

o  Transfer of 4e

 to O

2

, resulting in 2 oxygen ions (2 O2

). 

o  Transfer of 2e

 to O

2

 resulting in 1 peroxide anion(1 O2 

2–

 

o  Transfer of 1e– to O2, resulting in one superoxide anion 

(1 O2 –). 
Hydrogen peroxide and the highly reactive superoxide 
anion are toxic and therefore must undergo further 
conversion immediately.  

  Bacteria are categorized as the following 

according to their O2-related behavior: 

o  Facultative anaerobes. These bacteria can oxidize 

nutrient substrates by means of both respiration and 
fermentation. 

o  Obligate aerobes. These bacteria can only reproduce in 

the presence of O2. 

o  Obligate anaerobes. These bacteria die in the presence of 

O2. Their metabolism is adapted to a low redox potential 
and vital enzymes are inhibited by O2. 

o  Aerotolerant anaerobes. These bacteria oxidize nutrient 

substrates without using elemental oxygen although, 
unlike obligate anaerobes, they can tolerate it. 

 
Basic mechanisms of catabolic metabolism. 

The principle of the biochemical unity of life asserts that 
all life on earth is, in essence, the same. Thus, the 
catabolic intermediary metabolism of bacteria is, for the 
most part, equivalent to what takes place in eukaryotic 
cells. The reader is referred to textbooks of general 
microbiology for exhaustive treatment of the pathways of 
intermediary bacterial metabolism.

 

 

Anabolic Reactions

     

 

 

It is not possible to go into all of the biosynthetic feats of 

bacteria here. Suffice it to say that they are, on the whole, 
quite astounding. Some bacteria (E. coli) are capable of 
synthesizing all of the complex organic molecules that 
they are comprised of, from the simplest nutrients in a 
very short time. These capacities are utilized in the field 
of microbiological engineering. Antibiotics, amino acids, 
and vitamins are produced with the help of bacteria. Some 
bacteria are even capable of using aliphatic hydrocarbon 
compounds as an energy source. Such bacteria can “feed” 
on paraffin or even raw petroleum. Culturing of bacteria 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

in nutrient mediums based on methanol is an approach 
being used to produce biomas in addition to many other 
ones.

 

Metabolic Regulation: Bacteria are highly efficient 
metabolic regulators, coordinating each individual 
reaction with other cell activities and with the available 
nutrients as economically and rationally as possible. 

Growth and Culturing of Bacteria 

Nutrients 

The term bacterial culture refers to proliferation of 
bacteria with a suitable nutrient substrate. A nutrient 
medium in which chemoorganotrophs are to be 
cultivated must have organic energy sources (H2 
donors) and H2 acceptors. Other necessities include 
sources of carbon and nitrogen for synthesis of specific 
bacterial compounds as well as minerals such as 
sulfur, phosphorus, calcium, magnesium, and trace 
elements as enzyme activators. Some bacteria also 
require “growth factors,” i.e., organic compounds they 
are unable to synthesize themselves. Depending on the 
bacterial species involved, the nutrient medium must 
contain certain amounts of O2 and CO2 and have 
certain pH and osmotic pressure levels.
    Growth 
factors are required in small amounts by cells because 
they fulfill specific roles in biosynthesis. The need for a 
growth factor results from either a blocked or missing 
metabolic pathway in the cells
. Growth factors are 
organized into three categories:  
1. Purines and pyrimidines: required for synthesis of 
nucleic acids (DNA and RNA). 
2. Amino acids: required for the synthesis of proteins.  
3. Vitamins: needed as coenzymes and functional groups 
of certain enzymes. 

      

Some bacteria (e.g E. coli) do not require any growth 

factors: they can synthesize all essential purines, 
pyrimidines, amino acids and vitamins, starting with their 
carbon source, as part of their own intermediary 
metabolism. Certain other bacteria (e.g. Lactobacillus
require purines, pyrimidines, vitamins and several amino 
acids in order to grow. These compounds must be added 
in advance to culture media that are used to grow these 
bacteria. The growth factors are not metabolized directly 
as sources of carbon or energy, rather they are assimilated 
by cells to fulfill their specific role in metabolism. Mutant 
strains of bacteria that require some growth factor not 
needed by the wild type (parent) strain are referred to as 
auxotrophs. Thus, a strain of E. coli that requires the 
amino acid tryptophan in order to grow would be called a 

tryptophan auxotroph and would be designated E. colitrp-.  
The function(s) of these vitamins in essential enzymatic 
reactions gives a clue why, if the cell cannot make the 
vitamin, it must be provided exogenously in order for 
growth to occur.  

Growth and Cell Death 

Bacteria reproduce asexually by means of simple 
transverse binary fission. Their numbers (n) increase 
logarithmically (n = 2G). The time required for a 
reproduction cycle (G) is called the generation time (g) 
and can vary greatly from species to species. Fast-
growing bacteria cultivated in vitro have a generation 
time of 15–30

 

minutes. The same bacteria may take 

hours to reproduce in vivo. Obligate anaerobes grow 
much more slowly than aerobes; this is true in vitro as 
well. Tuberculosis bacteria have an in-vitro generation 
time of 12–24 hours. Of course the generation time also 
depends on the nutrient content of the medium. 
      The so-called normal growth curve for bacteria is 
obtained by inoculating a nutrient broth with bacteria the 
metabolism of which is initially quiescent, counting them 
at intervals and entering the results in a semilog 
coordinate system . The lag phase is characterized by an 
increase in bacterial mass per unit of volume, but no 
increase in cell count. During this phase, the metabolism 
of the bacteria adapts to the conditions of the nutrient 
medium. In the following log (or exponential) phase , the 

cell count increases logarithmically up to about 109/ml. 
This is followed by growth deceleration and transition to 
the stationary phase due to exhaustion of the nutrients and 
the increasing concentration of toxic metabolites. Finally, 
death phase processes begin. The generation time can 
only be determined during log phase, either graphically or 
by determining the cell count (n) at two different times. 

 

Normal Growth Curve of a Bacterial Culture 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

06

 

The summary:  

Human pathogenic bacteria are 

chemosynthetic and organotrophic (chemo-
organotrophic). They derive energy from the breakdown 
of organic nutrients and use this chemical energy both for 
resynthesis and secondary activities. Bacteria oxidize 
nutrient substrates by means of either respiration or 
fermentation. In respiration, O2 is the electron and proton 
acceptor, in fermentation an organic molecule performs 
this function. Human pathogenic bacteria are classified in 
terms of their O2 requirements and tolerance as 
facultative anaerobes, obligate aerobes, obligate 
anaerobes, or aerotolerant anaerobes. Nutrient broth or 
agar is used to cultivate bacteria. Nutrient agar contains 
the inert substrate agarose, which liquefies at 100°C and 
gels at 45°C. Selective and indicator mediums are used 
frequently in diagnostic bacteriology. Bacteria reproduce 
by means of simple transverse binary fission. The time 
required for complete cell division is called generation 
time. The in-vitro generation time of rapidly proliferating 
species is 15–30 minutes. This time is much longer in 
vivo. The growth curve for proliferation in nutrient broth 
is normally characterized by the phases lag, log (or 
exponential) growth, stationary growth, and death. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

Lecture 4 - The Molecular Basis of 
Bacterial Genetics 

The Structure of Bacterial DNA 

A bacterium’s genetic information is stored in its 
chromosome and plasmids. Each of these structures is 
made of a single DNA double helix twisted to the right, 
then additionally twisted to the left about its helical axis 
(supercoiled), Plasmids consisting of linear DNA also 
occur, although this is rare. 

 

Chromosome. 

The chromosome corresponds to the nucleoid . The gene 
sequence is colinear with the expressed genetic products. 
The noncoding interposed sequences (introns) normally 
seen in eukaryotic genes are very rare.  

 

Plasmids 

The plasmids are autonomous DNA molecules of varying 

size (3 X 103 to 4.5 X 105 bp) localized in the cytoplasm. 
Large plasmids are usually present in one to two copies 
per cell, whereas small ones may be present in 10, 40, or 
100 copies. Plasmids are not essential to a cell’s survival. 
Many of them carry genes that code for certain 
phenotypic characteristics of the host cell. The following 
plasmid types are medically relevant: 

 

Virulence plasmids. 

Carry determinants of bacterial 

virulence, e.g., enterotoxin genes or hemolysin genes. 

 

Resistance plasmids. Carry genetic information bearing 

on resistance to anti-infective agents. R plasmids may 
carry several R genes at once . Plasmids have also been 
described that carry both virulence and resistance genes. 

 

DNA Replication 

The identical duplication process of DNA is termed 
semiconservative because the double strand of DNA is  

 

 

opened up during replication, where upon each strand 
serves as the matrix for synthesis of a complementary 

strand. Thus each of the two new double strands 
“conserves” one old strand. The doubling of each DNA 
molecule (replicon) begins at a given starting point, the 
so-called origin of replication. This process continues 
throughout the entire fission cycle. 

 

Transcription and Translation 

 

Transcription

. Copying of the sense strand of the DNA 

into mRNA. The continuous genetic nucleotide sequence 
is transcribed “colinearly” into mRNA. This principle of 
colinearity applies with very few exceptions. The 
transcription process can be broken down into the three 
phases promoter recognitionelongation, and 
termination. The promoter region is the site where the 
RNA polymerase begins reading the DNA sequence. 
sigma factor
 is required for binding to the promoter. 
Sigma factors are proteins that associate temporarily with 
the RNA polymerase (core enzyme) to form a 
holoenzyme, then dissociate themselves once the 
transcription process has begun, making them available to 
associate once again. The mRNA synthesized by the 
transcription of an operon is polycistronic, i.e., it contains 
the information sequences of several genes.  

 

Translation

. Transformation of the nucleotide sequence 

carried by the mRNA into the polypeptide amino acid 
sequence at the 70S ribosomes. In principle, bacterial and 
eukaryotic translation is the same. The enzymes and other 
factors involved do, however, differ structurally and can 
therefore be selectively blocked by antibiotics

.  

 

The Genetic Variability of Bacteria 

  Changes in bacterial DNA are the result of spontaneous 

mutations in individual genes as well as recombination 
processes resulting in new genes or genetic combinations. 
Based on the molecular mechanisms involved, bacterial 
recombinations are classified as homologous, site-
specific, and transpositional. 

  The latter two in particular reflect the high level of 

mobility of many genes and have made essential 
contributions to the evolution of bacteria. Although sexual 
heredity is unknown in bacteria, they do make use of the 
mechanisms of intercellular transfer of genomic material 
known as parasexual processes 

  Transformation designates transfer of DNA that is 

essentially chemically pure from a donor into a receptor 
cell. In transduction, bacteriophages serve as the vehicles 
for DNA transport.  


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

  Conjugation is the transfer of DNA by means of cell-to-

cell contact. This process, made possible by conjugative 

  plasmids and transposons, can be a high-frequency one 

and may even occur between partners of different species, 
genera, or families. The transfer primarily involves the 
conjugative elements themselves. Conjugative structures 
carrying resistance or virulence genes are of 
considerable medical significance. 

  The processes of restriction and modification are 

important factors limiting genetic exchange among 
different taxa. Restriction is based on the effects of 
restriction endonucleases capable of specific excision of 
foreign DNA sequences. These enzymes have become 
invaluable tools in the field of genetic engineering. 

 

Molecular Mechanisms of Genetic Variability 

 

Spontaneous Mutation 

    In the year 1943, Luria and Delbru¨ ck used the so-
called fluctuation test to demonstrate that changes in the 
characteristics of bacterial populations were the results of 
rare, random mutations in the genes of individual cells, 
which then were selected. Such mutations may involve 
substitution of a single nucleotideframe-shifts
deletions, inversions, or insertions. The frequency of 
mutations is expressed as the mutation rate, which is 
defined as the probability of mutation per gene per cell 
division. The rate varies depending on the gene involved 

and is approximately 10-6 to 10-10. Mutation rates may 
increase drastically due to mutagenic factors such as 
radioactivityUV radiationalkylating chemicals, etc. 

 

Recombination

 

     The term recombination designates processes that lead 
to the restructuring of DNA, formation of new genes or 
genetic combinations.They may be Homologous 
(generalized) recombination
Site-specific 
recombination
,or Transposition

 

Intercellular Mechanisms of Genetic Variability 

 

Although bacteria have no sexual heredity in the strict 
sense, they do have mechanisms that allow for 
intercellular DNA transfer. These mechanisms, which 
involve a unilateral transfer of genetic information from a 
donor cell to a receptor cell, are subsumed under the term 
parasexuality.

 

  Transformation.

Transfer of “naked” DNA.

 

 

Transduction.

Transfer of DNA from a donor to a 

receptor with the help of transport bacteriophage 
.Bacteriophages are viruses that infect bacteria.

 

 

 

Bacterial gene-transfer mechanism 

 

 

T bacteriophage 
 

 

Conjugation. 

Conjugation is the transfer of DNA from a 

donor to a receptor in a conjugal process involving cell-
to-cell contact. Conjugation is made possible by two 
genetic elements: the conjugative plasmids and the 
conjugative transposons.

  

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

Schematic drawing of bacterial conjugation
Conjugation diagram 1-Donor cell produces 

pilus

. 2-

 Pilus attaches to recipient cell and brings the two cells 
together. 3- The mobile plasmid is nicked and a single 
strand of DNA is then transferred to the recipient cell. 4-
 Both cells synthesize a complementary strand to produce 
a double stranded circular plasmid and also reproduce 
pili; both cells are now viable donors.

 

  

The F-factor in Escherichia coli

. This is the prototype of 

a conjugative plasmid. This factor contains the so-called 
tra (transfer) genes responsible both for Conjugative 
resistance and virulence plasmids
. Conjugative 
plasmids that carry determinants coding for antibiotic 
resistance and/or virulence in addition to the tra genes 
and repA are of considerable medical importance. 

 

Restriction, Modification, and Gene Cloning .  

A number of control mechanisms limit these genetic 
exchange processes. Among the most important are 
restriction and modification. Restriction endonucleases 
can destroy foreign DNA that bears no “fingerprint” 
(modification) signifying “self.” These modifications take 
the form of methylation of the DNA bases by 
modification enzymes. Bacterial restriction endonucleases 
are invaluable tools in modern gene cloning techniques. 
The process is termed gene “cloning” because it involves 
replication of DNA that has been manipulated in vitro in a 
suitable host cell so as to produce identical copies of this 
DNA: molecular clones or gene clones The technique 
simplifies the replication of DNA, making experimental 
manipulations easier. On the other hand, the bacteria can 
also be used to synthesize gene products of the foreign 
genes. Such foreign proteins are called recombinant 
proteins. Bacterial plasmids often function in the role of 
vectors into which the sequences to be cloned are 
inserted. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Summary:   

Bacteria possess two genetic structures: the chromosome 
and the plasmid. Both of these structures consist of a 
single circular DNA double helix twisted 
counterclockwise about its helical axis. Replication of this 
DNA molecule always starts at a certain point (the origin 
of replication) and is “semiconservative,” that is, one 
strand in each of the two resulting double strands is 
conserved. Most bacterial genes code for proteins 
(polypeptides). Noncoding 
interposed sequences (introns), like those seen in 
eukaryotes, are the exception. Certain bacterial genes 
have a mosaic structure. The phases of transcription are 
promoter recognition, elongation, and termination. Many 
bacterial mRNAs are polycistronic, meaning they contain 
the genetic information for several polypeptides. 
Translation takes place on the 70S ribosomes. Special 
mRNA codons mark the start and stop of polypeptide 
synthesis. Many genes that code for functionally related 
polypeptides are grouped together in chromosome or 
plasmid segments known as operons. The most important 
regulatory 
mechanism is the positive or negative control of 
transcription initiation. This control function may be 
exercised by individual localized genes, the genes of an 
operon or genes in a regulon. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

Lecture 5 - The Principles of 
antibacterial therapy 

Definitions 

Most microbiologists distinguish 2 groups of antibacterial 
agents used in the treatment of infectious disease 
antibiotics, which are natural substances produced by 
certain groups of microorganisms (fungi or bacteria), 
and chemotherapeutic agents, which are chemically 
synthesized substances. A hybrid substance is 
semisynthetic antibiotic, wherein a molecular version 
produced by the microbe is subsequently modified by the 
chemist to achieve desired properties. One feature of 
antibactrial pharmaceuticals is “selective toxicity,” that 
is, they act upon bacteria at very low concentration levels 
without causing damage to the macroorganism. The most 
important group of anti-infective agents is the antibiotics. 
The term “antibiotic” is often used in medical contexts to 
refer to all antibacterial pharmaceuticals, not just to 
antibiotics in this narrower sense. the relations between an 
anti-infective agent, the host organism & a bacterial 
pathogen 

  

Characteristics of Antibiotics 

  Antibiotics may have a cidal (killing) effect or a static 

(inhibitory) effect on a range of microbes. The range of 
bacteria or other microorganisms that is affected by a 
certain antibiotic is expressed as its spectrum of action
Antibiotics effective against procaryotes that kill or 
inhibit a wide range of Gram-positive and Gram-negative 
bacteria are said to be broad spectrum. If effective 
mainly against Gram-positive or Gram-negative bacteria, 
they are narrow spectrum. If effective against a single 
organism or disease, they are referred to as limited 
spectrum

  A clinically-useful antibiotic should have as many of 

these characteristics as possible:-  

  It should have a wide spectrum of activity with the ability 

to destroy or inhibit many different species of pathogenic 
organisms.  

  It should be nontoxic to the host and without undesirable 

side effects.  

  It should be nonallergenic to the host.  
  It should not eliminate the normal flora of the host.  
  It should be able to reach the part of the human body 

where the infection is occurring.  

  It should be inexpensive and easy to produce.  
  It should be chemically-stable (have a long shelf-life).  
  Microbial resistance is uncommon and unlikely to develop. 

Fundamental ways that antibacterial 
antibiotics work as therapeutic agents
:  

    The target of an antibiotic should be unique to the 
bacterium and not found, or not accessible, to the patient. 
These are the most important targets in bacteria that have 
been exploited so far. 

 

1)  Attack bacterial cell wall synthesis

. Bacteria have 

murein in their cell walls, not found in the host, and 
murein (peptidoglycan) is essential to the viability of the 
bacterium.

 

Beta lactam antibiotics represented by the 

penicillins and cephalosporins, are example of these 
antibiotics which contain a 4-membered beta lactam ring, 
they are the products of two genera of fungi, 
Penicillium and Cephalosporium. 

2)  Interfere with protein synthesis

. Attack is almost 

always at the level of translation using 70S ribosomes in 
the translation machinery.

 

The most important antibiotics 

with this mode of action are 
the tetracyclineschloramphenicol, the macrolides (e.g. 
erythromycin) and the aminoglycosides (e.g. 
streptomycin). 

3)  Interference with nucleic acid synthesis  

(RNA and 

DNA), which exploits differences between RNA 
polymerases and DNA replication strategies in bacteria 
and eucaryotes.

 

Two nucleic acid synthesis inhibitors 

which have selective activity against procaryotes and 
some medical utility are the quinolones and rifamycins. 

4)  Inhibition of an essential metabolic pathway 

that 

exists in the bacterium but does not exist in the host. This 
is usually brought about through the use of competitive 
chemical analogs for bacterial enzymatic reactions.

 

The 

sulfonamides (e.g. Gantrisin and Trimethoprim) are 
inhibitors of the bacterial enzymes required for the 
synthesis of tetrahydofolic acid (THF), the vitamin form 
of folic acid essential for 1-carbon transfer reactions.  

5)  Membrane inhibition or disruption 

doesn't work 

too well because of the similarities between eucaryotic 
and bacterial membranes. However, the outer membrane 
of Gram-negative bacteria is a reasonable point of attack 
and some membrane inhibitors are included in the 
discussion below.

 

The only antibacterial antibiotics of 

clinical importance that act by this mechanism are 
the polymyxins, produced by Bacillus polymyxa . 

 

 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

Spectrum of Action 

Each anti-infective agent has a certain spectrum of action, 
which is a range of bacterial species showing natural 
sensitivity to the substance. Some antiinfective agents 
have a narrow spectrum of action (e.g., vancomycin). 
Most, however, have broad spectra like tetracyclines, 
which affect all eubacteria. 
 

Efficacy (syn. kinetics of action) 

The efficacy of an anti-infective agent defines the way it 
affects a bacterial population. Two basic effects are 
differentiated: bacteriostasis, i.e., reversible inhibition of 
growth, and irreversible bactericidal activity. Many 
substances can develop both forms of efficacy depending 
on their concentration, the type of organism, and the 
growth phase. Many of these drugs also have a 
postantibiotic effect (PAE) reflecting the damage inflicted 
on a bacterial population. After the anti-infective agent is 
no longer present, the bacterial cells not killed require a 
recovery phase before they can reproduce again. The PAE 
may last several hours. 

     

Pharmacokinetics 

Pharmacokinetics covers the principles of absorption
distribution, and elimination of pharmacons by the 
macroorganism. You could refere to standard textbooks of 
pharmacology for details. The dosage and dosage interval 
recommendations for antibacterial therapy take into 
account the widely differing pharmacokinetic parameters 
of the different anti-infective agents. 
 

Side Effects 

Treatment with anti-infective agents can cause side 
effects, resulting either from noncompliance with 
important therapeutic principles or specific patient 
reactivity. On the whole, such side effects are of minor 
significance. 

 

Toxic effects

. 

These effects arise from direct cell and 

tissue damage in the macroorganism. Blood 
concentrations of some substances must therefore be 
monitored during therapy if there is a risk of cumulation 
due to inefficient elimination (examples: 
aminoglycosides, vancomycin). 

 

Allergic reactions

For possible mechanisms (example: 

penicillin allergy). 

 

Biological side effects

. 

Example: change in or 

elimination of normal flora, interfering with its function 
as a beneficial colonizer. 

 

 

The Problem of Resistance

There are many features 

of resistance of bacteria:- 

o  Clinical resistance. Resistance of bacteria to the 

concentration of anti-infective agents maintained at the 
infection site in the macroorganism. 

o  Natural resistance. Resistance characteristic of a 

bacterial species, genus, or family. 

o  Acquired resistance. Strains of sensitive taxa can acquire 

resistance by way of changes in their genetic material. 

o  Biochemical resistance. A biochemically detectable 

resistance observed in strains of sensitive taxa. The 
biochemical resistance often corresponds to the clinically 
relevant resistance. Biochemically resistant strains 
sometimes show low levels of resistance below the 
clinically defined boundary separating resistant and 
sensitive strains. Such strains may be medically 
susceptible. 
 

Significance 

 

Problematic bacteria

. Strains with acquired resistance 

are encountered frequently among Enterobacteriaceae, 
pseudomonads, staphylococci, and enterococci. Specific 
infection therapy directed at these pathogens is often 
fraught with difficulties, which explains the label 
problematic bacteria. They are responsible for most 
nosocomial infections. Usually harmless in otherwise 
healthy persons, they may cause life-threatening 
infections in highly susceptible, so-called problematic 
patients. Problematic bacteria are often characterized by 
multiple resistances. Resistance to anti-infective agents is 
observed less frequently in nonhospital bacteria. 

 

Genetic variability

. The basic cause of the high 

incidence of antibiotic resistance experienced with 
problematic bacteria is the pronounced genetic variability 
of these organisms induced by different mechanisms. 
Most important are the mechanisms of horizontal transfer 
of resistance determinants responsible for the efficient 
distribution of resistance markers among these bacteria. 

 

Selection

. The origin and distribution of resistant strains 

is based to a significant extent on selection of resistance 
variants. The more often anti-infective substances are 
administered therapeutically, the greater the number of 
strains that will develop acquired resistance. Each hospital 
has a characteristic flora reflecting its prescription 
practice. A physician must be familiar with the resistance 
characteristics of this hospital flora so that the right anti-
infective agents for a “calculated antibiotic therapy” can 
be selected even before the resistance test results are in. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

66

 

Such therapies take into account the frequency of 
infections by certain bacterial species (pathogen 
epidemiology) as well as current resistance levels among 
these bacteria (resistance epidemiology). 
 

Resistance Tests 

Two standard test systems are used to determine the in-
vitro resistance levels of bacteria. The dilution series 
tests
, in which the minimum inhibitory concentration 
(MIC) of an anti-infective agent required to inhibit 
proliferation of a bacterial population is determined, and 
the agar dilution test, in which the nutrient agar plates 
containing antibiotic are inoculated (“spotted”) with the 
test organisms. In the microbroth dilution test, the final 
volume is usually 100 µl per microplate well. This test 
type can also be automated. The final volume in a 
macrobroth dilution test is 2 ml per tube. 
    Due to the complexity and time-consuming nature of 
the above test types, routine laboratories often use the 
agar diffusion test. This involves diffuse inoculation of 
the nutrient agar plate with the test strain. Then disks of 
filter paper containing the anti-infective agents are placed 
on the agar. After the plates thus prepared are incubated, 
the inhibition zones around the disks (i.e., whether or not 
they develop and their size) provide information on the 
resistance of the microorganisms tested. This is possible 
because of the linear relation between the log2 MIC and 
the diameter of the inhibition zones. To interpret the 
results, the MICs or inhibition zones are brought into 
relation with the substance concentrations present at a site 
of infection at standard dosage levels. This calculation is 
based on known averages for various pharmacokinetic 
parameters (serum concentration, half-life) and 
pharmacodynamics parameters (bactericidal activity or 
not, postantibiotic effect, etc.). The interpretation also 
takes into account clinical experience gained from therapy 
of infections with pathogens of given suceptibility. Such 
data are used to establish general guideline values 
defining the boundary between susceptible and resistant 
bacteria.The minimum bactericidal concentration 
(MBC) is the smallest concentration of a substance 
required to kill 99.9% of the cells in an inoculum. The 
MBC is determined using quantitative subcultures from 
the macroscopically unclouded tubes or (microplate) 
wells of an MIC dilution series. 

 

Agar Diffusion Test: This method, also known as the 
“disk test,” is 
used to test the resistance of a bacterial culture to 
various anti-infective agents. The method provides a 
basis for classification of a bacterial strain as 
“susceptible,” “resistant,” or “intermediate” 
according to the dimension of the inhibition zone. 

 

Combination Therapy 

  Combination therapy is the term for concurrent 

administration of two or more anti-infective agents. Some 
galenic preparations combine two components in a fixed 
ratio (example: cotrimoxazole). Normally, however, the 
dividual substances in a combination therapy are 
administered separately. 

  Several different objectives can be pursued with 

combination therapy: 

 

Broadening of the spectrum of action. 

In mixed 

infections with pathogens of varying resistance; in 
calculated therapy of infections with unknown, or not yet 
known, pathogenic flora and resistance characteristics. 

 

Delay of resistance development. 

In therapy of 

tuberculosis; when using anti-infective agents against 
which bacteria quickly develop resistance. 

 

Potentiation of efficacy. 

In severe infections requiring 

bactericidal activity at the site of infection. Best-known 
example: penicillin plus gentamicin in treatment of 
endocarditis caused by enterococci or streptococci

 

  Combining the effects of anti-infective drugs can have 

several different effects: 

  No difference. The combination is no more efficacious 

than the more active of the two components alone. 

  Addition. Summation of the effects. 
  Synergism. Potentiation of the effects. 
 

Antagonism

. The combination is less efficacious than 

one of the twocomponents alone. 

 

 

Rule of thumb

combinations of bacteriostatics with 

substances that are bactericidal in the cell division phase 
only often result in antagonism, e.g., penicillin plus 
tetracycline in therapy of pneumococcal pneumonia. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

60

 

In-vitro investigations of the mechanism of action of a 
combination when used against a pathogen usually 
employ the so-called “checkerboard titration” technique, 
in which the combinatory effects of substances A and B 
are compared using a checkerboard-like pattern. 

 

Chemoprophylaxis 

  One of the most controversial antibiotic uses is 

prophylactic antibiosis. There are no clear-cut solutions 
here. There are certain situations in which 
chemoprophylaxis is clearly indicated and others in which 
it is clearly contraindicated. The matter must be decided 
on a case-by-case basis by weighing potential benefits 
against potential harm (side effects, superinfections with 
highly virulent and resistant pathogens, selection of 
resistant bacteria). 

  Chemoprophylaxis is considered useful in, rheumatic 

fever, pulmonary cystic fibrosis, recurring pyelonephritis, 
following intensive contact with meningococci carriers, 
before surgery involving massive bacterial contamination, 
in heavily immunocompromised patients, in cardiac 
surgery or in femoral amputations due to circulatory 
problems. Chemoprophylaxis aimed at preventing a 
postsurgical infection should begin a few hours before the 
operation and never be continued for longer than 24–72 
hours. 

 

Immunomodulators 

Despite the generally good efficacy of anti-infective 
agents, therapeutic success cannot be guaranteed. 
Complete elimination of bacterial pathogens also requires 
a functioning immune defense system. In view of the fact 
that the number of patients with severe 
immunodeficiencies is on the rise, immunomodulators are 
used as a supportive adjunct to specific antibiotic therapy 
in such patients. Many of these “cytokines” produced by 
the cells of the immune system can now be produced as 
“recombinant proteins.” Myelopoietic growth factors have 
now been successfully used in patients suffering from 
neutropenia. Additional immunomodulators are also 
available, e.g., interferon gamma (IFNc) and interleukin 2 
(IL-2). 
 

 
 
 
 
 
 

Summary: 

 

Specific antibacterial therapy refers to treatment of 
infections with antiinfective agents directed against the 
infecting pathogen. The most important group of anti-
infective agents are the antibiotics, which are products of 
fungi and bacteria (Streptomycetes). Anti-infective agents 
are categorized as having a broad, narrow, or medium 
spectrum of action. The efficacy, or effectiveness, of a 
substance refers to its bactericidal or bacteriostatic effect. 
Anti-infective agents have many different mechanisms of 
action. Under the influence of sulfonamides and 
trimethoprim, bacteria do not synthesize sufficient 
amounts of tetrahydrofolic acid. All betalactam antibiotics 
irreversibly block the biosynthesis of murein. Rifamycin 
inhibits the DNA-dependent RNA polymerase 
(transcription). Aminoglycosides, tetracyclines, and 
macrolides block translation. All 4-quinolones damage 
cellular DNA topology by inhibiting bacterial 
topoisomerases. Due to their genetic variability, bacteria 
may develop resistance to specific anti-infective agents. 
The most important resistance mechanisms are: 
inactivating enzymes, resistant target molecules, reduced 
influx, increased efflux. Resistant strains (problematic 
bacteria) occur frequently among hospital flora, mainly 
Enterobacteriaceae, pseudomonads, staphylococci, and 
enterococci. Laboratory resistance testing is required for 
specific antibiotic therapy. Dilutions series tests are 
quantitative resistance tests used to determine the 
minimum inhibitory concentration (MIC). The disk test is 
a semiquantitative test used to classify the test bacteria as 
resistant or susceptible. In combination therapies it must 
be remembered that the interactions of two or more 
antibiotics can give rise to an antagonistic effect. Surgical 
chemoprophylaxis must be administered as a short-term 
antimicrobial treatment only. 

 

 


background image

 

77 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

78 

Lecture 1 - Staphylococcus 

 

  Staphylococci are Gram-positive cocci occurring in 

clusters. They can be cultured on normal nutrient 
mediums both aerobically and anaerobically. The most 
important species from the viewpoint of human medicine 
is S. aureus. A number of extracellular enzymes and 
exotoxins such as coagulase, alphatoxin, leukocidin, 
exfoliatins, enterotoxins, and toxic shock toxin are 
responsible for the clinical symptoms of infections by this 
pathogen, which are observed in the three types invasive 
infections, pure toxicoses, and mixed forms. The 
antibiotics of choice for therapy of these infections are 
penicillinase-resistant penicillins. Laboratory diagnosis 
involves identification of the pathogen by means of 
microscopy and culturing. S. aureus is a frequent 
pathogen in nosocomial infections and limited outbreaks 
in hospitals. Hand washing by medical staff is the most 
important prophylactic measure in hospitals. 

  Coagulase-negative staphylococci are classic 

opportunists. S. epidermidis and other species are frequent 
agents in foreign body infections due to their ability to 
form biofilms on the surfaces of inert objects. S. 
saprophyticus
 is responsible for between 10 and 20% of 
acute urinary tract infections in young women. 

  Staphylococci are small spherical cells (1 µm) found in 

grapelike clusters.Staphylococci are nonmotile, catalase-
producing bacteria. The genus Staphylococcus includes 
over 30 species and subspecies. S. aureus (and E. coli) are 
among the most frequent causal organisms in human 
bacterial infections. 
 

Staphylococcus aureus 

Morphology and culturing

This is a facultative 

anaerobe that is readily cultured on normal nutrient 
mediums at 37 ˚C. Hemolytic zones are frequently 
observed around the colonies. 

Fine structure

. The cellwall consists of a thick layer of 

murein. Linear teichoic acids and polysaccharides are 
covalently coupled to the murein polysaccharide. The 
lipoteichoic acids permeating the entire murein layer are 
anchored in the cell membrane. Teichoic and lipoteichoic 
acids can trigger activation of complement by the 
alternative pathway and stimulate macrophages to secrete 
cytokines. Cell wall-associated proteins are bound to the 
peptide components of the murein. Clumping factor, 
fibronectin-binding protein, and collagen-binding protein 
bind specifically to fibrinogen, fibronectin, and collagen, 
respectively, and are instrumental in adhesion to tissues 

and foreign bodies covered with the appropriate matrix 
protein. Protein A binds to the Fc portion of 
immunoglobulins (IgG). It is assumed that “false” binding 
of immunoglobulins by protein A prevents “correct” 
binding of opsonizing antibodies, thus hindering 
phagocytosis. 

 

Extracellular toxins and enzymes

.  

S. aureus secretes numerous enzymes and toxins that 
determine, together with the fine structures described 
above, the pathogenesis of the attendant infections. The 
most important are: 

1)  Plasma coagulase is an enzyme that functions like 

thrombin to convert fibrinogen into fibrin. Tissue 
microcolonies surrounded by fibrin walls are difficult to 
phagocytose. 

2)  a-toxin can have lethal CNS effects, damages membranes 

(resulting in, among other things, hemolysis), and is 
responsible for a form of dermonecrosis. 

3)  Leukocidin damages microphages and macrophages by 

degranulation. 

4)  Exfoliatins are responsible for a form of epidermolysis. 
5)  Food poisoning symptoms can be caused by eight 

serologically differentiated enterotoxins (A-E, H, G, and 
I). These proteins (MW: 35 kDa) are not inactivated by 
heating to 100 ˚C for 15–30 minutes. Staphylococcus 
enterotoxins are superantigens. 

6)  Toxic shock syndrome toxin-1 (TSST-1) is produced by 

about 1% of Staphylococcus strains. TSST-1 is a 
superantigen that induces clonal expansion of many T 
lymphocyte types (about 10%), leading to massive 
production of cytokines, which then give rise to the 
clinical symptoms of toxic shock. 
 

Pathogenesis and clinical pictures

.  

The pathogenesis and symptoms of S. aureus infections 
take one of three distinct courses: 

1)  Invasive infections. In this type of infection, the 

pathogens tend to remain in situ after penetrating through 
the derma or mucosa and to cause local infections 
characterized by purulence. Examples include furuncles 
,carbuncles,wound infections, sinusitis, otitis media, and 
mastitis puerperalis. Other kinds of invasive infection 
include postoperative or posttraumatic 
ostitis/osteomyelitis, endocarditis following heart surgery 
(especially valve replacement), postinfluenza pneumonia, 
and sepsis in immunocompromised patients. S. aureus and 
E. coli are responsible for approximately equal shares of 
nearly half of all cases of inpatient sepsis. 
Inert foreign bodies can be colonized by S. aureus
Colonization begins with specific binding of the 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

79 

staphylococci, by means of cell wall-associated adhesion 
proteins, to fibrinogen or fibronectin covering the foreign 
body, resulting in a biofilm that may function as a focus 
of infection. 

2)  Toxicoses. Food poisoning results from ingestion of food 

contaminated with enterotoxins. The onset a few hours 
after ingestion takes the form of nausea, vomiting, and 
massive diarrhea. 

3)  Mixed forms. Dermatitis exfoliativa (staphylococcal 

scalded skin syndrome, Ritter disease), pemphigus 
neonatorum, and bullous impetigo are caused by 
exfoliatin-producing strains that infect the skin surface. 
Toxic shock syndrome (TSS) is caused by strains that 
produce TSST-1. These strains can cause invasive 
infections, but may also only colonize mucosa. The main 
symptoms are hypotension, fever & a scarlatiniform rash. 
 

Diagnosis.  

  This requires microscopic and culture-based pathogen 

identification. Differentiating S. aureus from the 
coagulase-negative species is achieved by detection of the 
plasma coagulase and/or the clumping factor. The 
enterotoxins and TSST-1 can be detected by means of 
immunological and molecular biological methods (special 
laboratories). 

  Plasma Coagulase and Clumping Factor Test 

  To detect plasma coagulase, suspend several colonies in 

0.5 ml of rabbit plasma, incubate the inoculated plasma 
for one, four, and 24 hours and record the levels of 
coagulation. 

  For the clumping factor test, suspend colony material in a 

drop of rabbit plasma on a slide. Macroscopically visible 
clumping confirms the presence of the factor. 

 

Therapy

.  

Aside from surgical measures, therapy is based on 
dministration of antibiotics. The agents of choice for severe 
infections are penicillinase resistant penicillins, since 70–
80% of all strains produce penicillinase. These penicillins 
are, however, ineffective against methicillin-resistant 
strains, & this resistance applies to all betalactams. 

 

Epidemiology and prevention.

  

S. aureus is a frequent colonizer of skin and mucosa. High 
carrier rates (up to 80%) are the rules among hospital 
patients and staff. The principle localization of 
colonization in these persons is the anterior nasal mucosa 
area, from where the bacteria can spread to hands or with 
dust into the air and be transmitted to susceptible 
persons.S. aureus is frequently the causal pathogen in 

nosocomial infections. Certain strains are known to cause 
hospital epidemics. Identification of the epidemic strain 
requires differentiation of relevant infection isolates from 
other ubiquitous strains. Lysotyping can be used for this 
purpose, although use of molecular methods to identify 
genomic DNA “fingerprints”is now becoming more 
common. 
   The most important preventive measure in hospitals is 
washing the hands thoroughly before medical and nursing 
procedures. Intranasal application of antibiotics 
(mupirocin) is a method of reducing bacterial counts in 
carriers. 

 

Coagulase-Negative Staphylococci (CNS) 

  CNS is an element in the normal flora of human skin and 

mucosa. They are classic opportunists that only cause 
infections given a certain host disposition. 

  S. epidermidis. This is the pathogen most frequently 

encountered in CNS infections (70–80% of cases). CNS 
cause mainly foreign body infections. Examples of the 
foreign bodies involved are intravasal catheters, 
continuous ambulant peritoneal dialysis (CAPD) 
catheters, endopro- stheses, metal plates and screws in 
osteosynthesis, cardiac pacemakers, artificial heart valves, 
and shunt valves. These infections frequently develop 
when foreign bodies in the macroorganism are covered by 
matrix proteins (e.g., fibrinogen, fibronectin) to which the 
staphylococci can bind using specific cell wall proteins. 
They then proliferate on the surface and produce a 
polymeric substance—the basis of the developing biofilm. 
The staphylococci within the biofilm are protected from 
antibiotics and the immune system to a great extent. Such 
biofilms can become infection foci from which the CNS 
enter the bloodstream and cause sepsis like illnesses. 
Removal of the foreign body is often necessary. 

  S. saprophyticus is responsible for 10–20% of acute 

urinary tract infections, in particular dysuria in young 
women, and for a small proportion of cases of nonspecific 
urethritis in sexually active men. 

  Antibiotic treatment of CNS infections is often 

problematic due to the multiple resistances often 
encountered in these staphylococci, especially S. 
hemolyticus
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

80 

Lecture 2 - Streptococcus and 
Enterococcus 

 
Streptococci  are round to oval, Gram-positive, 
nonmotile, nonsporing bacteria that form winding chains 
(streptos [greek] = twisted) or diplococci. They do not 
produce catalase. Most are components of the normal 
flora of the mucosa. Some can cause infections in humans 
and animals. 

 

Classification. 

The genera Streptococcus and Enterococcus comprise a 
large number of species.  

 

α

-, β-, ƴ-hemolysis. 

  Alpha-hemolysis

 (

α-hemolysis). Colonies on blood agar 

are surrounded by a green zone. This “greening” is 
caused by H2O2, which converts hemoglobin into 
methemoglobin. 

  Beta-hemolysis (β-hemolysis). Colonies on blood agar 

are surrounded by a large, yellowish hemolytic zone in 
which no more intact erythrocytes are present and the 
hemoglobin is decomposed. 

  Nonhemolytic colonies have been termed gamma-

hemolytic

 (

ƴ-hemolysis) .This (illogical) term indicates 

the absence of macroscopically visible hemolytic zones. 

  Lancefield groups.  

Many streptococci and enterococci have a polymeric 
carbohydrate (C substance) in their cell walls called the 
Lancefield antigen.They are classified in Lancefield 
groups A-V
 based on variations in the antigenicity of this 
antigen. Group A streptococci are nearly always beta-
hemolytic; related Group B can manifest alpha, beta or 
gamma hemolysis. Most strains of S. pneumoniae are 
alpha-hemolytic but can cause ß-hemolysis during 
anaerobic incubation. Most of the oral streptococci and 
enterococci are non-hemolytic. The property of hemolysis 
is not very reliable for the absolute identification of 
streptococci, but it is widely used in rapid screens for 
identification of S. pyogenes and S. pneumoniae.

 

 

Streptococcus pyogenes (A Streptococci) 

Morphology and culturing.

 

  Gram-positiveround-to-ovoid cocci0.6-1.0 

micrometer in diameter. Streptococci divide in one plane 
and thus occur in pairs or (especially in liquid media or 
clinical
 material ) in chains of varying   lengths.  The 
metabolism of  S. pyogenes is fermentative; the organism 
is a catalase-negative aerotolerant anaerobe (facultative 

anaerobe), and requires enriched medium containing 
blood in order to grow. Group A streptococci typically 
have a capsule composed of hyaluronic acid and exhibit 
beta (clear) hemolysis on blood agar. 

Fine structure.

  

The murein layer of the cell wall is followed by the 
serogroup A carbohydrate layer, which consists of C 
substance and is covalently bound to the murein. Long, 
twisted protein threads that extend outward are anchored 
in the cell wall murein: the M protein. A streptococci are 
classified in serovars with characteristic M protein 
chemistry. Like the hyaluronic acid capsules seen in some 
strains, the M protein has an antiphagocytic effect.

 

The 

surface of Streptococcus pyogenes is incredibly complex 
and chemically-diverse. Antigenic components 
include capsular polysaccharide (C-substance), cell 
wall peptidoglycan and lipoteichoic acid (LTA), and a 
variety of surface proteins, including M proteinfimbrial 
proteins
fibronectin-binding proteins, (e.g. Protein F
and cell-bound streptokinase.

 

The cytoplasmic 

membrane of S. pyogenes contains some antigens similar 
to those of human cardiac, skeletal, and smooth muscle, 
heart valve fibroblasts, and neuronal tissues, resulting 
in molecular mimicry and a tolerant or suppressed 
immune response by the host. 
 

 

 

Extracellular toxins and enzymes

.  

The most important in the context of pathogenicity are: 

1)  Streptolysin O, streptolysin S. Destroy the membranes 

of erythrocytes and other cells.

 

 Streptolysin S is an 

oxygen-stable leukocidin; Streptolysin O is an oxygen-
labile leukocidin. Streptolysin O acts as an antigen. Past 
infections can be detected by measuring the antibodies to 
this toxin (antistreptolysin titer). 

2)  Pyrogenic streptococcal exotoxins (PSE) A, B, C. 

Responsible for fever, scarlet fever exanthem and 
enanthem, sepsis, and septic shock. The pyrogenic 
exotoxins are superantigens and therefore induce 
production of large amounts of cytokines  

Streptococcus 
pyogenes
 is a 
gram-positive 
bacterium that 
usually grows in 
pairs or chains. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

81 

3)  Streptokinase. Dissolves fibrin; facilitates spread of 

streptococci in tissues. 

4)  Hyaluronidase. Breaks down a substance that cements 

tissues together. 

5)  DNases. Breakdown of DNA, producing runny pus. 

NADase is leukotoxic.

 

 

6)  Streptodornases A-D possess deoxyribonuclease 

activity; Streptodornases B & D possess ribonuclease 
activity as well 

7)  Protease activity similar to that inStaphylococcus 

aureus has been shown in strains causing soft tissue 
necrosis ortoxic shock syndrome. This large repertoire of 
products is important in the pathogenesis of S. 
pyogenes
 infections. Even so, antibodies to these products 
are relatively insignificant in protection of the host.  

 

 

Cell surface structure of Streptococcus pyogenes and 
secreted products involved in virulence. 
 

Pathogenesis and clinical pictures. 

  Streptococcus pyogenes is one of the most frequent 

pathogens of humans. It is estimated that between 5-15% 
of normal individuals harbor the bacterium, usually in the 
respiratory tract, without signs of disease. As normal 
flora, S. pyogenes can infect when defenses are 
compromised or when the organisms are able to penetrate 
the constitutive defenses. When the bacteria are 
introduced or transmitted to vulnerable tissues, a variety 
of types of suppurative infections can occur. 
Streptococcal diseases can be classified as either acute
invasive infections or sequelae to them.

 

Acute 

diseases associated with Streptococcus pyogenes occur 
chiefly in the respiratory tractbloodstream, or 
the skin. Streptococcal disease is most often a respiratory 
infection (pharyngitis or tonsillitis) or a skin infection 
(pyoderma). Some strains of streptococci show a 
predilection for the respiratory tract; others, for the skin. 

Generally, streptococcal isolates from the pharynx and 
respiratory tract do not cause skin infections. S. 
pyogenes
 is the leading cause of uncomplicated 
bacterial pharyngitis and tonsillitis commonly referred to 
strep throat. Other respiratory infections 
include sinusitisotitis,and pneumonia. Infections of the 
skin can be superficial (impetigo) or deep (cellulitis). 

  Invasive infections. Invasive streptococci cause joint or 

bone infectionsdestructive wound 
infections
 (necrotizing fasciitis
and myositismeningitis and endocarditis . The pathogens 
enter through traumas or microtraumas in the skin or 
mucosa and cause invasive local or generalized infections. 
The rare cases of severe septic infection and necrotizing 
fasciitis occur in persons with a high-risk MHC II allotype. 
In these patients, the PSE superantigens (especially 
PSEA) induce large amounts of cytokine by binding at the 
same time to the MHC II complex and the b chain of the 
T cell receptor. The excess cytokines thus produced are the 
cause of the symptoms. 

  Sequelae. Two post streptococcal sequelaerheumatic 

fever and glomerulonephritis, may follow streptococcal 
disease, and occur in 1-3% of untreated infections. These 
conditions and their pathology are not attributable to 
dissemination of bacteria, but to aberrent immunological 
reactions to Group A streptococcal antigens. Scarlet 
fever
 and streptococcal toxic shock syndrome are 
systemic responses to circulating bacterial toxins. 
Glomerulonephritis is an immune complex disease and 
acute rheumatic fever may be a type II immune disease. 
 

 

Fig: Pathogenesis of Streptococcus pyogenes infections 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

82 

Diagnosis 

What is involved in diagnosis is detection of the pathogen 
by means of microscopy and culturing. Group A antigen 
can be detected using particles coated with antibodies that 
precipitate agglutination (latex agglutination
coagglutination). Using these methods, direct detection 
of A streptococci in tonsillitis is feasible in the medical 
practice. However, this direct detection method is not as 
sensitive as the culture. Differentiation of A streptococci 
from other β-hemolytic streptococci can be realized in the 
laboratory with the bacitracin disk test, because A 
streptococci are more sensitive to bacitracin than the other 
types. 
 

Therapy.  

The agents of choice are penicillin G or V. Resistance is 
unknown. Alternatives are oral cephalosporins or 
macrolide antibiotics, although resistance to the latter can 
be expected. In treatment of septic shock, a polyvalent 
immunoglobulin
 is used to inactivate the PSE. 
 

Epidemiology and prophylaxis. 

Infection frequency varies according to geographical area, 
season, and age. Humans are the only pathogen reservoir 
for S. pyogenes. Transmission is by direct contact 
(smear infection)
 or droplets. The incubation period is 
one to three days. The incidence of carriers among 
children is 10–20%, but can be much higher depending 
on the epidemiological situation. Carriers and infected 
persons are no longer contagious 24 hours after the start 
of antibiotic therapy. Microbiological follow-up checks of 
patients and first-degree contacts are not necessary 
(exception: rheumatic history). In persons with recurring 
infections or with acute rheumatic fever in their medical 
histories, continuous penicillin prophylaxis with a long-
term penicillin is appropriate (e.g., 1.2 million IU 
benzathine penicillin per month). 

 
 

Streptococcus pneumoniae (Pneumococci) 

Morphology and culturing 

Pneumococci are Gram-positive, oval to lancet-shaped 
cocci that usually occur in pairs or short chains. The cells 
are surrounded by a thick capsule. When cultured on 
blood agar, S. pneumoniae develop a-hemolytic colonies 
with a mucoid (smooth, shiny) appearance (hence “S” 
form). Mutants without capsules produce colonies with a 
rough surface (“R” form). Antigen structure. 
Pneumococci are classified in 90 different serovars based 

on the fine chemical structure of the capsule 
polysaccharides acting as antigens. This capsule antigen 
can be identified using specific antisera in a reaction 
known as capsular swelling. 
 

 

Streptococcus pneumoniae (also called Diplococcus 
pneumoniae
) bacteria may occur singly, in pairs or 
diplococci form, and in chains .
 Capsule stain light 
micrograph at a magnification of X1000. 
 

Pathogenesis and clinical pictures 

The capsule protects the pathogens from phagocytosis 
and is the most important determinant of pneumococcal 
virulence. Unencapsulated variants are not capable of 
causing disease. Other potential virulence factors include 
pneumolysin with its effects on membranes and an IgA1 
protease
. The natural habitat of pneumococci is provided 
by the mucosa of the upper respiratory tract. About 
40–70% of healthy adults are carriers. Pneumococcal 
infections usually arise from this normal flora 
(endogenous infections). Predisposing factors include 
primary cardiopulmonary diseasesprevious infections 
(e.g., influenza), and extirpation of the spleen or 
complement system defects. The most important 
pneumococcal infections are lobar pneumonia and 
bronchopneumonia. Other infections include acute 
exacerbation of chronic bronchitisotitis media
sinusitismeningitis, and corneal ulcer. Severe 
pneumococcal infections frequently involve sepsis

 

Diagnosis 

The laboratory diagnosis includes detection of the 
pathogen in appropriate test samples by means of 
microscopy and culturing. Pneumococcus can be 
differentiated from other a-hemolytic streptococci based 
on their greater sensitivity to optochin (ethyl hydrocuprein 
hydrochloride) in the disk test or their bile solubility. Bile 
salts increase autolysis in pneumococci. 

 

Therapy 

Penicillin is still the antibiotic of choice. There have been 
reports of high-frequency occurrence of strains resistant to 
penicillin (South Africa, Spain, Hungary, USA). These 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

83 

strains are still relatively rare in Germany, Switzerland, 
and Austria (5–10%). Macrolide antibiotics are an 
alternative to penicillins, but resistance to them is also 
possible. Penicillin resistance is not due to penicillinase, 
but rather to modified penicillin-binding proteins 
(PBPs) to which penicillins have a lower level of affinity. 
PBPs are required for murein biosynthesis. 
Biochemically, penicillin resistance extends to 
cephalosporins as well. However, certain cephalosporins 
(e.g., ceftriaxone) can be used against penicillin-resistant 
pneumococci due to their higher levels of activity. 

 

Epidemiology and prophylaxis 

Pneumococcal infections are endemic and occur in all 
seasons, more frequently in the elderly. Humans are the 
natural pathogen reservoir. The vaccine (product 
Pneumovax®)  is available for immunization purposes, it 
contains 25mg of the purified capsule polysaccharides of 
each of 23 of the most frequent serovars. Eighty to ninety 
percent of all isolated pneumococci have antigens 
contained in this vaccine, which is primarily indicated in 
persons with predisposing primary diseases. There is also 
a seven-valent conjugate vaccine that is effective in 
children under two years of age . Exposure prophylaxis is 
not necessary. 

 

Streptococcus agalactiae (B Streptococci) 

B streptococci occasionally cause infections of the skin 
and connective tissues
sepsisurinary tract infections
pneumonia, and peritonitis in immunocompromised 
individuals. About one in 1000 neonates suffers from a 
sepsis with or without meningitis. These infections 
manifest in the first days of life (early onset type) or in 
the first weeks of life (late onset type). In the early onset 
form, the infection is caused intrapartum by B 
streptococci colonizing the vagina. Potential 
predisposing factors include birth complications, 
premature birth, and a lack of antibodies to the capsule in 
mother and neonate. 

 

Oral Streptococci 

Most of the oral streptococci of the type often known as 
the viridans group have no group antigen. They usually 
cause α-hemolysis, some c-hemolysis as well. Oral 
streptococci are responsible for 50–70% of all cases of 
bacterial endocarditis, overall incidence of which is one to 
two cases per 100 000 annually. The origins of 
endocarditis lie in invasion of the vascular system through 

lesions in the oral mucosa. A transitory bacteremia 
results. The heart valves are colonized and a biofilm is 
formed by the organism. Predisposing factors include 
congenital heart defects, acute rheumatic fever, cardiac 
surgery, and scarred heart valves. Laboratory diagnosis of 
endocarditis involves isolation of the pathogen from 
blood cultures. Drug therapy of endocarditis is carried 
out with either penicillin G alone or combined with an 
aminoglycoside (mostly gentamicin). Bactericidal 
activity is the decisive parameter. S. mutansS. sanguis
and S. mitis are, besides Actinomyces viscosus and A. 
naeslundii
, responsible for dental caries .These 
streptococci can attach to the proteins covering the tooth 
enamel, where they then convert sucrose into extracellular 
polysaccharides (mutan, dextran, levan). These sticky 
substances, in which the original bacterial layer along 
with secondary bacterial colonizers are embedded, form 
dental plaque. The final metabolites of the numerous 
plaque bacteria are organic acids that breach the 
enamel,allowing the different caries bacteria to begin 
destroying the dentin. 

 

Enterococcus (Enterococci) 

Enterococci are a widespread bacterial genus normally 
found in the intestines of humans and other animals. They 
are nonmotile, catalase-negative, and characterized by 
group antigen D. They are able to proliferate at 45 °C, in 
the presence of 6.5% NaCl and at pH 9, qualities that 
differentiate them from streptococci. As classic 
opportunists, enterococci show only low levels of 
pathogenicity. However, they are frequently isolated as 
components of a mixed flora in nosocomial infections . 
Ninety percent of such isolates are identified as E. 
faecalis
, 5–10% as E. faecium. Among the most 
dangerous enterococcal infections is endocarditis, which 
must be treated with a combination of an aminopenicillin 
and streptomycin or gentamicin. Therapeutic success 
depends on the bactericidal efficacy of the combination 
used. The efficacy level will be insufficient in the 
presence of high levels of resistance to either 
streptomycin (MIC >1000 mg/l) or gentamicin (MIC 
>500 mg/l) or resistance to the aminopenicillin. 
Enterococci frequently develop resistance to antibiotics. 
Strains manifesting multiple resistance are found mainly 
in hospitals, in keeping with the classic opportunistic 
character of these pathogens. Recently observed 
epidemics on intensive care wards involved strains that 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

84 

were resistant to all standard anti-infective agents 
including the glycopeptides vancomycin and teicoplanin

 

Gram-Positive, Anaerobic Cocci 

Gram-positive, strictly anaerobic cocci are included in the 
genera Peptococcus and Peptostreptococcus. The only 
species in the first genus is Peptococcus niger, whereas 
the latter comprises a number of species. The anaerobic 
cocci are commonly observed in normal human flora. In a 
pathogenic context they are usually only encountered as 
components of mixed florae together with other anaerobes 
or facultative anaerobes. These bacteria invade tissues 
through dermal or mucosal injuries and cause subacute 
purulent infections
. Such infections are either localized 
in the head area (cerebral abscessotitis media
mastoiditissinusitis) or lower respiratory tract 
(necrotizing pneumoniapulmonary abscess
empyema). They are also known to occur in the abdomen 
(appendicitisperitonitishepatic abscess) and female 
genitals (salpingitisendometriosistubo-ovarian 
abscess
). Gram-positive anaerobic cocci may also 
contribute to soft-tissue infections and postoperative 
wound infections. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Summary:  

Streptococci are Gram-positive, nonmotile, catalase-
negative, facultatively anaerobic cocci that occur in 
chains or pairs. They are classified based on their 
hemolytic capacity (α-β-ƴ-hemolysis) and the 
antigenicity of a carbohydrate occurring in their cell walls 
(Lancefield antigen).b-hemolytic group A streptococci 
(S. pyogenes) cause infections of the upper respiratory 
tract and invasive infections of the skin and subcutaneous 
connective tissue. Depending on the status of the immune 
defenses and the genetic disposition, this may lead to 
scarlet fever and severe infections such as necrotizing 
fasciitis
sepsis, or septic shockSequelae such as acute 
rheumatic fever
 and glomerulonephritis have an 
autoimmune pathogenesis. The α-hemolytic pneumococci 
(S. pneumoniae) cause infections of the respiratory tract. 
Penicillins are the antibiotics of choice. Resistance to 
penicillins is known among pneumococci, and is 
increasing. Laboratory diagnosis involves pathogen 
detection in the appropriate material. Persons at high risk 
can be protected from pneumococcal infections with an 
active prophylactic vaccine containing purified capsular 
polysaccharides. Certain oral streptococci are responsible 
for dental cariesOral streptococci also cause half of all 
cases of endocarditis. Although enterococci show only 
low levels of pathogenicity, they frequently cause 
nosocomial infections in immunocompromised patients 
(usually as elements of a mixed flora). 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

85 

Lecture 3 - Pathogenic Neisseria, 
Moraxella and Acinetobacter 

 
The family Neisseriaceae consists of Gram-negative 
aerobic bacteria from 14 genera, including Neisseria, 
Chromobacterium, Kingella,
and Aquaspirillum. The 
genus Neisseria contains two important human 
pathogens, N. gonorrhoeae and N. meningitidis

        

 

Neisseria gonorrheae  

Morphology and culture 

Gonococci are Gram-negative, coffee-bean-shaped cocci 
that are usually paired and have a diameter of 
approximately 1 µm. Attachment pili on the bacterial cell 
surface are responsible for their adhesion to mucosal cells. 
Gonococci can be grown on moist culture mediums 
enriched with protein (blood). The atmosphere for 
primary culturing must contain 5–10% CO2. 
 

 

Neisseria gonorrhoeae 

 

Pathogenesis and clinical picture. 

  Gonorrhea is a sexually transmitted disease. The 

pathogens penetrate into the urogenital mucosa, causing a 
local purulent infection. In men, the prostate and 
epididymis can also become infected.

 

Uncomplicated 

gonorrhea in the adult male is an inflammatory and 
pyogenic infection of the mucous membranes of the 
anterior urethra. The most common symptom is a 
discharge that may range from a scanty, clear or cloudy 
fluid to one that is copious and purulent. Dysuria 
(difficulty in urination)is often present. Inflammation of 
the urethral tissues results in the characteristic redness, 
swelling, heat, and pain in the region. There is intense 
burning and pain upon urination. In women, the 
gonococci can also cause salpingitis, oophoritis, or even 
peritonitis. 

  Endocervical infection is the most common form of 

uncomplicated gonorrhea in women. Such infections are 
usually characterized by vaginal discharge and sometimes 
by dysuria. About 50% of women with cervical infections 

are asymptomatic. Asymptomatic infections occur in 
males, as well. Males with asymptomatic urethritis are an 
important reservoir for transmission and are at increased 
risk for developing complications. Asymptomatic males 
and females are a major problem as unrecognized carriers 
of the disease, which occurs in the U.S. at an estimated 
rate of over 700,000 cases per year. Gonococci reaching 
the conjunctival membrane may cause a purulent 
conjunctivitis, seen mainly in newborn children. 
Gonococci can also infect the rectal or pharyngeal 
mucosa. Hematogenously disseminated gonococci may 
also cause arthritis or even endocarditis.  

 

  Determinants of the Pathogenicity of Gonococci. 

       Attachment pili on the surface and the outer 
membrane protein Opa are responsible for adhesion to 
cells of the urogenital tract. Opa also directs the invasion 
process by means of endocytosis. Immune defenses 
against granulocytes are based on the outer membrane 
porin Por that prevents the phagosome from fusing with 
lysosomes, resulting in the survival—and 
proliferation
—of phagocytosed gonococci in 
granulocytes. The lipo-oligosaccharide (LOS) in the 
outer membrane is responsible for resistance to 
complement
 (serum resistance) as well as for the 
inflammatory tissue reaction in a manner analogous to 
the more complexly structured LPS of enterobacteria. 
Gonococci can capture iron from the siderophilic 
proteins lactoferrin and transferrin, accumulating it inside 
the bacterial cells to facilitate their rapid proliferation
An IgA1 protease produced by the gonococci hydrolyzes 
secretory antibodies
 in the mucosal secretions. The 
pronounced antigen variability of the attachment pili 
and the Opa protein make it possible for gonococci to 
thwart specific immune defense mechanisms repeatedly. 
 

Diagnosis

 

The method of choice is detection of the pathogens by 
means of methylene blue and gram staining and 
culturing. Gonococci are sensitive in cultures and the 
material must be used immediately after they are obtained 
to inoculate. Thayer-Martin blood agar with antibiotics 
added to eliminate accompanying flora, on which medium 
the cultures are then transported to the laboratory. The 
identification procedure involves both morphology and 
biochemical characteristics. Techniques developed 
recently utilize immunofluorescence or coagglutination 
methods utilizing monoclonal antibodies to the main 
protein of the outer membrane, Por


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

86 

Direct detection in pus and secretion samples is possible 
using an enzymatic immunosorbence test or detection of 
gonococcus-specific DNA sequences coding for rRNA 
using a gene probe
 

Therapy

  

The agent of choice used to be penicillin G. In recent 
years, however, the percentage of penicillinase-producing 
strains has increased considerably all over the world. For 
this reason, third-generation cephalosporins are now 
used to treat uncomplicated cases of gonorrhea. They are 
applied in a single dose (e.g., ceftriaxone, 250–500mg 
i.m.). Good results have also been reported with single-
dose
 oral application of fluorinated 4-quinolones (e.g., 
0.5 g ciprofloxacin or 0.4 g ofloxacin). 
Penicillin Resistance in Gonococci : The determinants of 
high-level penicillin resistance in gonococci are small, 
nonconjugative plasmids, which are mobilized by a 
conjugative helper plasmid for transmission from one 
gonococcal cell to another. The penicillin resistance 
plasmids code for the TEM betalactamase that occurs 
frequently in Enterobacteriaceae. It is therefore assumed 
that the penicillinase gene in gonococci derived from the 
Enterobacteriaceae 
gene pool. Low-level, inherent 
resistance to penicillin is based on chromosomal genes ( 
penA
penB) that code for penicillin-binding proteins 
with reduced affinity to penicillin. These genes are 
products of mutations. 
 

Epidemiology and prevention

 

Gonorrhea is a worldwide sexually transmitted disease 
that occurs only in humans. Its level of annual incidence 
in developed countries is estimated at 12 cases per 1000 
inhabitants. The actual figures are likely to be much 
higher due to large numbers of unreported cases. A 
reduction in incidence seen in recent years may be due 
to AIDS prophylaxisProtective immunization for 
high-risk persons is not feasible due to the antigen 
variability of the organism as described above. Stopping 
the spread of gonorrhea involves mainly rapid recognition 
of infections and treatment accordingly. One hundred 
percent prevention of ophthalmia neonatorum is possible 
with a single parenteral dose of 125mg ceftriaxone. Local 
prophylaxis is also practiced using a 1% solution of 
silver nitrate
 or eye ointments containing 1% 
tetracycline
 or 0.5% erythromycin

 

 

 

Neisseria meningitidis  

Morphology and culture

 

  Meningococci are Gram-negativecoffee-bean shaped 

cocci that are frequently pleomorphic and have a 
diameter of 1 µm. They are nonmotile and feature a 
polysaccharide capsule

  Growing meningococci in cultures requires mediums 

containing blood. A concentration of 5–10% CO2 
encourages proliferation. 
 

 

Neisseria meningitidis scanning EM 
 

  Antigen structure. Serogroups A, B, C, D, etc. (a total 

of 12) are differentiated based on the capsule chemistry. 
Epidemics are caused mainly by strains of serogroup A, 
sometimes by B strains as well and, more rarely, by group 
C strains. Serogroups are divided into serovars based on 
differences in the outer membrane protein antigens. 
 

Pathogenesis and clinical picture 

Meningococci are parasites of the nasopharynx. These 
microorganisms are carried by 5–10% of the population
If virulent meningococci colonize the nasopharyngeal 
mucosa of a host lacking the antibodies, pathogen 
invasion of the mucosa by means of “parasite directed 
endocytosis
” becomes possible. The CNS is doubtless the 
preferred compartment for secondary infections
although hematogenously disseminated pathogens can 
also infect the lungs, the endocardium, or major joints
Onset of the meningitis is usually sudden, after an 
incubation period of two to three days, with severe 
headache
feverneck stiffness, and severe malaise
Severe hemorrhagic sepsis sometimes develops 
(Waterhouse-Friedrichsen syndrome). 
 

Diagnosis

 

Diagnosis requires detection of the pathogen in 
cerebrospinal fluid
 or blood by means of microscopy 
and culturing techniques. For success in culturing, the 
material must be used to inoculate blood agar without 
delay. Identification of the pathogen is based on 
identification of metabolic properties. The slide 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

87 

agglutination test is used to determine the serogroup
Latex agglutination or coagglutination can be used for 
direct antigen detection in cerebrospinal fluid. 
 

Therapy

  

The antibiotic of choice is penicillin G. Very good results 
have also been obtained with third-generation 
cephalosporins
, e.g., cefotaxime or ceftriaxone. It is 
important to start treatment as quickly as possible to 
prevent  delayed damage. The advantage of 
cephalosporins is that they are also effective against other 
meningitis pathogens
 due to their broad spectrum of 
action (with the exception of Listeria monocytogenes). 
 

Epidemiology and prevention 

Meningococcal infections are more frequent in the winter 
and spring
 months. Transmission of meningococci is by 
droplet infectionHumans are the only pathogen 
reservoir. Sources of infection include both carriers and 
infected persons with manifest disease. In developed 
countries, meningitis occurs sporadically or in the form 
of minor epidemics in more or less isolated collectives 
(work camps, recruiting camps, school camping 
facilities). The incidence level is approximately 12 cases 
per 100 000 
inhabitants per year. In parts of the 
developing world (African meningitis belt) the level is 
higher
Lethality runs to 85% if the disease is left 
untreated, but is reduced to less than 1% if treatment is 
begun early enough. Prophylactic antibiosis is indicated 
for those in close contact with diseased persons (e.g., in 
the same family). Prophylactic measures also include 
treatment of carriers to eliminate this reservoir, whereby 
minocylin or rifampicin must be used instead of 
penicillin G. Prophylactic immunization can be 
achieved with a vaccine made from the purified capsule 
polysaccharides A, C, Y, and W-135
. There is no 
serogroup B vaccine
, since the capsule in serogroup B 
consists of polyneuraminic acid, which the immune 
system does not recognize as a foreign substance. 

 
 

Moraxella and Acinetobacter 

The taxonomic definitions of these genera are still 
inconclusive. Bergey’s Manual of Systematic 
Bacteriology groups both under the family 
Moraxellaceae.These bacteria are shortrounded rods
often coccoid, sometimes also diplococcoid. Their 
natural habitat is either human mucosa (Moraxella) or 
the natural environment (Acinetobacter). 

Moraxella.

  

The genus comprises two medically important species: 

  Moraxella catarrhalis

. Component of the normal flora of 

the upper respiratory tract. May be responsible for: 
pneumoniaacute exacerbation of chronic bronchitis
otitis media (up to 20% in children), and sinusitis. About 
90% of all strains produce one of the so-called BRO 
penicillinases
, so that therapy with a penicillinase-stable 
betalactam
 antibiotic is indicated. 

  Moraxella lacunata

. Formerly Diplobacterium Morax-

Axenfeld. Can cause conjunctivitis and keratitis. The 
reason why this organism is now rarely found as a 
pathogen in these eye infections is unknown. 

Acinetobacter 

In immunodeficient persons, A. baumanniiA. 
calcoaceticus
, and other species can cause nosocomial 
infections
 (urinary tract infections,  pneumonias
wound infectionssepsis). Clinical strains of these 
species often show multiresistance to antibiotics, so that 
treatment of these infections may prove difficult.  

 

Summary: 

Neisseria are Gram-negative, aerobic cocci that are often 
arranged in pairs.They are typical mucosal parasites that die 
rapidly outside the human organism. Culturing on enriched 
nutrient mediums is readily feasible. 
Neisseria gonorrheae is the pathogen responsible for 
gonorrhea (“clap”). 
Infection results from sexual intercourse. The organisms 
adhere to cells of the urogenital tract by means of attachment 
pili and the protein Opa, penetrate into the organism using 
parasite-directed endocytosis and cause a pyogenic infection, 
mainly of the urogenital epithelium. An infection is 
diagnosed mainly by means of microscopy and culturing of 
purulent secretions. The therapeutic of choice is penicillin G. 
Alternatives for use against penicillinase-positive gonococci 
include third-generation cephalosporins and 4-quinolones. N. 
meningitidis
 is a parasite of the nasopharyngeal mucosa. 
These meningococci cause meningitis and sepsis. Diagnosis 
involves detection of the pathogens in cerebrospinal fluid 
and blood. The disease occurs sporadically or in the form of 
minor epidemics in children, youths, and young adults. The 
antibiotics of choice are penicillin G and third-generation 
cephalosporins. 
      The family Neisseriaceae includes aerobic, Gram-
negative cocci and rods, the most important of which are the 
human pathogens N. gonorrheae and N. meningitidis. Other 
species in the genus Neisseria are elements of the normal 
mucosal flora. 

 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

88 

Lecture 4 - Aerobic Spore-Former 

Bacteria (Bacillus) 

 

Bacillus anthracis  

Introduction

 

The anthrax bacillus, Bacillus anthracis, was the first 
bacterium shown to be the cause of a disease. In 
1877, Robert Koch grew the organism in pure culture, 
demonstrated its ability to form endospores, and 
produced experimental anthrax by injecting it into 
animals. Anthrax occurs primarily in animals, especially 
herbivores. The pathogens are ingested with feed and 
cause a severe clinical sepsis that is often lethal. 

 

Morphology and culturing

 

 Bacillus anthrac is very large, Gram-positive, 
sporeforming rod, 1 - 1.2µm in width x 3 - 5µm in length,  
with a capsule made of a glutamic acid polypeptide. The 
bacterium can be cultivated in ordinary nutrient medium 
under aerobic (or anaerobic) conditions. Genotypically 
and phenotypically it is very similar to Bacillus 
cereus
,
 which is found in soil habitats around the world, 
and to Bacillus thuringiensis, the pathogen for larvae 
of Lepidoptera. The three species have the same cellular 
size and morphology and form oval spores located 
centrally in a nonswollen sporangium.The bacterium is 
readily grown in an aerobic milieu. 

 

Bacillus anthracis. Gram stain. 1500X. The cells have 
characteristic squared ends. The endospores are ellipsoidal 
shaped and located centrally in the sporangium. The spores 
are highly refractile to light and resistant to staining. 

 

 
Pathogenesis and clinical picture
 

The pathogenicity of B. anthracis results from its 
antiphagocytic capsule as well as from a toxin that causes 
edemas and tissue necrosis. Human infections are 
contracted from diseased animals or contaminated animal 
products. Anthrax is recognized as an occupational 
disease. Dermal, primary inhalational, and intestinal 
anthrax 
are differentiated based on the pathogen’s portal 

of entry. In dermal anthrax, which accounts for 90–95% 
of human B. anthracis infections) the pathogens enter 
through injuries in the skin. A local infection focus 
similar to a carbuncle develops within two to three days. 
A sepsis with a foudroyant (highly acute) course may then 
develop from this primary focus. Inhalational anthrax 
(bioterrorist anthrax), with its unfavorable prognosis, 
results from inhalation of dust containing the pathogen. 
Ingestion of contaminated foods can result in intestinal 
anthrax
 with vomiting and bloody diarrheas. 

 

Anthrax 

  Anthrax is primarily a disease of domesticated and wild 

animals, particularly herbivorous animals, such as cattle, 
sheep, horses, mules and goats. Humans become infected 
incidentally when brought into contact with diseased 
animals, which includes their flesh, bones, hides, hair and 
excrement. The natural history of Bacillus anthracis is 
obscure. Although the spores have been found naturally in 
soil samples from around the world, the organisms cannot 
be regularly cultivated from soils where there is an 
absence of endemic anthrax. In the United States, the 
incidence of naturally-acquired anthrax is extremely rare 
(1-2 cases of cutaneous disease per year). Worldwide, the 
incidence is unknown, although B. anthracis is present in 
most of the world. Unreliable reporting makes it difficult 
to estimate the true incidence of human anthrax 
worldwide. 

  The most common form of the disease in humans 

is cutaneous anthrax, which is usually acquired via 
injured skin or mucous membranes. A minor scratch or 
abrasion, usually on an exposed area of the face or neck 
or arms, is inoculated by spores from the soil or a 
contaminated animal or carcass.The spores germinate, 
vegetative cells multiply, and a characteristic gelatinous 
edema
 develops at the site. This develops into 
papule within 12-36 hours after infection. The papule 
changes rapidly to a vesicle, then a pustule (malignant 
pustule
), and finally into a necrotic ulcer from which 
infection may disseminate, giving rise to septicemia
Lymphatic swelling also occurs within seven days. In 
severe cases, where the blood stream is eventually 
invaded, the disease is frequently fatal

  Another form of the disease, inhalation 

anthrax (woolsorters' disease), results most commonly 
from inhalation of spore-containing dust where animal 
hair or hides are being handled. The disease begins 
abruptly with high fever and chest pain. It progresses 
rapidly to a systemic hemorrhagic pathology and is often 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

89 

fatal if treatment cannot stop the invasive aspect of the 
infection. 

  Gastrointestinal anthrax is analogous to cutaneous 

anthrax but occurs on the intestinal mucosa. As in 
cutaneous anthrax, the organisms probably invade the 
mucosa through a preexisting lesion. The bacteria spread 
from the mucosal lesion to the lymphatic system. 
Intestinal anthrax results from the ingestion of 
poorly cooked meat from infected animals. 
Gastrointestinal anthrax is rare but may occur as 
explosive outbreaks associated with ingestion of infected 
animals. Intestinal anthrax has an extremely high 
mortality rate. 

  Meningitis due to B. anthracis is a very rare complication 

that may result from a primary infection elsewhere. 

 

Pathogenicity of Bacillus anthracis 

  Bacillus anthracis clearly owes its pathogenicity to two 

major-determinants of virulence: the formation of a poly-
D-glutamyl capsule
, which mediates the invasive stage 
of the infection, and the production of the 
multicomponent anthrax toxin which mediates the 
toxigenic stage.

 

Bacillus anthracis forms a single 

antigenic type of capsule consisting of a poly-D-
glutamate polypeptide. All virulent strains of B. 
anthracis
 form this capsule.

 

The poly-D-glutamyl capsule 

is itself nontoxic, but functions to protect the organism 
against complement and the bactericidal components of 
serum and phagocytes, and against phagocytic engulfment 
and destruction. Production of capsular material is 
associated with the formation of a characteristic mucoid 
or "smooth" colony type. "Smooth" (S) to "rough" (R) 
colonial variants occur, which is correlated with ability to 
produce the capsule. R variants are relatively avirulent 
. 

 

One component of the anthrax toxin has a lethal mode 

of the action . Death is apparently due to oxygen 
depletion, secondary shock, increased vascular 
permeability, respiratory failure and cardiac failure. Death 
from anthrax in humans or animals frequently occurs 
suddenly and unexpectedly. The level of the lethal toxin 
in the circulation increases rapidly quite late in the 
disease, and it closely parallels the concentration of 
organisms in the blood. 

  Production of the anthrax toxin is mediated by a 

temperature-sensitive plasmid, pX01, of 110 
megadaltons. The toxin consists of three distinct antigenic 
components. Each component of the toxin is a 
thermolabile protein with a mw of approximately 80kDa. 

I.  Factor I is the edema factor (EF) which is necessary for 

the edema producing activity of the toxin. EF is known to 

be an inherent adenylate cyclase, similar to 
the Bordetella pertussis adenylate cyclase toxin. 

II.  Factor II is the protective antigen (PA), because it 

induces protective antitoxic antibodies in guinea pigs. PA 
is the binding (B) domain of the anthrax toxin which has 
two active (A) domains, EF (above) and LF (below). 

III.  Factor III is known as the lethal factor (LF) because it 

is essential for the lethal effects of the anthrax toxin. 

  Apart from their antigenicity, each of the three factors 

exhibits no significant biological activity in an animal. 
However, combinations of two or three of the toxin 
components yield the following results in experimental 
animals. 
PA+LF combine to produce lethal activity  
EF+PA produce edema  
EF+LF is inactive  
PA+LF+EF produces edema and necrosis and is lethal 

 

Diagnosis. 

 The diagnostic procedure involves detection of the 
pathogen
 in dermal lesions, sputum, and/or blood 
cultures using microscopic and culturing methods. 
Several nonselective and selective media for the detection 
and isolation of Bacillus anthracis have been described, 
as well as a rapid screening test for the bacterium based 
on the morphology of microcolonies . The capsular 
material can be detected by the McFadyean reaction 
which involves staining with polychrome methylene 
blue
. Blue rods in a background of purple/pink-stained 
capsular material is a positive test. Neither B. 
cereus
 nor B. thuringiensis synthesizes this capsular 
polymer, so the detection of capsular material can be used 
to distinguish B. anthracis from its closest relatives .The 
Table-1 bellow provides the differential characteristics 
that are used to distinguish Bacillus anthracis from most 
strains of Bacillus  
 

 

The Table-1 show  Differential Characteristics of B. anthracis 
B. cereus
 and B. thuringiensis

 

Characteristic 

B. 
anthracis
 

B.cereus B. 
thuringiensis 
 

growth requirement for thiamin 

hemolysis on sheep blood agar 

glutamyl-polypeptide capsule 

lysis by gamma phage 

Motility 

growth on chloral hydrate agar 

string-of-pearls test 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

90 

 

Figure 1. Colonies of Bacillus cereus on the left; colonies 
of Bacillus anthracis
 on the right. B. cereus colonies are 
larger, more mucoid, and this strain exhibits a slight zone of 
hemolysis on blood agar. 

 

Therapy

 

The antimicrobial agent of choice is penicillin G
Doxycycline (a tetracycline) or ciprofloxacin (a 
fluoroquinolone) are possible alternatives. Surgery is 
contraindicated in cases of dermal anthrax. 
 

Epidemiology and prophylaxis

 

Anthrax occurs mainly in southern Europe and South 
America, where economic damage due to farm animal 
infections
 is considerable. Humans catch the disease from 
infected animals or contaminated animal products. 
Anthrax is a classic zoonosis
Prophylaxis involves mainly exposure prevention 
measures such as avoiding contact with diseased animals 
and disinfection of contaminated products. A cell-free 
vaccine
 obtained from a culture filtrate can be used for 
vaccine prophylaxis in high-risk persons. 
 

Bacillus cereus 

Bacillus cereus has been recognized as an agent of food 
poisoning since 1955. It is not a reportable disease, and 
usually goes undiagnosed.  

B. cereus causes two types of food-borne illnesses.  

One type is characterized by nausea and vomiting and 
abdominal cramps and has an incubation period of 1 to 6 
hours
. It resembles Staphylococcus aureus 
 

 

 
(staph) food poisoning in its symptoms and incubation 
period. This is the "short-incubation" or emetic form of 
the disease.  
    The second type is manifested primarily by abdominal 
cramps and diarrhea following an incubation period of 
to 16 hours
. Diarrhea may be a small volume or profuse 
and watery. This type is referred to as the "long-
incubation" or diarrheal form of the disease, and it 
resembles food poisoning caused by Clostridium 
perfringens.
 In either type, the illness usually lasts less 
than 24 hours
 after onset. In a few patients symptoms 
may last longer. The short-incubation form is caused by a 
preformed, heat-stable emetic toxin, ETE. The 
mechanism and site of action of this toxin are unknown, 
although the small molecule forms ion channels and holes 
in membranes. The long-incubation form of illness is 
mediated by the heat-labile diarrheagenic enterotoxin 
Nhe
 and/or hemolytic enterotoxin HBL, which cause 
intestinal fluid secretion, probably by several 
mechanisms, including pore formation and activation 
of adenylate cyclase enzymes.  
 

Summary:  

The natural habitat of Bacillus anthracis, a Gram-positive, 
sporing, obligate aerobic rod bacterium, is the soil. The 
organism causes anthrax infections in animals. Human 
infections result from contact with sick animals or animal 
products contaminated with the spores. Infections are 
classified according to the portal of entry as dermal 
anthrax (95% of cases), primary inhalational anthrax, and 
intestinal anthrax. Sepsis can develop from the primary 
infection focus. Laboratory diagnosis includes 
microscopic and cultural detection of the pathogen in 
relevant materials and blood cultures. The therapeutic 
agent of choice is penicillin G. The genera Bacillus and 
Clostridium belong to the Bacillaceae family of sporing 
bacteria. There are numerous species in the genus Bacillus 
(e.g., B. cereusB. subtilis, etc.) that normally live in the 
soil. The organism in the group that is of veterinary and 
human medical interest is Bacillus anthracis
 
  
 

 

 

 

Bacillus cereusGram 
stain. 450X. Bacilli are 
large bacteria, so that 
they are readily 
observed with the 
microscope's "high dry 
objective". 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

91 

Lecture 5 - Anaerobic Spore-Former 
Bacteria (Pathogenic Clostridia) 

 

 

The genus Clostridium consists of relatively large
Gram-positiverod-shaped bacteria. All species 
form endospores and have a strictly fermentative type 
of metabolism. Most clostridia will not grow under 
aerobic
 conditions and vegetative cells are killed by 
exposure to O

2

, but their spores are able to survive long 

periods of exposure to air. 

 

Stained pus from a mixed anaerobic infection. At least 
three different clostridia are apparent
 

Clostridium perfringens

: 

Clostridium perfringens (formerly known as 
Clostridium welchii) is a Gram-positive, rod-shaped, 
anaerobic, spore-forming bacterium of the genus 
Clostridium. C. perfringens is ubiquitous in nature and 
can be found as a normal component of decaying 
vegetation, marine sediment, the intestinal tract of humans 
and other vertebrates, insects, and soil. Virtually every 
soil sample
 ever examined, with the exception of the 
sands of the Sahara, has contained C. perfringens

  

Photomicrograph of large, Gram-positive, rod-shaped 
Clostridium perfringens
 bacilli. 

Morphology and Colony characteristics 

On blood agar plates, C. perfringens grown anaerobically 
produces β-haemolytic, flat, spreading, rough, translucent 
colonies with irregular margins. A Nagler agar plate

containing 5-10% egg yolk, is used to presumptively 
identify strains which produce α-toxin, a diffusible 
lecithinase which interacts with the lipids in egg yolk to 
produce a characteristic precipitate around the colonies. 
One half of the plate is inoculated with antitoxin to act as 
control in the identification. 

Pathogenesis and Clinical Finding: 

Clostridium perfringens, which produces a huge array of 
invasins and exotoxins, causes wound and surgical 
infections that lead to gas gangrene, in addition to severe 
uterine infections. Clostridial hemolysins and 
extracellular enzymes such as proteaseslipases
collagenase and hyaluronidase, contribute to the 
invasive process. Clostridium perfringens also produces 
an enterotoxin and is an important cause of food 
poisoning
. Usually the organism is encountered in 
improperly sterilized (canned) foods in which endospores 
have germinated. C. perfringens is commonly 
encountered in infections as a benign component of the 
normal flora. In this case, its role in disease is minor
Infections due to C. perfringens show evidence of tissue 
necrosis
bacteremiaemphysematous cholecystitis, and 
gas gangrene, which is also known as clostridial 
myonecrosis
. The toxin involved in gas gangrene is 
known as α-toxin, which inserts into the plasma 
membrane of cells, producing gaps in the membrane 
which disrupt normal cellular function. The action of 
C. perfringens on dead bodies is known to mortuary 
workers as tissue gas and can only be halted by 
embalming. 

 

  Gas gangrene: 

Is a bacterial infection that produces gas within tissues in 
gangrene. It is a deadly form of gangrene usually caused 
by Clostridium bacteria. It is a medical emergency. Gas 
gangrene generally occurs at the site of trauma or a recent 
surgical wound. The onset of gas gangrene is sudden and 
dramatic. About a third of cases occur on their own. 
Patients who develop this disease in this manner often 
have underlying blood vessel disease (atherosclerosis or 
hardening of the arteries), diabetes, or colon cancer. 
Clostridium perfringens produces many different toxins, 
four of which (alpha, beta, epsilon, iota) can cause 
potentially deadly syndromes. The toxins cause damage to 
tissues, blood cells, and blood vessels. Gas gangrene is 
marked by a high feverbrownish pus, gas bubbles 
under the skin
skin discoloration, and a foul odor. 
Pathophysiology
 of Gas gangrene is caused by exotoxin-
producing Clostridial species (most often Clostridium 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

92 

perfringens, but less commonly C. septicum or 
C. ramnosum ), which are mostly found in soil but also 
found as normal gut flora, and other anaerobes (e.g. 
Bacteroides and anaerobic streptococci). The exotoxin is 
commonly found in C. perfringens type A strain and is 
known as alpha toxin. These environmental bacteria may 
enter the muscle through a wound and go on to 
proliferate in necrotic tissue and secrete powerful 
toxins
. These toxins destroy nearby tissue, generating gas 
at the same time. Other organisms may rarely cause gas 
gangrene (for example, Klebsiella pneumoniae in the 
context of diabetes).  

 
Treatment of gas gangrene 
Treatment of gas gangrene is usually by 

debridement

 and 

excision

 with 

amputation 

 if necessary in many cases. 

Antibiotics

 alone are not effective because they do not 

penetrate ischaemic

 

muscles

 enough to be effective. 

However, 

penicillin

 is given as an adjuvant treatment to 

surgery

. In addition to surgery and antibiotics, 

hyperbaric oxygen therapy 

(HBOT) is used and acts to 

inhibit the growth of and kill the anaerobic C. 
perfringens
. 

 

Food poisoning

   

Some strains of C. perfringens produce toxins (which 
cause gas gangrene) if ingested. In the United Kingdom 
and United States they are the third most common cause 
of food-borne illness, with poorly prepared meat and 
poultry the main culprits in harboring the bacterium. The 
clostridial enterotoxin mediating the disease is often heat-
resistant
 and can be detected in contaminated food and 
feces. Incubation time is between 6 and 24 (commonly 
10-12
hours after ingestion of contaminated food
Manifestions typically include abdominal cramping and 
diarrhea - vomiting and fever are unusual. The whole 
course usually resolves within 24 hours. Very rare, fatal 
cases of clostridial necrotizing enteritis have been 
known to involve "Type C" strains of the organism, 
which produce a potently ulcerative β-toxin. It is likely 
that many cases of C. perfringens food poisoning remain 
subclinicalas antibodies to the toxin are common 
amongst the population.  

 
Treating food poisoning

  

In most cases, food poisoning 

can be treated at home without seeking medical advice. It 
is very important that the patient do not become 
dehydrated because it will make him feel worse and slow 
down his recovery. Oral rehydration salts (ORSs) are 
recommended for people vulnerable to the effects of 

dehydration, such as the elderly and those with a pre-
existing health condition. 

Clostridium tetani 

Clostridium tetani is a rod-shaped, anaerobic bacterium 
of the genus Clostridium. Like other Clostridium species, 
it is Gram-positive, and its appearance on a gram stain 
resembles tennis rackets or drumsticksC. tetani is 
found as spores in soil or as parasites in the 
gastrointestinal tract of animals. C. tetani produces a 
potent biological toxin, tetanospasmin, and is the 
causative agent of tetanus. 

 

Clostridium tetani with characteristic 'tennis racket' 
appearance. 

Characteristics 

C. tetani is a rod-shaped, obligate anaerobe which stains 
Gram positive in fresh cultures; established cultures may 
stain Gram negative. During vegetative growth, the 
organism cannot survive in the presence of oxygen, is 
sensitive to heat and has flagella which provide limited 
mobility. As the bacterium matures, it develops a 
terminal spore, which gives the organism its 
characteristic appearance. C. tetani spores are extremely 
hardy and are resistant to heat and mosantiseptics
The spores are distributed widely in manure-treated soils
and can also be found on human skin and in contaminated 
heroin  

Toxicity 

C. tetani usually enters a host through a wound to the skin 
and then it replicates. Once an infection is established, C. 
tetani
 produces two exotoxinstetanolysin and 
tetanospasminEleven strains of C. tetani have been 
identified, which differ primarily in flagellar antigens 
and in their ability to produce tetanospasmin. The genes 
that produce toxin are encoded on a plasmid which is 
present in all toxigenic strains, and all strains that are 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

93 

capable of producing toxin produce identical toxins. 
Tetanolysin serves no known function to C. tetani, and the 
reason the bacteria produce it is not known with certainty. 
Tetanospasmin is neurotoxin and causes the clinical 
manifestations of tetanus. Tetanus toxin is generated in 
living bacteria, and is released when the bacteria lyses
such as during spore germination or during vegetative 
growth
. A minimal amount of spore germination and 
vegetative cell growth
 are required for toxin production. 
On the basis of weight, tetanospasmin is one of the most 
potent toxins known
. The estimated minimum human 
lethal dose is 2.5 nanograms per kilogram of body 
weight, or 175 nanograms in a 70 kg (154 lb) human. The 
only toxins more lethal to humans arbotulinum toxin
produced by close relativClostridium botulinum and the 
exotoxin produced by Corynebacterium diphtheriae, the 
causative agent of diphtheria.  

  Toxin Action:   Tetanospasmin is distributed in the blood 

and lymphatic system of the host. The toxin acts at 
several sites within thcentral nervous system
including peripheral nerve terminals, thspinal cord
and brainand within thsympathetic nervous system
The toxin is taken up into within the nerve axon and 
transported across synaptic junctions, until it reaches the 
central nervous system, where it is rapidly fixed to 
gangliosides
 at the presynaptic junctions of inhibitory 
motor nerve endings
. The clinical manifestations of 
tetanus are caused when tetanus toxin blocks inhibitory 
impulses
, by interfering with the release of 
neurotransmitters, including glycine and gamma-
aminobutyric acid.
 This leads to unopposed muscle 
contraction
 and spasm. Characteristic features are Risus 
Sardonicus
 (a rigid smile), Trismus (commonly known 
as lock-jaw), and Opisthotonus (rigidarched back). 
Seizures may occur, and the autonomic nervous system 
may also be affected. Tetanospasmin appears to prevent 
the release of neurotransmitters by selectively cleaving 
a component of synaptic vesicles called synaptobrevin 
II.  

Treatment:  

When a tetanus infection becomes established, treatment 
usually focuses on controlling muscle spasmsstopping 
toxin production
, and neutralizing the effects of the 
toxin. Treatment includes administration of tetanus 
immune globulin
 (TIG), which comprises antibodies 
that inhibit tetanus toxin (also known as tetanus 
antitoxins
), by binding to and removing unbound 

 

tetanus toxin from the body. Binding of the toxin to the 
nerve endings appears to be an irreversible event, and 
TIG is ineffective at removing bound toxin. Large doses 
of antibiotic drugs (such as metronidazole or 
intramuscular penicillin G) are also given once tetanus 
infection is suspected, to halt toxin production. 
Prevention of tetanus includes vaccination, and 
cleaning the primary wound. Prophylaxis is effective, 
in the form of a tetanus toxoid vaccine, which is given 
with or withoupassive immunization with tetanus 
immune globulin
. Very few cases of tetanus have 
occurred in individuals with up-to-date tetanus 
vaccinations. DPT vaccine (diphtheria-pertussis-tetanus) 
may provide protection from tetanus for many years ( 
about 10 years), and every 10 years thereafter, a booster 
shot of tetanus vaccine is recommended. Tetanus is not 
contagious from person to person, and is the only 
vaccine-preventable disease that is infectious but not 
contagious. A C.tetani infection does not result in 
tetanus immunity, and tetanus vaccination should be 
given as soon as the patient has stabilized. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

94 

Clostridium botulinum 

Clostridium botulinum is a Gram-positive, rod shaped 
bacterium that produces thneurotoxin botulin, which 
causes the flaccid muscular paralysis seen ibotulism
It is also the main paralytic agent in botox 

 

C. botulinum stained with gentian violet 

It is an anaerobic spore-former, which produces oval
subterminaendospores and is commonly found in soil
C. botulinum is arod-shaped microorganism. It is an 
obligate anaerobe, meaning that oxygen ipoisonous to 
the cells. However, they tolerate very small traces of 
oxygen due to an enzyme called superoxide dismutase 
(SOD) which is an important antioxidant defense in 
nearly all cells exposed to oxygen. Under unfavorable 
circumstances they are able to form endospores that 
allow them to survive in a dormant state until exposed to 
conditions that can support their growth. In laboratory the 
microorganism is usually isolated in Tryptose Sulfite 
Cycloserine
 (TSC) growth media, always in an anaerobic 
environment with less than 2% of Oxygen. This can be 
achieved by several commercial kits that use a chemical 
reaction to replace O

2

 with CO

2

 (E.J. GasPak System). C. 

botulinum is lipase negative microorganism, it grows 
between pH values of 4.8 and 7 and it can't use lactose 
as a primary carbon source, characteristics important 
during biochemical identification.  C. botulinum strains 
that do not produce a botulin toxin are referred to as 
Clostridium sporogenes. The complete genome of C. 
botulinum
 has now been sequenced

Phenotypic types 

The current nomenclature for C. botulinum recognises 
four physiological groups (I-IV). This is mostly based 
on the ability of the organism to digest complex proteins. 
Most outbreaks of human botulism are caused by group I 
(proteolytic) or II (non-proteolyticC. botulinum

Group III organisms mainly cause diseases in animals
There has been no record of Group IV C. botulinum 
causing human or animal disease. 

Clostridium difficile 

This bacterium is a very important cause of diarrhea and 
more severe intestinal disease in people, and is  also 
possibly an important cause of diarrhea in some animals 
(dogs and cats). Clostridium difficile toxin A is a toxin 
generated by Clostridium difficile. It is usually described 
as a enterotoxin, but it also has some activity as a 
cytotoxin. C. difficile occurs in the fecal flora of 1–4% 
of healthy adults and in 30–50% of children during the 
first year of life. The factors that lead to development of 
the disease are not known with certainty. Cases of 
pseudomembranous colitis are observed frequently 
under treatment with clindamycin, aminopenicillins, and 
cephalosporins (hence the designation antibiotic-
associated colitis
), but also occur in persons not taking 
antibiotics. Occasional outbreaks are seen in hospitals
The pathological mechanism is based on formation of two 
toxins
Toxin A is an enterotoxin that causes a 
dysfunction characterized by increased secretion of 
electrolytes and fluids
Toxin B is a cytotoxin that 
damages the mucosa of the colon.

 

The clinical course 

includes feverdiarrhea, and spasmodic abdominal 
pains
Coloscopy reveals edematous changes in the colon 
mucosa, which is also covered with yellowish-whitish 
matter. Laboratory diagnosis involves culturing the 
pathogen from patient stool and detection of the 
cytotoxin
 in bacteria-free stool filtrates on the basis of a 
cytopathic effect (CPE) observed in cell cultures, which 
CPE is then no longer observed after neutralization with 
an antiserum. Toxins A and B can also be detected with 
immunological test kits (ELISA tests). A specific therapy 
is not required in many cases. Antibiotic treatment is 
indicated in severe cases. The agent of choice is currently 
metronidazole

 

 

 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

95 

Lecture 6 – Corynebacterium & 
Diphtheroid
 

 
Corynebacteria are Gram-positiveaerobicnonmotile
rod-shaped bacteria classified as Actinobacteria
Corynebacteria are related phylogenetically to 
mycobacteria and actinomycetes. They do not form 
spores
 or branch as do the actinomycetes, but they have 
the characteristic of forming irregular, club-shaped or 
V-shaped arrangements in normal growth. They undergo 
snapping movements just after cell division, which 
brings them into characteristic forms resembling Chinese 
letters
 or palisades. The genus Corynebacterium consists 
of a diverse group of bacteria including animal and 
plant pathogens, as well as saprophytes. Some 
corynebacteria are part of the normal flora of humans, 
finding a suitable niche in virtually every anatomic site, 
especially the skin and nares. The best known and most 
widely studied species is Corynebacterium diphtheriae
the causal agent of the disease diphtheria.  
 

 

Corynebacterium diphtheriae: 

Morphology and culturing

 

Diphtheria bacteria are Gram-positive, pleomorphic, often 
club-shaped rods. The individual cells tend to group in 
V, Y, or palisade arrangements
Neisser staining 
reveals the polar bodies (polyphosphates stored at one 
end of the rod). Lo¨ffler nutrient medium, which 
consists of coagulated serum and nutrient broth, is still 
used for the primary cultures. Selective indicator 
mediums containing tellurite are used in selective 
culturing. K tellurite is used to inhibit the accompanying 
flora
. The K tellurite is also reduced to tellurium, 
coloring the colonies a brownish black. 
 

  

 

Stained Corynebacterium cells. The "barred" 

appearance and Note the characteristic "Chinese-
letter" arrangement of cells.
 

Three strains of Corynebacterium  diphtheriae 

are

 

recognized, gravisintermedius and mitis. They are 
listed here by falling order of the severity of the disease 
that they produce in humans. All strains produce the 
identical toxin and are capable of colonizing the throat
The differences in virulence between the three strains can 
be explained by their differing abilities to produce the 
toxin
 in rate and quantity, and by their differing growth 
rates.

 

 

Extracellular toxin

 

Diphtheria toxin consists of two functionally distinct 
fragmentsA and B, whereby B stands for binding to 
receptors of target cells and A stands for toxic activity
Fragment A irreversibly blocks protein synthesis 
translation in the target cells, which then die. The toxin 
gene is always a prophage genome component. 
 

Pathogenesis and Clinical Picture 

  Local infection. Infection of the mucosa of tonsils, 

pharynx, nose, and conjunctiva. Wounds and skin lesions 
can also be infected. The pathogens invade the host 
through these portals, reproduce, and produce 
toxin, resulting in local cell damage. The inflammatory 
reaction leads to collection of a grayish-white exudate, the 
matrix of the “diphtherial pseudomembrane” consisting 
of fibrin, dead granulocytes, and necrotic epithelial cells. 
This coating adheres quite strongly to the mucosa. It may 
extend into the larynx, thus eventually hindering 
respiration. Regional lymph nodes are highly swollen. 
  

 

Diphtheria is an upper respiratory tract illness 

characterized by sore throatlow fever, and an adherent 
membrane (called a pseudomembrane on the tonsils, 
pharynx, and/or nasal cavity. Diphtheria toxin produced 
by C. diphtheriae, can cause myocarditis, polyneuritis, 
and other systemic toxic effects. A milder form of 
diphtheria can be restricted to the skin. Diphtheria is a 
contagious disease spread by direct physical contact or 
breathing aerosolized secretions of infected individuals. 
Once quite common, diphtheria has largely been 
eradicated in developed nations through wide-spread use 
of the DPT vaccine.Diphtheria is a serious disease, with 
fatality rates between 5% and 10%. In children under 5 
years
 and adults over 40 years, the fatality rate may be 
as much as 20%. Outbreaks, although very rare, still 
occur worldwide, even in developed nations.

 

  Systemic intoxication. Parenchymal degeneration in the 

cardiac muscleliverkidneys, and adrenal glands
Motor cranial nerve paralysis. Late sequel damage due to 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

96 

the intoxication is frequently seen after the acute infection 
has subsided. 

  Toxin-negative strains of C. diphtheriae are occasionally 

observed as pathogens in endocarditis or dermal 
infections
. The pathogenicity of such strains corresponds 
to that of commensal corynebacteria . 
 

Diagnosis 

The method of choice is detection and identification of the 
pathogen in cultures from local infection foci. The 
culture smear, which arrives at the laboratory in 
transport medium, is plated out on Lo¨ffler medium 
and a selective indicator medium. Identification is based 
on both morphological and physiological characteristics. 
The toxin is detected by the Elek-Ouchterlony 
immunodiffusion test
. A molecular method is now also 
being used to identify the toxin geneToxin detection is 
necessary for a laboratory diagnosis of diphtheria because 
of the occurrence of toxin-negative strains. 
 

Therapy 

Antitoxic serum therapy is the primary treatment and it 
must commence as soon as possible if diphtheria is 
suspected. This treatment is supplemented by 
administration of penicillin or erythromycin. 

 

Epidemiology and prevention

 

Humans are the sole pathogen reservoir for diphtheria. 
Infection sources include infected persons and carriers 
(rare). The disease is usually transmitted by droplet 
infection, or less frequently indirectly via contaminated 
objects. The incubation period is two to five days
Incidence levels in central Europe are low. From 1975 to 
1984, only 113 cases were reported in Germany. 
Incidence levels are higher in other countries (Russia). 
Protective immunization with diphtheria toxoid is the 
most important preventive measure . Exposure 
prophylaxis involves isolation of infected persons until 
two cultures from specimens taken at least 24 hours apart 
are negative.

 

 

 

 

 

 

 

 

Actinomyces 

Actinomycetes are Gram-positive bacteria that tend to 
grow in the form of branched filaments. The resulting 
mycelial masses are, however, not observed in older 
cultures
, which strongly resemble those of corynebacteria 
in their morphology. 

Occurrence

.  

Actinomycetes are part of the normal mucosal flora in 
humans and animals. They colonize mainly the oral 
cavity
, and an actinomycosis infection is therefore always 
endogenous
Ninety percent of actinomycetes infections 
in humans are caused by A. israelii, with far fewer cases 
caused by A.naeslundii and other species

  

 

Actinomyces israelii 
 

Morphology and culture

 

Actinomycetes are Gram-positive, pleomorphic rod 
bacteria that sometimes also show genuine branching. 
The yellowish sulfur granules, measuring 1–2 mm, can 
be observed macroscopically in actinomycetes pus
These particles are conglomerates of small Actinomyces 
colonies
 surrounded by a wall of leukocytes. Mycelial 
filaments
 extend radially from the colonies (actinium = 
Greek for raylike). Culturing the organism requires 
enriched mediums and an anaerobic milieu containing 
5–10% CO2. Mycelial microcolonies form only during 
the first daysWhitish macrocolonies, often with a 
rough surface, begin to appear after two weeks. 
 

Pathogenesis and clinical picture

 

The pathogens breach mucosa (perhaps normal dermis 
as well) and are able to establish themselves in tissue in 
the presence of a low redox potential. The factors 
responsible for these conditions include poor blood 
perfusion
 and, above all, contributing bacterial 
pathogens
. Genuine actinomycoses are actually always 
polymicrobial. The mixed flora found includes mainly 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

97 

the anaerobes of the oral cavityActinobacillus 
actinomycetemcomitans
 is frequently isolated along with 
various species of Bacteroidaceae. Facultative anaerobes 
such as staphylococcistreptococci, and 
Enterobacteriaceae are, however, also found among the 
contributing flora. 

  Cervicofacial actinomycosis. This is the most frequent 

form of actinomycetes infection (>90%). The abscesses 
are hard and tumor-like at first, then they necrotize
They may also break through to the dermal surface to 
create fistulae

  Thoracic actinomycosis. This rare form results from 

aspiration of saliva; sometimes this type also develops 
from an actinomycosis in the throat or hematogenous 
spread. 

  Abdominal actinomycosis. This type results from 

injuries to the intestine or female genitals. 

  Genital actinomycosis. May result from use of 

intrauterine contraceptive devices. 

  Canaliculitis. An inflammation of the lacrimal canaliculi 

caused by any of several Actinomyces species. 

  Caries. The Actinomyces species involved in caries 

development are A. viscosusA. naeslundii, and A. 
odontolyticus
  . A possible contribution to periodontitis is 
also under discussion. 
 

Diagnosis  

Involves identification of the pathogen by microscopy and 
culturing in pus, fistula secretion, granulation tissue, or 
bronchial secretion. The samples must not be 
contaminated with other patient flora, in particular from 
the oral cavity and must be transported to the laboratory 
in special anaerobe containers. Microscopic detection of 
branched rods suffices for a tentative diagnosis. Detection 
of mycelial microcolonies on enriched nutrient mediums 
after one to two weeks further consolidates this diagnosis. 
Final identification by means of direct 
immunofluorescence, cell wall analysis, and metabolic 
analysis requires several weeks. 
 

Therapy

: Treatment includes both surgical and 

antibiotic measures. The antibiotic of choice is an 
aminopenicillin. Antibiosis that also covers the 
contributing bacterial pathogens is important. 

 

Epidemiology and prevention

. Actinomycoses occur 

sporadically worldwide. Average morbidity (incidence) 
levels are between 2.5 and five cases per 100 000 
inhabitants per year. Men are infected twice as often as 

women. Prophylactic considerations are irrelevant due to 
the endogenous nature of actinomycetes infections. 

 

Diphtheroid

 

Lists of gram-positive rod bacteria that are rarely 
involved in infections and normally infect only persons 
with defective immune defenses. Recent years have seen 
considerable changes in their classification and 
nomenclature—still an ongoing process. Some of these 
bacteria are designated by collective terms such as 
diphtheroid rods” or “coryneform bacteria.”  Many of 
these bacteria are part of the normal dermal and mucosal 
flora
. They are frequently found in sampled materials as 
contaminants, but also occasionally cause infections.  

 

Summary:  

Corynebacterium (Diphtheria bacteria) are pleomorphic, 
club-shaped rod bacteria that often have polar bodies and 
group in V, Y, or palisade forms. They can be grown on 
enriched nutrient media. Their pathogenicity derives from 
diphtheria toxin, which binds to receptors of sensitive cells 
with the B fragment. Once the binding process is completed, 
the active A fragment invades the cell. This substance 
irreversibly blocks translation in the protein biosynthesis 
chain. The toxin gene is a component of the  β-prophage. 
Local and systemic intoxications are differentiated when 
evaluating the clinical picture. Local infection usually affects 
the tonsils, on which the diphtherial pseudomembrane 
develops. Systemic intoxications affect mainly the liver, 
kidneys, adrenal glands, cardiac muscle, and cranial nerves. 
Laboratory diagnosis is based on pathogen identification. 
The most important treatment is antitoxin therapy. 
Diphtheria occurs only in humans. Thanks to extensive 
diphtheria toxoid vaccination programs, it is now rare. 
     Actinomycetes are part of the normal mucosal flora. 
These are Gram-positive rods that often occur in the form of 
branched filaments in young cultures. Conglomerates of 
microcolonies in pus form so-called sulfur granules. 
Actinomycetes are obligate anaerobes. The pathogens enter 
body tissues through mucosa defects. Monoinfections are 
rare, the most frequent case being actinomycetes-dominated 
endogenous polyinfections. Cervicofacial actinomycosis, 
caused by oral cavity colonizer  A. israelii, is the most 
frequent form of actinomycosis. Treatment includes surgical 
procedures and antibiosis with aminopenicillins. 

 

       The group of Gram-positive, irregular (pleomorphic), 
nonsporing rod bacteria includes many different genera that 
are normal components of the skin and mucosal flora . 
Pathogens in this group cause two characteristic 
diseases: diphtheria, caused by Corynebacterium diphtheriae 
and actinomycosis, caused mainly by Actinomyces israelii.

 


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. 
 
 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

102 

Lecture 8 - Nocardia  & Listeria 
monocytogenes  

 

Nocardia 

 

Nocardia is

 a genus of weakly staining Gram-positive, 

catalase-positive, rod-shaped bacteria. It forms partially 
acid-fast beaded branching filaments (acting as fungi, but 
being truly bacteria). It has a total of 85 species. Some 
species are non-pathogenic while others are responsible 
for nocardiosis. Nocardia are found worldwide in soil that 
is rich with organic matter. In addition, Nocardia are oral 
microflora found in healthy gingiva as well as periodontal 
pockets. Most Nocardia infections are acquired by 
inhalation of the bacteria or through traumatic 
introduction. 

 

The genus Nocardia includes species with morphology 
similar to that of the actinomycetes, differing from them 
in that the natural habitat of these obligate aerobes is the 
soil and damp biotopes. The pathogens known for 
involvement in Nocardiosis, a generally very rare type 
of infection caused by N. asteroides and other species 
include  N. brasiliensisN. farciniaN. nova, and N. 
otitidiscaviarum
.

  

 

 

N. asteroids Direct Partial Acid Fast Stain 
 

Morphology and culture.  

Nocardia are Gram-positive, fine, pleomorphic rods that 
sometimes show branching. They can be cultured on 
standard nutrient mediums and proliferate particularly 
well at 30 °C.  

 

Pathogenesis and clinical picture.  

Nocardia penetrate from the environment into the 
macroorganism via the respiratory tract or dermal 
wounds. An infection develops only in patients with 

predisposing primary 5diseases directly affecting the 
immune defenses. Monoinfections are the rule. There are 
no typical clinical symptoms. Most cases of infection 
involve pyogenic inflammations with central necroses. 
The following types have been described: pulmonary 
nocardioses (bronchial pneumonia, pulmonary abscess), 
systemic nocardioses (sepsis, cerebral abscess, abscesses 
in the kidneys and musculature), and surface nocardioses 
(cutaneous and subcutaneous abscesses, lymphocutaneous 
syndrome). 
Actinomycetomas are tumorlike processes affecting the 
extremities, including bone. An example of such an 
infection is Madura foot, caused by Nocardia species, the 
related species Actinomadura madurae, and 
Streptomyces somaliensisFungi can also be a causal 
factor in this clinical picture. 
 

Diagnosis 

Detection of the pathogen by means of microscopy and 
culturing techniques is required in materials varying with 
the specific disease. Due to the long generation time of 
these species, cultures have to be incubated for at least 
one week. Precise identification to differentiate 
pathogenic and apathogenic species is desirable, but 
difficult. 

 

Therapy 

The anti-infective agents of choice are sulfonamides and 
cotrimoxazole. Surgery may be required. 
 

Epidemiology and prevention 

Nocardioses are rare infections. Annual incidence levels 
range from about 0.5 to 1 case per 1 000 000 inhabitants. 
The pathogens, which are present in the natural 
environment, are carried by dust to susceptible patients. 
There are no practicable prophylactic measures 
 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

103 

Listeria monocytogenes  

Morphology and culture.

 

MicroscopicallyListeria species appear as small, Gram-
positive rods, which are sometimes arranged in short 
chains, nonsporeforming and catalase-positive. In direct 
smears they may be coccoid, so they can be mistaken for 
streptococci. Longer cells may resemble corynebacteria. 
Flagella are produced at room temperature but not at 
37°C. Hemolytic activity on blood agar has been used as a 
marker to distinguish Listeria monocytogenes among 
other Listeria species, but it is not an absolutely definitive 
criterion. Further biochemical characterization may be 
necessary to distinguish between the 
different Listeria species. 

 

Listeria monocytogenes Scanning Electron Micrograph

 

Pathogenesis and clinical picture 

Listeria monocytogenes is presumably ingested with raw, 
contaminated food especialy that food stored in the 
refrigerator for a long period of time. An invasin secreted 
by the pathogenic bacteria enables the listeriae to 
penetrate host cells of the epithelial lining gastrointestinal 
system. The term listeriosis encompasses a wide variety 
of disease symptoms that are similar in animals and 
humans.  Listeria monocytogenes causes listeriosis in 
animals and humans. The true incidence of listeriosis in 
humans is not known, because in the average healthy 
adult, infections are usually asymptomatic, or at most 
produce a mild influenza-like disease. Clinical features 
range from mild influenza-like symptoms to meningitis 
and/or meningoencephalitis. Illness is most likely to occur 
in pregnant women, neonates, the elderly and 
immunocompromised individuals, but apparently healthy 
individuals may also be affected. In the serious (overt) 
form of the disease, meningitis frequently accompanied 
by septicemia, is the most commonly encountered disease 
manifestation. In pregnant women, however, even though 
the most usual symptom is a mild influenza-like illness 
without meningitis, infection of the fetus is extremely 
common and can lead to abortion, stillbirth, or delivery of 

an acutely ill infant. Overt listeriosis following infection 
with L. monocytogenes is usually sporadic, but outbreaks 
of epidemic proportions have occurred. After engulfment 
by macrophage, the bacterium may escape from the 
phagosome before phagolysosome fusion occurs mediated 
by a toxin, which also acts as a hemolysin, listeriolysin O 
(LLO). This toxin is one of the so-called SH-activated 
hemolysins, which are produced by a number of other 
Gram-positive bacteria, such as group A streptococci 
(streptolysin O), pneumococci (pneumolysin), and 
Clostridium perfringens. The hemolysin gene is located 
on the chromosome. 
 
Treatment and Prevention 
If diagnosed early enough, antibiotic treatment of 
pregnant women or immunocompromised individuals 
can prevent serious consequences of the disease. 
Antibiotics effective against Listeria species include 
ampicillinvancomycinciprofloxacinlinezolid and 
azithromycin. Because pregnant women, older adults, 
and people with weakened immune systems are at higher 
risk for listeriosis, CDC recommends specific certain 
measures for these persons. 

 
 

 


background image

 

104 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

105 

Lecture 1+2+3 - Enteric gram-
negetive rods (enterobacteriaceae)
 
Enteric bacteria or coliform 

  General Characteristics: 

  A large heterogeneous group of G-ve rods (non-spore 

forming), natural habitat is the G.I.T. of humans and 
animals, motile with peritrichous flagella or non-motile, 
aerobes and facultative anaerobes, ferment not oxidize 
carbohydrate, catalase +ve, oxidase-ve. 

  It most common cultured in laboratory, includes more 

than 25genera & 110 spp., only 20-25 spp. are clinically 
significant. the most common are : 

1)  Escherichia coli (part of intestinal normal flora) cause 

disease incidentally. 

2)  Klebsiella-Enterobacter-Serratia group. 
3)  Proteus-Morganella-Providencia group.  
4)  Citrobacter  (2,3,4,are as intestinal normal flora and 

incidentally cause disease but less than E.coli). 

5)  Shigella 
6)  Salmonella (Both  Shigella & Salmonella are regularly 

pathogenic for humans) 

7)  Other Enterobac.:Yersinia, Edwardsiella, Ewingella, 

Hafnia, Cedecea, Kluyvera 
 

  Enteric bacteria produce a variety of toxins and 

other virulence factors and enzymes, include: 

1)  LPS (endotoxin) have pathophysiological effects: fever, 

leukopenia, hypotension, hypoglycemia, activation the 
complement cascade, and disseminated intravascular 
coagulation (DIC). 

2)  Most of G-ve rods produce exotoxins such as 

enterotoxins and these toxins, has 2 types:  

A.  heat-labile exotoxin (LT Exotoxin): under genetic 

control transmissible plasmid . 
LT exo. Contains 2 subunits (A&B): subunit B binds 
toGmI ganglioside at the brush border of epithelial cells 
of the small intestine and facilitates the entry of subunit 
A, which activates adenylyl cyclase  → increase the 
concentration of cAMP and   →  hypersecration of 
sodium and lead to the diarrhea. 

B.  Heat-stable enterotoxin (ST Enterotoxin): activates 

guanylyl cyclase in enteric epithelial cells and stimulate 
fluid secretion and lead to the diarrhea.  

3)  R-factor (R plasmid) & colonization or adherence 

factors. 

4)  Bactriocins (Colicins): Virus-like bactericidal substances 

are produced by certain strains of bacteria against other 
strains of the same or closely related spp.; their production 

is controlled by plasmid . It can be used for typing of 
bacteria because bacteriocin-producing strains are 
resistant to their own bacteriocin . 

 

  Antigenic structure  

1)  antigen (Somatic Ag): 

• 

Side chain of the cell wall LPS, consist of 
polysacchride heat-stable. 

• 

Eneric bac. are classified by more than 150 O–
Ags. Antibodies to these Ags. are IgM. 

2)  K–Ag. (Capsular Ag): external to O–Ags. on some 

bacteria, heat-labile polysacchride or proteins , more than 
100 K-Ags. Associated with virulence, Salmonella typhi  
→ capsular Ag.(Vi Ag.). 

3)  H- Ag. (Flagellar Ag): a protein heat-labile or alcohols, 

more than 50 H – Ags., Abs. to H-Ags. are IgG. 
 

  Diseases caused by enteric bacteria: 

Generally as normal flora in intestine or upper 
R.T.,pathogenic only when they reach tissues (U.T.,biliary 
T., other abdominal sites,lungs,bone, meninges,prostatic 
G.) ,and may cause bacteremia. 
Either hospital- or community- acquired infection 
 

1) Escherichia coli 

General Characteristics: 

•  Lactose fermented (pink colonies→ MacConkey`s agar), 

green metallic sheen colonies on EMB agar. 

•  Fermentative for mannitol & glucose with gas production. 
•  Hemolysis on blood agar, only when isolated from urine (UTIs) 

  

Pathogenesis:  

Depends on the site of infection, cannot differentiated by 
symptoms from other bacteria.      
-The main infections are: 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

106 

1)  UTIs (urinary tract infections):  

  E.coli is the most common of UTIs.(90% in young 

women).The symptoms includes: urinary frequency, 
dysuria , hematuria , pyuria , & flank pain with upper UTIs. 

  UTIs can result in bacteremia with clinical sings of sepsis. 

 

Nephropathogenic E.coli 

(have specific O-Ags types & 

produce hemolysin). 

  Pyelonephritis (have a specific types of pilus, P pilus). 

2)  Diarrheal disease:  

Classified according to their virulence factors to : 

A.  EPEC (Enteropathogenic E.coli): diarrhea in infants & 

outbreaks  diarrhea in nurseries in developing countries . 
Virulence factorschromosomally mediated factors cause 
tight adherence of EPEC to the mucosal cells of the small 
intestine, entry to these cells →watery diarrhea (self-
limited or chronic), can treated by antibiotics. EPEC have 
specific serotypes of O&H Ags. 

B.  ETEC (Enterotoxigenic E.coli): traveler`s diarrhea & 

infants diarrhea in developing countries. 
Virulence factors: colonization factors adherence it to 
epithelial cells of small intestine, some strains produce LT 
exotoxin others ST enterotoxin & some produce both of 
them. 

C.  STEC (Shiga toxin producing E.coli) or EHEC 

(Enterohemorrhagic E.coli): has been associated with- 
1.  hemorrhagic colitis (a severe form of diarrhea) 
2.  hemolytic uremic syndrome (a disease resulting in 

acute renal failure, microangiopathic hemolytic 
anemia, and thrombocytopenia) 

•  (E.coli O157:H7 strain).There are at least 2 antigenic 

forms of the shiga-like toxin (shiga-like toxin -1 & -2). 

D.  EIEC (Enteroinvasive  E.coli): 

 diarrhea in children in developing countries & traveler`s 
to these countries (invading intestinal mucosal cells). 

E.  EAEC (Enteroaggregative E.coli):  

acute & chronic diarrhea in developing countries & as a 
food – borne illness in industrialized countries .Suggested 
that it adheres to the intestinal mucosa & elaborates 
enterotoxin & cytotoxin →mucosal damage →secretion 
mucous & secretory diarrhea . 

3)  Sepsis:  

When host defenses are inadequate, E.coli may reach the 
bloodstream & cause sepsis in newborns & as a secondary 
to UTI in adults. 

4)  Meningitis:  E.coli & group B streptococci are the leading 

causes of meningitis in infant (neonatal meningitis).75% of   
E.coli from meningitis cases have K1 Ag. 
*NOTE: the presence of E.coli in the water (colony count 
above 4/dLin drinking water) unacceptable feacal 
contamination, killed by chlorination of water. 

2- Klebsiella-Enterobacter-Serratia Group 

General Characteristics: 
K.: lactose Fermentaion rapidly, viscous (mucoid) 
colonies because it have a large capsule, non-motile.   
E.: lactose F. rapidly, raised colonies (small capsule), motile  
S.: lactose F.  slowly, may be pigmented colonies ,motile. 

 
Pathogenesis: 

K. pneumoniae

: in 5% of normal persons (in R. T. & 

feces). It cause 1% of bacterial pneumonia (extensive 
hemorrhagic necrotizing consolidation of the lung), 
occasionally cause UTI & bacteremia with focal lesions in 
debilitated patients . 

K. pneumoniae subsp. Ozaenae

: hospital-acquired 

infection (upper R.T.) ,isolated from the nasal mucosa, a 
fetid, progressive atrophy of mucous membrans. 

K. pneumoniae subsp. rhinoscleroderma

: cause 

rhinoscleroma (destructive granulomatous disease of the 
nose & pharynx ). 

K. granulomatis 

 (formerly Calymmatobacterium  

granulomatis) causes genital ulcerative disease. 

E. aerogenes

: free-living in GIT , opportunistic cause 

UTIs & sepsis .  

S. marcescens

: a common opportunistic pathogen in 

hospitalized patients, cause pneumonia, bacteremia & 
endocarditis .Can be treated by 3ed–generation of 
cephalosporins . 
 

3- Proteus-Morganella-Providencia Group 

General characteristics: 

•  Proteus: non-lactose F.,very active motile (peritrichous 

flagella)→swarming on blood agar ,urease +, susceptible 
to antimicrobial drugs (penicillins). 

•  Morganella: non-lactose F., motile, urease + . 
•  Providencia: lactose F. slowly or not , urease  . 

 

Pathogenesis: 

Proteus

UTIs, bacteremia, pneumonia & focal lesions in 

debilitated patients . 

 

P. mirabilis

: UTIs & other infections . 

 

P.vulgaris

: nosocomial infection . 

  The rapid motility of  Proteus help to it  invasion of the 

U.T., & production of urease resulting rapid hydrolysis of 
urea with liberation of ammonia (urine become alkaline)& 
promoting stone formation. 

  Diagnosis by Weil-Felix test . 

Morganella morganii

nosocomial pathogen .  

Providencia 

(P. rettgeri ,P. alcalifaciens ,P.stuartii)

normal intestinal flora ,all cause UTIs & other infections , 
resistant to antimicrobial therapy . 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

107 

4- Citrobacter:

  

Lactose F. very slowly or not, motile, cause UTIs. 
 

  Diagnostic test for Enteric bacteria  

•  Specimens: urine, blood, pus, C.S.F., sputum, others. 
•  Culture: on both blood agar & differential media. 
•  Serological tests: agglutination with specific antisera . 
•  Variation in bacterial susceptibility is great, so antibiotic 

sensitivity are essential .No single drug is  available . 

•  Sulfonamides, ampicillin, cephalosporins, fluoroquinolons 

& aminoglycosides . 
 

  Prevention & control 

Depends on hand washing  , rigorous asepsis , sterilization 
of equipments , disinfections , strict precautions in I.V. 
therapy & keeping U.T. catheters sterile . 
Prophylaxis: using ciprofluxacin or trimethprim-
sulfamethaxzole .  
Prevention of traveler`s diarrhea, daily ingestion of 
bismuth subsalicylate suspension . 
EPEC serotypes controlled by orally vaccines (a virulent 
mutant strain ) or injection of killed bacterial suspension  
 

Salmonella-Arizona group 

Pathogenic by the oral route, transmitted from animals & 
animals products to humans & cause enteritis 
(enterocolitis), systemic infection & enteric fever.  

 
Morphology:
 

•  Vary in length, motile with peritrichous flagellae. They 

survive freezing in water for long periods & resistant to 
certain chemicals (brilliant green, Na-tetrathionate & Na-
deoxycholate) that inhibit other enteric bacteria, so such 
compounds useful for isolation salmonellae from feces. 

•  Aerobic or facultative anaerobic, grow in pH (6-8) & 15-

41 C° → produce large, smooth & circular colonies (2-3 
mm in diameter). 

•  On MacConkey’s & deoxycholate-citrate agars →  Pale 

colonies (non-lactose fermented). Ferment glucose, 
mannitol, mannose (with acid & with or without gas); 
produce H

2

S (Black precipitate on TSI agar). 

 

Antigenic Structure 

1)  H (flagellar) Ag: heat-labile protein & highly antigenic. 
2)  O (somatic) Ag: heat-stable polysaccharide (integral part 

of LPS). 

3)  Vi (capsular or surface) Ag: heat-labile, related to virulence 

Variation may occurs by lose H Ag (become non-motile), 
lose of O Ag (change from smooth to rough colony form) 
& lose of Vi Ag partially or completely. 

 

 

 

Classification 

•  4 serotypes(group1)causes enteric fever (primarily 

infective for humans):  
                       

Salmonella Paratyphi A(serogroup A) 

                       S. Paratyphi B (serogroup B) 
                       S. Typhi  and S. Enteritidis (serogroup D)  
                      S. Choleraesuis (serogroup C

1

• 

Currently, the genus Salmonella is devided into 2 species: 

1. S.entterica (5  subsp.): 

                  1.=    =   subsp.enterica  (subsp.I) 
                   2.=   =   subsp.salamae  (subsp.II) 
                   3.=   =     subsp.arizonae  (subsp.IIIa),and  
                                   subsp.diarizonae (subsp.IIIb) 
                   4.=  =      subsp.houtenae (subsp.IV) 
                   5.=  =      subsp.indica (subsp.VI) 

2. S.bongori (subsp.V) 

Most human illness is caused by subsp.I strains, rarely by 
IIIa, IIIb, & others, which found in cold-blooded animals. 
 
Pathogenesis & Clinical Findings 

  The majorities of salmonellae are pathogenic in animals 

(poultry, pigs, rodents, cattle & others)- → the reservoir for 
human infection. The bacteria enter via the oral route by 
contaminated food or drink → produce 3 main types of 
diseases (enteric or typhoid fever, bacteremia or septicemia 
or systemic infection & enteritis or enterocolitis). 

  In typhoid fever: ingested S.Typhi reach the small 

intestine →------ enter the lymphatics & bloodstream, the 
blood carries them to many organs including the intestine 
→------ bacteria multiply in intestinal lymphoid tissue & 
excreted in stools. The lesions are hyperplasia & necrosis 
of lymphoid tissues (e.g., Peyer’s patches), hepatitis, focal 
necrosis of liver & inflammation of the gall bladder, 
periosteum, lungs & other organs. 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

108 

 

 

Diagnostic Lab. Tests: 

•  Specimens: blood & stool (urine rare). 
•  Culture: 
1)  Differential media (MacConkey’s, EMB, Deoxycholate, 

Bismuth sulfite agar). 

2)  Selective media (SS, XLD, Hektoen enteric agar). 
3)  Enrichment media usually for stool (Selenite F broth or 

tetrathionate broth, incubation (1-2days) →- plated on 
differential & selective media. 

4)  Biochemical reaction patterns (TSI agar→------ black 

precipitate). 

•  Serological tests: 
1)  Agglutination test: serotyping for unknown culture + 

commercial kit, known sera (anti-O Ags for serogroups 
salmonellae A, B, C

1

, C

2

, D & E). 

2)  Widal test (tube dilution agglutination): determination of 

antibody titer in patient serum. The result as following: 
a)  High titer O (≥ 1:160)- → Active infection. 
b)  High titer H (≥ 1:160)- → Passive infection or past 

immunization. 

c)  High titer Vi (in some carriers). 
 

Immunity: 

•  Secretory IgA may prevent attachment of salmonellae to 

intestinal epithelium. 

•  Circulating Abs to O & Vi are related to resistance of 

infection →-relapses may occur in 2-3 weeks after recovery 
in spite of Abs-→ reinfection milder than the 1

st

 infection.  

 

Treatment: 

•  Enteric fever & bacteremia require antimicrobial therapy 

but enterocolitis do not, because the clinical symptoms & 
excretion of the salmonellae may be prolonged by 
antimicrobial therapy. 

•  In severe diarrhea, replacement of fluids & electrolytes is 

essential. 

•  Therapy: Ampicillin, trimethoprim-sulfomethaxzole or 

3ed-generation cephalosporine. In most carriers, the 
organisms persist in the gall bladder (if gallstones are 
present) &in the biliary tract. Chronic carriers cured by 
ampicillin, but in most cases cholecystectomy must be + 
drug treatment. 
 

Epidemiology: 

•  Carriers: After manifest or subclinical infection, some 

individuals continue to harbor salmonellae in their tissues 
for variable length of time (convalescent carriers or 
healthy permanent carriers). 3% of survivors of typhoid 
become permanent carriers, harboring the organisms in 
the gallbladder, biliary tract, or rarely, the intestine or 
urinary tract.  

•  The feces of persons who have unsuspected subclinical 

disease or carriers are a more important source, So food 
handlers are shedding organisms. The contamination of 
the following sources is important: 

1)  Water.         
2)  Milk & other dairy products (ice cream, cheese & custard 
3)  Shellfish.    
4)  Dried or frozen eggs.    
5)  Meat & meat products (poultry) or contaminated with 

feces by rodents or humans. 

6)  Recreational drugs (Marijuana). 
7)  Household pest (dogs, cats, turtles, etc.). 
8)  Animal dyes (carmine) used in drugs, food & cosmetics. 

 

Prevention & Control: 

1)  Sanitary measures must be taken to prevent contamination 

of food & water. 

2)  Infected poultry, meats & eggs must be thoroughly 

cooked 

3)  Carriers must not be allowed to work as food handlers. 
4)  Strict hygienic precautions. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

109 

5)  Vaccination: 
a)  2 injections of acetone-killed S. Typhi followed by a 

booster injection some months later→------ partial 
resistance. 

b)  Oral administration of a live avirulent mutant S.Typhi 

strain. 
 

Shigellae (shigella) 

Natural habitat is the intestinal tract of humans and 
primates, causes bacillary dysentery. 
  

Morphology & identification: 

•  Slender G-ve rods, coccobacillary in young culture, 

facultative anaerobes, non-motile. 

•  Convex, circular, transparent colonies, non-lactose 

F.(except S.sonnei), mannitol fermenters(except S. 
dysenteriae
). 

•  Antigenic structure: somatic O-Ag (LPS), more than 40 

serotypes (share with other enteric bacilli). 

• 

Classification: on biochemical & antigenic structure, 
pathogenic spp. are: 

S.dysenteriae, S.flexneri, S.boydii, 

S.sonnei. 

 

Pathogenesis: 

The infective dose is 10

3

organisms(10

5

-10

for 

salmonellae & vibrios), it is limited to the GIT, invasion 
of the mucosal epithelial cells by inducing phagocytosis, 
escape from the phagocytic vacuole, multiplication & 
spread within the cytoplasm then passage to adjacent 
cells. Bloodstream invasion is rare. Microabscesses 
formation in the wall of the large intestine & terminal 
ileum lead to necrosis, superficial ulceration, bleeding, & 
formation of pseudomembrane (consists of fibrin, 
leucocytes, cell debris, a necrotic mucous membrane, & 
bacteria). Granulation tissue fills the ulcers and scar 
tissue forms. Blood & pus found in stools.  
 

Toxins: 

1)  Endotoxin: Causes irritation of the bowel wall. 
2)  Shiga toxin (exotoxin): produced by S.dysenteriae type 

1(Shiga bacillus) heat-labile, antigenic protein acting as 
verotoxin of E.coli → inhibit sugars & amino acids 
absorption in the small intestine & acting as neurotoxin → 
----- CNS reactions, meningismus & comma → ----- 
severity & fatal infection of S.dysenteriae 
 

 
 

Clinical Findings: 

After short incubation period (1-2 days)→ sudden 
abdominal pain, fever & watery diarrhea. When infection 
involves the ileum & colon → the No. of stools increases 
(less liquid but contain mucus & blood). 
In children & elderly, loss of water & electrolytes-→ 
dehydration, acidosis & death. 
More than 50% of adult cases, fever & diarrhea subside 
spontaneously in 2-5days, few patients-→chronic 
intestinal carrier & recurrent of diseases. 
 

Diagnostic Lab. Test: 

Specimens: Fresh stool, mucus flecks & rectal swabs→ 
smear & culture. 
Smear: Direct microscopic exam. Of stool-→ large No. 
of leukocytes & RBC’s. 
Culture: Using differential media (MacConkey’s agar, 
EMB agar) & selective media (SS agar, Hektoen enteric 
agar). 

•  Serology: Normal persons have Abs against Shigella spp. 

→ not used for diagnosis. 
 

Immunity:  

Serum IgM (anti-O shigellae Ags) → not protect against 
shigellae infection. 

 
Treatment:
 

•  Multiple drug resistance can be transmitted by R-factor so 

resistant infections are wide spread. 

•  Ciprofloxacin, Ampicillin, Tetracycline, Trim.- 

sulfamethasone & Chloramphenicol. 
 

Epidemiology: 

 S. dysenteriae spread widely. 
-Shigellae infections occur in children under 10 years, 
transmitted from person-person by food, fingers, feces & 
flies. 

 
Prevention & Control:
  

Eliminating shigellae from reservoirs by: 

1)  Sanitary control of water, foods & milk; sewage disposal 

&fly control. 

2)  Isolation of patients & disinfecting of excreta. 
3)  Detection of subclinical cases & carriers especially food 

handlers. 
Antibiotic treatment of infected individuals. 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

110 

Lecture 4 – Pseudomonads, 
Acinetobacter & Uncommon gram 
negative bacteria 

 

Pseudomonads 

General characteristics:  

Gram negative, motile, aerobic rods, some of which 
produce water-soluble pigments. Habitat: soil, water, plant, 
and animals. Small No. found in the normal intestinal flora 
and on the skin of humans.  
 
Medically important Pseudomonas
 

1.  Pseudomonas aeruginosa  

Widely distributed and is present in moist environments in 
hospitals and in the normal intestinal flora.. An important 
nosocomial pathogen. 

 

Morphology:  

Gram negative rods, motile with polar flagellum, as a 
single, pairs and short chains. 

 

 

 

Three looks at Pseudomonas, the head of the Gram-negative 
aerobic rods. A. Electron micrograph, negative stain. B. 
Scanning electron micrograph. C. Gram stain. 

 

Culture:  

  Grows on many types of media, obligate aerobe, sometimes 

producing a sweet or grape-like odor. Some strains 
hemolysis blood. 

  It forms smooth round colonies with: 

   a fluorescent greenish pigment (Pyoverdin)  

  or non-fluorescent bluish pigment (Pyocyanin)  or dark 

red pigment (Pyomelanin). 

  Grows well at 37-42 C

 

˚,

 

42 C˚

  

helps in differentiation 

P.aeroginosa from other spp., oxidase + , catalase + , dose 
not ferment carbohydrates, but many strains oxidize 
glucose, dose not ferment lactose →  pale colonies on 
MacConkey’s agar. 
 

Antigenic Structure & Toxins: 

1)  Pili (attachment to host epithelial cells). 
2)  Polysaccharide capsule (mucoid colonies in culture from 

patients with cystic fibrosis). 

3)  LPS (endotoxin). 
4)  Pyocin (bacteriocin). 
5)  Extracellular enzymes (elastases, proteases, and 2 type of 

hemolysins: a heat-labile phospholipase C and a heat-staple 
glycolipid). 

6)  Exotoxin A (causes tissue necrosis by blokes protein 

synthesis). 
 

Pathogenesis:  

  It is pathogenic only when there is abnormal host defenses 

(mucous membranes & skin are disrupted by direct damage, 
I.V. or urinary catheters are used or neutropenia as in 
cancer therapy).The bacterium attaches & colonizes the 
mucous membrane, invades locally and produces systemic 
disease. These processes are promoted by the pili, enzymes, 
& toxins described above.  

  LPS (endotoxin) causing fever, shock, oliguria, 

leukocytosis, leukopenia & DIC & adult respiratory distress 
syndrome. Pseudomonas are resistance to many 
antimicrobial agents→ important when the normal flora are 
suppressed. 

  aeruginosa infections are: 

1)  Wounds & burns infection (with blue green pus). 
2)  Meningitis (contamination due to lumbar puncture). 
3)  UTIs (by catheters). 
4)  RTIs (by respirators). 
5)  Otitis externa (in swimmers) & malignant otitis externa (in 

diabetic patients). 

6)  Eye infection (after injury or surgical procedures). 
7)  Fatal sepsis (in infants or debilitated persons). 

  The symptoms are nonspecific & related to the organ 

involved 

  Veroglobin: a breakdown product of hemoglobin, a 

fluorescence pigment can be detected in wounds and burns 
or urine.        

  Ecthyma gangrenosum: a hemorrhagic necrosis lesion of 

skin occurs in sepsis due to P. aeruginosa are surrounds by 
erythema without pus. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

111 

Diagnostic Lab. Test: 

  Specimens: skin lesions, pus, urine, blood, c.s.f., sputum & 

other materials. 

  Culture: the specific test for diagnosis of P. aeruginosa 

infections. 
 

Treatment:  

  Should not be treated with single-drug, because success rate 

is low and the bacteria can rapidly develop resistance when 
single drugs are used. 

  penicillin combination with aminoglycosides. 

  others: aztreonam, imipenem, ciprofloxacin, newer 

cephalosporines 
 

2. Burkholderia pseudomallei:  

  Causes melioidosis, an endemic glanders-like disease of 

animals and humans, as acute, subacute, or chronic 
infection. A localized suppurative infection can occur at the 
inoculation site such as break in the skin, this may lead to 
acute septicemic infection with involvement of many 
organs. 

  The most commons of melioidosis is pulmonary infection 

(pneumonitis). 

  May develop chronic suppurative infection with abscesses 

in skin, brain, lung, myocardium, liver, bone and other 
sites. 

  Treatment: Susceptible to tetracycline, sulfonamides, 

chloramphenicol, amoxicillin & 3ed. Generation  
cephalosporines. 
 

3. Burkholderia mallei:  

  Cause glanders, a disease of horses and donkeys 

transmissible to humans, may be fatal. Begins as ulcer of 
the skin or mucous membranes followed by lymphangitis 
(lymphatic thickening with nodules), & sepsis. 

  Inhalation of organisms may lead to primary pneumonia, 

can be treated with tetracyclines plus aminoglycosides. 

 

4. B.cepacia:  

slow growth (may take 3 days for colonies are visible), 
multidrug-resistant, causes necrotizing pneumonia and 
bacteremia in patients with cystic fibrosis. In hospitals, it 
has been isolated from a variety of water and environmental 
sources from which it can be transmitted to patients and 
from one cystic fibrosis patients to another by close contact.    
 
 

Acinetobacter & Uncommon gram -ve bacteria 

  Acinetobacter:

 coccobacillary or coccal (diplococci forms, 

resemble neisseriae in smears, also recovered from female 
genital tract has been mistaken for N.gonorhoeae and 
recovered from meningitidis and sepsis has been mistaken 
for N.meningitidis). Commensal but causes nosocomial 
infections & as opportunistic pathogen & cause sepsis 
(isolated from blood, sputum, skin, pleural fluid & urine). 
-Resistant to antimicrobial agents. Therapy: difficult, but 
responded to gentamicin, amikacin, tobramicin & newer 
penicillins or cephalosporines. 

  Actinobacillus

: causes sever periodontal disease in 

adolescents, endocarditis, abscesses, osteomyelitis and 
others. Treatable with tetracycline or chloramphenicol and 
penicillin G, ampicilline or erythromycin. 

  Alcaligenes

: as normal human flora, isolated from 

respirators, nebulizers & renal dialysis systems &  from 
urine, blood, c.s.f., wounds & abscesses. 

  Capnocytophaga

: as oral human flora, causes bacteremia 

and sever systemic disease in immunocompromised 
patients and assotiated with wound infections from dog or 
cat bites or scratches. 

  Cardiobacterium

: normal flora of upper R. T. & bowel 

causes endocarditis. 

  Chromobacterium

found in subtropical climates in soil & 

water. Infects humans through breaks in the skin or via the 
gut, cause abscesses, diarrhea, sepsis (many deaths). 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

112 

Lecture 5 - Vibrios (vibrio spp.) & 
associated bacteria 

 

Found in marine & surface water, curved aerobic rods & 
motile with polar flagellum. The medically important 
vibrios are: 

 

Vibrio spp.

 

1. Vibrio cholerae  

Causes cholera (profuse watery diarrhea that can lead to 
death) 
 
Morphology:
 
Comma-shaped, curved rod, motile with polar flagellum. 
 
Culture:
  

  Convex, smooth, round colonies, grows at 37C˚ on many 

kinds of media. On TCBS (Thiosulfate-Citrate-Bile-
Sucrose) agar→Yellow colonies, Oxidase +, grow at very 
high pH (8.5-9.5). 

  Some vibrios are halophilic (requiring NaCl to grow). 

Others are halotolerant (NaCl stimulate their growth). 

  Vibrios grow on media containing 6% NaCl & susceptible 

to compound O/129 (2,4-diamino-6,7-diisopropyl 
pteridine phosphate). 

 

 

 

 

Antigenic Structure: 

1)  H (flagellar) Ag. 
2)  O Ag of LPS (139 O Ag groups). 

V.cholerae strains O group 1& O group 139 causes classic 
(epidemic & pandemic) cholera. 
Serogroup O1 Ag (including Ogawa & Inaba serotypes). 

Non O1/non O139 V.cholerae causes cholera like-disease 
(mild diarrhea), rarely extraintestinal infections. 
For epidemiological studies, 2 biotypes of epidemic 
V.cholerae Classic & ElTor (ElTor biotype cause mild 
diarrhea than Classic biotype). 

3)  Capsule (polysaccharide) Ag: in O139 & non O1 

V.cholerae (serogroup O1 dose not). 
 

Pathogenesis:  

V.cholerae is pathogenic only for humans. 

  Ingest as many as 10

10 

or more organisms (vehicle is water) 

or 10

2

-10

(vehicle is food) → infection.  

Any medication or condition that decreases stomach acidity 
makes a person more susceptible to infection with 
V.cholerae. 

  Cholera is not an invasive infection (the organisms do not 

reach the bloodstream but remain within the intestinal 
tract). 

  Virulent V.cholerae attach to the microvilli of the brush 

border of epithelial cells, multiply & liberate cholera toxin 
& mucinases & endotoxin. 
 

V.cholerae enterotoxin (cholera toxin):    

a heat-labile, consist of subunits A & B.Ganglioside G

mI

 the 

receptor for subunit B, which promotes entry of subunit A 
into the cell.Activation of subunit A yields increased levels 
of cAMP → hypersecretion of water & electrolytes 
(increased sodium chloride secretion & inhibit absorption 
of sodium & chloride) →diarrhea (20-30 L/day) → 
dehydration, shock, acidosis & death. 
 

Clinical Findings:  

  The incubation period is 1-4 days (depending upon the size 

of the inoculum ingested) →sudden onset of nausea, 
vomiting and profuse diarrhea with abdominal cramps. 
Stool resembles “ rice water” contain mucus, epithelial cells 
& large No. of vibrios. 

   Rapid loss of fluids & electrolytes→dehydration, 

circulatory collapse & anuria.If without treatment, 25-50% 
mortality. 

 

Diagnosis: 

Specimens: mucus flecks from stools (for culture). 
Smear: Dark-field or phase contrast microscopy show 
rapidly motile vibrios. 
Culture: Peptone agar, blood agar (pH 9) or TCBS agar. 
Specific Tests: biochemical tests & slide agglutination 
(using anti-O group O1 & O139 antiserum). 

 
 
 

Vibrio cholerae has a 
single polar 
flagellum for 
swimming 
movement. Electron 
Micrograph of Vibrio 
cholerae
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

113 

Immunity: 
 Duration & degree of immunity are not known. Specific 
IgA occur in lumen of the intestine. 
Gastric acid provides some protection against vibrios.  

Treatment: 

Water & electrolytes replacement (to correct the sever 
dehydration) & oral tetracycline (V.cholerae tetracycline 
resistance by transmissible plasmids).  
 

Epidemiology; Prevention & Control:    

  Africa (millions of people), rare in North America. Cholera 

is endemic in India & Southeast Asia. It is carried along 
shipping lanes, trade routes & migration routes. 

  Cholera is spread by person-person contact, water, food & 

flies. True chronic carrier is rare (after 3-4 weeks). 

  Control rests on education & sanitation of food & water. 

Patients should be isolated, and their excreta disinfected & 
contacts followed up.                

  Chemoprophylaxis with antimicrobial drugs. 

  The WHO vaccination for cholera for 6 months only. 

Repeated injection of a vaccine containing either LPSs 
extracted from vibrios or dense vibrios suspensions (limited 
protection). 
 

2. Vibrio parahaemolyticus: 

  Causes gastroenteritis 

  Halophilic (required NaCl for growth), grows on blood agar 

& TCBS agar (green colonies), oxidase +. 

  Causes acute gastroenteritis, following ingestion of 

contaminated seafood (raw fish or shellfish). After 
incubation period (12-24 hrs), nausea, vomiting & 
abdominal cramps, fecal leukocytes are observed. Subside 
spontaneously in 1-4 days with no treatment. 
 

3. Vibrio vulnificus:  

  Causes severe wound infections (in immunocompromised 

persons), bacteremia (in alcoholism & liver diseases) & 
gastroenteritis (oysters, in warm months). 

  Wound infections may be mild but proceed rapidly (a few 

hrs) with development of bullous skin lesions, cellulitis & 
myositis with necrosis. 

  Diagnosis by TCBS agar (green colonies). 

  Treatment: tetracycline, ciprofloxacin. 

 

Other Vibrios: 

 

V.mimicus 

causes diarrhea (uncooked seafood). 

 

V.hollisae 

V.fluvialis 

causes diarrhea. 

 

V.alginolyticus 

causes eye, ear, or wound infection after 

exposure to seawater. 

 

V.damsela 

causes wound infection. 

 

Aeromonads (aeromonas spp.) 

  3 spp. Are clinical importance:  

Aeromonas hydrophila, 

A.caviae & A.veronii biovar sorbria. 

(Diarrhea). 

  Rods, motile, their colony morphology is similar to enteric 

G – rods but it is oxidase + .Differentiated from vibrios by 
resistance to compound O/129 & lack of growth on media 
containing 6% NaCl. 

  Produce hemolysins (large zone of hemolysis on blood 

agar) & enterotoxin (some strains), cytotoxin & invade cells 
in tissue culture (but non of these characteristics have been 
clearly associated with diarrheal disease in humans).   

  Susceptible to tetracycline, aminoglycosides & 

cephalosporines.  
 

Plesiomonas 

Exists in both cold- & warm-blooded animals (isolated 
from freshwater fish & many animals), cause diarrhea in 
tropical & subtropical areas.  

P. shigelloides 

is a G – rod with polar flagella, isolated 

from stool culture of human with diarrhea. 
Plesiomonas grows on the same media for Salmonella & 
Shigella 
(but oxidase +). Some strains cross-react with 
Shigella antisera. 
P. are DNase +, can distinguish it from Aeromonas by 
other biochemical tests. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

114 

Lecture 6 – Campylobacters & 
Helicobacter 

 

Campylobacters (Campylobacter spp.) 

Found in animals (including domesticated) cause both 
diarrheal & systemic diseases (wide spread of infections in 
the world). The most important Spp.:   

 

1. Campylobacter jejuni:         2. C. coli : 

Common human pathogens (as common as Salmonella & 
Shigella
), are causing enteritis & systemic infection. 
 
Morphology & Identification:
 

  G – rods with comma, S, or gull-wing shapes, motile with 

single polar flagellum. 

 

Culture: selective media are needed (Skirrow’s medium & 
Campy-Bac medium), in atmosphere 5% O

+10% CO

2

 (by 

using anaerobic jar with gas generating pack), temperature 
42 C˚(inhibit most bacteria found in stool. 

  The colonies colorless or gray, may be watery & spreading 

or round & convex (these 2 colonies types may appear on 
one plate), oxidase + & catalase +, not ferment or oxidize 
carbohydrates, nitrate reduction, H

2

S production. For 

further identification of species hippurate test & 
antimicrobial susceptibility test can be used.  
 
Antigenic structure: 
 
Have LPS with endotoxic activity.-Cytopathic extracellular 
toxins & enterotoxins (not well defined). 

 

 

 
Pathogenesis & Clinical Findings: 

  The infection due the oral route from food, drink, or contact 

with infected animals or its products. 

  C.jejuni is susceptible to gastric acid (10

4

 organisms is 

necessary). 

  The organism multiplies in the small intestine, invade the 

epithelium & produce inflammation that results in the 
appearance of red & white blood cells in the stool (may 
invade the bloodstream). Localized tissue invasion with the 
toxic activity, responsible for the enteritis. 

  Acute crampy abdominal pain, diarrhea (may be bloody), 

headache, malaise & fever. The illness is self-limited to 5-8 
days (may be longer). May resolve without antimicrobial 
therapy.  

  Therapy shortens the duration of fecal shedding of bacteria. 

C.jejuni is susceptible to erythromycin. 
 

Diagnostic Lab. Tests: 

  Specimens: Diarrheal stool. 

  Smear: Gram-stained smears of stool→ gull-wing shaped. 

Dark-field or phase contrast microscopy → darting motility 
of this bacterium. 

  Culture: Selective media is the definitive test. 

 

Epidemiology & Control: 

  Campylobacter enteritis resembles other acute bacterial 

diarrheas (Sh. dysenteriae).The source of infection, food 
(milk) or contact with infected animals or humans & their 
excreta. 

  Outbreaks from a common source (unpasteurized milk). 

  Require puplic health control measures. 

 

3. Campylobacter fetus subspecies  fetus:  

Opportunistic pathogen cause systemic infection in 
immunocompromised patiens.The portal of entry 
G.I.T→bacteremia & systemic infection (may be 
diarrhea).Have a surface array proteins(S protein),which 
form a capsule-like structure on the surface of the 
organism,  correlated with the ability of the bacteria to 
cause bacteremia. 
 

4.

 

Other campylobacters:  

C.lari 

(in seagulls) & 

C.upsaliensis 

(in dogs), both causes 

diarrhea in humans. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

115 

Helicobacter pylori 

Antral gastritis, duodenal (peptic) ulcer disease, gastric 
ulcers & gastric carcinoma. 
 

Morphology & Identification: 

  Spiral-shaped or curved G-rods has multiple flagella at one 

pole (actively motile). 

  Culture: grows in (3-6) days at 37C˚ in microaerophilic as 

C.jejuni 

   Media:  

1)  Skirrow’s media           
2)  Chocolate media. 
3)  Other selective media with vancomycin, nalidixic acid, & 

amphotericin. 

  The colonies are translucent & small (1-2 mm in diameter), 

Oxidase +, Catalase + & strong producer of urease. 

 

 

 

Pathogenesis: 

  H.pylori found deep in the mucus layer near the  epithelial 

surface (at pH 6-7 because gastric mucus is relatively 
impermeable to acid & has buffering capacity, on the lumen 
side the pH is low 1-2, while on the epithelial side the pH is 
high 6-7) & it is quite motile even in mucus able to find its 
way to the epithelial surface. H.pylori produces a protease, 
which reduces the ability of acid to diffuse & production of 
active urease, which release ammonia & that cause further 
buffering of acid. 

  H.pylori causes gastritis & hypochlorhydria & duodenal 

ulceration-→ invade the epithelial cells also toxins & LPS 
& ammonia → damage the mucosal cells (antimicrobial 
therapy → clearing bacteria & improvement of gastritis & 
duodenal ulcer).  

  Destruction of the epithelium is common, and glandular 

atrophy may occur, H.pylori thus may be a major risk factor 
for gastric  cancer   
 

Clinical findings: 

Acute infection of upper gastrointestinal illness with nausea 
& pain, vomiting & fever (duration less than 1-2 weeks). 
This bacterium may persist for years, decades or even a 
lifetime. 

90% of patients with duodenal ulcers & 50-60% of gastric 
ulcers have H.pylori infection. It may have a role in gastric 
carcinoma & lymphoma. 
 

Diagnostic Lab. Tests: 

  Specimens: Gastric biopsy(gastroscopy) → histological 

exam. & culture. 
Blood → determination serum antibodies. 

  Smear: Biopsy stained by Giemsa stain→ curved or 

spiraled organisms. 

  Culture: Selective & differential media. 

  Serology: The role of Abs tested is limited (serums Abs 

can persist even if the infection eradicated). 

  Detection of H.pylori Ags in stool, a test of cure.  

  Special rapid test: to detect urease activity in biopsy 

material or in vivo by

 13

C- or 

14

C-labeled urea ingested by 

the patient & then detection of labeled CO

in the patient’s 

exhaled breath. 
 

Immunity: 

Patients infected develops IgM, subsequently, IgG & IgA 
(persist systemically & at the mucosa in high titer in 
chronically infected persons). 
 

Treatment: Triple therapy: 

Metronidazole + bismuth subsalicylate or bismuth 
subcitrate +amoxicillin or tetracycline for 14 days. 
Proton pump inhibitor + amoxicillin & calithromycin or 
amoxicillin + metronidazole. 
 

Epidemiology: 

  Acute epidemic gastritis is a common source for H.pylori

  Transmission of H.pylori by person-person & intrafamilial 

culstring of infection. 

  H.pylori is present on the gastric mucosa of less than 20% 

of persons under age 30, 40-60% of persons age 60 
(including asymptomatic). 

  In developing countries, the prevalence of infection may be 

80% or higher.  
 

Other Helicobacters 

H. fennelliae 

and 

H. cinaedi 

can cause either diarrheal 

or extraintestinal disease. 

Arcobacter spp

. Are uncommon enteric pathogens. 

 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

116 

Lecture 7 - Haemophilus 

 
Small, G- pleomorphic bacteria. Identification of H. 
group depends (in part) upon requirement for growth 
factors (X & V factors). 
X factor: heme         
V factor: Nicotinamide-adenine dinucleotide 
 

 

 

1. Haemophilus influenzae:  

Found on the mucous membranes of upper R.T. 
occasionally causes R.T. infections in children & adults. 
 

Morphology: 

  In specimens: coccoid bacilli, in pairs or short chain.  

  In young culture (6-8 hours): small coccobacilli & have a 

finite capsule. Later become longer rods & very 
pleomorphic form. 

 

Culture:  

  On brain-heart infusion agar with blood (requires X & V 

factors), after 24 hours → small, round, convex colonies. 

  Chocolate agar (36-48 hours) →larger colonies (1 mm, 

not hemolytic). 

  Satellite phenomenonH. influenzae grow much larger 

colonies around staphylococcal or other colony. 
 

Antigenic Structure: 

  Encapsulated H. influenzae contains capsular 

polysaccharides (6 types Ags a-f), H. influenzae type b 
an important human pathogen may lose its capsule & the 
type specificity. H. influenzae in the normal flora of 
upper R.T. are not capsulated. 

  Somatic Ags: outer membrane proteins. 

  LPS (endotoxin): share many structures with those of 

neisseriae. 
 

 

 

Pathogenicity: 

  The capsule is antiphagocytic, type b capsule (PRP= 

polyribose ribitol phosphate) is the major virulence factor 
of H. influenzae (causes meningitis, pneumonia & 
empyema, epiglottitis, cellulitis, septic arthritis & other 
invasive infections). H. influenzae types  c-f  rarely cause 
disease. 

  Nontypeable H. influenzae causes invasive infections less 

than type b (chronic bronchitis, otitis media, sinusitis & 
conjunctivitis). 

  H. influenzae type b enters by way of the R.T → 

extend to the sinuses or middle ear, may reach the 
bloodstream →to the meninges (meningitis) or 
establish in the joints (septic arthritis). 
 
 

Clinical Findings: 

  Infant: fulminating obstructive laryngotracheitis with 

swollen, cherry-red epiglottis (requires tracheostomy or 
intubation as a lifesaving).  

  Small children & old or debilitated people: Pneumonitis 

& epiglottitis may follow upper R.T. infections. 

  Adults: may have bronchitis or pneumonia. 

  H. influenzae the most common cause of meningitis in 

children (age 5 months-5 years) resembles other forms of 
childhood meningitis. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

117 

  H. influenzae type b & pneumococci are the most 

common cause of otitis media & acute sinusitis. 

 

 

 

Diagnostic Lab.: 

  Specimens: nasopharyngeal swab, pus, blood & csf. 

  Direct identification by immunofluorescence or by 

specific rabbit antiserum for a capsule (type b) swelling 
test. Commercial kits for immunologic detection of H. 
influenzae 
Ags in csf. 

  Culture: IsoVital X enriched chocolate agar(24-48 hrs) 

→ typical colonies. 

  Test for X & V factors can be done by placed strips or 

disks containing these factors on the surface of agar, 
growth of H. influenzae in the area between the strips 
indicates requires both factors. 
 

Immunity:  

Infants (less than 3 months) have Abs transmitted from 
the mother (rare infection). By age 3-5 years, many 
children have naturally acquired anti-PRP Abs that 
promote complement-dependent bactericidal killing & 
phagocytosis.  

Immunization of children with H. influenzae type b 
vaccine induces the same Abs. Pneumonia or arithritis 
due to H. influenzae can develops in adults with such Abs. 
 

Treatment: 

  Untreated H. influenzae meningitis causes mortality rate 

up to 90%. H. influenzae type b susceptible to ampicillin 
(25% of strains are resistant by produce ß-lactamase 
under control of a transmissible plasmid).More strains are 
susceptible to chloramphenicol & all to the newer 
cephalosporins (cefotaxime). 

  Influenzal meningitis may develop a subdural 

accumulation of fluid, so requires surgical drainage. 
 

Epidemiology, Prevention & control: 

  Encapsulated H. influenzae type b is transmissible from 

person-person by the respiratory routes. 

  Infection can be prevented by administration of 

haemophilus b conjugate vaccine (H. influenzae type b 
with protein carrier either CRM, mutant C. diphtheriae 
toxin protein or N. meningitidis outer membrane 
complex) to children aged 2 months or older.
 

  Children aged 15 months or older can receive H. 

influenzae type b vaccine conjugated with diphtheria 
toxoid (it is not immunogenic in younger children). The 
vaccine reduces the incidence of meningitis & the carrier 
rates for H. influenzae type b. 

  Contact with patients posses little risk for adults but 

not to nonimmune children (less than 4 years), so can 
use rifambin for them.
 
 

2. H. aegyptius

Called the Koch-Weeks bacillus (H. 

influenzae biotype III) causes conjunctivitis & it is the 
cause of Brazilian purpuric fever, a disease of children 
characterized by fever, purpura, shock & death.  

3. H. aphrophilus (Aggregatibacter aphrophilus): 

found as a normal oral & respiratory tract flora 
causes infective endocarditis & pneumonia

4. H. ducreyi

Causes chancroid (soft chancre), a 

sexually transmitted disease, a ragged ulcer on the 
genitalia with marked swelling & tenderness, the regional 
lymph nodes are enlarged & painful. Treatment with 
ceftriaxone (IM), oral trimethoprime-sulfamethoxazole or 
oral erythromycin. 

5. H. parainfluenzae

: as a normal flora of the R.T. 

causes infective endocarditis & urethritis.  

6. H. haemolyticus

as a normal flora of the 

nasopharynx & associated with rare R.T. infections of 
moderate severity in childhood. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

118 

Lecture 8 – Bordetellae 

 

1. Bordetella pertussis:  

Causes whooping cough (pertussis). 
 

Morphology: 

  Minute G-, nonmtile encapsulated coccobacilli  

 

toluidine blue stain → bipolar  metachromatic granules  

  Culture: Strict aerobic requires enriched media: 

1)  Bordet-Gengou (potato-blood-glycerol) agar + penicillin 

G or Regan-Lowe medium. 

2)  BCYE (buffered charcoal-yeast extract) agar.  

  Incubation at 35-37Cº for 3-7 days in a moist 

environment & identified by IF staining. 

  Hemolysis of blood is associated with virulent pertussis

 

 

 

Antigenic Structure 

B. pertussis produces many factors that are involved in 
the pathogenesis: 

1)  Pili: adherence of bacteria to the ciliated epithelial cells 

of upper R.T. 

2)  Tracheal cytotoxin: inhibits DNA synthesis in ciliated 

cells  = 

3)  LPS: causing damage to the epithelial cells of upper R.T. 
4)  five virulence factors regulated by vir or bvg (bordetella 

virulence gene): 
a.  Filamentous hemagglutinin: mediates adhesion to 

ciliated cells. 

b.  Pertussis toxin: a protein consists of 2 subunits A & B 

has similar action of cholera toxin & promotes 
lymphocytosis, sensitization to histamine, enhanced 
insulin secretion & has ADP-ribosylating activity. 

c.  Adenylyl cyclase toxin.      
d.  Dermonecrotic toxin.                     
e.  Hemolysin.  
 

 

 

 

 

Pathogenicity: 

Transmitted by respiratory route from carriers or early 
cases, adheres to & multiplies on the epithelial surface of 
trachea & bronchi & interferes with ciliary action (no blood 
invasiveness), liberate toxins & substances that irritate 
surface cells → coughing & lymphocytosis may be necrosis 
& PMNs infiltration peribronchial inflammation & 
pneumonia (secondary invaders like staphylococci & H. 
influenzae
 may cause pneumonia)  obstruction of smaller 
bronchioles by mucous plugs & oxygenation of blood →       
causing whooping cough (in infants). 
 

Clinical Findings: 

 

After incubation period (2weeks) →catarrhal stage: mild 
coughing, sneezing & large No. of bacteria in droplets of 
patient (highly infectious but not very ill) → paroxysmal 
stage: explosive cough & characteristic whoop upon 
inhalation → rapid exhaustion may associated with 
vomiting, cyanosis & convulsions. Rarely become fatal 
complication of encephalitis. 

  WBC`s count high (16000-30000/μL) with lymphocytosis. 

  Several types of adenovirus & Chlamydia pneumoniae can 

produce a similar clinical picture of B. pertussis
 

 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

119 

Diagnostic Lab 

  Specimen: saline nasal wash, nasopharyngeal swabs or 

cough droplets (onto a cough plate). 

  Direct fluorescent Ab (FA) test: FA reagent used to 

examine nasopharyngeal swab & to B. pertussis after 
culture on solid media. 

  Culture: Bordet-Gengou medium or BCYE medium → 

identified by IF staining or by slide agglutination with 
specific antiserum. 

  PCR test: for B. pertussis & B. parapertussis.  

 

Immunity:  

  The 1

st

 defense against B. pertussis infection is the Ab that 

prevents attachment of bacteria on the cilia of the 
respiratory epithelium. 

  After recovery & vaccination 2

nd

 infections may occur but 

mild. Reinfections may occur years later in adults that may 
be sever. 

  Pertussis vaccine: using toxin-producing phase I cells →       

acellular pertussis vaccines contains 3-5 Ags.   
 

Treatment: 

  Erythromycin during catarrhalstage to elimination of 

bacteria, as a prophylactic & prevent paroxysmal stage. 

  Oxygen inhalation to prevent anoxic damage to the brain. 

 

Epidemiology, Prevention & Control: 

  Worldwide, the source of infection is the patient in the 

catarrhal stage. Most cases in children less than 5 years & 
the most deaths occur in the 1

st

 year of life. So every infant 

should receive 3 injections of pertussis vaccine during the 
1

st

 year followed by a booster of 5 doses. 

  Pertussis vaccine administered in combination with toxoid 

of diphtheria & tetanus (DTP). 

  Prophylactic: erythromycin for 5 days benefits to infants & 

exposed adults. 
  

2. B. parapertussis:  

produce disease similar to whooping cough, it has a silent 
copy of the pertussis toxin gene. Grows more rapidly than 
B. pertussis 
produces larger colonies.  
 

3. B. bronchiseptica (bronchicanis):  

found in the R.T. of canines, causes diseases in animals & 
pertussis- like illness in humans a chronic R.T. infections. It 
has a silent copy of the pertussis toxin gene.  
 
 
 

 
 
 
 
 
 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

120 

Lecture 9 – Legionellae, Bartonella 
& unusual bacterial pathogens 

 

Legionella 

Outbreak of pneumonia in attending an American Legion 
convention (1976). There are several species of Legionella

-Legionella pneumophila

: the most important, cause 

Legionnaire’s disease & Pontiac fever. 

-L. micdadei

: sometimes causes pneumonia. 

 

Morphology: 

Fastidious, aerobic G- rods stain poorly by Gram’s method 

 
Culture:
 

  Grown on complex media BCYE + α-ketoglutarate at pH 

6.9, 35C˚ & humidity 90% →grow slowly, visible 
colonies after 3 days (in blood culture require 2 weeks or 
more) →        variation in colony, round or flat with entire 
edges, vary in color from colorless to iridescent pink or 
blue & translucent. 

  Catalase +, L. pneumophila is oxidase + & others variable 

 

 

Antigenic Structure: 

  There is more than 10 serogroups of L. pneumophila

serogroup 1 the most common (complex antigenic 
structure). 

  Legionellae produce: proteases, phosphatase, lipase, 

DNase & RNase. 

 
Pathogenesis:
  

  Legionellae found in warm moist environments & 

infection of immunocompromised humans follows 
inhalation of the bacteria from aerosols (contaminated air-
conditioning systems, showerheads & similar sources). 

  L. pneumophila causes a lobar, segmental or patchy 

pulmonary infiltration, acute purulent pneumonia 
involving the alveoli with dense intra-alveolar exudate of 
macrophages, PMNs, RBCs & proteinaceous material. 
There is interstitial infiltration & little or no inflammation 
of the bronchioles & upper airways. 

  L. pneumophila enters & grows within human alveolar 

macrophages & monocytes (phagocytosed but not killed), 
so L. pneumophila in lesions found within phagocytic 
cells. Ribosomes, mitochondria & small vesicles 
accumulate around phagocytic vacuoles → the cells 
destroyed → the bacteria released & infected other 
macrophages. 
 

Clinical Findings: 

 

Legionnaire’s disease: asymptomatic infection is common 
in all ages, highest in men over 55 years. Risk factors: 
smoking, chronic bronchitis & emphysema, steroid & 
other immunosuppressive drugs, cancer chemotherapy & 
diabetes mellitus. 

  Infection may nondescript febrile illness of short duration 

or sever, rapidly progressive illness with high fever, 
chills, malaise, nonproductive cough, hypoxia, diarrhea & 
delirium. Chest X-rays reveal patchy & multilobar 
consolidation. 

  There are leukocytosis, hyponatremia, hematuria (even 

renal failure) or abnormal liver function. 

  Pontiac fever: fever, chills, myalgia, malaise, headache 

(6-12 hours), dizziness, photophobia, neck stiffness & 
confusion. Respiratory symptoms are much less in 
Pontiac fever than Legionnaire’s disease & include mild 
cough & sore throat. 
 

Diagnostic Lab.: 

  Specimens: bronchial washings, pleural fluid, lung 

biopsy & blood. 

  Smear: Direct Ab tests (low sensitivity). 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

121 

  Culture: BCYE agar then IF staining. 

  Specific tests: Legionellae Ags in patient’s urine by 

immunologic method. 

  Serologic tests: detection Abs to Legionellae (outbreaks). 

 
Treatment:
 

  The drug of choice is erythromycin. Rifampin when 

treatment delayed. 

  Ventilation & management of shock is essential. 

 

Epidemiology & Control: 

  The natural habitats for Legionellae are lakes, streams, 

rivers & thermally heated bodies of water & soil (survives 
up to 63C˚). Cooling towers & evaporative condensers 
heavily contaminated with L. pneumophila. 

  Contamination of residential water systems       

community acquired inf. 

  Contamination of hospital water systems        hospital 

acquired or nosocomial infection. 

  Control of Legionellae in water & air-conditioning 

systems by hyperchlorination & superheating of water.  
 

Bartonella 

  Is a genus of Gram-negative bacteriaFaculative 

intracellular parasiteBartonella species can infect 
healthy people but are considered especially important as 
opportunistic pathogenBartonella are transmitted by 
insect vectors such as ticks, fleas, sand 
flies&mosquitoes
 

  At least eight Bartonella species or subspecies are known 

to infect humans. G- pleomorphic rods, difficult to 
isolated but can be seen in infected tissues by Warthin-
Starry silver stain 
3 medically important spp.: 

 

1. B. bacilliforms:  

2 stages of Bartonellosis or Carrion’s disease: 

a)  Oroya fever (initial stage): 

serious infectious anemia 

due to blood cells destruction, hemorrhage into the lymph 
nodes & enlargement spleen & liver. Masses of 
bartonellae fill the cytoplasm of cells lining the blood 
vessels & endothelial swelling → vascular occlusion & 
thrombosis → 40%       mortality rate. 

b)  Verruga peruana (eruptive stage):

 begins 2-8 weeks 

later through verrugae (absence of Oroya fever), vascular 
skin lesions no anemia & fatalities, lasts for 1 year. 

•  Diagnosis by stained smear & blood culture (28C˚ for 10 

days or more).  

•  In Peru, Colombia & Ecuador, transmitted by sandflies  

•  Control: by insecticides. 
•  Treatment: penicillin, streptomycin or chloramphenicol. 

 

2. B. henselae

:

  

Causes bacillary angiomatosis & cat-scratch fever. 

  Bacillary angiomatosis: 

proliferative, vascular lesions in the skin & visceral 
organs (immunocompromised & 
ADIS patients). 
Treated with doxycycline or erythromycin. 
 

  Cat-scratch fever: 

transmitted by cat scratch or bites & 

cat fleas bites, after 3-10 days, skin lesions at the site of 
scratch with low-grade fever, headache, sore throat or 
conjunctivitis. 

 

 
2 weeks later →   lymphoadenopathy (regional lymph 
nodes enlarged, tender & may discharge pus). Self-limited 
illness (many weeks or months).  
Treated by tetracycline or erythromycin. 

 
3. B. quintana

:

  

Causes 

bacillary angiomatosis 

trench fever 

(World 

War I in trenches), transmitted by body lice → sudden fever 
for 5-7 days, headache & sever pains in trunk & limbs. 
 

 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

122 

Unusual Bacterial Pathogens 

* Calymmatobacterium granulomatis:  

G- rods, causes granuloma inguinale, a sexually 
transmitted disease → genital ulceration & soft tissue & 
bone destruction. Diagnosis by stained smear from the 
lesion → Donovan bodies (stained organism within large 
macrophages). 
-Treated by tetracycline. 
 

Tropheryma whippelii:  

G+ bacilli related to actinomycete, causes Whipple’s 
disease: fever, abdominal pain, diarrhea, weight loss & 
migratory polyarthralgia. Diagnosis by periodic acid-
Schiff stain. 
 

Gardnerella vaginalis:  

Isolated from the normal female genitourinary tract & 
associated with vaginosis (nonspecific vaginitis) → no 
inflammatory cells & absence of common causes of 
vaginitis, but in wet smear there are a clue cells (epithelial 
cells covered with many Gram-variable bacilli. Vaginal 
discharge has a fishy odor & contains many anaerobes 
with G. vaginalis. Treatment: oral metronidazole. 
Mobiluncus: motile, curved, Gram-variable or G-, 
anaerobic rods isolated from bacterial vaginosis may be 
part of the normal vaginal anaerobic flora in women. 
 

Streptobacillus moliniformis:  

Aerobic, G- highly pleomorphic forms irregular chains of 
bacilli with fusiform enlargements.  
Causes: 
Rat-bite fever:(normal habitant of this bacteria the throats 
of rats, humans infected by rat bites), a septic fever, 
blotchy & petechial rashes & very painful polyarthritis. 
Diagnosis by cultures of blood, joint fluid or pus & by 
serum agglutination test. 
Haverhill fever: infection after ingested contaminated 
milk with these bacteria. Penicillin & other antibiotics as 
effective therapy. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

123 

Lecture 10+11 - zoonotic gram 
negative rods 

 
Zoonoses: are human diseases caused by organisms that 
are acquired from animals (animal sources). There are 
bacteria, viral, fungal & parasitic zoonoses. Some 
zoonotic organisms are acquired directly from the animal 
reservoir, others transmitted by vectors (mosquitoes, fleas 
or ticks). There are 4 medically important G- rods (have 
animal reservoirs):                                    
Yersinia, Pasteurella , Francisella & Brucella 
species. 
(YERSINIA, FRANCISELLA, & PASTEURELLA) 
They are short; pleomorphic G- rods can exhibit bipolar 
staining. 
 

Yersinia 

Y.pestis, Y. enterocolitica, & Y. pseudotuberculosis 

Y.pestis:  

  Short, pleomorphic G- rods, motile (like safety pin) 

Bipolar staining by methylene blue & carbol fuchsin. 
Causes plague.  

  Grow as a facultative anaerobic on media containing 

blood or tissue fluids, freshly isolates possess capsule, 
incubation at 37C˚ →  gray viscous colonies, catalase+, 
oxidase - 

 

 

Antigenic Structure: 

  LPS (endotoxin activity). 

  Envelope contains protein = fraction 1 (antiphagocytic). 

  V & W antigens (proteins encoded by plasmid, lack of 

this plasmid → avirulent strain used as vaccine). 

  Exotoxin (1μg is lethal in mice). 

  Pesticin= bacteriocin. 

Note: There is a cross-reaction between Y.pestis &other yersiniae 
 

Pathogenesis:   

2 types of plague: Pneumonic p. & Bubonic p. 

  Pneumonic p.: results from inhalation of droplets or septic 

emboli (contains the bacteria) that reach the lungs. 

  Bubonic p.:Y.pestis found in bacteremic rodent, blood 

meal of flea ingests the bacteria which cause blood clots 
in stomach (by bacterial coagulase), the bacteria trapped 
in fibrin & proliferate → mass of bacteria       block of 
flea΄s intestinal tract → regurgitate the bacteria into next 
animal or bites a human (the flea become hungrier & 
loses its natural host, rodents). 
 The flea bite a human, inoculated bacteria → spread to 
regional lymph nodes → swollen & tender (groin & 
axillae) → buboes (bubonic p.). 
 

Clinical Findings of bubonic p.: 

  Incubation period 2-7 days, high fever, 

lymphoadenopathy, vomiting & diarrhea may develop. 

  DIC (hypotension, renal & cardiac failure),signs of 

meningitis may appear. 

  Endotoxin-related symptoms (DIC & cutaneous 

hemorrhages) → black death. 
 

Diagnostic Lab.: 

  Specimens: blood, sputum, lymph aspirate & csf. 

1)  Smear: Giemsa’s stain or Wayson΄s stain. 
2)  Culture: blood agar (is best confirmed by           

immunofluorescence).     

  Serum Ab. Titer  1:16 is presumptive evidence of 

Y.pestis infection. 
 
Control & prevention:  
1. Control of flea by insecticide. 
2. Control of spreading of rodents. 
3. Vaccine (formalin-killed bacteria). 
 
Treatment:
 
Streptomycin (drug of choice), tetracycline (alternative or 
give in combination with streptomycin).  
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

124 

Y.enterocolitica & Y.pseudotuberculosis:  

G-rods, urease +, grow best  & motile at 25Cº but non-
motile at 37Cº. They are found in the intestinal tract of 
animals.Both of them cause bacterimia. 

Y.enterocolitica: 

 isolated from rodents & domestic animals (sheep, cattle, 
swine, dogs & cats). Transmitted to humans by 
contamination of food, drinks & fomites. Produce a heat-
stable enterotoxin. 

Y.pseudotuberculosis:   

Found in farm animals & birds which excreted in feces, 
human infection → ingestion of materials contaminated 
from animals feces. 

 

Pathogenesis & Clinical Findings:  

  Incubation period = 5-10 days →yersiniae multiply in gut 

mucosa of ileum →inflammation & ulceration 
→leukocytes appear in feces, the infection extend to 
mesenteric lymph nodes →    blood (bacteremia).  

  Fever, diarrhea (watery or bloody because of invasion or 

enterotoxin?), abdominal pain the right lower quadrant 
suggesting appendicitis. 

 
Diagnostic Lab.:
  

  Specimens: stool & blood for culture. 

  Serology: agglutination test (cross-reaction with vibrios, 

salmonellae & brucellae). 

 
Treatment:    
Aminoglycosides, Chloramphenicol, 
Ttimethoprime-sulfamethoxazole, & Piperacillin. 
 

Pasteurella 

Non-motile, G- coccobacilli with bipolar appearance on 
stained smears, aerobic or facultative anaerobes, oxidase 
+, catalase + & encapsulated bacteria.  

The important species is 

P.multocida. 

 
Pathogenesis & Clinical Findings: 
 

  Part of the normal flora in the mouth of many animals 

(domestic animals, cats & dogs), transmitted by biting, 
capsule is a virulence factor & endotoxin is present in the 
cell wall. No exotoxins.  

  Rapid onset of cellulitis at the site of cat bite. After cat 

bites osteomyelitis developed (because cats teeth sharp 
pointed implant bacteria under the periosteum). 
Diagnosis Lab.: Culture the sample from wound site. 
Treatment: Penicillin G. 
 

 

 

Francisella 

Francisella tularensis 

Small, G- pleomorphic rods, causes tularemia, transmitted 
to humans by: 

1)  Biting arthropods (ticks). 
2)  Direct contact with infected animal tissue (rabbits & 

deer). 

3)  Inhalation of aerosols. 
4)  Ingestion of contaminated food or water. 

 

Pathogenesis: 

  Bacteria on skin abrasions (2-6 days) → an inflammatory 

& ulcerating papule develops regional lymph nodes 
enlargement. 

 

Inhalation → peribronchial inflammation & pneumonitis. 

 

Droplet or infected finger touches eye (conjunctiva) →        
oculograndular tularemia. 

  Fever, malaise, headache & pain in the regional lymph nodes. 

 

Diagnostic Lab.: 

  Specimens: Blood.  

  Agglutination test:  titer 1:160 is highly suggestive if the 

history or physical findings are compatible with the 
diagnosis (cross-reaction with brucellae). 

  Culture: glucose blood agar or glucose cystine blood agar. 

 

 

 
Treatment: Streptomycin or gentamicin for 10 days.  
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

125 

Brucellae 

  They are cause brucellosis (undulant fever & Maltafever) 

is characterized by an acute bacteremic phase then a 
chronic stage may extend over many years & involve 
many tissues. 

  4 species (infected humans):    

1)  Brucella melitensis (goats & sheep)  
2)  B. abortus     (cattle)    
3)  B. suis   (pigs) 
4)  B. canis (dogs) 

 

Morphology: 

G-, short coccobacillary, aerobic, non-capsulated, non-
spore forming & non-motile. 
 

Culture: 

  Small convex, smooth colonies.  

  B. abortus requires 5-10 % CO

2

.Brucellae are oxidase, 

catalase & urease positive, produce H

2

S & moderately 

sensitive to heat & acid (in milk killed by pasteurization). 

 

Antigenic Structure: 

  LPS: 2 antigens A & M (present in different proportions 

in 4 species). 

  L antigen (resembles of Vi Ag of salmonellae).  

 

Pathogenesis: 

  Obligate intracellular parasite transmitted from animal to 

human (zoonoses). 

  The common routes of infection in human: 

1)  Intestinal tract (ingestion of infected & unpasteurized 

milk, & cheese). 

2)  Mucous membrane by droplets. 
3)  Skin (contact with infected tissues of animals). 

 

After infection, brucellae → lymph duct or channels & 
lymph nodes → thoracic duct & bloodstream → 
parenchymatous organs → granulomatous tissues 
(abscess) in lymphatic tissue, liver, spleen, bone marrow 
& other parts of reticuloendothelial systems. 

  The disease has 2 phases: acute bacteremic phase & 

chronic phase. 

  Placentas & fatal membranes of cattle, swine, sheep & 

goats contain erythritol (growth factor for brucellae). The 
proliferation of brucellae in pregnant animals → 
placentitis & abortion. No erythritol in human (no 
abortion) 

  B. melitensis infections more sever & prolonged than B. 

abortus infections which are more self-limited. 

Clinical Findings: 

  After incubation period (1-6 weeks), insidious onset with 

malaise, fever (rises in the afternoon & fall during the 
night with drenching sweat), weakness, aches & sweats. 
There may be gastrointestinal & nervous symptoms, 
lymph nodes enlarge & the spleen becomes palpable, 
hepatitis may be with jaundice →        these generalized 
symptoms subside in weeks or months but localized 
lesions & symptoms may continue. 

  Chronic stage may develop (weakness, aches, pains, low-

grade fever, nervousness & other nonspecific with 
psychoneurotic symptoms). The diagnosis of this stage is 
difficult unless local lesions are present (brucellae cannot be 
isolated from the patient but agglutinin titer may be high) 
 

Treatment: 

Brucellae susceptible to tetracyclines & ampicillin for few 
days or prolonged for best results & combined treatment 
(tetracycline + streptomycin or gentamicin). 
 

Epidemiology, Prevention & Control: 

  Brucellae are zoonotic pathogens, so the infection is more 

frequent in men because of occupational contact (farmers, 
veterinarians, slaughterhouse workers). The majority of 
infections remain asymptomatic (latent). 

  Eradication of brucellosis in cattle (immunization) & 

examined by agglutination test. Active immunization of 
humans with avirulent live strain 19. 

  Control by: 

1)  Limitation of spread & possible eradication of animals 

infection. 

2)  Pasteurization of milk & milk products. 
3)  Reduction of occupational hazards wherever possible. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

126 

Lecture 12+13 - Spirochetes 

Spiral motile bacteria, includes 2 families: 

1)  Spirocheataceae: (free-living bacteria). 
2)  Treponemataceae include: Treponema, Borrelia & 

Leptospira. 
  

Treponema 

T.pallidum subsp. Pallidum 

causes syphilis, a long 

{0.2X(5-15) mm}, slender, helically coiled, spiral, G- 
bacilli 

 

 

 

 

 

Structural characteristics: 

1)  Outer sheath (glucosaminoglycan coating).  
2)  Outer membrane (peptidoglycan).  
3)  Endoflagella (axial filaments, encapsed by the outer 

membrane & wind around the organism). 

4)  Inner membrane (cytoplasmic membrane).  
5)  Cytoplasm contains body fibrils (cytoplasmic tubules). 

 

  Actively motile & so thin-→cannot be seen unless 

immunofluorescin stain or dark-field microscope is 
employed. 

  Never been cultured on artificial media or in fertile eggs 

or in tissue culture. 
 

Antigenic Structure: 

1)  Does not contain LPS. 
2)  The endoflagella: similar to bacterial flagellin protein.  
3)  Cardiolipin (an important treponemal antigens). 

4)  Hyaluronidase (breaks down the hyaluronic acid in tissue 

& enhances the invasiveness of this organism, so it is 
Virulence Factor). 

  Human with syphilis develops antibodies (can be used for 

staining T.pallidum by direct IF test or complement 
fixation test. 

  Also develops Ab-like substances or non-specific Abs. 

called reagin, directed against some Ags. distributed in 
normal tissues. 
 

Pathogenesis & Clinical Findings: 

1)  Acquired syphilis: 

T.pallidum transmitted by sexual 

contact (the infectious lesion is on the skin or mucous 
membrane of genitalia & only 10-20% on intrarectal, 
perianal & oral lesions). 

•  It is penetrate through mucous membrane or a break in the 

epidermis, multiply locally-→ spread to lymph nodes-→ 
bloodstream.  

•  In 2-10 weeks after infection: primary syphilis or primary 

lesion (a papule develops at the site of infection breaks 
down to form an ulcer with clean, hard base called 
hardchancre), heals spontaneously. 

•  2-10 weeks later: secondary syphilis or secondary lesions 

(a red maculopapular rash anywhere of the body) & 
condylomas (a moist, pale papules in the anogenital 
region, axilles & mouth). Also may be appear syphilitic 
meningitis, chorioretinitis, hepatitis or periostitis → heals 
spontaneously. 

•  Both primary & secondary lesions are rich in spirochetes 

& highly infectious. 

•  40% progresses to the tertiary stage (latent syphilis)-→ 

gummas (a granulomatous lesion in skin, bones, liver & 
degenerative changes in CNS or cardiovascular lesions. 
This lesion due to hypersensitivity to the organisms). 
 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

127 

 

 

 

 

2)  Congenital syphilis: 

  Pregnant syphilitic women can transmit T.pallidum to the 

fetus through the placenta in 10

th

-15

th

 weeks of gestation. 

  Some infected fetus die, others are borne live with sings 

of congenital syphilis in childhood (keratitis, 
Hutchinson’s teeth, saddlenose, periostitis & variety of 
CNS anomalies). 

  Treatment mother during pregnancy prevents congenital 

syphilis. 
 

Diagnostic Lab. Tests: 

  Specimens: Tissue fluids (lesions) & serum (serological 

tests). 

  Dark-field examination: drop of tissue fluid examined 

by dark-field microscope-→ motile spirochetes. 

  Immunofluorescence test: Tissue fluid stained with a 

fluorescein-labeled antitreponemal serum examined by 
fluorescent microscope-→ fluorescent spirochetes. 

 

 

  Serological tests: 

1)  Nontreponemal Ag tests: using cardiolipin (extracted from 

normal mammalian tissue) + patient’sserum (reagin). 
Reagin appears in serum after 2-3 weeks or in CSF after 
4-8 weeks of infection. 2 types: 
A.  Complement fixation (CF) test or Wassermann-

Kolmer test: rarely used. 

B.  Flocculation test: VDRL (Venereal Disease Research 

Lab.) or RPR (Rapid Plasma Reagin). Cardiolipin 
form visible clumps with reagin containing sera. 

2)  Treponemal Ab tests: 2 types: 

A.  Fluorescent treponemal Ab-Absorbance (FTA-ABS) test:  

Killed T.pallidum Reiter strain + patient’s serum +labeled 
antihuman gamma globulin (very specific& sensitive test) 

B.  T.pallidum hemagglutination (TPHA) test: 

-Red blood cells treated to adsorb treponemes on their 
surface + patient’sserum-→ red cells clumped 

 
Immunity: after cure-→ patient become susceptible. 

 
Treatment:
 

  Syphilis less than 1 year-→ benzathine penicillin (IM). 

  Older (latent syphilis) -→ = = (3 times weekly intervals). 

  Neurosyphilis-→ penicillin (large amount, IV). 

 
Epidemiology:
 
Transmitted sexually. 
An infected person may remain contagious for 3-5 years. 

 
Control:
 

1)  Treatment of all discovered cases.  
2)  Follow-up on sources of infection & contacts.  
3)  Safe sex. 

 

Diseases Related to Syphilis 

None are sexually transmitted diseases but by direct 
contact. Diagnosis & therapy similar to syphilis. 

1)  Bejel

 

(T.pallidum subsp. endemicum) 

→produces highly 

infectious skin lesions. Penicillin the drug of choice. 

  Among children, in Africa, Middle East & Southeast Asia. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

128 

2)  Yaws

 

(T.pallidum subsp. pertenue) 

 Ulceration 

papule usually on arms & legs-→ Scar formation of skin 
lesions & bone destruction are common. 

  Among children, in humid, hot tropical countries. 

3)  Pinta

 

(T.carateum) 

 Lesions on skin, depigmentation 

& hyperkeratosis take years afterward. 

  In all ages (dark-skinned races), in Mexico, American, 

Pacific areas & Philippines. 
 

Borreliae (Borrelia SPP.)  

1)  Relapsing Fever 

 

(Borrelia recurrentis)

 transmitted by the human body 

louse. Endemic relapsing fever in western USA 

(B.hermsii) 

transmitted by ticks (Orinthodoros hermsii). 

  Irregular spiral {0.3 X (10-30)μm}, flexible motile has 

many endoflagella. Stained by bacteriological dyes & 
blood stains (Giemsa’sor Wright’sstains). 

  Can be cultured in fluid media containing blood, serum or 

tissue or in chick embryos. 

 

 
Antigenic Structure: 
Have antigenic variation-→ relapsing course due to the 
multiplication of antigenic variants against which the host 
must then develop new Abs. After 3-10 relapses-→ 
Ultimate recovery (associated with the presence of Abs 
against antigenic variants). 

  
Pathogenesis & Clinical Findings: 
After incubation period (3-10 days), sudden chills & fever 
(spirochetes found in blood). The fever persists for (3-5 
days, febrile period). Then declines leaving the patient 
weak but not ill (afebrile period), followed by a 2

nd

 attack 

of chills, fever,headache & malaise(3-10 such 
recurrences)-→ recovery 

 
Diagnostic Lab. Tests: 

  Specimens: Blood (during fever) for smear & animal 

inoculation. 

  Smear: Thin or thick blood smear stained with Giemsa’s 

or Wright’s→ Large, loosely coiled spirochetes among 
the red cells.  

 

 

  Animal inoculation: White mice or rats inoculated (I.P), 

after 2-4 days-→stained blood film for examined of 
spirochetes.  

  Serology: + ve VDRL or CF tests. 

 
Immunity: Short duration. 
Treatment: Tetracycline or erythromycin & penicillin for 
single day may be sufficient. 
 

2) 

Lyme Disease 

(B.burgdorferi) 

transmitted by tick 

called Ixodes

  Spiral, highly motile, stained with acid & aniline dyes & 

by silver impregnation techniques. 

  Isolated from erythema migrans skin lesions & ticks. 

  Grows in a complex medium (BSKII medium), seldom 

used because it takes 6-8 weeks to grow & lacks 
sensitivity with low diagnostic yield. 

 
Antigenic Structure: 
Have large No. of lipoproteins (Outer Surface Proteins; 
Osp A-F) → help this organism live in the very different 
tick & mammalian hosts. 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

129 

Pathogenesis & Clinical Findings: 

  Transmitted to human by injection of the organisms in 

tick saliva, migrates (from the bite site) → skin lesions 
called erythema migrans (a flat reddened area near the 
tick bite slowly expands with central clearing, begins 3 
days to 4 weeks after bite) →flu-like illness with fever, 
chills, myalgia & headache (the initial stage) → 
dissemination by lymphatics or blood to the other skin 
area & organs (the second stage) occurs weeks to months 
later (arthralgia & arithritis, meningitis, cardiac disease). 

  The third stage begins years later with chronic skin, 

nervous system or joint involvement (the organism can be 
isolated from all these sites). 

 
Diagnostic Lab. Tests 

  Can be established clinically by observing the erythema 

migrans, if not present→diagnostic lab.T. 

  Specimens: Blood (serological tests) & biopsy (smear). -

Serology: IFA, EIA or ELISA, Western blot. 

  Molecular probes: PCR (detection of B.burgdorferi 

DNA in body fluids). 

  
Immunity: 
 
4-6 weeks after infection IgG to OspA & OspB.  

 
Treatment:  

  Amoxicillin or doxycycline (20-30 days). 

  Arithritis: penicillin + probencide (30 days or longer). 

 
Epidemiology & Control: 

  In USA, Europe & other areas. 

  Mice & deer (the main reservoirs), rodents & birds also 

infected. 

  Prevention by avoidance ticks (using insecticides for 

control) 

  OspA vaccine efficient 66-76 % for how lives or works in 

endemic areas. 

 

 

Leptospira & Leptospirosis 

Leptospirosis includes 2 worldwide diseases: 

1)  Infectious jaundice 

(L.interrogans serovar. canicola

(dogs) 

2)  Weil’sdisease

 

(L.interrogans serovar. 

icetrohaemorrhagia)(rats). 

  Tightly coiled, thin, flexible spirochetes {(0.1-0.2) X (5-15) 

μm}, one end as a hook & actively motile. Does not stain, 
seen by dark-field microscope as a chain of minute cocci. 

 

 

 

  Grow aerobically at 28-30Cº in serum containing media 

(Fletcher’sor Stuart’smedia)-→ diffuse zone of growth. 
 

Antigenic Structure: 

Have LPS variable from one strain to another (used for 
classification & determines the immune response). 
 

Pathogenesis & Clinical Findings: 

Infection results by ingestion of water or food 
contaminated with leptospirae from urine of dog, rats, 
mice, cattle, swine & others (rare through mucous 
membranes or breaks in the skin). After incubation period 
(1-2weeks), variable febrile onset, flu-like illness 
(spirochetes in blood) → establish in parenchymatous 
organs (liver & kidneys) → hemorrhage & necrosis of 
tissues & dysfunction of organs (initial phase) →second 
phase, when IgM titer rises, aseptic meningitis, nephritis, 
hepatitis & may be skin, muscle & eye lesions. 

 

Diagnostic Lab. Tests: 

  Specimens: Blood, CSF, urine & tissues.  

  Smear: Dark-field microscope or fluorescein-conjugated 

Abs or immunohistochemical techniques. 

  Culture: Fletcher’ssemisolid medium (8weeks). -Animal 

inoculation: hamsters or guinea pigs. 

  Serology: microscopic slide agglutination test. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

130 

 

 
Immunity: serovar specific immunity but reinfection 
with different serovar may occur. 
Treatment: 

  Mild disease: doxycycline, ampicillin or amoxicillin 

(orally) 

  Sever =   : penicillin or ampicillin (I.V). 

 

 

 

 

 
 

Other Spirochetes 

Spirillum minor 

-→ rat-bite fever (Sodoku disease). 

Very small spirochetes (3-5 μm) & rigid spiral. 
Infection through the bite of rat-→ local lesion, regional 
glands swellings skin rash & fever (relapsing type). Can 
be isolated from enlarged lymph nodes material or blood-
→ inoculated to mice or guinea pigs. 
  

Borrelia bucallis 

in normal mouth & 

B.refringens 

in 

normal genitalia. 
 

Fusospirochetal Diseases: 

 The normal spirochetes with anaerobic fusiform bacilli 
(fusobacteria), not primary pathogens but after other 
infection (HSV), mucous membrane injury or nutritional 
deficiency-→ disease: 

1)  Ulcerative gingivostomatitis (trench mouth, poor oral 

hygiene).  

2)  Vincent’s stomatitis (Vincent’s angina) → ulcerative 

tonsillitis & massive tissue involvement. 

3)  Leg (tropical) ulcers (similar to V. angina). 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

131 

Lecture 14 – Mycoplasma, 
Chlamydia & Rickettsiae 

 

Mycoplasmas (Mycoplasmas spp) 

Mycoplasmas are groups of small, wall-less organisms. 
They are the smallest free-living organisms (0.3μm in 
diameter). 

Important properties: 

1)  Mycoplasmas stain poorly with Gram stain.  
2)  The outer surface is a flexible three layer cell membrane; 

hence the organisms can assume a variety of shapes. 

3)  It contain cholesterol in their bacterial membrane.  
4)  The colony frequently has a characteristic (fried egg) 

shape, with a raised center & a thinner outer edge.  
 

In human there are four important species: 

1) Mycoplasma pneumoniae        2) M. Hominis 
3) M. Genitalium               4) Ureaplasma urealyticum 
 

Pathogenesis: 

Pathogenic Mycoplasmas have flask-like or filamentous 
shapes & have specialized polar tip structures that 
mediate the adherence to host cells (ciliated & non 
ciliated cells). 

 

1)  M. pneumoniae   

  Is transmitted from person to person by means of infected 

respiratory secretions & cause atypical pneumonia. May 
be ranged from asymptomatic infection to serious 
pneumonitis. 

  Incubation period 1-3 weeks. 

  Symptoms:  

Fever, headache, sore throat, & cough which is non-
productive .Complications are uncommon, but sometimes 
hemolytic anemia, meningitis & pericarditis may occur 

  Diagnosis: 

  Culture: haert infusion peptone broth (with 2% agar & 

30% human ascitic fluid or animal serum, pH 7.8).  

  Complement fixation (cf test).  
  Cold hemagglutination (at 4C

°

). After 3-4 weeks, titer of 

1:128 or higher is an indicative of recent infection.  

  ELISA.  

  Treatment: Tetracycline & erythromycin. 

 

2) 

Mycoplasma hominis

: causes infections of uterine 

tubes (salpingitis) & tubo-ovarian abscesses (in Women).  

3) 

Mycoplasma genitalium

: Associated with some 

infections of chronic nongonococcal urethritis (in men).  

4) 

Ureaplasma urealiticum

: causes nongonococcal 

urethritis in some men (may play role in male infertility). 
Lung diseases in premature low birth-weight infants 
(acquired during birth).  
 

Cell Wall-defective Bacteria 

  L phase variants (L forms):  

Are wall-defective bacteria that can replicate serially as 
non-rigid cells & produce colonies on solid media. 
Some of L phase variants are stable; others are unstable & 
revert to bacterial parental forms .Wall-defective forms 
are not genetically related to Mycoplasma. 

  Cell wall-defective bacteria result from: 

  Spotaneous mutation.  
  Effect of chemicals: penicillin & lysozyme.  

  They are important for the persistence of bacteria in 

tissues & recurrence of infection after antimicrobial 
treatment, as in causes of endocarditis. 

  Types of cell wall-defective bacteria: 

1)  Protoplast:

 forms usually derived from G-positive 

bacteria osmotically fragile.  

2)  Spheroplast

: forms usually derived from G-negative 

bacteria (they retain some outer membrane material).  
 

Chlamydiae (Chlamydia spp.) 

  Chlamydiae: are obligate intracellular bacteria, luck the 

ability to produce sufficient energy to grow independently 
& therefore can grow only inside host cell. Chlamydiae 
have a replicative cycle different from that of all other 
bacteria. Within cells site of replication appears as an 
inclusion body, which can be stained & visualized 
microscopically. These inclusions are useful in the 
identification of these organisms in the clinical laboratory. 

  They have rigid cell wall but they don’t have typical 

peptidoglycan. Their cell walls resemble those of G-
negative but luck muramic acid.  
 

Pathogenesis: 

Chlamydiae infect primarily epithelial cells of the mucous 
membrane and the lungs. 
Diseases: 

1) 

Chlamydia psittaci

: infects the lungs →human 

psittacosis, this disease may be asymptomatic or produce 
high fever & pneumonia. 

2) 

C. pneumoniae 

→upper & lower respiratory tract 

infections especially bronchitis & pneumonia.  

3) 

C. trachomitis types A, B&C 

→trachoma (chronic 

conjunctivitis endemic in Africa & Asia).  


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

132 

Trachoma may recur over many years & may lead to 
blindness but without systemic illness. 

4) 

C. trachomatis types D-K 

 

→genital tract infections, which occasionally transmitted 
to the eyes or the respiratory tract. 

  In men: it common cause of non-gonococcal urethritis, 

which may progress to epididymitis, prostatitis or proctitis 

  In women: cervictitis develops & may progress to 

salpingitis & pelvic inflammatory disease →this may 
result infertility or ectopic pregnancy. 

  Infants borne to infected mothers often develop 

mucopurulent eye infections (neonatal inclusion 
conjunctivitis) 7-12 days after delivery. Some develop 
chlamydial pneumonitis 2-12 weeks after birth. 

  C. trachomitis L1-L3 immunotypes 

→lymphogranuloma venereum ,a sexually transmitted 
disease with lesions on genitalian & in lymph nodes . 

 

 

 

Diagnosis: 

  Group-specific Ag. (lipopolysaccharide) → complement 

fixation test. 

  Species-specific & immunotype–specific Ag. (Protein)→ 

Immunofluorescence test . 

 

Chlamydiae form cytoplasmic inclusions →stain with 
Giemsa →immunofluorescence test . 

  

Treatment: 

Tetracyclines such as doxycycline & macrolides,such as 
erythromycin & azithromycin . 

 

 

 

Figure 17.2 
Structural features of 
Chlamydia. 
A. Schematic drawing 
B. Electron micrograph 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

133 

Rickettsiae (Rickettsia spp.) 

Rickettsiae: are small obligate intracellular bacteria (they 
are unable to produce suffecint energy to replicate 
extracellular). They transmitted by the bite of the 
arthropods (except for Q fever from cattle, sheep & goats). 
  

Morphology: 

Rickettsiae are pleomorphic ,coccobacilli ,gram-negative. 
They are visible under light microscope when stained 
with Giemsa's stain (purple). 
 

Pathogenesis: 

  The  human  pathogens  include:  Rickettsia,  Coxiella,  

Orientia,& Ehrlichia 

  The  typical  lesions  caused  by rickettsiae  are  a  

vasculitis, particularly in the endothelial lining of the 
vessel wall where the organism is found. Damage to the 
vessels of the skin result →rash & hemorrhage caused by 
increased capillary permeability (endotoxin?). 

  There are four important rickettsial diseases: 

A) Typhus:  

There are several forms of typhus: epidemic, endemic 
(Rickettsia typhi by flea from rodents) & scrub typhus 
(Orientia by mite from rodents).  
Symptoms: Chills, fever, headache & influenza like 
symptom 
Louse bite →macular rash on the trunk →spread 
peripherally →sever meningoencephalitis. 

B) Q fever: 

Caused by Coxiella burnetii. The main organ involved in 
Q fever is lungs. 
Symptoms: fever, severe headache, cough & other 
influenza like Symptoms & pneumonia .Combination of 
pneumonia & hepatitis should be suggested in Q fever. 

C) Spotted fevers: 

1)  Rocky Mountain spotted fever caused by R. rickettsii  
2)  Rickettsial pox caused by R. akari 
Symptoms: Typical rash, which appears 2-6 days, later 
begins with macules & progress to petechia. 

D) Human monocyte or granulocyte ehrlichiosis: 

Caused by Ehrlichia transmitted by tick from dear, dogs, 
mice & other mammals. 
Symptoms: Fever, headache and atypical WBC's. 
 

Diagnosis: 

  Rickettsiae can be growing in cell culture or 

emberyonated eggs; this is hazardous procedure that is not 
available in all laboratories. 

  Serological test: Weil-Felix, this test is based on the 

cross-reaction of an Ag present in many rickettsiae with 
the O Ag polysaccharide found in Proteus vulgaris (OX-
2, OX-19 & OX-K). 
  

Treatment: 

Tetracycline &chloramphenicol as a second choice. 
 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

134 

Lecture 15 - Normal microbial flora 

 
Do you know that you have 3X as many bacterial cells 
as human cells? 
If you include fungal and viral cells, only about 25% of 
your cells are actually human 
The other 75% are MICROBES 
 
The population of microorganisms (bacteria & fungi) 
that inhabit the skin & mucous membrane of pharynx, 
colon & vagina of healthy normal persons. Viruses & 
parasites are not considered as normal flora. Includes 2 
groups: 

1)  The resident flora: consist of fixed types of commensals 

of microorganisms reestablishes itself. Play a role in 
maintaining health & normal function, in intestine 
synthesize vit. K & aid in the absorption of nutrients, in 
skin & mucous membrane prevent the colonization of 
pathogens through bacterial interference. But normal flora 
may produce disease under certain circumstances. 

2)  The transient flora: consist of nonpathogenic or 

potentially pathogens that inhabit skin or mucous 
membranes for hours, days or weeks. It is derived from 
the environment does not produce disease & does not 
establish itself.  
 

N.F of the Skin: 

  S.epidermidis, S.aureus, Micrococcus, streptococci, 

Enterococcus, nonpathogenic N., diphtheroids 
(Corynebacterium spp.), Propionibacterium, G - 
coliform, fungi & yeast (Candida albicans in skin folds), 
nonpathogenic mycobacteria (in external ear & genitalia, 
which are rich in sebaceous secretions). 

  Factors that eliminating nonresident microorganisms from 

the skin:      

1)  Low pH.   
2)  Lysozyme.                             
3)  Fatty acids in sebaceous secretions.   

  Anaerobic & aerobic bacteria join to form syngeristic 

infections (gangrene, necrotizing fasciitis & cellulitis). 
 

N.F of the Mouth & Upper R.T: 

  Nose: S.aureus, S.epidermidis, streptococci & 

Corynebacteria. 

  Mucous membrane of mouth & pharynx: at birth 

sterile, after 4-12 hrs contaminated from birth canal with 
viridans streptococci (as resident flora remain so far life). 

  Mouth: (early in life) staphylococci, N., Moraxella 

catarrhalis, Diphtheroids & lactobacilli. 

  (When teeth erupt) spirochetes, Fusobacterium spp., 

Prevotella spp., Rothia spp.(G+, pleomorphic aerobes), 
Capnocytophaga spp. & lactobacilli.(in adults) 
Actinomyces spp.(in tonsillar tissue & gingiva), 
yeast(C.albicans) & various protozoa. 
 

 

 

 

  Pharynx & trachae: similar flora of mouth. 

  Bronchi: few bacteria. Small bronchi & alveoli: sterile. 

  The predominant flora in upper R.T: streptococci, 

staphylococci, N., diphtheroids, Hemophilic
pneumococci, Mycoplasma & Prevotella. 

  Infections of mouth & upper R.T (by aerobes & 

anaerobes): periodontal infection, perioral abscesses & 
sinusitis, necrotizing pneumonia, lung abscess & 
empyema (by aspiration of saliva containing up to 10

2

 of 

aerobes & anaerobes). 
 

N.F of the Intestinal Tract:  

  At birth is sterile. 

  Newborns (in intensive care): the intestine colonized by 

Enterobacteriaceae (K., Citrobacter, Enterobacter)

  Breast-feed children: Large No. of lactobacilli, lactic 

acid streptococci & Bifidobacterium spp. (G+, nonmotile, 
anaerobic bacteria), produce acid from carbohydrates & 
tolerate pH 5. 

  Bottle-feed children: More mixed flora (lactobacilli less 

prominent). 

Provetella 

Fusobacterium 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

135 

  Normal adult: 

  Esophagus: contains microorganisms arriving with saliva 

& food. 

  Stomach: acidity keeps the No. of microorganisms at 

minimum (10

3

-10

bacteria/g of contents).Cimetidine (for 

peptic ulcer) → increase in microbial flora of the 
stomach. 

  As the pH of intestinal contents becomes alkaline → 

resident flora gradually increases. Duodenum (10

3

-10

bac./g of contents), Jejunum & Ileum (10

5

-10

8

), Cecum & 

transverse colon (10

8

-10

10

), Sigmoid colon & Rectum 

(10

11

=10-30% of fecal mass). 

  Upper Intestine: lactobacilli & enterococci. 

Colon: anaerobes (96-99% of resident flora): 
Fusobacterium 
spp., Bifidobacterium, clostridia (10

3

-10

5

 

bac./g of contents) & anaerobic G+ cocci 
(Peptostreptococcus) & facultative aerobes (1-4%) 
includes: G- coliform & enterococci & small No. of 
Pseudomonas, lactobacilli, Proteus & Candida

 

  

The role of intestinal flora: 

1)  Synthesis of vitamin K. 
2)  Conversion of bile pigments & bile acids. 
3)  Absorption of nutrients & breakdown of products. 
4)  Antagonism to microbial pathogens, through bacterial 

interference.  

5)  Anaerobic flora of the colon (B.fragilis, clostridia

Peptostreptococci), plays a main role in abscess formation 
after perforation of the bowel. Prevotella spp. cause 
abscess formation in the pelvis of female genital organs. 

  Antimicrobial drugs taken orally suppress the drug-

susceptible flora, replaced by drug-resistant ones 
(staphylococci, enterococci, enterbacters, Pseudomonas, 
C.difficile 
& yeasts).By feeding large quantities of 
Lactobacillus acidophilus → partial suppression of gut 
microbial flora.  
 

 
 

N.F of the Urethra: 

Anterior urethra of both sexes contains small No. of the 
same organisms found on the skin & perineum → appear 
in normal urine (10

2

-10

4

 org./ml). 

 

N.F of the Vagina: 

  Soon after birth: aerobic lactobacilli appear & persist as 

long as pH acid for several weeks, when pH become 
neutral (until puberty) → mixed flora of cocci & bacilli. 

  At puberty: Aerobic & anaerobic lactobacilli 

(maintenance of acidic pH by production of acid from 
carbohydrates; glycogen) → preventing the establishment 
harmful microorganisms in the vagina. 

  If lactobacilli suppressed (by drugs) → increase No. other 

bacteria & yeasts-----  irritation & inflammation. 

  After menopause: Lactobacilli again increase with a 

mixed flora (group B streptococci, peptostreptococci, 
clostridia, Prevotella, Gardnerella vaginalis, Ureaplasma 
urealyticum,
 sometimes lesteria or Mobiluncus spp., 
E.coli or coliform). 

  The cervical mucus has antimicrobial activity & lysozymes 

  In some women, vagina contains a heavy flora resembling 

that of perineum & perianal area → predisposing factor in 
recurrent UTIs & at delivery may infect the newborn 
(e.g., group B streptococci). 
 

N.F Of The Eye (conjunctiva): 

Diphtheroids (Corynebacterium xerosis), S. epidermidis, 
neisseriae, nonhemolytic streptococci, G- bacilli 
(Haemophilus, Moraxella spp.).  
 

 

Bacteroides fragilis, 


background image

 

136 

 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

137 

Lecture 1 - Introduction to mycology 

  Mycology (myco=fungus, logy=study) 

  Approximately 80,000 known species, less than 400 species 

are medically important and less than 50 Species presently 
known to be pathogenic for humans and other animals.  

  Fungi are eukaryotic organisms that do not contain 

chlorophyll but have cell wall.  

  Fungi initially classified with plant kingdom, and then 

fungi have transferred to the kingdom fungi.  

 

Importance of Fungi: 

Drug manufacturing (usually their waste products are to 
our benefit) 

  Citric acid 

  Ethanol (yeast) 

  Antibiotic griseofulvin, penicillin 

  Cortisone (Rhizopus) 

  Immunosuppressive agents (cyclosporine) 

 

Classification in mycology: 

Fungi are classified on their ability to reproduce sexually, 
asexually or by combination of both.  
The first criteria are sexual morphological form; the 
second set of criteria is based upon a sexual reproductive 
structure 

1)  Ascomycota

 – sexual reproduction in a sack called an 

Ascus with the production of ascospores.  

2)  Basidiomycota

 – sexual reproduction in a sack called a 

Basidium with the production of basediospores.  

3)  Zygomycota

 – A sexual reproduction by gametes while 

sexual reproduction with the formation of Zycospores.  

4)  Fungi imperfecti 

– nonrecognizable form of asexual 

reproduction most pathogenic fungi. 
 

  

Structure  

Molds 

Yeasts 

  Molds are aerobic, 

filamentous fungi 
including (mildews, 
rusts & smuts) 

  Molds tend to grow on 

surfaces rather than 
throughout substrates. 

  Unicellular / 

nonfilamentous 

  Yeast are fungi which 

are: Typically sepherical 
or oval & Faculatively 
anaerobic 

  They are often observed 

as powdery coatings on 
plant material 

 

  The fungal cell has typical eukaryotic features including a 

nucleus with a nucleolus, nuclear membrane and linear 
chromosomes.  

  The cytoplasm contains organelles such as mitochondria 

and the Golgi apparatus fungal cells, which have a rigid cell 
wall external to the cytoplasmic membrane, differ from 
mammalian cells. The composition of that wall makes fungi 
different from bacteria and plants. Another important 
difference from mammalians involves the sterol makeup of 
the cytoplasmic membrane. In fungi, the dominant sterol is 
ergosterol. In mammalian cells, it is cholesterol. 

Feature  

Fungi 

Bacteria 

Diameter 

Approximately 4 
µm (Candida) 

Approximately 1µm 
(staphylococcus )   

Nucleus 

Eukaryotic  

Prokaryotic 

Cytoplasm  

Mitochondria and 
endoplasmic 
reticulum present 

Mitochondria and 
endoplasmic reticulum 
absent  

Cell 
membrane  

Sterol present  

sterol absent (except 
Mycoplasma) 

Cell wall 
content  

Chitin  

peptidoglycan 

Spores  

Sexual and asexual 
reproduction 

Endospores for survival, 
not for reproduction  

Metabolism 

Require organic 
carbon; no obligate 
anaerobes  

Many do not require 
organic carbon; many 
obligate anaerobes  

 

Metabolism 

Fungal growth requirements 
In contrast to bacteria, fungi tend to grow in places that are:  

  More acidic 

  Have higher osmotic pressure 

  Are lower in moisture 

  Are lower in nitrogen 

  Contain coplex carbohydrates 

 
 
 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

138 

Reproduction  

  Fungi may reproduce sexually or asexually. Reproductive 

elements produced a sexually are termed conidia. Those 
produced sexual are termed spores, spores may be either 
sexual or a sexual in origin, sexual spores includes 
ascospors, Basidiospores or Zygospores. Sexual 
reproduction occurs by the fusion of two haploid nuclei 
followed by meiotic division of diploid nucleus. Asexual 
spores are produced in sac like cell called sporangia and 
called sporangiospores. Asexual reproduction results from 
division of nuclei by mitosis. Fungi that do not form 
sexual spores called Fungi imperfecti. 

  Basidiomycetes 

Basidiospore.   Examples: boletes, puffballs, smuts, 
stinkhorns & tooth fungi 

 

 

  Culture 

In vitro, culture at room 
temperature with low pH 
& minimal nutrients, 
supports the growth of 
environmental (mycelial) 
phase. Incubation at body 
temperature with media 
supplemented with blood 
& amino acids supports 
the growth of the body 
(yeast) phase of dimorphic fungi. 
Yeast & other filamentous fungi may grow in either 
condition 

Asexual reproduction 

  Conidial fungus 

  Reproduces by means of asexual spores called conidia 
  Conidia vary greatly in shape, size & color 
  Most of the common household molds & mildews are 

conidial fungi 

  Asexual spores 

  Conidiaspore 

o  Multiple (chains) or single spores formed at the end of 

an aerial hypha 

o  Not enclosed within a sac 
o  Aspergillus spp. 
o  Penicillium spp. 

  Sporangiospores (sporulation) 

o  Hundreds formed within a sac (sporangium) at the end 

of an aerial hypha (hyphal tip) 

o  Rhizopus spp.  

 

 

  Entry   

Fungi infect the body through several portals of entry. 
The first exposure to fungi that most humans experience 
occurs during birth, when Candida albicans encounter 
while passing through the vaginal canal. During this 
process the fungus colonizes the buccal cavity and 
portions of upper and lower gastrointestinal tract of 
newborn and maintains a lifelong as a commensal. Other 
fungi, malassezia furfur is common in areas of skin in 
sebaceous glands. The mechanism of disease with these 
two fungi is called endogenous both M. furfur and C. 
albicans are considered part of normal flora. Other fungi 
that have implicated in human diseases come from 
exognous sources, where exist as saprophytes. 

  Blastospores:  

  Another type of conidiophore 
  A bud coming off the parent cell 
  Candida albicans 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

139 

 

 

 

Diagnosis  

  Skin scrapings  

Suspected to contain dermatophytes or pus from lesion 
can be mounted in 10-20 % KOH on a slide (wet 
preparation) to dissolve tissue materials leaving the 
fungus intact or stained with special fungal stains and 
examined directly under the microscope.  
Skin test is used be popular as a diagnostic tool, but this is 
now discouraged.  

  Serology  

May be helpful when it is applied to a specific, these tests 
for the presence of antibodies in the patient’s serum or 
CSF which are useful in diagnosing systemic mycosis. 
The most common serological test for fungi based on 
double immunodiffusion, complement fixation. The 
complement fixation test is most frequently used in 
suspected cases of Coccidioidomycosis, Histoplasmosis . 
If Cryptococcal meningitis, the presence of the 
polysaccharide capsular antigen of C.neoformas in CSF 
can be detected by Latex Agglutination text.  
Direct fluorescence microscopy may be used for fungal 
identification, calcofluor white is a fluorescent dye that 
binds to fungal wall and useful for identification of fungi 
in tissue specimen or cultures.  

  Biopsy and histopathology:  

A biopsy may be very useful for the identification of 
tissue invading fungi. Gomori methenamine silver, H&E 
stain or Geimsa stains can used. 

  DNA probe:  

This test is rapid (2 hours) and species – specific. Can 
identify colonies growing in culture at earlier stage of 

growing than can based on visual detection of colonies 
DNA probe are available for Coccidioidomycosis, 
blastomycosis, Histoplasmosis and cryptococcosis 

  Culture:  

A definite diagnosis requires a culture. Pathogenic fungi 
are usually grown on Sabouraud dextrose agar it has a 
slightly acidic pH (5.6). 
Cycloheximide, penicillin or other inhibitory substances 
are often added to prevent bacterial overgrowth. Two 
cultures are inoculated and incubated at 25 degree C and 
37 degree C to reveal dimorphism, the cultures examined 
macroscopically and microscopically, the appearance of 
the mycelium and the nature of a sexual spore are 
sufficient for identify of the organism.  

.     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

140 

Lecture 2+3+4+5 - Fungal diseases 
in humans (mycoses) 

 

  Fungal diseases are also called Mycoses. Mycoses are 

classified as: 
1)  Superficial. 
2)  Cutaneous. 
3)  Subcutaneous. 
4)  Systemic. 
5)  Opportunistic. 

  Depending on the usual portal of entry and 

initial site of involvement the Table below 
shows the types of Mycoses, their causative 
fungal agent and Diseases:- 

Type of 
Mycosis 

Causative fungal agent 

Mycosis 

Superficial 

Malassezia ,Hortaea 
werneckii Trichosporon 
species Piedraia hortae 

Pityriases vericolor 
Tinea nigra White 
piedra Black piedra 

Cutaneous 

Microsporum species, 

trichophyton species, and 

Epidermophyton 

floccosum 

Candida albicans and other 
Candida species 

Dermatophytosis 
candidiasis of skin, 
mucosa or nails 

Subcutaneous 

Sporothrix schenckii 

Phialophora verrucosa, 

fonsecaea pedrosei, 

others 

Pseudallescheria boydii, 

madurella mycetomatis, 

others 

Exophiala, bipolaris, 
exserohilum, and others 

Sorotrichosis 

Chromobalstomy 

cosis Mycosis 

Phaeophomycosis 

Endemic 
(primary, 
systemic) 

Cocidioides immitis, 
cposadasii Histoplasma 
capsulatum Blastomyces 
dermatitidis 
Paracoccidioides 
brasiliensis 

Coccidioidomycos 

is 
Hhistoplasmosis 
Blastomycosis 
Paracoccidioidom 
ycosis 

Opportunistic 

Candida albicans and 
other Candida species 
Cryptococcus neoformans 
Aspergillus fumigataus 
and other aspergillus 
species 
Species of Rhizoupus, 
absidia, Mucor, and other 
zygomycetes 
Penicillium mameffei 

Systemic 
Candidiasis 
Cryptococcosis 
Aspergillosis 
Mucormycosis 
(zygomyccosis) 
penicilliosis 

  Superficial mycosis 

These are some of the most common infections in 
humans; superficial infections of the skin and hair 
(pityriasis versicolor. Tinea niger. Black and white 
piedras) mainly cause cosmetic problems. 

Pityriasis versicolor 

Pityriasis versicolor is a chronic mild superficial 
infection involves only the superficial keratin layer 
(stratum corneum) of the skin caused by Malassezia 
furfur. the yeast M.furfur is a common skin 
inhabitant. Pityriasis (tinea) versicolor is a common 
superficial mycosis, which characterized by discrete 
hyper or hypopigmented macules of skin of the neck, 
shoulder, chest, upper back arm or abdomen. The 
lesions are chronic and may enlarged and coalesce to 
from scaling plaque, the lesions are not usually itchy 
and in some patients resolve spontaneously. it occur 
more frequently in hot, humid weather. 

 

Diagnosis

  

  Specimen: Direct microscopical examination of scrapings 

of infected skin treated with 10 - 20% KOH or stained 
with Calcofluor white short unbranched hyphae and round 
yeast dorm, other lesion also fluoresce under wood lamp. 

 

 

 

  Culture: malassezia furfur is lipophilic yeast (most require 

lipid in the medium) for growth but culture is not is not done 

 

Treatment 

  Daily application of selenium sulfide. 

  Topical or oral azoles are effective. 

  Lesion have tendency to recur and a permanent cure is 

difficult to achieve. 
 

Tinea nigra (tinea nigra palmris) 

  A superficial chronic and asymptomatic infection of the 

outermost layer of stratum corneum caused by the 
dermatiaceous fungus Hortaea (Exophiala weneckii) 
which is found in soil and transmitted during injury. 

Pityriasis 
versicolor 
showing 
hyperpigmented 
lesions in a 
Caucasian and 
hyphopigmented 
lesions 

 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

141 

More prevalence in warm coastal regions (in USA mainly 
in southern states) and among young women. 

  Tinea nigra most typically presents as a dark brown black 

sliver nitrate like stain on the palm of the hands or sole of 
the foot. 

  Diagnosis 

Microscopical examination of scrapings of the periphery 
of the skin lesions will reveal branched, septate hyphae 
and budding yeast cells with melaninized cell wall. 

  Treatment 

Response to keratolytic solution such as salicylic acid or 
Azole antifungal drugs. 
 

Piedra 

  Superficial fungal infection involves the cuticle of the 

hair shaft and it is endemic in tropical underdevloped 
countries. 

  Black piedra is a nodular infection of the hair shaft due to 

piedra hortae which is manifested by a small form black 
nodule involve hair shaft, by comparison, white piedra 
due to trichosporon species is characterized by a large 
soft, friable yellow nodule of the distal ends of hair shaft 
Axillary, pubic scalp may be infected. 

  Treatment 

Removal of the infected hair. 

Application of topical antifungal agents. 
 

Cutoeus mycoses  

  Cutaneous mycoses are caused by fungi that infect only 

the superficial keratinized (skin, hair and nails). 

  The most important of these are dermatophytes that are 

classified in three genera: Microsporum, Trichphyton and 
Epidermophyton which are the main etiological agent of 
the dermatophytosis, such cutaneous mycoses are referred 
to as tinea (Latin word for ring worm). These infections 
may be characterized by another latin noun according to 
the area of the body involved eg. Tinea corporis (body), 
tinea capitis (scalp and hair), tinea manum (hand and 
finger) , tinea pedis (foot), tinea unguium (nail). 

  The dermatophytosis is characterized by anatomic site 

specificity according to genera. For expmple , 
Epidermphyton floccosum infected only skin & nails 
whereas microsporum Spp. Infected hair & skin but do not 
involve nails. Trichphyton may infect hair, skin & nails.   

  Dermatophytosis are among the most prevalent infections 

in world. Dermatophytosis are chronic infections favored 
by heat and humidity eg: athlete’s foot (Tinea pedis) and 
Jock itch (Tinea cruris).  

  Species of dermatophytes are calssified as anthropophilic 

Zoophilic or geophilic depending upon their primary 
source (humen, animal or soil). the anthropophilic Spp. 
Are the most common causes of dermatophyte infection. 
Geophilic are uncommon causes of human disease but are 
seen in people who have appropriate exposure such as 
gardener and cultural. Dermatophytes are acquired by 
contact with contaminated soil or with infected animals or 
humans  

Identification  

Dermatophytes are identified by their colonial appearance 
and microscopic morphology after growth for a week at 
25C on sabouraud’s dextrose agar.. 

Epidemiology  

  The incidence is higher in hot humid climates and under 

crowded condition.  

  The source of infection is soil in case of geophilic 

dermatophytes and other source is animal in Clinical 
findings  

  Tinea pedis is the most prevalence of all dermatophytosis, 

tinea unguinum: nail infection may follow prolonged tinea 
pedis, one or more nails of the feet or hands may be 
involved after hyphal invasion when the infection occurs 
in the area also called jock itch involve hypersensitivity 
reaction called kerion caused by tinea capitis, while 
anthrophilic spp. May be transmitted by direct contact or 
through fomites such as contaminated towels, clothing 
and shared shower staff. Human to human transmittion 
require close contact with infected human or animal. 
Transmission take place within the family. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

142 

  Subcutaneous Mycoses  

  These are chronic, localized infections of the epidermis 

and adjacent connective tissue and lymphatics following 
the traumatic implantation of the organism. The causative 
fungi are all soll saprophytes whose ability to adapt to the 
tissue environment and elicit disease is extremely variable 

  Subcutaneous sporotrichosis, mycetoma, and 

chromoblastomycosis are well characterized subcutaneous 
mycoses 

  As you will see, these are clearly more significant than the 

superficial and drmatophycoses 

Sporotrichosis 

Common name

: ‘Rose Gardener’s Disease’ 

Etiology

Sporothrix schenckii 

Sporothrix schenckii is the only dimorphic fungus to 
cause subcutaneous mycosis 

 

Epidemiology: 

  Occurs worldwide and in all age groups, although it is 

more common in tropical and subtropical areas 

  More infections occur in men due to occupational 

exposure (foresters, gardeners, horticulturists) 

  Sporothrix schenckii grows frequently as an environmental 

saprobe on woody plants & rich organic soll 

  They are well known to grow on roses  

  Most cases are traced to rose thorns, splinters or other 

plant materials penetrating the skin 

  Many recent cases have been traced to sphagnum moss 

purchased from commercial suppliers  

 

Clinical manifestations 

Most cases are cutaneous (relatively local/shallow & 
mild) or lymphocutaneous 

 

Primary “fixed” cutaneous lesions at site of injury are 
small papules (colored raised area) most often occurring 
on an extremity  

  Lymphocutaneous: lymph nodes become sequentially 

infected as organisms are swept along the lymph channels 

  Lymph nodes become enlarged, firm, and discolored 

(buboes) 

  Draining sinuses may develop from a lymph node and 

terminate in the adjacent skin 

  One rare occasions disease occurs following when conidia 

from environment are inhaled (in particular the recent 
cases related to sphagnum moss exposure) 
The rare pulmonary cases cause symptoms that range 
from bronchitis to tuberculosis-like infections 

  The most common extracutaneous disorder is 

osteoarticular in nature-confined to long bones near joints 

  Dissemination is rare and limited to 

immunocompromised patients: many organs involved 
 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Primary “fixed’ 
lesions of 
cutaneous 
sporotrichosis  

Lymphocutaneous 
Sporotrichosis 

Sequential 
infection of 
lymph node 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

143 

  Endemic mycoses (Primary or 

systemic mycosis)  

 

  Four fungi causing systemic mycosis Coccidioidomycosis , 

Histoplasmosis, Blastomycosis & Paracoccidoidomycosis 

 
Characteristic of Endemic Mycoses:-  

1)  Endemic mycoses is geographically restricted to specific 

area of endemicity that why called endemic mycosis.  

2)  The fungi that cause Coccidioidomycosis and 

Histoplasmosis exit in nature in dry soil while the agent of 
blastomycosis and paracoccidioidomycosis reside in 
nature but their habit are not clearly known.  

3)  All of these mycoses are caused by a thermally dimorphic 

fungus.  

4)  Most of these infections are initiated in lungs following 

inhalation of conidia.  

5)  Most of these infections are asymptomatic and self – 

limiting, only few infections lead to disease which involve 
dissemination from lungs to other organs.  

6)  Infected persons do not communicate these diseases to 

others ( non – transmissible ).  

7)  The initial host defense mechanisms are provided by the 

alveolar macrophage for all of these infections.  

8)  Within endemic areas, 90% or more occur in 

immunocompetent individuals but persons with impaired 
cellular immunity such as patients with AIDS/ HIV have a 
new risk of serious infection.  

Coccidioidomycosis  

 

The etiological is 

coccidioides immitus.  

  The infection is endemic in the desert southwestern of 

US, Maxico Central and South America. 
Coccidoicdomycosis is acquired by inhalation of 
arthroconidia of C. immitis.  

  Approximately 60% of the cases are usually 

asymptomatic and self – limited respiratory infection.  

  The infection may become disseminated to meninges, 

bone and skin dissemination occurs most frequently in 
person with dark skin.  

  Coccidioides immitis is a dimorphic fungus but instead of 

a yeast phase, a large, distinctive, round walled spherule 
is produced in the invasive tissue form, spherule are also 
be produced in the laboratory by cultivation, this structure 
unique among the pathogenic fungi. Development of 
spherule and with production of multiple endospores 
within each spherule, the spherule eventually rupture, 
releasing 200-300 endospores, each of which can 
differentiate into another species.  

 

  In alkaline soil and in culture, Coccidioides immitis grow 

only as a mold regardless the temperature. Growth 
become visible in 2-5 days , the hayphae are septated and 
produce thick walled barrel shaped arthroconidia which 
are the infection unit in nature and highly infection unit in 
nature and highly infection in the laboratory. Spherule has 
been produced from arthroconidia in vitro under 
specialized condition.  

Life cycle Coccydioides immitus  

The nature cycle take place in desert climates with modest 
rainfull. Hyphae differentiate into arthroconidia which 
break loose and may be suspended in the air. Soil disruption 
and wind facilltate spread and probably of inhalation into 
human lungs. In human host environment in vivo 
differentiation produce spherules. The spherules releasing 
endospores which can be repeat the in vivo cycle.  

 

 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

144 

Clinical findings 

 

 

 

 

  Acute primary infection with C.immitis is either a 

symptomatic in 60% of cases or present as a complex 
called valley fever or desert rheumatism by resident of 
endemic areas. Valley fever includes fever, malaise, dry 
joint pain & headache after 1-2 weeks. 15% of these 
patients may develop rash due to hypersensitivity reaction  

  There are physical or radiological findings, less than 1% 

of persons infected with C. immitis develop secondary or 
disseminated Coccidiomycosis ( occur a year after 
primary infection) which is ofter a life threatening. 
Dissemination disease involve lesions in the bone, joints 
or skin. the clinical course is often characterized by 
remission and relapses.  

 

Diagnosis  

  Expectorated sputum, skin & visceral lesions are most 

likely to demonstrate spherule by direct examination mixed 
with KOH or Calcofluor white while CSF is least likely, 
spherules stain well with H& E stain or special stain.  

  Culture of C. immitis from sputum, visceral lesions or skin 

lesions on mold agar, Sabouraud’s dextrose agar, incubated 
at room temp. or at 37C Culture must be examined only in a 
biological safety cabinet because the culture conidia are 
highly infectious. Identification may be confirmed by 
animal inoculation use specific DNA probe.  

  Skin test become positive within 2-4 weeks but is often 

negative in patients with disseminated disease.  

  In serological test 1gM and 1gG precipitin within 2-4 

weeks of infection then decline in the subsequent months 
and then rise greatly in dissemination occur.  

Treatment  

  In most of person, symptomatic infection is a self – 

limited and requires only supportive treatment.  

  IV Amphteracin B is required in severe disease followed by 

several months of oral therapy with itraconazol. Coccidioidal 
meningitis have been treated with oral fluconazol. 

Histoplasmosis  

 

The causative organism is 

histoplasma capsulatum.  

  Histoplaxmosis is the most prevalence pulmonary 

mycotic infection in human and animals.  

  Hisplasmosis is limited to the endemic area where the 

majority of cases are symptomatic or with fever and 
cough. H capsulatum received its name from the 
appearance of yeast cells in histopathologic section.  

  In the USA it is endemic in central and eastern states 

especially Ohio and Mississippi river.  

  H. capsulatum a dimorphic fungus that grows in soil and 

humid climatic conditions, particularly soil containing 
bird or bat droppings. This dimorphic fungi exists as a 
mold in soil the mold is hyaline, septate hyphae produce 
microconidia and large thick walled macroconidia with 
peripheral projections of cell wall material. Microconidia 
are small enough to reach the terminal bronchioles and 
alveoli and believe to the mode of infection.  

  Inhaled spores are engulfed by macrophages and develop 

into yeast form. In tissue H capsulatum occurs as an oval 
budding yeast inside macrophage , the organism spread 
widely throughout the body to reticuloendothelial tissues 
such as liver, spleen, bone marrow and lymph node but 
most of infections remain asymptomatic because of initial 
inflammatory reaction as a small granulomatous foci. 
Birds themselves do not carry the disease, but their 
dropping provides nutrents as a source of nitrogen for 
fungus. Bats which have a lower body temperature than 
bird carry the fungus, shed it in the feces and probably 
infect new soil sites.  
 

 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

145 

Diagnosis 

 

 

  In tissue biopsies or bone marrow aspirates, oval yeast 

cells within macrophages are seen microsocopically after 
stain with fungal stain or Geimsa stain for blood bone 
marrow smears.  

  Specimen for culture including sputum, bone marrow 

aspirates to be inoculated on sabouraud’s dextrose agar of 
inhibitory mold agar at 25 – 30C for 4-12 weeks.  

  Two serological test are useful for diagnosis; complement 

fixation test (CF) and immunodiffusion (ID) test. The ID 
test is more specific but less sensitive than the CF test. 
Skin test is no useful for diagnosis.  

Treatment  

  Acute pulmonary infection is managed with supportive 

therapy and rest. 

  In mild to moderate infection, itroconazol is the drug of 

choice.  

  Amphotericin B is used for treatment of disseminated 

systemic infection.  

  Prolonged treatment may be needed, relapse may occur.  

 

Blastomycosis  

  Caused by fungus: blastomyces dermatitidis. 

  It is a dimorphic fungi with some characteristic similar to 

those of H. capsulatum. Growth develop in the yeast 
phase in tissue, the yeast are typically larger than those of 
H. capsulatum with broad based buds and a thick wall. 
The mold phase appears in culture at 25C. Hyphae are 
septate and sufficiently similar to the macroconidia 
produce by H. capsulatum. Most of the cases occur in the 
us and Canada but blastomycosis has been documented in 
Africa and Asia. 

 

Clinical findings 

 

Most of clinical features of blastomycosis are similar to 
hsitoplasmosis asymptomatic or mild cases are rarely 

recognized. Dissemination may result in ulcerated 
granuloma on exposed area of the skin, bone or other sites.  

Diagnosis  

  Wet mount of specimen such as sputum, 

exudates and biopsies from lesions may 
show broady attached buds in thick walled 
yeast cells.  

 

Colonies develop on sabouraud’s agar at 30C and 
confirmed by detection of B.dermatitids specific antigen 
of by specific DNA probe.  

Treatment  

Amphtericin B are used for sever cases.  
 

 

 

Paraconcciioidomycosis  

  Paracoccidioides braziliensis cause paracoccidiomycosis.  

  P. braziliensis is a dimorphic fungi that exist as mold in 

soil and as a yeast in tissue. The yeasts are larger and have 
thinner walls than those of B . dermatiditis and buds are 
multiple and attached by narrow connection.  

  It is endemic in south America  

  The spores are inhaled and early lesions occur in the 

lungs. A symptomatic infection is common alternatively, 
oral mucous membrane lesions, lymph node enlargement, 
some tissue dissemination may occur.  

 

 

Diagnosis  

In pus or tissue yeast cell with multiple buds are seen 
microscopically specimen culture for 2-4 weeks may 
grow typical organism. Serology is most useful for 
diagnosis, skin test are rarely helpful. 

Treatment  

Itraconzol is the most effective drug. And trimethoprim 
and sulfamethoxazol are also effective. 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

146 

  Opportunistic Mycosis 

Opportunistic Mycosis is a group of fungal infection that 
occurs almost exclusively in immune compromised 
patients. Patients with compromised host defenses are 
susceptible to ubiquitous fungi to which healthy people 
are  expose but usually resistant many causes  type of 
fungus and the natural history of the mycotic infection are 
determined by the underlying predisposing condition 
.Candida and related yeast as member of normal flora are 
endogenous opportunists. Other opportunistic mycosis are 
caused by exogenous fungi present in soil, water and air. 
The type of patient who acquire an opportunistic fungal 
infection is one who is compromised by some underlying 
disease such as AIDS, Lymphoma, Leukemia, diabetes 
also any patients treated with corticosteroid cytotoxic 
drugs or other immunosuppressive drugs are exposed to 
opportunistic mycosis. 

Common etiologic agents are 

1)  Yeasts 

Candida spp. Cryptococcus spp 

2)  Mycelial or Filamentous Fungi 

Aspergillus spp. Zygomycetes, Rhizopus 

3)  Protozoan-like fungi 

Pneumocystis carinii 
 

Candida (Candidiasis) 

  Candida albicans, the most important sp. of candida 

  Is an oval yeast with asingle buds, it is a part of the 

normal flora in the upper respiratory tract, gastrointestinal 
tract, femal genital tracts. 

  In tissues may appear as yeast or pseudohyphae 

Pseudohyphae are elongated yeast that resemble hyphae 
but are not true hyphae. Candida species colonize the 
mucosal surface of all humans during or soon after birth. 

  Candidiasis may be caused by: 

  Candida albicans 
  C. tropicalis 
  C. krusei  
  C. pseudotropicalis 
  C. albicans var. stellatoida 
  C. parapsilosis 
  C. guilliermondii  
  C. glabrata  

 

 

Clinical manifestation of Candidiasis 

A. Mucocutaneous involvement 

1)  Oral Candidiasis (thrush) 

Appearance of milk curds as they crumble 
Common in older people, diet deficiencies. Premature 
babies, first sign of clinical AIDS 

2)  Vaginitis 

Predisposing factors 
Pregnant women (growth promoted by secretion of 
glycogen and progesterone) –obesity –diabetes (high 
sugar content in urine) –may be sexually transmitted but 
rarely infects the penis (balanitis). 

3)  Bronchial and pulmonary (not common) 

Difficult to diagnose because organism is common in 
most chronic lung conditions 

4)  Alimentary candidiasis 

Infection resides in the esophagus, intestine and anus 

 

B. Cutaneous involvement 

  Often associated with skin that is kept moist and hair 

abrasions occur 

  inter digital between the fingers groin, axillary regions 

(under arms),umbilicus, feet and nails• bacteria may be 
involved in a secondary invader nail infections 
onychomycosis 

  diaper rash may be caused by a species of Candida 

 

C. Systemic involvement 

1)  Endocarditis - heart 

Predisposing conditions: drug addicts using unclean needles 
preexisting valvular disease people treated with antibiotics 
intravenous infusion = gets into tubes of machine 

2)  Urinary Tract 

Bladder and kidney included more common in women 
than men, yeast can be found in urine with no obvious 
infection present 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

147 

3)  Meningitis relatively rare. 
4)  Septicemia  

In blood and potentially fatal patients often predisposed 
through antibiotic therapy or a result of having leukemia 

D. Allergic Diseases 

  Candidiasis- similar to the dermatophytosis reaction 

caused by dermatophytes 

  Eczema- Reddening and itching of skin, may become 

crusty and scaly 

  Gastritis 

 

Cryptococcus 

The genus Cryptococcus contain different Spp., 

Cryptococcus neoformans 

is considered the most 

important human pathogen.Cryptococcus neoformans is 
an encapsulated fungus ,this yeast occur widely nature 
and found abundantly in dry pigeon feces. C.neoformans 
cause cryptococcosis after inhalation of yeast from lung, 
these yeast migrate to the CNS but also involve other 
organs (skin,eye,prostat).Cryptococcosis is usually 
associated with immunocompromized person especially in 
AIDS patients. 

Morphology and identification  

C.neoformans grow at 35C to 37C,. Whitish mucoid is 
produced within 2-3 days. The microscopical examination 
of colony or clinical materials appears as spherical, single 
or multiple budding thicked wall yeast surrounded by 
thick unstained capsule. All members of genus are 
encapsulated and produce urease by its ability to grow at 
37C .There are 5 serotypes of Cneoformans (A-D and 
AD), A and D are the most common worldwide. 

Pathogenesis 

Initial cryptococcal infection begins by inhalation of fungus 
into the lung initially followed by hematogenous spread to 
the brain meninges .Development of meningitis being the 
first indication of the disease. The primary pulmonary 
infection may be asymptomatic or mimic flu like influenza 
respiratory infection, resolve spontaneously. Involvement 
of the eye, skin, prostate are seen. The inflammatory 
reaction is minimal & granulomatous. 

Diagnosis Lab. test 

  Specimen: CSF,exudate,sputum,blood and serum. CSF is 

centrifuged before microscopical examination & culturing 

  Microscopical examination: The diagnosis of 

Cryptococcus depends on demonstrating the organism or 
its capsule in tissue or body fliud The specimen mixed 

with India Ink,the yeast cell is seen microscopically by a 
wide, unstained capsule .Demontsration of the pathogen 
on an India Ink preparation is pathognomonic for 
C.neoformans. 

  Culture: The organism can be cultured from CSF or other 

specimen on most fungal media at room temperature or 
37C. The diagnosis ofthis organism is confirmed by 
urease test 

  Serology: test for capsular antigen can be performed on 

CSF or serum. 
The latex slide agglutination test for cryptococcal antigen 
is positive in 90% of patients with cryptococcal 
meningitis. 

Treatment and prevention 

  Amphotericin B with or without flucytocin is curative in 

most of the cases of meningitis or disseminated disease. 

  There is no specific mean of prevention.Fluconazol is 

used in AIDS patients for long term suppression of 
cryptococcal meningitis. 

Epidemiology 

Birds (pigeons) are considered to serve as reservoir of 
infection but the birds are not infected .The organisms are 
transmitted by respiratory droplets 
 

Aspergillosis 

  Aspergillosis is a spectrum of human disease that may be 

caused by Aspergillus Spp .these species are saprophytic 
organism and widely distributed in nature and found 
throughout the world .The most common human pathogen 
is Aspergillus fumigatus,and to lesser extent A.niger, 
A.ilayus and A.terreus. 

  This mold produce abundant conidia that easily dispersed 

into environment Human become infected by inhaling 
them. A topic individual may develop severe allergic 
reaction to the conidial antigen. The conidia may 
germinate to produce hyphae and invade the lung or other 
tissue ,these may occur in immunocompromized patients 
but also causing invasive lung infection including external 
otomycosis ,mycotic keratitis, OnychomycosiS, Sinusitis 
and CNS infection. 

Morphology and Identification 

Aspergillus spp. Exist only as mold,they are not 
dimorphic ,these Spp. Are grow rapidly producing aerial 
septate hyphae that form V shaped branches and long 
conidiophore expand in vesicle and phialides are 
produced directly from the vesicle surface and phialides 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

148 

produce besipetal chain of conidia .The Spp, Are 
identified according to morphologic differences in these 
structure including the size, Shape, texture and color of 
conidia. 

  Aspergillus 

  Moulds 
  True hyphae 
  Exogenous, airborne 

o  Soil 
o  Water / storage tanks in hospitals etc 
o  Food 
o  Compost and decaying vegetation 
o  Fire proofing materials  
o  Bedding, pillows 
o  Ventilation and air conditioning systems 
o  Computer fans 

  Portal of entry: nasal passages, respiratory tract 
  Potential for hospital outbreaks 

 

 

Pathogenesis 

In the lung, alveolar macrophage are able to engulf and 
destroy conidia,in immune compromized patients 
especially leukemia ,bone marrow transplant the conidia 
may smell and germinate to produce hyphae that invade 
the preexisting cavities (Aspergilloma or fungal ball) or 
blood vessel. 

Clinical findings 

A.  Allergic form A topic individual often develop severe 

allergic reaction to conidial antigen elicits an immediate 
asthmatic reaction and after subsequent exposure in 
another hand the conidia germinate and hyphae colonize 
the bronchial tree without invading the lung parenchyma 
,this phenomena is characteristic allergic 
bronchpulmonary aspergillosis presented with asthma, 
chest infiltration ,eosinophilia with type one and type 
three skin test hypersensitivity  

B.  Aspergilloma and Extra pulmonary colonization: 

Patients who have already a chronic pulmonary disease 
(TB and Sarcoidosis) Fungus ball called aspergilloma 
within a preexisting cavity.  

C.  Invasive Aspergillosis 

Following inhalation and germination of conidia,invasive 
disease develop as an acute pneumonic process 
characterized by fever, cough ,hemoptysis from the lung, 
the disease may spread to the GIT ,kidney, liver ,brain or 
other organ producing abscess and necrotic lesion even 
when hyphae invade the wall of the blood vessel. Patients 
at risk are those with lymphoma and leukemia. 

 
Diagnostic Lab. Test 

A.  Specimen: sputum or other respiratory secretions or lung 

biopsy. 

B.  Microscopical examination: Sputum treated with KOH 

or Calcofuor white should examined directly under 
microscope show septate,branching hyaline hyphae. 

C.  Culture: Culture show colonies which differ according to 

the morphology of their conidial structure when grow 
within few days on media at room temp. 

D.  Serology:-The Intradermal test for precipitin to 

A.fumigatus is positive in over 80% of patients with 
Aspergillosis or allergic form of Aspergillosis. 

Treatment 

Aspergilloma treated with Itraconazol with Amphotericin 
B and surgery Invasion Aspergillosis require rapid 
adminstration of Amphotericin B,vericonazol,flucytocin 
also used.Allergic form treated with corticosteriod or 
sodium cromoglycate. 

Epidemiology:

  

Avoid exposure to the conidia in person at risk for allergic 
disease leukemic; lemphoma patients with bone marrow 
transplant should minimize their risk of exposure to conidia 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

149 

Lecture 6 - Antifungal Chemotherapy 

  Compared with antibacterial agents, relatively few antimicrobics are 

available for treatment of fungal mfection, in addition to that mere are 
limitations in use of antibiotic such as profound side effects, a 
narrow antifungal spectrum, poor penetration of certain tissues and 
the selection of resistant fungi. 

  New azoles (has significantly highest antifungal activity and lowest 

toxicity to the host). Fortunately most of fungal infections are self-
limiting and require no treatment .superficial mycosis are often 
treated but topical therapy can be used ,thus limited toxicity to the 
host .The remain small group of deep or systemic mycosis that are 
uncontrolled by the host immune system require prolonged use of 
relatively toxic antifungals. 

Amphotericin B 

  The major polyeneantibiotic, Amphtericin B is the most effective 

drugs for systemic mycoses, it has a broad spectrum.  

  Mechanism of action 

Amphotericin B binds the ergosterol component of the fungal cell 
membrane and alters the selection of the permeability of this 
membrane, mammalian cell lack ergosterol and are relatively 
resistant to this drug. 

  Indication 

  In Gryptococcosis, candidiasis, Histoplasmosis & sporotrichosis. 
  Amphtericin B is used in combination with flucytocin to treat 

Cryptococcosis. 
 

Flucytosin 

Is fluorinated derivative of cytocin, it penetrate well into all tissue, it 
is oral antifungal component 
 

Azoles 

The azoles groups of antifungal agents consist of the 
imidazol (eg.Ketoconazol

9

Clotrimazol or Miconazol) or 

Triazol (eg. Fluconazol, itraconazol, orVoriconazole 
Xmidazzol (Miconazol or Clotrimazol) are used topically while others 
are used orally or IV. 

  

Clotrimazol and Miconazol 

Are available for topical and intravaginal (suppositories or 
creams) applications.they are useful in mild case of 
dermatophytosis (Tineapedis,Tineacruris ,Tineacorporis) 
Tineaversicolor and cutaneous candidiasis vulvovaginal candidiasis 
can be treated with suppositories Or creams.  
Clotrimazol is effective against oral or esophageal thrush in 
immunocomromized patients. 

Fluconazol

 is given either orally or IV Fluconazol has an 

excellent activity against both Candida Spp. and Cneoformans and 
oropharyngeal candidiasis in AIDS patients and candedemia in 
^immunocompetentpatients.this drug is the best in this group in 
penetration of the CNS hence, can be used as maintenance therapy for 
Cryptococcal or Cooccidioidal meningitis, 

 

Itraconazol

 is now the agent of first choice for 

Histoplasmosis, Paracoccidioidomycosis and Aspergillosisalso 
effective in Sporotichosis ^Cryptococcosis and Onychomycosis in 
immunocompetent and AIDS patientsltraconazol or fluconazol or 
terbinafen may be used intermittently in case of long term therapy 
of Tineaunguium. 

Vericonazol

 which can be given either orally or IV and active 

against Aspergillosis or Pseudallescheriasis. Side effect 
 

Adverse effect of

  

  Ketoconazol include transient elevation of liver enzymeSjnausea 

,irreversiblegynecomastia, decreaselipido and oligospermia in males 
and menstrual irregularity.it is the most toxic agent in this group. 

  Clotrimazol and Miconazol side effect include burn, itching and/or 

skin irritation. 

  Adverse effect of Itraconazol consisting of GIT disturbences, 

vestibular disturbences,odema or skin irritation. 

  Vericonazol causes irreversible visual impairment in about 30% of 

patients. 

Griseofolvin 

  Griseofulvin is an antifungal antibiotics produce by Spp. of 

pencillium.Griseofulvin is an oral agent poorly absorbed and 
concentrate on the stratum corneunvt is inhibit hyphal growth. 

  Side effect Headache, GIT disturbances ^photosensitivity, 

drowsiness and hepatotoxicity. 

  Indication: Useful for treatment of Dermatophyte infection of the 

skin, hail and nail,OraI therapy for weeks or months are required. 
 

Nystatin 

It is a polyene antibiotics produced by StreptomyceSjStructurally 
related to Amphotericin B»it is not absorbed by GIT, it is too toxic 
for parentraladministration. 
It is used locally to treat oral or vulvovaginalcandidiasis ,also 
suppress esophageal candidiasis and gastrointestinal overgrowth 
with no side effect. Other fungal agent 

Echinocandins 

Echinocandins are a new class of antifungal agents»their mode of 
action by disturbing cell wall integrity, the recently licensed drug 
Caspofungin has shown efficacy against invasive Aspergilosis and 
Systemic candidiasis, Two newly approved 
ecynocandms»micafunginand antdulafungJn,have similar activity 


background image

Unit 3: Mycology

 

 

 

150 

against Spp. of Candida and Aspergillus, also used for 
esophageal candidiasis. 

Terbinafine 

  Is an allylamin drug, it is block ergosterol synthesis 

  Indications: is given orally for treating Dermatophytic infections 

of nails and hair. 

  Side effects are not common but include GI disturbancesj, 

headache, and loss of sense of taste. 

Tolnaftate and naftiftne 

  Are topical antifungasl agents used in treatment of many 

dermatophyticinfections and Tineaversicolor, available as 
creams, powders and sprays Selenium sulfide 

  Selenium sulfide shampoo effective against Malazzesiafurfur. the 

causative agents of Tineaversicolor, Undecylenic acid 

  Is available in several formulations for treatment of Tineacruris and 

Tineapedis. 

 

Hypersensitivity to fungi 

  Throughout life, the respiratory tract is exposed to airborne conidia 

and spores of many saprophytic fungi. These particles often possess 
potent surface antigens capable of stimulating strong allergic 
reactions. These hypersensitivity responses do not require growth 
of inducing fungi. 

  Depending on the site of deposition of the allergen, a patient may 

exhibit rhmitis,bronchialasthma,alveolitis or pneumonitis .A topic 
persons are more susceptible. 

  The diagnosis can be determined by skin testing with fungal 

extracts-Management may include avoidance of the offending 
allergens, treatment with corticosteroids or attempts to desensitize 
patients. 

  Indoor air exposure to large number of fungal spores has led to the 

recognition of a condition described as sick building syndrome 
whereby moisture in construction materials such as wood allow 
contaminating mold to flourish this resulting in debilitating cases 
of systemic allergic or toxic reactions. 

 

 
 
 
 
 
 
 


background image

 

151 

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

Lecture 1+2+3 - Introduction 

 
Virus (Virion) 
It is the smallest infectious agents and contains one kind 
of nucleic acid as their genome (DNA or RNA). Size 
range from (20nm-300nm in diameter). Viruses replicates 
only inside the living cells of other organisms and can 
infect all types of life forms, from animals and plants to 
bacteria 
and archaea  
 

I-Viral mucleic acid 

The viral nucleic acid is located internally and can be 
either double or single stranded DNA or RNA. 
The nucleic acid is either circular or linear. 
The DNA is always a single molecule (double or single); 
RNA can exist either as a single molecule or in several 
pieces. 
Almost all viruses contain only a single copy of their 
genome (haploid) but retroviruses are the exception (RNA 
genome of two copies (Diploid)). 
 

II-Viral capsid 

The capsid is the “shell” of virus-coded protein that 
encloses the nucleic acid and is more or less closely 
associated with it. The combination of these two 
components (Capsid and NA) is often termed the 
nucleocapsid, especially if they are closely associated as 
in the myxoviruses. 
The capsid is made up of subunits, the capsomers, the 
number of which varies but is specific and constant for 
each viral species. These (capsomeres) are spherical or 
cylindrical structures composed of several polypeptides. 
The capsid protects the nucleic acid from degradation. In 
all except enveloped viruses, it is responsible for the 
attachment of the viruses to the host cell. 

 
Viral Symmetry 
The arrangement of capsomers gives the virus structure 
and its geometric symmetry. Viral nucleocapsids have 
two forms of symmetry: 

1)  Icosahedral:

 (polyhedrons with 20 equilateral triangular 

faces)

 in which the capsomers are arrangred in 20 

triangles that form a symmetric figure with approximate 
outline of the sphere. 

 

 

2)  Helical: in which the capsomers are arranged in a hollow 

coil that that appears rod-shaped. 

 

 

 
All human viruses that have a helical nucleocapsid are 
enclosed by an outer membrane called an envelope while 
icosaheral nucleocapsid can be either enveloped or non-
enveloped (naked). 

3)  Complex symmetry. Complex structural patterns are 

found in bacteriophages and the smallpox virus. 
 

III- Viral proteins 

  Structural proteins of viruses have several important 

functions: 

1)  Facilitate transfer of the viral nucleic acid from one host 

cell to another. 

2)  Protect viral genome against inactivation by nucleases 
3)  Participate in the attachment of the virus particle to 

susceptible cell. 

4)  Provide the structural symmetry of the virus particle. 
5)  Determine the antigenic characteristics of the virus. 
  There are frequently glycoproteins in the form of spike 

like projections on the surface, which attach to host cell 
receptors during the entry of the virus into the cell. 

  Another protein is the Matrix protein mediates the 

interaction between the capsid protein and the envelope. 

  Non-Structural proteins 

Some viruses carry enzymes inside the virions which are 
essential for the initiation of the viral replicative cycle 
when the virus enter host cell e.g.: a) RNA polymerase 
which is carried by negative sense RNA virus that is 
needed to copy the first mRNA. b) reverse transcriptase in 
retroviruses that makes a DNA copy of the viral RNA.  
Some viruses contain regulatory proteins in the virion in a 
structure called the tegument which is located between 
nucleocapsid and the envelope. These regulatory proteins 
include transcription and translation factors that control 
either viral or cellular processes. Herpes simplex and 
cytomegalovirus have well characteristics tegument.  
 

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

IV-Viral envelope 

It is a lipoprotein membrane composed of lipid derived 
from the host cell membrane and protein that is virus 
specific. 
Enveloped viruses are more sensitive to heat, ether, 
detergents, and dryness. They are transmitted by direct 
contact. 
Non-enveloped virus (naked) are more stable and 
transmitted by indirect contact. 
 

Classification of viruses 

The taxonomic system used for viruses is artificial (i.e., it 
does not reflect virus evolution) and is based on the 
following morphological and biochemical criteria: 

1)  Genome: DNA or RNA genome (important basic 

differentiation of virus types!) as well as configuration of 
nucleic acid structure: single-stranded (ss) or double-
stranded (ds); RNA viruses are further subclassified 
according to plus and minus polarity. 

2)  Capsid symmetry: cubic, helical, or complex symmetry. 

3)  Presence or absence of an envelope. 
4)  Diameter of the virion, or of the nucleocapsid with 

helical symmetry. 
 

Atypical virus –like agents 

1)  Defective viruses: are viruses composed of viral N.A and 

proteins but cannot replicate without a "helper" virus, 
which provides the missing function. There is usually a 
mutation or deletion of a part of their genetic material  

2)  Pseudovirions: contain host cell DNA instead of viral 

DNA within the capsid.they are formed during infection 
with certain viruses when host cell DNA is fragmented 
and pieces of it are incorporated within the capsid protein. 

3)  Viriods: single molecule of circular RNA without a 

protein coat or envelope. 

4)  Prions: are infectious particles that are composed solely 

of protein. They are implicated as the cause of certain 
slow disease which called transmissible spongiform 
encephalopathies. 

 

Viral replication 

The growth curve in figure 1 shows that first event is 
disappearance of the virus as represented by the solid line 
dropping to the x axis. Although the virus particle is no 
longer present, the viral nucleic acid continues to function 
and begins to accumulate within the cell. The time during 
which no virus is found inside the cell is known as the 
Eclipse period. It ends with the appearance of the virus 
(solid line). The latent period is defined as the time from 

the onset of infection to the appearance of the virus 
extracellularly. At the end of latent period, alterations of 
cell morophology accompanied by marked derangement 
of cell function; this is called cytopathic effect (CPE) 
which culminates in the lysis and death of cells. These 
CPE can be seen under the light microscope. 
 

 

Figure 1: Viral growth curve. 
 
Specific events during the growth cycle 

I-Early events ( attachment, penetration, 
&uncoating) 

The proteins on the surface of the virion attach to specific 
receptor proteins on the cell surface through weak non-
covalent bonding. The specifity of the attachment 
determines the host range of the virus. 
The virus particle penetrates by being engulfed in a 
pinocytic vesicle, within which the process of uncoating 
begins. 
The receptors for viruses on the cell surface are proteins 
that have other functions in the life of the cell. 
NOTES:  

1-  Infectious nucleic acid is purified viral RNA or DNA 

(without any protein) that can carry out the entire viral 
growth cycle & result in the production of complete virus 
particle. 

2-  All viruses are "infectious" but not all purified genomes 

are infectious. 

 

II- Middle events (Gene Expression and Genome 
Replication) 

The first step in viral gene expression is mRNA synthesis. 
It is at this point that viruses follow different pathways 
depending on the nature of their nucleic acid and the part 
of the cell in which they replicate.  


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

  DNA viruses: Most have both positive and negative 

strand  (Ds) (except parvovirus has ssDNA), but only + 
strand is read.  

  All DNA Viruses replicate in the nucleus except 

poxvirus which has its own RNA polymerase to replicate 
in the cytosol 

  Retrovirus: Carries reverse transcriptase, which 

converts RNA to DNA in the nucleus, inserting DNA 
copy of genome into host cell DNA then using host 
transcription to mRNA.  

  Positive ssRNA viruses (e.g. poliovirus): Use RNA 

directly as mRNA to begin translation immediately in the 
cytosol 

  Negative ssRNA viruses: Must be transcribed to +ssRNA 

before being translated. Uses own RNA-dependent RNA 
polymerase
 to do transcription in the cytosol (except 
Influenza in nucleus
).  
Single RNA and segmented RNA are both in this 
category, though segmented RNA viruses may be 
ambisense (some -, some +ssRNA) 

  Double-stranded RNA: Carries its own RNA-dependent 

RNA polymerase to translate into mRNA in cytosol (+ 
strand hydrogen bonded to - strand so cannot be used as 
mRNA). Reoviruses 

  Early proteins are

 

enzymes

 

required for replication of 

viral genome (e.g. Hepadnavirsus produce reverse 
transcriptase
 to regenerate viral DNA from RNA 
intermediate).    
Most viruses make a virus-encoded polymerase  

(  

replicase )to make copies of genome, although some use 
host cell polymerases for this 

  Late proteins  

structural proteins for progeny viruses, 

often including precursor polypeptides and virus-coded 
proteases to cleave these polypeptides into final 
capsomer products (e.g. picornaviruses have single 
polypeptide that has intrinsic protease, retroviruses) 

 

III- Late events (Assembly and Release) 

The progeny particles are assembled by packing the viral 
nucleic acid within the capsid proteins. 

  Un enveloped viruses are released by cell rupture. 

  Enveloped viruses are released by budding through the 

outer cell membrane Except Herpes virus by budding 
from the nuclear membrane. 

 

  Lysogeny 

Is the process by which viral DNA becomes integrated 
into host cell DNA, replication stops and no progeny virus 
is made. Later if DNA is damaged by for example by UV 

light, viral DNA is excised from the host cell DNA , and 
progeny viruses are made. The integrated viral DNA is 
called a Prophage. Bacterial cells carrying a prophage 
can acquire a new trait, such as the ability to produce 
exotoxins such as Diphtheria toxin.  
Lysogenic conversion is the term used to indicate that the 
cell has acquired a new trait as a result of the integrated 
prophage. Lysogenic conversion is mediated by 
transduction
 ( transfer of gene from one bacterium to 
another by viruses). 

 
Relationship of lysogeny in bacteria to latency in 
human 
Members of the Herpesvirus family, such as herpes 
simplex virus (HSV), Varicella zoster virus (VZV), 
Cytomegalovirus (CMV), and Epstein-Barr virus (EBV), 
exhibit a latency – the phenomenon in which no or very 
little virus is produced after the initial infection but at 
some later time, reactivation and full virus replication 
occur. 
How Herpesvirus initiate and maintain the latent state? 
Shortly after the virus infects neurons, a set of "Latency-
associated transcripts" (LATS)
 are synthesized. These 
are non – coding, regulatory RNAs that suppress viral 
replication. The precise mechanism by which they do so 
is unclear. Reactivation of viral replication at a later time 
occurs when the genes encoding LATS are excised. 
CMV employs different mechanisms. The CMV genome 
encode microRNAs that inhibit the translation of mRNAs 
required for viral replication. Also, the CMV genome 
encodes both a protein and an RNA that inhibits 
apoptosis. This allows the infected cell to survive. 
 

Virus genetics 

Mutation  

Mutations are changes in the base sequence of a nucleic 
acid (base substitution, deletion and frame shift), resulting 
in a more or less radical alteration of the resulting protein.  
Medically important are mutant virus with weakened 
virulence that have retained their antigenicity and 
replication capabilities intact. These are known as 
“attenuated” viruses. They are the raw material of live 
vaccines. 

 

Interaction between viruses 

When two genetically distinct viruses infect a cell, three 
different phenomena can ensue: 

1)  Recombination  

Is the exchange of genes between two chromosomes that 
is based on crossing over within regions of significant 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

255

 

base sequence homology. Recombination can readily be 
demonstrated for viruses with DS DNA as well as by 
RNA virus but with a very low frequency. 
In case of segmented genome virus, 

Reassortment

 occurs 

when an exchange between segments occur. 

 

 

 

2)  Complementation :  

Refers to interaction of viral gene products in cells 
infected with two viruses, one or both of which may be 
defective. It results in the replication of one or both under 
conditions in which replication would not ordinarily 
occur. One of the virus provides a gene product in which 
the second is defective, allowing the second virus to grow. 
The genotype of the two viruses remain unchanged. if 
both mutants are defective in the same gene product, they 
will not be able to complement each others growth. 

3)  Phenotypic mixing 

The genome of virus type A can be coated with the 
surface proteins of virus type B. This phenotypically virus 
can infect cells as determined by its type B protein coat 
but the progeny virus from this infection has a type A coat 

 

 
Pseudotypes
, which consist of the nucleocapsid of one 
virus and the envelope of another e.g nucleocapsid of 
vesicular stomatitis virus and the envelope of HIV are 
currently being used in study immune response to HIV. 

D- Interference 
Infection of either cell cultures or whole animals with two 
viruses often leads to an inhibition of multiplication of 
one of the viruses. 
Several mechanisms as a cause of interference: 

1)  One virus may inhibit the ability of the second to adsorb 

to the cell. 

2)  One virus may compete for the second for the component 

of the replication apparatus. 

3)  The first virus may cause the infected cell to produce an 

inhibitor that prevents replication of the second virus. 
 

Viral pathogenesis 

The ability of viruses to cause disease can be viewed on 
two distinct levels: (1) the changes that occur within 
individual cells (2) the process that takes place in the 
infected patient. 

 

The infected cells  

Four main effects of virus infection on the cell 
1)  
death 
2)  Fusion of the cells to form multinucleated giant cells 

or inclusion bodies (discrete areas containing viral 
proteins or viral particles and may be intracytoplasmic 
or intranuclear). 

3)  Malignant transformation. 
4)  No apparent morphologic or functional changes. 

 

The infected patient 

Pathogenesis in the infected patient involves: 
1)  
Transmission of virus and its entry into the host. 
2)  Replication of the virus. 
3)  Spread of the virus to other cells and organs. 
4)  Immune response. 
5)  Persistence of the virus. 

 

Transmission of virus and its entry into the host. 

Transmission. Viruses can be transmitted horizontally 
(within a group of individuals or vertically (from mother 
to offspring). Vertical infection is either transovarial or by 
infection of the virus in utero (ascending or diaplacental).  
Portal of entry. The most important portals of entry for 
viruses are themucosa of the respiratory and 
gastrointestinal tracts. Intact epidermispresents a barrier to 
viruses, which can, however, be overcome through 
microtraumata (nearly always present) or mechanical 
inoculation (e.g., bloodsucking arthropods). 

 

Viral dissemination in the organism.  

There are two forms of infection: 

  Local infection. In this form of infection, the viruses 

spread only from cell to cell. The infection and manifest 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

disease are thus restricted to the tissues in the immediate 
vicinity of the portal of entry. Example: rhinoviruses that 
reproduce only in the cells of the upper respiratory tract. 

  Generalized infection. In this type, the viruses usually 

replicate to some extent at the portal of entry and are then 
disseminated via the lymph ducts or bloodstream and 
reach their target organ either directly or after infecting a 
further organ. When the target organ is reached, viral 
replication and the resulting cell destruction become so 
widespread that clinical symptoms develop. Examples of 
such infection courses are seen with enteroviruses that 
replicate mainly in the intestinal epithelium, but cause no 
symptoms there. 
Clinical symptoms in these infections first arise in the 
target organs such as the CNS (polioviruses, echoviruses) 
or musculature (coxsackie viruses). 
Another mode of viral dissemination in the 
macroorganism is neurogenic spread along the nerve 
tracts, from the portal of entry to the CNS (rabies), or in 
the opposite direction from the ganglions where the 
viruses persist in a latent state to the target organ (herpes 
simplex). 

 

Virus excretion 

Excretion of newly produced viruses depends on the 
localization of viral replication. For example, viruses that 
infect the respiratory tract are excreted in expired air 
(droplet infection). 
In generalized infections not only the target organ is 
involved in excretion, but that primary viral replication at 
the portal of entry also contributes to virus excretion (for 
example enteroviruses, which replicate primarily in the 
intestinal wall and are excreted in feces).  
It is important to know, patients are  contagious before 
they really become ill because excretion of new virus 
progeny precede the onset of illness.  

 

Persistent viral infections 

In most viral infections, the virus doesn’t remain in the 
body for a significant period after clinical recovery, but in 
certain instances, the virus persists for long periods either 
intact or in the form of subviral component (e.g.: the 
genome). 
There are three types of persistent viral infections: 

1)  Chronic carrier infection

: refers to people who produce 

virus for long periods of time and can serve as a source of 
infection for others.  

2)  Latent infections

: are those infections that are not 

producing virus at the present time but can be reactivated 

at subsequent time e.g latent infections that are associated 
with herpes simplex virus infection. 

3)  Slow virus infections

: refer to those diseases with a long 

incubation period often in years. Some are caused by 
virus (progressive multifocal leukoencephalopathy) , 
whereas others are caused by prions ( Creutzfeldt-Jakob 
disease). 
 

Evasion of host defenses: 

Viruses have several ways to evade host defense: 

1)  Some viruses encode the receptors for various mediators 

of immunity e,g: Vaccina virus encode protein that bind 
to IL-1. Fibroma virus encodes protein that binds to TNF. 
These virus encoded proteins called Cytokine decoy. 

2)  Human Iimmunodeficiency V, Herpes v, CMV reduce 

Class I MHC expression. 

3)  HIV,Epstein Barre V,Adeno v. synthesis RNAs that block 

phosphrylation of an initiation factor (eIF2) which reduce 
ability of INF to block viral replication 

4)  CMV encodes a micro RNA binds to mRNA of a cell 

surface ligand for NK cell. 

5)  Measles block IL-12. 
6)  virus has multiple antigenic type 

e.g Rhinovirus (100 serotype). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

Lecture 4 - Antiviral Drugs 

 

I-  Early events inhibitors 

1) 

Amantidine

:

 

 

It inhibits uncoating of the virus by blocking the "ion 
channel" activitiy of the matrix protein (M2 protein) in 
the virion as shown in the figure below. This drug 
specificallyinhibits influenza A but not C and B types. It 
has CNS side effects. 
Rimantidine is similar to amantidine but with fewer side 
effects. 

 

 

 

2) 

Enfuvirtide ( Fuzeon) 

It is a synthetic peptide that binds to gb41 on the surface 
of HIV, thereby blocking the entry of the virus into the 
cell. It is a fusion inhibitor. As shown in the figure below 

 

 

   

3) 

Maraviroc

 

it blocks the binding of HIV to CCR-5 as 

shown in the figure below. 

 

  

4) 

Palivivumab

:

 it is monoclonal antibody directed against 

the fusion protein of respiratory syncytial virus (RSV). 

II- 

 

II-  Inhibitors of Viral nucleic acid inhibitors 

A. Inhibitors of herpes virus. 

 

Nucleoside analogue inhibitors: 

1)  Acyclovir

: it acts against HSV1 and -2 and Varicella 

zoster virus (VZV). It is a guanosine analogue. As shown 
in the figure below. 
Derivatives of acyclovir are (Valacyclovir, penciclovir, 
and Famciclovir). 
These drugs have no effects on latency. 

 

 

 

2)  Ganciclovir

 it is more active against Cytomegalovirus.it 

is a guanosine analogue. 

3)  Cidofovir

: used in the treatment of retinitis caused by 

CMV. It is a nucleoside analogue of cytosine that lacks a 
ribose ring. 

4)  Vidarabine

: treatment of encephalitis and keratitis 

caused by HSV-1 but less effective than acyclovir. It is a 
nucleoside analogue with arabinose in place of the normal 
sugar, ribose. 

5)  Idoxurudine

: it is effective in the treatment of 

keratocnjuctivitis caused by HSV-1. 

6)  Trifluridine

: it is used topically for treatment of 

keratoconjuctivitis because it is too toxic for systemic use. 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

 

Nonnucleoside inhibitors. 

1)  Foscarnet:

 it is a pyrophosphate analogue. It binds to 

DNA polymerase at the pyropghosphate cleavage site and 
prevents removal of the phosphate from nucleoside 
triphosphate(dNTP). This inhibits the addition of next 
dNTP . the drug inhibits DNA polymerase of all 
herpesviruses especially  HSV and CMV. 
 

B. Inhibitors of retroviruses. 

 

Nucleoside inhibitors 

1)  Zidovudine (AZT,Retrovit, azidothymidine):  

It does not require a virus-encoded kinase to be 
phosporylated, CK phosphorylate the drug, it is active in 
both infected and non-infected cells.it cause chain 
termination As shown in the figure below. 

 

 

 

2) 

Others: 

didanosine (ddI), lamivudine  

 (3TC), stavudine (d4T), abacavir and     
Emtricitabine (FTC)

. ) .(لالطالع فقط

 

Nonnucleoside inhibitors (NNRTI): 
It doesn’t cause chain termination but it is binds near the 
active site of reverse transcriptase and induce 
conformational changes that inhibits synthesis of viral 
DNA. As shown in the figure below. 
E.g., in drug-naïve patients (nevirapine and efavirenz) 
In drug-experienced patient (etravirine). 

  

 

C. inhibitors of hepatitis B virus: 

i.  Adefovir

: nucleoside analogue of adenosine 

monophosphate. it inhibits DNA polymerase of Hepatitis 
B virus. it is useful in the treatment of chronic hepatitis B 
infection.  

ii.  Entecavir

: it is a guanosine analogue. 

iii.  Lamivudine 

iv.  Telbivudine

: it is a thymidine analogue. it is useful in the 

treatment of chronic hepatitis B infection. 
 

D. inhibitors of other viruses. 

v.  Ribavirin

: it is a nucleoside analogue. 

     It inhibits the synthesis of guanine nucleotides.  
It is used in the treatment of pneumonitis caused by 
respiratory syncytial virus in infants and to treat severe 
influenza B infection.  
It is also used in combination with alpha-interferon for the 
treatment of hepatitis C.  
 

III.  Inhibition of integrase: 

Raltegravir

 is an integrase inhibitors used in HIV 

infection.as shown in figure below. 

 

 

 

IV.  Inhibition of cleavage of precursor 

polypeptides (protease inhibitors). 

A. Inhibition of HIV. 

e.g., 

saquinavir followed by indinavir, ritonavir, 

lopinavir and tipranavir; more recently, atazanavir, 
fosamprenavir and darunavir

 have become available. 

(االسماء لالطالع فقط

)

 

B. inhibitors of Hepatitis C virus:  

Boceprevir and telaprevir 

used in HCV. 

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

251

 

 

 

 
 

V-  Inhibitors of viral protein synthesis: 

1)  Interferons 
2)  Fomivirsen

: it is an antisense DNA that blocks the 

replication of CMV ( antisense is a single –stranded DNA 
that has a sequence  complemantory to that of viral 
mRNA. it is the only antisense that is approved to be used 
in treatment of human disease. 

3)  Methisazone

: it inhibits the protein synthesis of 

poxviruses, by blocking the translation of late mRNA. 
 

VI- Inhibition of release of virus: 

1- Zanamivir (Relenza) and oseltamivir (Tamiflu) 

inhibits the neuraminidase of influenza virus. The drug is 
effective against both influenza A and B viruses. These 
drugs are effective only against strains of influenza virus 
resistant to amantidine.  
   

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Lecture 5+6+ Half 7 - RNA 
Enveloped viruses 

 

Orthomyxoviruses 

Influenza viruses 

Influenza viruses are the only members of the 
orthomyxovirus family .The orthomyxovirus has a 
segmented RNA genome and the replication occurs in the 
nucleus of infected cell. . 
The term Myxo refers to the observation that these viruses 
interact with mucins (glycoprotein on the cell surface). 

 

Important properties 

  Three immunologic types of influenza viruses are known, 

A, B, and C. 

  Influenza virus particles contain nine different structural 

proteins.  

  The nucleoprotein (NP) associate with the viral RNA, 

which is SS, segmented with negative polarity, to form a 
ribonucleoprotein (RNP) structure with helical symmetry. 

  Three large proteins (PB1, PB2, and PA) are bound to 

the viral RNP and are responsible for RNA transcription 
and replication.  

  The Matrix (M1) protein is a major compoinent of the 

virion.  

  The outer lipoprotein envelope is covered with two 

different spikes, a haemagglutinin (HA) and a 
neuraminidase (NA). 

  The function of the hemagglutinin is to bind to the cell 

surface receptor (sialic acid) to initiate infection. In the 
laboratory, the Hemaglutinin agglutinate red blood cells, 
which is the basis of diagnostic test called the 
haemagglutinin inhibition test. The hemagglutinin is also 
the target of neutralizing antibody.  
HA is a trimer , composed of 3 intertwined HA1 and HA2 
dimmers. Cellular protease cleaves HA into HA1 HA2 , 
this cleavage is important for virus infectivity. 

  The neuraminidase cleaves neuraminic acid ( sialic acid to 

release progeny virus from the infected cell. The 
hemagglutinins function at the beginning of the infection 
whole the neuraminidase at at the end. Neuraminidase 
also degrades the protective layer of mucus in the 
respiratory tract. NA is tetramer, composed of four 
identical monomers. 

  Influenza viruses have both groups –specific and type-

specific antigens 

1)  The internal RNP is the group specific antigen that 

distinguishes influenza A, B, and C viruses. 

2)  The hemagglutinin and the neuraminidase are the type-

specific antigens located on the surface. Antibody against 
the hemagglutinin neutralize the infectivity, whereas 
antibody against the group-specific antigen doesn’t. 
Antibody against the NA doesn’t neutralize infectivity but 
does reduce disease by decreasing the amount of virus 
released from the infected cell and thus reducing spread. 
 

Classification and Nomenclature: 

1)  Genus influenzavirus A contains human and animal strain 

of influenza type A. 

2)  Genus influenza virus B contains human strain of 

influenza type B. 

3)  Genus influenzavirus C contains human and swine strains 

of influenza type C. 
The standard nomenclature system for influenza virus 
isolates includes the following information: Typehost of 
origin
geographic originstrain noyear of isolation. The 
host origin is not indicated for human isolates, e.g. 
A/Hong Kong/03/68(H3N2). 
There are 15 subtypes of HA; only 4 have been 
transferred to humans (H1-H3, H5). Na has nine subtypes, 
only 2 affect humans (N1, N2). 
 

Antigenic shift and antigenic drift 

  Antigenic shift: it is major changes based on 

reassortement

*

 (between human and animal influenza) of 

segments of the genome RNA result in the appearance of 
a new subtype. Influenza B and C viruses don’t exhibit 
antigenic shift because few related viruses exist in 
animals. Antigenic shift is responsible for an epidemic. 
Antigenic shift variants appear every 10-40 years. 

  Antigenic drift: It is a minor change based on mutations 

in the genome of RNA (accumulation of point mutation in 
the gene, resulting in amino acid changes in the protein).It 
occurs in all types of influenza virus.Antigernic drift 
variants appear every year. 

*

Reassortement: viruses with segmented genome 

exchange segments. 0p- 
  

Replicative cycle 

1)  The virus adsorb to the cell when the viral hemagglutinin 

interacts with sialic acid receptors on the cell surface. 

2)  The virus enters the cell and uncoating . 
3)  In the nucleus, the viral RNA polymerase transcribes the 

eight genome segments into eight mRNA. 

4)  Most of the mRNA move to the cytoplasm , where they 

are translated into viral proteins. Some of the viral mRNA 
remains in the nucleus, where they serve as the template 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

212

 

for the synthesis of the –ve strand RNA genomes for the 
progeny virions. 

5)  The newly synthesized NP and matrix protein binds to 

progeny RNA genome in the nucleus and that complex is 
transported to the cytoplasm. 

6)  After assembly, the virion is released by budding from the 

outer cell membrane at the site where HA and NA are 
located.  

7)  The neuraminidase acts to release the virus by cleaving 

neuraminic acid on the cell surface at the site of the 
budding progeny virions.  

 

Transmission: 

1)  Virus is transmitted by airborne respiratory droplets. 
2)  Influenza occurs most primarily in the winter months. 

 

Pathogenesis 

1)  After inhalation of the virus, the NA degrades the 

protective mucus layer , allowing the virus to gain access 
to the cells of upper respiratory tract. 

2)  Viremia rarely occurs. 
3)  The systemic symptoms are due to cytokine circulating in 

the blood. 

4)  There is necrosis of the superficial layers of the 

respiratory epithelium. 

5)  Pneumonia as a result of secondary bacterial infection is 

interstitial in location. 

6)  The virulence of the H5N1 strain is greater than H1N1 

and H3N2 strains because:  
I-  H5N1 strain is relative resistance to interferon  
II- Increase induction of cytokines, especially TNF, this 

mediate the pathogenesis of pneumonia and acute 
respiratory distress syndrome (ARDS) seen in H5N1 
infection. 

 

Immunity: 

Immunity depends on secretary IgA in the respiratiory 
tract. IgG is also produced but it is less protecrtive. 
Cytotoxic Tcells also play a protective role. 

 

Clinical findings 

1)  After an incubation period of 24-48 hours , fever, 

myalagia, headache, sore throat, and cough develop 
suddenly . 

2)  Vomiting and diarrhea are rare. 
3)  The symptoms resolve spontaneously in 4-7 days, but 

influenzal or bacterial pneumonia may complicate the 
course. Staphylococcus aureus is the most common 
pathogen for pneumonia. 

4)  Reye's syndrome which is rare and characterized by 

encephalopathy and liver degeneration, life – threatening 
complication in children following some viral infections, 
particularly influenza and chickenpox. Aspirin given to 
reduce fever in viral infection has been implicated in the 
pathogenesis of Reye's syndrome. 

 

Laboratory diagnosis: 

1)  In cases of epidemic, clinical diagnosis is enough. 
2)  Virus can be detected in specimens such as (nasal or 

throat washings, nasal or throat swabs and sputum) by 
various techniques such as direct fluorescent antibody, 
PCR, or cell culture-based tests. 

3)  Antibody detection in patient serum.4 fold increase in 

antibody titer in paired serum samples taken early in the 
illness and 10 days later and detected either by 
hemagglutination inhibition or complement fixation test. 

 

Treatment 

1)  Amantidine in the treatment and prevention of influenza 

A .indicated in the prevention in elderly, 
immunocompromised persons. 

2)  Rimantidine is a derivative of amantidine. Drug resistance 

observed against the 2 drugs. 

3)  Zanamivir (Relanza) and oseltamivir (Tamiflu) are also 

used for the treatment of influenza. They belong to a class 
of neuraminidase inhibitors that act by inhibiting the 
release of virus from infected cells. This limits the 
infection by reducing the spread of virus from one cell to 
another. These drugs are effective against influenza A &B 

 

Prevention  

The main mode of prevention is the vaccine, which 
consists from two strains of influenza A (H1N1, H3N2) 
and one strain of influenza B virus. 
There are two types of influenza vaccines available  

I-  Killed vaccine containing purified protein subunits of the 

virus (HA and NA). The virus inactivated with 
formaldehyde, then treated with a lipid solvent that 
disaggregate the virions. The vaccine given 
intramuscularly. Protection lasts only 6 months. It is 
indicated in people older than 50 years of age, children 6-
23 months of age, and those with chronic disease. 

II- The new vaccine that was approved in 2003 is a live 

vaccine containing temperature sensitive mutants of 
influenza A and B viruses. These temp.- sensitive mutants 
can replicate in the cooler (33c) nasal mucosa where they 
induce IgA. This vaccine administered by spraying into 
the nose (nasal mist). 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Epidemiology: 

  To date all human pandemic strains have been 

reassortement between avian and human influenza 
viruses. Pigs serve as mixing vessels for reassortements as 
their cells contain receptors recognized by both human 
and avian viruses. 

  Influenza virus occurs worldwide and cause annual 

outbreaks of variable intensity. 

  Influenza outbreaks occur in waves, although there is no 

regular periodicity in the occurrence of epidemics. 
Influenza A epidemic waves tend to be 2-3 years, for B 3-
6 years. Every 10-40 years, when a new subtype of 
influenza A appears, a pandemic results. This happened in 
1918 (Spanish flu) (H1N1 the swine like influenza), 1957 
(Asian flu) (H2N2), and 1968 (Hong Kong flu) (H3N2). 
The H1N1 subtype reemerged in 1977 (Russian flu). 
Since 1977, influenza A (H1N1) and (H3N2) viruses and 
influenza B have been in a global circulation. In 1997, in 
Hong Kong avian influenza A virus (H5N1) occurred. 
  
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

Paramyxoviruses 

The Paramyxovirus family contains four important human 
pathogens: measles, mumps, respiratory syncytial virus, 
and parainfluenza viruses. 
The genome is not segmented, they have a larger 
diameter, and their surface spikes are different. 
Paramyxoviruses are composed of one piece of SS –ve 
polarity RNA, a helical nucleocapsid, and an outer 
lipoprotein envelope. The envelope is covered with 
spikes, which contain hemagglutinin, neuraminidase, or a 
fusion protein that causes cell fusion and, in some cases, 
hemolysis. 
 

Measles virus 

Important properties 

Measles virus has a single serotype, and the 
hemagglutinin is the antigen against which neutralizing 
antibody is directed. Humans are the natural host. 
 

Replicative cycle: 

  After adsorption to the cell surface via its hemagglutinin, 

the virus penetrates and uncoat. 

  The virion RNA polymerase transcribes the –ve –strand 

genome into mRNA. 

  Multiple mRNA are synthesized, each of which is 

translated into specific viral proteins. 

  The helical nucleocapsid is assembled, and the virus 

released from the cell by budding. 

 

Transmission and epidemiology. 

  The Measles virus is transmitted via respiratory droplets 

produced by coughing and sneezing both during the 
prodromal period and for few days after the rash appears. 

  Measles occur worldwide, usually in outbreaks every 2-3 

years, when the number of susceptible children reaches a 
high level. 

  Measles infection is more severe in malnourished children. 

  Patient with deficient cell –mediated immunity have a 

severe, life –threatening disease when they contract measles 

 

Pathogenesis: 

  After infection of the cells lining the upper respiratory 

tract, the virus enters the blood and infects 
reticuloendothelial cells, where it replicates again. 

  It then spreads via the blood to the skin. 

  The rash is caused by cytotoxic T cells attacking the 

measles virus –infected vascular endothelial cells in the 
skin. Antibody mediated vasculitis may also play a role. 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

  After the rash appears, the virus can no longer be recovered 

and the patient can no longer spread the virus to others. 

  Multinucleated giant cells, which form as a result of the 

fusion protein in the spikes, are characteristic of the lesions 

 

Immunity 

  Lifelong immunity in individuals who had the disease. 

  Cell-mediated immunity is more important than humoral 

immunity in the recovery and protection. 

  Maternal antibody passes the placenta, and infants are 

protected during the first 6 months of age. 

  Infection with measles virus can transiently depress cell-

mediated immunity against other intracellular 
microorganisms, such as Mycobacterium tuberculosis, 
leading to a loss of purified protein derivative (PPD) skin 
test reactivity, reactivation of dormant organisms, and a 
clinical disease. The proposed mechanism for this 
finding is that when measles virus binds to its receptor 
(called CD46) on the surface of human macrophages, the 
production of IL-12, which is necessary for cell-mediated 
immunity to occur, is suppressed. 

 

Clinical findings 

1)  After an incubation period of 10-14 days, a prodromal 

phase characterized by fever, conjunctivitis, running nose, 
and coughing occurs. 

2)  Koplik´ s spots are bright red lesions with a white, central 

dot that are located on the buccal mucosa and are 
diagnostic. 

3)  A few days later, a maculopapular rash appears on the 

face and proceeds gradually down the body to the lower 
extremities, including the palms and soles. 
 

Complications  

1)  Encephalitis occurs at a rate of 1/1000 cases of measles. 
2)  Primary measles pneumonia and bacterial pneumonia 

occurs. 

3)  Bacterial otitis media. 
4)  Subacute sclerosing panencephalitis (SSPE) is a rare, fatal 

disease of the central nervous system that occurs several 
years after measles. 

5)  Atypical measles occurs in some people who were given 

the killed vaccine and were subsequently infected with 
measles virus. It is characterized by an atypical rash 
without Koplik s spots. 

 

Laboratory diagnosis 

1)  Most cases are made on clinical grounds. 
2)  Viral isolation in cell culture can be done 

3)  A rise in antibody titer of greater than 4-fold can be 

used in the diagnosis. 

 

Prevention 

Immunization with live attenuated virus vaccine given at 
9 months of age and a second dose combined with mumps 
and rubella vaccines at 15 months of age. 
The vaccine is contraindicated in immunocompromised 
patient and in pregnant women. 
 
 

Mumps virus 

This virus cause Mumps. 

 

Important properties 

The virion has two types of envelope spikes, one with 
both Hemagglutinin and neuraminidase and the other with 
cell-fusing and hemolytic activity. Neutralizing antibody 
is directed against the hemagglutinin. 
The virus has a single serotype. Humans are the natural host 
 

Replicative cycle

     As for measles virus. 

 

Transmission and epidemiology. 

  Mumps virus is transmitted via respiratory droplets. 

  Mumps occurs worldwide, with peak incidence in the 

winter. 

  About 30% of children have a subclinical infection, which 

confers immunity. 
 

Pathogenesis and immunity 

  The virus infects the respiratory tract and then spreads 

through the blood to infect the parotid glands, testes, 
ovaries, pancreas, and in some cases meninges. The virus 
may ascend from the buccal mucosa up Stensen´ s duct to 
the parotid gland. 

  Lifelong immunity occurs after the infection. 

  Maternal antibody passes the placenta and provides 

protection during the first 6 months. 

 

Clinical findings 

After an incubation period of 18-21 days, a prodromal 
stage of fever, malaise, and anorexia is followed by tender 
swelling of the parotid glands, either unilateral or 
bilateral. The disease resolves spontaneously within 1 
week. 
 

Complications 

1)  Orchitis in postpupertal males, which is if bilateral, results 

in sterility because of fibrous tunica albuginea, which 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

resist expansion, thereby causing pressure necrosis of the 
spermatocytes. Unilateral orchitis don’t cause sterility. 

2)  Meningitis, which is usually benign, self-limited, and 

without sequel. 

 

Laboratory diagnosis 

1)  Clinical diagnosis. 
2)  Viral isolation in cell culture. 
3)  A 4 –fold rise in antibody titer in either hemagglutination 

inhibition or the complement fixation test is diagnostic. 

 

Treatment

     No antiviral therapy. 

 

Prevention  

Immunization with live attenuated virus vaccine given at 
15 months of age given subcutaneously combined with 
measles and rubella vaccines.  
The vaccine is contraindicated in immunocompromised 
patient and in pregnant women. 
 

 

Respiratory Syncytial virus 

It is the most important cause of pneumonia and 
bronchioloitis in infants. It is an important cause of otitis 
media in children and of pneumonia in the elderly and in 
patients with chronic cardiopulmonary diseases. 

 

Important properties 

The surface spikes are fusion proteins, not hemagglutinin 
or neuraminidase. Humans are the natural host of RSV. 
Two serotypes, A and B. 
 

Replicative cycle

    As for measles virus. 

 

Transmission and epidemiology. 

1)  via respiratory droplets 
2)  Direct contact of contaminated hands with the nose or mouth 
3)  RSV causes outbreaks of respiratory infections every winter 
4)  RSV causes outbreaks of respiratory infections in 

hospitalized infants. 

 

Pathogenesis and immunity 

  RSV infection in infants is more sever and more often 

involves the lower respiratory tract than in older children 
and adults. 

  The infection is localized to the respiratory tract; viremia 

doesn’t occur. 

  The sever disease in infants may have an 

immunopathogenic mechanism. Maternal antibody passed 
to the infant may react with the virus, form immune 

complexes, and damage the respiratory tract cells. Trials 
with a killed vaccine resulted in more severe disease; an 
unexpected finding that supports such a mechanism. 

  Most individuals have multiple infections caused by RSV. 

 

Laboratory diagnosis  

1)  Virus detection by immunofluorescence on smears of 

respiratory epithelium or by isolation in cell culture. 

2)  A 4 –fold rise in antibody titer. 
3)  Reverse transcriptase PCR. 
 

Treatment 

Aerosolized ribavirin is recommended for severely ill 
hospitalized infants. 
 

 

Parainfluenza viruses 

Diseases 

These viruses cause croup, ( acute 
laryngotracheobronchitis) in children younger than 5 years 
of age (Croup is chartecterized by a harsh cough & 
hoarseness), laryngitis, bronchiolitis, & pneumonia in 
children & a disease resembling the common cold in adults. 
 

Important properties: 

The surface spikes consist of hemagglutinin, 
neuraminidase, and fusion protein. 
There are four serotypes. The virus is transmitted via 
respiratory droplets. 
 

Replicative cycle   

As for measles. 

 

Pathogenesis and immunity 

  These viruses cause lower and upper respiratory tract 

disease without viremia.  

  A large proportion of infections are subclinical. 

  Parainfluenza 1 & 2 are the major cause of croup. 

  Parainfluenza 3 is the most commonly isolated from 

children with lower respiratory tract infections. 

  Parainfluenza 4 rarely cause disease except for the 

common cold. 
 

Diagnosis:

  Most cases are diagnosed clinically. 

 

Treatment:

  Neither antiviral therapy nor a vaccine is 

available. 
 
 

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

215

 

Coronaviruses 

Diseases  

Coronavirus is an important cause of common cold 
In 2002, a new disease, an atypical pneumonia called 
SARS (severe acute respiratory syndrome) emerged. 
 

Important properties 

1)  Coronavirus is nonsegmented, SS, +ve polarity RNA 

genome, enveloped with helical nucleocapsid. 

2)  In electron microscope, prominent club-shaped spikes in 

the form of a Corona (halo) can be seen. 

3)  Two serotypes 229E and OC 43. 
4)  The corona virus recovered in 2002 that cause SARS 

(CoV-SARS) is belonging to the second serotype (OC43). 

5)  The receptor for the SARS coronavirus is angiotensin- 

converting enzyme -2. 
 

Replicative cycle 

  The virus adsorbs to cells via its surface spikes 

(hemagglutinin), after which it enters the cytoplasm, 
where it is uncoated. 

  The positive polarity genome is translated into two large 

polypeptides, which are self-cleaved by the virus-encoded 
protease. 

  mRNA is synthesized, and then translated into the 

structural proteins. 

  The virus is assembled and obtains its envelope from the 

endoplasmic reticulum, not from the plasma membrane. 
 

Transmission and epidemiology. 

1)  By the respiratory aerosol. 
2)  SARS originated in china in 2002. Human to human 

transmission, 

 

Pathogenesis and immunity 

  Viral infection is typically limited to the respiratory 

mucosa. 

  50% of infections are asymptomatic 

  Reinfection can occur. 

  Pneumonia caused by SARS coronavirus is characterized 

by diffuse edema, the binding of the virus to angiotensin 
converting enzyme-2 on the surface of respiratory tract 
epithelium may contribute to the dysregulation of fluid 
balance and edema in the alveolar space. 
 

Clinical findings  

The common cold is characterized by coryza (rhinorrhea, 
runny nose), scratchy sore throat, and low grade fever. 
The illness lasts several days. 

SARS is a severe atypical pneumonia characterized by 
fever (38C), nonproductive cough, dyspnoea, hypoxia, 
chills, rigor, malaise, and headache. Chest X-ray reveals 
interstitial (ground-Glass) infiltrates. 
Leucopenia and thrombocytopenia. 

 

Laboratory diagnosis 

1)  Common cold diagnosed clinically. 
2)  If SARS is suspected, antibody –based and PCR-based 

tests can be used. 

 

Treatment and prevention 

1)  There is no antiviral therapy or vaccine available. 
2)  A combination of Ribavirin + steroid has been tried in 

the treatment of SARS. 

 

 

Rubella virus 

This virus causes rubella (German measles) and 
congenital rubella syndrome. 
 

Important properties 

1)  Rubella virus is a member of togavirus family (not 

paramyxovirus). 

2)  It is composed of one piece of SS RNA, positive polarity 

RNA with icosahedral symmetry, and lipoprotein 
envelope. 

3)  Its surface spikes contain hemagglutinin. The virus has a 

single antigenic type. 

4)  Humans are the natural host. 

 

Replicative cycle  

The same as for any SS positive sense RNA virus. 
 

Transmission: 

1)  respiratory droplets 
2)  From the mother to fetus transplacentally. 
 

Pathogenesis and immunity: 

1)  Initial replication of the virus occurs in the nasopharynx 

and local lymph nodes. 

2)  From there it spreads via the blood to the internal organs 

and skin. 

3)  The origin of rash is thought to be due to antigen-antibody 

mediated vasculitis 

4)  Natural infection leads to lifelong immunity 
5)  Antibody crosses the placenta and protects the newborn. 

 

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Clinical findings: 

A.  Rubella 

Rubella is milder, shorter disease than measles. After an 
incubation period of 14-21 days, a brief prodromal period 
with fever , malaise, followed by maculopapular rash, 
which starts on the face and progresses downward to 
involve the extremities. 
Posterior auricular lymphadenopathy is characteristic. The 
rash lasts for 3 days. 

B.  Congenital Rubella Syndrome. 

When a non-immune pregnant woman is infected during 
the first trimester, especially the first month, significant 
congenital malformation (heart leading to patent ductus 
arteriosus, the eye leading to cataract, and the brain 
leading to deafness and mental retardation) can occur as a 
result of maternal viremia and fetal infection. The infected 
new born continue to excrete rubella virus for months 
following birth. Some shedders are asymptomatic and 
without any congenital malformation. 
 

Laboratory diagnosis: 

1)  Virus isolation by tissue culture. 
2)  4 fold increase in antibody titer between acute and 

convalescent phase. 

3)  In pregnant mother, IgM antibody indicates recent 

infection. 

4)  An amniocentesis can reveal whether there is rubella virus 

in the amniotic fluid, which indicates definite fetal 
infection. 
 

Treatment

    No antiviral therapy. 

 

Prevention 

Immunization with live attenuated virus vaccine given at 
15 months of age given subcutaneously combined with 
measles and mumps vaccines. Also the vaccine given to 
unimmunized young adult women if they are not pregnant 
and will use contraception for the next 3 months. 
The vaccine has caused a significant reduction in the 
incidence of both rubella and congenital rubella 
syndrome. It induces some respiratory IgA, thereby 
interrupting the spread of virulent virus by nasal carriage. 
Immune serum globulin can be given to pregnant mother 
in the first trimester who have been exposed to a known 
case of rubella. 
 
 
 

   
 

Rhabdoviruses 

              

Rabies virus 

This virus causes rabies which is an acute infection of the 
CNS that is almost always fatal. 
 

Important properties 

1)  Rabies virus is the only medically important member of 

the rhabdovirud family. 

2)  It is SS, negative polarity RNA virus with bullet-shaped 

capsid and an envelope. 

3)  It has single antigenic type. 
4)  Rabies virus has a broad host range: it can infect all 

mammals, but only certain mammals are important 
sources of human infection. 
 

 

 

Replicative cycle 

1)  Rabies virus attaches to the acetylcholine receptor on the 

cell surface. 

2)  After entry into the cell, the virion RNA polymerase 

synthesizes five mRNA that code for viral proteins. 

3)  After replication of the genome viral RNA by a virus-

encoded RNA polymerase, progeny RNA is assembled 
with virion proteins to form the nucleocapsid, and the 
envelope is acquired as the virion buds through the cell 
membrane. 
 

Transmission 

1)  The virus is transmitted by the bite of rabid animal that 

manifests aggressive, bitting behavior induced by viral 
encephalitis. 

2)  In certain developed countries, transmission is usually 

from the bite of wild animals such as skunks, raccoons, 
and bats. 

3)  Human rabies has also occurred in certain developed 

countries in people who have not been bitten, so called 
nonbite exposures, e.g. is the exposure to aerosols of bat 
secretions containing rabies virus. 

4)  Another rare example is transmission in transplants of 

corneas taken from patients who died of undiagnosed 
rabies. 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Pathogenesis: 

  The virus multiplies locally at the bite site, infects the 

sensory neurons, and moves by axonal transport to the 
central nervous system (CNS). 

  During its transport within the nerve, the virus is sheltered 

from the immune system, and little, if any, immune 
response occurs. 

  The virus multiplies in the CNS and then travels down the 

peripheral nerves to the salivary glands and other organs. 

  From the salivary glands, it enters the saliva to be 

transmitted by the bite. 

  There is no viremic stage. 

  Within the CNS, encephalitis develops, with the death of 

neurons and demylination. 

  Infected neurons contain an eosinophilic cytoplasmic 

inclusion called a Negri body, which is important in 
laboratory diagnosis of rabies. 
 

Clinical findings: 

  The incubation period varies, according to the location of 

the bite, from as short as 2 weeks to 16 weeks or longer. It 
is shorter when bites are sustained on the head rather than 
on the leg, because the virus has a shorter distance to 
travel to reach the CNS. 

  The patients exhibits a prodrome of non-specific 

symptoms such as fever, anorexia, and changes in 
sensation at the bite site. 

  Within a few days, signs such as confusion, lethargy, and 

increased salivation develop. Painful spasm of the throat 
muscles on swallowing, this result in hydrophobia. 

  The disease progress to seizure paralysis and coma 

  Death almost invariably ensues, but with the advent of life 

support systems a few individuals have survived. 
 

Laboratory diagnosis: 

1)  Rabies in humans can be diagnosed by fluorescent-

antibody staining of a biopsy specimen, usually taken 
from the skin of the neck at the hairline. 

2)  Isolation of the virus from sources such as saliva, spinal 

fluid, and brain tissue 

3)  Rise in titer of antibody to the virus. 
4)  Negri bodies can be demonstrated in corneal scrapings 

and in autopsy specimens of the brain. 
 
Treatment 
There is no antiviral therapy. Only supportive treatment is 
available. 
 
 

Prevention: 

There are two approaches to prevention of rabies in 
humans: preexposure and postexposure. 
 
Preexposure immunization: 
Vaccine given to high risk individuals: veterinarians, 
zookeepers, and travelers to areas of hyperendimic 
infection. The schedule consist of three doses given on 
days 0, 7, and 21 or 28 .Booster doses given as needed. 
Types of rabies vaccine: 

  Human diploid cell vaccine (HDCV). Inactivated virus 

grown in human diploid cells. 

  Rabies Vaccine, Adsorbed(RVA) 

  Purified Chick Embryo Cell Vaccine(PCEC) 

  Nerve Tissue Vaccine : low antigenicity, induce 

postvaccinal encephalitis  (allergic) 

  Duck Embryo Vaccine: Low antigenicity. 

  Live Attenuated Vaccine: for animals but not for humans. 

 
Postexposure immunization: 

  Both the vaccine and human rabies immune globulin 

(RIG) plus immediate cleaning of the wound and tetanus 
immunization. 

  The decision to give immunization depends on many 

factors: 
1)  The type of the animal (all wild animal attacks 

demand immunization. 

2)  Whether an attack by a domestic animal was 

provoked, whether the animal was immunized, and 
whether the animal is available to be observed. 

3)  Whether rabies is endemic in the area. 

  If the decision is to immunize, both HDCV and RIG are 

recommended. Five doses of HDCV are given (on days 0, 
3, 7, 14, and 28), but RIG is given only once with the first 
dose of HDCV (at a different site?). 

  It is advisable to give RIG as much as possible into the 

bite site, and the remainder is given intramuscularly. 

  If the animal has been captured, it should be observed for 

10 days. 
 
 
 
  
 
  
 
 
 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Lecture Half 7+8 - RNA non 
enveloped viruses 

 

A- Picornaviruses 

They are small nonenveloped viruses composed of an 
icosahedral nucleocapsid and a SS RNA genome of 
positive polarity. 
They replicates in the cytoplasm of cells. 
The picornavirus family includes 2 groups of medical 
importance: 
The Enteroviruses and rhinoviruses. Enteroviruses 
include: Poliovirus, Coxackie viruses, Echoviruses, and 
Hepatitis A virus. 

 

I- Enteroviruses 

1- Poliovirus  

Disease: poliomyelitis which is an acute infectious 
disease that in its serious form affects the central nervous 
system. 
 

Important properties 
The host range is limited to primates, i.e., humans and 
nonhuman such as apes and monkeys. This limitation is 
due to the binding of the viral capsid protein to a receptor 
found only on primate cell membrane.  
There are three serologic (Antigenic) types based on 
different antigenic determinants on the outer capsid 
protein .There is little cross reaction. 
 
Replicative cycle 

1)  The virion interact with specific cell receptor on the cell 

membrane and then enter the cell 

2)  After uncoating, the genome RNA functions as mRNA 

and is translated into one very large polypeptide called 
non capsid viral protein. This polypeptide is cleaved by a 
virus –encoded protease in multiple steps to form both the 
capsid and non-capsid protein, including the RNA 
polymerase that synthesizes the progeny RNA genomes. 

3)  Replication of the genome occurs by synthesis of a 

complementary negative strand, which then serve as the 
template for the positive strands. Some of these positive 
strands function as mRNA to make more viral proteins, 
and the remainder become progeny virion genome RNA. 

4)  Assembly of the progeny virions occurs by coating of the 

genome RNA with caps proteins. 

5)  Virus released from the cell upon death of the cell. 

 

Transmission, pathogenesis and immunity 

  Poliovirus is transmitted by feco-oral route. It replicates in 

the oropharynx and intestine. The virus is regularly 
present in the throat and in stools before onset of illness. 
One week after infection there is little virus in the throat, 
but virus continues to be excreted in the stools for several 
weeks even though high antibody levels are present in the 
blood. No permanent carrier state occurs following 
infection by poliovirus. 

  It is believed that the virus first multiply in the tonsils, 

lymph nodes of the neck, peyer´s patches, and the small 
intestine. 

  The virus spread through the blood stream or retrograde 

along nerve axons to CNS. In CNS, poliovirus 
preferentially replicates in the motor neurons located in 
the anterior horn of the spinal cord .Death of these cells 
results in paralysis of the muscles innervated by those 
neurons. The virus also affects the brain stem, leading to 
bulbar poliomyelitis. 

  In infected individuals, the immune response consists of 

both intestinal IgA and humoral IgG to specific serotype. 
Infection provides lifelong type-specific immunity. 

 

Clinical features 
The infection ranges from inapparent infection, to mild 
febrile illness, to severe and permanent paralysis. 

a)  Most infections are subclinical; only about 1% of 

infections result in clinical illness. Incubation period is 
usually 7-14 days, but it may range from 3 days to 35 
days. 

b)  Mild disease. This is the most common form of the 

disease. The patient has only a minor illness, 
chartecterized by fever, malaise, drowsiness, headache, 
Nausea, vomiting, constipation, and sore throat. Recovery 
occurs in a few days. 

c)  Non paralytic poliomyelitis (Aseptic meningitis): in 

addition to the symptoms of mild disease, the patient has 
stiffness and pain in the back and neck. The disease lasts 
2-10 days, and recovery is rapid and complete. 

d)  Paralytic poliomyelitis: the predominant complaint is 

flaccid paralysis resulting from lower motor neuron 
damage. Maximal recovery usually occurs within 6 
months, with residual paralysis lasting much longer. The 
meninges and brain may be involved in paralytic 
poliomyelitis. 

e)  Progressive Post poliomyelitis Muscle Atrophy: A 

recrudescence of paralysis and muscle wasting has been 
observed in individuals decades after their experience 
with paralytic poliomyelitis. It is not a consequence of 
persistent infection but rather a result of physiologic and 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

aging changes in paralytic patients already burdened by 
loss of neuromuscular function. 

 

Laboratory diagnosis 
1)  
Isolation of the virus from the throat, stool, or spinal 

fluid by inoculation of cell culture. The virus cause 
cytopathic effect (CPE) and can be identified by 
neutralization of the CPE with specific antisera. 

2)  Rise in antibody titer in paired sera. 
 
Treatment 
1)  
There is no antiviral therapy. 
2)  Treatment is limited to symptomatic relief and 

respiratory support, if needed. 

3)  Physiotherapy for the affected muscles is important. 

 

Prevention   
Poliomyelitis can be prevented by both Killed vaccine 
(Salk vaccine, inactivated vaccine, IPV) and the live, 
attenuated vaccine (Sabin vaccine, oral vaccine, OPV). 
Both vaccines induce humoral antibodies, which 
neutralize virus entering the blood and hence prevent 
central nervous system infection and disease. Both 
vaccines contain all three serotypes.  
The current version of the inactivated vaccine is called 
enhanced polio vaccine, or eIPV .It has a high 
seroconversion rate and induces a higher titer of antibody 
than the previous IPV. eIPV also induces some mucosal 
immunity IgA, making it capable of interrupting 
transmission. 
 
Important properties of poliovirus vaccines. 

 

  
The currently approved vaccine schedule for OPV 2, 4, 6 
month age, 18 months & upon entry to school at age 4-6 
years. 

Passive immunization with immune serum globulin is 
available for protection of unimmunized individuals 
known to have been exposed. 
 

2- Coxackieviruses                           

Coxackieviruses are named for the town of Coxackie, 
NY, where they were first isolated. 

 
Important properties: 
Group classification is based on pathogenicity in mice 
Coxackieviruses group A includes 24 serotypes 
Coxackieviruses group B includes 6serotypes. 
The size and structure of virion and the nature of the 
genome RNA are similar to poliovirus but unlike 
poliovirus, they can infect mammals other than primates. 
 
Transmission and epidemiology: 
Coxackieviruses are transmitted primarily by the fecal-
oral route; but respiratory aerosols also play a role. 
They replicate in the oropharynx and the intestinal tract. 
Humans are the only natural hosts.  
Coxackievirus infection occur worldwide, primarily in the 
summer and fall. 
 
Pathogenesis and immunity: 
Group A virus has a predilection for skin and mucous 
membranes, whereas group B viruses cause disease in 
various organs such as the heart, pleura, pancreas, and 
liver. Both groups can affect the meninges and the motor 
neurons (anterior horn cells) to cause paralysis. From their 
original site of replication in the oropharynx and GIT, 
they disseminate via blood stream. 
Immunity following infection is provided by type – 
specific IgG antibodies. 
 
Clinical findings: 

1)  Group A- specific diseases 

Herepangina is characterized by fever, sore throat, and 
tender vesicles in the oropharynx. 
Foot-and-mouth disease is characterized by a vesicular 
rash on the hands and feet and ulcerations in the mouth, 
mainly in children. 

2)  Group-B- Specific diseases: 

Pleurodynia (Bronholm disease, epidemic myalgia, devil's 
grip) is characterized by fever and severe pleuritic chest 
pain. 
Myocarditis and pericarditis are characterized by fever, 
chest pain, and signs of congestive heart failure.  
Diabetes in mice can be caused by pancreatic damage as a 
result of infection with coxackievirus B4. This virus is 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

suspected to have a similar role in juvenile diabetes in 
humans. 

3)  Disease caused by both groups: 

Aseptic meningitis, mild paresis, and acute flaccid 
paralysis similar to poliomyelitis. Upper respiratory 
infections and minor febrile illnesses with or without rash 
can occur also. 
 
Laboratory diagnosis: 
Virus isolation or serology. 

 
Treatment : 
Neither antiviral nor vaccines are available. 
 

3- Echovirus 

E= enteric  C= cytopathic  H= human   O= orphan  
More than 30 serotypes have been isolated  
They are transmitted by the feco-oral route  
It causes aseptic meningitis, URTI, febrile illnesses with 
or without rash, infantile diarrhea, and hemorrhagic 
conjunctivitis. 
Neither antiviral nor vaccines are available. 
 

4- Other enteroviruses 

Enterovirus 70 cause  acute haemorrhagic conjunctivitis 
Enterovirus 71 meningitis, encephalitis, and paralysis, 
diarrhea, pulmonary hemorrhages, hand –foot-and- mouth 
disease, and herpangina. 
Enterovirus 72 is hepatitis A virus. 
 
 

II-Rhinoviruses  

They are the main cause of common cold. 

 
Important properties: 
1)  
More than 100 serotypes. 
2)  They replicate better at 33 C

º

, so they replicate in nose 

and conjunctiva. 

3)  They are acid labile, they are killed by gastric acid 

when swallowed. 

 
Transmission and epidemiology: 
2 modes of transmission. 
1- Direct via respiratory aerosol  
2- Indirect
, in which respiratory droplets are deposited on 
hands or on a surface such as table and then transported 
by fingers to the nose or eyes. 
A few serotypes of rhinoviruses are prevalent during one 
season, only to be replaced by other serotypes during the 
following seasons. 

 

Clinical findings 
Incubation period of 2-4 days, sneezing, nasal discharge, 
and headache are common with chilly sensation. The 
illness lasts about 1 week. 

 
Laboratory diagnosis 
Viral isolation rarely done. 

 
Treatment  
No antiviral drugs are available. 
 
 

B- Calciviruses 

They are small nonenveloped virus with single strand 
RNA of positive polarity. 

1-  Norwalk virus (Norovirus) 

It is one of the most common causes of gastroenteritis in 
adult in USA and worldwide. 
It is transmitted by fecooral route by ingestion of seafood 
and contaminated water and diseaee is characterized by 
sudden onset of vomiting and diarrhea with low grade 
fever and abdominal cramping. The disease last for 
several days. 
No role for antiviral drugs. Supportive treatment id required. 

 

 

C- Reovirus (Respiratory Enteric Orphan). 

1- Rotavirus: 

It is the most common cause of viral gastroenteritis in 
young children. 
Properties: 
It has segmented (11 segments) double strand RNA 
genome surrounded by double –layered icosahedral 
capsid without an envelope. 
The virion has RNA-dependent RNA polymerase. 
There are at least six serotype of human rotavirus. 
Rota virus attaches to cell surface at the site of ß-
adrenergic receptor. 
Laboratory diagnosis: 
Detection of rotavirus in the stool by ELISA. 
Four fold increase in antibody titer  
No role for viral culture in the diagnosis. 

 

Prevention 
There are two type of rotavaccine 
1)  Live attenuated vaccine (Rotarix) which contain single 

most common serotype. 

2)  Live reassortant vaccine ( Rotateq) which contains 

five rotavirus strain.   


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

212

 

Lecture 9+10 - Retroviruses 

 
The retroviridae family is divided into seven genera .The 
genera which are important to human are delta retrovirus 
and lentivirus. 
 

Lentivirus 

Human immunodeficiency virus (HIV) 

Human immunodeficiency virus is a member of lentivrus 
which cause slow infection with long incubation period 
(AIDS). 
The acquired immunodeficiency syndrome (AIDS) was 
first recognized in 1981. It is caused by the human 
immunodeficiency virus (HIV-1). HIV-2 causes a similar 
illness to HIV-1 but is less aggressive and restricted 
mainly to western Africa. 
HIV is one of the two important human T cell 
lymphotropic viruses. It preferentially infects and kills 
helper CD-4

+

 T cells leading to loss of cell mediated 

immunity and high probability of opportunistic infection. 
Other cells (macrophage and monocytes) can be infected 
also. 

 

General characteristic 

  HIV has a bar shaped core surrounded by an envelope 

contain type specific glycoprotein (gp 120, gp 41). 

 

 

 

  The genome consists of 2 identical molecules of SS, 

positive polarity RNA. 

  There are three typical retroviral genes gag, pol, and 

env, (encode the structural proteins), and six regulatory 
genes
Two of the regulatory genestat, and rev, are 
required for replication, and the other fournef, vif, vpr, 
and vpu, are not required for replication and are termed 
accessory genes. 

  The gag gene encodes the internal corer protein [(p24) (is 

the most important used in serology)], and p17 (matrix). 

  The pol gene encodes: 

1)  Virion reverse transcriptase. 
2)  Integrase. 
3)  Protease  

  The env gene encodes for gp 160 that is cleaved to gp 120 

(attachment to CD4) and gp 41(fusion with host cell). 
      

Regulatory genes: 

1)  Tat for activation of transcription of viral genes. 
2)  Rev for transport of late mRNA from nucleus to 

cytoplasm. 

3)  Nef .repress the synthesis of class I MHC proteins, 

thereby reducing the ability of cytotoxicT cells to kill HIV 
– infected cells. 

4)  Vif (viral infectivity) inhibit the action of APOBEC3G, an 

enzyme that cause hypermutation in retroviral DNA. 

5)  Vpr transports viral core from cytoplasm into nucleus in 

non-dividing cells. 

6)  Vpu enhances virion release from cell. 

 

Important antigens of HIV: 

1)  gp 120 and gp 41 are type specific envelop gp. HIV 

classified into 3 types (M, N, and O) .M is common types 
and contain 10 subtypes (A-J). The gene that encodes gp 
120 mutates rapidly, resulting in many antigenic variants. 
Antibody against gp 120 neutralizes the infectivity of 
HIV, but the rapid appearance of gp 120 variants will 
make production of an effective vaccine difficult. 

2)  The group-specific antigen, p24, is located in the core and 

antibody against p24 serves as important serologic 
markers of infection. 
 

Origion of HIV 

HIV-1 in humans originated from cross-species transmission 
of SIV

cpz

 (simian immunodeficiency virus of chimpanzee) 

while HIV-2 from SIV

sm 

(sm= Sooty mangabey) 

 

Disinfection and inactivation 

HIV is completely inactivated by treatment for 10 minutes 
at room temperature with any of the following: 10% 
household bleach, 50% ethanol, 35% isopropanol, 0.5% 
paraformaldehyde, 0.3 % H2O2.The virus inactivated by 
extreme pH(1,13).If HIV present in clotted or unclotted 
blood in a needle or syringe, exposure to undiluted bleach 
for at least 30 seconds is necessary for inactivation. HIV 
is readily inactivated in liquid or 10% serum by hearting 
at 56 c for 10 minutes. 

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Virus receptors  

Lentiviruses use CD4 molecule as a receptor, which is 
expressed on macrophages and T lymphocytes. A second 
core receptor in addition to CD4 is necessary for HIV-1 to 
gain entry to cells (required for fusion of the virus with 
cell membrane).The virus first bind to CD4 receptor and 
then to core receptor. The core receptors are CXCR4 for 
T-tropic strains and CCR5 for macrophage-tropic strains. 
 

Replicative cycle 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Transmission 

1)  Sexual contact 
2)  Transfer of infected blood 
3)  From infected mother to neonate.50% of neonatal 

infection are acquired at time of birth.25% trancplacental 
and 25% via breast feeding. 

4)  Sharing needles in I.V drug addicts. 
5)  Transfer through body fluid e.g. saliva, tear. 
6)  The risk of infection after percutaneous exposure and 

needle- stick injuries is about 0.3% .This means that the 
infectious dose of HIV is high. 
 

Pathogenesis 

  HIV infects T

h

 cells and kills them, resulting in 

suppression of cell-mediated immunity. This predisposes 
the host to various opportunistic infections and certain 
cancers such as Kaposi ´s sarcoma and lymphoma. HIV 
doesn’t directly cause these tumors because HIV genes 
arte not found in these cancer cells. 

  Monocytes and macrophage play a major role in the 

dissemination and pathogenesis of HIV infection. 
Macrophage tropic strain HIV predominates in the early 
infection and these strains responsible for initial 
infection.T-tropic strain predominate later. It is believed 
that the monocyte and macrophage serve as major 
reservoirs for HIV in the body. 

  The initial infection of the genital tract occurs in dendritic 

cells that line the mucosa, after which the local CD-4

 + 

Th 

cells become infected .HIV,

 

is first found in the blood 4-11 

days after infection. 

  Neurologic abnormalities are common in late stages of 

infection and are AIDS-defining condition. The CNS 
diseases are HIV encephalopathy, peripheral 
neuropathies, and AIDS dementia complex. The 
predominant cell types in the brain that are infected with 
HIV are monocytes and macrophages. 

  B-cells abnormalities. Polyclonal activation of B cells is 

seen, with resultant high Ig levels. Autoimmune diseases, 
such as thrombocytopenia occur. 

 

Mechanisms that explain the death of Th cells in HIV 
infection. 
1)  
The immunologic attack of the HIV infected cells by 

Tc-CD-8 cells. 

2)  HIV acts as superantigen which activates many T

h

 

cells and leads to their death. 

 

 
 

A group of HIV infected individuals has lived for 
many years without opportunistic infection and 
without a reduction in the number of their T

h

 

CD4 cells. Why? 

1)  The strain of HIV isolated from these individuals has 

mutation in the Nef gene, indicating the importance of this 
gene in pathogenesis.    
The Nef protein decreases class I MHC protein synthesis, 
and the inability of the mutant virus to produce functional 
Nef protein allows the cytotoxic T cells to retain their 
activity. 

2)  Production of large amounts of ALPHA- defensins which 

has an antiviral activity in addition to its antibacterial 
activity.  
ALPHA-Defensins interfere with HIV binding to the 
CXCR4 receptor and block entry of the virus into the cell. 
 

Immunity  

1)  The main immune response to HIV infection consists of 

cytotoxic CD8-positive lymphocytes. These cells respond 
to the initial infection and control it for many years. It is 
the ultimate failure of these cytotoxic T cells that results 
in the clinical picture of AIDS.Cytotoxic T cells lose their 
effectiveness because so many CD4-helper T cells have 
died; thus , the supply of lymphokines, such as IL-2, 
required to activate the cytotoxic T cells is no longer 
sufficient. 

2)  HIV has three main mechanisms by which it evades the 

immune system:  

A.  Integration of viral DNA into host cell DNA, resulting in 

a persistent infection. 

B.  A high rate of mutation of the env gene. 
C.  The production of Tat and Nef proteins that downregulate 

class I MHC proteins required for cytotoxic T cells to 
recognize and kill HIV-infected cells. The ability of HIV 
to infect and kill CD4-positive helper T cells further 
enhances its capacity to avoid destruction by the immune 
system.  
 

Clinical finding 

The clinical picture of HIV infection can be divided into 
three stages: an early acute stage, a middle latent stage 
and a late immunodeficiency stage. 

  Acute stage: 

  Begins 2- 4 weeks after infection with mononucleosis –

like picture of fever, lethargy, sore throat, and generalized 
lymphadenoppathy occurs .Maculopapular rash on the 
trunk, arms, and legs (sparing the palms and soles). 

  Leukopenia with normal number of CD-4

+

 T cells. 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

  High level of viremia and the infection is highly 

transmissible. 

  This stage resolves spontaneously in about 2 weeks 

accompanied by a lower level of viremia and a rise in the 
number of CD-8

+

 T cells directed against HIV. 

  Abs against HIV typically appears 10-14 days after 

infection, and most will have seroconverted by 3-4 weeks 
after infection. Window period prior to this period in 
which the patient is infected with HIV but antibodies are 
not detected leading to false negative results and 87% of 
infected patients are asymptomatic. 

  After initial viremia a virus set point can occur which 

represents the amount of virus produced (viral load) and 
tend to remain constant for years. 

  Middle latent stage: 

  In untreated patient, this period lasts for 7-11 years and 

the patient is a symptomatic and viremia is low or absent. 

  A large amount of HIV is being produced by lymph node 

cells but remains sequestered within lymph nodes 

  A syndrome called AIDS-related complex (ARC) can 

occur during this stage and manifested by persistent fever, 
weight loss, fatigue and lymphadenopathy.ARC often 
progress to AIDS. 

  Late stage: 

  The late stage of HIV infection is AIDS , manifested by 

decline in the number of CD-4 cells to below 400/ µl  

  An increase in the frequency and severity of opportunistic 

infection. The two most important is pneumocystis 
pneumonia and Kaposi's sarcoma in addition to viral, 
fungal , and bacterial infections.Neurologic problems also 
occur e.g. dementia and neuropathy.  

 

Laboratory diagnosis: 

1)  The presumptive diagnosis of HIV is made by the 

detection of antibodies by ELISA. 

2)  Because there are some false –positive results with this test, 

the definitive diagnosis is made by Western blot analysis in 
which the viral proteins are displayed by acrylamide gel 
electrophoresis, transferred to nitrocellulose paper and react 
with patient´ s serum. If antibodies are present, they will 
bind to the viral proteins. Enzymatically labeled Ab to 
human IgG is then added .A color reaction reveals the 
presence of HIV Ab in the serum. 

3)  Ora Quick is a rapid screening immunoassay for HIV Ab 

detection within 20 minutes that uses a blood sample 
obtained by finger prick.  Positive Results confirmed by 
western blot test. 

4)  Tissue culture. To assess drug resistance and for the 

diagnosis of HIV infection in newborns whose mothers 
are HIV

+

5)  PCR to detect HIV DNA within infected cells and for 

detection of viral load.PCR also can be used in the 
diagnosis of HIV infection in neonate of HIV

+

 mothers. 

During the first month after infection, Ab tests may be 
negative (window periods).The diagnosis of acute HIV 
infection may not be made by using serologic tests. The 
presence of HIV can be detected either by viral culture, 
p24 antigen test, or PCR assay
. Approximately 10-20 
days after infection, an increase in HIV RNA can be 
detected by PCR assay and by 30 days after infection, an 
increase in p24 antigen can be seen in patients whose Ab 
test results are negative. 

 

Treatment  

  Management of HIV involves both treatment of the virus 

and prevention of opportunistic infections. The aims of 
HIV treatment are to:  

  reduce the viral load to an undetectable level (< 50 

copies/ml) for as long as possible  

  improve the CD4 count (above 200 cells/mm

3

 significant 

HIV-related events rarely occur)  

  increase the quantity and improve the quality of life 

without unacceptable drug-related side-effects or lifestyle 
alteration  

  Reduce transmission (mother-to-child & person-to-person).  

  Treatment with single drugs is liable to develop resistance 

to that drug because of high mutation rate in HIV. 

  The current treatment of choice for advanced disease is a 

regimen consisting of two nucleoside (-tide) reverse 
transcriptase inhibitors plus a protease inhibitor. This 
combination is known as HAART (Highly Active 
Antiretroviral Therapy). 

  In 2003, a new drug emerged, it is fusion inhibitors, and 

i.e. they prevent the fusion of the viral envelope with the 
cell membrane. The drug is called enfuvertide (Fuzeon).It 
is a synthetic peptide that binds to gp 41 on the viral 
envelope, thereby blocking the entry of HIV into the cell. 
It is given by injection. 
  Nucleoside (tide) reverse transcriptase inhibitors: 

1) Abacavir          2) Didanosine (dideoxyinosine, ddI) 
3) Lamivudine       4) Stavudine        5) Tenofovir 
6) Zalcitabine        7) Zidovudine (ZDV,AZT) 

  Non-nucleoside reverse transcriptase inhibitors (NNRTI): 

1) Nevirapine    2) Delavirdine     3) Efavirenz  

  Protease inhibitors:  

1- Saquinavir           2- Ritonavir  
3- Nelfinavir            4- Indinavir 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

215

 

Human T-cell lymphotropic virus (HTLV-1) 

Human T-cell lymphotropic virus -1(HTLV-1) causes 2 
distinctly disease:  
a) A cancer called Adult T-cell leukemia /lymphoma 
(ATL). 
b) A neurologic disease called HTLV-associated 
myelopathy (HAM) (spastic paraperesis, chronic 
progressive myelopathy). 
HTLV-2 also appears to cause these diseases, but the 
association is less clearly documented. 

 

Important properties 

Two copies of SS positive polarity  RNA enveloped virus 
with reverse transcriptase in the virion.HTLV infects T 
cell lymphocyte and cause malignant transformation of 
the infected T cell but don’t kill them.  
 

HTLV genome 

HTLV genome is more stable than that of HIV. 
Three structural genes common to all retroviruses (gag, 
pol, env
 (gp 46, gp21)) plus two regulatory genestax 
and rex (similar in action to tat and rev). 
HTLV don’t possess an oncogene in its genome and does 
not integrate its proviral DNA at a specific site near a 
cellular oncogene, but it activate transcription of both 
cellular and viral mRNA synthesis by the Tax protein that 
initiates oncogenesis.The tax protein activates the 
synthesis of IL-2 and of the IL-2 receptors.IL-2 promotes 
rapid T-cell growth and eventually malignant 
transformation of the T-cell. 
 

Replicative cycle  

As for HIV. 
 

Transmission and epidemiology 

1)  Intravenous drug use. 
2)  Sexual contact. 
3)  Breast feeding  
4)  Blood transfusion. This can greatly reduced by screening 

of donated blood for antibodies to HTLV and discarding 
those that are positive. 

5)  Transmission by processed blood products, such as 

immunglobulins has not occurred. 

6)  Trancplacental transmission has been rarely documented. 
7)  Transmission is thought to occur primarily by the transfer 

of infected cells rather than free extracellular virus. 

8)  HTLV is endemic in certain geographic areas, The 

Caribbean region including southern fluoride, eastern 
South America, western Africa and Southern Japan. 

Pathogenesis  

  ATL in which HTLV infection of CD4-positive T 

lymphocytes induce malignant transformation. HTLV 
remain latent within malignant cells. 

  HAM is a demylinating disease of the brain and spinal 

cord, especially of the motor neuron in the spinal cord. 
HAM is caused either by an autoimmune cross-reaction in 
which the immune response against HTLV damage the 
neurons or by cytotoxic T cells that kill HTLV-infected 
neurons. 

 

Clinical feature 

1)  ATL 

It is characterized by lymphadenopathy, 
hepatosplenomegaly, lytic bone lesion, and skin lesions, 
hypocalcaemia due to increase osteoclast activity, 
opportunistic infections. 

2)  HAM 

Gait disturbance, weakness of the lower limbs, and low 
back pain, loss of bowel and bladder control, loss of 
motor function is much greater than sensory loss. HAM 
occurs primarily in women of middle age. HAM 
resembles multiple sclerosis but without the remission 
characteristic of multiple sclerosis. 
 

Laboratory diagnosis: 

1)  ELISA test for Ab detection in patient s serum. Positive 

test is confirmed by western blot assay  

2)  PCR assay for HTLV RNA or DNA within infected cells. 
3)  ATL is diagnosed by finding malignant T cells in the 

lesion. 

4)  HAM is diagnosed by HTLV Ab in the spinal fluid or 

finding HTLV nucleic acid in cells in spinal fluid. 

 

Treatment 

  There is no specific antiviral treatment for HTLV 

infection, and no antiviral drug will cure latent infections 
by HTLV. 

  ATL is treated with anti-cancer chemotherapy regimens 

  Corticosteroids and danazol have produced improvement 

in some patient with HAM. 

 

 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Lecture 11+12 - DNA enveloped 
viruses 

 

Herpesviruses 

  The herpesvirus family contain six important human 

pathogens 
1)  Herpessimplex virus type 1 
2)  herpessimoplexvirus type 2 
3)  varicella zoster virus 
4)  cytomegalovirus 
5)  Epstein-Barr virus 
6)  Human herpes virus 8 (the cause of kaposi´s sarcoma). 

  All herpesviruses are structurally similar: 

1)  Enveloped with icosahedral symmetry. 
2)  Linear DS-DNA. 
3)  No virion polymerase. 
4)  They are large in size second in size to pox virus. 
5)  Replication in nucleus 
6)  Tegument (play a role in replication) located between 

nucleocapsid and the envelope. 

  They produce latent asymptomatic infection following the 

primary acute infection. Some have symptoms of the 
latent similar to that of the primary while the other the 
symptoms of the latent infection are  differ from that of 
primary one. 

  Three of herpesvirus (HSV-1,2 .VZV) cause a vesicular 

rash both in primary and in reactivation. 

  Four herpesvirus induce formation of multinucleated giant 

cells ( HSV1,2,VZV,and CMV). 

  Certain herpes virus cause cancer in man ( e.g: Epestein 

Barre virus). 

  The herpesvirus family can be subdivided into three 

categories base on the type of cell most infected and the 
site of latency. 
  Alpha herpesvirus: HSV1,2 VZV) infect epithelial 

cells and cause latency in neurons. 

  Beta herpesviruses: ( CMA,HH6) infect and become 

latent in a variety of tissue. 

  Gamma herpesviruses: Epestein_Barr virus and 

HHV8) infect and become latent in lymphoid cells. 

 

Herpesvirus 1&2 

They are structurally and morphologically 
indistinguishable. They can be distinguished by their 
antigenicity and location of lesions. 

 
 
 

Replicative cycle (as shown in the figure below) 

1)  HSV-1 binds first to heparin sulfate on the cell surface 

and then to second receptor, nectin.  

2)   Following fusion of the viral envelope with the cell 

membrane, the nucleocapsid and the tegument proteins 
are released into the cytoplasm. 

3)  Viral NC is transported to the nucleus, where it docks to a 

nuclear pore and the genome DNA enters the nucleus 
along with tegument protein VP 16. the linear genome 
DNA now becomes circular. 

4)  VP 16 interacts with cellular transcription factors to 

activatew transcription of viral immediate early (IE) genes 
by host cell RNA polymerase. 

5)  IE mRNA is translated into IE proteins that regulate the 

synthesis of early proteins such as DNA polymerase 
(repilicate the genome) and thymidine Kinase . 

6)  Viral DNA polymerase replicate the genome DNA at 

which early protein synthesis is shut off and late protein 
synthesis begin. 

7)  The late, structural protein are transported to the nucleus 

where virion assembly occurs by budding through nuclear 
membrane. 
Note: immediate early proteins are proteins whose mRNA 
synthesis is activated by a protein brought in by incoming 
parental virion whilt early protein do require the synthesis 
of new viral regulatory proteins to activate the 
transcription of their mRNAs. 
 

Transmission and epidemiology 

  HSV-1 is transmitted primarily by saliva. 

  HSV-2 is transmitted by sexual contact. 

 

Pathogenesis and Immunity: 

1)  Virus replicate in the skin or mucous membrane at the 

initial site of infection, then migrates up the neurons by 
retrograde axonal flow and becomes latent in the sensory 
ganglion cell. 

2)  HSV-1 becomes latent in trigeminal ganglia 
3)  HSV-2 becomes latent in the lumbar and sacral ganglia. 
4)  During latency, most- if not all-viral DNA is located in 

the cytoplasm rather than integrated into nuclear DNA. 

5)  The typical lesion is a vesicle and when vesicle rupture, 

virus is librated and can be transmitted to other individual. 

6)  Multinucleated giant cells are typically found at the base 

of herpevirus lesion. 

7)  Immunity is type specific and incomplete and both 

reinfection and reactivation occur in the presence of 
circulating IgG. 

8)  There is viremia in HSV-2 with no viremia in HSV-1. 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

 
 

 
 
 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Clinical findings: 

  HSV-1 cause the following diseases. 

1)  Gingivostomatitis (vesicles in the mouth) mainly in 

children. 

2)  Herpes labialis 
3)  Keratoconjuctivitis. 
4)  Encephalitis. 
5)  Herpetic whitlow ( pustular lesion of the skin of the finger 

or hanbds) senn in dentists and hospital peresonale. 

6)  Herpetic gladiatorum (vesicular lesion on the head, neck, 

and trunk). Seen on wrestlers bodies. 

7)  Disseminated infection (oesophagitis and pneumonia). 

  HSV-2 causes the following: 

1)  genital herpes 
2)  Neonatal herpes 
3)  Aseptic meningitis. 

  Both HSV-1 and HSV-2 are associated with erythema 

multiforme. 
 

Laboratory diagnosis: 

1)  Isolation of the virus by cell culture 
2)  A rapid diagnosis from skin lesions can be made by using 

the Tzanck smear, in which cells from the base of the 
vesicle are stained with Giemsa stain. The presence of 
MNG cells suggest herpesvirus infection. 

3)  Encephalitis diagnosed by PCR for HSV-1 DNA. 
4)  Serological test such as neutralization test can be used in 

the diagnosis of primary infection because of significant 
increase in Ab titer, but it is of no benefit in recurrence. 
 

Treatment 

1)  Acyclovir is the treatment of choice for encephalitis and 

systemic disease caused by HSV-1, and treatment of the 
primary and recurrent genital herpes; it shortens the 
duration of the lesion and reduces the extent of shedding. 

2)  Foscarnet in mutant strain of HSV-1 
3)  Trifluridine used in the treatment of eye infection 

topically. 

4)  Penciclovir in the treatment of recurrent orolabial HSV-1. 
5)  Valacyclovir and famiciclovir in the treatment of genetal 

herpes. 
Note:  
1)  
Drug is effective in preventing the recurrence after 

primary infection. 

2)  Drugs have no effects on latent state. 

 
 
 
 

Varicella- zoster virus (VZV) Disease 

 

Varicella – chicken pox (primary disease) 

 

Zoster - shingles is the recurrent form. 

 

VZV has a single serotype 

  Immunity following varicella is lifelong but zoster can 

ocurr despite immunity to varicella. 

  The virus is transmitted by respiratory droplets and by 

direct contact with the lesion. Varicella is highly 
contagious disease of childhood. It is a mild disease in 
children and severe in adult. 

  VZV infects the mucosa of the URT then spread via the 

blood to the skin. The virus infects sensory neurons and is 
carried by retrograde axonal flow into the cells of the 
dorsal root ganglia where the virus become latent. 
 

Clinical findings: 

  Varicella: 

Incubation period = 14-21 days. 
A brief prodromal symptoms of fever, malaise occur 
followed by papulovesicular rash in crops on the trunk 
and spreads to the head and extremities. The rash evolves 
from papules, vesicle pustules and finally crusts. 

  Zoster 

The occurrence of painful vesicles along the course of a 
sensory nerve of the head or trunk. 
Laboratory diagnosis 
It is mainly clinical. 
 

Treatment 

  No antiviral therapy is required in immunocompetent 

patient. 

  Therapy by acyclovir is indicated in immunocompetent 

patient with moderate to severe infection and in 
immunocompromised children and adults. 
 

Prevention 

There are two live attenuated VZV vaccine: 

  Varivax against varicella (recommended for children 

between 1-12 years) 

  Zostavax against zoster but does not eradicate the latent 

state of VZV (recommended for people older than 60 
years and who have had varicella). 

  In immunocompromised patients prevention is by 

acyclovir or Varicella zoster immunoglobulin (VZIG). 
 
 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Cytomegalovirus (CMV) 

Diseases: 

Cytomegalic inclusion bodies in neonates. CMV is a very 
important of pneumonia and other diseases in 
immunocompromised patient.  It also causes a heterophil 
negative infectious mononucleosis like syndrome. 
It has a single serotype. 
 

Replicative cycle: 

It is similar to that of HSV but in CMV, some of its 
immediate early proteins are translated from mRNA 
brought into the infected cell by parental virion rather 
than being translated from mRNAs synthesized in the 
newly infected cell. 
 

Transmission 

  Early in life= transplacental, from birth canal, and in 

breast milk. 

  In young children = mainly via saliva 

  Later in life = sexually; it is present in both semen and 

cervical secretions. It can also transmitted by blood 
transfusion, and organs transplantation. 

  About 80% of adults have antibody against the virus. 

 

Pathogenesis 

  CMV causes cytomegalic inclusion diseases in infants 

characterized by MNG cell with prominent intranuclear 
inclusions. Many organs are affected. The infection is 
acquired if the mother infected during pregnancy and 
congenital abnormalities are more common if the 
infection is acquired during the first trimester. 

  Infections of children and adults are usually asymptomatic 

and the virus enter a latent state primarily in the 
monocytes and can be reactivated when cell mediated 
immunity is decreased. 

  Reactivation of CMV from the latent state in cervical cells 

can result in infection of the new born during passage 
through the birth canal. 
 

How the virus escape the immune system? 

1)  In viral infected cell, assembly of the MHC class I viral 

peptide complex is unstable, so viral antigens are not 
displayed on the cell surface and killing by Tc does not 
occur. 

2)  CMV encodes several microRNAs, one of which binds to 

and prevents the translation of the cells mRNA for the 
Class I- MHC proteins. 

Clinical findings 

1)  About 20% of infants infected with CMV during gestation 

show clinically apparent manifestations of cytomegalic 
inclusion disease such as microcephaly, seizure, deafness, 
jaundice, & purpura. Hepatosplenomegaly is very common 

2)  In immunocompetent adults, CMV causes heterophil 

negative mononucleosis which is characterized by fever, 
lethargy and the presence of abnormal lymphocytes in 
peripheral blood smears. 

3)  In immunocompromised patients, it causes systemic 

infection like pneumonitis and hepatitis.it is a common 
cause of retinitis in AIDS patient which lead to blindness. 

 

Laboratory diagnosis 

1)  Culture in shell vial culture coupled with the use of 

immunoflourescent antibody which make Diagnosis 
within 72 hours. 

2)  Fluorescent antibody and histologic staining of inclusion 

bodies in giant cells in urine and tissue. The inclusion 
bodies are intranuclear and have an oval owls-eye shape

3)  A fourfold increase in antibody titer 
4)  PCR for CMV DNA in tissue or body fluids (spinal or 

amniotic). 

5)  CMV antigenaemia can be measured by detecting pp65 

within blood leukocytes using an IF assay. Pp65 is a 
protein located in the nucleocapsid of CMV. 

 

Treatment  

  Ganciclovir is moderately effective in the treatment of 

CMV retinitis and pneumonia in AIDS patient. 

  Valganciclovir is also used for retinitis 

  Foscarnet  

  Cidofovir is also useful in the treatment of retinitis. 

  Fomivirsen is an antisense DNA approved for intraocular 

treatment of retinitis. 
 

Prevention  

  There is no vaccine against CMV 

  Ganciclovir can suppress retinitis in AIDS patient. 

  Infants with Cytomegalic inclusion disease who are 

shedding virus in their urine should be kept isolated from 
other infants. 

  A high titer of immunoglobulin preparation is used to 

prevent disseminated CMV infections in organ transplant 
patients. 
 
 
 
 

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Epstein-Barr virus (EBV) 

Diseases: 

EBV causes infectious mononucleosis. It is associated 
withy Burkitt's lymphoma, other B-cell lymphomas and 
nasopharyngeal carcinoma. 
EBV causes hairy leukoplakia. 
 

Properties 

  Antigens of EBV 

1)  Viral capsid antigen (VCA) is mostly used in the 

diagnosis. 

2)  Early antigen (EA) are produced prior to viral DNA 

synthesis. 

3)  Nuclear antigen (EBNA) 
4)  Lymphocyte determined membrane antigen. 
5)  Viral membrane antigen. 

  Neutralizing activity is directed against the viral 

membrane antigen. 

  EBV infects mainly lymphoid cells, primarily B-

lymphocytes. It also infects the epithelial cells of the 
pharynx. 

 

Transmission and epidemiology 

  It is transmitted primarily by saliva  

Not transmitted by blood transfusion. 

  Infection in the first few years of life is asymptomatic. 

  The frequency of clinically apparent IM is highest in 

those who are exposed to the virus later in life (e.g., 
college students). 

 

Pathogenesis  

The infection first occurs in nasopharynx and then spread 
to blood, where it infects B lymphocytes. Cytotoxic T cell 
react against the infected B cell. The T cells are the 
"Atypical lymphocytes" seen in bloods. The virus 
becomes latent within B- lymphocytes. 
 

Immunity 

1)  First Antibody response is IgM against VCA followed by 

IgG and persist for life. 

2)  Lifetime immunity against second episodes of IM is based 

on antibody to the viral membrane antigen. 

3)  Nonspecific heterophil antibodies are also found. 

Heterophil refers to antibodies that are detected by tests 
using antigens different from the antigens that induced 
them. The heterophil antibodies formed in infectious 
mononucleosis agglutinate sheep or horse red blood cells 
in laboratory. 

Note that these antibodies don’t reacts with any 
components of EB!. How? 
The answer is that EBV likely modifies a cell membrane 
constituent such that it becomes antigenic and induces the 
heterophil antibody. These antibodies disappear 6 months 
after recovery. These antibodies are not specific for EBV 
infection and are also seen in individuals with hepatitis B 
and serum sickness. 
 

Clinical findings 

Infectious mononucleosis is characterized primarily by 
fever, sore throat, lymphadenopathy, and splenomegaly. 
Anorexia and lethargy is prominent. 
Hepatitis is frequent. Encephalitis could occur. 
Spontaneous recovery usually occurs 2-3 weeks. Splenic 
rupture is associated with sport activities such as football. 
 

Laboratory diagnosis: 

1)  Haematologic approach absolute lymphocytosis occurs as 

many as 30 % abnormal lymphocytes. These atypical 
lymphocytes are enlarged with expanded nucleus and an 
abundant often vacuolated cytoplasm. They are cytotoxic 
T-cells that are reacting against the EBV-infected B-cell. 

2)  Immunologic  

A.  Monospot test for heterophil antibody test. 
B.  The EBV –specific antibody test are user primarily in 

the diagnosis. (VCA,EA,and EBNA). 

 

Treatments  

No antiviral test is necessary for uncomplicated IM. 
Acyclovir has little activity against EBV, but high doses 
may be useful in life threatening EBV infections. 
 

Prevention 

There is no EBV vaccine. 
 

Human herpesvirus-8 (Kaposi's sarcoma 
associated Herpes virus) 

 

The virus is transmitted sexually and also may be by 
organ transplantation. 
It causes kaposi's sarcoma by malignant transformation by 
the mechanism of inactivation of tumor suppressor gene. 
 

Poxviruses 

It includes three viruses:  

1)  Small pox virus. 
2)  Vaccine virus. 

3) 

Mollescum contagiosum virus

.

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

212

 

Lecture 13 - DNA Non-enveloped Virus 

 

I- Adenoviruses 

They are non-enveloped with icosahedral symmetry, DS-
DNA. They are the only viruses with a fiber protruding 
from each of the 12 vertices of the capsid. The fiber is the 
organ of attachment and is a haemagglutinin. The free 
fibers are toxic to man. 
There are 41 known antigenic types. The fiber protein is 
the main type specific antigen. Group specific antigen 
located on the hexon protein. 
Certain serotypes cause sarcoma at the site of injection in 
laboratory rodents such as newborn hamsters. There is no 
evidence that adenoviruses cause tumors in human. 

 

Replicative cycle 

1)  After attachment to the cell surface via its fiber, the virus 

penetrates and uncoats, and the viral DNA moves to the 
nucleus. 

2)  Host cell DNA-dependant RNA polymerase transcribes 

the early gene resulting in mRNA. 

3)  Early mRNA is translated into nonstructural proteins in 

the cytoplasm. 

4)  After viral DNA replication in the nucleus, late mRNA is 

transcribed and then translated into structural virion 
proteins. 

5)  Viral assembly occurs in the nucleus, and the virus is 

released by lysis of the cell, not by budding. 
 

Transmission  

1)  aerosol droplet 
2)  fecooral route in young children 
3)  direct inoculation of conjuctivas by tonometers or fingers 

 

Epidemiology  

  Serotypes 3,4,7,21 cause respiratory disease. 

  Types 8 and 19 cause epidemic conjunctivitis 

  Types 11,21 cause hemorrhagic cystitis. 

  Type 40, 41 cause infantile gastroenteritis. 

 

Pathogenesis 

Adenovirus infects upper and lower respiratory tracts, 
gastrointestinal tract, and conjunctivas. 
Adenoviruses may become latent in adenoidal and 
tonsillar tissues of the throat. 
 

Clinical findings 

  Upper respiratory tract: pharyngitis, pharyngo-

conjuctival fever, and acute respiratory disease 

characterized by fever, sore throat & coryza & 
conjunctivitis 

  Lower respiratory tract: bronchitis & atypical pneumonia 

  GIT: Non bloody diarrhea  

  Haematuria and dysuria in hemorrhagic cystitis. 

 

Laboratory diagnosis 

Isolation by culture and fourfold increase in antibody titer  
 

Treatment 

No antiviral therapy. 
 

Prevention 

Three live non attenuated vaccines against serotype 4, 7, 
and 21. each f the three vaccine are monovalent. And they 
are given separately for each serotype to prevent 
interference if given together. The vaccine is delivered by 
an enteric coated capsule, which protects the live virus 
from inactivation by stomach acid. The virus infects the 
GIT, where it causes an asymptomatic infection and 
induces immunity to respiratory disease. It is available for 
only military. 
 

II- Papilloma virus 

Human papilloma virus causes papilloma which is a 
benign tumor of squamous cells. Some HPV types 
especially type 16,18 cause carcinoma of the cervix, penis 
and anus. 
 

Properties  

HPV are non-enveloped viruses with DS circular DNA 
and an icosahedral nucleocapsid. Two of the early genes 
(E6,E7) are implicated in carcinogenesis. They encodes 
proteins that inactivate proteins encoded by tumor 
suppressor genes in human calls (e.g., p53 and the 
retinoblastoma (RB) genes). Inactivation of these two 
proteins are important step in the process by which a 
normal cell become a cancer cell. 
There are at least 100 types of papilloma viruses. Type 1-
4 cause skin warts, type 6and 11 cause genital warts 
(condylomata acuminata) . 
 About 30 types infect the genital tract. 
 

Replicative cycle. 

1)  the virus cant grown in cell culture 
2)  in human tissue, infectious viral particles are found in the 

terminally differentiated squamous cells rather than in the 
basal cells. 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

3)  The HPV initially infects the cells of the basal layer in the 

skin, but no virus is produced by those cells. Rather, 
infectious virions are produced by squamous cells on the 
surface which enhances the likelihood that efficient 
transmission will occur. 

4)  In malignant cells, viral DNA is integrated into the host 

cell DNA in the vicinity of cellular proto-oncogenes,& E6 
and E7 are  over- expressed. But in latently infected non-
malignant cells, the viral DNA is episomal and E6 and E7 
are not over-expressed.  This differences occurs because 
another early gene,E2, control E6 and E7 over-expression. 
The E2 gene is functional when the viral DNA is 
episomal but it is inactivated when it is integrated.  
 

Transmission and epidemiology 

  HPV are transmitted by skin to skin contact. Genital warts 

are among the most common sexually transmitted disease. 

  Skin warts are more common among children and young 

adults. They tend to regress in older adults. 

  HPV transmitted from an infected mother to neonate 

during child birth causes warts in the mouth and the 
respiratory tract especially the larynx of the infant. 

  The virus infect squamous epithelial cells and induce 

characteristic cytoplasmic vacuoles, these cells called 
Koilocytes. 
 

Laboratory diagnosis 

  Infections are usually diagnosed clinically. 

  A PCR based test using Cobas 4800 system is approved to 

detect the presence of DNA of 14 high risk genotypes, 
including type 16 and 18. 

  Diagnostic test based on detection of antibodies in a 

patients serum or on isolation of the virus from a patients 
tissue are not used. 
 

Treatment and prevention 

  The usual treatment of genital warts is Podophyllin 

  Liquid nitrogen is used in the treatment of skin warts 

  Plantar warts is treated surgically with topical salicylic acid  

  Cidofovir is used in the treatment of severe HPV infection. 

  There are two vaccines against HPV 

  Gardasil contains capsid protein of 6,11, 16,18. 
  Cervarix is a recombinant vaccine and contain the 

protein of types 16 and 18 only. 

  The role of cesarean section in preventing the transmission 

of HPV from the mother to the baby is uncertain 

  Circumcision reduces the risk of infection by HPV. 

 
 

III- Parvoviruses 

  Parvovirus B19 is a SSDNA none enveloped negative 

sense with icosahedral symmetry virus. The virus has no 
virion polymerase. 

  There is one serotype only. 
  It is transmitted by respiratory droplets, transplacental.  

Blood transfusion can transmit the virus. 
 

Clinical features. 

1)  Erythema infectiosum (slapped cheek syndrome, fifth 

diseae.) 

2)  Aplastic anemia especially in patient with sickle cell 

anemia, thalassemia and spherocytosis. 

3)  Fetal infection. If the infection is acquired during the first 

trimester (fetal death) or in the second trimester (hydrops 
fetalis). The virus is not associated with any congenital 
anomalies. 

4)  Arthritis  
5)  Chronic B19 infection especially in pt with immunodeficiency. 

 

Laboratory diagnosis 

Fifth disease and aplastic anemia is diagnosed by 
detecting IgM antibodies. Fetal infection is diagnosed by 
PCR analysis of amniotic fluid. 
 

Treatment 

No specific treatment of B19 infection 
Pooled immunoglobulin may have a beneficial effect on 
chronic B19 infection in patient with immunodeficiencies. 

 
 

IV- Polyomaviruses 

2 members of the polyomavirus family that infect human 
1) 

JC

 (causes progressive multifocal 

leukoencephalopathy (PMLE)) BK (nephropathy in 
renal transplant patients ) viruses. 

2) 

One member of SV 40 

virus that is primarily a 

monkey virus but has infected humans when it 
contaminated the poliovirus vaccine.. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Lecture 14+15+16 - Viral Hepatitis 

 
Viral hepatitis is a systemic disease primarily involving 
the liver. Most cases of acute viral hepatitis in children 
and adults are caused by one of the following viruses: 
HAV, HBV, HCV, HDV the defective virus dependent on 
co-infection with HBV, and HEV. There are additional 
viruses that can cause sporadic hepatitis: yellow fever 
virus, CMV, EBV, herpes virus, rubella virus and 
enteroviruses. 
Hepatitis viruses produce acute inflammation of the liver, 
resulting in clinical illness characterized by fever, GIT 
symptoms (Nausea , vomiting and jaundice). 
Regardless of the virus type, identical histopathologic 
lesions are observed in the liver during acute disease. 
 
 

Hepatitis A virus 

Disease 

HAV causes hepatitis A. 

 

Properties 

  HAV is a typical enterovirus classified in the picorna 

virus family. It has single-stranded RNA genome and 
non-enveloped icosahedral nucleocapsid and replicate in 
the cytoplasm of the cell. Replicative cycle is similar to 
that of other enteroviruses. 

  HAV is stable to treatment with 20% ether , acid (pH 1 

for 2 hr),, and heat (60 c for 1 hr) and its infectivity can be 
preserved for at least one month after being dried and 
stored at 25 c or years at -20c . 

  The virus is destroyed by boiling in water for 5 min., 

autoclaving ( 121 c for 20 min.), dry heat ( 181 c for 1hr), 
UV light (1 min. at 1.1 watt), treatment with formalin 
(1:4000 for 3 days at 37 c) or treatment with chlorine ( 
10-15 ppm for 30 min.). 

  Heating food to above 85 c for 1 min. and disinfecting the 

surfaces with sodium hypochlorite (1:100 dilution of 
chlorine bleach) are necessary to inactivate HAV. 

 

Transmission and epidemiology 

1)  HAV is transmitted by feco-oral route. 
2)  Humans are the reservoir for HAV. 
3)  Virus is detected in the stool from about 2 weeks before 

the onset of the jaundice up to 2 weeks after. 

4)  Children are the most frequently infected group, and 

outbreaks occur in special living situations such as 
summer camps, and boarding school. 

5)  Common source of outbreak is from fecally contaminated 

water or food. 

6)  HAV rarely transmitted via blood, because the level of 

viremia is low and chronic infection doesn't occur. 

7)  There is no chronic hepatitis and no chronic carrier state. 

There is no predisposition to hepatocellular carcinoma. 

 

Clinical findings 

The clinical manifestations of hepatitis are virtually the 
same regardless of which hepatitis virus is the cause. 
Fever, anorexia, nausea, vomiting, and jaundice arte 
typical. Dark urine, pale feces, and elevated transaminase 
level are seen. Most cases resolve spontaneously in 2-4 
weeks. 
HAV incubation period is about 3-4 weeks. Most case of 
HAV infections are asymptomatic, and are detected solely 
and are detected by the presence of IgG antibody. 

 

Laboratory diagnosis 

1)  IgM specific Anti-HAV in the acute phase. Peaking 2 

weeks after elevation of liver enzyme. Anti-HAV IgM 
usually decline to non-detectable level within 3-6 months  

2)  Anti-HAV IgG appears soon after the onset of disease and 

persists for decades. Four fold increase in antibody titer 
can also be used in the diagnosis. 

3)  Isolation of the virus from cell culture is possible but not 

used for routine clinical work. 

 

Treatment and prevention 

No antiviral therapy is available. 

1)  Active immunization with vaccine containing inactivated 

HAV is available. The vaccine is given in 2 doses: an 
initial dose and a booster 6-12 months later. No further 
booster dose is required. 
The vaccine is indicated in travelers to highly endemic 
area, and in children age 2-18 months. The vaccine is 
effective in post-exposure if it is given within 2 weeks 
after the exposure. There is a combination of HAV with 
HBV vaccine ( Tminrix). 

2)  Passive immunization with immune serum globulin prior 

to infection or within 14 days after exposure can prevent 
or mitigate the disease. 

3)  Proper hygiene is very important in the preventive 

measures. 

 
 
 
 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

 

Hepatitis E virus (HEV) 

  HEV is a major cause of hepatitis transmitted by the feco-

oral route. 

  The virus is classified in the virus family, hepeviridae, in 

the genus hepevirus. HEV resembles, but is distinct from 
calciviruses. 

  HEV is SS – RNA non-enveloped positive sense virus. 

  Clinically, the disease resembles HAV with exception of a 

high mortality rate in pregnant women (20%). 

 

Chronic liver disease doesn’t occur, and there is no 
prolonged carrier state. 

  In acute infection, IgM antibodies to HEV are positive. 

  There is no antiviral therapy. 

  In 2007, a recombinant vaccine against HEV was shown 

to be safe and effective and it is available in endemic area. 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hepatitis B virus

 

Disease  

HBV causes hepatitis B. 

 
Properties 

  HBV is a member of the hepadnavirus family. It is a 42-

nm enveloped virion (known as Dane particle (named for 
the scientist who first published electron micrographs of 
the virion)), with an icosahedral nucleocapsid core 
containing a partially double-stranded circular DNA 
genome. The envelope contains a protein called the 
surface antigen (HBsAg), which is important for 
laboratory diagnosis and immunization (HBsAg was 
known as Australia antigen because it was first found in 
the serum of an Australian aborigine).  
Within the core is a DNA-dependent DNA polymerase.  

  The genome contains 4 genes that encode five proteins, 

the S gene encodes the surface antigen, the C gene 
encodes the core Ag and the e Ag, the P gene encodes the 
polymerase, and the X gene encodes the X protein. The X 
protein is an activator of viral RNA transcription.  

  The DNA polymerase has both RNA-dependent (reverse 

transcriptase) and DNA-dependent activity. 

 

Electron microscopy of a patient’s serum reveals 3 
different types of particles
:  
A few 42-nm virions and many 22-nm spheres and long 
filaments 22nm wide
, which are composed of surface Ag. 

  In addition to HBsAg, there are two other important 

antigens: the core antigen (HBcAg) forms the 
nucleocapsid core of the virion and the "e" antigen 
(HBeAg)
 is secreted from infected cells into the blood. 
The e antigen is an important indicator of transmissibility. 

  For vaccine purposes, HBV has one serotype based on 

HBsAg. However, for epidemiologic purposes, there are 
four serologic subtypes of HBsAg based on a group 
specific antigen, "a" and two sets of manually exclusive 
epitopes, d or y and w or r. this lead to four serotypes: 
adw,adr,ayw,and ayr. 

  The specificity of HBV for liver cells is based on two 

properties:      virus- specific receptors located on 
hepatocyte cell membrane (facilitate entry) and 
transcription factors
 found only in the hepatocyte that 
enhance viral mRNA synthesis (act postentry). 

 

The stability of HBsAg doesn’t always coincide with that of 
the infectious agent. However, both are stable at -20c for 
more than 20 years and stable to repeated freezing and 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

215

 

thawing. The virus is stable at 37 c for 60 min. & remains 
viable after being dried and stored at 25 c for at least 1 week 

  HBV (but not HBsAg) is sensitive to higher temperature 

(100c for 1 minute) or to longer incubation periods (60 c 
for 10 hours).  

  HBsAg is stable at pH of 2.4 for up to 6 hours, but HBV 

infectivity is lost. Sodium hypochlorite, 0.5% (e.g, 1:10 
chlorine bleach), destroys antigenicity within 3 minutes at 
low protein concentrations, but undiluted serum 
specimens require higher concentrations (5%). HBsAg is 
not destroyed by UV irradiation of plasma or other blood 
products, and viral infectivity may also resist such 
treatment. 

 
Replicative cycle 

1)  After entry of the virion into the cell and its uncoating. 
2)  Virion DNA polymerase synthesizes the missing portion 

of DNA, and a double stranded closed-circular DNA is 
formed in the nucleus. This DNA serves as template for 
mRNA synthesis by cellular RNA polymerase. 

3)  After mRNAs are made, a full length positive- strand 

transcript is made, which is a template for the minus 
strand of the progeny DNA. The minus strand then serves 
as the template for the plus strand of the genome DNA. 
This RNA-dependent DNA synthesis catalyzed by reverse 
transcriptase encoded by HBV takes place within the 
newly assembled virion core in the cytoplasm. 
The RNA-dependent DNA synthesis that produces the 
genome and the DNA-dependent DNA synthesis that fills 
in the missing portion of DNA soon after infection of the 
next cell are carried out by the same enzyme (i.e., the 
HBV genome encodes only one polymerase). 
Hepadnaviruses are the only viruses that produce genome 
DNA by reverse transcription with mRNA as the 
template. (This type of RNA –dependent DNA synthesis 
is similar to but different from the process in retroviruses, 
in which the genome RNA is transcribed into a DNA 
intermediate). 
Some of the progeny DNA integrates into the host cell 
genome, and this seems likely to be the DNA that 
maintains the carrier state. Progeny HBV with its HBsAg 
containing envelope is released from the cell by budding 
through the cell membrane. 

 
Transmission and epidemiology 

Three main methods for transmission: 

1)  via blood 
2)  During sexual intercourse. 
3)  Perinataly from infected mother to newborn. Also by 

breast feeding. 

4)  Needle stick injuries can transmit the virus indicating that 

only very small amounts of bloods are necessary. 

5)  HBsAg can be detected in saliva, nasopharyngeal 

washings, semen, menstrual fluid, and vaginal secretions . 

6)  Transmission from chronic carrier to close contacts by 

oral route or by sexual or other intimate exposure occurs. 

7)  Transmission by feco-oral route has not been 

documented. 

8)  Health care personnel have a higher incidence of hepatitis 

and prevalence of detectable HBsAg or Anti-HBs than 
those who have no occupational exposure to patients or 
blood products. 

9)  HB infections are more common among patients and staff 

of hemodialysis unit. As many as 50% of the renal 
dialysis patients who contract HB may become chronic 
carrier of HBsAg compared with 2% of the staff group. 
Family contacts are also at increased risk. 

 
Pathogenesis and immunity 

1)  After entering the blood, the virus infects hepatocytes and 

the viral antigens are displayed on the surface of the cell.  

2)  Cytotoxic T-cells mediate an immune attack against the 

viral antigens, and inflammation and necrosis occur. 

3)  The pathogenesis of hepatitis B is probably the result of 

this cell mediated immune injury and HBV itself doesn’t 
cause a cytopathic effect. 

4)  Antigen-antibody complexes cause some of the early 

symptoms (e.g. arthralgia, arthritis and urtecaria) and 
some of the complications in chronic hepatitis (e.g., 
glomerulonephritis, cryoglobulinemia, and vasculitis).  

5)  About 5% of patients infected with HBV become chronic 

carrier and a chronic carrier is defined as patient who has 
HBsAg persisting in their blood for at least 6 months. The 
chronic carrier state is attributed to a persistent infection 
of hepatocytes, which results in prolonged presence of 
HBV and HBsAg in the blood. The main determinant for 
a person to clear the infection or become a chronic carrier 
is the adequacy of the cytotoxic T-cell response. 

6)  A high rate of hepatocellular carcinoma occurs in chronic 

carriers. The HBV has no oncogene, and HCC appears to 
be the result of persistent cellular regeneration that 
attempts to replace the dead hepatocyte. Alternatively, 
malignant transformation could be the result of insertional 
mutagenesis, which could occur when the HBV genome 
integrates into the hepatocyte DNA. This integration 
could lead to activation of cellular oncogene leading to a 
loss of growth control. 

7)  Chronic carrier state is more likely to occur in newborn 

(about 90%) than in adults because of less competent 
immune system.  


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

8)  Lifelong immunity after the natural infection and is 

mediated by an antibody against HBsAg which is a 
neutralizing and protective antibody while an antibody 
against core antigen is not protective.  
 

Clinical finding 

Many HBV infections are asymptomatic and are detected 
only by the presence of antibody to HBsAg. The mean 
incubation period is 10-12 weeks. The clinical appearance 
of acute hepatitis B is similar to that of hepatitis A. but in 
hepatitis B symptoms tend to be more severe and life 
threatening hepatitis can occur. Extrahepatic 
manifestations of viral hepatitis include a transient serum 
sickness –like prodrome consisting of fever, skin rash, and 
polyarthritis, necrotizing vasculitis & glomerulonephritis 

 

Laboratory diagnosis 

1)  HBsAg is the most important test used for the detection of 

early infection. HBsAg appears during the incubation 
period and is detectable in most patients during prodrome 
and acute disease. It falls to undetectable levels during 
convalescence in most cases; its prolonged presence ( > 6 
months ) indicates the carrier state and the risk of chronic 
hepatitis and hepatic carcinoma. HBsAb is not detectable 
in the chronic carrier state. HBsAb is being made but is 
not detectable in the laboratory tests because itr is bound 
to the large amount of HBsAg present in blood. HBsAb is 
also being made during the acute disease but is similarly 
undetectable because it is bound in antigen-antibody 
complexes. 

2)  There is a period which is called Window phase in which 

the HBsAg has disappeared and the HBsAb is not yet 
detectable and at this time, the HBcAb is always positive 
and can be used to make the diagnosis. HBcAb is present 
in the acute and chronic infection and in patients 
recovered from acute infection. Therefore it cant be used 
to distinguish between acute and chronic infection. The 
IgM form of HBcAb is present during acute infection and 
disappears approximately 6 months after infection. The 
test for HBcAg is not readily available. 

3)  HBeAg arises during the incubation period and is present 

during the prodrome and early acute disease and in certain 
chronic carrier. Its presence indicates a high likelihood of 
transmissibility, and , conversely the finding of HBeAb 
indicates a lower likelihood, but transmission can still 
occur.  

4)  The detection of viral DNA in the serum is strong 

evidence that infectious virions are present. 

5)  DNA polymerase activity is detectable during the 

incubation period and early in the disease, but the assay is 
not available in most clinical laboratories. 

 
Treatment  

1)  No antiviral therapy is typically used in acute hepatitis B. 
2)  For chronic hepatitis B, pegINF alfa -2a or PegINF alfa-

2b and / or nucleoside analogues can be used. 

  These drugs reduce hepatic inflammation and lower the 

viral load of HBV in patients with chronic active 
hepatitis. Neither INF nor the nucleoside analogues cure 
the HBV infection. In most patient, when the drug is 
stopped, HBV replication resumes. 

 
Prevention 

1)  The vaccine (Recombivax) contains HBsAg produced in 

yeasts by recombinant DNA techniques. The seroconversion 
rate is 95% in healthy adults.It is indicated in: 
a)  Certain health personnel ( medical students, surgeons 

and dentists) 

b)  Patient receiving multiple transfusion or dialysis. 
c)  Drug abusers 
d)  Travelers to an endemic area. 
The vaccine is given in three doses, and there is no need 
for booster dose after the completion of the regime. 

2)  Hepatitis B immune globulin (HBIG) contains a high titer 

of HBsAb. It is used to provide immediate passive 
protection to individuals known to be exposed to HBsAg 
positive blood. HBIG with HB vaccine can be given to 
infant whose mother is HBsAg positive. 
 

 
 
 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Hepatitis C virus (HCV) 

Properties 

HCV is a member of flavivirus family. It is an enveloped 
virion containing a genome of single stranded positive 
polarity RNA. It has no virion polymerase. 
HCV has at least six genotypes and multiple subgenotype 
based on the differences n the genes that encode one of its 
two envelope glycoprotein. The genetic variability is due 
to high mutation rate in the envelope gene coupled with 
the absence of proofreading function in the virion 
encoded RNA polymerase. As a result, multiple 
subspecies often occur in the blood of an infected 
individual at the same time. 

 

Replicative cycle: 

The replication of HCV is uncertain because it has not 
been grown in cell culture. It follows the replicative cycle 
of other flaviviruses, as these viruses  replicate in the 
cytoplasm and translate their genome RNA into large 
polyproteins, from which functional viral proteins are 
cleaved by a virion-encoded protease. This protease is the 
target of potent Anti-HCV therapy. The replication of 
HCV in the liver is enhanced by liver –specific micro-
RNA. This micro-RNA acts by increasing the synthesis of 
HCV mRNA. 
 

Transmission and epidemiology 

  Humans are reservoir of HCV. 

  It is transmitted primarily via blood. 

  10-15% of HC cases, source of HCV can’t be detected. 

  At present injection drug use accounts for almost all new 

HCV infections. 

  Transmission via blood transfusion rarely occurs because 

donated blood containing Anti-HCV antibody is 
discarded. 

  Transmission via needle stick injury occurs, but the risk is 

lower than that of HBV. 

  Sexual transmission and transmission from mother to 

child occur but are inefficient mode. No risk of 
transmission has been associated with breast feeding. 

  Commercially prepared immuneglobulin preparations are 

generally very safe, but several instances of transmission 
of HCV have occurred. 

  WHO in 1997 estimate that about 3% of world population 

has been infected, with a prevalence of 10% in African 
population and other high prevalence area in Asia and 
South America. 

  Transmission of HCV has been linked to an attempt (from 

1950s to 1980s)  to treat parasitic disease shistosomiasis 
by therapy that involved multiple injections, often with 
improperly sterilized or reused needles. 

  HCV infection has been associated with tattooing.  

  There was a case in 2009 in which HCV was transmitted 

to an organ transplant recipient by the use of a blood 
vessel conduit from a HCV-positive donor. 
 

Pathogenesis and immunity 

  HCV infects hepatocytes primarily, but there is no 

evidence for a virus-induced cytopathic effect on the liver 
cells. Rather, death of the hepatocytes is probably caused 
by immune attack by cytotoxic T cells. HCV infection 
strongly predisposes to hepatocellular carcinoma, but 
there is no evidence for an oncogene in the viral genome 
for insertion of a copy of the viral genome into the DNA 
of the cancer cells. 

  Alcoholism greatly enhances the rate of hepatocellular 

carcinoma in HCV-infected individuals. 

  Antibodies against HCV are made, but approximately 

75% of patients are chronically infected and continue to 
produce virus for at least 1 year. 

  Chronic active hepatitis and cirrhosis occur approximately 

10% of these patients. 

  For patients who clear the infection, it is not known 

whether re-infection can occur or whether there is life 
long immunity. 
 

Clinical findings 

HCV acute infection is milder than that of HBV infection. 
The average incubation period for HCV is 6-7 weeks. The 
average time from exposure to seroconversion is 8-9 
weeks, and about 90% of patients are Anti-HCV positive 
within 5 months. Many infections with HCV including 
both acute and chronic infections are asymptomatic and 
are detected by the presence of antibody. HCV can also 
lead to significant autoimmune reactions, including, 
vasculitis, arthralgia, purpura, and membranoproliferative 
glomerulonephritis. HCV is the main cause of essential 
mixed cryoglobulinemia. 

 

Laboratory diagnosis 

1)  Antibody detection to HCV by ELISA. The test doesn’t 

distinguish between acute, chronic, or resolved infection. 

2)  Positive result by ELISA should be confirmed by RIBA                   

(recombinant immunoblot assay), because of false 
positive results of ELISA. 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

3)  If RIBA result is positive, a PCR based test that detects 

the presence of viral RNA (viral load) in the serum should 
be performed to determine whether active disease exist. 

4)  A chronic infection is characterized by elevated 

transaminase levels, a positive RIBA, and detectable viral 
RNA for at least 6 months. 
 

Treatment and prevention 

1)  Treatment of acute hepatitis C with alpha INF 

significantly decreases the number of patients who 
become chronic carrier.  

2)  Treatment of choice for chronic patients is by pegINF and 

ribavirin. 

3)  Genotype 1 is less responsive to the above regimen 

(treatment should continue for 1 year) than genotype 2 
and 3 (treatment should be for 6 months). 

4)  Pooled immune serum globulins are not useful for post 

exposure prophylaxis. 

5)  There is no effective regimen for prophylaxis following 

needle-stick injury; only monitoring is recommended. 

6)  Patient with chronic HCV and are alcoholics, should be 

advised to eliminate drinking. 

7)  Patient with chronic HCV should be followed by alpha-

fetoprotein and liver US to detect carcinoma at early 
stage. 

8)  Patients with liver failure due to HCV infection can 

receive a liver transplant, but infection of the graft with 
HCV typically occurs. 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Hepatitis G virus (HGV) 

In 1996, HGV was isolated from patients with 
posttransfusion hepatitis. HGV is a member of the 
flavivirus family. But unlike HCV, HGV don’t cause 
acute or chronic hepatitis and don’t predispose to 
hepatocellular carcinoma. The role of HGV in the 
causation of liver disease has yet to be established, but it 
can cause chronic infection lasting for decades. 
Approximately 60-70% of those infected clear the virus 
and develop antibodies. HGV transmitted via sexual 
intercourse and blood. It is carried in the blood of millions 
of people worldwide. 
 

Hepatitis D virus (Delta virus) 

  HDV is a defective virus can replicate only on the cells 

also infected with HBV because HDV uses the surface 
antigen of HBV as its envelope protein. 

  HDV is an enveloped SS RNA negative polarity, 

covalently closed circle. The RNA genome encodes only 
one protein called Delta protein. 

  HDV has one serotype & there is no animal reservoir for 

the virus. 

  It is transmitted by the same method ad that of HBV. 

  The patient is either previously infected with hepatitis BV 

and then infected with HDV or the infection with both 
viruses is acquired at the same time. Hepatitis in patients 
co infected with HBV and HDV is more. 

  The diagnosis can be done by detecting either delta Ag or 

IgM antibody to delta antigen in the patient's serum. 

  There is no specific antiviral therapy but alpha interferon 

can mitigate some of the effects of the chronic hepatitis 
 

 

 
 

 

 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Lecture 17 - Human cancer viruses 

 

Viruses are etiologic factors in the development of several 
types of human tumors, including two great significance 
worldwide – cervical and liver cancers. 
At least 15-20% of all human tumors worldwide have a 
viral cause. The viruses that have been strongly associated 
with human viruses include EBV,HCV,HBV,HHV8,and 
two retroviral viruses. 

 

  Types of tumor viruses 

Tumor viruses are of different type: either DNA or RNA 
viruses. 

  DNA tumor viruses encode viral oncoproteins that are 

important for viral replication but also affect cellular 
growth control pathways. 
Most RNA tumor viruses belong to the retrovirus family 
which carry an RNA –directed polymerase (reverse 
transcriptase) that constructs a DNA copy of the RNA 
genome of the virus. The DNA copy becomes integrated 
into the DNA of the infected host cell and it is from this 
integrated DNA copy that all proteins of the virus are 
translated. 

  RNA tumor viruses are of two general types with respect 

to tumor induction: 
  The highly oncogenic (direct transforming) viruses 

carry an oncogene of cellular origin.  

  The weakly oncogenic viruses don’t contain an 

oncogene and induce leukemias after long incubation 
periods by indirect mechanism. The two retroviruses 
and HCV act indirectly in cancer induction. 

 

  Interactions of tumor viruses with their host 

a)  Persistent infection. 

The known tumor viruses establish long term persistent 
infections in humans. The chronicity of infection presents 
the long term opportunity for a rare event to occur that 
allows survival of a cell with growth control mechanisms 
that are virus-modified. 

 

b)  Host immune responses. 

Viruses that establish persistent infections must avoid 
detection and recognition by immune system that would 
eliminate infection. EBV will restrict expression of viral 
genes that makes infected cells nearly invisible to the 
host. HPV infect site that are relatively inaccessible to 
immune response ( epidermis) HIV cause a mutation in its 
antigen that allows escape from antibody and T-cell 
recognition, and also causing infection and suppression of 

essential immune cells. CMV and adenoviruses cause 
modulation of MHC I molecules in infected cells. EBV 
causes inhibition of antigen processing. 

 

c)  Mechanism of action by human cancer viruses. 

There are two general pattern by which tumor viruses 
mediate changes in cell behavior. Direct action by 
introduction of a new transforming gene into the cell. 
Indirect action by altering the expression of a preexisting 
cellular gene or genes. 
In either case, the cell loses control of normal regulation 
of growth process. 

 

d)  Cell susceptibility to viral infections & transformation. 

Host cells are either permissive or non-permissive for 
replication of a given virus. 
In DNA viruses, permissive cells are often killed by virus 
replication and not transformed unless the viral replicative 
cycle that results in death of host cells is blocked in some 
way. However, there are situations in which DNA virus 
replication doesn’t lyse the host cell and such cells may 
be transformed. 
RNA viruses are not lethal for cells in which they replicate. 

 

e)  Retention of tumor virus nucleic acid in a host cell 

The stable genetic change from normal to neoplastic cell 
generally require the retention of viral genes in the cell. 
With DNA virus, a portion of the DNA of the viral 
genome may become integrated into the host cell 
chromosome. Sometimes, episomal copies of the viral 
genome are maintained in tumor cells. With retroviruses, 
the proviral DNA copy of the viral RNA is integrated in 
the host cell DNA. Genome RNA copies of hepatitis C 
that are not integrated are maintained in tumor cells. 
In some cases, viral transformed cells may release growth 
factors that affect the phenotype of neighboring 
uninfected cells, thereby contributing to tumor formation. 
 

1- Cellular oncogenes 

Oncogene is the general term given to genes that are 
involved in cancer causation. Normal version of these 
transforming genes are present in normal cells and have 
been designated proto-oncogen. 
Cellular oncogenes are partly responsible for molecular 
basis of human cancer. They represent individual 
components of complicated pathways responsible for 
regulating cell proliferation, division, and differentiation 
and for maintaining the integrity of the genome. Incorrect 
expression of any component might interrupt that 
regulation, resulting in uncontrolled growth of cells. 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Two different mechanisms: overexpression and mutation 
in proto-oncogene able to convert into oncogene capable 
of transforming a cell.  
 

2- Tumor suppressor genes 

These are the negative regulators of cell growth. The 
inactivation or functional loss of both alleles of such a 
gene is required for tumor formation. The example of 
tumor suppressor genes are Rb gene by which Rb protein 
inhibits entry of cells into S phase by binding to key 
transcription factors that regulate expression of S phase 
genes.  
Another tumor suppressor genes is p35 gene. It also 
blocks cell cycle progression; P35 acts as a transcription 
factor and regulates the synthesis of a protein that inhibits 
the function of certain cell cycle kinases. It also causes 
cells with DNA damage to undergo apoptosis. 
 

Human retroviruses 

a)  Human T-Lymphotropic Viruses (HTLV) 

  HTLV-1 has been established as the causative agent of 

adult T-cell leukemia- lymphoma (ATL) and tropical 
spastic paraparesis. 

 

It doesn’t carry an oncogene 

  Transactivating regulatory genes are believed to be 

necessary for viral replication in vivo and may contribute 
to oncogenesis by also modulating cellular genes that 
regulate cell growth. 

b)  HIV  

The HIV are cytolytic and non-transforming. However, 
AIDS patients are at elevated risk of several types of 
cancer because of the immune suppression associated 
with HIV infection. 

 

Herpesviruses 

EBV is etiologically linked to Burkitt lymphoma, 
nasopharyngeal carcinoma, popsttransplant lymphomas, 
and Hodgkin disease.  
EBV encodes a viral oncogene protein (LMP1) that 
mimics the activated growth factor receptor. 
Several EBV-encoded nuclear antigens are necessary for 
immortalization of B cells. 
HHV8 is associated with Kaposi sarcoma. 
 

Adenoviruses 

They can transform rodent cells but there is no association 
with human neoplasia. 
 

 

HBV and HCV 

HBV is a risk factor for causing a liver cancer. It has been 
shown that persistent viral infection leads to necrosis, 
inflammation, and liver regeneration that over tome 
results in cirrhosis. The hepatitis B virus treansactivator 
protein , X protein, is a potential viral oncoprotein. 
Chronic infection with hepatitis C virus is also considered 
to be a causative factor in hepatocellular carcinoma. 
 

  How to prove that a virus causes human cancer 

1)  The geographical distribution of viral infection should 

coincide with that of the tumor. 

2)  The presence of viral markers should be higher in cases 

than in controls. 

3)  The viral infection should precede the tumor. 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

212

 

Lecture 18 – Slow Viruses & Prions 

Slow infectious diseases are caused by a heterogenous 
group of agents containing both conventional viruses and 
unconventional viruses (e.g.,prions). 
Prions are protein-containing particles with no decteable 
nucleic acid that are highly resistent to inactivation by 
heat, formaldehyde, and UV light at doses that will 
inactivate viruses. 
Prions are inactivated by protein and lipid-disrupting 
agents such as phenol, etherr, NaOH and hypochlorite. 
The prion protein is encoded by a normal cellular gene 
and is thought to function in a signal transduction 
pathway in the neurons. The normal prions protein (PRP

c

has a significant amount of alpha-helical conformation. 
When the alpha-helical conformation changes to a beta-
pleated sheet (PrP

SC

), these abnormal forms aggregate 

into filaments, which disrupt neuron function and cause 
cell death. 
The human prion-mediated diseases are called 
transmissible spongiform encephalopathies (TSE). The 
term spongiform refers to spongy, Swiss cheese-like holes 
seen in the brain parenchyma that are caused by the death 
of neurons. The term encephalopathy refers to pathogenic 
process in the brain without aigns of inflammation. Prions 
can reach the CNS after ingestion by sympathetic nerves 
after penetrating the gut mucosa reach the pyre’s patches 
then spread to the spleen then to CNS via sympathetic 
nerves. It is also possible that the prions reach the CNS 
via the blood transfusion and can be transmitted 
iatrogenically (via corneal transplant, dura matter grafts, 
implanted brain electrodes, and growth hormone extracts 
made from human pitutary glands. 
 

Prion caused diseases can be classified into 3 
categories: 

1)  Transmissible (infectious) such as kuru. 
2)  Hereditary (genetic) such as fatal familial insomnia. 
3)  Sporadic (neither infectious nor hereditary) such as CJD. 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Disease 

Pathogenesis 

Important features 

Kuru 

Transmissble 
/infectious 

Caused by ingestion or 
handling brain tissue, 
occurred in New Guinea 
tribespeople 

Creutzfeldt-
Jakob 
disease 

1- Transmissble 
/infectious 

Iatrogenic transmission by 
corneal transplant, and 
growth hormone 

2- Hereditary 
/genetic 

Mutation in germ cells 

3- Sporadic 

No relationship to any 
known cause; possible new 
mutation in somatic cells; 
most common form 

Variant 
Creutzfeldt-
Jakob 
disease 

Transmissble 
/infectious 

Probably acquired by 
eating meat or nervous 
tissue from animals with 
mad cow disease 

Gerstmann 
Straussler-
Scheinker 
syndrome 

Hereditary 
/genetic 

Mutation in germ cells 

Fatal 
familial 
insomnia 

Hereditary 
/genetic 

Mutation in germ cells 

 

Slow diseases caused by conventional viruses 

1)  Progressive Multifocal Leukoencephalopathy (PML). 

PML is a fatal demyelinating disease of the white matter 
and involves multiple areas of the brain. The disease 
started with visual field defect, mental status changes, and 
weakness and the disease rapidly progress to blindness, 
coma and death. 
PML is caused by JC virus, a member of polyoma virus 
family. It is non-enveloped virus with circular-double 
stranded DNA genome. JC infects and kill 
oligodendroglia causing demyelination. Neurons are not 
affected. 
The diagnosis is made typically by PCR assay of the brain 
specimen or spinal fluid. There is no antiviral therapy but 
cidofovir may be beneficial. 

2)  Subacute Sclerosing Panencephalitis (SSPE) 

SSPE is a slowly progressive disease characterized by 
inflammatory lesions in many areas of the brain. It is a 
rare disease of children who were infected by measles 
virus several years earlier. SSPE is a persistent infection 
by a variant of measles virus that cannot complete its 
replication.  

3)  Acquired Immunodeficiency Syndrome (AIDS) 

 
 


background image

Unit 4: Virology

 

 

 

211

 

Lecture 19 – Arbovirus 

 

  Arbovirus = arthropode borne virus 

  Transmitted by arthropode (mosquitoes and ticks 

  It is named either according to the disease cause or due to 

place where discovered 

  Robovirus = rodent born virus  e.g : sin nombre virus 

(hantavirus) and white water arroyo virus ( an arenavirus). 

  Togavirus: icosahedral, enveloped, ss, positive polarity 

RNA genome  

  Flavivirus  same as above 

  Bunyavirus: helical nc with an envelope, and segmented 

genome (three segment), and negative polarity RNA. 

  During the life cycle, the virus should be in high level of 

viremia in man to be transmitted to the arthropode. 
The man is considerd as an dead end host. 

  The clinical picture usually fits one of the three 

caegories: 
1- encephalitis 
2- haemorrhagic fever. 
3- Fever with arthralgia, myalgia and nonhaemorrhagic 
rash. 
 

  St.louis encephalitis virus 

  California encephalitis virus 

  Colorado tick fever virus 

  West nile virus 

 

  Yellow fever 

  Dengue fever 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 36 عضواً و 2006 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