background image

Corynebacterium  

Prof.Dr.Mohammad Alfaham 

 Microbiology 3

rd

 years 2014-2015 

 

 

 

 

 

 

 

Gram stain of Corynebacterium spp. demonstrating "Chinese letters" formations

 

General Overview: 

  C. diphtheriae

 

and related organisms are collectively termed 

coryneforms or diphtheroids 

  Corynebacteria possess capsular (K) and somatic antigens (O) 

Morphology & Physiology: 

  Small, nonmotile, irregularly staining

 

pleomorphic

 

Gram-positive 

rods with club-shaped swelled ends but no spores; may be straight or 
slightly curved  

  Palisade arrangement of cells in short chains ("V" or "Y" 

configurations) or in clumps resembling "Chinese letters" 

  Cells tend to lie parallel to one another (palisades) or at acute 

angles (coryneforms), due to their snapping type of division 

  Vary greatly in dimension, from 0.3 to 1 um in diameter and 1.0 to 

8.0 um in length 

  May also contain inclusion bodies, known as metachromatic 

granules, which are composed of inorganic polyphosphates (volutin) 
that serve as energy reserves and are not membrane bound 


background image

   Internal metachromatic granules densely stain ruby red while the 

rest of the bacillus stains blue, when stained with an aniline dye such 
as toluidine blue O or

 

methylene blue

 

   Cells appear to be banded or beaded with irregularly staining 

granules; may show alternate bands of stained and unstained 
material (giving the appearance of septa) 

  Aerobic or

 

facultatively

 

anaerobic 

  

Fermentative

 

metabolism (carbohydrates to lactic acid); form acid 

but not gas from certain carbohydrates 

  

Fastidious

; Slow growth on enriched medium 

  

Catalase

 

positive 

  Cell wall containing unusual lipids: meso-diaminopimelic acids; 

arabino-galactan polymers; short-chain mycolic acids (member of 
CMN (Corynebacterium,

 

Mycobacterium,

 

Nocardia)group) 

  Corynebacterium urealyticum

 

strongly urease positive 

Clinical Syndromes: 

  Determined by site of infection, host immunity, and virulence of 

the organism 

  Corynebacterium diptheriae:

 

toxigenic

 

strains cause diphtheria 

in humans 

   Respiratory disease

 

 

  Initially: sore throat, low-grade

 

fever

; followed by 

adherent pseudomembrane on the tonsils and pharynx 

  Later stages include localized damage, bleeding, 

difficulty in breathing, and

 

myocarditis

 

and 

peripheral

 

neuritis

 

 

  Complications from systemic spread of exotoxin to 

other target organs in the body; eg., heart (concept of 
"disease at a distance") 

  Most mortality from systemic toxin-mediated heart 

failure 

   Cutaneous diphtheria (extra-respiratory disease)

 

 

  Acquired by skin contact; organism enters through 

break in subcutaneous tissue 

  Chronic non-healing ulcer results 


background image

  Corynebacterium jeikeium: opportunistic infections (especially in 

immunocompromised patients) 

  Corynebacterium urealyticum

: urinary tract infections (UTI’s); 

rare but important

 

 

  Corynebacterium pseudotuberculosis: subacute relapsing 

lymphadenitis 

  Corynebacterium ulcerans: pharnygitis 

  Corynebacterium xerosis: bacteremia, skin infections, 

pneumonia in immunocompromised hosts (e.g., patients with blood 
disorders, bone marrow transplants, intravenous catheters) and 
pharyngitis 

  Corynebacterium pseudodiphtheriticum: endocarditis and 

lower-respiratory tract infections 

Epidemiology: 

  Widely distributed in nature; worldwide in occurrence 

   Only 28 cases reported between 1980-1990 in the U. S. due to 

highly successful immunization program 

   More commonly occurring in other countries 
   Former Soviet States have had epidemic rise in incidence since 

breakup and disruption of immunization program 

  Human is the only natural host 

  Corynebacterium diptheriae: 

  Diphtheria (respiratory or cutaneous) occurs worldwide primarily 

in urban areas

 

 

  Carried assymptomicatically in the oropharynx of immune 

individuals

 

 

  Transmitted by respiratory droplets or skin contact 

  Corynebacterium jeikeium: carriage on skin of up to 40% of 

hospitalized patients (e.g., bone marrow transplants) 

  Several species form part of the common microbiota of the human 

respiratory tract and other mucous membranes, the conjunctiva, and 
the skin 


background image

Pathogenesis & Immunity: 

  Non-pathogenic species are called "diphtheroids"; two species 

commonly found in humans are

 

Corynebacterium 

xerosis

 

and

 

Corynebacterium pseudodiphtheriticum 

  Pathogenic type species is

 

Corynebacterium diphtheriae, which 

produces a potent

 

exotoxin

 

and causes diphtheria in humans 

   Diptheria A-B exotoxin interrupts peptide formation at the 

ribosomal level 

   Phospholipase D increases vascular permeability, thus 

allowing

 

C. diphtheriae

 

to spread through tissues of the naso-

pharyngeal area 

  

 

Toxin Characteristics:

 

 

  Encoded by

 

tox

 

gene introduced by lysogenic 

bacteriophage (prophage) in virulent strains of

 

C. 

diphtheriae 

  63,000 dalton protein toxin consisting of two 

fragments, A and B 

  

Prototype A-B exotoxin

 

acts systemically 

1.  B fragment binds to receptor sites on target 

cells and toxin is internalized by receptor-
mediated

 

endocytosis

 

2.  A fragment blocks protein synthesis by ADP-

ribosylation of elongation factor-2 (EF-2) 

  Produced in the presence of limiting amounts of 

iron;

 

optimum toxin production

 

in vitro

 

occurs in the 

presence of 100 mg iron per liter

 

 

  Used to produce

 

toxoid

 

in DPT and TD vaccines (

see 

below

) 

  Corynebacterium jeikeium: multiple antibiotic resistance 

important in opportunistic infections of immunocompromised patients 

  Corynebacterium urealyticum: urease hydrolyzes urea; release 

of NH

4

+

, increase in pH, alkaline urine, renal stones 

Laboratory Identification: 

  Microscopy 


background image

  

Methylene blue stain

 

shows metachromatic granules

 

 

  Gram stain shows Gram-positive pleomorphic rods arranged in 

perpendicular, parallel, and pallisade formations 

  Culture 

   A confirmed diagnosis of diphtheria can only be made by 

isolating toxigenic diphtheria bacilli from the primary lesion (in the 
throat or elsewhere) 

   Exudate from the lesion should be inoculated onto blood agar 

and selective media:

 

cysteine-tellurite agar

;

 

serum tellurite 

agar

;

 

Loeffler’s slant

:

 

 

  Three

 

varieties

 

of

 

C. diphtheriae

 

colonies may be 

recognized:

 

gravis,

 

intermedius, and

 

mitis

 

colonial 

morphology:

 

 

1.  var.

 

gravis:

 

large, flat, rough, dark-

gray colonies; not hemolytic; very few 
small metachromatic granules; form a 
pellicle in broth 

2.  var.

 

mitis:

 

smooth, convex, black, 

shiny, entire colonies; hemolytic; 
prominent metachromatic granules; 
diffuse turbidity in broth 

3.  var.

 

intermedius:

 

dwarf, flat, 

umbilicate colony with a black center 
and slightly crenated periphery; not 
hemolytic; fine granular deposit in 
broth 

  C. diphtheriae

 

(also

 

Staphylococcus) produces gray to 

black colonies on the tellurite media because the tellurite 
is reduced intracellularly to tellurium 

  Any colonies which appear on the three media should 

be stained with toluidine blue O or

 

methylene blue

 

 

  Any typical

 

Corynebacterium

 

colonies would be 

subcultured on a Loeffler's slant, and tested for 
toxigenicity, either by the guinea pig virulence test or by 
the

 

in vitro

 

gel diffusion method of Elek

 

  Diphtheroids may be distinguished from

 

C. diphtheriae

 

by means 

of

 

CTA sugar fermentation reactions

 

and tests for toxigenicity 

  In vivo

 

test: 


background image

 

   Guinea pig virulence test 

  In vitro

 

test:

 

Elek test

 

(immunodiffusion) 

Treatment, Prevention & Control: 

  Antitoxin

 

  Used for neutralizing

 

exotoxin

 

 

  Effective in conjunction with

 

antibiotic

 

therapy 

  

Toxoid

 

  Toxoid preparations are used for vaccines as active immunization 

for diphtheria

 

 

  Usually given in conjunction with pertussis and tetanus vaccines 

(DPT vaccine) or as a booster with tetanus (TD) 

  Antibiotics 

  Penicillin G

 

 

  Erythromycin if allergic 

  

Distinguishing Characteristics 

of Corynebacterium spp. 

ORGANISM 

CELLULAR 

MORPHOLO

GY 

HEMOLYS

IS 

SUGAR 

FERMENTATION  TOXI

N 

GLUCOS

E 

SUCROS

E 

C. diphtheriae 

Slender 
pleomorphic 
rods; often club-
shaped; often 
banded or 
beaded with 
irregularly 
staining 
granules 

+

 

+

 

-

 

+

 

Cpseudodiphtheritic
um
 

Short rods; no 
granules; 
clubs rare 

-

 

-

 

-

 

-

 


background image

C. xerosis 

Polar staining 
rods; 
few club forms 

-

 

+

 

+

 

-

 

 

 

 

Description and Significance 

Corynebacterium diphtheriae is the etiological agent of diphtheria, an upper respiratory 

disease mainly affecting children. The virulence factors (most specifically diphtheria toxin) 

have been studied extensively and are well understood. 

Genome Structure 

The Corynebacterium diphtheriae NCTC 13129 genome is 2,488,625 bp in length and has an 

average G-C content of 53.5%. The three Corynebacterium genomes that have been 

sequenced are all similar in general content - visit NCBI for more information. 

Cell Structure and Metabolism 


background image

 

 

Notice the 'chinese letter' formations made by groups of theseCorynebacterium glutamicum, as a result of their 

style of division.  

Corynebacteria are small, generally nonmotile, Gram-positive, non-sporulating (although they 

have club-like ends), pleomorphic bacilli. Due to their snapping type of division, cells often lie 

in clusters resembling chinese letters. Corynebacteria are chemoorganotrophic, aerobic, or 

facultatively anaerobic, and they exhibit a fermentative metabolism (carbohydrates to lactic 

acid) under certain conditions. They are fastidious organisms, growing slowly on even an 

enriched medium. 

Ecology 

Many species of Corynebacteria can be isolated from various places such as soil, water, 

blood, and human skin. Pathogenic strains of Corynebacteria can infect plants, animals, or 

humans. Though humans are now the only known reservoir for the disease. The bacterium is 

generally found in temperate zones but may also be found in other parts of the world. 

NondiptherialCorynebacteria are ubiquitous in nature, and are commonly found in human 

mucous membranes and skin. 

Isolation and Cultivation 

The best method for isolating and cultivating Corynebacteria is to use sheep blood agar plus 

one selective medium as the primary plating media. Selective media commonly used are 

Cystine-Tellurite blood agar or Tinsdale medium. The plates should be ready after 18 to 24 

hours of incubation at 37 degrees Celsius in a 5% carbon dioxide-enriched atmosphere. 

Pathology 


background image

Diphtheria was first identified by Hippocrates in the 4th century B.C. The disease plagued 

Europe through the 17th, 18th, and 19th centuries. It was spread to America where it reached 

epidemic proportions around the middle of the 18th 

century. Corynebacterium diphtheriae was identified as the etiological agent of diphtheria by 

Klebs in 1883, and was first cultivated in 1884 by Loeffler, who also identified the diphtheria 

toxin in the same year. 

 

Pseudomembrane at the back of the throat of a child. The membrane can grow and extend further down the 

throat, suffocating the child.  

Diphtheria is described as "an upper respiratory tract illness characterized by sore throat, low-

grade fever, and an adherent membrane of the tonsil(s), pharynx, and/or nose, The 

pathogenesis capabilities of diphtheria are dependent on its ability to colonize the 

nasopharyngeal cavity or skin and its ability to produce the diphtheria toxin. C. 

diphtheriae usually colonize a local lesion in the upper respiratory tract (although cutaneous 

diphtheria can occur as well) where the toxin secreted by the bacteria cases necrotic injury to 

epithelial cells. As a result, blood plasma leaks into the area and forms a fibrin network called 

a pseudomembrane, which is full of rapidly growing C. diphtheriae cells. At the site of the 

lesion the diphtheria toxin is absorbed and disseminated throughout the body via lymph 

channels. Most commonly affected areas include heart, muscle, peripheral nerves, adrenal 

glands, kidneys, liver, and spleen (rather comprehensive). 

The diphtheria toxin works by causing the death of eukaryotic cells and tissues by inhibiting 

protein synthesis in the cells. Two key factors aid C. diphtheriae in the production of this 

systemic toxin: low extracellular concentrations of iron and the presence of a lysogenic 

prophage (talked about in detail in the 

phage

 section below). The role of iron in C. 

diphtheriae cultures is very dramatic, and it is assumed to play the same part in vivo as well. 

In iron depleted cultures C. diphtheriae will produce the diphtheria toxin as up to 5% of its 


background image

total protein production. It has been found that the tox gene is regulated by a negative control. 

A repressor molecule, the product of the DtxR gene, is activated by iron. When activated, the 

repressor binds to the tox gene operator and prevents transcription. 

There are three different strains of C. diphtheriae which are differentiated by the severity of 

the disease they cause in humans. The three strains are gravis, intermedius, and mitis (you 

can distinguish the severity of each strain based on its name). The difference in virulence of 

the three strains can be attributed to their relative abilities to manufacture the diphtheria toxin 

(in both rate and quantity), and their respective growth rates. The mitis strain has a generation 

time of about 180 minutes while the gravis strain has a generation time of about 60 minutes. 

This faster growth rate may allow colonies to deplete iron supplies in colonized areas faster, 

letting them produce toxin in greater quantities sooner. 

 

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 19 عضواً و 245 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