مواضيع المحاضرة: Hemophilus Bordetella
background image

Department of microbiology-Bacteriology 

 

-The Haemophilus and Bordetella Species- 

Lecturer: Yasmeen AlBayaa 

Objectives: 

1- To demonstrate genus Hemophilus and Bordetella and their spp. 

2-To determine medically important gram negative rods associated with 
respiratory tract Haemophilus influenzae and Bordetella pertussis 

3- To predict their pathogenicity, clinical finding, antigenic structure, lab 
diagnosis, epidemiology, immunity and treatment. 

Genus Haemophilus, Introduction: 

Haemo= blood , philus= loving 

This is a group of small, gram-negative, pleomorphic bacteria that require enriched 
media, usually containing blood or its derivatives, for isolation. Haemophilus 
influenzae type b 
is an important human pathogen; Haemophilus ducreyi, a 
sexually transmitted pathogen, causes chancroid; other Haemophilus species are 
among the normal flora of mucous membranes and only occasionally cause 
disease. 

Haemophilus influenza:  

Haemophilus influenzae is found on the mucous membranes of the upper 
respiratory tract in humans, it can cause problems only when other factors(such as 
viral infection or reduced immune function). It is an important cause of meningitis 
in children and occasionally causes respiratory tract infections in children and 
adults. 

Morphology & Identification of  aTypical Organisms: 

In specimens from acute infections, the organisms are short (1.5  um) coccoid 
bacilli, sometimes occurring in pairs or short chains. In cultures, the morphology 
depends both on age and on the medium. At 6–8 hours in rich medium, the small 
coccobacillary forms predominate. Later there are longer rods, lysed bacteria, and 
very pleomorphic forms. So the m.o. described as pleomorphic m.o. 


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

 

Organisms in young cultures (6–18 hours) on enriched medium have a definite 
capsule. The capsule is the antigen used for "typing" H influenzae. 

 

Cultural Characteristics  

On chocolate agar, flat, grayish brown colonies with diameters of 1–2 mm are 
present after 24 hours of incubation. IsoVitaleX in media enhances growth. H 
influenzae does not grow on sheep blood agar except around colonies of 
staphylococci ("satellite phenomenon") i.e (it grow in the hemolytic zone of 
S.aureus ). H haemolyticus and H parahaemolyticus are hemolytic variants of H 
influenzae and H parainfluenzae, respectively. 

 

                       

 

Growth Characteristics 

Identification of organisms of the Haemophilus group depends in part upon 
demonstrating the need for certain growth factors called X and V.  

Factor X acts physiologically as hemin which is

 

heat stable needed in the synthesis 

of respiratory enzymes like cytochrome oxidase, catalase and peroxidase ; factor V 


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

 

which is (heat labile)

 

needed for oxidation- reduction system, this factor can be 

replaced or provided by nicotinamide adenine nucleotide (NAD)  or other 
coenzymes . Colonies of staphylococci on sheep blood agar cause the release of 
NAD, yielding the satellite growth phenomenon. The requirements for X and V 
factors of various Haemophilus species are listed in Table 1. Carbohydrates are 
fermented poorly and irregularly. 

Table 1- Characteristics and Growth Requirements of the Haemophilus Species 
Important to Humans 

 

 

  

Requires  

  

Species  

X  

V  

Hemolysis  

Haemophilus influenzae (H aegyptius)  

– 

Haemophilus parainfluenzae  

– 

– 

Haemophilus ducreyi  

– 

– 

Haemophilus haemolyticus  

Aggregatibacter aphrophilus

a

 

  

– 

– 

– 

Haemophilus paraphrophaemolyticus  

– 

Haemophilus segnis  

– 

– 

 

X, heme; V, nicotinamide-adenine dinucleotide. 

a Now called Aggregatibacter. 

Variation 

In addition to morphologic variation, H influenzae has a marked tendency to lose 
its capsule and the associated type specificity.  


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

 

Transformation 

Under proper experimental circumstances, the DNA extracted from a given type of 
H influenzae is capable of transferring that type specificity to other cells   
(transformation). Resistance to ampicillin and chloramphenicol is controlled by 
genes on transmissible plasmids. 

Antigenic Structure 

1-  Capsule: Encapsulated H influenzae contains capsular polysaccharides 

(MW >150,000) of one of six types (a–f).  

2-  The capsular antigen of type b is a polyribose-ribitol phosphate (PRP).  

Note: Encapsulated H influenzae can be typed by slide agglutination, 
coagglutination with staphylococci, or agglutination of latex particles coated 
with type-specific antibodies. A capsule swelling test with specific 
antiserum is analogous to the quellung test for pneumococci. Typing can 
also be done by immunofluorescence. Most H influenzae organisms in the 
normal flora of the upper respiratory tract are not encapsulated. 

3-  The somatic antigens of H influenzae consist of outer membrane 

proteins. Lipooligosaccharides (endotoxins) share many structures with 
those of neisseriae. 

Pathogenesis 

H influenzae produces no exotoxin. The non-encapsulated organism is a regular member 
of the normal respiratory microbiota of humans. The capsule is antiphagocytic in the 
absence of specific anticapsular antibodies. The polyribose phosphate capsule of type b 
H influenzae
 is the major virulence factor. Various strains of Haemophilus influenzae 
produce IgA protease that can digest serum IgA thus facilitate attachment to the 
respiratory mucosa. 

-Type b H influenzae causes meningitis, pneumonia and empyema, epiglottitis, 
cellulitis, septic arthritis, and occasionally other forms of invasive infection. The carrier 
rate in the upper respiratory tract for H influenzae type b is 2–4%. 

-Nontypeable H influenzae tends to cause chronic bronchitis, otitis media, sinusitis, and 
conjunctivitis following breakdown of normal host defense mechanisms. The carrier rate 
for nontypeable H influenzae is 50–80% or higher.  


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

 

 -The carrier rate for the encapsulated types a and c–f is low (1–2%), and these capsular 
types rarely cause disease.  

 Although type b can cause chronic bronchitis, otitis media, sinusitis, and conjunctivitis, 
it does so much less commonly than nontypeable H influenzae. Similarly, nontypeable H 
influenzae only occasionally causes invasive disease (about 5% of cases). 

The blood of many persons over age 3–5 years is bactericidal for H influenzae, and 
clinical infections are less frequent in such individuals. However, bactericidal antibodies 
have been absent from 25% of adults in the United States, and clinical infections have 
occurred in adults.  

Clinical Findings 

-H influenzae type b enters by way of the respiratory tract. There may be local extension 
with involvement of the sinuses or the middle ear.  

-H influenzae type b and pneumococci are two of the most common etiologic agents of 
bacterial otitis media and acute sinusitis. The organisms may reach the bloodstream 
and be carried to the meninges or, less frequently, may establish themselves in the joints 
to produce septic arthritis.  

-Prior to the use of the conjugate vaccine, H influenzae was the most common cause of 
bacterial meningitis in children age 5 months to 5 years in the United States. 
Clinically, it resembles other forms of childhood meningitis, and diagnosis rests on 
bacteriologic demonstration of the organism. 

Pneumonitis and epiglottitis due to H influenzae may follow upper respiratory tract 
infections
 in small children and old or debilitated people. Adults may have bronchitis or 
pneumonia due to H influenzae. 

Diagnostic Laboratory Tests 

Specimens: Specimens consist of nasopharyngeal swabs, pus, blood, and spinal 
fluid for smears and cultures. 

Direct Identification: 

by (immunoflourescent technique or capsular swelling test)   

Commercial kits are available for immunologic detection of H influenzae antigens 
in spinal fluid. A positive test indicates that the fluid contains high concentrations 
of specific polysaccharide from H influenzae type b.  

 


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

 

Culture: on chocolate agar with X and V factor 

Specimens are grown on IsoVitaleX-enriched chocolate agar until typical colonies 
appear. H influenzae is differentiated from related gram-negative bacilli by its 
requirements for X and V factors and by its lack of hemolysis on blood agar . 

Tests for X (heme) and V (nicotinamide-adenine dinucleotide) factor requirements 
can be done in several ways. The Haemophilus species that require V factor grow 
around paper strips or disks containing V factor placed on the surface of agar that 
has been autoclaved before the blood was added (V factor is heat-labile). 
Alternatively, a strip containing X factor can be placed in parallel with one 
containing V factor on agar deficient in these nutrients. Growth of Haemophilus in 
the area between the strips indicates requirement for both factors. 

 

Immunity 

Infants under age 3 months may have serum antibodies transmitted from the 
mother. During this time H influenzae infection is rare, but subsequently the 
antibodies are lost. Children often acquire H influenzae infections, which are 
usually asymptomatic but may be in the form of respiratory disease or meningitis. 
H influenzae has been the most common cause of bacterial meningitis in children 
from 5 months to 5 years of age. By age 3–5 years, many unimmunized children 
have naturally acquired anti-PRP antibodies that promote complement-dependent 
bactericidal killing and phagocytosis. Immunization of children with H influenzae 
type b conjugate vaccine induces the same antibodies. 

There is a correlation between the presence of bactericidal antibodies and 
resistance to major H influenzae type b infections. However, it is not known 


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

 

whether these antibodies alone account for immunity. Pneumonia or arthritis due to 
H influenzae can develop in adults with such antibodies. 

Treatment 

The mortality rate of untreated H influenzae meningitis may be up to 90%. Many 
strains of H influenzae type b are susceptible to ampicillin, but up to 25% produce 
-lactamase under control of a transmissible plasmid and are resistant. Essentially 
all strains are susceptible to the third-generation 

cephalosporins. Cefotaxime

 given 

intravenously gives excellent results. Prompt diagnosis and antimicrobial therapy 
are essential to minimize late neurologic and intellectual impairment. Prominent 
among late complications of H influenzae type b meningitis is the development of 
a localized subdural accumulation of fluid that requires surgical drainage. 

Epidemiology, Prevention, & Control 

Encapsulated H influenzae type b is transmitted from person to person by the 
respiratory route. H influenzae type b disease can be prevented by administration 
of Haemophilus b conjugate vaccine to children. The series consists of three doses 
at 2, 4, and 6 months of age or two doses given at 2 and 4 months. An additional 
booster dose is given sometime between 12 and 15 months of age. Widespread use 
of H influenzae type b vaccine has reduced the incidence of H influenzae type b 
meningitis in children by over 95%. The vaccine reduces the carrier rates for H 
influenzae type b. 

Contact with patients suffering from H influenzae clinical infection poses little risk 
for adults but presents a definite risk for nonimmune siblings and other 
nonimmune children under age 4 years who are close contacts. Prophylaxis with 
rifampin is recommended for such children. 

Haemophilus aegyptius : Important in acute conjunctivitis which is highly 
infectious called Koch week bacilli.  

Aggregatibacter aphrophilus: Found in normal flora of mouth, it is important in 
endocarditis and pneumonia.  

 Haemophilus ducreyi : causes chancroid i.e. soft chancher which is STD 
(sexually transmitted disease) with irregular ulcer on genitalia, swelling, tender, 


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

 

lymphadenopathy, it should be differentiated from other STD e.g Syphlis, herpes 
simplex. Diagnosis: scraping from ulcer, culture.   Treatment:-cotrimoxazol, 
erythromycin.  

Other Haemophilus Species:  

Haemophilus haemolyticus is the most markedly hemolytic organism of the 
group in vitro; it occurs both in the normal nasopharynx and in association with 
rare upper respiratory tract infections of moderate severity in childhood. 

Haemophilus parainfluenzae resembles H influenzae and is a normal inhabitant 
of the human respiratory tract; it has been encountered occasionally in infective 
endocarditis and in urethritis. 

The Bordetellae 

Introduction 

There are several species of Bordetella. Bordetella pertussis, a highly 
communicable and important pathogen of humans, causes whooping cough 
(pertussis). Bordetella parapertussis can cause a similar disease (mild). 
Bordetella bronchiseptica (Bordetella bronchicanis) causes diseases in animals 
such as kennel cough in dogs and snuffles in rabbits, and only occasionally causes 
respiratory disease and bacteremia in humans, primarily in immunocompromised 
hosts.  

Bordetella pertussis:  

Morphology & Identification of Typical Organisms: 

The organisms are gram-negative coccobacilli resembling H influenzae. With 
toluidine blue stain, bipolar metachromatic granules can be demonstrated. A 
capsule is present. 

Culture:  Primary isolation of B pertussis requires enriched media. Bordet-
Gengou medium
 (potato-blood-glycerol agar) that contains penicillin G, 0.5 
g/mL, can be used; however, a charcoal-containing medium similar to that used for 
Legionella pneumophila is preferable. The plates are incubated at 35–37°C for 3–7 
days in a moist environment (eg, a sealed plastic bag). The small, faintly staining 


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

 

gram-negative rods are identified by immunofluorescence staining. B pertussis is 
nonmotile. 

                                                           

 

Growth Characteristics 

The organism is a strict aerobe and forms acid but not gas from glucose and 
lactose. It does not require X and V factors on subculture. Hemolysis of blood-
containing medium is associated with virulent B pertussis. 

Variation 

When isolated from patients and cultured on enriched media, B pertussis is in the 
hemolytic and pertussis toxin-producing virulent phase. There are two 
mechanisms for B pertussis to shift to nonhemolytic, nontoxin-producing 
avirulent forms. Reversible phenotypic modulation occurs when B pertussis is 
grown under certain environmental conditions (eg, 28°C versus 37°C, the presence 
of MgSO4 , etc). Reversible phase variation follows a low-frequency mutation in 
the genetic locus that controls the expression of the virulence factors. It is possible 
that these mechanisms play a role in the infectious process, but such a role has not 
been demonstrated clinically. 

Antigenic Structure 

1-   filamentous hemagglutinin mediates adhesion to ciliated epithelial cells. 
2-   Pertussis toxin promotes lymphocytosis, sensitization to histamine, and 

enhanced insulin secretion.  

Note:The filamentous hemagglutinin and pertussis toxin are secreted proteins 
and are found outside of the B pertussis cells. 

3-   Adenylate cyclase toxin, dermonecrotic toxin, and hemolysin  
4-  The tracheal cytotoxin inhibits DNA synthesis in ciliated cells. 


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

10 

 

 Note: Pili probably play a role in adherence of the bacteria to the ciliated 
epithelial cells of the upper respiratory tract. The lipopolysaccharide in the cell 
wall may also be important in causing damage to the epithelial cells of the upper 
respiratory tract. 

Pathogenesis: 

B pertussis survives for only brief periods outside the human host. There are no 
vectors. Transmission is largely by the respiratory route from early cases and 
possibly via carriers. The organism adheres to and multiplies rapidly on the 
epithelial surface of the trachea and bronchi and interferes with ciliary action. The 
blood is not invaded. The bacteria liberate the toxins and substances that irritate 
surface cells, causing coughing and marked lymphocytosis. Later, there may be 
necrosis of parts of the epithelium and polymorphonuclear infiltration, with 
peribronchial inflammation and interstitial pneumonia. Secondary invaders like 
staphylococci or H influenzae may give rise to bacterial pneumonia.  

Clinical Findings : (3 stages) 

After an incubation period of about 2 weeks, the "catarrhal stage" develops, with 
mild coughing and sneezing. During this stage, large numbers of organisms are 
sprayed in droplets, and the patient is highly infectious but not very ill. During the 
"paroxysmal" stage, the cough develops its explosive character and the 
characteristic "whoop" upon inhalation. This leads to rapid exhaustion and may be 
associated with vomiting, cyanosis, and convulsions. The "whoop" and major 
complications occur predominantly in infants; paroxysmal coughing predominates 
in older children and adults. The white blood count is high (16,000–30,000/L), 
with an absolute lymphocytosis. Convalescence stage is slow. B pertussis is a 
common cause of prolonged (4–6 weeks) cough in adults. Rarely, whooping cough 
is followed by the serious and potentially fatal complication of encephalitis. 
Several types of adenovirus and Chlamydia pneumoniae can produce a clinical 
picture resembling that caused by B pertussis. 

Diagnostic Laboratory Tests 

Specimens: saline nasal wash is the preferred specimen. Nasopharyngeal 
swabs or cough droplets 
expelled onto a "cough plate" held in front of the 


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

11 

 

patient's mouth during a paroxysm are sometimes used but are not as good as the 
saline nasal wash. 

Direct Fluorescent Antibody Test: 

immunoflorescent assay 

The fluorescent antibody (FA) reagent can be used to examine nasopharyngeal 
swab specimens. However, false-positive and false-negative results may occur; the 
sensitivity is about 50%. The FA test is most useful in identifying B pertussis after 
culture on solid media. 

Culture 

The saline nasal wash fluid is cultured on solid medium agar

 (Bordet-Gengou 

medium). 

The antibiotics in the media tend to inhibit other respiratory flora but 

permit growth of B pertussis. Organisms are identified by immunofluorescence 
staining or by slide agglutination 
with specific antiserum. 

Polymerase Chain Reaction 

PCR is the most sensitive method to diagnosis pertussis. Primers for both B 
pertussis and B parapertussis should be included. When available, the PCR test 
should replace the direct fluorescent antibody tests. 

Serology 

Serologic tests on patients are of little diagnostic help because a rise in 
agglutinating or precipitating antibodies does not occur until the third week of 
illness. A single serum with high titer antibodies may be helpful in diagnosing the 
cause of a long-term cough, one of several weeks' duration. 

Immunity 

Recovery from whooping cough or immunization is followed by immunity. Second 
infections may occur but are mild; reinfections occurring years later in adults may 
be severe. It is probable that the first defense against B pertussis infection is the 
antibody that prevents attachment of the bacteria to the cilia of the respiratory 
epithelium. 

 


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

12 

 

Treatment 

B pertussis is susceptible to several antimicrobial drugs in vitro. Administration of 
erythromycin during the catarrhal stage of disease promotes elimination of the 
organisms and may have prophylactic value. Treatment after onset of the 
paroxysmal phase rarely alters the clinical course. Oxygen inhalation and sedation 
may prevent anoxic damage to the brain. 

Prevention 

  Every  infant  should  receive  three  injections  of  pertussis  vaccine  during  the 
first  year  of  life  followed  by  a  booster  series  for a  total  of  five  doses. There 
are  multiple  acellular  pertussis  vaccines  licensed  in  the  United  States  and 
elsewhere.  Use  of  these  vaccines  is  recommended  because  it 

has  few  side 

effects  than  the  killed  vaccine  (whole  cell  vaccine)  that  contain  inactivated 
organism 

(pertussis toxin) that used in the past.  

  The  acellular  vaccines

 

that  contain  purified  proteins  from  the  organism 

(pertussis  toxoid)  have  at  least  two  of  the  following  antigens:  inactivated 
pertussis toxin, filamentous hemagglutinin, fimbrial proteins, and pertactin. 
  Pertussis vaccine is usually administered in combination with toxoids of 
diphtheria and tetanus (DTaP)
. Five doses of pertussis vaccine are recommended 
prior to school entry. The usual schedule is administration of doses at 2, 4, 6, and 
15–18 months of age and a booster dose at 4–6 years of age. 
In 2005, it was 
recommended by the Advisory Committee on Immunization Practices that all 
adolescents and adults receive a single booster dose of tetanus-diphtheria-acellular 
pertussis (Tdap) to replace the booster dose of tetanus and diphtheria toxoids alone 
(Td). Prophylactic administration of erythromycin for 5 days may also benefit 
unimmunized infants or heavily exposed adults. 

Epidemiology & Control 

Whooping cough is endemic in most densely populated areas worldwide and also 
occurs intermittently in epidemics. The source of infection is usually a patient in 
the early catarrhal stage of the disease. Communicability is high, ranging from 
30% to 90%. Most cases occur in children under age 5 years; most deaths occur in 
the first year of life. Control of whooping cough rests mainly on adequate active 
immunization of all infants. 


background image

Department of microbiology-Bacteriology 

13 

 

 

Bordetella parapertussis:  This organism may produce a disease similar to 

whooping cough, but it is generally less severe. The infection is often subclinical. 
Bordetella parapertussis grows more rapidly than typical B pertussis and produces 
larger colonies. It also grows on blood agar. B parapertussis has a silent copy of the 
pertussis toxin gene. 

Summary:  

1-  Hemophilus spp. is a group of small, gram-negative, pleomorphic bacteria 

that require enriched media (chocolate agar), usually containing blood; 
require X and V factors for their growth.   

2-  Identification of organisms of the 

Haemophilus group or species

 depends in 

part upon demonstrating the need for certain growth factors called X and V. 

3-  H influenza is the most common cause of bacterial meningitis in children

also cause otitis media, acute sinusitis, septic arthritis, pneumonitis, 
epiglottitis and upper respiratory tract infections.
 

4-  H influenzae type b disease can be prevented by administration of 

Haemophilus b conjugate vaccine to children. 

5-  Bordetella Spp. is gram-negative coccobacilli resembling H influenzae. 

bipolar metachromatic granules can be demonstrated. A capsule is present. 
It requires enriched media (Bordet-Gengou medium). It does not require X 
and V factors on subculture. 

6-  Bordetella pertussis causes whooping cough ( pertussis) mostly in 

children under 5 years. To prevent the disease; every infant should receive 
three injections of pertussis vaccine (DTaP).  Followed by a booster series 
for a total of five doses. 

7-  Finally the two  medically important gram negative rods associated with 

respiratory tract are  Haemophilus influenzae and Bordetella pertussis 




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 19 عضواً و 293 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