MicroBioImm Notes.docx

177 Pages
Unlock Document

Western University
Microbiology and Immunology
Microbiology and Immunology 2500A/B

01/07/2013 Spanish influenza killed over a 100 million people across the globe caused the big dip before 1920 William Stewart’s quote is completely wrong Higher life expectancy in richer countries In low income countries many more infectious diseases are in the top 10 mortality causes vs in the high  income countries where it is only “lower respiratory infections” that is in the top 10 Biggest infections in the world. The really successful pathogens in the world are really good at transmitting  themselves to other hosts Epidemic ▯ still increasing ex. HIV/AIDS The number of bacteria exceed the number of human cells in our body by atleast 10^10 The core microbiome everybody has them. Typically it is the transient ones that cause diseases but not  always. Not sugar that causes cavities. It is bacteria that ferment sugar that cause cavities. In order to get salmonella food poisoning you have consumed a lot because it generally cannot survive in  stomach low ph environment. Respiratory Tract – missing slide The nasopharynx may contain important pathogens that exist asymptomatically The trachea and bronchi have sparse microbiota Alveoli of the lungs are usually sterile 01/07/2013 Immunology No required textbook Intro to Human Immune System Immune system  Complicated system, fighting bacteria, etc.. Contact with microorganisms is inevitable A desk has 100x more germs than the average toilet seat Microorganisms Good and bad microorganisms Good bacteria part of immune system ▯ microbiota Microbiota 1/10 cells are DNA from parents (human) other 9/10 not Bacteria comprising microbiota relate to your health Ex. Depending on microbiota in gut can be related to allergies, diabetes, etc.. Human Microbiome Project To map every bacteria in body particulary in gut microbiota In order to associate changes in gut microbiota with diseases/health Pathogens Pathogenic microorganisms have potential to cause infectious diseases Bacteria and virus focused but others are parasite and fungi also Most diseases caused by pathogenic microorganisms Opportunistic pathogens Given opportunity normal microbiota can become pathogenic Ex. Staph on skin protects us but if it gets inside it can cause issues like pneumonia, cavities,  gastroenteritis, etc.. Extracellular vs Intracellular Extracellular means pathogen outside host cells 01/07/2013 Intracellular means pathogen inside host cells ex. Viruses that get inside and replicate Immune responses are different to extracellular and intracellular pathogens  Different responses based on where it is located Many pathogens can be both intracellular and extracellular pathogens because they can have an intra and  extra phase. Ex. Viruses start as extracellular but go inside (intracellular) and then leave the cell so become extracellular  again. The immune system Body defense system against pathogens Thucydides said that for plague no one was attacked a second time fatally Basically when you encountered a pathogen you create antibodies and are immune to getting attacked by it  a second time How does immune system work Recognize pathogen Eliminate pathogen Minimize the damage Microorganisms – (Pathogens) Replicate and Mutate fast Difficult for immune system to keep up with sheer number Get disease or sick when immune system can’t destroy the pathogen Main defenses of immune system Cells Tissue cells Leukocytes (white blood cells) Phagocytes and lymphocytes Soluble Molecules (secreted by activated cells) 4 types Blood separated by centrifugation When give blood they centrifuge it and separate the plasma, WBCs & platelets, and RBCs into different  bags 01/07/2013 55% plasma (soluble mocs) 45% blood cells Patients Plasma bag used for clotting (hemophilia), antibodies, chemotherapy Basically if they need to boost immunity  Cellular fraction RBC for anemia Platelets enhance clotting WBC improve immunity ** Origin of Immune cells Cells of the immune system are derived from a hematopoietic stem cell  Located in bone marrow Hematopoietic Stem cell is pluripotent (can become many different types) Can turn into either  myeloid stem cell lymphoid stem cell These are known as progenitor cells Myeloid Stem Cell Turn into phagocytes Lymphoid Stem Cell Turn into lymphocytes Pluripotent stem cell is basis for Stem cell transplantation Give healthy hematopoietic stem cells so it can differentiate into healthy phagocytes and lymphocytes Stem cell research Manipulate stem cells into a specific cell type ex. Insulin beta cell Types of Immune Responses Innate immunity 01/07/2013 Natural, non specific Adapative immunity Acquired, specific Passive immunity Provides immediate transient (short term) immunity (less than 1 year) Immunity is acquired from another individual via antibody transfer Ex. Plasma bag  Treating examples Rabies post exposure  Bit but not with vaccine will be given purified antibodies against rabies Rubella Fatal to fetus Same thing given purified antibodies Natural passive immunity Newborn is given maternal antibodies  Given via plcaenta to fetus (in utero), breast milk Wanes in 6 to 9 months Innate is present Adaptive is undeveloped 01/07/2013 Innate Immunity Use the learning objectives when studying Innate immunity First line of defense against pathogen Constantly ready to destroy pathogen As soon as pathogen enters innate immunity activated immediately Effective at stopping majority of pathogens at early stage Properties of Innate Immunity Inherited from parents Born with innate defenses  Well conserved in evolution – all humans have same innate defenses as long as healthy (how it functions) Vertebrates (us) have adaptive immunity  Plants and invertebrates only have innate immunity Always initiated Responds immediately to pathogen No memory  Adaptive immune system remembers pathogen so response is different from first time encountering  pathogen vs second However for innate it is same response every time Innate Immunity Defenses 1. Barriers Block pathogen entry into tissues 2. Innate Cells and Soluble Molecules Rapidly elimate pathogens that enter tissue 3. If innate immune system unsuccessful then adaptive will come along later it is the backup Barriers 01/07/2013 Modes of pathogen entry into the blood Skin (wound) Gastrointestinal tract (ingestion)  Respiratory Tract (breathing) Reproductive tract Last 3 GI, Resp, Reprod tract are entry method for most pathogens as long as skin intact it will generally  not let stuff through Main barrier that prevent pathogen entry are epithelial cells Endothelial cells Specialized epithelial cells that line blood vessels Mucus sits on top of epithelial cells If you eat something that has a pathogen then it has to break through the mucus first (pretty thick layer with  tight junctions) to reach epithelial cells Skin Has keratin layer on top of it Pathogen on skin has to get through keratin and epithelial cells to get through and infect us which is difficult Trachea Has cilia on top which are like hairs that will brush the pathogen away if it gets into trachea If it gets past cilia it has to get through thick epithelial cells to get entry Get an idea for how hard it is for pathogen to actually get through due to barriers Additional barriers used to prevent pathogen entry Mechanical “Flushing out” Sneeze, cough, blink, saliva, vomit, urinate, etc..  Chemical Fatty acids, enzymes, low pH (most bacteria cant survive in acidic environment like vagina or stomach),  etc.. Anti microbial enzymes secreted by activated epithelial cells ▯ natural antibiotics Action: destroy cell wall of pathogen Microbiological Microbiota Normal flora 01/07/2013 Refer slides for more on this  Antibiotics kill bacteria Pathogenic bacteria + bacterial microflora (commensal bacteria, normal flora) Very bad to take extra antibiotics They kill all bacteria including the bad and the good When using antibiotics it will destroy some commensal bacteria but not enough to compromise you unless  you take extra  If commensal bacteria is destroyed then C. difficile can gain a foothold and kill epithelial cels Clinical application so not testing on it but still go through them don’t ignore when studying Crohn’s disease Inflammatory bowel disease One theory Autoimmune disease where own innate response is killing your own commensal bacteria in gut Something about mice refer slides? Epithelial cells provide many baarriers Physical barrier Acts within seconds If epithelial cells destroyed they can be rapidly renewed and replaced Mechanical barrier Epithelial cells can have mech barriers such as cilia, keratin, or produce mucus (resp, GI, repro tracts do  this) Microbiological barrier Microbiota Chemical barrier If epithelial cell comes in contact with pathogen it can secrete antimicrobial enzymes If epithelial cell barrier is permeated then innate cells and soluble molecules are activated to destroy  pathogen Pathogen Recognition Use Pattern Recognition Receptors (PRR) <100 PRRs identified at present (majority found in fruit fly and then identified in humans) exponential increase in PRR being identified due to human genome project 01/07/2013 PRR can be located bound to surface of innate cell or inside the cytoplasm 4 classes of PRRs – know them! Toll­like receptors Found both on surface and inside the cell (m.b. and cytoplasmic bound) (RIG)­I­like receptors Found only inside the cell (cytoplasmic bound) NOD­like receptors Found only inside the cell (cytoplasmic bound) C­type lectin receptors Only found bound to surface of cell (m.b. bound) How does PRR bind to a pathogen Pathogen Associated Molecular Patterns (PAMP) PRR recognize PAMP PRR and PAMP bind together like a lock and key PAMP will bind to PRR PAMP is specificly associated to pathogens *Key note ONLY recognize molecular patterns associated to pathogens! Once PAMP binds to PRR it will activate the innate cell PAMPs are: Always (constitutively) expressed PRRs can always see them Important for pathogen survival  Means they will have low mutation rate It can be useful for pathogen’s structure (if mutated pathogen will fall apart), replication, pathogencitiy  (ability to cause disease) *know Shared by related pathogens PAMPs are critical for a pathogen’s integrity Can make up cell wall  Mannose is in the cell wall of all pathogens 01/07/2013 PAMPs are critical for a pathogen’s pathogenicity One example is flagellin which allows it to move around so that it can stay away from dangers PAMPs are critical for a pathogen to replicate Viruses will use host DNA to replicate Pathogen specific nucleic acids When replicating viral DNA and ss/dsRNA will be exposed and PRR (PAMP?) can block those  Same PRR can bind to a range of PAMPs (to a range of pathogens) Important since limited number of PRRs (<100) Importance of Innate Immunity PRRs only recognize and bind to pathogens through PAMPs Allows rapid and efficient recognition of pathogens (rarely malfunctions) Not too many diseases in immune system Very effective at destroying the majority of pathogen at early stage of infection Interesting things to note Maybe there are additional things in addition to PRR and PAMPs (not pattern recognition) Important area that needs further investigation is how immune system distinguishes between  pathogen and commensal bacteria. Why it doesn’t destroy our own bacteria 01/07/2013 Innate Cells Certain pathogens have mutated to go through epithelial cells like Salmonella __ Innate Cells 2 categories Phagocytes ▯ neutrophils, macrophages, immature dendritic cells Destroy extracellular pathogens Lymphocytes ▯ natural killer cells Destroy intracellular pathogens Phagocytosis Major way extracellular pathogens are destroyed Important against bacteria Using PRR bind to PAMP to trigger phagocytosis ▯ cell m.b. will envelope and internalize microbe  (phagosome) ▯ phagosome fuses with a lysosome containing anti microbial mediators (phagolysosome = a  fused phagosome and lysosome) ▯ pathogen dies Killing occurs within phagolysosome so does not damage phagocyte Lysosome contains acids and enzymes that quickly kill the ingested bacteria One phagocyte will phagocytose several extracellular pathogens simultaneously Phagolysosome pH is 4 – 5, outside in phagocyte is neutral pH 7.4 Acidic environment to kill bacteria Enzymes *** Look for this slide and memorize it in the notes! 1. Defensins, Lysozyme  damage pathogen cell wall 2. NADPH oxidase produce toxic oxygen metabolites  3. Nitric oxide synthetase produce toxic nitric oxide Each of these are very important for destruction of bacteria Some bacteria are difficult to destroy as they resist phagocytosis 01/07/2013 Encapsulated Bacteria (Hide PAMPs) Coating around surface so that the PAMPs are hidden Block Uptake Ex. Yersinia Escape from phagosome Ex. Shigella flexneri, rickettsia No fusion/Resistant to lysosomal contents  Ex. Salmonella, mycobacterium, legionella, chlamydia Intracellular Bacteria Enter by phagocytosis then survive/replicate inside phagocyte Replicate in phagosome Hard to deal with  Replicate in cyotoplasm Adaptive immunity Innate immunity may limit growth of intracellular bacteria, but usually fails to eradicate it Cell mediated adaptive immunity is the major immune response against intracellular bacteria Main Phagocytes Neutrophil Highest abundance in blood stream If you have infection then number of neutrophils goes up even higher so this is a way a physician can check  for infection (the count will be almost double) Short life span otherwise blood would be filled with neutrophils Pus are dead neutrophils Neutrophils have PRRs that bind to PAMP and function is to destroy pathogen through phagocytosis Neutrophinia is a condition where the patient has a low neutrophil count  Normal: 1500 micro/ml Neutropinia: less than 500 micro/ml Susceptible to bacteria infections Must be treated immediately with antibiotics otherwise it is life threating disease Macrophage Located in tissue (tissue cell unlike neutrophil which are in blood) 01/07/2013 Arise from monocyte and when it goes to tissue it is a macrophage Located just below epithelial cell layer (strategic) so as soon as pathogen breaks through epithelial barrier  they are right there to bind PRR to PAMP to destroy the pathogen Macrophages are named based on where they are located in the tissue Ex. Cooper cell? Macrophage in liver, synovial A cell is macrophage in synovial tissue? . etc… Macrophages have an additional role when innate immune system is ineffective then they need help from  adaptive immunity and macrophages are one of those cells which indicate that this help is required Immature dendritic cell Can be located in both the blood and the tissue In tissue located strategically like macrophage just below epithelial cell Must be in immature state it is a phagocyte because when it matures it has a different role (role in adaptive  immunity) Lymphocyte Natural Killer Cell (N.K. Cells) Not phagocyte so don’t use phagocytosis Instead use apoptosis Found in blood (not tissue) Important in destruction of intraceullar pathogens (pathogens inside the cell where innate immunity cells  are ineffective) Have large granuoles inside cytoplasm which contain toxins Two different types of toxins Perforins and Granzymes Releases toxic enzyme onto virus infected cell Cell and everything inside including virus inside is killed off Perforin released first which punches a hole which allows Granzymes into the cell which chews up DNA Leads to death of cell by apoptosis Want pathogen to be destroyed immediately and not allow it to settle in and replicate many times otherwise  hard to keep up so N.K. cells located strategically N.K.cells are very fast (2 days) vs. T cells (adaptive immunity) which come after about 7­10 days People who are born with lack of N.K. Cells Get infected with viruses often Especially Herpes virus We don’t have adaptive immunity against herpes N.K. cells kill herpes for us 01/07/2013 01/07/2013 Review Neutrophil Most abundant white blood cell (leukocyte): 60­70% Rapidly differentiate from stem cells in response to infection (>2x) Leave blood and migrate rapidly to infected tissue Short­lived Macrophage Tissue cell mostly below epithelial cells Macrophages arise from blood monocytes that have migrated into tissues More horse shoe shaped Dendritic Cell DC role and function depends on maturation state Immature DC  Phagocyte Role in innate immunity Circulate in blood/lymph and reside in tissue near epithelial cells Can find some in epithelial cells themselves, others are right where macrophages are (below epithelial  cells) NK cell Have many cytoplasmic granules that contain toxic enzymes (perforin and granzyme) Interesting Note 1 mm length  50 macrophages 500 E. coli bacteria 10000 microbacteria? End review Innate Soluble Molecules 01/07/2013 Soluble Molecules Cytokines Acute­phase proteins Complement proteins Above used in both innate and adaptive immunity Cytokines Small proteins Secreted by all activated cells When any cell in body gets activated they secrete cytokines How cells communicate with each other Called messenger proteins It will either tell other cells what to do or itself what to do They activate or suppress most cell behaviours Cytokine binds to its receptor on cell surface ▯ signals cell how to behave Cytokines used therapeutically  Saying they are most useful in treatments  Used in stuff like HIV, cancers, etc.. Cyotokine Families 3 have key role in innate immunity Chemokines Interferon (IFN) – Types 1, 2, 3 Tumor Necrosis Factor (TNF) 3 others Interleukins (IL) Growth factors (GF) Colony stimulating factors (CSF) Activated cells secrete many types of cytokines simultaneously Any binding interaction is going to activate the cell Ex. Cytokine to cytokine receptor, PRR to PAMP, etc… PRR­PAMP binding results in cytokine secretion PRR to PAMP ▯ activates cell ▯ cytokine release 01/07/2013 Type 1 Interferons 2 types IFN­alpha IFN­beta Important antivirals** Secreted by virus infected cells When any cell in body gets infected by a virus it releases type 1 interferons IFN tells NK cell to kill infected cell Virus infected cell secretes type 1 IFNs and chemokines ▯ activates NK cell ▯ relases toxic enzymes onto  infected cell ▯ apoptosis Intracellular bacteria are difficult to destroy by innate immunity  They need to be killed by adaptive immunity Type 1 IFNs are secreted very early after a viral infection (to viral pathogens) Type 1 IFNs induce uninfected cells to produce antiviral enzymes to protect themselves from viral infection. These enzymes inhibit viral replication Virus enters cell ▯ infects it and virus replicates inside cell ▯ type 1 interferons released by cell ▯ will go to  healthy cell ▯ create antivirals in that cell ▯ block that transcription of virus when it tries to enter this healthy  cell Type 1 IFNs are used to clinically treat viral infections Used to treat Viral Hepatitis B and C Herpes Virus New concern: Hep C has evolved so resistant to Type 1 IFNs 2­4% of world pop infected by Hep C Chemokines Chemoattractant cytokine Function To attract immune cells Immune cells home to infected tissue Cells leaving blood and being recruited to that site of infection This is due to chemokines which attract the cells to this site of infection ex. Neutrophils leaving blood and  go to site of infection Circulating immune cells exit the blood and enter infected tissue by crossing endothelial cells (endothelial  cells line blood vessels) How? 01/07/2013 Tumor Necrosis Factor (TNF) 01/07/2013 Cytokine secreted by activated phagocytes TNF activates endothelial cells to vasodilate Increase blood vessel permeability The cells separate (vasodilate) Process of Inflammation Infection ▯ macrophages ▯ phagocytes ▯ cytokines + chemokines ▯ TNF ▯ binds to receptor on endothelial  cells ▯ vasodilation ▯ blood cells can come across blood vessels ▯ chemokines tell them where to go by  attracting cells to infected spot Phagocytosis and cytokines are key components of imflammation Can diagnose certain disease based on what cytokines are upregulated (more of) in response to infection Circulating Innate Cells Cells you want leaving the blood to go to infected site Neutrophils Monocytes ▯ macrophages Immature dendritic cells NK cells Want to increase number of phagocytes at the infected area to clear the pathogen/infection Selectins bind the leukocytes inside the blood vessel  They can “roll” along the blood vessel and look for a spot to exit the vessel  Leukocytes only adhere to surface of veins (do not exit out of arteries) Wall in arteries are thicker and too much blood flow for leukocytes to get out Some bacteria inhibit phagocyte chemotaxis?? TNF  Activates hypothalamus to produce prostaglandins Prostaglandins cause fever This is why we get fever when we have an infection Fever is an early innate response to infection Helps kill pathogens as most pathogens require lower body temps to replicate Obvs don’t want too high otherwise destroy tissue Adaptive immune system will be enhanced by fever Acute Phase Proteins (aka Acute Phase response) and Complement Proteins (aka Complement system) 01/07/2013 Important in destruction of extracellular bacteria Synthesized by liver cells (hepatocytes) Cytokines activate hepatocytes Liver cells will secrete acute phase proteins and complement proteins No need to memorize different acute phase proteins and complement proteins (9 types from C1 ▯ C9) Plasma levels of acute phase proteins and complement proteins are used clinically Confirms inflammation Levels distinguish between constipation (­) vs appendicitis (+) If upregulation it is an infection  Monitors inflammation Levels used to monitor disease activity and response to treatment in inflammatory diseases Check if drug works or not If it is working then these protein levels will be dropping  01/07/2013 Acute phase proteins and complement proteins Have a similar function To help “attach” bacteria to phagocytes Innate cells and proteins enter through vasodilation  and so do these proteins then bind to surface of  extracellular pathogens APP bind to acute phase protein receptor on phagocyte CP binds to complement receptor on phagocyte This phagocyte can bind extracellular pathogen through 3 different receptors PRR Acute phase protein receptor Complement protein receptor All three of these binding interactions will trigger phagocytosis Each of these on its own or in combination will trigger phagocytosis  Equally effective either on own or in combination 3 functions of complement proteins phagocytosis lysis inflammation Complement Activation slide Lysis Mainly worms and certain bacteria Complement proteins create a hole (pore) in pathogen cell wall Lysis kills the pathogen  Pore lets fluids flow into pathogen and blow it up Just like balloon put too much into it and make it blow up Inflammation Complement proteins enhance inflammation Complement proteins activate endothelial cells to vasodilate  Increases blood vessel permeability 01/07/2013 This initiates and maintains inflammation Rmr what else causes vasodilation TNF Complement proteins do exact same thing as TNF in terms of inflammation Inflammation is a good thing Helps destroy extracellular pathogen  When studying put it to together Ex. When extracellular pathogen what happens Innate Immunity to extracellular pathogen Know this slide! Summary slide First Activated epithelial cells secrete anti microbial enzymes and cytokines. Chemokines recruit tissue  phagocytes to site of infection Second Phagocytes and anti microbial enzymes destroy extracellular pathogens. Activated phagocytes secrete  cytokines/chemokines to trigger inflammation Third TNF causes vasodilation Chemokines recruit blood immune cells to tissue site of infection. This increases number of phagocytes ▯ lots of neutrophils, macrophages, monocytes, etc.. Soluble molecules enter infected tissue to enhance phagocytosis (APP,CP) and inflammation  (CP;vasodilation) CP basically help out and improve efficiency of phagocytes and enhance vasodilation Innate Immunity to intracellular viruses Know this slide also! Intracellular bacteria area difficult to destroy by innate immunity Rely on adaptive immune system Sometimes interferons are bad against INTRAcellular bacteria and can actually hinder immune system  against them First Virus infected host cells  Second IFN­alpha, IFN­beta 01/07/2013 Third Induce resistance to viral replication in all cells Activate NK cells to kill virus infected cells Note: Viruses will cause inflammation also When it first enters tissue the phagocytes will drive that vasodilation and create inflammation Humoral Adaptive Immune System 2 types Humoral Adaptive B cells Cell mediated  T cells Adaptive Immunity in general Response is dependent on exposure to pathogen First exposure to pathogen Develop adaptive cells and soluble molecules Ex. Newborn has passive and innate immunity but does not have adaptive immunity because it must  develop this when they get exposed to pathogens This is why newborns get vaccinated to introduce these pathogens Subsequent exposures to the identical pathogen Very specific  Ex. Not influenza in general but H1N1 influenza Memory response Cells and soluble molecules remember the pathogen Adaptive Magnitude and quality of immune response increases with each encounter Important featurs of adaptive immunity Memory Specificity Lymphocytes are main defense B in humoral adaptive immunity T lymphocytes in cell mediated adaptive immunity 01/07/2013 Lymphoid Tissues Know difference in tissues Primary  Where B and T lymphocytes develop Bone marrow (B,T) Thymus (T) Secondary Where B and T lymphocytes meet and respond to pathogens Lymph nodes Spleen Mucosua (gut) – associated lymphoid tissue Adaptive immunity is always initiated here Lymph Node  Know this slide Filters lymph Site where B and T lymphocytes meet lymph borne pathogens Pathogen in infected peripheral tissue is transported via lymph to lymph node Intradermal or subcutaneous injection Yellow area is where B cells will meet and respond to pathogen Blue area is where T cells will meet and respond to pathogen Distinct sites where there is humoral and cell mediated immunity Lymph Enters tissue to supply nutrients and removes waste products in tissue Collects in lymphatic vessels and enters in the lymph nodes on way back to blood Waste product is pathogen This is why during infection your closest lymph nodes will be swollen or inflammated Ex. Big toe pathogen ▯ knee lymph node, finger pathogen ▯ armpit lymph node Lymph picked up and goes to closest lymph node  Spleen Blood filtered here 01/07/2013 Site where B and T lymphocytes meet blood borne pathogens Pathogen is in blood (systemic infection) Intravenous injection Mucosa Associated Lymphoid Tissue Malt tissue aka gut associated tissue Includes (check slide) Site where B and T cells meet pathogens in mucosal areas Adaptive immunity in these areas is called mucosal immunity It is still adaptive Humoral Immunity Mediated by B lymphocytes (B cells) Involves productions of antibodies Protect Extracellular spaces Can only help to destroy extracellular pathogens (not intracellular) Antibody Production B cells express immunoglobulin (Ig) molecules on surface ▯ binds to extracellular pathogen ▯ activates B  cell ▯ B cell differentiates into a plasma cell ▯ plasma cell will secrete antibodies Morphologically B cell looks very different from plasma cell Structure Immunoglobulin (Ig) molecule Bound to surface of B cell Antibody Shed Ig molecule or Soluble Ig molecule Transmembrane region is cleaved off Know structures of Ig vs antibody Made of 2 chains Heavy 2 identical heavy chains Light 2 identical light chains  01/07/2013 kappa  lamda represents the type of light chain it has Variable Region End of both light and heavy chains Constant region  Rest of the Ig or Antibody Generation of different variable regions When B cells develop, heavy and light chain genes join to each other by RANDOM gene recombination Virtually limitless (10^11 – 10^16 possible combinations of heavy and light chain genes) Each B cell expresses many identical copies of a unique Ig molecule Take home message Random rearrangement of genes  But many copies of that Ig molecule on each lymphocyte No B cell will generate exactly the same Ig molecule Every single B cell will express a different Ig molecule Heavy Chain Genes Variable (65 possible), diversity (27), joining (6), Constant genes Light Chain Genes Same thing as heavy genes Don’t need to memorize above 2 points but just know We make billions of different antibodies Different from innate immunity where <100 PRRs Variable Region Binds tightly to molecule called an antigen Ex. H1 is one type of antigen and N1 is another type of antigen We produce different antibodies for both these antigens Goes to submolecular level also Fab region (part of variable region) Binds to epitope on antigen Antibody binding fragment 01/07/2013 Binding based on structural fit This is the basis for the specific nature of a humoral immune response Antigen with different epitopes (all have different shapes) ▯ BCR (Ig or B cell) will bind if it can fit properly Clonal Expansion B cell undergoes mitosis Results in a pool of identical antibody secreting plasma cells Want a lot of these B cells so that we can have army of these because we know they can attack these  pathogens 01/07/2013 Adaptive Immunity A pathogen expresses many copies of various antigens Ex. Could have H1 and N1 Each B cell has specificity for one unique epitope on one specific antigen So to attack one pathogen different B cells each binding to its unique epitope will clonally expand Results in production of many antibodies with different specificities Ex. Antibodies produced during measles virus cannot go and respond to influenza virus However in real life not always the case because we have autoimmune diseases Pneumatic fever Antibodies will go and bind to heart muscles Antigens Any molecule that stimulate production of antibodies Not restricted to pathogens Stands for Antibody Generator We can have self antigens So antigens can be “self” molecules  This is the basis for Blood Transfusion Compatibility We have our own blood types A, B, AB, O and each are + or – AB+ is universal receipient Most lucky can accept any O­ is universal donor Can donate to anybody Check slides Organ Transplant Compatibility Based on antigens also Tissue type based on human leukocyte antigens (HLA) 6 major HLA types two different genes expressed one is expressed from father and one from mother Essentially number of genes that can come together to form your genotype are limitless Unless you are identical twin Always going to be one or more antigen that is incompatible 01/07/2013 So with tissue/organ transplantation must under go immunotransplantation How do Antibodies protect us/work? 3 ways Neutralization Opsanization Complement Actiavtion Antibody function defined by what constant region binds to Neutralization Antibody directly stops pathogen Antibody going to coat surface Going to neutralize the pathogen Constant region binds to nothing Blocks virus from coming in contact to cell and getting inside Opsonization Antibody promotes phagocytosis Essentially one step further than neutralization Antibody coats pathogen Constant region binds to Fc receptor (FcR) on phagocyte  Leads to phagocytosis Activation of Complement Proteins Antibody coats pathogen Constant region binds complement protein Activates complement Leads to complement mediated lysis or phagocytosis New antibody based treatments for Cancer Infuse antibodies in cancer patients and kill them by phagocytosis dictated by opsonization or complement  activation Obviously more effective in cancers where antibodies are more exposed Isotypes 5 classes of Ig molecules/Ab IgG, IgM, IgD, IgA, IgE Isotype based on differences in constant region of the heavy chain 01/07/2013 Length Distribution of carbohydrates Location of hinges *just know that these 5 are defined based on differences in this region based on these 3 things Each isotype will destroy pathogens through different functions B Cell Maturation Know that once that developing B cell leaves B cell and it goes to blood it is a naïve B cell Don’t memorize functions of the different isotypes – if have time  IgD Naïve B cells co express IgM and IgD IgD remains bound to B cell surface Ie. Not secreted as an antibody* IgM Is secreted as an antibody First antibody produced after exposure to a pathogen First antibody secreted after a pathogen and always after every pathogen First antibody produced by newborn is is IgM Always produced in an immune response IgG Most abundant antibody in blood (plasma) By far in the highest levels Provides Passive Immunity to newborn Only isotype that can cross the placenta into the fetus IgG is more effective than IgM 2 hinges vs. 1 hinge More flexible so it can grab antigen vs. IgM being rigid At birth newborn 01/07/2013 Born with full IgG antibodies but drops off  Lasts about 6 to 9 months As soon as its born it starts to encounter pathogens and then starts to produce own IgG IgA Most abundant antibody in secretions Tears, mucus, saliva, breast milk Provides passive immunity to newborn Transferred newborn via breast milk Will maintain for 6 to 9 months after breast feeding IgA is more effective than IgM Once again it has a hinge IgE Not talking about it in this class Critical against parasites Produced in allergic reactions and analphylaxis So most important antibodies eliminate extracellular bacteria and viruses are Most effective IgG IgA Also IgM How are antibodies produced? Adaptive immunity initiate in secondary lymphoid tissue B cells will meet and respond to pathogen here Naïve B cells circulate in blood and enter secondary lymphoid tissues via T cell area Circulates through blue T cell area before yellow B cell area? If B cell does not encounter an antigen able to bind variable region of its Ig molecule B cell remains inactivate and recirculates If after week doesn’t get active it will die If meets pathogen with specificity 01/07/2013 Variable region is able to bind to pathogen It may or may not come into contact with T cell B cell will become active ▯ B cell will undergo mitosis/clonal expansion ▯ some will become plasma cell It is the plasma cell that will shed some as antibodies Antibodies will then leave and reenter into circulation and go back to tissue site of infection Leaves blood through vasodilation Whole process takes about 7 to 10 days to produce antibodies Vasodilation still occurring after this 7 to 10 day period Response to Pathogen Summary slide Antibodies coming Also opsanization and complement proteins to come help activate by PcR bidning B cell activation Occurs 2 ways Activation by a pathogen only Naïve B cell in circulation ▯ Binding ▯ plasma cells secrete antibodies Only produce IgM antibody No memory is produced Activation by both a pathogen and T cell Naïve B cell in circulation ▯ bind by specificity ▯  Antibody production takes longer but it initiates isotype switching Produces more effective antibodies to kill pathogens T cells produce cytokines and release them onto the B cell Cause isotype switching Want this because IgM is good as an antibody but IgG and IgA are much more effective (or IgE if allergic) Tell B cell what to become (IgA or IgG) Produces memory B cells Cytokines secreted by the T cell regulate what isotype the B cell switches to Isotype Switching Isotype based on differences in heavy chain constant region 01/07/2013 In order for isotype to chain it undergoes gene rearrangement which changes this heavy chain constant  region Variable region remains exactly the same *key note Variable region remains unchanged so specificity of antibody remains the same Isotype switching produces Memory B cells Some will remain as memory b cells and some will go on to become plasma cells and produce antibodies Memory B cells Always develop during first exposure to a pathogen Doesn’t need to meet T cell next time encounter pathogen Remember the pathogen Memory B Cells remain for years (can last for a lifetime) Not true for all Sometimes get a booster shot injection from doctor because not getting enough memory Mount a more effective and faster immune response when re infected with the identical pathogen 01/07/2013 Midterm 40 Q Half MC and half Multiple MC Plasma Cell Short lived plasma cells Naïve B cell ▯ antigen only ▯ Short lived plasma cells Survive for days in SLT Secrete IgM Long lived plasma cells Naïve B cell ▯ antigen + T cell ▯ memory B cell and long lived plasma cells Survive for months to years Don’t know what dictates length of time Live in bone marrow Constitutively secrete antibody (IgG or IgA or IgE) What is it that causes them to secrete is unknown Current concept is memory B cells and long lived plasma cells provide two independent layers of  immunological memory Memory B cells for sure do memory However long lived just provide response but still considered memory So memory is just long term response to pathogen Specificity and Memory Basis for Vaccination Allows you to introduce a pathogen in a form that is innocuous (cannot cause disease) Can do this in different ways Inject antigens themselves (no pathogen), pathogenic antigens Inject weakend or killed pathogen Gives a memory response with reexposure to same pathogen Influenza Virus Hemagglutinin (H) and Neuraminidase (N) are antigens on surface of influenza viruses  Many forms of H (H1, H2, etc..) and N (N1, N2..) Influenza Vaccine 01/07/2013 Composed of purified ‘H’ antgens and sometimes ‘N’ antigens Ex. This year is H1 N1, H3, N2, HA Chicken eggs will be infected with virus ▯ isolate the virus ▯ add detergents to release those H and N  antigens ▯ get injected with antigens Cannot get flu from flu vaccine because its only antigens! Impossible to get flu from it However could potentially get injected with some chicken proteins (harmless) Wakefield’s article linking MMR vaccine and autism was fraud Kinetics of Antibody Response Primary response First exposure to pathogen Either naturally or vaccination Lag time before you can measure antibodies in blood 5 – 10 days or more makes sense because naïve B cell has to circle through, meet antigen, meet T cells, under go clonal  expansion, isotype switching, release antibodies, and then those antibodies have to get into circulation Secondary Response Subsequent exposures to identical pathogen Memory response B cell has already undergone isotype switching No need to meet T cell Just needs to meet pathogen and undergo clonal expansion Antibodies are more effective because already undergone isotype switching Faster and higher antibody produced Primary Response IgM antibodies appear first IgG (IgA/E) antibodies appear later Post isotype switching Developing memory B cells First exposure to antigen Naïve B cell ▯ clonal expansion  Probability of encountering T cell increases as clonal expansion occurs in T cell area Will always have a few which encounter T cell 01/07/2013 Secondary Response Rapid increase in IgG (IgA/E) Antibodies secreted by B cells Memory response Subsequent exposure to identical antigen Rapid activation and expansion of memory B cell When it encounters pathogen it will undergo clonal expansion Some will develop into more memory B cells This is why we get booster immunization shots like tetanus have to go every 10 years  With every exposure (even 2 , 3 , etc.) will have naïve B cell undergoing primary response again  producing IgM SKID disorder Individual without T cells Can only produce IgM antibodies No memory will be produced Every response will be like first response Hyper­IgM Syndrome Kids that get recurrent infections High IgM, no IgG, no IgA What is wrong with his immune system? Problem with T cells Cant undergo isotype switching T cells do no express CD40 ligand No T cell signal Very treatable diseases Gamma globulin purified IgG pooled from plasma of 1000 donors getting passive immunity Agammaglobulinemia Kids with no IgG, IgA, IgM, IgE 01/07/2013 Lacking B cells All of these show up around 10 months of age because lost maternal antibodies  Recurrent infections are due to bacterial pathogens Why? Antibodies are important to clear extraceullar bacteria Recall antibody functions Without antibodies, phagocytes are less effective at killing bacteria Cell Mediated Adaptive Immunity T cells Specifically mediated by alpha­beta T cells Types of alpha­beta T cels Cytotoxic T cells (CDT) Express CD8 on surface Helper T cells Express CD4 Different Cell development B cells develop in bone marrow T cells develop in bone marrow and thymus Leaves thymus as either naïve CDT or HT B cells express immunoglobulin molecules T cells express T cell receptors Many identical copies of Ig on a B cell but on T cell there are identical copies of TCRs Sturcutres of Ig/Ab and TCR T cell has alpha­ beta chain not heavy/light like B cell Both B and T cells have variable region and constant region Variable region binds to antigen (epitope) 01/07/2013 T cell receptor remains bound to T cell  In general All alphabeta T cells have same constant region (no IgM, IgG, IgA, etc..) Similar generation of Ig and TCR Different alpha and beta chain genes associate  Variable region is unique to each T cells Generated same way as B cell Similar Clonal Expansion Naïve B cell and naïve T cell whose variable region binds an antigen will multiply by clonal expansion Similar generation of memory cels Naïve T cell ▯ antigen + D cell ▯ memory effector T cells Different how they bind antigens Cannot bind antigen directly Must be presented antigen by other cells How do other cells present antigen? Major Histocompatibility Complex (MHC) *know Antigen sits very nice and tight in cleft of MHC which then presents it to variable region of T cell receptor on  T cell Come together through structural fit So both MHC molecule and variable region of TCR must bind the antigen Very specific Variable region of TCR binds to epitope of an antigen (eitope is part of antigen) Binding interaction ▯ activates T cell Releases cytokines 2 classes of MHC molecules MHC class 1 Generally bind and present antigens from intracellular pathogens for ex. Viruses *know this Endogenous antigens  Pathogen infects cell ▯ endogenous antigen bind MHC class 1 molecule ▯ MHC binds and transports to cell   surface to be presented to TCR 01/07/2013 All cells contain MHC class 1 Important because all cells can get pathogen MHC class 2 Generally bind and present antigens from extracellular pathogens Exogenous antigens One way we get these are through process of phagocytosis The stuff inside lysosome are the exogenous antigens which will bind to MHC 2 ▯ transported to surface of  cell and presented to TCR Antigen Presenting Cells Cells that resent antigen on MHC class 2 molecules Can express both MHC class 1 and MHC class 2 However all cells can express MHC class 1 01/07/2013 Types of antigen presenting cells Mature dendritic cell Macrophage B cell Mature dendritic cell and macrophage link innate and adaptive immune systems B cell acting as an antigen presenting cell Internalize pathogen by endocytosis Whole molecule is internalized but Ig molecule is recycled? To do with this or not dunno? Endosome fuses with lysosome Exogenous antigens presented on MHC class 2 molecule Difference between endocytosis and phagocytosis is just the way that it internalizes the pathogen Actual destruction of pathogen is the same Adaptive immunity is initiated in secondary lymphoid tissue Provides a meet place for naïve B cells and naïve T cells meet and respond to pathogens Mature dendritic cells are the only APC that can activate naïve T cells So dendritic cells initiate cell mediated immunity Innate Immunity Immature DC Reside in blood and tissues Includes secondary lymphoid tissues and peripheral tissues 2 ways it can take up pathogen Immature DC phagocytose extracellular pathogens Or get infected by intracellular pathogens As soon as it takes up that pathogen it goes from immature DC to mature DC Immature DC resident in secondary lymphoid tissue Uptake pathogens arrive via blood (spleen), lymph (LN), mucosa (MALT tissues), and present antigens to  circulating naïve T cells If it does acquire antigen it will be presenting antigen to naïve T cell In video first T cell doesn’t have specificity for that antigen but second blue one does Activates naïve T cell which undergoes clonal expansion Immature DC resident in peripheral tissue 01/07/2013 In epithelial cells say below skin and thumb Some immature DC that internalize an extra/intraceullar pathogen migrate via lymphatics to lymph node During migration DC matures (becomes APC) Changing from immature DC to mature DC Changing its function also becoming an APC Arrives in T cell area of lymph node to present antigen via MHC to naïve T cells This is of course where naïve T cells will encounter it Ex. Big toe infection is carried by dendritic cell to knee where lymph nodes are Only DC can leave tissue to carry the pathogen to LN   Primary response  Ie. First exposure to antigen Occurs in secondary lymphoid tissue DC (resident DC or migrant peripheral DC)  present antigen via MHC molecules to circulating naïve T cells  that enter secondary lymphoid tissue MHC: antigen TCR binding initiates cell mediated immunity DC are critical in primary response T cells important in cell mediated immunity Cytotoxic T cell (CTL) ▯ CD8 Helper T cell (Th Cells) ▯ CD4 Development of Effector T cells Naïve Th cells respond to exogenous antigen presented on MHC class 2 Naïve CTL respond to antigen presented on MHC class 1 Many viruses that don’t infect DC so cant get  development of T cells (no CTL response) Cross Presentation solves this To prevent this DC can cross present exogenous antigens on MHC class 1 molecules Primary response Occurs in secondary lymphoid tissue Naïve T cell whose variable region binds MHC:antigen complex on DC will undergo clonal expansion and  differentiate into an Effector T cell Process takes about 4 to 5 days Still takes a long time compared to innate immunity 01/07/2013 Naïve T cells need to circulate ▯ meet antigens ▯ etc.. etc.. Only effector T cells can enter peripheral tissues Chemokines?? Effector Cytotoxic T cell (CTL) Function Kill cells infected with an intraceullar pathogen by apoptosis Exactly same process as NK cells Release perforin and granzyme from cytoplasmic granules onto infected cells Effector CTL reenters circulation and enters infected peripher tissue via vasodilation TCR binds to infected cell presenting same antigen on MHC class 1 molecule as DC in 2 LT (T cell  specificity) Activates effector CTLto kill infected cell Effector CTL leaves and then reenters into infected tissue to  help and work along side NK (innate immune  system) cells to destroy pathogen How it does is any infected cell will present that MHC class 1 With specificity it will allow effector CTL to become activated and carry out apoptosis Rmr: T cell receptor in naïve stage and Effector CTL will stay the same In other words antigen it met on dendritic cell in lymph node has to be the exact same antigen that it meets  in peripheral tissue CTL does not die in process of killing infected cell it can go and kill many infected cells in an area CTL and NK cell is not destroyed during kill of pathogen infected cell Cells infected with herpes virus are only killed by NK cells Why? Herpes virus inhibits MHC class 1 expression by its infected cell One way this virus evades your immune system So effector cytotoxic T cells cannot be presented with herpes viral antigens  So no CTL response Many viruses that act like this Other viruses that inhibit MHC class 1 expression as a way to evade CTL response Dangerous because rely only on NK cells to destroy them (no backup system) Helper T cells respond to antigens presented on MHC class 2 molecules Extracellular pathogen destruction Cytotoxic T cells respond to antigens presented on MHC class 1 molecules 01/07/2013 Intracellular pathogen destruction Effector Helper T cell Function Help other cells by telling them how to elimate extracellular pathogens How? By secreting cytokines Ie. Effect Th cells do not destroy pathogens directly 2 types subdivided according to the cytokines they secrete Effector T helper 1 (Th1) cells In general more proinflamed cytokines Effector T helper 2 (Th2) cells In general more antiinflamed cytokines Ex. If drugs in lab working then drop in Th1 and increase in Th2 Can only tell difference by stimulating in lab and seeing what kind of cytokine they secrete In secondary lymphoid tissue Cytokines secreted by DC tell naïve helper T cell to differentiate into either an effector Th1 cell or Th2 cell Cytokine released to either tell it to turn into Th1 or Th2 cell Effector Th1 cell Leaves infected tissue ▯ arrives through circulation ▯ responds to macrophage Reenter circulation and enter infected peripheral tissue via vasodilation TCR binds to macrophage (=APC) presenting same exogenous antigen via MHC class 2 as DC in 2LT Secrete cytokines that activate macrophage to more effective kill pathogen phagocytosed during innate  immunity Tell it to undergo more effect phagocytosis Macrophages through activation actually produce more enzyme that gets released onto bacteria hopefully  by sheer number destroys intracellular bacteria Important against intraceullar bacteria that are resistant to phagocytosis Recall that some bacteria try to evade by blocking fusion to lysosome We do not actually have immunity against these but chemokines released will recruit more macrophages  that will generate a clump of macrophages that will block the infected marcrophage and make it suffocate Granuloma Only way we can stop these kinds of intracellular bacteria 01/07/2013 Macrophages link innate and adaptive immunity Extracellular pathogen ▯ innate immunity ▯ adaptive immunity ▯ effect Th1 cell Macrophages do not leave the tissue Rmr only DC can leave the tissue Summary slide when pathogen in peripheral tissue Effector Th2 cell TCR binds to B cell and activates it to undergo isotype switching Effector Th2 cells remain in secondary lymphoid tissue First thing that must happen is develop effector Th2 cell Look at slide missed stuff Memory in cell mediated immunity Memory effector T cells formed during primary response Rapidly reactivated when meet identical primary region 01/07/2013 In video errors B cell didn’t bind B cell is producing antibodies and not plasma cell No clonal expansion Rmr plasma cell secretes antibodies not B cell Th2 T cell activates macrophage which is wrong  Summary slide Swollen lymph nodes represents clonal expansion so want them swollen Being packed full of B and T cells that can go back to infected cells to destroy pathogen Severe Combined Immunodeficiency (SCID) 3 Types of SCID absence of B cells Absnce of T cells Absence of T cells and B cells Defect 1 – Absence of B cells Why? Defect in B cell development Consequence on Immune system? No humor immunity Treatment? Gamma globulin Defect 2 – Absence of T cells Why? Defect in Thymus Consequence on immune system? Cell mediated immunity No memory B cells and no isotype switching Poor humoral immunity (can serete IgM only) Treatment? Depends on severity it is Engraft T cels; Enzyme replacement therapy (short half life) Really not effective treatment either of them 01/07/2013 Defect 3 – Absenece of T cells and B cells Why? Defect in bone marrow Defect in lymphoid progenitor cel Consequence to immune system? No adaptive immunity Outcome  Fatal Cannot fight off infections so must be isolated in sterile environment “bubble boy” Treatment Bone marrow transplant to replace lymphoid progenitor. Also IgG therapy Not effective treatment Lucky to live upto 1 year Acquired Immune Deficiency Syndrome (AIDS) Human immunodeficiency virus (HIV) enters cel via CD4 molecules Helper T cells = CD4 + T cells So HIV virus infects helper T cells Recall Effector cytotoxic T cell kill virus infected cells So effector cytotoxic T cells kill HIV infected helper T cells by apoptosis So Cyototoxic T cells are doing their job but making your body losing Helper T cells Person with HIV has to go in to get their helper T cells counted all the time CTLs gradually deplete helper T cell numbers Diagnosed as AIDS when cell count falls <200 Th cells/microliter of blood With fewer helper T cells left to intact, HIV viral load increase in blood Review all the summary slides and put it all together Neutrophils don’t live long enough to be antigen presenting cells Cross presentation Will take up extracellular virus as phagocytocyte It will cross present so it will present the exogenous virus on MHC class 1 as well Important because now we can get development of effector T cell 01/07/2013 01/07/2013 Introduction to Bacteriology 01/07/2013 Looking at nasty bacterial pathogens that are good at colonizing healthy population Most lectures are organism or disease specific Some diseases have evolved to just live within us Ex. People walking around with Tuberculosis but don’t know it th 1/5  of population has it Picture of bacteria on tip of surgical needle In some cases eating 5 or 10 of these bacteria can make you pretty sick Shigella similar to Salmonella Need  5 to 10 of shigella to get sick But millions of salmonella Tree of Life/Domains of Life 4 billion years ago is root of tree Eukaryotes are “crown species” More complex Prokaryotes 2 very large groups that fall under prokaryotes used to be thought of as 1 individual group but now know are very separate Bacteria By far majority of bacteria are not pathogenic Small minority are pathogenic Archaea None that actually cause disease in humans as far as we know Live in extreme conditions Prokaryotes Prokaryotes are the smallest, simplest and most abundant cells on Earth 01/07/2013 Include Bacteria Archaea Estimated there are 5x10^10 prokaryotes on earth Prokaryotes lack Nucleus  Complex organelles A matter of size Bacteria Typically 1 micron (one in picture is 3 micron) Being small has advantages Surface to volume ration Relatively larger surface area for nutrient exchange Grow faster/replicate more often Allows cells to diffuse more  Bacteria evolve more quickly Smaller Haploid genome Only one set of chromosomes Because of this can evolve a lot faster If quick growing Bacteria can double in 10 minutes 6 or 7 times in couple of hours ex. E. Coli Bacteria can grow fast Bacteria reproduce by binary fission 4 phases of growth of bacteria in lab lag phase put bacteria in medium it will get used to medium logarithimic growth phase 01/07/2013 then it will take off in growth stationary run out of nutrients will stop growing death evntualy die Generation time Doubling time Time for one generation Some species grow very fast Double in 10 minutes Some species grow slow Double in 24 hours Slow for bacteria times Most pathogens will have to be growing fast otherwise they will get killed off by immune system THIS IS WRONG Lots of things grow slow  Ex. Tuberculosis Stay in lungs for long time Can even get stronger from being treated by antibiotics Bacteria come in different Shapes Coccus shape Ex. Staphylococcus Rod shape Ex. E.Coli Spirillum shape Ex. Lime disease Wont talk about this one too much Important to know shapes to diagnose Taxonomic Ranks  When you classify bacteria  Ex. E. Coli 01/07/2013 Look at slide Practically for bacteria Need to know genus and species Ex. Escherichia coli Just because you have E.coli or staphycoccus doesn’t mean it’s the same thing So strain is also very important Can be very different Ex. E.coli strain O157:H7 aka. Hemorraghic E.coli Can give you bloody diarrahea Produces a toxin that hurt liver?? Found in hamburger meats Another example is in lab they make E.coli but different strain used as cloning agent and safe to eat E.coli diversity vs human diversity Bacteria are extremely diverse in genetics as well as everything else E.coli 60% identical vs humans 99.9% Look at slides Basic Bacterial Cellular Structure Cell envelope Combine all the structures within cell wall and cell m.b. Just a catch all term Gram stain Christian gram made this technique Stain the bacteria with crystal violet Add iodine Gram positive are purple because they have thicker cell wall Ethanol Gram negatives will have purple washed away by ethanol Throwi in counterstrain that will stain everything that is not purple So gram negative will be pink  Two general types of bacteria 01/07/2013 Can separate bacteria based on gram negative or gram positive About a billion years difference between them Gram stain Gram positive = purple Gram negative = pink Very different Physicians need to know if positive or negative Acid fast (mycobacteria) No cell wall (mycoplasma) Gram positive and gram negative cell envelopes Very different cell envelopes Gram negatives  Have cell membrane Have outer membrane Have periplasms Gram positives Have cell membrane only Major distiniction is NO outer membrane The cell wall is a lot thicker than gram negative The thickness is what retains the purple Atleast 40 layers thick of alternating peptides Bacterial cell walls  Also called peptidoglycan (means cellwall) Rigid structure Prevents osmotic lysis Glycan backbone of cell wall 2 repeating sugars N­Acetyloglucosamine (G) N – aceytlmuramic acid (M) Peptide cross linkage Peptidoglycan is very unique to cell wall in bacteria 01/07/2013 Lots of antibiotics go after the cell wall in bacteria We don’t have cell wall so wont affect us Gram negative cell wall The outer membrane Outer leaflet of outer m.b. is composed of Lipopolysaccharide (LPS)  Lipopolysaccharid (endotoxin) Divided into 3 parts Lipid A Recognized by PRR toll like receptor Can become overresponse from immune system Over cytokine release Septic shock Causes blood clots, organ failure, etc.. Core polysaccharide O specific polysaccharide (also called O­antigen) Long and different in lots of bacteria Antigenic Highly variable Ex. For E.coli the O is this O specific polysaccharide So know Toxic portion is lipid A O specific polysach is variable and determines strains sometimes Primary Functions of the cytoplasmic membrane 3 functions permeability barrier protein anchor energy conservation 01/07/2013 Periplasm Space between outer membrane and cell membrane (inner) Only for gram negatives because gram positives don’t have __ Gel like consistency Proteins Has stuff for transport and enzymes Nucleoid Not the nucleus No surrounding membrane Single, circular chromosome in most bacteria In weird cases some have 3 chromosome or in some cases its straight but not often Haploid genomes  One set of chromosomes Plasmid Extrachromosomal genetic elements Usually not required for bacterial growth Can get rid of it in lab Usually not that big Importance of it Often encode for “fitness” factors Ex. Antibiotic resistance Often plasmids will have the genes that have this antibiotic resistance Can be transferred from bacteria to bacteria because they are this self replicating gene What makes a pathogen successful? Colonization For anything to cause disease it has to basically adhere to your tissue and stick around Invasion/toxigenicity Has to cause some kind of damage Immune evasion Invade your immune system can be interchangeable or same time as invasion 01/07/2013 Transmission Need to transmit to another host Rmr a lot of bacteria in body will do this but not cause disease Pathogens however produce virulence factors Molecules produced by the pathogen that contribute to disease Something the bacteria uses to make you sick Can be anything like surface protein, toxin, immune evasion Can be any of the 4 more specifically Virulence factors Can be separated into 2 groups Surface expressed LPS (Endotoxin) Flagella Pili Capsules Surface proteins Secretion systems Stick to cell and start pumping in virulence factors Secreted  Exotoxins Flagella Structures that allow some bacteria to be motile through process of chemotaxis The flagella on bacteria twist in counterclockwise rotation so it will go straight Then it will stop and cell will tumble around and then will randomly rotate around and start again If it is moving in direction it wants to it will move longer No Attractant Doesn’t sense anything it wants to move towards Attractant Will continue moving in that way Not like driving but lets bacteria move 01/07/2013 Pili (Fimbriae) Made of protein Primarly involved in attachment to For bacteria to adhere to surfaces Host tissue Other bacteria Capsules Usually made of (exo) polysaccharides Important for attachment to host tissues sometimes Protection from host immune system Avoid opsonization? Major virulence factor for bacteria Can be good vaccine candidates Everybody in room has vaccine based on capsules Formation of biofilms Biofilms Most people think of bacteria living as single celled organisms that go around doing their own thing But biofilms are that In nature bacteria usually lives in biofilms structures Stages Attachment Free living cell that attaches something like heart valve Microcolony development Cells that actually form larger structures that form water channels, nutrients can enter, slow down growth Biofilm development Some will be released through dissolution to form new biofilms Maturation Ex. Bone marrow infection, ureter infection, heart infection Can form biofilms and hard to eradicate Endospores 01/07/2013 Highly differentiated cells formed within the parent cell Highly resistant to heat, harsh chemicals and radiation A  “dormant” stage of the life Most common in Soil Bacillus Clostridium Mainly gram +? Endospores Bacteria is alive but dormant Very resistant to stuff Autoclave will kill endospores not just boiling Will raise the pressure and steam a lot Ex. Milk is pasteurized ▯ wont kill endospores So when you leave milk out it will grow Exotoxins Specialized virulence factors Secreted from bacteria Some are good vaccine candidates Includes Hemolysins Clearing zones around bacteria when growing bacteria on plate Probably not targeting red blood cels but probably other things like white blood cells, immune cells, etc.. Toxins that function inside host cells Toxins that get inside using this and can be devastating Extracellular enzymes Superantigens Ex. Tetanus is a good example 01/07/2013 Ring around the rosy, pocket full of posy, ashes, ashes, we all fall down Refers to black death Ring around rosy enlarged lymph nodes In plague can become as big as walnuts Pocket full of posy To avoid the stench people carried around flowers Ashes, ashes People were blamed, so many dead so people burned  We all fall down death Plague incubation of 2­6 days, death in ~2­4 days patients experience sudden onset of fever, chills, headaches, muscle pain, weakness painful swellings (buboes) of the lymph nodes in the armpits, legs, neck, or groin name bubonic pain comes from high fever, delirium and mental deterioration, large blackish pustules that burst, vomiting of blood, bleeding  in the lungs 650 years ago didn’t know what infectious diseases didn’t understand thought it was bad air  Plague Pandemics The "Plague of Justinian" (the first pandemic)  named after the Roman Emperor Justinian th started in the 6  century (541­542 AD) caused by  Yersinia pestis  (probably) don’t know for sure because long time ago spread to the Mediterranian, Italy and throughout Europe ~50% of the population is estimated to have died continued in cycles for another 200 years until about 750 AD then disappears for ~800 years would come back again and again for about 200 years estimated to have killed 100 million people 01/07/2013 Movie from history channel on plague of justinian Emperor reconquering the west Justinian built higha sofia cathedral  Plague arrived in cargo ships via fleas on rats Within 4 months infected half city including emperor Justinian survived Disease scarred him mentally and physically for life? Disease spread so fast and crippled economic situations Yersinia Gram negative rods, facultative anaerobes Means that it can grow in absence and presence of air 3 species pathogenic for humans: Y. enterocolitica  – causes "yersiniosis" – a rare cause of diarrhea and abdominal pain Y. pseudotuberculosis  – primarily an animal pathogen that can cause tuberculosis­like symptoms in  animals, enteritis in humans Y. pestis –  cause of Plague Yersinia Pestis discovered independently by Alexandre Yersin and Shibasaburo Kitasato in 1894 independent bacteriologists yersin kept better notes and renamed genus after him pestis à pestilence (contagious or infectious epidemic disease) an extraordinarily virulent pathogen causes death in 2­4 days by sepsis and/or overwhelming pneumonia with respiratory failure NOT an efficient colonizer of humans Plague Pandemics The “Black Death” (the second pandemic) a medieval pandemic caused by Yersinia pestis originated in Asia and reached Europe in the late 1340s reduced the global population from ~450 million to 350­375 million killed ~25 million Europeans (1/3 of the total population) the plague doctor 01/07/2013 physcians but higher in status last thing they wanted to do was care for these people plague doctors weren’t actual physicians but became doctors during this time and put on long cloak, gloves, hat (typical) but striking feature was long  beak would fill the beak with herbs to avoid smell in retrospect cloak would avoid flea bites and beak would help avoid inhalation but they didn’t know that 1348 – people had no idea what was happening no (real) treatment (e.g. bloodletting), fear turned to panic tried leeches, frogs, bloodletting many people believed this was due to “God's anger” or "Satan's influence" persecution of strangers, minorities, and witches, jewish people European social order, family structure, agriculture, the military and the feudal system, were destroyed Social order was very hierarchal but since so many people dying destroyed this Family members had plague and healthy ones would just ditch them Agriculture dependent on peasants but they all died The Feudal System Political and Social structure prevalent in Europe little opportunity for advancement a few people had everything, most had little Plague created vacant towns and farms, positions of authority need to be filled demand for physicians, clergy, gravediggers provided new opportunities for the peasants not good for people higher up, better for people lower down The “Triumph of Death” After plague a renaissance period This painting shows the social chaos that went on Shows everyone from peasants to king Death was a constant/culture Did Y. pestis really cause the Black Death? 01/07/2013 Maybe it was e.coli or anthrax or something that has since died out One work in Nature London England has plague pits  Know that victims here died from plague Took teeth from these corpses When have these septic infections organisms can get preserved in teeth Using some genomic technologies  They sequenced the entire genome of the plague/black death organism It was confirmed that it was Yersinia Perstis Technology only allowed them to sequence that we know  So if there was a sequence we don’t know about and its gone today then we don’t know about it in the Y.  Pestis Plague Pandemics Mid­19  century (the third pandemic) started in China in the 1850s and spread to all continents ­ considered active until 1959 > 12 million deaths in China and India alone reached San Francisco in 1900 – infected rats exchanged fleas with local wildlife –  Y. pestis  is now  established in Southwestern U.S. Pathogenisis of Yersinia pestis organisms live in rodents and are transmitted by fleas a "zoonotic" pathogen transmitted from animals Y. pestis  causes "blocking" in the flea biofilm formation in the proventriculus proventriculus is after esophagus and before midgut in flea flea will try to take blood meal but it is blocked by this "starving fleas" causes regurgitation of organisms they bite because their starving so when they bite the pathogen is transitted from them to humans very low infective dose (~10 cells) unusal for most things if you get infected by flea or multiple fleas Y. pestis  initially survives and grows in macrophages 01/07/2013 Will go and live in your cells trafficked to the lymph nodes  à swelling à buboes Y. pestis  continue to grow extracellularly at the terminal stage of the disease, the blood contains high concentrations of bacterial cells essential for transmission as fleas take a blood meal lets flea take another blood meal and transmit it again since it is high concentration in humans Evolution of Yersinia pestis Y. pestis  evolved from Y. pseudotuberculosis  within the last 20,000 years Y. pestis  has acquired new virulence plasmids Y. pseudotuberculosis  is primary an intestinal pathogen of animals and is found widely in the  environment Y. pestis  can infect the flea and is hypervirulent in humans, but does not survive well in the animal  intestine Main thing is all these things going on to evolve into new pathogen Virulence factors of Yersinia pestis Y. pestis  grows from 4°C to 40°C, but optimally at ~30°C Expression of many virulence factors are induced at 37°C At body temperature it turns a lot of the virulent genes on Knows its in a mammalian host Major virulence factors include (turned on in fleas): Type III secretion (intracellular pathogen) Phospholipase (survival in the flea) Gram negative LPS (septicemia) Plasminogen activator à clot buster (dissemination) Activates host plasminogen Breaks up clots Y. pestis  has a remarkable ability to overcome immune defense mechanisms resulting in massive growth Plague three major "forms" of the disease: bubonic plague septicemic plague 01/07/2013 pneumonic plague Bubonic Plague most common form, transmitted by flea bites painfully swollen lymph nodes ("buboes") in groin, armpits and neck can develop into both septicemic and pneumonic plague 40­60% mortality if untreated if not treated mortality about 50% Septicemic Plague presence of Y. pestis  is systemic (in the blood) an overwhelming and progressive bacteremia fleas bites can now pick upY. pestis  to transmit to a new host patients experience gangrene and disseminated intravascular coagulation (LPS mediated) 50­90% mortality if untreated clotting and like in fingers lost all blood flow  also happens in organs where there is loss of blood flow and  organs shut down Pneumonic Plague most dangerous transmission via aerosols directly into the lung, or spread to lungs from septicemic plague short incubation disease can pass directly from person­to­person through coughing (coughing up  blood) 95%­100% mortality if untreated, but treatable only within first 24h of symptoms basically if you get it your dead now you can treat it with antibiotics but have to be very fast Transmission Four routes for human disease Flea­bite (most common) Handling infected animals ­ skin contact, scratch, bite  Inhalation from humans (pneumonic) or animals Apparently cats very susceptible to it Then cats will cough blood and humans will get infected Ingesting infected meat Historically, rat­borne urban epidemics 01/07/2013 Nowadays we kill a lot of rats Now mostly wildlife associated plague with sporadic outbreaks Diagnosis, Treatment, and Prevention Rapid diagnosis and treatment is essential Culture and identification from bubo aspirate, sputum, blood (post­mortem) may take 4 days Might take 4 days but people can die faster than this Endemic regions – stains, antigen tests If in an area know what the general populations has Non­endemic regions? If travelling and came back and got it might not be so obvious Isolation of pneumonic plague patients Outbreaks – insecticides to kill fleas, treat human cases with appropriate antibiotics, prophylaxis to exposed  individuals Give you antibiotics anyways to avoid getting the plague? Plague as a bioterrorism agent The Centers for Disease Control and Prevention identify Plague as a "Category A" organism Category A is basically the highest category can be easily disseminated or transmitted from person to person result in high mortality rates and have the potential for major public health impact might cause public panic and social disruption Y. pestis  is easy to grow (2 days) Other examples of category A is anthrax (difficult to make) vs the plague which is easy to grow Known incidents in 1347 the Mongol armies catapulted plague­ridden bodies over the city walls in Caffa, Ukraine would take corpses and fire them In WWII, Unit 731 of the Japanese Imperial Army infected fleas and released them in China Caused a lot of outbreaks this way Larry Wayne Harris, an American "microbiologist", with suspect motives obtained strains through the mail  (American Type Culture Collection) Wasn’t really a microbiologist but claimed he was Was really a white supremist Said he was a microbiologist and asked ATCC to send Y. pestis and they did via mail Caught him but now pain in butt to get something from ATCC 01/07/2013 WHO worst­case scenario Aerosol release of 50 kg Ypestis  over city of 5 million people (150,000 infected; 36,000 deaths) “Modern” plague often thought to be extinct, plague is   very much alive today found on all continents except Australia since Y. pestis  is widespread in wildlife rodent reservoirs, plague cannot be eradicated approximately 1500 cases/year globally since 1965 >50% Southeastern Africa, especially Madagascar 10­15 cases/yr in U.S. last case reported in Canada in 1939 01/07/2013 missing wed feb 6  notes Antimicrobial Agents Disinfectants – antimicrobial agents that are applied to inanimate objects (e.g. floors, tables, walls, etc.) Antiseptics – antimicrobial agents that are sufficiently nontoxic to be applied to living tissues (e.g. hand  sanitizers) Antibiotics – antimicrobial agents produced by bacteria and fungi that are exploited by humans (delivered  topically and internally)  Alexander Fleming (1881­1955) discovered penicillin in 1928 produced from  Penicillium notatum   found colonies of staphylococci couldn't grow around a contaminating mold Nobel Prize in Physiology and Medicine (1945) British Journal of Experimental Pathology Antibiotics Antibiotics represent our most effective therapeutic against bacterial infections The availability of antibiotics enables cancer chemotherapy, organ transplantation, all invasive surgeries 2 major problems: Diminished interest from pharmaceutical companies to develop new antibiotics Bacterial resistance to antibiotics always happens Antimicrobial Discovery Antibiotic resistance is ancient Antibiotics (and antibiotic resistance) have been around for a very long time, far before the use of antibiotics  in a clinical setting Ancient DNA from frozen permafrost (~30,000 years old) has found antibiotic resistance genes How do antibiotics work?  Antibiotics either kill bacteria, or stop them from growing For bacteriostatic antibiotics, the immune system must take over to kill the bacteria Measuring Antibiotic Activity  01/07/2013 Minimum inhibitory concentration (MIC) Series of culture tubes with varying concentration of agent Check for visible growth MIC = lowest concentration of agent that inhibits growth  Minimum inhibitory concentration (MIC) antibiotic strips faster, multiple antibiotics  How do antibiotics work?  Antibiotics target essential bacterial components: Cell wall synthesis Protein synthesis DNA/RNA synthesis Folate Synthesis Cell membrane alteration Targets are not present (or different) in eukaryotic cells b­Lactam Antibiotics  e.g. Penicillin contain a "b­lactam ring" function to inhibit cell wall synthesis in bacteria b­lactams bind the bacterial "penicillin­binding proteins (PBPs)" PBPs are transpeptidases no peptide cross­links = weak cell wall = cell death but some bacteria can produce a b­lactamase an enzyme that destroys the ring and thus the antibiotic e.g. Methicillin contains a "b­lactam ring" chemically modified penicillin can't be cleaved by b­lactamases but some bacteria can produce a different "penicillin­binding protein" (e.g. PBP2a) – encoded by ' mec ' PBP2a doesn't bind methicillin (or other b­lactams) 01/07/2013 Bacterial Cell Wall Synthesis Vancomycin  inhibits cell wall synthesis in Gram positives a glycopeptide antibiotic targets Gram positive bacteria (can't get through the outer membrane in Gram negatives) often a drug of "last resort" (e.g. HA­MRSA) Vancomycin binds the peptide linkage at terminal D­Ala­D­Ala residues and inhibits transpeptidation resistance genes change these to D­Ala­D­Lac and vancomycin can no longer bind resistance is encoded by the van  genes Protein synthesis inhibitors  Bacteria contain 70S (30S+50S) ribosomes Eukaryotes contain 80S (40S+60S) ribosomes Many antibiotics target bacterial ribosomes and block translation 50S inhibitors (e.g. Erythromycin, Chloramphenicol) 30S inhibitors (e.g. Tetracycline, Kanamycin)  Folic acid synthesis inhibitors  e.g. Trimethoprim and Sulfonamides folic acid is a vitamin (B9) for humans bacteria need folic acid for thymidine synthesis bacteria cannot absorb folic acid so they must synthesize their own inhibition of folic acid synthesis blocks DNA replication DNA/RNA synthesis inhibitors  e.g. Fluoroquinolones interfere with DNA gyrase needed for supercoiling of DNA e.g. Rifampicin inhibits bacterial RNA polymerase Cell Membrane Alteration 01/07/2013 e.g. Polymyxin B used for Gram negatives bind to LPS hydrophobic tail inserts and disrupts outer and inner membranes Bacterial strategies for antibiotic resistance Prevention of antibiotic entry Gram negative outer membrane and mycobacteria cell wall Antibiotic modification b­lactamase Efflux of antibiotic actively pump out the antibiotic Alteration of antibiotic target PBPs, Ribosome modifications Bypassing the antibiotic action use environmental folic acid Antibiotic resistance genes  many mechanisms of antibiotic resistance are genetically encoded (e.g.  mec , b­lactamase, efflux pumps) "R" genes often encoded on mobile genetic elements (e.g. plasmids) leading to horizontal gene transfer à "superbugs" Horizontal gene transfer rather than alter gene function through mutations, new genes are acquired from another source  Transformation involves uptake of short fragments of naked DNA by naturally transformable bacteria Transduction Involves transfer of DNA from one bacterium into another via bacteriophages Conjugation Involves transfer of DNA material via sexual plus and requires cell­to­cell contact Selection for Antibiotic Resistance Paradoxically, the use of antibiotics actively selects for antibiotic resistant bacteria 01/07/2013 Some probable overuse/misuse of antibiotics  Empiric use (blinded use) Increased use of broad spectrum agents Pediatric use for viral infections Patients who do not complete course (chronic disease, e.g. TB) Antibiotics in animal feeds ESKAPE bacteria cause ~ two thirds of all health care associated infections  Enterococcus faecium  (VRE) Staphylococcus aureus  (MRSA) Klebsiella  species Acinetobacter baumannii Pseudomonas aeruginosa Enterobacter  species The pathogen: Enterococci  Gram positive, non­motile, grows in chains normal colonizers of the intestinal tracts in mammals  an important “nosocomial” pathogen known for drug resistance 2 main pathogenic species E. faecalis  (more virulent but less drug resistant) E. faecium  (less virulent but more drug resistant) responsible for: urinary tract infections, endocarditis, surgical infections/wounds VRE – vancomycin resistant enterococci ­ first reported in 198E. faecium ) – no longer just “colonizers” VRE is now globally disseminated resistance due to thevan  genes The pathogen:  Acinetobacter baumannii   Gram negative aerobe "Iraqibacter" has emerged as a major opportunistic and nosocomial pathogen within the last ~10 years 01/07/2013  key virulence factors are not well studied but include pili, LPS, and biofilm formation commonly found on the skin of healthy individuals and widely distributed in the environment traditionally found in ICUs and burn units now causes many infections including ventilator associated pneumonia, urinary tract infection, bacteremia  and sepsis clinical isolates can be resistant to virtually all antibiotics The pathogen:  Klebsiella pneumoniae   Gram negative facultative anaerobe an important cause of nosocomial pneumonia produces a capsule and is commonly resistant to multiple antibiotics first documented source of "NDM­1" New Delhi Metallo­beta­lactamase­1 also known as a carbapenemase carbapenems are b­lactamase resistant b­lactams with broad spectrum activity NDM­1 is now widespread in other Gram negatives Evolution of the 'Superbug'  1900 ­ life expectancy 47 years  1928 ­ penicillin discovered (Fleming)  1940 ­ S. aureus  extracts could break down penicillin   1941 ­ penicillin introduced into the clinics  1942 ­ first clinical isolates of penicillin­resistant S. aureus  1950 ­ life expectancy 68 years ­ increase mostly due to control of infectious disease  1950s ­ vancomycin introduced (but not used much)  1959 ­ methicillin introduced  1961 ­ methicillin resistaS. aureus  (MRSA)  1960s ­ vancomycin reintroduced for serious cases  1989 ­ first report of vancomycin resistance in enterococci (VRE)  1997 ­ first report of vancomycin “intermediateS. aureus  (VISA)   1997­1999 – emergence of community acquired MRSA (CA­MRSA)  1998 ­ 50 million pounds of  antibiotics used in the U.S. for medicine and agriculture   2000 ­ linezolid introduced for VRE and MRSA and penicillin resistant pneumococci   2001 ­ linezolid resistance reported iS. aureus  and VRE 01/07/2013  2002 ­ first report of vancomycin resiS. aureus  (VRSA)   Infection with Vancomycin­Resistant Staphyloccocus aureus containing the vanA resistance gene 01/07/2013 Mycobacteria M. tuberculosis causative agent of Tuberculosis in humans humans are the only known reservoir often called "TB" for tubercle bacilli M. bovis causes tuberculosis in cows, rarely in humans humans can be infected by the consumption of unpasteurized milk leading to extrapulmonary tuberculosis M. avium can cause a tuberculosis­like illness in humans, particularly in AIDS patients M. leprae causative agent of Leprosy in humans Global incidence per 100,000 The pathogen: Mycobacterium tuberculosis First isolated by Robert Koch in 1882 An obligate human pathogen A intracellular pathogen (lives within macrophages) Non­motile, rod shaped, obligate aerobe  M. tuberculosis  can be grown in the lab on specialized media but takes 4­6 weeks to get small colonies slow generation time of >15 h Mycobacteria have high  concentrations of mycolic acid in the cell envelope This unusual cell envelope is  associated with: Resistance to many antibiotics  Resistance to killing by acidic and alkaline compounds Resistance to osmotic lysis via complement deposition Resistance to lethal oxidative stress and promotes survival inside of macrophages Impermeability to stains and dyes  “Acid fast” (a Hallmark of Mycobacteria) Tb is closer to gram positive but it wont stain  the "waxy", lipid­rich cell envelope (very hydrophobic) which resists common strains – (ie. Gram strain) 01/07/2013 “acid­fastness” is due to the presence of mycolic acid Acid fast stain stained with the basic dye carbol­fuchsin with slow heating (to melt the wax) washed with EtOH and HCl counterstained with methylene blue acid­fast organisms appear red whereas non­acid fast organisms appear blue Spread and progression of tuberculosis Stage 1: transmission is from inhalation of droplets from an infected host, usually by coughing or sneezing coughing/sneezing can generate 3000 droplet nuclei; droplet nuclei can contain ~ 3 bacteria small diameter droplets (~5 μm) can stay airborne for extended periods of time the outer more particles in a sneeze airborne droplets can be inhaled directly intolungs Stage 2: begins 7­21 days after initial exposure alveolar macrophages phagocytize TB cells TB can multiply in unactivated macrophages macrophages will lyse and release TB cells to infect more macrophages a key virulence property ofM. tuberculosis  is the ability to survive within the host macrophage Granuloma (purple picture) Immune system trying to clear a foreign body In this case it is ineffective at doing so Tb sits in these granuloma structures and prevent fusion of lysosome and macrophages so it doesn’t die Immune system trying to get there but it cant actually get there You can be infected with Tb and not show signs of the disease? Stage 3: infected macrophages may form granulomas TB granulomas are "tubercles" of immune cells that try to destroy invading pathogens (typically formed by  macrophages) TB inhibits the fusion of the phagosome with the lysosome to survive and can grow within the macrophage the granuloma represents a "balance" between the pathogen and the host à latent infection macrophages at the center of the granuloma are harder to activate by T cells activated macrophages can kill TB and present antigens to T cells 01/07/2013 TCR activated T cells can secrete cytokines to activate the macrophages macrophages cause necrosis “cheese­like” à caseous necrosis this is because immune system trying to kill something it cant actually kill Stage 4: some macrophages remain unactivated and infected the tubercle grows erosion of the granuloma into the airway provides the route of transmission granuloma erodes and spills into other passages  they become active and can be transferred to other people also deterioration of host immunity can result in a life threatening infection à active tuberculosis the caseous center can liquefy leading to cavitation Post mortem granuloma of lungs Picture in slides Even the small dots are lesions from Tb Tuberculosis 75% of active tuberculosis is pulmonary Tb (contagious) progressive, irreversible lung destruction can occur, and the bacteria may enter the bloodstream latent carriers do not transmit the infection it is thought that a single inhaled bacterium can infect 25% of active tuberculosis is extra pulmonary Tb (non­contagious) more likely to occur in immunocompromised individuals can infect: bone, joints, liver, spleen, gastrointestinal tract and brain systemic spread, called miliary tuberculosis, is almost always fatal only about 10% of TB infected people develop disease symptoms often non­specific a prolonged (> 2 weeks) cough with thick and possibly blood mucus fever, chills, night sweats fatigue and weakness loss of appetite and weight loss à “consumption” in the past Tb has often been referred to as consumption because of this chest pain and shortness of breath 01/07/2013 pallor, meaning pastiness or pale skin à “the white death” historically Tb often referred to as this extra pulmonary TB can vary widely depending on where TB has spread Testing and Diagnosis Tuberculin test (PPD = purified protein derivative fromM. tuberculosis ) a person is considered infected if they convert from negative to positive on a TB skin test 2 separate tests  a positive result is a red and swollen circle at 48h delayed­type hypersensitivity a negative result could mean: not infected, immune compromised (e.g. AIDS), not infected long enough a positive result could mean: latent or active TB, BCG vaccinated if vaccinated by BCG you will show positive for this test but probably don’t have Tb A positive tuberculin test would likely mean a careful history and a chest X­ray Like have you been to a country where Tb is endemic/have you had BCG vaccine (not used in Canada  much but in other countries) X­ray: typical upper lobe “shadowing” = lesions calcified granulomas may be seen on an X­ray staining of sputum for acid fast bacilli and culturing more complex molecular techniques (e.g. PCR) Treatment active TB will kill about 2 of 3 people if untreated six months of antibiotics for the short treatment slow growth means long treatments since Tb grows slow it needs to be treated slow a lot of people will take it for say 2 months and feel better and then stop taking it now there are cells that have developed resistance generally, multiple types of antibiotics are used: Rifampin (inhibits RNA polymerase)  Isoniazid (inhibits mycolic acid synthesis) others… 01/07/2013 why give two or more drugs? 11 10  bacteria possible in tubercle minimizes development or resistance say 1 or 2 of those million cells that get a mutation that get resistance to the drug  so if using two drugs the bacteria would have to develop 2 mutations simultaneously in order to survive Drug Resistant TB multi­drug resistant TB (MDR­TB) defined as being resistant to the first two most effective first­line therapeutic drugs, isoniazid and rifampin extensively­drug resistant TB (XDR­TB) also resistant to the most effective second­line therapeutic drugs used commonly to treat MDR­TB XDR­TB has been found in all regions of the world these strains can be virtually untreatable can be very dangerous BCG “bacille Calmette­Guérin” a living vaccine prepared from attenuated M. bovis BCG shares antigenicity with TB controversial  due to variable efficacy (~80% or much less)  vaccinated individuals can give a false positive for the tuberculin test more aggressive ones give better immunity but more scarring lesser aggressive ones give weaker immunity but less scarring many different strains around the world so very controversial vaccine vaccination leaves large scars recommended for individuals with high risk to exposure because it’s a mycobacteria it will share antigens with TB Tuberculosis and HIV/AIDS In 2009, 33.3 million persons were living with HIV infection In 2009, ~2 billion persons (one third of the world’s population) were infected with Mycobacterium  tuberculosis At least one third of the persons living with HIV infection are coinfected with TB So imagine this if HIV stops your T cells 01/07/2013 TB is the cause of death for as many as half of all persons with AIDS (mostly extra­pulmonary TB) Since 1990, TB infection rates have increased 4­fold in countries that are heavily affected by HIV The disease: Leprosy a chronic disease caused by Mycobacterium leprae also called Hansen’s disease very slow growth – incubation period of ~5 years might not see symptoms until 2 years, 5 years, 20 years can cause permanent damage to skin, nerves, limbs and eyes Leprosy is very rare in developed countries ~ 2 million people around the world are permanently disabled by leprosy, mainly in tropical developing  countries (this may be a low estimate) probably underestimated because highly stigmatized and underreported mostly tropical countries The pathogen: Mycobacterium leprae M. leprae  shares some features with M. tuberculosis Gram positive acid fast, rod shaped, aerobic, waxy cell envelope (mycolic acid) cannot be cultivated in vitro (less well­studied thanM. tuberculosis ) cant grow it in the lab can grow in the foot pads of mice (low numbers) if take lesion and inject it into mice foot pad causes systemic infection in the armadillo (10  organisms per gram of infected tissue) will grow in huge numbers in the tissue of an armadillo M. leprae  infects macrophages of skin and Schwann cells in nerves Schwann cells are the insulating cells around nerves so when action potentials are firing The disease: Leprosy historically, victims of leprosy have been ostracized rejected by family and friends driven from communities killed all this still happens today lesions in tuberculosis are “hidden” 01/07/2013 unless actively coughing up lesions in leprosy are “visible” BUT, leprosy is much less infectious that TB Much much much less infectious two major forms: Tuberculoid and Lepromatous essentialy 95% of the pop cant even develop the disease from being infected by leprosy some people can and develops into tuberculoid form? the more severe lepromatous form happens over time Tuberculoid Leprosy cell­mediated immunity present macrophage can contain the bacteria light coloured lesions with “anesthetic” areas cant get any live bacteria from these lesions sometimes loss of hair and pigmentation patients become tuberculin positive (active T cell­mediated responses) bacterial cells are generally not recoverable from lesions Tuberculoid Leprosy can be self­limiting Lepromatous leprosy cell­mediated immune responses are absent macrophages are not activated M. leprae  survives and multiples in macrophages and Schwann cells Schwann cells provide myelin insulation to peripheral nerves  due to nerve damage and loss of sensation leads to inadvertent traumatic lesions on the face and  extremities imagine don’t feel fingers getting hurt and using hammer and keep hammering it just one example can lead to number of things can cause loss of eyebrows, thickening and enlarged nares, ears and cheeks à “lion like” appearance lesions can become secondarily infected, eventually resulting in bone resorption, disfigurements and  mutilation Early versus Late Lepromatous Leprosy Same person 2 years later (14 year old boy) kid in Hawaii 01/07/2013 Spread and Progression of Leprosy transmission is not well understood probably close (direct) contact for extended periods of time ­ inhaled droplets? most exposed individuals do not develop disease – host genetics likely plays an important role don’t know because cant go back 5 years and take critical histories Treatment Leprosy is highly treatable with antibiotics multiple drugs are used (6 months to 1 year) dapsone (1940s) – resistance developed in 1960s multidrug therapy (MDT) (1980s) – dapsone, rifampin, clofazimine patients no longer transmit the disease after one dose of MDT don’t transmit after going on drug can actually elimate this disease because isolated to low population drugs for it are now easy to take even (come in blister packs) even though lots needed Leprosy aboard ship Very stigmatized even in Canada Like who cares if theres been one case of leprosy 01/07/2013 Clostridia Gram­positive, rod shaped, endospore­formers  Will see that endospores are critical for all the diseases that these organisms cause Strict anaerobes, vegetative cells killed by 2 Oxygen is toxic to them Generally found in soil and intestinal tracts of animals Responsible for several unrelated diseases > 80 species of  Clostridia mostly not pathogenic but 4 that are important for us Important human pathogens: Clostridium difficile ­  pseudomembranous colitis Clostridium tetani –  tetanus Causes tetanus and likewise for other 3 (cause ____) Clostridium botulinum ­  botulism Clostridium perfringens –  food­borne illness and gas gangrene can cause life threatening diseases mediated by exotoxins Endospore formation “endo” means “within” endospores are highly resistant to heat, drying, harsh chemicals and nutrient depletion function as “survival structures” not for replication also used for dispersal through air, water and intestinal tracts also used to move around and sit around for long periods of time Clostridia produce terminal endospores Endospore formation Best studied in Bacillus  and Clostridium  species Start w
More Less

Related notes for Microbiology and Immunology 2500A/B

Log In


Don't have an account?

Join OneClass

Access over 10 million pages of study
documents for 1.3 million courses.

Sign up

Join to view


By registering, I agree to the Terms and Privacy Policies
Already have an account?
Just a few more details

So we can recommend you notes for your school.

Reset Password

Please enter below the email address you registered with and we will send you a link to reset your password.

Add your courses

Get notes from the top students in your class.