Mechanism of Microbial Infections

Embed Size (px)

Citation preview

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    1/122

     

    Adapted from JF Zachary and MD McGavin

    e .  a o og c  as s o   e er nary  sease , p.   ‐

    Graduate Institute of  Molecular and Comparative Pathobiology

    School of  Veterinary Medicine, NTU

    1

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    2/122

     

    •   Provide a mechanistic overview of  the key 

    ste s involved in understandin   the 

    pathogenesis of  infectious diseases.

    2

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    3/122

    •   ynops s

    •   Portals of  Entrys•   Defense mechanism

    •   Genetic Resistant of  Animals to Infectious 

    seases•   Bacterial Diseases

    •   Viral Diseases

    •   Fungal Diseases•   Protozoan Diseases

    •   Prion Diseases

    3

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    4/122

    •   In ectious agents  o ow c rono ogy sequences 

    of  events regulate by virulence  determinates to infect target cells unique to specific  organ system and cause disease (Fig. 4‐1).

    •   Entry (routes),  ligand‐receptor interaction, colonization   s readin   cell dysfunction/death or clinical disease

    •  various infectious agents.

    4

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    5/122

    Fig. 4‐1 Sequence of  events in infection. The chronologic sequence of  events used by infectious 

    microorganisms to co onize and invade mucosae and s in, spread to  oca  tissues and regiona 

    and systemic organ systems, and cause disease. (Courtesy Dr. J. F. Zachary, College of  Veterinary 

    Medicine, University of  Illinois.)  5

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    6/122

     

    •   nges on,  n a a on, cu aneous pene ra on, 

    ascending 

    infection 

    (Fig. 

    4‐

    2). 

    (Fig.4‐3) 

    •   mucus layer.

    •   cilia or microvilli, and/or mucosal epithelial cells.

    •   MALT via mucosa MØ or L.•   MALT via D

    •  

    •   MALT via M cells and transcytosis

    •   Nerve ending and enter brain via retrograde axonal transport 

    6

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    7/122

    ‐.  .  

    microorganisms commonly enter the 

    body through ingestion (alimentary 

    ortal inhalation res irator 

    portal), cutaneous penetration (skin portal), and ascending infection 

    (lower urinary and reproductive 

    portals) and interact with epithelial 

    cells, macrophages, dendritic cells, 

    and lymphocytes of  the mucosae or 

    skin. (Modified from Goering R, 

    Dockrell H, Roitt I, et al: Mims’  

    medical  microbiology,  ed 4, St. Louis, 

    2008, Mosby.)

    7

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    8/122

    Fig. 4‐3 Mechanisms of  Microbial 

    Pathway 1: Bacteria target the mucus 

    layer. Pathway 2: Bacteria target cilia 

    or microvilli and/or mucosal e ithelial 

    cells. Pathway 3: Bacteria target MALT 

    via mucosal macrophages (MØ) 

    and/or lymphocytes (L). Pathway 4: 

    Bacteria target MALT via dendritic 

    cells (D). Pathway 5: Bacteria target 

    MALT via transcytosis or intercellular 

    ( unctional complexes) spread. 

    Pathway 6: Bacteria target MALT via 

    M cells and transcytosis. Pathway 7: 

    Bacter a target nerve en ngs  n 

    mucosa and enter the brain via 

    retrograde axonal transport. our esy  r.  .  .  ac ary,  o ege o  

    Veterinary Medicine, University of  

    Illinois.)

    8

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    9/122

     

    •   Locate   at t e mucosa o   t e a imentary an  

    respiratory system, is a protective mucus gel compose   pre om nan y o   muc n g ycopro e nssynthesized and secreted by goblet cells (Fig. 4‐4).

    •   Blocking from reaching target cells, •   trapping for phagocytosis or bacteriostatic or 

    bacteriaocidal molecules

    •   Facilitate  ha oc tosis b   MØ D or M cells•   Delivery

    9

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    10/122

     

    •   Mucus layer can be affected by 

     –  function chan e of   oblet cells 

     –  factors produced by infectious agents, 

     –    , 

     –  predisposing management stressor (dehydration, 

    s ipping,  umi ity, venti ation, weat er c ange.

    10

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    11/122

     

    •   Infectious agents use three mechanism to 

    enetrate the mucus la er. –  Penetrating motility

     –   

    consumption as an energy source

     –   vas on o   e mucus  ayer  n area aroun   eyer s

    patches and M cells, area devoid of  mucus.

    11

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    12/122

    •   Biochemical difference in different locations

    •  

     –  Neutral

     –  Aci•   Sulfated (Sulfomucins)

    •   Non‐sulfated (sialomucin)

    12

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    13/122

    •   g.  ‐ an   ‐  .

    •   Infectious agents entering the alimentary system.

    •   ,  , epithelium and epithelium containing M cell overlying Peyer’s patch.

    •   Mucus, 

    o og ca 

    an 

    p ys ca 

    arr er –   Thickness and viscosity (830um in colon, 123um in  jejunum), –   

     –   Reservoirs for Ig A and lysozyme

     –   Free 

    radical 

    scarvenger –    orma  ora

    •   Microbial interaction with a barrier system: intestinal mucosa  Fi . 4‐5

    13

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    14/122

    Fig. 4‐4 Mucus

     layer

     of 

     alimentary

     and

     respiratory

     mucosae.

     A, Mucosa of  the intestine (shown here) and 

    o   t e con uct ve resp ratory a rways are covere   y a mucus  ayer  not v s e  n  sect ons   secrete   y 

    goblet cells (G). The mucus covers the microvilli or cilia of  these systems. H&E stain. B, The mucus layer has 

    an outer layer that traps microorganisms (infectious and noninfectious) and other particles and an inner 

    la er in which the cilia beat and which contains antimicrobial substances that diffuse into the outer la er. 

    Dendritic cells and mucosa‐associated macrophages and lymphocytes play central roles in preventing 

    infection of  mucosa. (A courtesy Dr. J. F. Zachary, College of  Veterinary Medicine, University of  Illinois.)14

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    15/122

    Fig. 4‐5A Microbial

     interactions

     with

     a barrier

     system:

     intestinal

     

    mucosa. A, Mucosa that cover intestinal villi (V) and Peyer’s

     

    to prevent the spread of  infectious organisms into the underlying 

    lamina propria. H&E stain. B, Schematic diagram of  the responses 

    of  bacteria  or viruses   tra ed in the mucus la er  1  . Bacterial 

    proteins (virulence determinates) act to allow them to penetrate 

    the mucus layer and come into contact with the mucosal 

    epithelium (2). IgA secreted by mature plasma cells in the lamina 

    propria passes 

    through 

    mucosal 

    epithelial 

    cells 

    into 

    the 

    lumen 

    and 

    can act as an “opsonizing” defense mechanism thus preventing 

    infection. Bacteria then interact with mucosal epithelial cells, 

    dendritic cells (D), or M cells (3). They then encounter lymphoid 

    cells in the lamina propria or Peyer’s patches (4) and spread in 

    lymphocytes or as free virus in lymph from this location via efferent lymphatic vessels to regional lymph nodes (5). Note the absence of  

    a mucus layer over M cells and follicle‐associated epithelium. Also 

    see Fig. 4‐7 for an example of  barrier system: respiratory mucosae. 

    cour esy  r.  .  .  ac ary,  o ege o   e er nary  e c ne, 

    University of  Illinois.)15

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    16/122

    Fig. 4‐5B Microbial interactions with a barrier 

    system: intestinal mucosa. A, Mucosa that cover 

    intestinal villi (V) and Peyer’s patches (P) and line 

    prevent the spread of  infectious organisms into the underlying lamina propria. H&E stain. B,

    Schematic diagram of  the responses of  bacteria 

    Bacterial proteins (virulence determinates) act to 

    allow them to penetrate the mucus layer and 

    come into contact with the mucosal epithelium (2). 

    propria passes through mucosal epithelial cells 

    into the lumen and can act as an “opsonizing” 

    defense mechanism thus preventing infection. 

    dendritic 

    cells 

    (D), or 

    cells 

    (3). 

    They 

    then 

    encounter lymphoid cells in the lamina propria or 

    Peyer’s patches (4) and spread in lymphocytes or 

    as free virus in l m h from this location via 

    efferent lymphatic vessels to regional lymph nodes 

    (5). Note the absence of  a mucus layer over M 

    cells and follicle‐associated epithelium. Also see 

    Fi . 4‐7 for an exam le of barrier s stem: 

    respiratory mucosae. (A courtesy Dr. J. F. Zachary, 

    College of  Veterinary Medicine, University of  

    Illinois.)

    16

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    17/122

    •   g.  ‐  .

    •   Deposition of  infectious agents in the respiratory system could be at nasal turbinates   nasal  har nx   and or the conductive system bases on physical properties of  the agents such as size, shape, weight, and electronic charge.

      ‐ ,  ,  .   , 

    fungi (5‐60um), protozoa (1 to 300 um)•   Nasal cavity and turbinates trap 70‐80% of  particles 3‐5 um 

    or  greater, 60% of  particle 2 um or greater; but cannot trap 1um

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    18/122

    g.  ‐   epos on o  n ec ous m croorgan sms.   n ec ous m croorgan sms  n a e   roug  

    the nostrils are deposited on mucosa of  the nasal turbinates, nasal pharynx, and/or the 

    conductive system of  the respiratory tract. The site of  deposition depends on the physical 

    ,  ,  ,  . 

    Goering R, Dockrell H, Roitt I, et al: Mims’  

    medical  

    microbiology, ed 4, St. Louis, 2008, Mosby.)18

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    19/122

    Fi . 4‐7 Mucociliar a aratus. A   Cilia  arrows   of  the bronchiole mucosal e ithelial cells 

    and the mucus layer (not visible) form the mucociliary apparatus of  the conductive 

    component of  the respiratory system. The mucus layer is not visible because it has been 

    removed during histologic processing of  tissue. H&E stain. B, Diagram of  the mucociliaryapparatus. The mucus layer is biphasic and consists of  a luminal viscoelastic or gel layer 

    used to trap bacteria and a serous inner layer in which the cilia of  ciliated mucosal epithelial 

    cells beat unidirectionally to move bacteria upward in the airways to be swallowed or 

    expectorated. G, Goblet cell. (Courtesy Dr. J. F. Zachary, College of  Veterinary Medicine, 

    University of  Illinois.)19

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    20/122

    •   Biphasic, gel (luminar viscoelastic) and serous 

    inner la er.•   Direction of  moving, downward in nasal cavity 

    ,  .

    •   Unusual agents (Rhodococcus equi ) gains 

    access to alimentary system and cause disease.

    20

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    21/122

    Immune Component in 

    the conductive system

    •   Mo and D cells and other components (Ig A) 

    •   ’. 

    •   Trojan horse (macrophages)

    21

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    22/122

    Cutaneous penetration & 

    Ascending infection

    •   Injury then spreading (cutaneous ).

     –  Wound or insect bite

    •   Lower urinary system and reproductive system 

     –  Coitus or contaminated AI materials

     –  injury

    22

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    23/122

     

    •   ost  arr er system

     –  Skin 

    and 

    mucosa 

    of  

    several 

    systems –    cc u ng  unc on, •   tight  junction demosome and adherence  junction

     –   

    •   Basement membrane and ECM

     –  Apical domain (Influenza), receptor‐mediated endocytosis

     –  Basolateral domain (Parvo), exocytosis (Fig. 4‐8)

    •   Innate and adaptive immune response•   Monocyte‐Macrophage system

    •   Dendritic cells

    23

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    24/122

    Fig. 4‐8 Domains of  polarized epithelial cells in mucosal barriers. Infectious organisms use 

    the apical or basolateral domains of  mucosal epithelial cells to enter and exist from these 

    cells. Apical or basolateral cell surface receptors may facilitate entry into the cell. (Courtesy Dr. 

    J. F. Zachary, College of  Veterinary Medicine, University of  Illinois.  24

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    25/122

    •   A network of  phagocytic and immune cells (Fig. 

    4‐9).•   Migration and surveillance

    •   Ki ing 

    Fig. 

    4‐

    10•   Traffickin   Fi . 4‐11

    25

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    26/122

    Fig. 4‐9 Tissue

     locations

     of 

     cells

     of 

     the

     monocyte

    ‐macrophage

     system. (From Goering R, 

    Dockrell H, Roitt I, et al: Mims’  medical  microbiology, ed 4, St. Louis, 2008, Mosby.)  26

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    27/122

    Fig. 4‐10 Phagocytosis and intracellular 

    destruction of  microbes. Phagocytosis of  a 

    particle (e.g., infectious microorganism) 

    involves binding to receptors on the leukocyte 

    membrane, engulfment, and fusion of  lysosomes with phagocytic vacuoles. This 

    process is followed by destruction of  ingested 

    particles within the phagolysosomes by 

    ysosoma enzymes and  y reactive oxygen and 

    nitrogen species. The microbicidal products 

    generated from superoxide are hypochlorite ∙ ∙

     an   y roxy  ra ca  , an   rom 

    nitric oxide (NO) it is peroxynitrite (OONO∙). 

    During phagocytosis, granule contents may be 

    MPO, Myeloperoxidase; iNOS, inducible NO 

    synthase. (From Kumar V, Abbas A, Fausto N, 

    disease, ed 8, Philadelphia, 2009, Saunders.)

    27

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    28/122

    Fig. 4‐11 Leukocyte trafficking.

    Infectious microorganisms often use 

    macrophages, 

    lymphocytes, 

    and/or 

    dendritic cells to spread themselves 

    to other organ systems as these cells 

    of  their normal immunologic 

    surveillance activities. As an example, 

    lymphocytes move through the 

    circulation and enter lymph nodes via 

    specialized endothelial cells of  

    postcapillary venules (HEVs), leave 

    and pass through other nodes, finally entering the thoracic duct, which 

    empties into the circulation. 

    Lymphocytes enter white pulp of  the 

    spleen, then pass into sinusoids of  the 

    red pulp and leave via the splenic vein. 

    ,  ,  , 

    al: Mims’  

    medical  

    microbiology, ed 4, 

    St. Louis, 2008, Mosby.)

    28

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    29/122

    GENETIC RESISTANT of  ANIMALS to 

    INFECTIOUS DISEASES•   ene c res s ance  o  n ec ous  seases  s po ygene c 

    trait regulated mainly by the immune system and its 

    interaction with barrier s stem and environment factors such as weather conditions and nutritional status.

    •   ac ors  nc u e :  mmune ce s, s ruc ures  ,  arr er system, functional process (adhesion, chemotaxis, 

    ha oc tosis   ha osone‐l sosome fusion  intracellular killing of  microbes, and antigen process)

    •   PAMPs 

    receptor 

    recognize 

    pathogen‐

    associated 

    mo ecu ar patterns

    •   MHC, BoLA

    29

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    30/122

    GENETIC RESISTANT of  ANIMALS to 

    INFECTIOUS DISEASES•   Disor ers o   arrier systems

     –  Epitheliogenesis imperfecta in horse pig and cattle•   Loss of  the peithelium in the skin, mucosa, tongue

    •   Alteration in sub‐basal plate, hemidesmosomes, laminin‐5 

     –    y y  •   Defects of  proteins in the outer and/or inner dynein arms of  

    cilia   which  ive them the motilit  

    •   Retention of  infectious agents in the respiratory system and causes pneumonia

    •   Disorders of  innate immune response

    •   Disorders of  the adaptive immune response

    30

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    31/122

    GENETIC RESISTANT of  ANIMALS to 

    INFECTIOUS DISEASES•   sor ers o   nnate  mmune response

     –    Toll‐like receptors (TLRs) in the process of  the phagocytosis (Fig. 4‐12)

    •   Pattern‐recognition receptors (PRRs) that recognized molecules on infectious agen s ca e   s.

    •   IL‐1 involved in the initiation and sustain the innate immune response through 

    phagocytosis. 

     –   

    •   Alteration in the leukocyte adhesion cascade, deficiency or dysfunction of  integrinsand selectins and causing inability of  neutrophils to adhere to endothelial cells in 

    the wall of  blood vessels and mi rate into sites of  bacterial infection.

     –    Granulocytopathy syndrome in dogs and cattle

    •   Reduced NADPH concentration  and cause reduce concentration of  hydrogen 

    peroxide in phagosome‐lysosome fusion. –    Cyclic hematopoiesis in dogs

    •   Abnormality in stem cells in bone marrow results in periodic declines, every 10‐12 

    ds, in neutrophils concentrations followed by hyperplasia and a return to normal.

    •   Metabolic derangement in purine or pyrimidine metabolism may be the cause

    31

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    32/122

    Fig. 4‐12 Toll‐like receptors in the process of  phagocytosis. The process that results in phagocytosis is characterized by three interrelated steps: 

    adherence and diapedesis, tissue invasion by chemotaxis, and phagocytosis. A, Adherence, margination, diapedesis, and chemotaxis. The 

    primary phagocyte in the blood is the neutrophil, which usually moves freely within the vessel (1). At sites of  inflammation, the neutrophil 

    progressively develops increased adherence to the endothelium, leading to accumulation along the vessel wall (margination or pavementing) (2). At sites of  endothelial cell retraction the neutrophil exits the blood by means of  diapedesis (3). Chemotaxis: In the tissues, the neutrophil detects 

    chemotactic factor gradients through surface receptors (1) and migrates towards higher concentrations of  the factors (2). The high concentration 

    of  chemotactic factors at the site of  inflammation immobilizes the neutrophil (3). B, Specific receptors for recognition and attachment. C,

    Phagocytosis. Opsonized microorganisms  bind to the surface of  a phagocyte through specific receptors (1). The microorganism is engulfed 

    ,  .  ,  . 

    During this process the microorganism is exposed to products of  the lysosomes, including a variety of  enzymes and products of the hexose‐

    monophosphate‐

    shunt 

    (e.g., 

    H2O2, 

    O2−

    ). 

    The 

    microorganism 

    is 

    killed 

    and 

    digested 

    (4). 

     Ab, Antibody; 

     AbR, antibody 

    receptor; 

    C3b, complement 

    component C3b; C3bR, complement C3b receptor; PAMP, pathogen‐associated molecular pattern; PRR, pattern recognition receptor. (From 

    McCance KL: Pathophysiology:  the biologic basis  for  disease in adults and  children, ed 6, St. Louis, 2010, Mosby.)32

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    33/122

    GENETIC RESISTANT of  ANIMALS to 

    INFECTIOUS DISEASES•   sor ers o   e a ap ve  mmune response –  Agammaglobulinemia in young colts

    •   Dysfunction of  cytoplasmic tyrosine kinase resulting in blockage in the differentiation of  B lymphocyte linages and a 

     –  Severe combined immunodeficiency syndrome in dogs and arabian horse•   X‐linked recessive mode

    •   Mutation within recombinase‐activating gene

      ‐

    •   Or incapable of  completing signal transduction pathway due to defect in the surface receptor for interleukins

    33

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    34/122

     

    •   Pathogenecity

     –  Abilit   to infect cells•  Adhesion, multiplication, colonization, tissue invasion, 

    circumvention of  animal defense mechanisms.

     –  Ability to produce toxins and damage cells and their ECM tissues such as colla en 

    •   Toxins: cytolysis and invasion of  vascularized ECM 

    tissues  locall   and s stemicall   b   exotoxins or endotoxins.

    34

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    35/122

    Mechanisms adopted by infectious 

    microorganisms tp avoid phagocytosis 

    •   Fig. 4‐13

    •  

    •  Opsonization prevented

    •   Contact with phagocyte prevented•  

    •   Escape into the cytoplasm

    •   Resistant to killing

    35

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    36/122

    Fig. 4‐13 Mechanisms adopted by infectious microorganisms to avoid phagocytosis. (From 

    Kumar V, Abbas A, Fausto N, et al: Robbins 

    Cotran pathologic 

    basis 

    of  

    disease, ed8, Philadelphia, 2009, Saunders.)

    36

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    37/122

     

    •   erence  o ce   mem rane

    •   Mucosa colonization

     

    •   Growth and replication

    ,  , 

    •   Cell disruption, inflammation, injury or death•   ‐. 

    •   Co‐factors of  pathogenecity

     –  Ph sical and environment issues weather access to food and water, management (shipping) or house stressor (ventilation, humidity or overcrowding)

    37

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    38/122

    Fig. 4‐14 Virulence 

    determinates used by bacteria 

    to cause

     disease. 38

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    39/122

     

    •   Eg. Mucus  ayer

    •   Motility –  spirochetes

    •   Di estion and consum tion of  mucus la er

     –  Clostridium 

    septicum, 

     –  Consume oli osaccharides as carbon source: N‐acetylglucosamine, galactose, N‐acetylgalactosamine

    •   Random discover   of  mucosa lackin   a mucus layer

     –  M cells

    39

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    40/122

    •   es on:  gan   ‐recep or  n erac on  g.  ‐

    •   Invasion: 

    invasins –  Sprea ing  actors,  ya uroni ase, co agenase,  inase, lecithinase, phospholipase (Tab. 4‐2)

      .  ‐   ,  ‐

     –  Exodotoxins and lipoteichoic acid 

     – 

    •   Other virulence determinates

     –    –  Siderophores

     –  Biofilms intracellular bacterial communities

    40

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    41/122

    Fig. 4‐15 Fimbrial (pilus) and afimbrial adhesins. These structures are used by infectious 

    microorganisms to attach and bind to protein receptors on membranes of  target cells (especially mucosal epithelial cells) or to molecules of  the mucus layer or vascularized 

    extracellular matrix (connective) tissues.

    41

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    42/122

    Fig. 4‐16A Morphology and molecules of  Gram‐positive and Gram‐negative bacteria.

    o ecu es  e exo ox ns,  po e c o c ac , an   en o ox ns  popo ysacc ar e  a   orm 

    the structure of  bacterial cell walls are often toxic. They act as virulence determinates that 

    damage cells and their extracellular matrices such as collagen. A, Morphology of  a typical 

    .  ,   ‐ .   ‐

    bacteria have a thin peptidoglycan layer and an outer membrane of  LPS (right). (A and B from 

    Goering R, Dockrell H, Roitt I, et al: Mims’  

    medical  

    microbiology, ed 4, St. Louis, 2008, Mosby.)42

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    43/122

    Fig. 4‐16B Morphology and molecules of  Gram‐positive and Gram‐negative bacteria. Molecules like exotoxins, 

    lipoteichoic acid, and endotoxins (lipopolysaccharide [LPS]) that form the structure of  bacterial cell walls are often toxic. 

    .  ,  

    typical bacterium. B, Gram‐positive bacteria have a thick layer of  peptidoglycan (left). Gram‐negative bacteria have a thin 

    peptidoglycan layer and an outer membrane of  LPS (right). (A and B from Goering R, Dockrell H, Roitt I, et al: Mims’  

    medical  microbiology, ed 4, St. Louis, 2008, Mosby.)   43

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    44/122

    •   ox ns –  Exodotoxins and lipoteichoic acid (Fig. 4‐16, 17)

     

    •   Pore formation

    •   Inhibition of  protein sysnthesis

    •   Hyperactivation

    •   Effects on nerve‐muscle transmission –   

     –   Stimulation blocked

     –  Endotoxins (Fig. 4‐16, 17)•   LPS activates a most every immune mec anism, as we   as 

    clotting pathway

    44

    Fig. 4‐17A Actions of bacterial

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    45/122

    Fig. 4 17A Actions of  bacterial 

    toxins (virulence determinates) on 

    cells. A, The mode of  action of  

    some exotoxins. Bacterial toxins act 

    in a variety of  ways. Often the toxin 

    ‐ , 

    being concerned with entry into 

    cells while the other has inhibitory 

    activity against some vital function. 

     ,    ,  

    adenosine monophosphate; C, 

    Corynebacterium; Cl, Clostridium; 

    Staph, Staphylococcus; V, Vibrio. B,

      . 

    Lipopolysaccharide (LPS) activates 

    almost every immune mechanism, 

    as well as the clotting pathway, and 

    powerful immune stimuli known. 

    DIC, Disseminated intravascular 

    coagulation; IFN, interferon; IL,

       ,    ,polymorphonuclear leukocyte; TNF,

    tumor necrosis factor. (A and B from 

    Goering R, Dockrell H, Roitt I, et al: 

    ’    ,   , 

    St. Louis, 2008, Mosby.)

    45

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    46/122

    .  ‐

    ,  

    of  action of  some exotoxins. Bacterial toxins act in a variety of  ways. Often the toxin is a two‐chain molecule, one chain 

    being concerned with entry into cells while the other has inhibitory activity against some vital function.  ACh, Acetylcholine; 

    cAMP, cyclic adenosine monophosphate; C, Corynebacterium; Cl, Clostridium; Staph, Staphylococcus; V, Vibrio. B, The 

    .  , 

    pathway, and as a result, LPS is one of  the most powerful immune stimuli known. DIC, Disseminated intravascular 

    coagulation; IFN, interferon; IL, interleukin; M, macrophage; PMN, polymorphonuclear leukocyte; TNF, tumor necrosis factor. (A and B from Goering R, Dockrell H, Roitt I, et al: Mims’  medical  microbiology, ed 4, St. Louis, 2008, Mosby.)

      46

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    47/122

    •   Ot er viru ence  eterminates

     –  Secretion 

    systems•   Bacterial organelles that secret or inject bacterial derived toxins into cytoplasm of  host target cells (six types)

     – 

    •   Mediate the release of  iron from intracelluar iron stores (heme, ferritin, transferrin, or lactoferrin molecules.

     –  Biofilms/intracellular bacterial communities•   Form an exopolysaccharide matrix, on mucosal surface lining

    •   Bacteria embedded in biofilm are not susceptible to phagocytosis and are resistant to antibiotics

    47

    Role of bacterial genes in susceptibility

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    48/122

    Role of  bacterial genes in susceptibility 

    and/or resistance to disease•   romosoma  an   or  ac er op age  

    (plasmids of  bacteria) –   

    •   Ex. Rhodococcus equi –   

    •   Capsular polysaccharides•   Cholesterol oxidase

    •   Phospholipase C

    •   Lecithinase

     –  Plasmid virulence determinates•   virulence‐associated  rotein  VAP

    48

    Role of bacterial genes in susceptibility

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    49/122

    Role of  bacterial genes in susceptibility 

    and/or resistance to disease 

     –   Enzymatic deactivation (b‐lactamases and extended‐spectrum (cephalosporin and monobactams)

     –    ‐  ,  , enterococci (VRE)

     –   Alteration of  a metabolic pathway (sulfoamide‐resistant bact. (PABA‐‐‐folic acid),

     –   Reduced antibiotic accumulation in bact. Through membrane pump. 

     –   Fig. 4‐18•   Bacterial gene Transfer –   Vertical gene transfer•   Environment stress (antibiotics), (mutation rate 1x108)

     –   Horizontal gene transfer (Fig.  4‐19)

    •  •   Transformation (via chromosomal DNA)

    •   Transduction (via bacteriophage)

    49

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    50/122

    Fig. 4‐18 Mechanisms used by bacteria to establish resistance to antibiotics.

    50

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    51/122

    Fig. 4‐19 Horizontal gene transfer. Mechanisms used by bacteria to transfer resistance to an 

    antibiotic to other bacteria.

    51

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    52/122

     

    •   Tab. 4‐3

    ••   Toxins

    •   Structural 

    injury•   , 

    •   Alterations of  cell cycle

    •   Dysfunction of  electrolytes/fluid pumps

    52

    Alimentary system

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    53/122

    Alimentary system

    Enteric colibacillosis (Escherichia 

    coli )•  Enterotoxigenic (ETEC)

     –  Nonstructural alteration in the function of  cell membrane (ion and fluid transport system)

     

    Enterohemorrhagic (EHEC) –  Acute coagulative necrosis of  the cells caused by 

    bacterial toxins and by acute inflammation and its 

    mediators and degradative enzyme

    53

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    54/122

     

    •   Enterocyte nvas on 

     –   No in ETEC and EPEC

     –   Yes in EHEC•   Structural alteration

     –   ETEC, no, toxin release cause functional change and secretary diarrhea

     –    ,  ,  , 

    an 

    osmotic 

    diarrhea 

    (malabsorption) 

    and 

    less 

    significant 

    secretary 

    diarrhea –   EHEC, yes, colon, enterocytes cell death, inflammation and hemorrhage, leads 

    •   Gross and micro lesions

     –   ETEC, no

     –   EPEC and EHEC, yes, mucosa are rough and granular (enterocyte necrosis and 

    villus atrophy) with area of  hemorrhage, acute inflammation and fibrin 

    exudation.

    54

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    55/122

    Fig. 4‐20 Colonization

     of 

     mucosa

     in

     enteric

     colibacillosis.

    Escherichia coli  attach to microvilli, thus forming a uniform layer of  

    blue‐staining (hematoxylin) coccobacilli. Note the lack of  epithelial 

    cell injury. H&E stain. (Courtesy Dr. J. F. Zachary, College of  

    Veterinary Medicine, University of  Illinois.)

    55

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    56/122

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    57/122

     

    57

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    58/122

     

    58

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    59/122

     

    59

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    60/122

     

    60

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    61/122

    61

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    62/122

    62

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    63/122

    63

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    64/122

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    65/122

     

    •   EHEC  entero emorr age   , co on, enterocytes ce   eat , in ammation 

    and hemorrhage, leads to reduced absorption of  colonic fluid and a 

    malabsorption diarrhea. –   Ligand‐receptor interaction (colon specific)

     –   Secrets verotoxin that elicits an intense acute inflammatory response

     –   Lesions,  emorr age co itis, resu t o   com ination o   in ammatory 

    enzymes and mediators and toxins. –   LPS or endotoxin, multi le or s stemic effect, acute adrenal cortical 

    hemorrhage and necrosis

    •   Septicemic colibacillosis

    e y  esu ng  om 

    •   Endotoxic shock and cardiovascular collapse

    •   Enterotoxemic colibacillosis

    •   Edema disease, fibrinoid arteriopathy/arteriolopathy of  the brain, ischemia, malacia.

    65

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    66/122

    Fig. 7‐157 Fibrinous polyserositis, abdomen, pig. Strands and clumps of  fibrin are scattered throughout serosal surfaces. A milk‐spotted liver is also  resent.  Courtes   Dr. H. Gelber   Colle e of  Veterinar  Medicine, Oregon State University.)

    66

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    67/122

    Fig. 12‐25 Adrenocortical hemorrhage (Waterhouse‐Friderichsen

    syn rome , a rena

     g an ,

     orse.

     ,   use  emorr age  arrow   a ect ng 

    the adrenal cortex is frequently seen in endotoxic shock. B, Subgrossphotomicrograph of  diffuse hemo‐rrhage (arrow) affecting the adrenal cortex. 

    .  ,  .

    67

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    68/122

    Fig. 7‐126 Edema disease, head, pig. The skin of  the eyelids, snout, and submandibular area are edematous as a result of  production of  

     ,  capillaries. (Courtesy Dr. H. Gelberg, College of  Veterinary Medicine, 

    Oregon State University.)   68

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    69/122

    .  ‐

    .  mesentery is a result of  an angiotoxin produced by Escherichia coli . (Courtesy Dr. W. Hascheck‐Hock and Dr. L. Borst, College o   Veter nary Me c ne, Un vers ty o   I no s.

    69

    Proliferative Enteritis/Hemorrhagic bowel 

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    70/122

    syndrome (Lawsonia intracellularis)•   sease o   p gs,  orse an   ams er –   Porcine intestinal adenomatosis, proliferative ileitis, regional 

    ileitis, 

    garden 

    horse 

    disease –   Necrotic enteritis, acute proliferative hemorrhagic enterophathy

    •   Ligand –receptor interaction in the ileum enterocyte, ileum 

    •   How the bacterium penetrates into mucus layer?  –   Transient bacterial appendage as flagellum –   Cofactor from anaerobic bacteria in mucus layer enhance the 

    colonization and replication

    •  (growth and replication) with proliferation of  crypt enterocytes (hypertrophy and hyperplasia)

    70

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    71/122

    Fig. 4‐21 Pathogenesis of  proliferative enteritis in pigs. Lawsonia intracellularis infects cells of  

    the crypts located in the proliferative zone.   71

    Proliferative Enteritis/Hemorrhagic bowel 

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    72/122

    syndrome (Lawsonia intracellularis)•   Un que  eature o  pro erat ve enter t s

    •   The bacterium is able to inhibit normal maturation of  crypt cells, probably through 

    affect cell cycle, instead, dramatically increase the rate of  crypt cell division,

     –   massive thickening of  mucosal surface by proliferating crypt cells

     –   Normal villus structure is lost and replaced by a branching glandular pattern

     –    ‐ 

    cells in thicken)

     –   Mitotic active is active

     –   

    •   Lesions of  hemorrhage bowel syndrome: acute coagulative necrosis of  the 

    proliferative crypt epithelium

     –   Ischemia or effect s of  toxin (burn like injury)

     –   Cells can not survive 100um away from oxygen source

     –   Endotoxin

     –   Acute inflammation with hemorrhage and fibrinogenesis concurrently with 

    acute coagulative necrosis   72

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    73/122

    Fig. 7‐153 Proliferative enteritis, ileum, pig. Note 

    Lawsonia‐induced epithelial hyperplasia. (Courtesy Dr. H. Gelberg, College of  Veterinary Medicine, Oregon State University.)

    73

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    74/122

    Fig. 7‐155   Lawsonia enteritis, ileum, pig. A, Hemorrhagic bowel form. Note the prominent folds of  hyperplastic mucosa and the concurrent hemorrhage forming a 

    luminal cast. B, Necroproliferative form. Note the prominent necrosis of  the ilealmucosa and its diphtheritic membrane (cast) formed by cellular debris and inflammatory exudate. (A courtesy Dr. D.D. Harrington, School of  Veterinary Medicine, Purdue University and Noah’s Arkive, College of  Veterinary Medicine, The University of  Georgia. B courtesy of  Dr. D. Driemeier, Federal University of  Rio Grande do Sul, Brazil.)

    74

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    75/122

    Fi . 7‐154   Lawsonia enteritis, ileum,  i . There is notable hyperplasia of  enterocytes, resulting in distortion of  normal architecture and “collision necrosis” of  tightly packed 

    College of  Veterinary Medicine, University of  Illinois.)75

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    76/122

    Fi . 7‐156 Proliferative enteritis  ileum  i . Curved Lawsonia spp. bacteria (arrow) are present in the apical cytoplasm of  enterocytes. There is proliferation of  crypt 

    ‐.  .  .  .  , College of  Veterinary Medicine, Oregon State University.)

    76

    Bovine Pneumonic 

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    77/122

    (Mannheimia(Pasteurella) haemolytica•   ause  n ury an   ea   coagu a ve necros s   o   a   ce  

    populations in the respiratory system

    •   Lesions contribute b   bacterial toxin  leukotoxin   acute inflammation and its mediator, and degradative enzymes

    •   Disease can be enhanced by environment stressors, and 

    •   Host: cattle, sheep and goats• –   Severe fibrinonecrotic (often hemorrhage) pneumonia

     –   Vasculitis

     –   Type I pneumocyte, a veo ar septa, capi ary en ot e ia  ce s and vascular system

     –   Necrosis and apoptosis

    77

    Bovine Pneumonic 

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    78/122

    Pasteurellosis/Mannheimiosis•   ommensa ,  u   cou   e c ange  e re a ons p 

    under the stressor, weaning, adverse weather 

    condition 

    chan e 

    in 

    diet 

    shi in•   Colonization, first in conductive system, secondary the affect the O2‐CO2 exchange components (terminal 

    ronc o an   a veo

     –   Neuraminidase, reduces the viscosity of  mucus and cleaves the sialic acid reduced the net ne ative char e of cell membrane, attributes the contact of  bacteria and cells 

     –   Gravity and random Brownian movement also contribute

     –    gan   ‐recep or  n erac on, p an   m r a a es n –  Bacterial capsule (polysaccharides) inhibits phagocytosis of  

    the neutro hils and mucosal macro ha es

    78

    Bovine Pneumonic 

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    79/122

    Pasteurellosis/Mannheimiosis•   ect t e  ‐ exc ange components w c   s more severe t en t e  rst process

     –    Enormous replication after first stage settlers

     –    Large area of  lung surface affected

     –    ‐ ‐

    •   The most important virulent determinates: Leukotoxin

     –    RTX toxin, cytotoxin cause death and apoptosis of  neutrophils and macrophages

     –   

     –    High concentration, cell death due to pores formation in cell membrane

     –    Low concentration, apoptosis and activation of  neutrophils and proinflammatory cytokine 

    production

     –    LPS+leukotoxin, activate complement system and proinflammatory cytokine production result 

    in vascular injury and severe acute inflammation.

     –    Vascular injury cause 

    •   permeability changes 

    •   with edema 

    •   release of  fibrinogen that polymerize to fibrin in alveolar space, interalveolar septa, 

    pneumonia). 

    •   cause hemorrhage.  79

    Bovine Pneumonic 

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    80/122

    Pasteurellosis/Mannheimiosis•   Acute  n ammat on, recru tment o   arge num er o   neutrop s  rom c rcu at on 

    into affected lung tissue followed by activation of  these cells via a respiratory burst 

    and release of  degradative enzymes.

    •   The tissue is injury due to bystander effect. 

    •   Bacterial components have the way to avoid injury by neutrophils.

     –   Polysaccharides (facilitate adherence colonization and likely invasion), inhibit 

    phagocytosis by neutrophils and disrupt complement mediated death of  

    bacteria –   Outer membrane  rotein  chemotactic for neutro hils   but when in contact 

    with neutrophils, they disrupt phagocytosis and intracellular killing of  the 

    bacterium.

     –   LPS binds with cell membrane CD14 b2 inte rin and TLRs on alveolar 

    macrophage inducing 

    •   the synthesis of  proinflammatory cytokines

     

    •   Vascular injury80

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    81/122

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    82/122

    Fig. 9‐71 Fibrinous bronchopneumonia (pleuropneumonia), pneumonic Mannheimiosis (Mannheimia haemolytica), right lung, 

    s eer.   o e  e cran oven ra pneumon a  nvo v ng approx ma e y of  the lung parenchyma. The lung is firm and swollen, and the pleura are covered with a thick layer of  fibrin. (Courtesy Dr. A. López, Atlantic 

    .

    82

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    83/122

    Fig. 9‐72A Pneumonic Mannheimiosis (Mannheimia haemolytica), lung, steer. A, Cut surface. Interlobular septa (arrowheads) are notably distended by edema and fibrin. In the lung parenchyma are irregular areas of  coagulativenecrosis (arrows) surrounded by a rim of  inflammatory cells. B, Note a large irregular area of  necrosis (N) of  the 

    ulmonar arench ma. T icall these necrotic areas are surrounded b an outer dense la er of inflammator cells 

    (arrows). The interlobular septa are distended (arrowheads). Inset (bottom 

    right  

    corner) shows the typical elongated and basophilic appearance of  degenerated neutrophils known as oat‐shaped cells. H&E stain. C, Note alveoli filled with fibrin (asterisks) and with neutrophils (N). The interlobular septa (IS) is distended with proteinaceous fluid. H&E stain. D,Mannheimia haemolytica produces leukotoxin (cytotoxic for ruminant leukocytes) and lipopolysaccharide. Note the accumulation of  cells, chiefly neutrophils, in the alveoli. Also note the active hyperemia of  acute inflammation of  the a veo ar cap ar es.  E sta n.  , B, an   courtesy Dr.  .  pez,  t ant c  eter nary  o ege. D courtesy Dr.  .F. Zac ary, College of  Veterinary Medicine, University of  Illinois.)

    83

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    84/122

    Fig. 9‐72A Pneumonic Mannheimiosis (Mannheimia haemolytica), lung, steer. A, Cut surface. Interlobular septa (arrowheads) are notably distended by edema and fibrin. In the lung parenchyma are irregular areas of  coagulativenecrosis (arrows) surrounded by a rim of  inflammatory cells. B, Note a large irregular area of  necrosis (N) of  the 

    ulmonar arench ma. T icall these necrotic areas are surrounded b an outer dense la er of inflammator cells 

    (arrows). The interlobular septa are distended (arrowheads). Inset (bottom 

    right  

    corner) shows the typical elongated and basophilic appearance of  degenerated neutrophils known as oat‐shaped cells. H&E stain. C, Note alveoli filled with fibrin (asterisks) and with neutrophils (N). The interlobular septa (IS) is distended with proteinaceous fluid. H&E stain. D,Mannheimia haemolytica produces leukotoxin (cytotoxic for ruminant leukocytes) and lipopolysaccharide. Note the accumulation of  cells, chiefly neutrophils, in the alveoli. Also note the active hyperemia of  acute inflammation of  the a veo ar cap ar es.  E sta n.  , B, an   courtesy Dr.  .  pez,  t ant c  eter nary  o ege. D courtesy Dr.  .F. Zac ary, College of  Veterinary Medicine, University of  Illinois.)

    84

    Contagious bovine pleuropneumonia

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    85/122

    (Mycoplasma mycoides var. Mycoides small  colonies)•   Pat ogenesis unc ear 

     –  bacteria evades killing by phagosome‐lysosome fusion ? 

     –  produce toxic molecules that injury and kill the cells? 

     –  spread to blood vessels? 

     –  causes vasculitis and thrombosis? 

    • 

    •   Lesions: Fig. 4‐22

    85

    Contagious bovine pleuropneumonia

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    86/122

    (Mycoplasma mycoides var. Mycoides small  colonies)•   Bacteria  mem rane  ipoprotein, a common 

    antigen of  Mycoplasma mycoides var. Mycoides

    may  e  nvo ve•   Highly virulent strain could produce large 

    quantities of  H2O2 that are cytotoxic for all cells

    •   H2O2 release appear to be correlated with adhesion of  bacterium with cell membrane.

    •   Macro ha es ma   s read bacterium via leukocyte trafficking systemically to lymph node and the  joints

    86

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    87/122

    Fig. 4‐22A Contagious bovine pleuropneumonia. A, Thoracic cavity. The thoracic cavity is filled with a fibrinous pleural 

    e us on an   t e v scera  an   par eta   p eurae are covere   y  r n  r nous p eur t s .  so note t e areas o   emorr age 

    affecting the pleurae and the subjacent lung. B, Transverse section of  lung. Note the prominent interlobular septa filled with 

    fibrinous effusion and fibrin thrombi and additionally the area of  hemorrhage (right half  of  the section). Infarcts with 

    pulmonary sequestra (not shown here) can occur in affected lung tissues likely arising from vascular injury leading to 

    n arct on. 

    ,   e 

    nter o u ar 

    septum 

    center    s 

    w t 

    acute 

    n ammatory 

    ce s 

    m xe 

    w t 

    r nous e us on. 

    veo 

    are filled with highly proteinaceous edema fluid, fibrinous effusion, and acute inflammatory cells. There is extensive 

    necrosis of  all tissues at the interface between alveoli and the interlobar septum (dark  blue staining band). H&E stain. D,

    Higher magnification of  C. The dark blue color is attributable to necrosis of  cells, including neutrophils leading to escape and 

    coagu at on o   nuc e c ac s  rom  egenerate nuc e  n t e  n ammatory exu ate.  veo   are  e   w t   e ema  u   an  

    acute inflammatory cells. H&E stain. (A and B courtesy Dr. D. Gregg, Plum Island Animal Disease Center and Noah’s Arkive, 

    College of  Veterinary Medicine, The University of  Georgia. C and D courtesy Dr. J. F. Zachary, College of  Veterinary Medicine, 

    University of  Illinois.) 87

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    88/122

    Fig. 4‐22B Contagious bovine pleuropneumonia. A, Thoracic cavity. The thoracic cavity is filled with a fibrinous pleural 

    affecting the pleurae and the subjacent lung. B, Transverse section of  lung. Note the prominent interlobular septa filled with 

    fibrinous effusion and fibrin thrombi and additionally the area of  hemorrhage (right half  of  the section). Infarcts with 

    pulmonary sequestra (not shown here) can occur in affected lung tissues likely arising from vascular injury leading to 

    are filled with highly proteinaceous edema fluid, fibrinous effusion, and acute inflammatory cells. There is extensive 

    necrosis of  all tissues at the interface between alveoli and the interlobar septum (dark  blue staining band). H&E stain. D,

    Higher magnification of  C. The dark blue color is attributable to necrosis of  cells, including neutrophils leading to escape and 

    acute inflammatory cells. H&E stain. (A and B courtesy Dr. D. Gregg, Plum Island Animal Disease Center and Noah’s Arkive, 

    College of  Veterinary Medicine, The University of  Georgia. C and D courtesy Dr. J. F. Zachary, College of  Veterinary Medicine, 

    University of  Illinois.)   88

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    89/122

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    90/122

    Fig. 4‐22D Contagious bovine pleuropneumonia. A, Thoracic cavity. The thoracic cavity is filled with a fibrinous pleural 

    e us on an   e v scera  an   par e a   p eurae are covere   y  r n  r nous p eur s .  so no e  e areas o   emorr age 

    affecting the pleurae and the subjacent lung. B, Transverse section of  lung. Note the prominent interlobular septa filled with 

    fibrinous effusion and fibrin thrombi and additionally the area of  hemorrhage (right half  of  the section). Infarcts with 

    pulmonary sequestra (not shown here) can occur in affected lung tissues likely arising from vascular injury leading to 

    n arc on. 

    ,   e 

    n er o u ar 

    sep um 

    cen er    s 

    acu e 

    n amma ory 

    ce s 

    m xe 

    r nous e us on. 

    veo 

    are filled with highly proteinaceous edema fluid, fibrinous effusion, and acute inflammatory cells. There is extensive 

    necrosis of  all tissues at the interface between alveoli and the interlobar septum (dark  blue staining band). H&E stain. D,

    Higher magnification of  C. The dark blue color is attributable to necrosis of  cells, including neutrophils leading to escape and 

    coagu a on o   nuc e c ac s  rom  egenera e nuc e  n  e  n amma ory exu a e.  veo   are  e   w   e ema  u   an  

    acute inflammatory cells. H&E stain. (A and B courtesy Dr. D. Gregg, Plum Island Animal Disease Center and Noah’s Arkive, 

    College of  Veterinary Medicine, The University of  Georgia. C and D courtesy Dr. J. F. Zachary, College of  Veterinary Medicine, 

    University of  Illinois.) 90

     

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    91/122

    •   arge quan es o   e ema  ox n an   e a  ox n are release into blood (bacterium proliferation in 

    circulation 

     –  causing dysfunction and cell death of  endothelial cells and barrier system, 

     –   ox n  ncrease  e permea y o   cap ary wa , 

     –   leading to edema, vasodilation, and hemorrhage in infected organ system.

    •   Toxin  –  disrupt the clotting cascade likely through massive 

    ac va on o   an   consump on o   c o ng  ac ors,  –   Un‐clotted blood at body orifices and within tissue and 

    or ans

    91

    炭疽

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    92/122

    •   pX01質體具有產生毒素基因,炭疽桿菌毒素在構

    、 、等同一類的AB毒素

    •   , 。

    •   炭疽桿菌毒素可分為 

     – 保護抗原(protective antigen;簡稱PA)、

     –    ,屬於A,PA則屬於B。

    92

    炭疽

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    93/122

    •   PA+LF具有致死作用,

    • – 可阻斷巨噬細胞的有絲分裂原活化蛋白激酶

    (mitogen‐activated protein kinase),

     – 干擾細胞內訊息傳遞,

     – 可刺激巨噬細胞或淋巴球分泌α腫瘤致死因子(tumor necrosis factor‐α;簡稱TNF‐α)

     – 及第1中介素(interleukin‐1)等細胞激素(cytokines),

     –    。

    93

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    94/122

    94

    炭疽

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    95/122

    臨 症狀與病變

    •   人臨床症狀

    •   人的感染可分

     –    、

     –    吸入型(即肺型)、 – 

     –    腦膜炎型。

    95

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    96/122

    Fig. 4‐23A Anthrax, ox. A, Because of  the high fever, cadavers of  cattle dying of  anthrax decompose rapidly 

    with the usual result of  excessive gas formation in the GI tract, abdominal distention and resultant “saw 

    orse 

    pos on 

    egs. 

    ,   e 

    sp een 

    en arge 

    an 

    oo y 

    sp enomega y, 

    oo y 

    sp een . 

    postmortem examination should not be performed on an animal suspected of  dying from anthrax. Air‐dried 

    impression smears of  blood from external orifices or from an ear vein can be stained and the bacterium 

    identified  see Fi . 7‐135 . C, L m h nodes are also enlar ed and blood   as a result of  anthrax toxins that 

    destroy vascular endothelial cells (see Fig. 13‐53). Anthrax toxin can also cause severe injury to the intestines 

    (see Fig. 7‐135) and lungs. (A courtesy Dr. D. Driemeier, Federal University of  Rio Grande do Sul, Brazil. B and 

    C courtesy Dr. J. King, College of  Veterinary Medicine, Cornell University.)   96

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    97/122

    Fig. 4‐23B Anthrax, ox. A, Because of  the high fever, cadavers of  cattle dying of  anthrax decompose rapidly 

    with the usual result of  excessive gas formation in the GI tract, abdominal distention and resultant “saw 

    ”  .  ,   ,  . 

    postmortem examination should not be performed on an animal suspected of  dying from anthrax. Air‐dried 

    impression smears of  blood from external orifices or from an ear vein can be stained and the bacterium 

    identified (see Fig. 7‐135). C, Lymph nodes are also enlarged and bloody as a result of  anthrax toxins that 

    destroy vascular endothelial cells (see Fig. 13‐53). Anthrax toxin can also cause severe injury to the intestines 

    (see Fig. 7‐135) and lungs. (A courtesy Dr. D. Driemeier, Federal University of  Rio Grande do Sul, Brazil. B and 

    C courtesy Dr. J. King, College of  Veterinary Medicine, Cornell University.)   97

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    98/122

    Fig. 4‐23C Anthrax, ox. A, Because of  the high fever, cadavers of  cattle dying of  anthrax decompose rapidly 

    with the usual result of  excessive gas formation in the GI tract, abdominal distention and resultant “saw 

    horse” position of  the legs. B, The spleen is enlarged and bloody (splenomegaly, bloody spleen). A 

    postmortem examination should not be performed on an animal suspected of  dying from anthrax. Air‐dried impression smears of  blood from external orifices or from an ear vein can be stained and the bacterium 

    identified (see Fig. 7‐135). C, Lymph nodes are also enlarged and bloody as a result of  anthrax toxins that 

    ‐  .  . 

    (see Fig. 7‐135) and lungs. (A courtesy Dr. D. Driemeier, Federal University of  Rio Grande do Sul, Brazil. B and 

    C courtesy Dr. J. King, College of  Veterinary Medicine, Cornell University.)98

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    99/122

    99

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    100/122

    Fig. 7‐135A Necrohemorrhagic enteritis, intestine, alimentary anthrax, cow. A, Note the massive transmural hemorrhage and necrosis caused by anthrax toxin. B, Tissue impression. The light blue bacilli in the debris are Bacillus anthracis bacteria. Some bacilli have blunted ends (presumably spores). H&E stain. C, Tissue impression. Note the dark blue bacilli (Gram‐positive) in the debris. Gram stain. (A courtesy of  Dr. D. 

    Driemeier, Federal University of  Rio Grande do Sul, Brazil. B and C courtesy Drs. V. Valliand J.F. Zachar   Colle e of  Veterinar   Medicine   Universit   of  Illinois.100

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    101/122

     

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    102/122

    •   e  acter um  s a e to eva e t e  ng mec an sms of  neutrophils and macrophages (mechanism not 

    ,  , grow and replicate in macrophage and dendritic cells 

    •  phagolysosome, 

     –   ra id acidification of  the  ha osome

     –   LPS (a PAMP), a type IV secretion system

     –   Putative virulent determinates, cyclic b‐1,2 glucan, heat 

    shock proteins 

     –  Encapulated smooth phenotype

    102

     

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    103/122

    •   e  ac er um sprea   v a  eu ocy es  ra c ng systemically in macrophages, gain access to male 

    gland.

    •  placental trophoblast in placentomas and epithelium of  reproductive tissues.•   may infected fetal macrophages and spread into 

    fetus

    •  Pyogranulomatous reaction: chronic active reaction, macrophages and neutrophils

    103

    Fig. 4‐26A Brucellosis. Brucellosis is a disease in which the bacterium 

    initially targets lymphocytes and macrophages in mucosae‐associated 

    lymphoid tissues, regional lymph nodes, systemic lymph nodes, and 

    the s leen to re licate and  row in number. It uses macro ha es to 

    spread to and through these tissues and then systemically to infect 

    cells and tissues in the placenta, sex organs of  males and females, and 

    fetuses. Therefore brucellosis is initially and long term characterized 

    b h i ti l t l h d iti ith l

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    104/122

    b   a chronic active  o ranulomatous l m hadenitis with se uelae

    that affect the reproductive systems. A, Boar, swollen testis. The testis 

    in enlarged due to chronic active pyogranulomatous inflammation. 

    Brucella spp. spread in macrophages via leukocyte trafficking from 

    l m hoid tissues s stemicall   to the testis. B, The e idid mis can be 

    filled with pyogranulomatous exudate, which obstructs the flow of  

    spermatozoa and causes infertility. Infected animals can also serve as 

    carriers and spread the bacterium via sexual contact (also see Fig. 19‐

    18 . C, Fetal cot ledons. Note the rou hened  ranular  ellow‐brown 

    surface of  cotyledons (arrows) infected with the bacterium. This lesion 

    is caused by pyogranulomatous inflammation leading to severe 

    necrosis of  the affected cotyledons. Normal cotyledons are dark red and have a smooth shiny surface. D, Fetal brucellosis, hepatomegaly 

    and fibrinous polyserositis. The bacterium is thought to be spread 

    from infected cotyledons to fetal organs via leukocytic trafficking in 

    fetal macrophage‐like cells. The bacterium causes extensive injury of  

    the vascular system and organs through inflammatory responses 

    induced in the fetus. (A courtesy Dr. C. Wallace, College of  Veterinary Medicine, The University of  Georgia; and Noah’s Arkive, College of  

    Veterinary Medicine, The University of  Georgia. B courtesy Dr. K. 

    McEntee, Reproductive Pathology Collection, University of  Illinois; and 

    Dr. J. King, College of  Veterinary Medicine, Cornell University. C and D

    courtesy Dr. K. McEntee, Reproductive Pathology Collection, 

    University 

    of  

    Illinois.)  104

    Fig. 4‐26B Brucellosis. Brucellosis is a disease in which the 

    bacterium initially targets lymphocytes and macrophages in 

    mucosae‐associated lymphoid tissues, regional lymph nodes, 

    s stemic l m h nodes and the s leen to re licate and row in 

    number. It uses macrophages to spread to and through these tissues 

    and then systemically to infect cells and tissues in the placenta, sex 

    organs of  males and females, and fetuses. Therefore brucellosis is 

    i iti ll d l t h t i d b h i ti

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    105/122

    initiall and lon term characterized b a chronic active 

    pyogranulomatous lymphadenitis with sequelae that affect the 

    reproductive systems. A, Boar, swollen testis. The testis in enlarged 

    due to chronic active pyogranulomatous inflammation. Brucella spp. 

    s read in macro ha es via leukoc te traffickin   from l m hoid 

    tissues systemically to the testis. B, The epididymis can be filled with 

    pyogranulomatous exudate, which obstructs the flow of  

    spermatozoa and causes infertility. Infected animals can also serve 

    as carriers and s read the bacterium via sexual contact  also see Fi . 

    19‐18). C, Fetal cotyledons. Note the roughened granular yellow‐

    brown surface of  cotyledons (arrows) infected with the bacterium. 

    This lesion is caused by pyogranulomatous inflammation leading to 

    severe necrosis of  the affected cot ledons. Normal cot ledons are 

    dark red and have a smooth shiny surface. D, Fetal brucellosis, 

    hepatomegaly and fibrinous polyserositis. The bacterium is thought 

    to be spread from infected cotyledons to fetal organs via leukocytic

    traffickin   in fetal macro ha e‐like cells. The bacterium causes 

    extensive injury of  the vascular system and organs through inflammatory responses induced in the fetus. (A courtesy Dr. C. 

    Wallace, College of  Veterinary Medicine, The University of  Georgia; 

    and Noah’s Arkive, Colle e of  Veterinar   Medicine, The Universit   of  

    Georgia. B courtesy Dr. K. McEntee, Reproductive Pathology 

    Collection, University of  Illinois; and Dr. J. King, College of  Veterinary 

    Medicine, 

    Cornell 

    University. 

    C and 

    D courtesy 

    Dr. 

    K. 

    McEntee, 

    Re roductive Patholo   Collection, Universit   of  Illinois.

    105

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    106/122

    Fig. 4‐26C Brucellosis. Brucellosis is a disease in which the bacterium initially targets lymphocytes and macrophages in 

    mucosae‐associated lymphoid tissues, regional lymph nodes, systemic lymph nodes, and the spleen to replicate and grow in 

    number. It uses macrophages to spread to and through these tissues and then systemically to infect cells and tissues in the 

    placenta, sex organs of  males and females, and fetuses. Therefore brucellosis is initially and long term characterized by a chronic active pyogranulomatous lymphadenitis with sequelae that affect the reproductive systems. A, Boar, swollen testis. 

    The testis in enlarged due to chronic active pyogranulomatous inflammation. Brucella spp. spread in macrophages via 

    leukocyte trafficking from lymphoid tissues systemically to the testis. B, The epididymis can be filled with pyogranulomatous

    exudate, which obstructs the flow of  spermatozoa and causes infertility. Infected animals can also serve as carriers and 

    spread the bacterium via sexual contact (also see Fig. 19‐18). C, Fetal cotyledons. Note the roughened granular yellow‐

    brown surface of  cotyledons (arrows) infected with the bacterium. This lesion is caused by pyogranulomatous inflammation 

    leading to severe necrosis of  the affected cotyledons. Normal cotyledons are dark red and have a smooth shiny surface. D,

    Fetal brucellosis, hepatomegaly and fibrinous polyserositis. The bacterium is thought to be spread from infected cotyledons 

    to fetal organs via leukocytic trafficking in fetal macrophage‐like cells. The bacterium causes extensive injury of  the vascular 

    system and organs through inflammatory responses induced in the fetus. (A courtesy Dr. C. Wallace, College of  Veterinary 

    Medicine, The University of  Georgia; and Noah’s Arkive, College of  Veterinary Medicine, The University of  Georgia. B

    courtesy Dr. K. McEntee, Reproductive Pathology Collection, University of  Illinois; and Dr. J. King, College of  Veterinary 

    Medicine, Cornell University. C and D courtesy Dr. K. McEntee, Reproductive Pathology Collection, University of  Illinois.)106

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    107/122

    Botulism and Tetanus

    (Clostridium 

    botulinum and 

    C. 

    tetani)

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    108/122

    (Clostridium botulinum and C. tetani )•   o u sm,  srup on o   neuro rasm er ves c es 

    exocytosis at myoneural (flaccid paralysis) 

    . ., 

    •   Tetanus, disruption of  neurotransmitter vesicles ‐

     junction

    •   These neurotoxin are roduced in anaerobic microenvironment, such as in necrotic tissue occurring in traumatic wounds, penetrating sole 

    o   t e  oo , gastric u cer in  oa , •   Gross and micro lesions are not observed 

    108

    Botulism and Tetanus

    (Clostridium 

    botulinum and 

    C. 

    tetani )

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    109/122

    (  and )ranspor a on an   r g n o   e neuro ox n –   Botulism, hematogenous, •   Wound then circulation

    •   men ary a sorp on  en c rcu a on•   Neurotoxin in capillary then diffuse in the interstitial of  lower peripheral nerve, 

    neural and muscular  junction, enter the motor neuron through endocytoticvesicles 

     –   Tetanus, retrograde axonal transportation•   Wound, distal portion of  neuron, endocytotic vesicles, transport into CNS, 

    then exocytosis into interstitial fluid of  neural‐neural  junction.•   ree neuro ox n  n   e ce   mem rane o   n ory  n erneuron o   e sp na 

    cord, internalizes via endocytosis, act to disrupt the inhibitory neurotransimitters

    •   Mechanism of  Disease: disru tion of  neurotransmitter vesicles 

    exocytosis by disrupting synaptic fusion complex (Fig. 4‐27, 4‐28)

    109

    Botulism and Tetanus

    (Clostridium 

    botulinum and 

    C. 

    tetani )o u sm an e anus ox n ave eavy an g c a n a e ave

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    110/122

    (  and )o u sm an   e anus  ox n  ave  eavy an   g   c a n  a   e ave as typical A‐B toxin (diphtheria, cholera, pertussin, and shigellatoxin) compose of  two units , a binding B domain that mediate 

    domain (light chain) that serve as cleave protein within the target cells.

    ‐   ,  ‐ , neuron, cleave protein that form the synaptic fusion complex.

    •   This complex, formed by fusion of  synaptic vesicles protein with , 

    neurotransmitter vesicles into contact with neuronal cell membrane at the myoneural (botulism), and neural‐neural (tetanus)junction, 

    (acetylcholine) and inhibitory neurotansmitters (glycin and r‐aminobutyric acid (GABA), respectively. 

    110

    Botulism and Tetanus

    (Clostridium 

    botulinum and 

    C. 

    tetani )y oma n o e anus ox n on y n s o n ory

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    111/122

    ( )y  ‐  oma n o   e anus  ox n on y  n s  o  n ory interneurons and not other types of  motor neuron (different type of  glycosylphosphatidylinositol‐anchored proteins may be 

    .•   Disruption of  the synpatic fusion complex prevents the neurotransmitted vesicles from fusing with the membrane, which in 

    .

    •   Protein that form the synaptic fusion complex (SNARE proteins) 

    include  –   neurotansm tter ves c e prote n •   such as vesicle‐associated membrane protein (VAMPs), 

    •   synaptobrevin, 

     –   presynap c p asma mem rane pro e n •   Syntaxin

    •   Synatosomal‐associated protein (SNAP‐25) 

    111

    ff f b l d

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    112/122

    •   Different types of  C. botulinum produce 

    different toxin (A‐G), and these t es tar et 

    and cleaves specific types of  SNARE proteins.

     

    blood‐brain barrier, therefore, neural‐neural  junction functions in the CNS remain intact.

    •   Severe clinical si ns but no ross and micro 

    lesions

    112

    • s an acronym er ve rom

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    113/122

    •   s an acronym   er ve   rom (Soluble NSF Attachment Protein) REceptor" that 

    with more than 60 members (found in yeast and mammalian cells

    •   The primary role of  SNARE proteins is to mediate 

    vesicle fusion through full fusion exocytosis or kiss‐and‐run fusion exocytosis. That is, the exocytosis of  cellular transport vesicles with the 

    compartment (such as a lysosome).

    113

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    114/122

    Fig. 4‐27 Mechanism of  

    myoneural junction 

    dysfunction in botulism.

    Note that botulinum toxin 

    reac es t e myoneura

     junction via the circulatory 

    system. (Courtesy Dr. J. F. 

    Veterinary Medicine, 

    University of  Illinois.)

    114

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    115/122

    Fig. 4‐28 Mechanism of  

    neural‐neural  junction 

    dysfunction in tetanus. Note 

    that tetanus toxin reaches the 

    neural‐neural  junction via retrograde axonal transport. 

    The selectivity of tetanus

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    116/122

    The selectivity of  tetanus 

    toxin for inhibitory 

    interneurons is likely 

    mediated by the expression of  different 

    glycosylphosphatidylinositol‐

    anc ore   prote n s   on 

    different types of  neurons. 

    The B‐domain of  tetanus 

    the type of  

    glycosylphosphatidylinositol‐

     

    on inhibitory interneurons. 

    (Courtesy Dr. J. F. Zachary, 

    Medicine, University of  

    Illinois.)   116

     

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    117/122

    Listeriosis 

    (Listeria 

    monocytogenes)• n que oca on: ra n s em es ons per vascu ar

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    118/122

      n que  oca on:  ra n s em,  es ons, per vascu armicroabscesses with active hyperemic and/or 

    pattern.

    •   , the oral cavity.

    •   Bacterium colonization enter nerve ending, retrograde axonal transport in cranial nerve (i.e., trigeminal cranial nerves that 

    terminate in t e  rain stem  pons, me u ar oblongata, and proximal cervical spinal cord)

    118

    Listeriosis 

    (Listeria 

    monocytogenes)n er ng ce s   roug   en ocy os s an   en ocy c ves c es o   non‐

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    119/122

    g g y yphagocytic cells.

    •   Bacterial internalization, the entry process, is mediated by 

    n erna ns  ype  an   a   u ze  os   ce   recep or  ‐ca er n, a transmembrane glycoprotein.

    •   Initially, does not cause inflammation due to BBB is intact. Neuron s perm ss ve an   a ow  acter um pro erat on  n t e cytop asm.

    •   Listeriolysin, a virulent determinates, inhibit immune response.

    •   Enou h number of  bacterium after c to lasm  roliferation   read  to infect other cells, affect cytoskeleton, polymerization and depolymerization of  host cell actin filaments

    •   Surface  rotein actA   ro el them into another cells via actin 

    polymerization, pseudopod formation, invagination of  adjacent cells, double membrane of  endocytotic phagocytic vesicles. 

    •   Random rocess not cell s ecific 

    119

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    120/122

    Fig. 4‐29  Mechanism of  infection in listeriosis. Listeria monocytogenes propels itself  via actin 

    polymerization (Listeria actin‐based motility) within a membrane pseudopod into cell 

    membranes of  adjacent neural cells forming invaginations of  the membrane that ultimately 

    result in double‐membrane endocytotic phagocytic vesicles.120

    Listeriosis 

    (Listeria 

    monocytogenes)•   Dou e mem rane o   en ocytot c p agocyt c ves c es,  yse y enzymes o   t e 

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    121/122

    following, then bacterium is release into cytoplasm of  newly infected cells.

     –   Listeriolysin O

     –   Phospholipase C –   lecithinase

    •   ,  ,  , 

    varied types of  nerve cells, like neuron and microglial cells.

    •   Infection of  and injury to endothelial cells of  capillaries initiates the inflammation, , 

    ensues.

    •   Bacterium infects endothelial cells with active expression of  adhesion molecules as 

    ,  , 

    binding, both components of  acute inflammation

     –   P and E selectin

     –   Interce u ar a es on mo ecu es  ICAM‐1

     –   Vascular‐cell adhesion molecule (VCAM‐1)121

  • 8/19/2019 Mechanism of Microbial Infections

    122/122

    Fig. 14‐88A Listeriosis, medulla, cow. A, Microabscesses. Note the areas of  faint blue discoloration in this subgrossmagnification of  the medulla (arrows). The less well‐defined blue areas are aggregates of  neutrophils (microabscesses), and the blue linear lesions are perivascular cuffs. Listeria monocytogenes, the causative agent, uses retrograde axonal transport via the cranial nerves to enter the CNS and localize in the medulla (brainstem) and proximal cervical spinal cord. The lesion is rarely visible on gross observation. H&E stain. B, Early microabscesses (arrows) and inflammation are the result of  inflammatory mediators that have injured axons (arrowheads) and will lead to Wallerian degeneration, seen here at the stage of  swollen eosinophilic axons. H&E stain. C, Listeria monocytogenes, which is Gram‐positive (blue coccobacilli),  can sometimes be detected in microabscesses in a histologic section stained with a Gram stain. (Courtesy Dr. M.D. McGavin, College of  Veterinary Medicine, University of  Tennessee.)   122