مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

105 

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

  General Characteristics: 

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

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

  It most common cultured in laboratory, includes more 

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

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

disease incidentally. 

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

incidentally cause disease but less than E.coli). 

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

pathogenic for humans) 

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

Hafnia, Cedecea, Kluyvera 
 

  Enteric bacteria produce a variety of toxins and 

other virulence factors and enzymes, include: 

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

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

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

enterotoxins and these toxins, has 2 types:  

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

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

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

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

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

factors. 

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

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

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

 

  Antigenic structure  

1)  antigen (Somatic Ag): 

• 

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

• 

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

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

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

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

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

  Diseases caused by enteric bacteria: 

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

1) Escherichia coli 

General Characteristics: 

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

green metallic sheen colonies on EMB agar. 

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

  

Pathogenesis:  

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

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

106 

1)  UTIs (urinary tract infections):  

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

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

  UTIs can result in bacteremia with clinical sings of sepsis. 

 

Nephropathogenic E.coli 

(have specific O-Ags types & 

produce hemolysin). 

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

2)  Diarrheal disease:  

Classified according to their virulence factors to : 

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

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

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

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

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

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

acute renal failure, microangiopathic hemolytic 
anemia, and thrombocytopenia) 

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

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

D.  EIEC (Enteroinvasive  E.coli): 

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

E.  EAEC (Enteroaggregative E.coli):  

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

3)  Sepsis:  

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

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

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

2- Klebsiella-Enterobacter-Serratia Group 

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

 
Pathogenesis: 

K. pneumoniae

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

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

K. pneumoniae subsp. Ozaenae

: hospital-acquired 

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

K. pneumoniae subsp. rhinoscleroderma

: cause 

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

K. granulomatis 

 (formerly Calymmatobacterium  

granulomatis) causes genital ulcerative disease. 

E. aerogenes

: free-living in GIT , opportunistic cause 

UTIs & sepsis .  

S. marcescens

: a common opportunistic pathogen in 

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

3- Proteus-Morganella-Providencia Group 

General characteristics: 

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

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

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

 

Pathogenesis: 

Proteus

UTIs, bacteremia, pneumonia & focal lesions in 

debilitated patients . 

 

P. mirabilis

: UTIs & other infections . 

 

P.vulgaris

: nosocomial infection . 

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

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

  Diagnosis by Weil-Felix test . 

Morganella morganii

nosocomial pathogen .  

Providencia 

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

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


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

107 

4- Citrobacter:

  

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

  Diagnostic test for Enteric bacteria  

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

sensitivity are essential .No single drug is  available . 

•  Sulfonamides, ampicillin, cephalosporins, fluoroquinolons 

& aminoglycosides . 
 

  Prevention & control 

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

Salmonella-Arizona group 

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

 
Morphology:
 

•  Vary in length, motile with peritrichous flagellae. They 

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

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

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

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

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

2

S (Black precipitate on TSI agar). 

 

Antigenic Structure 

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

of LPS). 

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

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

 

 

 

Classification 

•  4 serotypes(group1)causes enteric fever (primarily 

infective for humans):  
                       

Salmonella Paratyphi A(serogroup A) 

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

1

• 

Currently, the genus Salmonella is devided into 2 species: 

1. S.entterica (5  subsp.): 

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

2. S.bongori (subsp.V) 

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

  The majorities of salmonellae are pathogenic in animals 

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

  In typhoid fever: ingested S.Typhi reach the small 

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


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

108 

 

 

Diagnostic Lab. Tests: 

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

Bismuth sulfite agar). 

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

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

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

precipitate). 

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

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

1

, C

2

, D & E). 

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

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

immunization. 

c)  High titer Vi (in some carriers). 
 

Immunity: 

•  Secretory IgA may prevent attachment of salmonellae to 

intestinal epithelium. 

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

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

st

 infection.  

 

Treatment: 

•  Enteric fever & bacteremia require antimicrobial therapy 

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

•  In severe diarrhea, replacement of fluids & electrolytes is 

essential. 

•  Therapy: Ampicillin, trimethoprim-sulfomethaxzole or 

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

Epidemiology: 

•  Carriers: After manifest or subclinical infection, some 

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

•  The feces of persons who have unsuspected subclinical 

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

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

feces by rodents or humans. 

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

 

Prevention & Control: 

1)  Sanitary measures must be taken to prevent contamination 

of food & water. 

2)  Infected poultry, meats & eggs must be thoroughly 

cooked 

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


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

109 

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

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

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

strain. 
 

Shigellae (shigella) 

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

Morphology & identification: 

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

facultative anaerobes, non-motile. 

•  Convex, circular, transparent colonies, non-lactose 

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

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

serotypes (share with other enteric bacilli). 

• 

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

S.dysenteriae, S.flexneri, S.boydii, 

S.sonnei. 

 

Pathogenesis: 

The infective dose is 10

3

organisms(10

5

-10

for 

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

Toxins: 

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

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

 
 

Clinical Findings: 

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

Diagnostic Lab. Test: 

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

•  Serology: Normal persons have Abs against Shigella spp. 

→ not used for diagnosis. 
 

Immunity:  

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

 
Treatment:
 

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

resistant infections are wide spread. 

•  Ciprofloxacin, Ampicillin, Tetracycline, Trim.- 

sulfamethasone & Chloramphenicol. 
 

Epidemiology: 

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

 
Prevention & Control:
  

Eliminating shigellae from reservoirs by: 

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

&fly control. 

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

handlers. 
Antibiotic treatment of infected individuals. 
 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 155 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل