مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

80 

Lecture 2 - Streptococcus and 
Enterococcus 

 
Streptococci  are round to oval, Gram-positive, 
nonmotile, nonsporing bacteria that form winding chains 
(streptos [greek] = twisted) or diplococci. They do not 
produce catalase. Most are components of the normal 
flora of the mucosa. Some can cause infections in humans 
and animals. 

 

Classification. 

The genera Streptococcus and Enterococcus comprise a 
large number of species.  

 

α

-, β-, ƴ-hemolysis. 

  Alpha-hemolysis

 (

α-hemolysis). Colonies on blood agar 

are surrounded by a green zone. This “greening” is 
caused by H2O2, which converts hemoglobin into 
methemoglobin. 

  Beta-hemolysis (β-hemolysis). Colonies on blood agar 

are surrounded by a large, yellowish hemolytic zone in 
which no more intact erythrocytes are present and the 
hemoglobin is decomposed. 

  Nonhemolytic colonies have been termed gamma-

hemolytic

 (

ƴ-hemolysis) .This (illogical) term indicates 

the absence of macroscopically visible hemolytic zones. 

  Lancefield groups.  

Many streptococci and enterococci have a polymeric 
carbohydrate (C substance) in their cell walls called the 
Lancefield antigen.They are classified in Lancefield 
groups A-V
 based on variations in the antigenicity of this 
antigen. Group A streptococci are nearly always beta-
hemolytic; related Group B can manifest alpha, beta or 
gamma hemolysis. Most strains of S. pneumoniae are 
alpha-hemolytic but can cause ß-hemolysis during 
anaerobic incubation. Most of the oral streptococci and 
enterococci are non-hemolytic. The property of hemolysis 
is not very reliable for the absolute identification of 
streptococci, but it is widely used in rapid screens for 
identification of S. pyogenes and S. pneumoniae.

 

 

Streptococcus pyogenes (A Streptococci) 

Morphology and culturing.

 

  Gram-positiveround-to-ovoid cocci0.6-1.0 

micrometer in diameter. Streptococci divide in one plane 
and thus occur in pairs or (especially in liquid media or 
clinical
 material ) in chains of varying   lengths.  The 
metabolism of  S. pyogenes is fermentative; the organism 
is a catalase-negative aerotolerant anaerobe (facultative 

anaerobe), and requires enriched medium containing 
blood in order to grow. Group A streptococci typically 
have a capsule composed of hyaluronic acid and exhibit 
beta (clear) hemolysis on blood agar. 

Fine structure.

  

The murein layer of the cell wall is followed by the 
serogroup A carbohydrate layer, which consists of C 
substance and is covalently bound to the murein. Long, 
twisted protein threads that extend outward are anchored 
in the cell wall murein: the M protein. A streptococci are 
classified in serovars with characteristic M protein 
chemistry. Like the hyaluronic acid capsules seen in some 
strains, the M protein has an antiphagocytic effect.

 

The 

surface of Streptococcus pyogenes is incredibly complex 
and chemically-diverse. Antigenic components 
include capsular polysaccharide (C-substance), cell 
wall peptidoglycan and lipoteichoic acid (LTA), and a 
variety of surface proteins, including M proteinfimbrial 
proteins
fibronectin-binding proteins, (e.g. Protein F
and cell-bound streptokinase.

 

The cytoplasmic 

membrane of S. pyogenes contains some antigens similar 
to those of human cardiac, skeletal, and smooth muscle, 
heart valve fibroblasts, and neuronal tissues, resulting 
in molecular mimicry and a tolerant or suppressed 
immune response by the host. 
 

 

 

Extracellular toxins and enzymes

.  

The most important in the context of pathogenicity are: 

1)  Streptolysin O, streptolysin S. Destroy the membranes 

of erythrocytes and other cells.

 

 Streptolysin S is an 

oxygen-stable leukocidin; Streptolysin O is an oxygen-
labile leukocidin. Streptolysin O acts as an antigen. Past 
infections can be detected by measuring the antibodies to 
this toxin (antistreptolysin titer). 

2)  Pyrogenic streptococcal exotoxins (PSE) A, B, C. 

Responsible for fever, scarlet fever exanthem and 
enanthem, sepsis, and septic shock. The pyrogenic 
exotoxins are superantigens and therefore induce 
production of large amounts of cytokines  

Streptococcus 
pyogenes
 is a 
gram-positive 
bacterium that 
usually grows in 
pairs or chains. 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

81 

3)  Streptokinase. Dissolves fibrin; facilitates spread of 

streptococci in tissues. 

4)  Hyaluronidase. Breaks down a substance that cements 

tissues together. 

5)  DNases. Breakdown of DNA, producing runny pus. 

NADase is leukotoxic.

 

 

6)  Streptodornases A-D possess deoxyribonuclease 

activity; Streptodornases B & D possess ribonuclease 
activity as well 

7)  Protease activity similar to that inStaphylococcus 

aureus has been shown in strains causing soft tissue 
necrosis ortoxic shock syndrome. This large repertoire of 
products is important in the pathogenesis of S. 
pyogenes
 infections. Even so, antibodies to these products 
are relatively insignificant in protection of the host.  

 

 

Cell surface structure of Streptococcus pyogenes and 
secreted products involved in virulence. 
 

Pathogenesis and clinical pictures. 

  Streptococcus pyogenes is one of the most frequent 

pathogens of humans. It is estimated that between 5-15% 
of normal individuals harbor the bacterium, usually in the 
respiratory tract, without signs of disease. As normal 
flora, S. pyogenes can infect when defenses are 
compromised or when the organisms are able to penetrate 
the constitutive defenses. When the bacteria are 
introduced or transmitted to vulnerable tissues, a variety 
of types of suppurative infections can occur. 
Streptococcal diseases can be classified as either acute
invasive infections or sequelae to them.

 

Acute 

diseases associated with Streptococcus pyogenes occur 
chiefly in the respiratory tractbloodstream, or 
the skin. Streptococcal disease is most often a respiratory 
infection (pharyngitis or tonsillitis) or a skin infection 
(pyoderma). Some strains of streptococci show a 
predilection for the respiratory tract; others, for the skin. 

Generally, streptococcal isolates from the pharynx and 
respiratory tract do not cause skin infections. S. 
pyogenes
 is the leading cause of uncomplicated 
bacterial pharyngitis and tonsillitis commonly referred to 
strep throat. Other respiratory infections 
include sinusitisotitis,and pneumonia. Infections of the 
skin can be superficial (impetigo) or deep (cellulitis). 

  Invasive infections. Invasive streptococci cause joint or 

bone infectionsdestructive wound 
infections
 (necrotizing fasciitis
and myositismeningitis and endocarditis . The pathogens 
enter through traumas or microtraumas in the skin or 
mucosa and cause invasive local or generalized infections. 
The rare cases of severe septic infection and necrotizing 
fasciitis occur in persons with a high-risk MHC II allotype. 
In these patients, the PSE superantigens (especially 
PSEA) induce large amounts of cytokine by binding at the 
same time to the MHC II complex and the b chain of the 
T cell receptor. The excess cytokines thus produced are the 
cause of the symptoms. 

  Sequelae. Two post streptococcal sequelaerheumatic 

fever and glomerulonephritis, may follow streptococcal 
disease, and occur in 1-3% of untreated infections. These 
conditions and their pathology are not attributable to 
dissemination of bacteria, but to aberrent immunological 
reactions to Group A streptococcal antigens. Scarlet 
fever
 and streptococcal toxic shock syndrome are 
systemic responses to circulating bacterial toxins. 
Glomerulonephritis is an immune complex disease and 
acute rheumatic fever may be a type II immune disease. 
 

 

Fig: Pathogenesis of Streptococcus pyogenes infections 
 
 
 
 
 
 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

82 

Diagnosis 

What is involved in diagnosis is detection of the pathogen 
by means of microscopy and culturing. Group A antigen 
can be detected using particles coated with antibodies that 
precipitate agglutination (latex agglutination
coagglutination). Using these methods, direct detection 
of A streptococci in tonsillitis is feasible in the medical 
practice. However, this direct detection method is not as 
sensitive as the culture. Differentiation of A streptococci 
from other β-hemolytic streptococci can be realized in the 
laboratory with the bacitracin disk test, because A 
streptococci are more sensitive to bacitracin than the other 
types. 
 

Therapy.  

The agents of choice are penicillin G or V. Resistance is 
unknown. Alternatives are oral cephalosporins or 
macrolide antibiotics, although resistance to the latter can 
be expected. In treatment of septic shock, a polyvalent 
immunoglobulin
 is used to inactivate the PSE. 
 

Epidemiology and prophylaxis. 

Infection frequency varies according to geographical area, 
season, and age. Humans are the only pathogen reservoir 
for S. pyogenes. Transmission is by direct contact 
(smear infection)
 or droplets. The incubation period is 
one to three days. The incidence of carriers among 
children is 10–20%, but can be much higher depending 
on the epidemiological situation. Carriers and infected 
persons are no longer contagious 24 hours after the start 
of antibiotic therapy. Microbiological follow-up checks of 
patients and first-degree contacts are not necessary 
(exception: rheumatic history). In persons with recurring 
infections or with acute rheumatic fever in their medical 
histories, continuous penicillin prophylaxis with a long-
term penicillin is appropriate (e.g., 1.2 million IU 
benzathine penicillin per month). 

 
 

Streptococcus pneumoniae (Pneumococci) 

Morphology and culturing 

Pneumococci are Gram-positive, oval to lancet-shaped 
cocci that usually occur in pairs or short chains. The cells 
are surrounded by a thick capsule. When cultured on 
blood agar, S. pneumoniae develop a-hemolytic colonies 
with a mucoid (smooth, shiny) appearance (hence “S” 
form). Mutants without capsules produce colonies with a 
rough surface (“R” form). Antigen structure. 
Pneumococci are classified in 90 different serovars based 

on the fine chemical structure of the capsule 
polysaccharides acting as antigens. This capsule antigen 
can be identified using specific antisera in a reaction 
known as capsular swelling. 
 

 

Streptococcus pneumoniae (also called Diplococcus 
pneumoniae
) bacteria may occur singly, in pairs or 
diplococci form, and in chains .
 Capsule stain light 
micrograph at a magnification of X1000. 
 

Pathogenesis and clinical pictures 

The capsule protects the pathogens from phagocytosis 
and is the most important determinant of pneumococcal 
virulence. Unencapsulated variants are not capable of 
causing disease. Other potential virulence factors include 
pneumolysin with its effects on membranes and an IgA1 
protease
. The natural habitat of pneumococci is provided 
by the mucosa of the upper respiratory tract. About 
40–70% of healthy adults are carriers. Pneumococcal 
infections usually arise from this normal flora 
(endogenous infections). Predisposing factors include 
primary cardiopulmonary diseasesprevious infections 
(e.g., influenza), and extirpation of the spleen or 
complement system defects. The most important 
pneumococcal infections are lobar pneumonia and 
bronchopneumonia. Other infections include acute 
exacerbation of chronic bronchitisotitis media
sinusitismeningitis, and corneal ulcer. Severe 
pneumococcal infections frequently involve sepsis

 

Diagnosis 

The laboratory diagnosis includes detection of the 
pathogen in appropriate test samples by means of 
microscopy and culturing. Pneumococcus can be 
differentiated from other a-hemolytic streptococci based 
on their greater sensitivity to optochin (ethyl hydrocuprein 
hydrochloride) in the disk test or their bile solubility. Bile 
salts increase autolysis in pneumococci. 

 

Therapy 

Penicillin is still the antibiotic of choice. There have been 
reports of high-frequency occurrence of strains resistant to 
penicillin (South Africa, Spain, Hungary, USA). These 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

83 

strains are still relatively rare in Germany, Switzerland, 
and Austria (5–10%). Macrolide antibiotics are an 
alternative to penicillins, but resistance to them is also 
possible. Penicillin resistance is not due to penicillinase, 
but rather to modified penicillin-binding proteins 
(PBPs) to which penicillins have a lower level of affinity. 
PBPs are required for murein biosynthesis. 
Biochemically, penicillin resistance extends to 
cephalosporins as well. However, certain cephalosporins 
(e.g., ceftriaxone) can be used against penicillin-resistant 
pneumococci due to their higher levels of activity. 

 

Epidemiology and prophylaxis 

Pneumococcal infections are endemic and occur in all 
seasons, more frequently in the elderly. Humans are the 
natural pathogen reservoir. The vaccine (product 
Pneumovax®)  is available for immunization purposes, it 
contains 25mg of the purified capsule polysaccharides of 
each of 23 of the most frequent serovars. Eighty to ninety 
percent of all isolated pneumococci have antigens 
contained in this vaccine, which is primarily indicated in 
persons with predisposing primary diseases. There is also 
a seven-valent conjugate vaccine that is effective in 
children under two years of age . Exposure prophylaxis is 
not necessary. 

 

Streptococcus agalactiae (B Streptococci) 

B streptococci occasionally cause infections of the skin 
and connective tissues
sepsisurinary tract infections
pneumonia, and peritonitis in immunocompromised 
individuals. About one in 1000 neonates suffers from a 
sepsis with or without meningitis. These infections 
manifest in the first days of life (early onset type) or in 
the first weeks of life (late onset type). In the early onset 
form, the infection is caused intrapartum by B 
streptococci colonizing the vagina. Potential 
predisposing factors include birth complications, 
premature birth, and a lack of antibodies to the capsule in 
mother and neonate. 

 

Oral Streptococci 

Most of the oral streptococci of the type often known as 
the viridans group have no group antigen. They usually 
cause α-hemolysis, some c-hemolysis as well. Oral 
streptococci are responsible for 50–70% of all cases of 
bacterial endocarditis, overall incidence of which is one to 
two cases per 100 000 annually. The origins of 
endocarditis lie in invasion of the vascular system through 

lesions in the oral mucosa. A transitory bacteremia 
results. The heart valves are colonized and a biofilm is 
formed by the organism. Predisposing factors include 
congenital heart defects, acute rheumatic fever, cardiac 
surgery, and scarred heart valves. Laboratory diagnosis of 
endocarditis involves isolation of the pathogen from 
blood cultures. Drug therapy of endocarditis is carried 
out with either penicillin G alone or combined with an 
aminoglycoside (mostly gentamicin). Bactericidal 
activity is the decisive parameter. S. mutansS. sanguis
and S. mitis are, besides Actinomyces viscosus and A. 
naeslundii
, responsible for dental caries .These 
streptococci can attach to the proteins covering the tooth 
enamel, where they then convert sucrose into extracellular 
polysaccharides (mutan, dextran, levan). These sticky 
substances, in which the original bacterial layer along 
with secondary bacterial colonizers are embedded, form 
dental plaque. The final metabolites of the numerous 
plaque bacteria are organic acids that breach the 
enamel,allowing the different caries bacteria to begin 
destroying the dentin. 

 

Enterococcus (Enterococci) 

Enterococci are a widespread bacterial genus normally 
found in the intestines of humans and other animals. They 
are nonmotile, catalase-negative, and characterized by 
group antigen D. They are able to proliferate at 45 °C, in 
the presence of 6.5% NaCl and at pH 9, qualities that 
differentiate them from streptococci. As classic 
opportunists, enterococci show only low levels of 
pathogenicity. However, they are frequently isolated as 
components of a mixed flora in nosocomial infections . 
Ninety percent of such isolates are identified as E. 
faecalis
, 5–10% as E. faecium. Among the most 
dangerous enterococcal infections is endocarditis, which 
must be treated with a combination of an aminopenicillin 
and streptomycin or gentamicin. Therapeutic success 
depends on the bactericidal efficacy of the combination 
used. The efficacy level will be insufficient in the 
presence of high levels of resistance to either 
streptomycin (MIC >1000 mg/l) or gentamicin (MIC 
>500 mg/l) or resistance to the aminopenicillin. 
Enterococci frequently develop resistance to antibiotics. 
Strains manifesting multiple resistance are found mainly 
in hospitals, in keeping with the classic opportunistic 
character of these pathogens. Recently observed 
epidemics on intensive care wards involved strains that 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

84 

were resistant to all standard anti-infective agents 
including the glycopeptides vancomycin and teicoplanin

 

Gram-Positive, Anaerobic Cocci 

Gram-positive, strictly anaerobic cocci are included in the 
genera Peptococcus and Peptostreptococcus. The only 
species in the first genus is Peptococcus niger, whereas 
the latter comprises a number of species. The anaerobic 
cocci are commonly observed in normal human flora. In a 
pathogenic context they are usually only encountered as 
components of mixed florae together with other anaerobes 
or facultative anaerobes. These bacteria invade tissues 
through dermal or mucosal injuries and cause subacute 
purulent infections
. Such infections are either localized 
in the head area (cerebral abscessotitis media
mastoiditissinusitis) or lower respiratory tract 
(necrotizing pneumoniapulmonary abscess
empyema). They are also known to occur in the abdomen 
(appendicitisperitonitishepatic abscess) and female 
genitals (salpingitisendometriosistubo-ovarian 
abscess
). Gram-positive anaerobic cocci may also 
contribute to soft-tissue infections and postoperative 
wound infections. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Summary:  

Streptococci are Gram-positive, nonmotile, catalase-
negative, facultatively anaerobic cocci that occur in 
chains or pairs. They are classified based on their 
hemolytic capacity (α-β-ƴ-hemolysis) and the 
antigenicity of a carbohydrate occurring in their cell walls 
(Lancefield antigen).b-hemolytic group A streptococci 
(S. pyogenes) cause infections of the upper respiratory 
tract and invasive infections of the skin and subcutaneous 
connective tissue. Depending on the status of the immune 
defenses and the genetic disposition, this may lead to 
scarlet fever and severe infections such as necrotizing 
fasciitis
sepsis, or septic shockSequelae such as acute 
rheumatic fever
 and glomerulonephritis have an 
autoimmune pathogenesis. The α-hemolytic pneumococci 
(S. pneumoniae) cause infections of the respiratory tract. 
Penicillins are the antibiotics of choice. Resistance to 
penicillins is known among pneumococci, and is 
increasing. Laboratory diagnosis involves pathogen 
detection in the appropriate material. Persons at high risk 
can be protected from pneumococcal infections with an 
active prophylactic vaccine containing purified capsular 
polysaccharides. Certain oral streptococci are responsible 
for dental cariesOral streptococci also cause half of all 
cases of endocarditis. Although enterococci show only 
low levels of pathogenicity, they frequently cause 
nosocomial infections in immunocompromised patients 
(usually as elements of a mixed flora). 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 84 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