مواضيع المحاضرة: Mycobacteria
background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
1

 

 

 

The  mycobacteria  are  rod-shaped,  aerobic  bacteria  that  do  not  form 

spores.  

 

Although  they  do  not  stain  readily,  once  stained  they  resist 

decolorization  by  acid  or  alcohol  and  are  therefore  called  "acid-fast" 

bacilli.  

Mycobacterium  tuberculosis  causes  tuberculosis  and  is  a  very 

important pathogen of humans. Mycobacterium leprae causes leprosy. 

Mycobacterium  avium-intracellulare  and  other  nontuberculous 

mycobacteria  frequently  infect  patients  with  AIDS,  are  opportunistic 

pathogens  in  other  immunocompromised  persons,  and  occasionally 

cause disease in patients with normal immune systems.  

There are more than 125 Mycobacterium species, including many that 

are  saprophytes  (a  saprophyte  is  an  organism  that  obtains  its 

nutrients  from  non-living  organic  matter,  usually  dead  and  decaying 

plant or animal matter).  


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
2

 

 

A. Typical Organisms 

In tissue, tubercle bacilli are thin straight rods measuring 0.4 x 3 µm .  

 

Mycobacterium tuberculosis (arrows) in a processed sputum specimen stained by Ziehl 

Neelsen stain. The Mycobacterium tuberculosis is red against a blue background. 

 

On  artificial  media,  coccoid  and  filamentous  forms  are  seen  with 

variable morphology from one species to another.  

Mycobacteria  cannot  be  classified  as  either  gram-positive  or  gram-

negative.  Once  stained  by  basic  dyes  they  cannot  be  decolorized  by 

alcohol.  True  tubercle  bacilli  are  characterized  by  "acid-fastness"—ie, 

95%  ethyl  alcohol  containing  3%  hydrochloric  acid  (acid-alcohol) 

quickly  decolorizes  all  bacteria  except  the  mycobacteria.  The  Ziehl-

Neelsen technique of staining is employed for identification of acid-fast 

bacteria.  

 

 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
3

 

 

In  smears  of  sputum  or  sections  of  tissue,  mycobacteria  can  be 

demonstrated  by  yellow-orange  fluorescence  after  staining  with 

fluorochrome stains. 

 

 

Mycobacteria  are  obligate  aerobes  (need  oxygen)  and  derive  energy 

from the oxidation of many simple carbon compounds. Increased CO2 

tension enhances growth. The growth rate is much slower than that of 

most bacteria. The doubling time of tubercle bacilli is about 18 hours. 

Saprophytic forms tend to grow more rapidly, to proliferate well at 22–

33°C,  to  produce  more  pigment,  and  to  be  less  acid-fast  than 

pathogenic forms. 

There are marked differences in the ability of different mycobacteria to 

cause  lesions  in  various  host  species.  Humans  and  guinea  pigs  are 

highly susceptible to M tuberculosis infection, whereas fowl and cattle 

are  resistant.  M  tuberculosis  and  Mycobacterium  bovis  are  equally 

pathogenic  for  humans.  The  route  of  infection  (respiratory  versus 

intestinal) determines the pattern of lesions. In developed countries, M 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
4

 

 

bovis  has  become  very  rare.  Some  "atypical"  mycobacteria,  now 

designated  as  nontuberculous  (eg,  Mycobacterium  kansasii)  produce 

human  disease  indistinguishable  from  tuberculosis;  others  (eg, 

Mycobacterium  fortuitum)  cause  only  surface  lesions  or  act  as 

opportunists. 

The  constituents  listed  below  are  found  mainly  in  cell  walls. 

Mycobacterial cell walls can induce delayed hypersensitivity and some 

resistance  to  infection  and  can  replace  whole  mycobacterial  cells  in 

Freund's  adjuvant.  Mycobacterial  cell  contents  only  elicit  delayed 

hypersensitivity reactions in previously sensitized animals. 

Lipids 

Mycobacteria are rich in lipids. These include mycolic acids (long-chain 

fatty acids C78–C90), waxes, and phosphatides. In the cell, the lipids 

are largely bound to proteins and polysaccharides.  

 

Muramyl dipeptide (from peptidoglycan) complexed with mycolic acids 

can cause granuloma formation; phospholipids induce caseous necrosis 

(a  form  of  cell  death  in  which  the  tissue  maintains  a  cheese-like 

appearance).  Lipids  are  to  some  extent  responsible  for  acid-fastness. 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
5

 

 

Their removal with hot acid destroys acid-fastness, which depends on 

both the integrity of the cell wall and the presence of certain lipids.  

Virulent strains of tubercle bacilli form microscopic "serpentine cords" 

in which acid-fast bacilli are arranged in parallel chains. 

 

 Cord formation is correlated with virulence. A "cord factor" (trehalose-

6,  6'-dimycolate)  has  been  extracted  from  virulent  bacilli  with 

petroleum  ether.  It  inhibits  migration  of  leukocytes,  causes  chronic 

granulomas, and can serve as an immunologic "adjuvant." 

Proteins 

Each  type  of  mycobacterium  contains  several  proteins  that  elicit  the 

tuberculin  reaction.  Proteins  bound  to  a  wax  fraction  can,  upon 

injection,  induce  tuberculin  sensitivity.  They  can  also  elicit  the 

formation of a variety of antibodies. 

Polysaccharides 

Mycobacteria  contain  a  variety  of  polysaccharides.  Their  role  in  the 

pathogenesis  of  disease  is  uncertain.  They  can  induce  the  immediate 

type  of  hypersensitivity  and  can  serve  as  antigens  in  reactions  with 

sera of infected persons. 

Mycobacteria  are  emitted  in  droplets  <25  µm  in  diameter  when 

infected  persons  cough,  sneeze,  or  speak.  The  droplets  evaporate 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
6

 

 

leaving  organisms  which  are  small  enough,  when  inhaled,  to  be 

deposited in alveoli.  

Once inside the alveoli, the host's immune system responds by release 

of  cytokines  and  lymphokines  that  stimulate  monocytes  and 

macrophages.  Mycobacteria  begin  to  multiply  within  macrophages. 

Some  of  the  macrophages  develop  an  enhanced  ability  to  kill  the 

organism  while  others  may  be  killed  by  the  bacilli.  After  1–2  months 

following  exposure,  pathogenic  lesions  associated  with  infection, 

appear in the lung. Resistance and hypersensitivity of the host greatly 

influence development of disease and the type of lesions that are seen. 

The  production  and  development  of  lesions  and  their  healing  or 

progression are determined chiefly by (1) the number of mycobacteria 

in the inoculum and their subsequent multiplication, and (2) the type 

of host. 

A. Two Principal Lesions 

1.  Exudative  type—This  consists  of  an  acute  inflammatory  reaction, 

with  edema  fluid,  polymorphonuclear  leukocytes,  and,  later, 

monocytes around the tubercle bacilli. This type is seen particularly in 

lung tissue, where it resembles bacterial pneumonia. It may : 

a. heal by resolution, so that the entire exudate becomes absorbed;  

b. it may lead to massive necrosis of tissue;  

c. or it may develop into the second (productive) type of lesion.  

 

During the exudative phase, the tuberculin test becomes positive. 

2.  Productive  type—When  fully  developed,  this  lesion,  a  chronic 

granuloma, consists of three zones:  

(1)  a  central  area  of  large,  multinucleated  giant  cells  containing 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
7

 

 

tubercle bacilli;  

(2) a mid zone of pale epithelioid cells, often arranged radially; and  

(3) a peripheral zone of fibroblasts, lymphocytes, and monocytes. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Later,  peripheral  fibrous  tissue  develops,  and  the  central  area 

undergoes caseation necrosis. Such a lesion is called a tubercle.  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
8

 

 

 

necrotizing granuloma 

A  caseous  tubercle  may  break  into  a  bronchus,  empty  its  contents 

there,  and  form  a  cavity.  It  may  subsequently  heal  by  fibrosis  or 

calcification. 

 

healed, fibrotic granuloma shows calcification (blue circle) 

http://pathhsw5m54.ucsf.edu

 

 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
9

 

 

 

time-lapse simulation of a granuloma forming after infection with Mycobacterium tuberculosis 

(days 0, 50, 75, 100, 150, 200), (green resting macrophage, red infected macrophage, brown 

caseation, pink and light blue T cells) 

© 

Katharine Miller 

 

B. Spread of Organisms in the Host 

Tubercle  bacilli  spread  in  the  host  by  direct  extension,  through  the 

lymphatic  channels  and  bloodstream,  and  via  the  bronchi  and 

gastrointestinal tract. 

In the first infection, tubercle bacilli always spread from the initial site 

via the lymphatics to the regional lymph nodes. The bacilli may spread 

farther and reach the bloodstream, which in turn distributes bacilli  to 

all organs (miliary distribution).  

  

        

 

A lung and spleen with miliary distribution of granulomas 

The  bloodstream  can  be  invaded  also  by  erosion  of  a  vein  by  a 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
10

 

 

caseating tubercle or lymph node. If a caseating lesion discharges its 

contents  into  a  bronchus,  they  are  aspirated  and  distributed  to  other 

parts of the lungs or are swallowed and passed into the stomach and 

intestines. 

C. Intracellular Site of Growth 

Once  mycobacteria  establish  themselves  in  tissue,  they  reside 

principally  intracellularly  in  monocytes,  reticuloendothelial  cells,  and 

giant cells. The intracellular location is one of the features that makes 

chemotherapy  difficult  and  favors  microbial  persistence.  Within  the 

cells  of  immune  animals,  multiplication  of  tubercle  bacilli  is  greatly 

inhibited. 

When  a  host  has  first  contact  with  tubercle  bacilli,  the  following 

features are usually observed:  

(1)  An  acute  exudative  lesion  develops  and  rapidly  spreads  to  the 

lymphatics  and  regional  lymph  nodes.  The  exudative  lesion  in  tissue 

often heals rapidly.  

(2)  The  lymph  node  undergoes  massive  caseation,  which  usually 

calcifies (Ghon lesion).  

(3) The tuberculin test becomes positive. 

 

Ghon lesion 

This primary infection type occurred in the past, usually in childhood, 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
11

 

 

but  now  frequently  in  adults  who  have  remained  free  from  infection 

and  therefore  tuberculin-negative  in  early  life.  In  primary  infections, 

the  involvement  may  be  in  any  part  of  the  lung  but  is  most  often  at 

the base

The  reactivation  type  is  usually  caused  by  tubercle  bacilli  that  have 

survived  in  the  primary  lesion.  Reactivation  tuberculosis  is 

characterized  by  chronic  tissue  lesions,  the  formation  of  tubercles, 

caseation,  and  fibrosis.  Regional  lymph  nodes  are  only  slightly 

involved, and they do not caseate. The reactivation type almost always 

begins  at  the  apex  of  the  lung,  where  the  oxygen  tension  (PO2)  is 

highest. 

These  differences  between  primary  infection  and  reinfection  or 

reactivation  are  attributed  to  (1)  resistance  and  (2)  hypersensitivity 

induced  by  the  first  infection.  It  is  not  clear  to  what  extent  each  of 

these components participates in the modified response in reactivation 

tuberculosis. 

During  the  first  infection  with  tubercle  bacilli,  a  certain  resistance  is 

acquired and there is an increased capacity to localize tubercle bacilli, 

retard  their  multiplication,  limit  their  spread,  and  reduce  lymphatic 

dissemination.  This  can  be  attributed  to  the  development  of  cellular 

immunity, with evident ability of mononuclear phagocytes to limit the 

multiplication of ingested organisms and even to destroy them. 

In  the  course  of  primary  infection,  the  host  also  acquires 

hypersensitivity  to  the  tubercle  bacilli.  This  is  made  evident  by  the 

development  of  a  positive  tuberculin  reaction  (see  below).  Tuberculin 

sensitivity  can  be  induced  by  whole  tubercle  bacilli  or  by 

tuberculoprotein  in  combination  with  the  chloroform-soluble  wax  D  of 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
12

 

 

the  tubercle  bacillus,  but  not  by  tuberculoprotein  alone. 

Hypersensitivity and resistance appear to be distinct aspects of related 

cell-mediated reactions. 

Material 

Old  tuberculin  is  a  concentrated  filtrate  of  broth  in  which  tubercle 

bacilli  have  grown  for  6  weeks.  In  addition  to  the  reactive 

tuberculoproteins, this material contains a variety of other constituents 

of tubercle bacilli and of growth medium. A purified protein derivative 

(PPD)  is  obtained  by  chemical  fractionation  of  old  tuberculin.  PPD  is 

standardized  in  terms  of  its  biologic  reactivity  as  "tuberculin  units" 

(TU).  First-strength  tuberculin  has  1  TU;  intermediate-strength  has  5 

TU; and second-strength has 250 TU. Bioequivalency of PPD products 

is not based on weight of the material but on comparative activity. 

Dose of Tuberculin 

A  large  amount  of  tuberculin  injected  into  a  hypersensitive  host  may 

give rise to severe local reactions and a flare-up of inflammation and 

necrosis at the main sites of infection (focal reactions). For this reason, 

tuberculin  tests  in  surveys  employ  5  TU;  in  persons  suspected  of 

extreme  hypersensitivity,  skin  testing  is  begun  with  1  TU.  More 

concentrated material (250 TU) is administered only if the reaction to 

5  TU  is  negative.  The  volume  is  usually  0.1  mL  injected 

intracutaneously.  The  PPD  preparation  must  be  stabilized  with 

polysorbate 80 to prevent adsorption to glass. 

Reactions to Tuberculin 

In  an  individual  who  has  not  had  contact  with  mycobacteria,  there  is 

no  reaction  to  PPD-S.  An  individual  who  has  had  a  primary  infection 

with  tubercle  bacilli  develops  induration,  edema,  erythema  in  24–48 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
13

 

 

hours, and, with very intense reactions, even central necrosis. 

 

 The  skin  test  should  be  read  in  48  or  72  hours.  It  is  considered 

positive  if  the  injection  of  5  TU  is  followed  by  induration  10  mm  or 

more in diameter. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Positive  tests  tend  to  persist  for  several  days.  Weak  reactions  may 

disappear more rapidly. 

The tuberculin test becomes positive within 4–6 weeks after infection 

(or injection of avirulent bacilli).  

It  may  be  negative  in  the  presence  of  tuberculous  infection  when 

anergy  (immune  unresponsiveness)  develops  due  to  overwhelming 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
14

 

 

tuberculosis,  measles,  Hodgkin  disease,  sarcoidosis,  AIDS,  or 

immunosuppression.  

A  positive  tuberculin  test  may  occasionally  revert  to  negative  upon 

isoniazid treatment of a recent converter.  

After BCG vaccination, people convert to a positive test, but this may 

last for only 3–7 years.  

Only the elimination of viable tubercle bacilli results in reversion of the 

tuberculin  test  to  negative.  However,  persons  who  were  PPD-positive 

years ago and are healthy may fail to give a positive skin test. When 

such  persons  are  retested  2  weeks  later,  their  PPD  skin  test—

"boosted"  by  the  recent  antigen  injection—will  give  a  positive  size  of 

induration again. 

Interpretation of Tuberculin Test 

A positive tuberculin test indicates that an individual has been infected 

in  the  past.  It  does  not  imply  that  active  disease  or  immunity  to 

disease  is  present.  Tuberculin-positive  persons  are  at  risk  of 

developing disease from reactivation of the primary infection, whereas 

tuberculin-negative  persons  who  have  never  been  infected  are  not 

subject  to  that  risk,  though  they  may  become  infected  from  an 

external source. 

Gamma Interferon Release Assays for Detection of Tuberculosis 

Sometimes  the  results  of  the  tuberculin  skin  test  are  unclear, 

particularly in persons who have been vaccinated with BCG or who live 

in  areas  where  nontuberculous  mycobacteria  are  highly  prevalent  in 

the  environment.  In  an  effort  to  improve  diagnostic  accuracy,  whole-

blood  gamma  interferon  release  assays  have  been  commercially 

developed. These assays are based on the host's immune responses to 

specific  M  tuberculosis  antigens  which  are  absent  from  most 

nontuberculous  mycobacteria  and  BCG.  The  tests  detect  interferon 


background image

 

Bacteriology 

 

Dr. Donya A Makki                                                                                            Mycobacteria

 

 
15

 

 

gamma that is released by sensitized CD4 T cells in response to these 

antigens.  

Since the tubercle bacillus can involve every organ system, its clinical 

manifestations are variable. Fatigue, weakness, weight loss, fever, and 

night sweats may be signs of tuberculous disease.  

Pulmonary  involvement  giving  rise  to  chronic  cough  and  spitting  of 

blood usually is associated with far-advanced lesions.  

Meningitis  or  urinary  tract  involvement  can  occur  in  the  absence  of 

other signs of tuberculosis.  

Bloodstream dissemination leads to miliary tuberculosis with lesions in 

many organs and a high mortality rate. 

 

  

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Muqdad A Younis
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 77 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