background image

 

1

 

Clostridium Species

 

    The  clostridia  are  large  anaerobic,  gram-positive,  motile  rods.  Many  species 
decompose proteins or form toxins, and some do both. Their natural habitat is the soil 
or the intestinal tract of animals and humans, where they live as saprophytes. Among 
the  pathogens  are  the  organisms  causing  botulism,  tetanus,  gas  gangrene,  and 
pseudomembranous colitis. 

Morphology & Identification 

Typical Organisms 

    Spores  of  clostridia  are  usually  wider  than  the  diameter  of  the  rods  in  which  they 
are  formed.  In  the  various  species,  the  spore  is  placed  centrally,  subterminally,  or 
terminally. Most species of clostridia are motile and possess peritrichous flagella. 

Culture 

    Clostridia  are  anaerobes  and  grow  under  anaerobic  conditions;  a  few  species  are 
aero-tolerant and will also grow in ambient air.in general, the clostridia grow well on 
the blood-enriched media used to grow anaerobes and on other media used to culture 
anaerobes . 

Colony Forms 

    Some  clostridia  produce  large  raised  colonies  (eg,  C  perfringens);  others  produce 
smaller colonies (eg, C tetani). Some clostridia form colonies that spread on the agar 
surface.  Many  clostridia  produce  a  zone  of  hemolysis  on  blood  agar.  C  perfringens 
typically produces multiple zones of hemolysis around colonies. 

Growth Characteristics 

    Clostridia can ferment a variety of sugars; many can digest proteins. Milk is turned 
acid  by  some  and  digested  by  others  and  undergoes  "stormy  fermentation"  (ie,  clot 
torn by gas) with a third group (eg, C perfringens). Various enzymes are produced by 
different species . 

Antigenic Characteristics 

    Clostridia share some antigens but also possess specific soluble antigens that permit 
grouping by precipitin tests. 

Clostridium Botulinum 

    Clostridium botulinum causes botulism is worldwide in distribution; it is found in 
soil and occasionally in animal feces. 
 


background image

 

2

 

    Types of C botulinum are distinguished by the antigenic type of toxin they produce. 
Spores  of  the  organism  are  highly  resistant  to  heat,  withstanding  100  °C  for  several 
hours. Heat resistance is diminished at acid pH or high salt concentration. 

Toxin 

    During  the  growth  of  C  botulinum  and  during  autolysis  of  the  bacteria,  toxin  is 
liberated into the environment. . Types A and B have been associated with a variety of 
foods and type E predominantly  with  fish products.    toxin  is  a 150,000-MW  protein 
that  is  cleaved  into  100,000-MW  and  50,000-MW  protein  subunits  linked  by  a 
disulfide  bond.  Botulinum  toxin  is  absorbed  from  the  gut  and  binds  to  receptors  of 
presynaptic membranes of motor neurons of the peripheral nervous system and cranial 
nerves.  Proteolysis—by  the  light  chain  of  botulinum  toxin  of  the  target  SNARE 
proteins in the neurons inhibits the release of acetylcholine at the synapse, resulting in 
lack of muscle contraction and paralysis which called Flaccid paralysis . The SNARE 
proteins are synaptobrevin, SNAP 25, and syntaxin. The toxins of C botulinum types 
A  and  E  cleave  the  25,000-MW  SNAP-25.  Type  B  toxin  cleaves  synaptobrevin.  
botulinum
 toxins are among the most toxic substances known . The lethal dose for a 
human is probably about 1–2 µg. The toxins are destroyed by heating for 20 minutes 
at 100 °C. 

 

 


background image

 

3

 

Pathogenesis 

    Although  C  botulinum  types  A  and  B  have  been  implicated  in  cases  of  wound 
infection  and  botulism,  most  often  the  illness  is  not  an  infection.  Rather,  it  is  an 
intoxication resulting from the ingestion of food in which C botulinum has grown and 
produced toxin. The most common offenders are spiced, smoked, vacuum-packed, or 
canned  alkaline  foods  that  are  eaten  without  cooking.  In  such  foods,  spores  of  
botulinum
 germinate; under anaerobic conditions, vegetative forms grow and produce 
toxin. 

Clinical Findings 

    Symptoms  begin  18–24  hours  after  ingestion  of  the  toxic  food,  with  visual 
disturbances (incoordination of eye muscles, double vision), inability to swallow, and 
speech  difficulty;  signs  of  bulbar  paralysis  are  progressive,  and  death  occurs  from 
respiratory  paralysis  or  cardiac  arrest.  Gastrointestinal  symptoms  are  not  regularly 
prominent. There is no fever. The patient remains fully conscious until shortly before 
death. The mortality rate is high. Patients who recover do not develop antitoxin in the 
blood. 

    In  the  United  States,  infant  botulism  is  as  common  as  or  more  common  than  the 
classic form of paralytic botulism associated with the ingestion of toxin-contaminated 
food. The infants in the first months of life develop poor feeding, weakness, and signs 
of  paralysis  ("floppy  baby").  Infant  botulism  may  be  one  of  the  causes  of  sudden 
infant death syndrome. C botulinum and botulinum toxin are found in feces but not in 
serum.  It  is  assumed  that  C  botulinum  spores  are  in  the  babies'  food,  yielding  toxin 
production in the gut.  

Diagnostic Laboratory Tests 

    Toxin can often be demonstrated in serum from the patient, and toxin may be found 
in  leftover  food.  Mice  injected  intraperitoneally  die  rapidly.  The  antigenic  type  of 
toxin is identified by neutralization with specific antitoxin in mice. C botulinum may 
be  grown  from  food  remains  and  tested  for  toxin  production,  but  this  is  rarely  done 
and is of questionable significance. In infant botulism, C botulinum and toxin can be 
demonstrated  in  bowel  contents  but  not  in  serum.  Toxin  may  be  demonstrated  by 
passive hemagglutination or radioimmunoassay. 

Treatment 

    Potent antitoxins to  three types  of botulinum toxins  have been prepared in  horses. 
Since the type responsible for an individual case is usually not known, trivalent (A, B, 
E)  antitoxin  must  be  promptly  administered  intravenously  with  customary 
precautions.  Adequate  ventilation  must  be  maintained  by  mechanical  respirator,  if 
necessary. These measures have reduced the mortality rate from 65% to below 25%. 

 


background image

 

4

 

Epidemiology, Prevention, & Control 

    Since spores of  C botulinum are widely distributed in  soil, they often contaminate 
vegetables,  fruits,  and  other  materials.  A  large  restaurant-based  outbreak  was 
associated with sautéed onions. When such foods are canned or otherwise preserved, 
they  either  must  be  sufficiently  heated  to  ensure  destruction  of  spores  or  must  be 
boiled  for  20  minutes  before  consumption.  Strict  regulation  of  commercial  canning 
has largely overcome the danger of widespread outbreaks, but commercially prepared 
foods have caused deaths. A chief risk factor for botulism lies in home-canned foods, 
particularly  string  beans,  corn,  peppers,  olives,  peas,  and  smoked  fish  or  vacuum-
packed  fresh  fish  in  plastic  bags.  Toxic  foods  may  be  spoiled  and  rancid,  and  cans 
may "swell," or the appearance may be innocuous. The risk from home-canned foods 
can  be  reduced  if  the  food  is  boiled  for  more  than  20  minutes  before  consumption. 
Toxoids are used for active immunization of cattle in South Africa. 

 

Clostridium Tetani 

    Clostridium  tetani,  which  causes  tetanus,  is  worldwide  in  distribution  in  the  soil 
and  in  the  feces  of  horses  and  other  animals.  Several  types  of  C  tetani  can  be 
distinguished by specific flagellar antigens. All share a common O (somatic) antigen, 
which  may  be  masked,  and  all  produce  the  same  antigenic  type  of  neurotoxin, 
tetanospasmin. 

Toxin 

    The vegetative cells of C tetani produce the toxin tetanospasmin , the toxin initially 
binds  to  receptors  on  the  presynaptic  membranes  of  motor  neurons.  It  then  migrates 
by  the  retrograde  axonal  transport  system  to  the  cell  bodies  of  these  neurons  to  the 
spinal  cord  and  brain  stem.  The  toxin  diffuses  to  terminals  of  inhibitory  cells, 
including both glycinergic interneurons and aminobutyric acid-secreting neurons from 
the  brain  stem.  The  toxin  degrades  synaptobrevin,  a  protein  required  for  docking  of 
neurotransmitter  vesicles  on  the  presynaptic  membrane.  Release  of  the  inhibitory 
glycine and γ-aminobutyric acid is blocked, and the motor neurons are not inhibited. 
Hyperreflexia, muscle spasms, and spastic paralysis result. Extremely small  amounts 
of toxin can be lethal for humans. 


background image

 

5

 

 

Pathogenesis 

    C tetani is not an invasive organism. The infection remains strictly localized in the 
area of devitalized tissue (wound, burn, injury, umbilical stump, surgical suture) into 
which  the  spores  have  been  introduced.  The  volume  of  infected  tissue  is  small,  and 
the disease is almost entirely a toxemia. Germination of the spore and development of 
vegetative organisms  that produce toxin  are aided by (1) necrotic tissue, (2)  calcium 
salts,  
and  (3)  associated  pyogenic  infections,  all  of  which  aid  establishment  of  low 
oxidation-reduction potential. 

    The  toxin  released  from  vegetative  cells  reaches  the  central  nervous  system  and 
rapidly  becomes  fixed  to  receptors  in  the  spinal  cord  and  brain  stem  and  exerts  the 
actions described above. 

Clinical Findings 

    The incubation period may range from 4–5 days to as many weeks. The disease is 
characterized  by  tonic  contraction  of  voluntary  muscles.  Muscular  spasms  often 
involve first the area of injury and infection and then the muscles of the jaw (trismus, 
lockjaw),  which  contract  so  that  the  mouth  cannot  be  opened.  Gradually,  other 
voluntary muscles become involved, resulting in tonic spasms. Any external stimulus 


background image

 

6

 

may  precipitate  a  tetanic  generalized  muscle  spasm.  The  patient  is  fully  conscious, 
and pain may be intense. Death usually results  from interference with the  mechanics 
of respiration. The mortality rate in generalized tetanus is very high. 

Diagnosis 

    The  diagnosis  rests  on  the  clinical  picture  and  a  history  of  injury,  although  only 
50%  of  patients  with  tetanus  have  an  injury  for  which  they  seek  medical  attention. 
The  primary  differential  diagnosis  of  tetanus  is  strychnine  poisoning.  Anaerobic 
culture  of  tissues  from  contaminated  wounds  may  yield  C  tetani,  but  neither 
preventive  nor  therapeutic  use  of  antitoxin  should  ever  be  withheld  pending  such 
demonstration. Proof of isolation of C tetani must rest on production of toxin and its 
neutralization by specific antitoxin. 

Prevention & Treatment 

    The results of treatment of tetanus are not satisfactory. Therefore, prevention is all-
important. Prevention of tetanus depends upon (1) active immunization with toxoids; 
(2)  proper  care  of  wounds  contaminated  with  soil,  etc;  (3)  prophylactic  use  of 
antitoxin;  and  (4)  administration  of  penicillin.  The  intramuscular  administration  of 
250–500 units of human antitoxin (tetanus immune globulin) gives adequate systemic 
protection (0.01 unit or more per milliliter of serum) for 2–4 weeks. It neutralizes the 
toxin  that  has  not  been  fixed  to  nervous  tissue.  Active  immunization  with  tetanus 
toxoid 
should accompany antitoxin prophylaxis. 

    Patients  who  develop  symptoms  of  tetanus  should  receive  muscle  relaxants, 
sedation,  and  assisted  ventilation.  Sometimes  they  are  given  very  large  doses  of 
antitoxin (3000–10,000 units of tetanus immune globulin) intravenously to neutralize 
toxin  that  has  not  yet  been  bound  to  nervous  tissue.  Surgical  debridement  is  vitally 
important  because  it  removes  the  necrotic  tissue  that  is  essential  for  proliferation  of 
the organisms. Hyperbaric oxygen has no proved effect. 

    Penicillin  strongly  inhibits  the  growth  of  C  tetani  and  stops  further  toxin 
production.  Antibiotics  may  also  control  associated  pyogenic  infection.  When  a 
previously  immunized  individual  sustains  a  potentially  dangerous  wound,  an 
additional dose of toxoid should be injected to restimulate antitoxin production.  

Control 

    Tetanus is a totally preventable disease. Universal active immunization with tetanus 
toxoid  
should  be  mandatory.  Three  injections  comprise  the  initial  course  of 
immunization,  followed  by  another  dose  about  1  year  later.  Initial  immunization 
should be carried out in all children during the first year of life. A "booster" injection 
of  toxoid  is  given  upon  entry  into  school.  Thereafter,  "boosters"  can  be  spaced  10 
years apart to maintain serum levels of more than 0.01 unit antitoxin per milliliter. In 
young children, tetanus toxoid is often combined with diphtheria toxoid and pertussis 
vaccine. 


background image

 

7

 

 

Clostridia that Produce Invasive Infections 

    Many  different  toxin-producing  clostridia  (Clostridium  perfringens  and  related 
clostridia) can produce invasive infection (including myonecrosis and gas gangrene
if introduced into damaged tissue. About 30 species of clostridia may produce such an 
effect, but the most common in invasive disease is Clostridium perfringens (90%).  

Toxins 

    The invasive clostridia produce a large variety of toxins and enzymes that result in 
a  spreading  infection.  Many  of  these  toxins  have  lethal,  necrotizing,  and  hemolytic 
properties.  The  alpha  toxin  of  C  perfringens  type  A  is  a  lecithinase,  and  its  lethal 
action is proportionate to the rate at which it splits  lecithin (an important constituent 
of cell membranes) to phosphorylcholine and diglyceride. The theta toxin has similar 
hemolytic  and  necrotizing  effects  but  is  not  a  lecithinase.  DNase  and  hyaluronidase, 
and  collagenase  that  digests  collagen  of  subcutaneous  tissue  and  muscle,  are  also 
produced. 

    Some  strains  of  C  perfringens  produce  a  powerful  enterotoxin,  especially  when 
grown in meat dishes. When more than 10

8

 vegetative cells are ingest and sporulate in 

the gut, enterotoxin is formed. The enterotoxin is a protein (MW 35,000) that may be 
a nonessential component of the spore coat; it is distinct from other clostridial toxins. 
It  induces  intense  diarrhea  in  6–18  hours.  The  action  of  C  perfringens  enterotoxin 
involves  marked  hyper-secretion  in  the  jejunum  and  ileum,  with  loss  of  fluids  and 
electrolytes in diarrhea. Much less frequent symptoms include nausea, vomiting, and 
fever. This illness is similar to that produced by B cereus and tends to be self-limited. 

Pathogenesis 

    In  invasive  clostridial  infections,  spores  reach  tissue  either  by  contamination  of 
traumatized areas (soil, feces) or from the intestinal tract. The spores germinate at low 
oxidation-reduction potential; vegetative cells multiply, ferment carbohydrates present 
in tissue, and produce gas. The distention of tissue and interference with blood supply, 
together with the secretion of necrotizing toxin and hyaluronidase, favor the spread of 
infection.  Tissue  necrosis  extends,  providing  an  opportunity  for  increased  bacterial 
growth, hemolytic anemia, and, ultimately, severe toxemia and death. 

    In gas gangrene (clostridial myonecrosis), a mixed infection is the rule. In addition 
to the toxigenic clostridia, proteolytic clostridia and various cocci and gram-negative 
organisms are also usually present. C perfringens occurs in the genital tract of 5% of 
women.  Clostridial  bacteremia  is  a  frequent  occurrence  in  patients  with  neoplasms. 
Also, C perfringens type C produces a necrotizing enteritis (pigbel) that can be highly 
fatal in children. Immunization with type C toxoid appears to have preventive value. 

 


background image

 

8

 

Clinical Findings 

    From  a  contaminated  wound  (eg,  a  compound  fracture,  postpartum  uterus),  the 
infection  spreads  in  1–3  days  to  produce  crepitation  in  the  subcutaneous  tissue  and 
muscle,  foul-smelling  discharge,  rapidly  progressing  necrosis,  fever,  hemolysis, 
toxemia, shock, and death. Treatment is with early surgery (amputation) and antibiotic 
administration.  Until  the  advent  of  specific  therapy,  early  amputation  was  the  only 
treatment.  

   

Diagnostic Laboratory Tests 

    Specimens  consist  of  material  from  wounds,  pus,  tissue.  The  presence  of  large 
gram-positive  rods  in  Gram-stained  smears  suggests  gas  gangrene  clostridia;  spores 
are not regularly present. 

    Material  is  inoculated  into  chopped  meat-glucose  medium  and  thioglycolate 
medium and onto blood agar plates incubated anaerobically. The growth from one of 
the media is  transferred  into milk.  A  clot torn by gas  in  24 hours  is  suggestive of  
perfringens.
  Once  pure  cultures  have  been  obtained  by  selecting  colonies  from 
anaerobically  incubated  blood  plates,  they  are  identified  by  biochemical  reactions 
(various  sugars  in  thioglycolate,  action  on  milk),  hemolysis,  and  colony  form. 
Lecithinase  activity  is  evaluated  by  the  precipitate  formed  around  colonies  on  egg 
yolk  media.  Final  identification  rests  on  toxin  production  and  neutralization  by 
specific antitoxin. C perfringens rarely produces spores when cultured on agar in the 
laboratory. 

Treatment 

    The  most  important  aspect  of  treatment  is  prompt  and  extensive  surgical 
debridement of the involved area  and excision of all  devitalized tissue, in  which  the 
organisms  are  prone  to  grow.  Administration  of  antimicrobial  drugs,  particularly 
penicillin,  is  begun  at  the  same  time.  Hyperbaric  oxygen  may  be  of  help  in  the 
medical  management  of  clostridial  tissue  infections.  It  is  said  to  "detoxify"  patients 
rapidly. 

    Antitoxins  are  available  against  the  toxins  of  C  perfringens,  Clostridium  novyi, 
Clostridium  histolyticum,
  and  Clostridium  septicum,  usually  in  the  form  of 
concentrated immune globulins. Polyvalent antitoxin (containing antibodies to several 
toxins)  has  been  used.  Although  such  antitoxin  is  sometimes  administered  to 
individuals with contaminated wounds containing much devitalized tissue, there is no 
evidence  for  its  efficacy.  Food  poisoning  due  to  C  perfringens  enterotoxin  usually 
requires only symptomatic care. 

Prevention & Control 

    Early  and  adequate  cleansing  of  contaminated  wounds  and  surgical  debridement, 
together with the administration of antimicrobial drugs directed against clostridia (eg, 
penicillin), are the best available preventive measures. Antitoxins should not be relied 
on.  Although  toxoids  for  active  immunization  have  been  prepared,  they  have  not 


background image

 

9

 

come into practical use. 

Clostridium Difficile & Diarrheal Disease 

Pseudomembranous Colitis 

   Pseudomembranous  colitis  is  diagnosed  by  detection  of  one  or  both  C  difficile 
toxins in stool and by endoscopic observation of pseudomembranes or microabscesses 
in  patients  who  have  diarrhea  and  have  been  given  antibiotics.  Plaques  and 
microabscesses  may  be  localized  to  one  area  of  the  bowel.  The  diarrhea  may  be 
watery  or  bloody,  and  the  patient  frequently  has  associated  abdominal  cramps, 
leukocytosis,  and  fever.  Although  many  antibiotics  have  been  associated  with 
pseudomembranous  colitis,  the  most  common  are  ampicillin  and  clindamycin.  The 
disease  is  treated  by  discontinuing  administration  of  the  offending  antibiotic  and 
orally giving either metronidazole or vancomycin. 

    Administration of antibiotics results in proliferation of drug-resistant C difficile that 
produces  two  toxins.  Toxin  A,  a  potent  enterotoxin  that  also  has  some  cytotoxic 
activity, binds to the brush border membranes of the gut at receptor sites. Toxin B is a 
potent  cytotoxin.  Both  toxins  are  found  in  the  stools  of  patients  with 
pseudomembranous  colitis.  Not  all  strains  of  C  difficile  produce  the  toxins,  and  the 
tox genes apparently are not carried on plasmids or phage. 

Antibiotic-Associated Diarrhea 

    The  administration  of  antibiotics  frequently  leads  to  a  mild  to  moderate  form  of 
diarrhea,  termed  antibiotic-associated  diarrhea.  This  disease  is  generally  less  severe 
than  the  classic  form  of  pseudomembranous  colitis.  As  many  as  25%  of  cases  of 
antibiotic-associated diarrhea may be associated with C difficile. 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 93 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