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. C 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. 

 

 

Pathogenesis 


background image

 

3

 

    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%. 

 

Epidemiology, Prevention, & Control 


background image

 

4

 

    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 may  precipitate  a 


background image

 

6

 

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. 

 

Clinical Findings 


background image

 

8

 

    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 C 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.  
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 come 
into practical use. 

Clostridium Difficile & Diarrheal Disease 


background image

 

9

 

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: Ali Haider
المشاهدات: لقد قام عضوان و 67 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