مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

116 

General principles of microbial pathogenesis 

Categories of Infectious Agents 

 

 

 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

117 

 

 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

118 

 

 

 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

119 

  Commensals: are microorganisms that live on the expense 

of the host without doing harm e.g bacteria live on the skin. 
They may become pathogenic in certain conditions. 

  Opportunistic infections: when infection induce by 

commensals microorganisms e.g. E.coli is normal 
inhabitant of GIT but when introduce into the urinary tract 
it become pathogenic causing UTI. During tooth extraction, 
diseased heart valve may become infected by streptococcus. 
Viridians which are normal commensal of the mouth such 
infection may lead to bacterial endocarditis 

  Pathogens: microorganisms that injure the host. 

  Pathogenicity: is the capacity of a particular 

microorganism to cause disease. 

  Virulence: is the degree of pathogenicity. 

 

Transmission & dissemination of 

microbes 

 

  The outcome of infection depends on the ability of a 

microbe to breach host barriers and colonize and damage 
host tissues opposed to the ability of host defenses to 
eradicate the invader.  

  Host barriers to infection prevent microbes from entering 

the body & consist of innate & adaptive immune defenses. 

  Innate immunity is typically the first line of defense 

against microbes and does not adapt to repeated attacks; it 
includes physical barriers to infection, phagocytic and 
natural killer (NK) cells, complement, and inflammatory 
mediators (e.g., cytokines).  

  Adaptive immune responses-mediated by T and B 

lymphocytes & their products-are stimulated by microbial 
exposure and typically improve with successive contacts. 
 

Routes of Entry of Microbes 

Microbes can enter the host by inhalation, ingestion, 
sexual transmission, insect or animal bites, or injection. 
The first barriers to infection are intact host skin and 
mucosal surfaces and their secretory products e.g. 10

11

 are 

required to produce vibrios cholera in human volunteers 
with normal gastric pH.  Still, some infectious agents 
(having greater virulence) are able to overcome these 
barriers; thus, 100 Shigella organisms can be sufficient to 
cause disease. 

 

Skin 

  The dense, keratinized outer layer of skin is a natural 

barrier to infection; its low pH (about 5.5) and content of 
fatty acids inhibit microbial growth other than the normal 

bacterial and fungal flora adapted to that environment 
(including S. epidermidis &Candida albicans). Moreover, 
the keratinized outer layer is constantly shed and renewed 
so that colonization is difficult. 

  Although skin is usually an effective barrier, few 

microorganisms are able to traverse the unbroken skin e.g. 
Schistosoma larvae penetrate swimmers' skin by releasing 
collagenase, elastase that dissolve the extracellular matrix.  

  Most other microorganisms penetrate through breaks in 

the skin, including superficial cuts or abrasions (fungal 
infections), wounds (staphylococci), burns (Pseudomonas 
aeruginosa), and diabetic (multibacterial infections). 
Intravenous catheters in hospitalized patients frequently 
cause bacteremia with Staphylococcus species or gram-
negative organisms. Needle sticks expose the recipient to 
potentially infected blood and may transmit hepatitis B or 
C, or HIV. Bites by fleas, ticks, mosquitoes, mites, and 
lice break the skin and transmit diverse infectious 
organisms. Animal bites can lead to infections with 
bacteria or with rabies virus. 

 
Respiratory tract 

  A lot of viruses, bacteria, and fungi, are inhaled daily by 

human being. Large microbes are trapped in the nose and 
the upper respiratory tract in a mucus layer secreted by 
goblet cells; from there they are transported by the ciliary 
action of the respiratory epithelium to the back of the 
throat, where they are swallowed and cleared.  

  Organisms smaller than 5 μm are inhaled directly into the 

alveoli, where they are phagocytosed by alveolar macro-
phages or by neutrophils recruited to the lung by cytokines.  

  The mucociliary clearance mechanism can be damaged by 

smoking (causing metaplasia of the normal bronchial 
epithelium with loss of cilia). Intubation or gastric acid 
aspiration will also acutely interfere with normal 
mucociliary clearance. However, in normal hosts, virulent 
respiratory pathogens successfully evade the epithelial 
defenses by specifically adhering to respiratory 
epithelium. Certain organisms (e.g., Haemophilus 
influenzae or Bordetella pertussis) elaborate toxins that 
directly paralyze mucosal cilia. Viral damage to epithelial 
cells also allows secondary infection by organisms that 
normally lack the necessary adherence capability (e.g., S. 
pneumoniae or Staphylococcus species). 

  M. tuberculosis causes respiratory infections because it is 

able to escape phagocytotic killing by alveolar macrophages. 

 
 
 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

120 

Intestinal Tract 

  Normal defenses against ingested pathogens in the GIT 

include: 

1)  Acidic gastric pH,  
2)  Viscous mucus secretions,  
3)  Lytic pancreatic enzymes and bile detergents,  
4)  Antimicrobial peptides called defensins,  
5)  (IgA) antibodies, secreted by B cells located in mucosa-

associated lymphoid tissues.  

6)  The normal gut flora. Pathogenic organisms must 

compete for nutrients with abundant commensal bacteria 
resident in the lower gut. 

7)  Defecation all gut microbes are intermittently expelled by 

defecation. 

 

  Pathogenic bacteria in the GI tract cause disease by a 

variety of mechanisms: 

A.  Staphylococcal strains growing in contaminated food 

release powerful enterotoxins that cause food poisoning 
symptoms without any bacterial multiplication in the gut. 

B.  Vibrio cholerae and toxigenic E. coli multiply within the 

mucous layer, releasing exotoxins that cause the gut 
epithelium to secrete large volumes of watery diarrhea. 

C.  Shigella, Salmonella, and Campylobacter invade and 

damage the intestinal mucosa and lamina propria, causing 
ulceration, inflammation, and hemorrhage (dysentery). 
Salmonella typhi passes from the damaged mucosa 
through Peyer's patches &mesenteric lymph nodes and 
into the bloodstream, resulting in a systemic infection.  

 

  Intestinal protozoan infections particularly rely on cysts 

for transmission because they can resist stomach acid. 
Cysts eventually convert to motile trophozoites . While G. 
lamblia attaches to the epithelial brush border, E. 
histolytica invades and ulcerates the colonic mucosa. 

  Intestinal helminthes such as Ascaris typically cause 

disease only when present in large numbers or in ectopic 
sites (e.g., by obstructing the gut or invading and 
damaging the bile ducts). Hookworms may cause iron 
deficiency anemia by chronic loss of blood, which is 
sucked from intestinal villi. 

 

Geneto-Urinary tract 

  The urinary tract is normally sterile because it is flushed 

many times per day; successful pathogens (e.g., E. coli, 
gonococci) are those that can adhere to the epithelium. 
Women have more than 10 times more urinary tract 
infections (UTIs) than men because of shorter urethral 
length (5 cm in women & 20 cm in men).  

  Obstruction of urinary flow and/or reflux of urine into the 

ureters also increases the risk of UTI. When a UTI 

spreads retrograde from the bladder into the kidney, it can 
cause acute and chronic pyelonephritis.  

  From puberty until menopause, the vagina is protected 

from pathogens (mostly yeasts) by a low pH resulting 
from catabolism of glycogen in the normal epithelium by 
commensal lactobacilli. Antibiotics can kill the 
lactobacilli and make the vagina susceptible to infection. 
To be successful as pathogens, microorganisms have 
developed specific mechanisms for attaching to vaginal or 
cervical mucosa or for entering via local breaks in the 
mucosa during sexual intercourse (genital warts, syphilis). 

 

Spread and Dissemination of Microbes 
within the Body 

 

  Some microorganisms proliferate only locally at the site 

of infection, staying confined to the lumen of hollow 
viscera (e.g., cholera) or proliferate exclusively in or on 
epithelial cells (e.g., papillomaviruses, dermatophytes); 
others breach the epithelial barrier and spread to other 
sites via the lymphatics, blood, or nerves. A variety of 
pathogenic bacteria, fungi, and helminths are invasive by 
virtue of their motility or ability to secrete lytic enzymes 
(e.g., staphylococci secrete hyluronidase that degrades the 
extracellular matrix, Within the blood, microorganisms 
may be transported free or intracellularly, Viruses can 
also propagate by cell-cell fusion or by transport within 
neurons (e.g., rabies virus). 

  The major manifestations of infectious disease can arise at 

sites distant from those of initial microbial entry. e.g., 
chickenpox viruses enter through the airways but it causes 
cutaneous rashes, poliovirus enters through the intestine 
but kills motor neurons. The rabies virus travels from the 
skin to the brain in a retrograde fashion within nerves, 
while the varicella-zoster virus hibernates in dorsal root 
ganglia and, on reactivation, travels along nerves to cause 
skin shingles. 

  The placentofetal route is also an important mode of 

transmission, Infectious organisms can reach the pregnant 
uterus through the cervical orifice or the bloodstream; if 
they traverse the placenta, severe fetal damage can result. 
 

Release from the Body & Transmission of 
Microbes (Microbial Egress from the Body) 

 

  For transmission of disease to occur, exit of 

microorganisms from the host is as important as the original 
entry. Release may occur through skin shedding, coughing, 
sneezing, urination, or defecation, or via insect vectors. 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

121 

  Subsequent transmission to the next host depends very 

much on the hardiness of the particular microbe. Some 
microbes can survive for extended periods in dust, food, 
or water. Following defecation many expelled pathogens 
will persist in fecally contaminated food or water, with 
subsequent transmission by ingestion (fecal-oral route) 
e.g. hepatitis A and E viruses, poliovirus. Eggs shed by 
some helminths (e.g., hookworms, schistosomes) into 
stool gain access to new hosts by larval penetration of the 
skin rather than by oral intake. Less hardy 
microorganisms must be quickly passed from person to 
person, often by direct contact (e.g., respiratory or sexual 
routes) or by blood-borne transmission.  

  Microorganisms can be transmitted from animals to 

humans by invertebrate vectors such as insects (i.e., 
mosquitoes), ticks, or mites that either passively spread 
infection or occasionally serve as necessary hosts for 
microbial replication and development. Transmission can 
also occur directly from animals to humans (called 
zoonotic infections), either by direct contact or by eating 
the infected animal. 

  Prolonged intimate or mucosal contact during sexual 

activity allows the transmission of a variety of agents, 
including viruses (e.g., HPV, herpesviruses, HIV), 
bacteria (e.g., T. pallidum, N. gonorrhea, Chlamydia 
trachomatis), fungi (Candida species), protozoa 
(Trichomonas species), and arthropods (crab lice). 

 

Immune evasion by microbes 

Microorganisms have developed many strategies to resist 
and evade immune system, and such mechanisms are 
important determinants of microbial virulence and 
pathogenicity. These include: 
 

1) 

Remaining inaccessible to the host immune 
system
:-

 this can be achieved by many ways:- 

A.  Microbes that propagate in the lumen of the intestine 

(e.g., toxin-producing Clostridium difficile) or gallbladder 
(e.g., Salmonella typhi) are concealed from many host 
immune defenses. 

B.  Viruses that infect keratinized epithelium (poxviruses) 

are inaccessible to antibodies and complement.  

C.  Some organisms rapidly invade host cells before the 

humoral response becomes effective (e.g., malaria 
sporozoites enter hepatocytes). 

D.  Viral latency within infected cells: during the latent 

state many viral genes are not expressed (e.g., varicella-
zoster virus in dorsal root ganglia).  

E.  Some organisms can circumvent immune defenses by 

covering themselves with host proteins ("the wolf in 
sheep's clothing approach"). 

 

2) 

Varying or shedding antigens

. Neutralizing 

antibodies block the ability of microbes to infect cells; 
this is the basis for vaccination. However, neutralizing 
antibodies cannot effectively protect against microbes 
with the capacity to express multiple variants of their 
surface antigens. The ability to re-assort viral genomes 
(e.g., influenza viruses) leads to viral antigenic variation. 
Other example is the S. pneumoniae  which has at least 80 
different serotypes, distinguished by unique capsular 
polysaccharides; the problem is that an antibody produced 
in response to one serotype does not usually cross-react 
with another, another strategy is used by S. mansoni, 
which shed their antigens within minutes of penetrating 
the skin, preventing recognition by antibodies. 

 

3) 

Resisting innate immune defenses

 this may 

demonstrate through:- 

A.  CAMP resistanceCationic Anti-Microbial Peptides 

(CAMPs), including defensins and thrombocidins, 
provide important innate defenses against microbes; 
CAMP resistance is key to the virulence of many bacterial 
pathogens, allowing them to avoid neutrophil and 
macrophage killing.  

B.  The carbohydrate capsules on many bacteria that cause 

pneumonia or meningitis shield bacterial antigens from 
circulating antibodies and complement proteins and also 
prevent neutrophil phagocytosis.  

C.  Other bacteria make proteins that inhibit phagocytosis, 

kill phagocytes, prevent their migration, or diminish their 
oxidative burst. Thus, S. aureus expresses protein A 
molecules that bind the Fc portion of antibodies and so 
inhibit phagocytosis. Neisseria, Haemophilus, and 
Streptococcus all secrete proteases that can degrade 
antibodies. Several viruses, some intracellular bacteria 
e.g. mycobacteria, fungi and protozoa (e.g., leishmania) 
all have developed strategies to resist intracellular killing 
and can, therefore, multiply within macrophages even 
after phagocytosis.  

D.  Some viruses (e.g., herpes viruses) produce proteins that 

block complement activation. 

 

4) 

Inhibiting adaptive immunity

. Some microbes use a 

strategy of reducing the ability of CD4+ helper T cells 
and CD8+ cytotoxic T cells to recognize infected cells. 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

122 

For example, several DNA viruses (e.g., CMV and EBV) 
inhibit production of major histocompatibility complex 
(MHC) class I proteins impairing peptide presentation to 
CD8+ T cells and preventing killing of infected cells. 
Although reduced MHC class I expression might be 
expected to trigger NK cell killing, herpesviruses can 
express MHC class I homologues that inhibit NK activity. 
Similarly, herpesviruses can target MHC class II 
molecules for early degradation, impairing antigen 
presentation to CD4+ T helper cells. Finally, viruses can 
directly infect lymphocytes and thereby compromise their 
function; HIV infection of CD4+ T cells, macrophages, 
and dendritic cells is the best example. 

 

 

Selected human infectious diseases 

Cytomegalovirus 

 

Cytomegalovirus (CMV), a β-group herpesvirus, can 
produce a variety of disease manifestations, depending on 
the age of the host, and, more important, on the host's 
immune status. It infects and remains latent in white 
blood cells and can be reactivated when cellular immunity 
is depressed. It causes destroying systemic infections in 
neonates and in immunocompromised patients. Infected 
cells exhibit gigantism of both the entire cell and its 
nucleus. Within the nucleus is a large inclusion 
surrounded by a clear halo (owl's eye). 

  Transmission of CMV can occur by several mechanisms, 

depending on the age group affected These include the 
following:  

  Transplacental transmission from a newly acquired or 

primary infection in a mother who does not have 
protective antibodies ("congenital CMV"). 

  Transmission of the virus through cervical or vaginal 

secretions at birth or, later, through breast milk from a 
mother who has active infection ("perinatal CMV"). 

  Transmission through saliva during preschool years. 
  Transmission by the venereal route is the dominant mode. 
  Iatrogenic transmission can occur at any age through 

organ transplants or by blood transfusions. 

 

Morphology 

  Affected cells are strikingly enlarged, often to a diameter of 

40 µm, and they show cellular & nuclear polymorphism. 

  Prominent intranuclear basophilic inclusions spanning half 

the nuclear diameter are usually set off from the nuclear 
membrane by a clear halo, Within the cytoplasm of these 
cells, smaller basophilic inclusions can also be seen. 

  Viral cellular tropism: 

  In the glandular organs, the parenchymal epithelial cells 
  In the brain, the neurons; 
  In the lungs, the alveolar macrophages and epithelial and 

endothelial cells. 

  In the kidneys, the tubular epithelial and glomerular 

endothelial cells. 
 

Hepatitis B Virus 

Hepatitis B virus (HBV), the etiologic agent of "serum 
hepatitis," is a significant cause of acute and chronic liver 
disease worldwide. HBV is a DNA virus that can be 
transmitted percutaneously (e.g., intravenous drug use or 
blood transfusion), perinatally, and sexually. Viral DNA 
can integrate into the host genome. HBV infects 
hepatocytes, and cellular injury occurs mainly due to the 
immune response to infected liver cells and not to 
cytopathic effects of the virus. HBV may evade immune 
defenses by inhibiting IFN-β production and by 
downregulating viral gene expression. The effectiveness 
of the cytotoxic T cell  "CTL" response is a major 
determinant of whether a person clears the virus or 
becomes a chronic carrier. When infected hepatocytes are 
destroyed by CTLs, replicating virus is also eliminated 
and the infection is cleared. However, if the rate of 
infection of hepatocytes outpaces the ability of CTLs to 
eliminate infected cells, a chronic infection is established. 
This may happen in 5% to 10% of adults and up to 90% 
of children infected perinatally. In this setting, the liver 
develops a chronic hepatitis, with lymphocytic 
inflammation, apoptotic hepatocytes resulting from CTL-
mediated killing, and progressive destruction of the liver 
parenchyma. Long-term viral replication can lead to 
cirrhosis of the liver and an increased risk for 
hepatocellular carcinoma. In some infected individuals, 
hepatocytes are infected but the CTL response is dormant, 
resulting in the establishment of a "carrier" state, without 
progressive liver damage. 

 

Epstein - Barr virus (EBV) 

  This virus as well as human papilloma virus (HPV), HBV, 

and human T-cell leukemia virus-1 (HTLV-1) is called 
transforming viruses because they have been implicated in 
the causation of human cancer. 

  EBV causes infectious mononucleosis, a benign, self-

limited lymphoproliferative disorder, and is associated 
with the development of a number of neoplasms, most 
notably certain lymphomas and nasopharyngeal 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

123 

carcinoma. Infectious mononucleosis is characterized by 
fever, generalized lymphadenopathy, splenomegaly, sore 
throat, and the appearance in the blood of atypical 
activated T lymphocytes (mononucleosis cells). Some 
patients develop hepatitis, meningoencephalitis, and 
pneumonitis. Infectious mononucleosis occurs principally 
in late adolescents or young adults among upper 
socioeconomic classes in developed nations. In the rest of 
the world, primary infection with EBV occurs in 
childhood and is usually asymptomatic. 

Pathogenesis 

EBV is transmitted by close human contact, frequently 
with the saliva during kissing. An EBV envelope 
glycoprotein binds to CD21, present on B cells. The viral 
infection begins in nasopharyngeal and oropharyngeal 
lymphoid tissues, particularly the tonsils. EBV gains 
access to sub-mucosal lymphoid tissues. Here, infection 
of B cells may take one of two forms. In a minority of B 
cells, there is productive infection with lysis of infected 
cells and release of virions, which may infect other B 
cells. In most B cells, EBV establishes latent infection. 
Early in the course of the infection, IgM antibodies are 
formed against viral capsid antigens; later, IgG antibodies 
are formed that persist for life.  

Morphology 

The major alterations involve the blood, lymph nodes, 
spleen, liver, central nervous system, and, occasionally, 
other organs.  

1)  The peripheral blood shows absolute lymphocytosis with 

a total white cell count between 12,000 and 18,000 
cells/µl, more than 60% of which are lymphocytes. Many 
of these are large, atypical lymphocytes, , characterized 
by an abundant cytoplasm containing multiple clear 
vacuolations, an oval, indented, or folded nucleus, and 
scattered cytoplasmic azurophilic granules . These 
atypical lymphocytes, most of which express CD8, are 
usually sufficiently distinctive to permit the diagnosis 
from examination of a peripheral blood smear. 

2)  lymph nodes are typically discrete and enlarged 

throughout the body, principally in the posterior cervical, 
axillary, and groin regions. On histologic examination, the 
most striking feature is the expansion of paracortical areas 
by activated T cells (immunoblasts). 

3)  The spleen is enlarged in most cases  It is usually soft and 

fleshy, with a hyperemic cut surface. The histologic 
changes show an expansion of white pulp follicles and red 
pulp sinusoids due to the presence of numerous activated 
T cells. These spleens are especially vulnerable to rupture, 

possibly in part because the rapid increase in size 
produces a tense, fragile splenic capsule. 

4)  Liver function is almost always transiently impaired with 

moderate hepatomegaly., The histologic picture may be 
difficult to distinguish from that of other forms of viral 
hepatitis  it show atypical lymphocytes in the portal areas 
and sinusoids. 

5)  The central nervous system may show congestion, edema, 

and perivascular mononuclear infiltrates in the 
leptomeninges. Myelin degeneration is seen in the 
peripheral nerves. 

 

Human Papillomaviruses 

Human papillomaviruses (HPVs) are DNA viruses that are 
members of the papova virus family .Papillomaviruses are 
classified into over 100 types. Some HPVs cause 
papillomas (warts), benign tumors of squamous cells on the 
skin,. Other HPVs are associated with warts that can 
progress to malignancy, particularly squamous cell 
carcinoma of the cervix and the anogenital area . 
Papillomaviruses are mainly transmitted by skin or genital 
contact. HPVs infect squamous epithelial cells, but their life 
cycle is not well understood since these viruses cannot be 
cultured in vitro. The expression of viral genes depends on 
the differentiation state of the epithelial cells. Papilloma 
viruses initially infect basal cells in the epithelium, but 
there is limited expression of viral genes in these cells. 
Mature virions are produced in the cells within the granular 
layer and shed from the stratum corneum.  

 

 

 

 

 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

124 

Mycobacterial Infections 

 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

125 

 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

126 

 


background image

Unit 7: General Pathology of Infectious Diseases

 

 

 

127 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 9 أعضاء و 165 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