مواضيع المحاضرة:
background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

91 

Lecture 5 - Anaerobic Spore-Former 
Bacteria (Pathogenic Clostridia) 

 

 

The genus Clostridium consists of relatively large
Gram-positiverod-shaped bacteria. All species 
form endospores and have a strictly fermentative type 
of metabolism. Most clostridia will not grow under 
aerobic
 conditions and vegetative cells are killed by 
exposure to O

2

, but their spores are able to survive long 

periods of exposure to air. 

 

Stained pus from a mixed anaerobic infection. At least 
three different clostridia are apparent
 

Clostridium perfringens

: 

Clostridium perfringens (formerly known as 
Clostridium welchii) is a Gram-positive, rod-shaped, 
anaerobic, spore-forming bacterium of the genus 
Clostridium. C. perfringens is ubiquitous in nature and 
can be found as a normal component of decaying 
vegetation, marine sediment, the intestinal tract of humans 
and other vertebrates, insects, and soil. Virtually every 
soil sample
 ever examined, with the exception of the 
sands of the Sahara, has contained C. perfringens

  

Photomicrograph of large, Gram-positive, rod-shaped 
Clostridium perfringens
 bacilli. 

Morphology and Colony characteristics 

On blood agar plates, C. perfringens grown anaerobically 
produces β-haemolytic, flat, spreading, rough, translucent 
colonies with irregular margins. A Nagler agar plate

containing 5-10% egg yolk, is used to presumptively 
identify strains which produce α-toxin, a diffusible 
lecithinase which interacts with the lipids in egg yolk to 
produce a characteristic precipitate around the colonies. 
One half of the plate is inoculated with antitoxin to act as 
control in the identification. 

Pathogenesis and Clinical Finding: 

Clostridium perfringens, which produces a huge array of 
invasins and exotoxins, causes wound and surgical 
infections that lead to gas gangrene, in addition to severe 
uterine infections. Clostridial hemolysins and 
extracellular enzymes such as proteaseslipases
collagenase and hyaluronidase, contribute to the 
invasive process. Clostridium perfringens also produces 
an enterotoxin and is an important cause of food 
poisoning
. Usually the organism is encountered in 
improperly sterilized (canned) foods in which endospores 
have germinated. C. perfringens is commonly 
encountered in infections as a benign component of the 
normal flora. In this case, its role in disease is minor
Infections due to C. perfringens show evidence of tissue 
necrosis
bacteremiaemphysematous cholecystitis, and 
gas gangrene, which is also known as clostridial 
myonecrosis
. The toxin involved in gas gangrene is 
known as α-toxin, which inserts into the plasma 
membrane of cells, producing gaps in the membrane 
which disrupt normal cellular function. The action of 
C. perfringens on dead bodies is known to mortuary 
workers as tissue gas and can only be halted by 
embalming. 

 

  Gas gangrene: 

Is a bacterial infection that produces gas within tissues in 
gangrene. It is a deadly form of gangrene usually caused 
by Clostridium bacteria. It is a medical emergency. Gas 
gangrene generally occurs at the site of trauma or a recent 
surgical wound. The onset of gas gangrene is sudden and 
dramatic. About a third of cases occur on their own. 
Patients who develop this disease in this manner often 
have underlying blood vessel disease (atherosclerosis or 
hardening of the arteries), diabetes, or colon cancer. 
Clostridium perfringens produces many different toxins, 
four of which (alpha, beta, epsilon, iota) can cause 
potentially deadly syndromes. The toxins cause damage to 
tissues, blood cells, and blood vessels. Gas gangrene is 
marked by a high feverbrownish pus, gas bubbles 
under the skin
skin discoloration, and a foul odor. 
Pathophysiology
 of Gas gangrene is caused by exotoxin-
producing Clostridial species (most often Clostridium 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

92 

perfringens, but less commonly C. septicum or 
C. ramnosum ), which are mostly found in soil but also 
found as normal gut flora, and other anaerobes (e.g. 
Bacteroides and anaerobic streptococci). The exotoxin is 
commonly found in C. perfringens type A strain and is 
known as alpha toxin. These environmental bacteria may 
enter the muscle through a wound and go on to 
proliferate in necrotic tissue and secrete powerful 
toxins
. These toxins destroy nearby tissue, generating gas 
at the same time. Other organisms may rarely cause gas 
gangrene (for example, Klebsiella pneumoniae in the 
context of diabetes).  

 
Treatment of gas gangrene 
Treatment of gas gangrene is usually by 

debridement

 and 

excision

 with 

amputation 

 if necessary in many cases. 

Antibiotics

 alone are not effective because they do not 

penetrate ischaemic

 

muscles

 enough to be effective. 

However, 

penicillin

 is given as an adjuvant treatment to 

surgery

. In addition to surgery and antibiotics, 

hyperbaric oxygen therapy 

(HBOT) is used and acts to 

inhibit the growth of and kill the anaerobic C. 
perfringens
. 

 

Food poisoning

   

Some strains of C. perfringens produce toxins (which 
cause gas gangrene) if ingested. In the United Kingdom 
and United States they are the third most common cause 
of food-borne illness, with poorly prepared meat and 
poultry the main culprits in harboring the bacterium. The 
clostridial enterotoxin mediating the disease is often heat-
resistant
 and can be detected in contaminated food and 
feces. Incubation time is between 6 and 24 (commonly 
10-12
hours after ingestion of contaminated food
Manifestions typically include abdominal cramping and 
diarrhea - vomiting and fever are unusual. The whole 
course usually resolves within 24 hours. Very rare, fatal 
cases of clostridial necrotizing enteritis have been 
known to involve "Type C" strains of the organism, 
which produce a potently ulcerative β-toxin. It is likely 
that many cases of C. perfringens food poisoning remain 
subclinicalas antibodies to the toxin are common 
amongst the population.  

 
Treating food poisoning

  

In most cases, food poisoning 

can be treated at home without seeking medical advice. It 
is very important that the patient do not become 
dehydrated because it will make him feel worse and slow 
down his recovery. Oral rehydration salts (ORSs) are 
recommended for people vulnerable to the effects of 

dehydration, such as the elderly and those with a pre-
existing health condition. 

Clostridium tetani 

Clostridium tetani is a rod-shaped, anaerobic bacterium 
of the genus Clostridium. Like other Clostridium species, 
it is Gram-positive, and its appearance on a gram stain 
resembles tennis rackets or drumsticksC. tetani is 
found as spores in soil or as parasites in the 
gastrointestinal tract of animals. C. tetani produces a 
potent biological toxin, tetanospasmin, and is the 
causative agent of tetanus. 

 

Clostridium tetani with characteristic 'tennis racket' 
appearance. 

Characteristics 

C. tetani is a rod-shaped, obligate anaerobe which stains 
Gram positive in fresh cultures; established cultures may 
stain Gram negative. During vegetative growth, the 
organism cannot survive in the presence of oxygen, is 
sensitive to heat and has flagella which provide limited 
mobility. As the bacterium matures, it develops a 
terminal spore, which gives the organism its 
characteristic appearance. C. tetani spores are extremely 
hardy and are resistant to heat and mosantiseptics
The spores are distributed widely in manure-treated soils
and can also be found on human skin and in contaminated 
heroin  

Toxicity 

C. tetani usually enters a host through a wound to the skin 
and then it replicates. Once an infection is established, C. 
tetani
 produces two exotoxinstetanolysin and 
tetanospasminEleven strains of C. tetani have been 
identified, which differ primarily in flagellar antigens 
and in their ability to produce tetanospasmin. The genes 
that produce toxin are encoded on a plasmid which is 
present in all toxigenic strains, and all strains that are 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

93 

capable of producing toxin produce identical toxins. 
Tetanolysin serves no known function to C. tetani, and the 
reason the bacteria produce it is not known with certainty. 
Tetanospasmin is neurotoxin and causes the clinical 
manifestations of tetanus. Tetanus toxin is generated in 
living bacteria, and is released when the bacteria lyses
such as during spore germination or during vegetative 
growth
. A minimal amount of spore germination and 
vegetative cell growth
 are required for toxin production. 
On the basis of weight, tetanospasmin is one of the most 
potent toxins known
. The estimated minimum human 
lethal dose is 2.5 nanograms per kilogram of body 
weight, or 175 nanograms in a 70 kg (154 lb) human. The 
only toxins more lethal to humans arbotulinum toxin
produced by close relativClostridium botulinum and the 
exotoxin produced by Corynebacterium diphtheriae, the 
causative agent of diphtheria.  

  Toxin Action:   Tetanospasmin is distributed in the blood 

and lymphatic system of the host. The toxin acts at 
several sites within thcentral nervous system
including peripheral nerve terminals, thspinal cord
and brainand within thsympathetic nervous system
The toxin is taken up into within the nerve axon and 
transported across synaptic junctions, until it reaches the 
central nervous system, where it is rapidly fixed to 
gangliosides
 at the presynaptic junctions of inhibitory 
motor nerve endings
. The clinical manifestations of 
tetanus are caused when tetanus toxin blocks inhibitory 
impulses
, by interfering with the release of 
neurotransmitters, including glycine and gamma-
aminobutyric acid.
 This leads to unopposed muscle 
contraction
 and spasm. Characteristic features are Risus 
Sardonicus
 (a rigid smile), Trismus (commonly known 
as lock-jaw), and Opisthotonus (rigidarched back). 
Seizures may occur, and the autonomic nervous system 
may also be affected. Tetanospasmin appears to prevent 
the release of neurotransmitters by selectively cleaving 
a component of synaptic vesicles called synaptobrevin 
II.  

Treatment:  

When a tetanus infection becomes established, treatment 
usually focuses on controlling muscle spasmsstopping 
toxin production
, and neutralizing the effects of the 
toxin. Treatment includes administration of tetanus 
immune globulin
 (TIG), which comprises antibodies 
that inhibit tetanus toxin (also known as tetanus 
antitoxins
), by binding to and removing unbound 

 

tetanus toxin from the body. Binding of the toxin to the 
nerve endings appears to be an irreversible event, and 
TIG is ineffective at removing bound toxin. Large doses 
of antibiotic drugs (such as metronidazole or 
intramuscular penicillin G) are also given once tetanus 
infection is suspected, to halt toxin production. 
Prevention of tetanus includes vaccination, and 
cleaning the primary wound. Prophylaxis is effective, 
in the form of a tetanus toxoid vaccine, which is given 
with or withoupassive immunization with tetanus 
immune globulin
. Very few cases of tetanus have 
occurred in individuals with up-to-date tetanus 
vaccinations. DPT vaccine (diphtheria-pertussis-tetanus) 
may provide protection from tetanus for many years ( 
about 10 years), and every 10 years thereafter, a booster 
shot of tetanus vaccine is recommended. Tetanus is not 
contagious from person to person, and is the only 
vaccine-preventable disease that is infectious but not 
contagious. A C.tetani infection does not result in 
tetanus immunity, and tetanus vaccination should be 
given as soon as the patient has stabilized. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

Unit 2: Bacteriology

 

 

 

94 

Clostridium botulinum 

Clostridium botulinum is a Gram-positive, rod shaped 
bacterium that produces thneurotoxin botulin, which 
causes the flaccid muscular paralysis seen ibotulism
It is also the main paralytic agent in botox 

 

C. botulinum stained with gentian violet 

It is an anaerobic spore-former, which produces oval
subterminaendospores and is commonly found in soil
C. botulinum is arod-shaped microorganism. It is an 
obligate anaerobe, meaning that oxygen ipoisonous to 
the cells. However, they tolerate very small traces of 
oxygen due to an enzyme called superoxide dismutase 
(SOD) which is an important antioxidant defense in 
nearly all cells exposed to oxygen. Under unfavorable 
circumstances they are able to form endospores that 
allow them to survive in a dormant state until exposed to 
conditions that can support their growth. In laboratory the 
microorganism is usually isolated in Tryptose Sulfite 
Cycloserine
 (TSC) growth media, always in an anaerobic 
environment with less than 2% of Oxygen. This can be 
achieved by several commercial kits that use a chemical 
reaction to replace O

2

 with CO

2

 (E.J. GasPak System). C. 

botulinum is lipase negative microorganism, it grows 
between pH values of 4.8 and 7 and it can't use lactose 
as a primary carbon source, characteristics important 
during biochemical identification.  C. botulinum strains 
that do not produce a botulin toxin are referred to as 
Clostridium sporogenes. The complete genome of C. 
botulinum
 has now been sequenced

Phenotypic types 

The current nomenclature for C. botulinum recognises 
four physiological groups (I-IV). This is mostly based 
on the ability of the organism to digest complex proteins. 
Most outbreaks of human botulism are caused by group I 
(proteolytic) or II (non-proteolyticC. botulinum

Group III organisms mainly cause diseases in animals
There has been no record of Group IV C. botulinum 
causing human or animal disease. 

Clostridium difficile 

This bacterium is a very important cause of diarrhea and 
more severe intestinal disease in people, and is  also 
possibly an important cause of diarrhea in some animals 
(dogs and cats). Clostridium difficile toxin A is a toxin 
generated by Clostridium difficile. It is usually described 
as a enterotoxin, but it also has some activity as a 
cytotoxin. C. difficile occurs in the fecal flora of 1–4% 
of healthy adults and in 30–50% of children during the 
first year of life. The factors that lead to development of 
the disease are not known with certainty. Cases of 
pseudomembranous colitis are observed frequently 
under treatment with clindamycin, aminopenicillins, and 
cephalosporins (hence the designation antibiotic-
associated colitis
), but also occur in persons not taking 
antibiotics. Occasional outbreaks are seen in hospitals
The pathological mechanism is based on formation of two 
toxins
Toxin A is an enterotoxin that causes a 
dysfunction characterized by increased secretion of 
electrolytes and fluids
Toxin B is a cytotoxin that 
damages the mucosa of the colon.

 

The clinical course 

includes feverdiarrhea, and spasmodic abdominal 
pains
Coloscopy reveals edematous changes in the colon 
mucosa, which is also covered with yellowish-whitish 
matter. Laboratory diagnosis involves culturing the 
pathogen from patient stool and detection of the 
cytotoxin
 in bacteria-free stool filtrates on the basis of a 
cytopathic effect (CPE) observed in cell cultures, which 
CPE is then no longer observed after neutralization with 
an antiserum. Toxins A and B can also be detected with 
immunological test kits (ELISA tests). A specific therapy 
is not required in many cases. Antibiotic treatment is 
indicated in severe cases. The agent of choice is currently 
metronidazole

 

 

 
 
 
 
 
 
 




رفعت المحاضرة من قبل: Mostafa Altae
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 132 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