مواضيع المحاضرة: helicobacter pylori
background image

 

1

 

 

Bacteriology:                 

Lec.                                                     Helicobacter pylori 

Helicobacterpylori  pylori,  is  a 

Gram-negative

, 

microaerophilic

 

bacterium

 found 

usually  in  the

 

stomach

.  It  was  identified  in  1982  by  Australian  scientists 

Barry 

Marshall

 and 

Robin  Warren

,  who  found  that  it  was  present  in  a  person  with 

chronic 

gastritis

 and 

gastric  ulcers

,  conditions  not  previously  believed  to  have 

a 

microbial

 cause.  It  is  also  linked  to  the  development  of 

duodenal

 ulcers 

and 

stomach  cancer

.  However,  over  80%  of  individuals  infected  with  the  bacterium 

ar

asymptomatic

, and it may play an important role in the natural stomach ecology.  

More  than  50%  of  the  world's  population  harbor H.  pylori in  their 
upper 

gastrointestinal  tract

.  H.  pylori's helical  shape  (from  which  the 

genus

 name  is 

derived) is thought to have evolved to penetrate the 

mucoid

 lining of the stomach. 

Scientific Classification: 

The  bacterium  was  initially  named Campylobacter  pyloridis,  then  renamed C. 
pylori (pylori 
being  the 

genitive

 of 

pylorus

,  the  circular  opening  leading  from  the 

stomach  into  the 

duodenum

,  from  the  Ancient  Greek  word  πυλωρός,  which 

means 

gatekeeper

..  When 

16S  ribosomal  RNA

   

gene  sequencing

 and  other  research 

showed  in  1989  that  the  bacterium  did  not  belong  to  the  genus 

Campylobacter

,  it 

was  placed  in  its  own 

genus

,  

Helicobacter

   from  the 

ancient  Greek

 hělix  "spiral"  or 

"coil".  According  to  Marshall et  al. 1985  and  Goodwin et  al.,  1989;  H.  Pylori 
classiufied as: 
Domian:

 Bacteria 

Phylum

Proteobacteria 

Class:

 Epsilonproteobacteria 

order

Campylobacterales 

Family:

 Helicobacteraceae 

Genus:

 Helicobacter 

Species:

 H. PyloriBinomial nameHelicobacter pylori,  

Microbiology: 

H.  pylori is  a 

helix

-shaped  (classified  as  a  curved rod) 

Gram-negative

 bacterium,  about 

3 μm  long  with  a  diameter  of  about  0.5 μm  (figure.1).  It  is 

microaerophilic

;  that  is,  it 

requires 

oxygen

,  but  at  lower  concentration  than  is  found  in  the 

atmosphere

.  It 

contains  a 

hydrogenase

 which  can  be  used  to  obtain  energy  by  oxidizing  molecular 

hydrogen

 (H

2

)  produced 

by 

intestinal  bacteria

.

 

It 

produces 

oxidase

, 

catalase

and 

urease

.  It  is  capable  of  forming 

biofilms

 and  can  convert  from  spiral  to  a 


background image

 

2

 

 

possibly 

viable  but  nonculturable

 

coccoid

 form, both  likely  to  favor  its  survival  and  be 

factors in the 

epidemiology

 of the bacterium. 

H. pylori possesses five major 

outer membrane

 protein families: 

-The largest family includes known and putativ

adhesins

 

-The other four families are 

porins

, 

- Iron transporters,  

-

flagellum

-associated proteins, 

- Proteins of unknown function.  

Like  other  typical  Gram-negative  bacteria,  the  outer  membrane  of H.  pylori consists 
of

phospholipids

 and 

lipopolysaccharide

 (LPS).  

The 

O-antigen

 of  LPS  may  be  mimic  Lewis 

blood  group  antigens

 found  on  the  gastric 

epithelium. The outer membrane also contains 

cholesterol

 glucosides, which are found 

in  few  other  bacteria. H.  pylori   has  four  to  six 

flagella

;  all  gastric  and  enterohepatic 

Helicobacter species are highly motile owing to flagella.  

 

Genes involved in virulence and pathogenesis: 

Study of the H. pylori genome is centered on attempts to understand 

pathogenesis

, the 

ability  of  this 

organism

 to  cause  disease.  About  29%  of  the  loci  have  a colonization 

defect when mutated.  

Two  of  sequenced  strains  have  an  around  40-

kb

-long  Cag 

pathogenicity  island

 (a 

common 

gene  sequence

 believed  responsible  for  pathogenesis)  that  contains  over  40 

genes.  This  pathogenicity  island  is  usually  absent  from H.  pylori strains  isolated  from 
humans who are carriers of H. pylori but remain 

asymptomatic

. 

Figure.1: Helicobacter pylori (Marshall et 
al. 1985) Goodwin et al., 1989

 


background image

 

3

 

 

The 

cagA

 gene codes for one of the major H. pylori 

virulence

 proteins. Bacterial strains 

with  the cagA gene  are  associated  with  an  ability  to  cause 

ulcers

. The  pathogenicity 

of H.  pylori may  be  increased  by  genes  of  the cag 

pathogenicity  island

;  about  50–70% 

of H. pylori strains in Western countries carry  it.

 

 Western people infected with strains 

carrying the cag PAI have a stronger inflammatory response in the stomach and are at a 
greater  risk  of  developing  peptic  ulcers  or  stomach  cancer  than  those  infected  with 
strains lacking the island.

 

 H.  pylori consists  of  a  large  diversity  of  strains,  and  the 

genomes

 of  three  have  been 

completely 

sequenced

.

 

 

Microscopy: 

H.  pylori can  be  demonstrated  in  tissue  by  Gram  stain,  Giemsa  stain,  haematoxylin-
eosin  stain,  Warthin-Starry  silver  stain  (Figure.2),  acridine-orange  stain,  and  phase-
contrast microscopy. 

 

Signs and Symptoms

Up  to  85%  of  people  infected  with H.  pylori never  experience  symptoms  or 
complications.

 

 

Acute

 infection  may  appear  as  an  acute 

gastritis

 with 

abdominal  pain

 (stomach  ache) 

or 

nausea

. Where  this  develops  into  chronic  gastritis,  the  symptoms,  if  present,  are 

often  those  of  non-ulcer 

dyspepsia

:  stomach  pains,  nausea, 

bloating

, 

belching

,  and 

sometimes 

vomiting

 or black 

stool

. 

Individuals  infected  with H.  pylori have  a  10  to  20%  lifetime  risk  of  developing 

peptic 

ulcers

 and  a  1  to  2%  risk  of  acquiring 

stomach  cancer

.

 

 Inflammation  of  the 

pyloric 

antrum

 is  more  likely  to  lead  to 

duodenal

 ulcers,  while  inflammation  of 

the 

corpus

 (body  of  the  stomach)  is  more  likely  to  lead  to 

gastric

 ulcers  and 

gastric 

carcinoma

.

  

Figure.2: H. pylori colonized on the 
surface of regenerative epithelium 
(image from (

Warthin-Starry's silver 

stain

) 

 


background image

 

4

 

 

However,H.  pylori possibly  plays  a  role  only  in  the  first  stage  that  leads  to  common 
chronic  inflammation,  but  not  in  further  stages  leading  to 

carcinogenesis

.

 

 A  meta-

analysis conducted in 2009 concluded the eradication of H. pylori reduces gastric cancer 
risk  in  previously  infected  individuals,  suggesting  the  continued  presence  of H. 
pylori
 constitutes a 

relative risk

 factor of 65% for gastric cancers. 

H.  pylori has  been  associated  with  colorectal  polyps  and 

colorectal  cancer

.

 

It  may  also 

be associated with eye disease. 

Adaptation to the stomach’s acidic environment: 

To avoid the acidic environment of the interior of the stomach (

lumen

), H. pylori uses its 

flagella  to  burrow  into  the  mucus  lining  of  the  stomach  to  reach  the 

epithelial 

cells

 underneath, where the pH is more neutral (see Diagram. 1).

 

 

H. pylori is able to sense the pH gradient in the mucus and move towards the less acidic 

region (

chemotaxis

).  

H. pylori is found in the mucus, on the inner surface of the epithelium, and occasionally 
inside  the  epithelial  cells  themselves. It  adheres  to  the  epithelial  cells  by 
producing 

adhesins

,  which  bind  to  lipids  and  carbohydrates  in  the  epithelial 

cell 

membrane

 

In addition  to using 

chemotaxis to avoid areas of low pH

H. pylori also 

neutralizes  the 

acid in  its environment by producing

 large amounts of 

urease

, which breaks down  the 

urea  present  in  the  stomach  to 

carbon  dioxide

 and 

ammonia

.  The  ammonia,  which  is 

basic, then neutralizes stomach. 

  

 

Inflammation, gastritis, and ulcer:

 

H. pylori harms the stomach and duodenal linings by

 

several mechanisms

Diagram.1: showing how H. Pylor 
ireaches the epithelium of the stomach 


background image

 

5

 

 

- The ammonia

 

produced to regulate pH is toxic to epithelial cells. 

-Biochemicals  produced  by H.  pylori such  as 

proteases

,  vacuolating  cytotoxin  A  (VacA) 

[this damages epithelial cells, disrupts tight junctions and causes apoptosi.  

-  Certain 

phospholipases

. Cytotoxin  associated  gene CagA can  also  cause  inflammation 

and is potentially a carcinogen. 

Colonization of the stomach by H. pylori can result in 

chronic gastritis

 ( an inflammation 

of the stomach lining, at the site of infection). Helicobacter cysteine-rich proteins (Hcp), 
particularly HcpA , are known to trigger an immune response, causing inflammation. 

Ulcers  in  the  stomach  and  duodenum  result  when

  the  consequences  of  inflammation 

allow  stomach  acid  and  the  digestive  enzyme 

pepsin

 to  overwhelm  the  mechanisms 

that protect the stomach and duodenal 

mucous membranes

 

The location of colonization of H. pylori, which affects the location of the ulcer, depends 
on the acidity of the stomach.  

-

In  people  producing  large  amounts  of  acid

H.  pylori colonizes  near  the 

pyloric 

antrum

 (exit  to  the  duodenum)  to  avoid  the  acid-secreting 

parietal  cells

 at 

the 

fundus

 (near the entrance to the stomach).

  

-In people producing normal or reduced amounts of acid

H. pylori can also colonize the 

rest of the stomach. 

Whene  the 

inflammatory  response

 caused  by  bacteria  colonizing 

near  the  pyloric 

antrum 

induces 

Gastric  cells

 in  the  antrum  to  secrete  the  hormone 

gastrin

,  which 

travels through the blood stream to parietal cells in the fundus.

 

 Gastrin stimulates the 

parietal cells to secrete more acid into the stomach lumen, and over time increases the 
number  of  parietal  cells,  as  well. The  increased  acid  load  damages  the  duodenum, 
which may eventually result in ulcers forming in the duodenum. 

While, H.  pylori colonizes 

other  areas 

of  the  stomach,  the  inflammatory  response  can 

result  in 

atrophy

 of  the  stomach  lining  and  eventually  ulcers  in  the  stomach.  This  also 

may increase the risk of stomach cancer. 

Cancer: 

Two  related  mechanisms  by  which H.  pylori could  promote 

cancer

 are  under 

investigation: 

 

One  mechanism 

:involves  the  enhanced  production  of 

free  radicals

 near H.  pylori and 

an increased rate of host cell 

mutation

 


background image

 

6

 

 

The  Second

 

proposed  mechanism: 

has  been  called  a  "perigenetic  pathway",

 

that 

involves enhancement of the transformed host cell phenotype by means of alterations 
in cell proteins, such as 

adhesion

 proteins.  

H.  pylori has  been  proposed  to  induce 

inflammation

 and  locally  high  levels  of 

TNF-

α

 and/or

interleukin  6

 (IL-6).  According  to  the  proposed  perigenetic  mechanism, 

inflammation-associated signaling molecules, such as TNF-α, can alter gastric epithelial 
cell  adhesion  and  lead  to  the  dispersion  and  migration  of  mutated  epithelial  cells 
without  the  need  for  additional  mutations  in 

tumor  suppressor  genes

,  such  as  genes 

that code for cell adhesion proteins. 

The strain 

of H. pylori to which a person is exposed may 

influence the risk 

of developing 

gastric cancer.  

Strains of H. pylori those appear to cause greater tissue damage found to produce high 
levels of two proteins: 

a-vacuolating toxin A (VacA)

.  

b-the cytotoxin-associated gene A 

(CagA

),. 

 These  proteins  are  directly  toxic  to  cells  lining  the  stomach  and  signal  strongly  to  the 
immune  system  that  an  invasion  is  underway.  As  a  result  of  the  bacterial  presence, 
neutrophils and macrophages set up residence in the tissue to fight the bacteria. 

Diagnosis

One can test non invasively for H. pylori  infection with: 

1-A 

blood

 

antibody

 test. 

2-Stool 

antigen

 

test

,  or  with  the 

carbon  urea  breath  test

 (in  which  the  patient 

drinks 

14

C

 or 

13

C

-labelled 

urea

, which the bacterium metabolizes, producing   that can 

be detected in the breath).  
3-A urine 

ELISA

 test with a 96% sensitivity and 79% specificity is available. 

None  of  the  test  methods  is  completely  failsafe.  Even  biopsy  is  dependent  on  the 
location  of  the  biopsy.  Blood  antibody  tests,  for  example,  range  from  76%  to 
84% 

sensitivity

.  Some  drugs  can  affect H.  pylori urease  activity  and  give 

false 

negatives

 with the urea-based tests.  

4-The 

most 

accurate 

method 

for 

detecting H. 

pylori infection 

is 

with 

a 

histological

 examination from two sites after endoscopic 

biopsy

, combined with either 

a 

rapid urease test

 or microbial culture. 

 

Treatment: 


background image

 

7

 

 

Once H. pylori is detected in a person  with a peptic ulcer, the  normal procedure is to 
eradicate it and allow the ulcer to heal.  

 The  standard 

first-line  therapy

 is  a  one-week  (triple  therapy)  consisting  of 

proton   

pump-inhibitors

 such as 

omeprazole

 and the antibiotics 

clarithromycin

 and 

amoxicillin

.  

Variations of  the triple therapy have  been developed over  the years, such as using  a 
different  proton  pump  inhibitor,  as  with 

pantoprazole

 or 

rabeprazole

,  or  replacing 

amoxicillin with 

metronidazole

 for people who are allergic to 

penicillin

.

 

Such a therapy 

has revolutionized the treatment of peptic ulcers and has made a cure to the disease 
possible.  Previously,  the  only  option  was  symptom  control  using 

antacids

, 

H

2

-

antagonists

 or proton pump inhibitors alone. 

Ingesting 

lactic  acid  bacteria

 exerts  a  suppressive  effect  on H.  pylori infection  in  both 

animals  and  humans,  and  supplementing  with 

Lactobacillus

-  and 

Bifidobacterium

-

containing yogurt improved the rates of eradication of H. pylori in humans.

[

 Symbiotic 

butyrate-producing  bacteria  which  are  normally  present  in  the  intestine  are 
sometimes  used  as  probiotics  to  help  suppress H.  pylori infections  as  an  adjunct  to 
antibiotic  therapy.

 

Butyrate

 it  self  is  an  antimicrobial  which  destroys  the 

cell 

envelope

 of H. pylori by inducing 

regulatory T-cell

 expression.  

Prevention: 

H.  pylori is  a  major  cause  of  certain  diseases  of  the  upper  gastrointestinal  tract. 
Rising 

antibiotic  resistance

 increases  the  need  to  search  for  new  therapeutic 

strategies; this might include prevention in form of vaccination. Much work has been 
done  on  developing  viable  vaccines  aimed  at  providing  an  alternative  strategy  to 
control Helicobacter pylori infection and related diseases, including stomach cancer.  

The  presence  of  bacteria  in  the  stomach  may  be  beneficial,  reducing  the  prevalence 
of 

asthma

, 

rhinitis

, 

dermatitis

, 

inflammatory  bowel  disease

,

gastroesophageal  reflux 

disease

, and 

esophageal cancer

 

 by influencing systemic immune responses.  

Recent  evidence  suggests  that  nonpathogenic  strains  of H.  pylori may  be  beneficial, 
e.g., by normalizing stomach acid secretion, and may play a role in regulating appetite, 
since its presence in the stomach results in a persistent but reversible reduction in the 
level of 

ghrelin

 

Epidemiology:

 

Person-to-person transmission of H. pylori   by either the oral-oral or 

fecal-oral route

 is 

most likely. Consistent with these transmission routes, the bacteria have been isolated 
from 

feces

, 

saliva

, and 

dental plaque

 of some infected people.  


background image

 

8

 

 

Findings  suggestthat   H.  pylori is  more  easily  transmitted  by  gastric  mucus  than 
saliva. H.  pylori may  also  be  transmitted  orally  by  means  of  fecal  matter through  the 
ingestion of waste-tainted water. 

At  least  half  the  world's  population  is  infected  by  the  bacterium,  making  it  the  most 
widespread  infection  in  the  world.

 

Actual  infection  rates  vary  from  nation  to  nation; 

the 

developing  world

 has  much  higher  infection  rates  than  the  West  (

Western 

Europe

, 

North America

, 

Australasia

), where rates are estimated to be around 25%.

 

 People  infected  with  it  at 

an  early  age 

are  likely  to  develop  more  intense 

inflammation that may be followed by atrophic gastritis with a higher subsequent risk 
of gastric ulcer, gastric cancer, or both. 

 Acquisition  at  an 

older  age 

brings  different  gastric  changes  more  likely  to  lead  to 

duodenal  ulcer.

 

 Infections  are  usually  acquired  in  early  childhood  in  all 

countries. However, the infection rate of children in developing nations is higher than 
in 

industrialized nations

, probably due to poor sanitary conditions, perhaps combined 

with lower antibiotics usage for unrelated pathologies. 

 In  developed  nations,  it  is  currently  uncommon  to  find  infected  children,  but  the 
percentage of infected people  increases  with age,  with about  50% infected for those 
over the age of 60 compared with around 10% between 18 and 30 years.

 

  

The  lower  rate  of  infection  in  the  West  is  largely  attributed  to  higher  hygiene 
standards  and  widespread  use  of  antibiotics  and  most  likely  due  to  socioeconomic 
factors.

 

Despite high rates of infection in certain areas of the world, the overall frequency of H. 
pylori
 infection  is  declining.

 

However, 

antibiotic  resistance

 is  appearing  in   H.  pylori

many 

metronidazole

-  and

clarithromycin

-resistant  strains  are  found  in  most  parts  of 

the world. 

History: 

Recent research states that genetic diversity in H. pylori, like that of its host, decreases 
with geographic distance from East Africa, the birthplace of modern humans. H. Pylori 
belived to migrated out of Africa along with its human host about 60,000 years ago. Its 
subsequent evolution created seven prototypes. 

H.  pylori was  first  discovered  in  the  stomachs  of  patients  with  gastritis  and  ulcers  in 
1982  by  Drs. 

Barry  Marshall

 and 

Robin  Warren

 of 

Perth,  Australia

.  At  the  time,  the 

conventional thinking was that no bacterium could live in the acid environment of the 
human stomach. 


background image

 

9

 

 

Before  the  research  of  Marshall  and  Warren,  German  scientists  found  spiral-
shaped 

bacteria

 in  the  lining  of  the  human  stomach  in  1875,  but  they  were  unable 

to 

culture

 them,  and  the  results  were  eventually  forgotten.  Several  small  studies 

conducted in the early 20th century demonstrated the presence of curved rods in  the 
stomachs of many people with peptic ulcers and stomach cancers. 

After  unsuccessful  attempts  at  culturing  the  bacteria  from  the  stomach;  Barry 
Marshall  finally  succeeded  in  visualizing  colonies  in  1982,  when  they  unintentionally 
left their 

Petri dishes

 incubating for five days over the 

Easter

 weekend. In their original 

paper,  Warren  and  Marshall  contended  that  most  stomach  ulcers  and  gastritis  were 
caused  by  bacterial  infection  and  not  by 

stress

 or 

spicy  food

,  as  had  been  assumed 

before. 

To  demonstrate H.  pylori caused  gastritis  and  was  not  merely  a  bystander;  Marshall 
drank  a  beaker  of H.  pylori culture.  He  became  ill  with  nausea  and  vomiting  several 
days  later.  An 

endoscopy

 10  days  after inoculation  revealed  signs  of  gastritis  and  the 

presence of H. pylori. These results suggested H. pylori was the causative agent.  

In  1987,  the  Sydney 

gastroenterologist

 

Thomas  Borody

 invented  the  first  triple 

therapy for the treatment of duodenal ulcers.

In 1994, the 

National Institutes of  Health

 stated most recurrent  duodenal and gastric 

ulcers  were  caused  by H.  pylori,  and  recommended  antibiotics  be  included  in  the 
treatment regimen. 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Muqdad A Younis
المشاهدات: لقد قام 5 أعضاء و 84 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