background image

 

1

 

Spore-Forming 

Gram-Positive 

Bacilli: 

Bacillus & Clostridium Species:  

Introduction 

    The  gram-positive  spore-forming  bacilli  are  the  bacillus  and 
clostridium  species.  These  bacilli  are  ubiquitous,  and  because  they  form 
spores  they  can  survive  in  the  environment  for  many  years.  Bacillus 
species are aerobes, whereas clostridia are anaerobes. 

     Of the many species of both bacillus and clostridium genera, most do 
not cause disease and are not well characterized in medical microbiology. 
Several species, however, cause important disease in humans. Anthrax, a 
prototype  disease  in  the  history  of  microbiology,  is  caused  by  Bacillus 
anthracis.
  Anthrax  remains  an  important  disease  of  animals  and 
occasionally  of  humans,  Bacillus  cereus  causes  food  poisoning  and 
occasionally  eye  or  other  localized  infections.  Clostridia  cause  several 
important  toxin-mediated  diseases: 

Clostridium  tetani, 

tetanus; 

Clostridium botulinum, botulism; Clostridium perfringens, gas gangrene; 
and Clostridium difficile, pseudomembranous colitis. Other clostridia are 
also found in mixed anaerobic infections in humans  

Bacillus species 

    The genus bacillus includes large aerobic, gram-positive rods occurring 
in  chains.  Most  members  of  this  genus  are  saprophytic  organisms 
prevalent in soil, water, and air and on vegetation, such as Bacillus cereus 
and  Bacillus  subtilis.  B.cereus  can  grow  in  foods  and  produce  an 
enterotoxins  which  cause  food  poisoning.  Such  organisms  may 
occasionally  produce  disease  in  immunocompromised  humans  (eg, 
meningitis,  endocarditis,  endophthalmitis,  conjunctivitis,  or  acute 
gastroenteritis). B. anthracis a major pathogen in this genus which cause 
anthrax . 

Typical Organisms  & Growth Characteristics 

    The  typical  cells,  measuring  1  x  3–4µm,  have  square  ends  and  are 
arranged in long chains; spores are located in the center of the nonmotile 
bacilli.  Colonies  of  B.  anthracis  are  round  and  have  a  "cut  glass" 
appearance  in  transmitted  light.  Hemolysis  is  uncommon  with  
anthracis
 but common with the saprophytic bacilli. Gelatin is liquefied . 


background image

 

2

 

    The  saprophytic  bacilli  utilize  simple  sources  of  nitrogen  and  carbon 
for energy and growth. The spores are resistant to environmental changes, 
withstand  dry  heat  and  certain  chemical  disinfectants  for  moderate 
periods  .  Animal  products  contaminated  with  anthrax  spores  (eg,  hides, 
bristles, hair, wool, bone) can be sterilized only by autoclaving. 

Bacillus Anthracis 

Pathogenesis 

    Anthrax  is  primarily  a  disease  of  herbivores—goats,  sheep,  cattle, 
horses,  etc;  other  animals  (e.g.,  rats)  are  relatively  resistant  to  the 
infection. Humans become  infected incidentally by  contact with  infected 
animals or their products. In humans, the infection is usually acquired by 
the entry of spores through injured skin (cutaneous anthrax) or rarely the 
mucous  membranes  (gastrointestinal  anthrax),  or  by  inhalation  of  spores 
into the lung (inhalation anthrax). 

    The  spores  germinate  in  the  tissue  at  the  site  of  entry,  and  growth  of 
the  vegetative  organisms  results  in  formation  of  a  gelatinous  edema  and 
congestion.  Bacilli  spread  via  lymphatics  to  the  bloodstream,  and  they 
multiply freely in the blood and tissues shortly before and after death. 

    B anthracis that does not produce a capsule is not virulent and does not 
induce anthrax in test animals. The poly-D-glutamic acid capsule (protein 
in nature)   is antiphagocytic. The  capsule gene is on a plasmid  .Anthrax 
toxin is made up of three proteins: protective antigen (PA), edema factor 
(EF),  and  lethal  factor  (LF).  PA  binds  to  specific  cell  receptors,  and 
following  proteolytic  activation  it  forms  a  membrane  channel  that 
mediates  entry  of  EF  and  LF  into  the  cell.  EF  is  an  adenylate  cyclase; 
with PA it forms a toxin known as edema toxin. LF plus PA form lethal 
toxin,  which  is  a  major  virulence  factor  and  cause  of  death  in  infected 
animals.  


background image

 

3

 

 

Clinical Findings 

    In humans, approximately 95% of cases are cutaneous anthrax and 5% 
are  inhalation.  Gastrointestinal  anthrax  is  very  rare  .Cutaneous  anthrax 
generally  occurs  on  exposed  surfaces  of  the  arms  or  hands,  followed  in 
frequency by the face and neck. A pruritic papule develops 1–7 days after 
entry  of  the  organisms  or  spores  through  a  scratch.  The  papule  rapidly 
changes into a vesicle or small ring of vesicles that coalesce, and necrotic 
ulcer develops. The lesions and have a characteristic central black eschar. 
Marked edema occurs. Lymphangitis and lymphadenopathy and systemic 
signs and symptoms of fever, malaise, and headache may occur. After 7–
10  days  the  eschar  is  fully  developed.  Eventually  it  dries,  loosens,  and 
separates; healing is by granulation and leaves a scar. In as many as 20% 
of  patients,  cutaneous  anthrax  can  lead  to  sepsis,  systemic  infection—
including meningitis—and death. 

    The incubation period in inhalation anthrax may be as long as 6 weeks. 
The early clinical manifestations are associated with marked hemorrhagic 


background image

 

4

 

necrosis  and  edema  of  the  mediastinum,  Substernal  pain  may  be 
prominent, hemorrhagic pleural effusions and  cough. Sepsis occurs, and 
there  may  be  hematogenous  spread  to  the  gastrointestinal  tract,  causing 
bowel  ulceration,  or  to  the  meninges,  causing  hemorrhagic  meningitis. 
The fatality rate in inhalation anthrax is high . 

Diagnostic Laboratory Tests 

    Specimens to be examined are fluid  or pus from a local lesion,  blood, 
and sputum.  Stained smears  from the  local lesion  or of  blood from  dead 
animals  often  show  chains  of  large  gram-positive  rods.  Anthrax  can  be 
identified in dried smears by immunofluorescence staining techniques. 

    When  grown  on  blood  agar  plates,  the  organisms  produce 
nonhemolytic gray to white  colonies with a rough  texture and a  ground-
glass appearance. Comma-shaped outgrowths (Medusa head) may project 
from  the  colony.  Gram  stain  shows  large  gram-positive  rods. 
Carbohydrate  fermentation  is  not  useful.  In  semisolid  medium,  anthrax 
bacilli  are  always  nonmotile,  whereas  related  nonpathogenic  organisms 
(eg,  B  cereus)  exhibit  motility  by  "swarming."  Virulent  anthrax  cultures 
kill mice or guinea pigs upon intraperitoneal injection. An enzyme-linked 
immunoassay (ELISA) has been developed to measure antibodies against 
edema and lethal toxins .  

Treatment 

    Many antibiotics are effective against anthrax in humans, but treatment 
must  be  started  early.  Ciprofloxacin  is  recommended  for  treatment  of 
anthrax.  Many  antibiotics  are  active  against  B  anthracis; penicillin  G, 
along with  gentamicin or streptomycin, has previously been used to treat 
anthrax. 

    In  the  setting  of  potential  exposure  to  B.  anthracis  as  an  agent  of 
biologic  warfare,  prophylaxis  with  ciprofloxacin  or  doxycycline  should 
be continued for 4 weeks while three doses of vaccine are being given, or 
for 8 weeks if no vaccine is administered. 

Some  other  gram-positive  bacilli,  such  as  B  cereus,  are  resistant  to 
penicillin 

by 

virtue 

of 

β-lactamase  production.  Doxycycline, 

erythromycin, or ciprofloxacin may be effective  alternatives to penicillin. 

Epidemiology, Prevention, & Control 


background image

 

5

 

Soil  is  contaminated  with  anthrax  spores  from  the  carcasses  of  dead 
animals.  These  spores  remain  viable  for  decades.  Perhaps  spores  can 
germinate  in  soil  at  pH  6.5  at  proper  temperature.  Control  measures 
include (1)  disposal of  animal carcasses  by  burning or  by deep  burial  in 
lime  pits,  (2)  decontamination  (usually  by  autoclaving)  of  animal 
products,  (3)  protective  clothing  and  gloves  for  handling  potentially 
infected materials, and (4) active immunization of domestic animals with 
live  attenuated  vaccines.  Persons  with  high  occupational  risk  should  be 
immunized. 

Bacillus Cereus 

    Food poisoning  caused by  Bacillus cereus  has two  distinct forms:  the 
emetic type, associated with fried rice, and the diarrheal type, associated 
with meat dishes and sauces. B cereus produces toxins that cause disease 
that is more an intoxication than a food-borne infection. The emetic form 
is  manifested  by  nausea,  vomiting,  abdominal  cramps,  and  occasionally 
diarrhea and is self-limiting, with  recovery occurring within 24 hours.  It 
begins 1–5 hours after ingestion of rice and occasionally pasta dishes.  
cereus
  is  a  soil  organism  that  commonly  contaminates  rice.  When  large 
amounts  of  rice  are  cooked  and  allowed  to  cool  slowly,  the  B  cereus 
spores  germinate  and  the  vegetative  cells  produce  the  toxin  during  log-
phase growth or during sporulation. The diarrheal form has an incubation 
period  of  1–24  hours  and  is  manifested  by  profuse  diarrhea  with 
abdominal  pain  and  cramps;  fever  and  vomiting  are  uncommon.  The 
enterotoxin  may  be  preformed  in  the  food  or  produced  in  the  intestine. 
The  presence  of  B  cereus  in  a  patient's  stool  is  not  sufficient  to  make  a 
diagnosis of B cereus disease . 

    B  cereus  is  an  important  cause  of  eye  infections,  severe  keratitis, 
endophthalmitis, etc. Typically, the organisms are introduced into the eye 
by  foreign  bodies  associated  with  trauma.  B  cereus  has  also  been 
associated  with  localized  infections  and  with  systemic  infections, 
including endocarditis, meningitis, osteomyelitis, and pneumonia . 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 12 عضواً و 131 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