background image

1

 

 

 

 

The Staphylococci 

  The  staphylococci  are  gram-positive  spherical  cells,  usually  arranged  in 

grapelike irregular clusters.  

  They  grow  readily  on  many  types  of  media  and  are  active  metabolically, 

fermenting  carbohydrates  and  producing  pigments  that  vary  from  white  to 

deep yellow.  

  Some  are  members  of  the  normal  microbiota  of  the  skin  and  mucous 

membranes  of  humans;  others  cause  suppuration,  abscess  formation,  a 

variety of pyogenic infections, and even fatal septicemia.  

  The genus Staphylococcus has at least 45 species. The four most frequently 

encountered  species  of  clinical  importance  are  Staphylococcus  aureus,  S. 

epidermidisS. lugdunensis, and S. saprophyticus.  

  S aureus is coagulase positive, which differentiates it from the other species. 

S  aureus  is  a  major  pathogen  for  humans.  The  coagulase-negative 

staphylococci  (CoNS)  are  normal  human  microbiota  and  sometimes  cause 

infection,  often  associated  with  implanted  devices,  such  as  shunts  and 

intravascular 

catheters, 

especially 

in 

very 

young, 

old, 

and 

immunocompromised patients.  

  Approximately  75%  of  these  infections  caused  by  coagulase-negative 

staphylococci  are  caused  by  S  epidermidis;  S  saprophyticus  is  a  relatively 

common cause of urinary tract infections in young women, although it rarely 

causes infections in hospitalized patients.  

Morphology and Identification 

A. Typical Organisms 

Staphylococci  are  spherical  cells  about  1μm  in  diameter  arranged  in  irregular 

clusters.  Single  cocci,  pairs,  tetrads,  and  chains  are  also  seen  in  liquid  cultures. 

Microbiology

 

Medical bacteriology

 

Dr. Zainab D. Degaim 

 


background image

2

 

 

Young  cocci  stain  strongly  gram  positive;  on  aging,  many  cells  become  gram 

negative. Staphylococci are nonmotile and do not form spores.  

B. Culture 

  Staphylococci  grow  readily  on  most  bacteriologic  media  under  aerobic  or 

microaerophilic  conditions.  They  grow  most  rapidly  at  37°C  but  form 

pigment  best  at  room  temperature  (20–25°C).  Colonies  on  solid  media  are 

round,  smooth,  raised,  and  glistening.  S  aureus  usually  forms  gray  to  deep 

golden yellow colonies.  

  S epidermidis colonies usually are gray to white on primary isolation; many 

colonies develop pigment only upon prolonged incubation. Various degrees 

of hemolysis are produced by S aureus and occasionally by other species.  

C. Growth Characteristics 

1-  The  staphylococci  produce  catalase,  which  differentiates  them  from  the 

streptococci.    

2- Staphylococci slowly ferment many carbohydrates, producing lactic acid but not 

gas.  

3-  Staphylococci  are  relatively  resistant  to  drying,  heat  (withstand  50°C  for  30 

minutes),  and  10%  NaCl,  but  are  inhibited  by  certain  chemicals  (3% 

hexachlorophene).

  

4- Staphylococci are variably susceptible to many antimicrobial drugs. Resistance 

is caused by several mechanisms: 

1.  β-Lactamase  production  is  common,  is  under  plasmid  control,  and  makes  the 

organisms  resistant  to  many  penicillins  (penicillin  G,  ampicillin,  ticarcillin, 

piperacillin).  

2.  Resistance  to  nafcillin  (and  to  methicillin  and  oxacillin)  is  independent  of  β-

lactamase  production.  Resistance  to  nafcillin  is  encoded  and  regulated  by  a 

sequence of genes found in a region of the chromosome called the staphylococcal 


background image

3

 

 

cassette chromosome mec (SCCmec). The mecA and newly described mecC genes 

on  this  locus  encode  a  low-affinity  penicillin-binding  protein  (PBP2a)  that  is 

responsible for the resistance.  

3. In the United States, S aureus and S lugdunensis are considered to be susceptible 

to  vancomycin  if  (MIC)  is  2  μg/mL  or  less;  of  intermediate  susceptibility  if  the 

MIC  is  4–8  μg/mL;  and  resistant  if  the  MIC  is  16  μg/mL  or  greater.  Strains  of  

aureus with intermediate susceptibility to vancomycin have been isolated in Japan, 

the  United  States  and  several  other  countries.  These  are  often  known  as 

vancomycin-intermediate S aureus (VISA). They generally have been isolated from 

patients  with  complex  infections  who  have  received  prolonged  vancomycin 

therapy.  The  mechanism  of  resistance  is  associated  with  increased  cell  wall 

synthesis and alterations in the cell wall and is not caused by the van genes found in 

enterococci. S aureus strains of intermediate susceptibility to vancomycin usually 

are nafcillin resistant but generally are susceptible to oxazolidinones. 

4.  Since  2002,  several  isolates  of  vancomycin-resistant  S  aureus  (VRSA)  strains 

(MICs ≥ 16 μg/mL) were isolated from patients in the United States. The isolates 

contained  the  vancomycin  resistance  gene  vanA  likely  derived  from  enterococci 

and  the  nafcillin  resistance  gene  mecA.  Both  of  the  initial  VRSA  strains  were 

susceptible  to  other  antibiotics.  Vancomycin  resistance  in  S  aureus  is  of  major 

concern worldwide. 

5.  Plasmid-mediated  resistance  to  tetracyclines,  erythromycins,  aminoglycosides, 

and other drugs is frequent in staphylococci. 

6. ―Tolerance‖ implies that staphylococci are inhibited by a drug but not killed by 

it. Patients with endocarditis caused by a tolerant  S aureus may have a

 

prolonged 

clinical  course  compared  with  patients  who  have  endocarditis  caused  by  a  fully 

susceptible  S aureus. Tolerance can at times be attributed to lack of activation of 

autolytic enzymes in the cell wall. 

 

 


background image

4

 

 

Antigenic Structure 

S  aureus  has  amazing  adaptive  capacity.  S  aureus  has  acquired  many  mobile 

genetic  elements  (insertion  sequences,  transposons)  that  determine  both 

pathogenicity  and  antimicrobial  resistance.  Staphylococci  contain  antigenic 

polysaccharides and proteins as well as other substances important in cell wall 

structure.  

Cell wall virulence factors: 

Protein  A  is  a  major  component  of  the  S.  aureus  cell  wall.  It  binds  to  the  Fc 

moiety of IgG, exerting an antiopsonin (and therefore strongly antiphagocytic) 

effect. 

Fibronectin-binding  protein  (FnBP)  and  other  staphylococcal  surface  proteins 

promote binding to mucosal cells and tissue matrices. 

 

 

*Peptidoglycan,    

* Teichoic acids,   

     *Most S aureus strains of clinical importance have polysaccharide capsules. 

 

Enzymes and Toxins 

Staphylococci can produce disease both through their ability to multiply and spread 

widely in tissues and through their production of many extracellular substances.  

A. Catalase 

Staphylococci produce catalase, which converts  H

2

O

2

 into water and oxygen. The 

catalase  test  differentiates  the  staphylococci,  which  are  positive,  from  the 

streptococci, which are negative. 

B. Coagulase and Clumping Factor 

S  aureus  produces  an  extracellular  coagulase,  an  enzyme  like  protein  that  clots 

oxalated or citrated plasma. Coagulase binds to prothrombin; together they become 

enzymatically  active  and  initiate  fibrin  polymerization.  Coagulase  may  deposit 

fibrin  on  the  surface  of  staphylococci,  perhaps  altering  their  ingestion  by 

phagocytic cells or their destruction within such cells.  


background image

5

 

 

Clumping  factor  is  cell  wall  bound  and  that  is  responsible  for  adherence  of  the 

organisms  to  fibrinogen  and  fibrin.  When  mixed  with  plasma,  S  aureus  forms 

clumps. Clumping factor is distinct from coagulase.  

C. Other Enzymes 

Other  enzymes  produced  by  staphylococci  include  a  hyaluronidase,  or  spreading 

factor—a staphylokinase resulting in fibrinolysis but acting much more slowly than 

streptokinase, proteinases, lipases, and β-lactamase. 

D. Hemolysins 

S aureus  possesses  four  hemolysins. α-Hemolysin is  a  heterogeneous  protein  that 

acts  on  a  broad  spectrum  of  eukaryotic  cell  membranes.  The  β-toxin  degrades 

sphingomyelin  and  therefore  is  toxic  for  many  kinds  of  cells,  including  human 

RBC. The δ-toxin is heterogeneous, it disrupts biologic membranes and may have a 

role in S aureus diarrheal diseases. The γ-hemolysin is a leukocidin that lyses white 

blood cells. 

E. Panton–Valentine Leukocidin 

PVL  is  encoded  on  a  mobile  phage.  It  can  kill  white  blood  cells  of  humans  and 

rabbits.  

F. Exfoliative Toxins 

These  epidermolytic  toxins  of  S  aureus  are  two  distinct  proteins  of  the  same 

molecular weight. Exfoliative toxin A is encoded by eta located on a phage and is 

heat  stable.  Exfoliative  toxin  B  is  plasmid  mediated  and  heat  labile.  These 

epidermolytic  toxins  yield  the  generalized  desquamation  of  the  staphylococcal 

scalded skin syndrome (SSSS) by dissolving the mucopolysaccharide matrix of the 

epidermis. The toxins are superantigens.  

G. Toxic Shock Syndrome Toxin 

Most S aureus strains isolated from patients with toxic shock syndrome produce a 

toxin called  toxic shock  syndrome toxin-1 (TSST-1). TSST-1 is the prototypical 

superantigen.  The  gene  for  TSST-1  is  found  in  about  20%  of  S  aureus  isolates, 

including MRSA. 


background image

6

 

 

*Superantigen exotoxins: These toxins have an affinity for the T cell receptor MHC 

Class  II  antigen  complex.  They  stimulate  enhanced  T  lymphocyte  response  (as 

many as twenty percent of T cells respond, compared with 0.01 percent responding 

to  the  usual  processed  antigens).  This  difference  is  a  result  of  their  ability  to 

recognize  a  relatively  conserved  region  of  the  T  cell  receptor.  This  major  T  cell 

activation can cause toxic shock syndrome, primarily by release into the circulation 

of  inordinately  large  amounts  of  T  cell  cytokines,  such  as  interleukin-2  (IL-2), 

interferon, and tumor necrosis factor. 

H. Enterotoxins 

There are 15  enterotoxins (A–E, G–P) that, similar to  TSST-1, are  superantigens. 

Approximately  50%  of  S  aureus  strains  can  produce  one  or  more  of  them.  The 

enterotoxins  are  heat  stable  and  resistant  to  the  action  of  gut  enzymes.  Important 

causes  of  food  poisoning,  enterotoxins  are  produced  when  S  aureus  grows  in 

carbohydrate and protein foods. 

 

Pathogenesis 

 

Staphylococci,  particularly  S  epidermidis,  are  members  of  the  normal 

microbiota  of  the  human  skin  and  respiratory  and  gastrointestinal  tracts.

 

Nasal carriage of S aureus occurs in 20–50% of humans. Staphylococci are 

also  found  regularly  on  clothing,  bed  linens,  and  other  fomites  in  human 

environments. 

 

 

The pathogenic capacity of a given strain of S aureus is the combined effect 

of extracellular factors and toxins together with the invasive properties of the 

strain. 

 

 

At  one  end  of  the  disease  spectrum  is  staphylococcal  food  poisoning, 

attributable solely to the ingestion of preformed enterotoxin

 

Pathogenic,  invasive  S  aureus  produces  coagulase  and  tends  to  produce  a 

yellow pigment and to be hemolytic. 

 

 

Nonpathogenic,  noninvasive  staphylococci  such  as  S  epidermidis  are 

coagulase negative and tend to be non-hemolytic. 

 


background image

7

 

 

 

S  saprophyticus  is  typically  non-pigmented,  novobiocin  resistant,  and  non-

hemolytic; it causes urinary tract infections in young women.

 

Pathology 

 

The  prototype  of  a  staphylococcal  lesion  is  the  furuncle  or  other  localized 

abscess.  Groups  of  S  aureus  established  in  a  hair  follicle  lead  to  tissue 

necrosis (dermonecrotic factor). Coagulase is produced and coagulates fibrin 

around the lesion and within the lymphatics, resulting in formation of a wall 

that limits the process and is reinforced by the accumulation of inflammatory 

cells and, later, fibrous tissue.  

 

Focal suppuration (abscess) is typical of staphylococcal infection. From any 

one  focus,  organisms  may  spread  via  the  lymphatics  and  bloodstream  to 

other  parts  of  the  body.  Suppuration  within  veins,  associated  with 

thrombosis, is a common feature of such dissemination.  

 

In  osteomyelitis,  the  primary  focus  of  S  aureus  growth  is  typically  in  a 

terminal blood vessel of the metaphysis of a long bone, leading to necrosis of 

bone and chronic suppuration.  

 

S  aureus  may  cause  pneumonia,  meningitis,  empyema,  endocarditis,  or 

sepsis with suppuration in any organ. Staphylococci of low invasiveness are 

involved in many skin infections (eg, acne, pyoderma, or impetigo).  

 

Staphylococci  also  cause  disease  through  the  elaboration  of  toxins  without 

apparent invasive infection. Bullous exfoliation, the scalded skin syndrome, 

is  caused  by  the  production  of  exfoliative  toxins. Toxic  shock  syndrome  is 

associated with TSST-1. 

Clinical Findings 

1.  Localized  skin  infections:  The  most  common  S.  aureus  infections  are  small, 

superficial  abscesses  involving  hair  follicles  (folliculitis)  or  sweat  or  sebaceous 

glands. Subcutaneous abscesses called furuncles (boils) often form around foreign 

bodies, such as splinters. These generally respond to local therapy, that is, removal 

of  the  foreign  body,  soaking,  and  drainage  as  indicated.  Carbuncles  are  larger, 


background image

8

 

 

deeper,  multiloculated  skin  infections  that  can  lead  to  bacteremia  and  require 

antibiotic  therapy  and  debridement.  Impetigo  is  usually  a  localized,  superficial, 

spreading  crusty  skin  lesion  generally  seen  in  children.  It  can  be  caused  by  S. 

aureus, although  more  commonly  by  Streptococcus  pyogenes  (see  p. 80),  or  both 

organisms together. 

*S aureus infection can also result from direct contamination of a wound, such as a 

postoperative  staphylococcal  wound  infection  or  infection  after  trauma  (chronic 

osteomyelitis subsequent to an open fracture, meningitis after skull fracture). 

2.Deep, localized infections: These may be metastatic from superficial infections or 

skin carriage, or  may result  from  trauma.  S. aureus  is  the most  common  cause  of  

acute  and  chronic  infection  of  bone  marrow.  S.  aureus  is  also  the  most  common 

cause of acute infection of joint space in children (septic joint). 

 

3. Acute endocarditis, generally associated with intravenous drug abuse, is caused 

by  injection  of  contaminated  preparations  or  by  needles  contaminated  with  S. 

aureus. S. aureus also colonizes the skin around the injection site, and if the skin is 

not sterilized before injection, the bacteria can be introduced into soft tissues and 

the bloodstream, even when a sterilized needle is used.                                              

 

4- Septicemia is a generalized infection with sepsis or bacteremia.

 

5- Pneumonia: S. aureus is a cause of severe, necrotizing pneumonia

 

6-Nosocomial infections: S. aureus is one of the most common causes of hospital-

acquired  infections,  often  of  wounds  (surgical)  or  bacteremia  associated  with 

catheters. Progression to septicemia is often a terminal event.                                    

 

7-Toxinoses  are  diseases  caused  by  the  action  of  a  toxin,  frequently  when  the 

organism  that  secreted  the  toxin  is  undetectable.  Toxinoses  caused  by  S.  aureus 

include:                                                                                                                         

 

*Toxic  shock  syndrome, which  results  in  high  fever, rash  (resembling  a  sunburn, 

with diffuse erythema followed by desquamation), vomiting, diarrhea, hypotension, 

and multi-organ involvement (especially renal, and/or hepatic damage). 

 *Staphylococcal gastroenteritis is caused by ingestion of food contaminated with 

enterotoxin-producing  S.  aureus.  Often  contaminated  by  a  food-handler,  these 


background image

9

 

 

foods tend to be protein-rich (for example, egg salad, cream pastry) and improperly 

refrigerated.  Symptoms,  such  as  nausea,  vomiting,  and  diarrhea,  are  acute 

following a short incubation period (1–8 hours). There is no fever. 

*Scalded  skin  syndrome  involves  the  appearance  of  superficial  bullae  resulting 

from the action of an exfoliative toxin that attacks the intercellular adhesive of the 

stratum  granulosum,  causing  marked  epithelial  desquamation.  The  bullae  may  be 

infected or may result from toxin produced by organisms infecting a different site. 

Diagnostic Laboratory Tests 

A. Specimens 

Surface  swab  pus  or  aspirate  from  an  abscess,  blood,  endonasotracheal  aspirate, 

sputum,  or  spinal  fluid  for  culture,  depending  on  the  localization  of  the  process. 

The anterior nares are frequently swabbed to determine nasal colonization.  

B. Smears 

Typical staphylococci appear as gram + cocci in clusters in Gram-stained smears of 

pus or sputum. It is not possible to distinguish non-pathogenic (S epidermidis) from 

the pathogenic S aureus organisms on smears. 

C. Culture 

Specimens planted on blood agar plates give rise to typical colonies in 18 hours at 

37°C, but hemolysis and pigment production may not occur until several days later 

and are optimal at room temperature. S aureus but no other staphylococci ferment 

mannitol.  Specimens  contaminated  with  a  mixed  microbiota  can  be  cultured  on 

media  containing  7.5%  NaCl;  the  salt  inhibits  most  other  normal  microbiota,  but 

not S aureus.  

D. Catalase Test 

This test is used to detect the presence of cytochrome oxidase enzymes. A drop of 

3% H

2

O

2

 solution is placed on a slide, and a small amount of the bacterial growth is 

placed in the solution. The formation of bubbles (the release of oxygen) indicates a 

positive test result. 

E. Coagulase Test 


background image

11

 

 

Citrated  rabbit  (or  human)  plasma  diluted  1:5  is  mixed  with  an  equal  volume  of 

broth  culture  or  growth  from  colonies  on  agar  and  incubated  at  37°C.  A  tube  of 

plasma mixed with sterile broth is included as a control. If clots form in 1–4 hours, 

the test result is positive.  

G. Serologic and Typing Tests 

Serologic  tests  for  diagnosis  of  S  aureus  infections  have  little  practical  value. 

Molecular  typing  techniques  have  been  used  to  document  the  spread  of  epidemic 

disease-producing clones of S aureus.  

Treatment 

  The  multiple  skin  infections  (acne,  furunculosis)  occur  most  often  in 

adolescents. Tetracyclines are used for long-term treatment.  

  Abscesses  and  other  closed  suppurating  lesions  are  treated  by  drainage, 

which is essential, and antimicrobial therapy.  

  Bacteremia, endocarditis, pneumonia, and other severe infections caused by 

S aureus require prolonged intravenous therapy with a β-lactamase-resistant 

penicillin.  Vancomycin  is  often  reserved  for  use  with  nafcillin-resistant 

staphylococci. 

  Alternative  agents  for  the  treatment  of  MRSA  bacteremia  and  endocarditis 

include  newer  antimicrobials  such  as  daptomycin,  linezolid,  and 

quinupristin–dalfopristin.  

  S epidermidis is more often resistant to antimicrobial drugs than is S aureus

approximately  75%  of  S  epidermidis  strains  are  nafcillin  resistant. 

dalbavancin, a longacting intravenous lipoglycopeptide; tedizolid phosphate, 

an intravenous and oral oxazolidinone, similar to linezolid; and oritavancin, a 

semisynthetic glycopeptide.  

 

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Mubark Wilkins
المشاهدات: لقد قام 6 أعضاء و 98 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