background image

 

 

GRAM-POSITIVE BACTERIA

 

Genus Staphylococcus 

 

 

Objectives: Upon completion of this lecture, the student will:

 Outline the medically important staphylococci species. 
 Describing the morphology & physiology for 

staphylococci. 

 Determine the virulence factors for staphylococci. 
  Analyze the diseases & pathogenicity for staphylococci. 
 Demonstrate the epidemiology/transmission for 

staphylococci. 

 Outline the laboratory diagnosis for staphylococci. 
 State the drug of choice and prophylaxis where regularly 

used. 

 

 

Lec.1  
Dr.Sarmad Zeiny 
2013-2014 
BCM 


background image

 

 

GRAM-POSITIVE BACTERIA

 

 

Genus Staphylococcus 

The 3 medical important species: 

-   Staphylococcus aureus. 

 

-  Staphylococcus epidermidis.

 

-  Staphylococcus saprophyticus.

 

 

Important Properties of genus staphylococcus: 

-  The Shape: Staphylococci are spherical gram-positive cocci 
-  Arrangement: arranged in irregular grapelike clusters (Figure 1).  
-  Biochemically: All staphylococci produce catalase enzyme, whereas no streptococci 

do (catalase degrades H

2

O

2

 into O

2

 and H

2

O), Catalase is an important virulence 

factor because H

2

O

2

 is microbicidal and its degradation limits the ability of neutrophils 

to kill. 

 

 

 

 

 

-  S.aureus is by far the most pathogenic species. S.aureus is distinguished from the others 

primarily by coagulase production, for that reason, S.aureus called coagulase positive 

Fig.1 

Lec.1  
Dr.Sarmad Zeiny 
2013-2014 
BCM 

Gram positive cocci

 

Streptococci (catalase –ve)

 

Staphylococci (catalase +ve)

 


background image

 

staphylococcus. Coagulase is an enzyme that causes plasma to clot by activating 
prothrombin to form thrombin. Thrombin then catalyzes the activation of fibrinogen to 
form the fibrin clot.  

-  S.epidermidis and S.saprophyticus are often referred to as coagulase-negative 

staphylococci. 

-  All Staphylococci tolerate high salt concentration (up to 9.5% Nacl). 
-  S.aureus produces a pigment called staphyloxanthin, which imparts a golden color to 

its colonies. This pigment enhances the pathogenicity of the organism by inactivating 
the microbicidal effect of superoxides
 and other reactive oxygen species within 
neutrophils.  

-  S aureus usually ferments mannitol and hemolyzes red blood cells, whereas the 

others do not.  

-  S.saprophyticus resistant to novobiocin (type of antibiotic) while others are sensitive. 
-  Staphylococci and streptococci are non-motile and do not form spores

 

Staphylococcus aureus (Staphylococcus pyogenes): 

Distinguishing Features: 
 
• Small, yellow colonies on blood agar. 
• β – hemolytic on blood agar (complete destruction of RBC). 
• Coagulase positive (all other Staphylococcus species are negative). 
• Ferments mannitol on mannitol salt agar. 

 
 

  Fig. 2: Staphylococci lie in grape-like clusters as seen on Gram 
stain. Visualize this cluster of hospital staff posing for a group 
photo. Staphylococcus aureus is catalase-positive, thus 
explaining the cats in the group photo. Staphylococcus aureus 
(aureus means "gold") can be differentiated from the other beta-
hemolytic cocci by their elaboration of a golden pigment when 
cultured on sheep blood agar. Notice that our hospital Staff 
(Staph) all proudly wear gold medals around their necks. Note 
how all the Gold-Medalists (Staphylococcus aureus) hang out 
together to show each other their gold medals. You can think of 
them as coagulating together. 

 

 

Reservoir: 
• Normal flora 
      - Nasal mucosa (25% of population are carriers) 
      - Skin 
 

 

Fig.2 


background image

 

Transmission: 

 

Hands 

• Sneezing 
• Surgical wounds 
• Contaminated food 
    - Custard pastries 
    - Potato salad 
    - Canned meats

 

 
 
 

Virulent factors and pathogenesis:  
  S.aureus has a microcapsule surrounding its huge peptidoglycan cell wall, which in turn 
surrounds a cell membrane containing penicillin binding protein (also called transpeptidase). 
Numerous powerful defensive and offensive protein weapons stick out of the microcapsule or 
can be excreted from the cytoplasm to wreak havoc on our bodies: 

 

a)  Proteins That Disable Our Immune Defenses: 

 
1) Protein A: This protein has sites that bind the Fc portion of IgG. This may protect the 
organism from opsonization and phagocytosis. See fig.3 
2) Coagulase: This enzyme can lead to fibrin formation around the bacteria, protecting it from 
phagocytosis. See fig.3 
3) Hemolysins (4 types): Alpha, beta, gamma, and delta. They destroy red blood cells, 
neutrophils, macrophages, and platelets. See fig.4 
4) Leukocidins: They destroy leukocytes (white blood cells). See fig.4 
5) Penicillinase: This is a secreted form of beta-lactamase. It disrupts the beta-lactam portion 
of the penicillin molecule, thereby inactivating the antibiotic. 
6) Novel penicillin binding protein: This protein, also called transpeptidase, is necessary for 
cell wall peptidoglycan formation and is inhibited by penicillin. Some strains of Staphylococcus 
aureus 
have new penicillin binding proteins that are resistant to (penicillinase - resistant 
penicillins and cephalosporins antibiotics). 

 
 
 

 

 

 

 

 

Fig. 3: Staphylococcus aureus wielding protein A and coagulase shields
defending itself from attacking antibodies and phagocytosis.

 

 

 


background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b)  Proteins (enzymes) to Tunnel Through Tissue:  

 

1)  Hyaluronidase ("Spreading Factor"): This protein breaks down proteoglycans in 

connective tissue. 

2)  Staphylokinase: This protein lyses formed fibrin clots (like streptokinase). 
3)  Lipase: This enzyme degrades fats and oils, which often accumulate on the surface of 

our body. This degradation facilitates Staphylococcus aureus colonization of sebaceous 
glands. 

4)  Protease: destroys tissue proteins. See fig.5 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

 

 

 

Fig.4: Luckless red blood cell following a neutrophil, running to destruction at the 

hands of Staphylococcus aureus and its hemolysis and leukocidin dynamite.

 

 

Fig.5: Staphylococcus aureus produces proteins that 

allow the bacteria to tunnel through tissue. 

 


background image

 

 

 

 

 

 

c)  Exotoxin Assault Weaponry: (see fig.6) 

 

1)  Exfoliatin: A diffusible exotoxin that causes the skin to slough off leads to a disease 

called: (SSS “scalded skin syndrome”). 

2)  Enterotoxins (heat stable): Exotoxins which cause food poisoning 2-6h after eating 

preformed toxin, resulting in vomiting and diarrhea. (See fig.7) 

3)  Toxic Shock Syndrome toxin (TSST-1): This exotoxin is analogous to the pyrogenic 

toxin produced by Lancefield group A beta-hemolytic streptococci, but is far more 
deadly. This exotoxin causes toxic shock syndrome and is found in 20% of S. aureus 
isolates. These pyrogenic toxins are called superantigens which bind to the MHC class II 
molecules on antigen presenting cells (such as macrophages). The toxin-MHC II complex 
causes a massive T cell response and outpouring of cytokines, resulting in the toxic 
shock syndrome described below. (See Fig.8). 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.6: Staphylococcus aureus produces exotoxin assault weaponry.

 

Fig. 8:

 

Toxic shock syndrome caused by Staphylococcus 

aureus releasing TSST-1. 

Fig.7: Staphylococcus aureus

 

gastroenteritis. "I told you not to eat 

the mayonnaise, sweetheart!"

 


background image

 

 
Diseases: 

 
Disease caused by exotoxin release: 
1) Gastroenteritis (food poisoning). 
2) Toxic shock syndrome. 
3) Scalded skin syndrome (SSS). 
 
Disease resulting from direct organ invasion: see fig.9 
1) Pneumonia 
2) Meningitis 
3) Osteomyelitis (most common cause). 
4) Acute bacterial endocarditis (rapid and destructive, emergency case) 
5) Septic arthritis (most common cause in pediatric age and adult above 50, emergency case) 
6) Skin infections (Folliculitis, Pustule, Boil (furuncle): e.g. Stye, Carbuncle, Impetigo, 
cellulites). 
7) Bacteremia/sepsis 
8) Urinary tract infection. 
 
 
Predisposing Factors for Infection: 
• Surgery/wounds 
• Foreign body (tampons, surgical packing, 
sutures) 
• Severe neutropenia (<500/ µl) 
• Intravenous drug abuse. 
• Chronic granulomatous disease 
• Cystic fibrosis 

 

 

 

 

 

 

 

Fig.9: Diseases caused by direct organ invasion by 

Staphylococcus aureus. Visualize the Staph-wielding 

wizard. (Note the cluster of staphylococci at the head 

of his staff.) 


background image

 

Staphylococcus aureus and antibiotics: 

  More than 90% of S.aureus strains contain plasmids that encode β-lactamase 

(penicillinase), the enzyme that degrades many, but not all, penicillins.  Rx. With          
β-lactamase–resistant penicillins, e.g., nafcillin or cloxacillin. 

  Some strains of S.aureus are resistant to the β -lactamase–resistant penicillins, such as 

methicillin and nafcillin, by feature of changes in the penicillin-binding protein (PBP) in 
their cell membrane. Genes on the bacterial chromosome encode these altered PBPs. 
These strains are commonly known as methicillin-resistant S.aureus (MRSA) or 
nafcillin-resistant S.aureus (NRSA). MRSA currently accounts for more than 50% of      
S.aureus strains isolated from hospital patients in the United States  Rx. With 
vancomycin. 

   Strains of S.aureus with intermediate resistance to vancomycin (VISA) and with full 

resistance to vancomycin (VRSA) have also been detected. The gene that encodes 
vancomycin resistance in S.aureus is located on a plasmid. MRSA, NRSA, VRSA & 
VISA can be treated with either Linezolid, quinupristin/dalfopristin or daptomycin

  Mupirocin is very effective as a topical antibiotic in skin infections caused by S.aureus. It 

has also been used to reduce nasal carriage of the organism in hospital personnel and in 
patients with recurrent staphylococcal infections. 

 S.aureus can resist antibiotics by: 

1)  β –lactamase production, encoded by plasmid. 
2)  Change in molecular structure of PBP, encoded by bacterial chromosome. 
3)  Resistant to Vancomycin, transmitted from other bacteria, encoded by plasmid. 

 

Staphylococcus epidermidis (Staphylococcus albus

): 

  

  Normal bacterial flora of the human skin.  
  It is coagulase-negative. 
  Infections are almost always hospital-acquired: compromised hospital patients with 

Foley urine catheters or intravenous lines can become infected when this organism 
migrates from the skin along the tubing. 

  Diseases: Infections of prosthetic devices in the body, such as prosthetic joints, 

prosthetic heart valves, CSF

 shunts, and peritoneal dialysis catheters. In fact, 

Staphylococcus epidermidis is the most frequent organism isolated from infected 
indwelling prosthetic devices.  

  The organisms have a polysaccharide capsule (slime layer) that allows adherence to 

these prosthetic materials.

 (It allows other bacteria to bind to the already existing biofilm, creating a 

multilayer biofilm. Such biofilms decrease the metabolic activity of bacteria within them. This decreased 
metabolism, in combination with impaired diffusion of antibiotics, makes it difficult for antibiotics to effectively 
clear this type of infection)

 


background image

 

  S.epidermidis is highly antibiotic resistant. Most strains produce β-lactamase and many 

are methicillin-/nafcillin-resistant due to altered penicillin-binding proteins. The drug of 
choice is vancomycin. 

 

Staphylococcus saprophyticus 

 

  Normal flora of the female genital tract and perineum. It has been isolated from other 

sources too including meat and cheese products, vegetables, the environment, and 
human and animal gastrointestinal tracts.
 

  This organism is a leading cause (second only to E.coli) of urinary tract infections 

(UTI) in sexually active young women 

"Honeymoon cystitis".

 

  It is most commonly acquired by females in the community (NOT in the hospital).  
  This organism is coagulase-negative, novobiocin resistant. 

  Urinary tract infections can be treated with a quinolone, such as norfloxacin, or with 

trimethoprim-sulfamethoxazole. See table1. 

 

 
 
 
Laboratory features for genus Staphylococcus: 

 

  Slide: (microscopic characteristics) :A Gram’s stained film will shows spherical G+ve 

cocci arranged in grape like irregular 

 

  Culture: (macroscopic characteristics):  
-  Aerobic or facultatively anaerobic,  
-  Grow in ordinary media as (nutrient agar or blood agar). 
-  Tolerate high salt conc. (9%NaCl).  
-  The colonies are round, smooth, raised & glistening, 
-  Producing pigments: S. epidermidis & S.saprophyticus  white, S. aureus appear 

golden-yellow colonies. 

-  Only S.aureus produces β-hemolysis, a zone of β-hemolysis will appear as clear zone 

around the colony on blood agar. 

-  Only S.aureus can ferment mannitol. 
  The selective & differential  medium used is called (Mannitol salt agar), this medium 

contain: Mannitol +7.5% NaCL + Phenol red (indicator), the pink color of the indicator 
turn to yellow because of mannitol fermentation & acid production (only by S.aureus), & 
the salt inhibit most other normal flora. 

 
 


background image

 

10 

Steps of laboratory Diagnosis: 

 

1)  Specimens: according to type of infection, such as pus, blood, urine…etc. 
2)  Gram Stain: Gram’s positive cocci, Grape-like arrangement (clusters). 
3)  Culture: on both 

- Blood agar: see large, round, smooth, raised & glistening white or golden color, β-
hemolysis if S.aureus. 
- Mannitol Salt Agar:  S.aurues: yellowish discoloration of media, other Staphylococci: 
no discoloration (remains pink media) 

4)  Biochemical tests: 

a) Coagulase test: is recognized as the most important test for testing the virulence of           
S. aureus which is the only coagulase +ve staphylococci. So this test used to detect the 
ability of S. aureus to clot blood plasma (fibrinogen  fibrin). There are two main 
methods:  Slide method and tube method.  
a) Catalase test: This is done to differentiate Staphylococci from Streptococci. A drop 
of 3% H

2

O

2

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

solution placed on the slide, the formation of bubbles indicates a positive test of oxygen 
release.  

5)  Serological test: Latex agglutination test to detect S.aureus. 
6)  Antibiotic Sensitivity test. 
7)  For epidemiological purposesS.aureus can be subdivided into subgroups based on 

the susceptibility of the clinical isolate to lysis by a variety of bacteriophages. A person 
carrying S.aureus of the same phage group as that which caused the outbreak may be the 
source of the infections. 

 
 
 

Prevention: (very important): 

  There is no vaccine against staphylococci. 
   Cleanliness, frequent hand washing, and aseptic management of lesions help to control 

spread of S.aureus.  

  Persistent colonization of the nose by S.aureus can be reduced by intranasal mupirocin 

or by oral antibiotics, such as ciprofloxacin or trimethoprim-sulfamethoxazole, but is 
difficult to eliminate completely.  

  Shedders may have to be removed from high-risk areas, e.g., operating rooms and 

newborn nurseries.  

  Cefazolin is often used preoperatively to prevent staphylococcal surgical-wound 

infections. 

 

 


background image

 

11 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  It is extremely important to know how to differentiate staphylococci from streptococci because 
most staphylococci are penicillin G resistant.  

   Both staphylococci and streptococci are gram-positive cocci, but they are distinguished by 
two main criteria: 

1.  Microscopically, staphylococci appear in grapelike clusters, whereas streptococci are in 

chains. 

2.  Biochemically, staphylococci produce catalase (i.e., they degrade hydrogen peroxide), 

whereas streptococci do not. 

Summary: 

• S.aureus is the most pathogenic species because of their virulent factors. 
• S.aureus colonizes nasal mucosa (25% of population are carriers). 
• Staphylococci easily diagnosed in the lab. By using Gram’s staining, culture and biochemical tests. 
• S.aureus and S.epidermidis are highly antibiotic resistance and causing nasty hospital acquired 

infections. 

• Staphylococci infection can be prevented by regular hygiene precautions and by antibiotics, no 

vaccine. 

References:        

Review of Medical Microbiology and Immunology11th edition 2010. 

Clinical Microbiology Made Ridiculously Simple, 6

th

 ed, 2014. 

Baily & Scott diagnostic microbiology, 12

th

 ed. 

#END 

Table 1: summarized the points of differences between 3 medically 

important Staphylococci species  




رفعت المحاضرة من قبل: Abdalmalik Abdullateef
المشاهدات: لقد قام 23 عضواً و 267 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