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1 陳怡原 X3352 Microbiology September 11, 2018 指定教課書 : 醫用微生物學, 第八版 Medical Microbiology, 8 th ed. 原著 : Murray et al. 編譯 : 李則平等 1

2 Ch. 1-3 醫用微生物學的基本概念 2

3 常用名詞定義微生物 : 肉眼無法觀察到的微小生物微生物的種類包括病毒 (viruses) 細菌 (bacterium, bacteria) 原蟲 (protozoa) 藻類 (algae) 和真菌 (fungus, fungi) 部分藻類原蟲和真菌可由肉眼觀察到微生物學 : 對微生物的研究醫用微生物學 : 對人類致病微生物的研究內源性感染 : 感染來自病人體內原有的菌叢外源性感染 : 因接觸外界病原體而引發之感染 3

4 微生物相和我們的關係微生物相 (Microbiota): 人體內特定部位的細菌群, 如腸道之微生物相稱之為 gut microbiota 核心微生物組 (Core Microbiome): 指可在 95% 以上人群中 ( 在特定部位 ) 分離出之菌種次微生物組 (Secondary Microbiome): 僅出現在部分人群的菌種正常菌叢 : 位於人體內且多不會引發感染之細菌致病菌 : 在宿主內繁殖時會引起發炎反應或組織損傷之細菌伺機性致病菌 : 可造成機會性感染之細菌 ( 多發生於病人有其他感染時 ) 益生菌 : 可在人腸道繁衍且對人有益之微生物 4

5 微生物組 / 相如何影響感染發生的機率 I. 限制病菌的入侵 II. 強化先天免疫力 III. 刺激介白素 -22 的分泌增加上皮細胞抵抗力促進招募發炎細胞 5

6 控制微生物感染常用名辭 Sterilization ( 滅菌 ) 達到完全無菌 ( 或任何生命 ) 之狀況 Disinfection ( 消毒 ) 抑制移除或殺死可致病之微生物, 但孢子及其他具抵抗性之微生物仍能存活可依殺菌程度不同而分類 : 高度消毒劑用於無法以一般滅菌方式處理之物品 ; 中度消毒劑用於清除表面之微生物 ; 低度消毒劑多用於非精密儀器消毒劑的效果會因消毒劑的濃度使用時間長短及溫度而異 Antisepsis ( 抗菌 ) 利用化學劑將存於皮膚表面或其他組織之微生物抑制或移除, 但孢子仍能存活例 : 優碘及 70% 酒精, 用於人體組織可達抑菌或殺菌效果之化學物品 6

7 控制細菌生長的方法 Autoclave ( 高壓蒸氣滅菌法 ): 一種濕熱法, 在高壓下, 水蒸氣可保持在沸騰點以上 ( 在 C, 15 磅壓力下需分鐘 ) 可有效除去孢子 (spore), 達到完全無菌狀態其他物理除菌法 : 乾熱加熱法放射線法 : 分離子射線 ( 如 ϒ 射線 ) 及非離子射線 ( 如 UV 光 ) 化學滅菌劑 : 界面活性劑醛 ( 氧化乙烯甲醛及戊二醛 ) 氧化劑 ( 包含鹵素 ) 酚類及其衍生物四級胺化合物醇類化合物 7

8 放射線法 Radiation ultraviolet (UV) radiation ( 非離子化射線 ) 能量較低, 無法穿透, 故只用於表面殺菌 UV light 造成 DNA 結構改變 (thymidine dimer), 進而導致細菌死亡 ionizing radiation ( 離子化射線 ):g, 穿透力強破壞 DNA 結構因而導致細菌死亡可殺死內孢子但對病毒的殺傷力有限可用在不耐熱之物品如抗生素食物塑膠製品等 8

9 化學滅菌法 : 破壞細胞膜蛋白質及核酸結構界面活性劑 : 降低細菌與環境交界之張力醇類化合物 : 溶解細胞膜及細胞壁的脂質並造成蛋白質變性酚類及其衍生物 : 溶解細胞膜並造成蛋白質變性氧化劑 : 鹵素 ( 優碘是其一 ) 過氧化氫高錳酸鉀染劑烴基化劑 : 甲醛戊醯醛氧化乙烯 ( 無色氣體 ) 重金屬 9

10 如何自檢體分離致病菌? 鏡檢培養分子檢測 : 偵測 DNA 或蛋白質血清學檢測 : 偵測對抗致病菌之專一抗體或存於檢體的抗原 10

11 09/11/2018 Review Questions 1. 請分別解釋人體的核心微生物組及微生物相如何影響感染 2. 請說明紫外線及 ϒ 射線的殺菌機制及可使用的範圍 3. 請列舉一可以完全達到無菌且廣泛用於醫院的殺菌方法 4. 請列舉原核及真核細胞的差異性請列舉一原核微生物病原及一真核微生物病原 5. 請說明細菌鞭毛纖毛莢膜及內孢子的功能 6. 請說明革蘭氏陽性及陰性菌細胞的差異性 7. 請說明細菌細胞壁及 LPS 的結構 LPS 又名內毒素, 請問 LPS 的哪一部位具毒性? 8. 請說明細菌生長曲線裡的四個時期哪一個時期的細菌對抗生素最為敏感? 哪一個時期最不敏感? 為什麼? 9. 請說明細菌的三種水平式基因傳遞方式及其對細菌抗藥性的影響 10. 請分別解釋細菌的致病島 A-B 毒素超級抗原 11. 請比較細菌內毒素及外毒素的來源成分及在致病上的作用 11

12 Ch. 12 細菌的分類結構及複製 12

13 真核細胞與原核細胞註 : 細胞相對大小不成比例細菌 ( 單數 : bacterium; 複數 : bacteria) 真菌 ( 單數 : fungus; 複數 : fungi) 及寄生蟲 13

14 質體細菌染色體外, 獨立存在的遺傳物質, 能自行複製, 可從一個菌體傳遞到另一個菌體, 並將其所攜帶的基因在菌體內表現當質體帶有與抗藥性和毒力有關的基因, 可做為基因轉移的媒介, 令重組的菌株具有新的抗藥性抗原性及毒力, 因此在臨床上具有重要意義 14

15 15

16 細菌的外型多形性 (Pleomorphic): 隨著生長菌體發展出不同的外型 16

17 球菌的排列例如 : Micrococcus luteus 例如 : Streptococcus spp. 例如 : Sarcina maxima 例如 : Staphylococcus spp. 17

18 桿菌的排列例如 : Bacillus cereus 例如 : E. coli 例如 : Corynebacterium diphtheriae ( 白喉桿菌 ) 例如 : Bacillus cereus 18

19 革蘭氏陽性菌也具有線毛細菌細胞的基本結構 19

20 I. 鞭毛鞭毛 (flagellum) 和纖毛 (pilus) 鞭毛是由鞭毛蛋白質所組成的細長運動器官排列有四種形式 : 單端鞭毛, 如弧菌 ; 雙端鞭毛 ; 單端叢鞭毛, 如假單孢桿菌 ; 周鞭毛, 如沙門氏桿菌鞭毛 II. 纖毛纖毛比鞭毛纖細, 但同樣是由蛋白質所組成一般纖毛能使共生細菌容易附著於宿主細胞, 造成感染性毛在細菌進行接合生殖時可連接兩個細菌纖毛某些致病性細菌的毒力與群聚抗原有關, 這些群聚抗原就是提供細菌具有附著能力的纖毛, 故細菌的纖毛抗原性最好, 若細菌喪失纖毛, 會使其致病能力下降 20

21 細菌莢膜 I. 位置及成分位於細菌菌體最外層多數由多醣體構成, 少數由蛋白質構成 II. 功能提高菌體對抗外界惡劣環境能力降低巨噬細胞吞噬效率增加菌體沾附能力並促進生物膜生合成 III. 實驗觀察利用負染來觀察 21

22 細菌細胞壁 I. 結構 : 多數細菌具由胜肽聚糖 (peptidoglycan) 構成之細胞壁, 少數由蛋白質構成非常少數細菌不具細胞壁, 如黴漿菌 (Mycoplasma spp.) 胜肽聚糖的糖鏈含二種醣 : 乙醯胺糖 (N-acetylgoucosamine, NAG ) 和乙醯胞壁酸 (N-muramic acid, NAM) 糖鏈和糖鏈間由短鏈胜肽鏈連接, 形成網狀結構 II. 功能 : 提供菌體的外型並保護菌體免於因菌體內外滲透壓的差異而導致菌體破裂增加菌體的沾附能力胜肽聚糖可與宿主細胞表面之 pathogen pattern receptors 接合, 進而引發先天免疫反應 (innate immunity) III. 分類 : 依結構的厚度及有無外膜細菌可被分為革蘭氏陽性及陰性兩種 22

23 胜肽聚糖 (Peptidoglycan) 的結構 Glycan ( 糖鏈 ) + Peptides ( 胜肽鏈 ) = Peptidoglycan ( 胜肽聚糖 ) G = 乙醯胺糖 M= 乙醯胞壁酸 23

24 合成胜肽聚糖轉糖酶轉胜肽酶許多抗生素作用於合成細胞壁的酵素, 如青黴素結合到細菌細胞壁上的轉糖及轉胜肽酶, 進而抑制細胞壁的生合成萬古黴素抑制胜肽聚糖層的交互鍵結, 進而抑制細胞壁的生合成 24

25 革蘭氏陽性及陰性細胞壁陽性細胞壁陰性細胞壁 ( 內毒素 ) 革蘭氏陽性菌特有的細胞壁結構 : 胞壁酸及脂胞壁酸課本 P. 130 革蘭氏陰性菌特有的細胞壁結構 : 外膜外膜上的 porin 及 LPS ( 又名內毒素 ) 25

26 胞壁酸及脂胞壁酸 1. 胞壁酸是許多甘油分子 (glycerol) 或核糖醇 (ribitol) 以磷酸雙酯鍵結合之聚合物 2. 附著於細胞膜上之胞壁酸稱之為脂胞壁酸 3. 功能 : 血清型幫助菌體沾附到宿主細胞 26

27 外膜和脂多醣體 (LPS, 又名內毒素 ) 外膜為革蘭氏陰性菌特有, 位於細胞壁外層, 其上有 porin 及 LPS LPS 的位置及結構 : 位於外膜上由脂質 A 核心多醣體及 O 抗原構成 LPS 的功能 : O 抗原 : 具抗原性, 可構成不同血清型核心多醣體 : 形成菌體表面負價脂質 A : 穩固外膜結構, 也是內毒素毒性來源 27

28 細菌分裂 : 二分法 CW: 細胞壁 CM: 細胞膜 N: 核區 OM: 外膜 S: septum ( 中隔 ) 28

29 ( 內 ) 孢子 (Endo)spore 革蘭氏陽性之 Bacillus 及 Clostridium 在惡劣環境下會生孢子, 以保存之後繁衍的能力一個細菌僅會轉形為一個孢子, 一個孢子僅會萌發為一個細菌孢子不具新陳代謝, 僅細菌能生長複製孢子壁極為堅固, 可抗各式惡劣環境, 如乾燥高溫輻射有毒化學物質等, 故孢子極為穩定, 可長期保存 ( 萬年以上 ) 孢子是生物戰的武器, 對食品安全也具威脅 29

30 孢子的形成 (Sporogenesis) 30

31 09/11/2018 Review Questions 1. 請分別解釋人體的核心微生物組及微生物相如何影響感染 2. 請說明紫外線及 ϒ 射線的殺菌機制及可使用的範圍 3. 請列舉一可以完全達到無菌且廣泛用於醫院的殺菌方法 4. 請列舉原核及真核細胞的差異性請列舉一原核微生物病原及一真核微生物病原 5. 請說明細菌鞭毛纖毛莢膜及內孢子的功能 6. 請說明革蘭氏陽性及陰性菌細胞的差異性 7. 請說明細菌細胞壁及 LPS 的結構 LPS 又名內毒素, 請問 LPS 的哪一部位具毒性? 8. 請說明細菌生長曲線裡的四個時期哪一個時期的細菌對抗生素最為敏感? 哪一個時期最不敏感? 為什麼? 9. 請說明細菌的三種水平式基因傳遞方式及其對細菌抗藥性的影響 10. 請分別解釋細菌的致病島 A-B 毒素超級抗原 11. 請比較細菌內毒素及外毒素的來源成分及在致病上的作用 31

32 Ch. 13 細菌的新陳代謝及遺傳代謝的最終目標 : 生長及複製 32

33 合適的溫溼度及酸鹼度細菌代謝的必要條件足夠之營養源 ( 碳源氮源必要生長因子及金屬離子 ) 通氣細菌依對氧氣的需求差異, 可分為 : 1. 好氧菌 : 此類細菌需要在有氧的環境, 如白喉桿菌假單孢桿菌等 2. 厭氧菌 : 一些能忍受微量氧氣的細菌, 稱為耐氧性厭氧菌完全無法忍受氧氣的則稱為絕對厭氧菌, 如梭狀芽孢桿菌 3. 兼性厭氧菌 : 此類細菌可利用氧氣產生能源, 但並非絕對需要兼性厭氧菌無論有氧或無氧均生長良好, 有氧時行呼吸作用, 無氧時行醱酵作用, 如大腸桿菌傷寒桿菌等 4. 微嗜氧菌 : 這類僅需微量氧氣即可生長良好的細菌, 如幽門螺旋曲狀桿菌 33

34 細菌的生長曲線當於一定體積之培養液內培養細菌時, 細菌族群會經過四個生長時期 : 1. 延滯期 : 細菌合成在此生長環境下所需之酵素, 族群個數無明顯增加 2. 對數期 : 生長速率恆定, 族群個數以 2 n 增加 3. 靜止期 : 可因養分的耗盡含氧量不足代謝廢物堆積等因素, 族群數目不再增大此時族群內總活菌數呈現持平 4. 死亡期 : 細菌群因生長環境逐漸變差, 複製停止, 細菌逐漸衰亡, 總菌數下降 34

35 代謝 : 分解 (Catabolism)+ 合成 (Anabolism) 細菌經分解養分產生能量及代謝中間產物, 再以這些能量及中間產物合成細胞的每一構造, 完成生長複製細菌利用糖解發酵及呼吸獲得能量 (ATP 及 NADH + ) 分解 35

36 水平式 ( 細菌個體間 ) 的遺傳物質轉移與重組 : 轉形 (transformation) 接合 (conjugation) 及轉導 (transduction) 臨床意義 : 抗藥基因的傳播 36

37 水平式的基因轉移 -1: 轉形 (transformation) 能自然地進行轉形作用的細菌可自環境中攝取由其他細菌釋放出來的 DNA 過程包括 DNA 結合至細胞表面,DNA 分子進入細菌, 進入的 DNA 片段與受體細胞的染色體整合 37

38 水平式的基因轉移 -2: 接合 (Conjugation) E. coli 的 F 質體含合成性纖毛及進行接合的所有基因捐贈者經性纖毛將自己原有的 DNA 直接轉至接受者 ( 單向移轉 ), 過程需要捐贈細菌與接受細菌間的直接接觸 38

39 水平式的基因轉移 -3: 轉導 (Transduction) 轉導作用是藉由潛溶性噬菌體的感染而導入受體細菌的細胞內 39

40 噬菌體 : 細菌的病毒結構 : 蛋白質外殼, 內含 DNA 或 RNA 生長週期 : 1. 潛溶性周期 (lysogenic growth): 此宿主細菌稱之潛溶性菌株 ; 菌株無任何外觀上的改變 2. 溶解性週期 (lytic growth): 因噬菌體大量複製, 導致宿主細胞分解感染特定宿主僅 DNA 進入細菌 40

41 具毒性之潛溶性細菌株指潛溶性細菌株其染色體上所含之噬菌體 DNA 可做出毒素或與感染有關的分子, 換言之, 此菌株藉此噬菌體感染而得到特定毒性分子如 : 淺溶性化膿性鏈球菌菌株可產生 Spe 毒素 ; 白喉毒素是由 β 噬菌體上的基因做出當潛溶性細菌株的染色體被環境中的危險因子破壞, 噬菌體染色體會脫離宿主染色體開始分解週期但許多臨床上重要的潛溶性細菌株, 其所含之噬菌體 DNA 已有缺失, 故無法再產生噬菌體 41

42 轉位子 (transposon) tnp: 轉位酶基因一段可以在染色體上移動的 DNA 片段結構上可由簡單的插入序列 (insertion sequence, IS) 到含有不通抗藥基因或其他酵素基因的複合轉位子 42

43 水平移轉及轉位子對抗藥基因散佈的重要含抗萬古黴素基因的質體藉轉形進入具勝任性且對 methicillin 有抗性之金黃葡萄球菌 (MRSA), 導致雙重抗藥菌株的發生 (MVRSA) 質體上的轉位子可移轉到其他質體上 VRE: 具抗萬古黴素之腸球菌 VRE 所含可進行接合之質體藉接合進入對 methicillin 有抗性之金黃葡萄球菌 (MRSA), 導致雙重抗藥菌株的發生 (MVRSA) 43

44 國考複習題在細菌培養時, 添加下列哪一種物質會改變肺炎雙球菌的遺傳性狀? (105-1) (A) 細菌的細胞壁 (B) 細菌的蛋白質 (C) 細菌的脂肪酸 (D) 細菌的去氧核醣核酸以革蘭氏染色 (Gram staining) 來區分細菌, 下列敘述何者錯誤? (103-1) (A) 革蘭氏陰性菌含有 lipopolysaccharides (LPS) (B) 革蘭氏陰性菌細胞壁較厚 (C) 革蘭氏陽性菌含有 peptidoglycan (D) 革蘭氏陽性菌細胞壁含 teichoic acids 44

45 Ch. 14 細菌致病機制 ( 與免疫反應相關的機制我們會在第四周討論 ) 45

46 有關微生物感染的名詞 Pathogenicity (Virulence): 致病性, 指微生物造成疾病或導致進行性病害的能力帶原者 (Carrier): 個體內有致病菌但沒有任何臨床症狀伺機性致病菌 (Opportunists): 伺機感染源指原本對正常個體不會造成疾病的微生物, 在個體虛弱或免疫失全時, 趁機感染宿主而引發疾病, 病原體可包括內生性與外來性致病島 (Pathogenicity island): 位於染色體上或質體上的一組基因, 這些基因所做出之蛋白質是該菌的毒力因子 46

47 感染 (Infection) 三部曲 : 1. 病菌入侵宿主 2. 病菌成功地感染宿主, 並能在其體內繁殖三個步驟 : 沾附 (to adhere), 定殖 (to colonize), 侵入 (to invade) 3. 組織損傷 47

48 病菌的感染途徑 1. 空氣傳染 2. 糞口傳染 3. 直接接觸傳染 ( 包括性交 ) 4. 動物傳染 5. 昆蟲傳染 6. 人為因素 ( 針扎傷口等 ) 感染散播 48

49 黏附 (adherence) 定殖 (colonization) 及侵入 (invasion) 多數病毒感染及部分細菌感染是利用微生物之特殊沾合器與宿主細胞受器結合, 如金黃葡萄球菌之 clumping factor A A 族鏈球菌之 M 蛋白質 E. coli 的 type 1 fimbriae 淋病雙球菌的纖毛 (fimbriae) 均可與宿主細胞表面特定分子結合部分腸內細菌可利用侵染素蛋白質 (invasin) 與宿主細胞結合, 進而刺激宿主細胞進行吞嗜動作 ( 此類細胞並非吞噬細胞, 故一般不主動吞噬 ) 49

50 細菌的致病機轉 (pathogenesis) 細菌的 LPS ( 內毒素 ) 代謝產物外毒素 ( 包括超級抗原 ) 分解酵素毒性蛋白質及免疫病理 ( 過度發炎反應 ) 等均可造成組織損傷逃避寄主防禦機制抗藥性 50

51 細菌的致病機轉 : 外毒素溶細胞酵素 (cytolytic enzymes) A-B 毒素 : 包含 A 及 B 二部份, 其中 B 負責與細胞表面的受器結合而 A 部份具抑制細胞功能的活性超級抗原 : 可不具專一性地活化 T 細胞, 造成大量細胞激素分泌, 引發類似自體免疫反應也可刺激 T 細胞, 使具 T 細胞專一性受器之 T 細胞凋亡, 進而失去免疫反應 51

52 白喉 AB 毒素 52

53 霍亂 AB 毒素 ( 過度活化 ) 霍亂毒素 53

54 09/11/2018 Review Questions 1. 請分別解釋人體的核心微生物組及微生物相如何影響感染 2. 請說明紫外線及 ϒ 射線的殺菌機制及可使用的範圍 3. 請列舉一可以完全達到無菌且廣泛用於醫院的殺菌方法 4. 請列舉原核及真核細胞的差異性請列舉一原核微生物病原及一真核微生物病原 5. 請說明細菌鞭毛纖毛莢膜及內孢子的功能 6. 請說明革蘭氏陽性及陰性菌細胞的差異性 7. 請說明細菌細胞壁及 LPS 的結構 LPS 又名內毒素, 請問 LPS 的哪一部位具毒性? 8. 請說明細菌生長曲線裡的四個時期哪一個時期的細菌對抗生素最為敏感? 哪一個時期最不敏感? 為什麼? 9. 請說明細菌的三種水平式基因傳遞方式及其對細菌抗藥性的影響 10. 請分別解釋細菌的致病島 A-B 毒素超級抗原 11. 請比較細菌內毒素及外毒素的來源成分及在致病上的作用 54

55 總結細菌和我們的關係 (Ch 2) 常用滅菌及消毒的方法 (Ch 3) 細菌的基本結構生長及水平基因傳遞 (Ch 12, 13) 細菌的致病性 (Ch 14) 55

Chapter 42 Mollicutes Mycoplasma Ureaplasma

Microbiology 2012 12/3/2012 Department of Nursing Yu Chun-Keung! Mycoplasma! Chlamydia! Corynebacterium Chapter 42 Mollicutes Mycoplasma Ureaplasma 特性細胞外寄生自由營生最小最簡單的細菌 0.1~0.3µm 以前被認為是病毒無細胞壁多型性對