Legionella: Surtos ou epidemia?

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1 Legionella: Surtos ou epidemia? António Veríssimo CEF U. Coimbra IPQ 03 Abril 2019 Workshop "Prevenção e Controlo de Legionella nos Sistemas de Água"

2 Legionella

3 Legionella

4 Legionella spp. Bactérias Gram-negativas Ubíquas em ambientes aquáticos 61 espécies, 3 subespécies Manifestações clinicas: Legionelose ou Doença dos Legionários Febre de Pontiac A espécie Legionella pneumophila é responsável por mais de 90 % dos casos de doença reportados Os humanos são considerados hospedeiros acidentais uma vez que a legionella se replica em macrófagos alveolares, mas sem capacidade de transmissão infetam e multiplicam-se em amebas e alguns protozoários

5 Legionelose É uma pneumonia É contraída por inalação de gotas de água contaminadas com Legionella Não se transmite de pessoa para pessoa É provocada por estirpes de Legionella com capacidade de infectar, residir multiplicar-se em células fagocíticas do hospadeiro - monócitos e macrófagos alveolares

6 Febre de Pontiac Doença não pneumónica Caracterizada por acesso súbito e agudo de febre, arrepios, dores de cabeça e dores musculares É uma doença autocontrolada e os sintomas desaparecem em 3 a 5 dias sem tratamento especifico

7 História da doença The Bellevue Stratford hotel, Philadelphia. American Legion Convention Julho de adoeceram 29 morreram sintomas febre alta, calafrios e tosse seca dores musculares e dores de cabeça. en.wikipedia.org Período de incubação de 2 a 10 dias - os casos foram dispersos pela Pensilvânia Falta de registro de presenças na convenção Legionella pneumophila foi identificada em Janeiro de 1977 Falta de métodos conhecidos para cultura, serologia, coloração de tecidos e toxicologia deram resultados negativos

8 Cadeia de transmissão (Fraser, 1984) Ambientes naturais Ambientes intervenção humana Fatores de amplificação LEGIONELOSE Inoculação Exposição por uma população suscetível Disseminação

9 Cadeia de transmissão (Fraser, 1984) Ambientes aquáticos naturais Ambientes aquáticos artificiais ou de intervenção humana Nascentes quentes Biofilmes Sistemas de distribuição Torres de arrefecimento Lagos Água de profundidade Chuveiros Piscinas Natural spring Rios Nascentes Solo jardinagem Fontes

10 Fatores de amplificação temperaturas entre 6ºC e 63ºC óptimo 37ºC valores de ph entre 5.5 e 8.1 oxigénio dissolvido entre 0.3 e 9.6 mg/ml presença de outros organismos zonas de reduzida circulação de água presença de sedimentos formação de biofilmes / aumenta a probabilidade de multiplicação em amebas

11 Fatores de amplificação - Biofilmes A maior parte da actividade bacteriana na natureza ocorre, não com as células individualizadas, mas com as bactérias organizadas em comunidades sob a forma de um biofilme. Esses biofilmes são constituídos por uma comunidade estruturada de células aderentes a uma superfície inerte (abiótica) ou viva (biótica), embebidas numa matriz de exopolissacárido. A associação dos organismos em biofilmes constitui uma forma de protecção ao seu desenvolvimento, fomentando relações simbióticas e permitindo a sobrevivência em ambientes hostis. Em ecossistemas aquáticos, mais de 99,9% das bactérias crescem em biofilmes associadas a uma grande variedade de superfícies. Os biofilmes mais comuns na natureza são heterogéneos, compostos por várias espécies, podendo os produtos do metabolismo de uma espécie auxiliar o crescimento das outras e a adesão de uma dada espécie fornecer ligandos que promovem a ligação de outras. Inversamente, a competição pelos nutrientes e a acumulação de metabolitos tóxicos produzidos pelas espécies colonizadoras poderão limitar a diversidade de espécies num biofilme. São ambientes muito propícios ao intercâmbio genético Transmissão horizontal de genes.

12 Fatores de amplificação - Biofilmes Protecção contra: Radiações UV Fagocitose Desidratação Predadores Antimicrobianos Os principais componentes estruturais de biofilmes são: Microrganismos Matriz de exopolímeros Componentes de origem não-biológica

13 Fatores de amplificação - Biofilmes A associação entre as legionelas, protozoa e biofilmes propicia uma forma de proteção capaz de potenciar a capacidade de sobrevivência destas bactérias a ambientes hostis. biocidas antibióticos stress térmico e osmótico. Esta proteção será a explicação mais plausível para o facto das legionelas conseguiram passar de ambientes naturais para ambientes de intervenção humana, e permanecerem viáveis, suportando os vários tratamentos a que a água é sujeita.

14 Concentração bacteriana como factor determinante para a ocorrência de doença Os ambientes naturais são raramente associados a casos de legionelose. As legionelas multiplicam-se muito lentamente a baixas temperaturas, o que resulta num equilíbrio natural entre a concentração das bactérias e dos seus hospedeiros. Concentração esta abaixo do limite mínimo necessário para causar infecção em humanos. A maioria dos casos de doença está associada a ambientes sujeitos a intervenção humana onde temperatura da água é superior, alterando a concentração quer das bactérias quer dos seus hospedeiros naturais. Assim, variações nos parâmetros abióticos da água podem alterar o equilíbrio entre as legionelas e protozoários, resultando num aumento rápido da concentração das bactérias, podendo causar doença. Ambientes naturais Ambientes intervenção humana 10 2 a 10 6 CFU/L <1% população > 10 6 CFU/L 50% população

15 Legionella de organismo ambiental a agente patogénico acidental A infecção humana é um beco sem saída (dead end evolutivo) para a replicação de legionella uma vez que a transmissão de pessoa para pessoa nunca foi comprovada. A evolução das características de virulência resultou em grande parte da necessidade do organismo de se replicar num nicho intracelular e também evitar a predação por protozoários ambientais. A capacidade de replicação em diferentes protozoa tornou as legionella igualmente capazes de se replicarem em macrófagos alveolares humanos.

16 Legionella de organismo ambiental a agente patogénico acidental As legionelas evoluíram no sentido de otimizarem o ambiente intracelular hostil para se replicarem, desenvolvendo maquinarias moleculares muito eficazes National Institute of Health A infeção em humanos é um desvio ao ciclo de vida natural em protozoa

17 Legionella de organismo ambiental a agente patogénico acidental As legionellas evoluíram no sentido de otimizarem o ambiente intracelular hostil para se replicarem, desenvolvendo maquinarias moleculares muito eficazes (Escoll, P. et al, 2013 ) Legionella é um patogénico acidental

18 Cadeia de transmissão (Fraser, 1984) - Dispersão Ambientes naturais v v Ambientes intervenção humana Fatores de amplificação Dispersão v v aerossóis

19 Dispersão

20 Dispersão Os grandes surtos estão relacionados com torres de arrefecimento que funcionam simultaneamente como amplificadores e fontes de dispersão

21 Dispersão

22 Cadeia de transmissão (Fraser, 1984) Ambientes naturais Ambientes intervenção humana Factores de amplificação LEGIONELOSE Estirpe patogénica Exposição por uma população suscetível Dispersão

23 Legionella de organismo ambiental a agente patogénico acidental As legionellas evoluíram no sentido de otimizarem o ambiente intracelular hostil para se replicarem, desenvolvendo maquinarias moleculares muito eficazes Proceedings of the National Academy of Sciences 116(6): January 2019

24 O género Legionella 61 espécies de Legionella A maioria é capaz de infectar protozoários 24 espécies foram associadas a casos de doença Yang et al., 2008 IJSEM

25 Legionelose 90% dos casos de Legionelose L. pneumophila Yu et al., 2002; Harrison et al., 2009; Beauté et al., 2013, 2017

26 Prevalência de Legionella sp. doença vs ambiente Há uma grande diferença entre a prevalência de L. pneumophila como principal responsável por casos de doença e a sua distribuição ambiental Total nonpneumophila legionellae; 24,4% L. pneumophila sg 1; 29,1% L. pneumophila sg 2-14; 46,5% Distribuição ambiental L. pneumophila sg. 2-14; 6% Legionella bozemanae, L. micdadei, and L. longbeachae; 7% Other Legionella sp.; 3% L. pneumophila sg.1; 84% L. pneumophila sg.1 corresponde a 30% dos isolados ambientais e a 84% dos isolados clínicos Distribuição clínica Harrison et al., 2017; Kozak et al., 2009; David et al., 2016)

27 Diversidade de L. pneumophila doença vs ambiente Com base na diversidade genética estabeleceu-se que estirpes clinicas de L. pneumophila eram distintas das ambientais Ambientes naturais Ambientes de intervenção humana Clínicas Paradigma - apenas um subgrupo das estirpes ambientais teriam a capacidade para produzir doença (virulência) Costa et al., 2005, 2010, 2012, 2014; Harrison et al., 2007, 2009; Coscolla and Candelas, 2012)

28 Virulência de L. pneumophila clinicas vs ambientais

29 Virulência de L. pneumophila clinicas vs ambientais Modelo animal com correlação com a virulência em humanos. Possui sistema imune inato, semelhante aos macrófagos humanos Sousa, PS.,et al. (2018). Frontiers in Cellular and Infection Microbiology 8, 97.

30 Larvae survival (%) after injection with 10 5 CFU per larvae Larvae survival (%) after injection with 10 6 CFU per larvae A infeção depende da dose Larvae survival (%) after injection with 10 7 CFU per larvae

31 Virulência de L. pneumophila clinicas vs ambientais Os clones (sequence-type) mais frequentemente relacionados com casos de doença não têm relação direta com a virulência Relationships between 2,342 allelic profiles of 11,737 isolates (from the EWGLI SBT database) Sousa, PS.,et al. (2018). Frontiers in Cellular and Infection Microbiology 8, 97.

32 Virulência de L. pneumophila clinicas vs ambientais A patogenicidade varia com a estirpe e concentração, mas todas são virulentas A partir de 10 6 CFU todas as estirpes causam doença Não foi possível estabelecer qualquer relação entre a virulência, a origem das estirpes e a sua constituição genética (sequence-type) Novo Paradigma a infeção por legionella está relacionada com a capacidade de algumas estirpes sobreviverem e se replicarem em ambientes de intervenção humana, e não com a virulência Environmental Filtering Sousa, PS.,et al. (2018). Frontiers in Cellular and Infection Microbiology 8, 97.

33 Sousa, PS., Silva, IN, Moreira, LM., Veríssimo, A., Costa, J. (2018). Differences in virulence between Legionella pneumophila isolates from human and non-human sources determined in Galleria mellonella infection model. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology 8, 97. Costa, J., Teixeira, P. G., D Avó, A. F., Júnior, C. S., and Veríssimo, A. (2014). Intragenic recombination has a critical role on the evolution of Legionella pneumophila virulence-related effector SidJ. PLoS One 9, e Costa, J., d Avó, A. F., da Costa, M. S., and Veríssimo, A. (2012). Molecular evolution of key genes for type II secretion in Legionella pneumophila. Environ. Microbiol. 14, Milton Costa Joana Costa Gina Marrão Graça Rocha Alexandra Diogo Paula Santos Patrícia Sousa Ana Filipa d Avó Costa, J., Tiago, I., da Costa, M. S., and Veríssimo, A. (2010). Molecular evolution of Legionella pneumophila dota gene, the contribution of natural environmental strains. Environ. Microbiol. 12, Costa J, da Costa MS, Veríssimo A. (2010). Colonization of a therapeutic spa with Legionella spp: a public health issue. Res Microbiol. 161(1): Costa, J., Tiago, I., Da Costa, M. S., and Veríssimo, A. (2005). Presence and persistence of Legionella spp. in groundwater. Appl. Environ. Microbiol. 71, Santos P, Pinhal I, Rainey FA, Empadinhas N, Costa J, Fields B, Benson R, Veríssimo A, Da Costa MS. (2003). Gamma-proteobacteria Aquicella lusitana gen. nov., sp. nov., and Aquicella siphonis sp. nov. infect protozoa and require activated charcoal for growth in laboratory media. Appl Environ Microbiol. 69(11): Diogo A, Veríssimo A, Nobre MF, da Costa MS. (1999). Usefulness of fatty acid composition for differentiation of Legionella species. J Clin Microbiol. 37(7): Veríssimo A, Morais PV, Diogo A, Gomes C, da Costa MS. (1996). Characterization of Legionella species by numerical analysis of whole-cell protein electrophoresis. Int J Syst Bacteriol. 46(1):41-9. Rocha G, Veríssimo A, Bowker R, Bornstein N, Da Costa MS. (1995). Relationship between Legionella spp. and antibody titres at a therapeutic thermal spa in Portugal. Epidemiol Infect. 115(1): Marrão, G., A. Veríssimo, R. G. Bowker e M.S. da Costa.(1993). Biofilms as major sources of Legionella spp. in hydrothermal areas and their dispersion into stream water. FEMS Microbiol. Ecology. 12: Veríssimo A, Marrão G, da Silva FG, da Costa MS. (1991). Distribution of Legionella spp. in hydrothermal areas in continental Portugal and the island of São Miguel, Azores. Appl Environ Microbiol. 57(10): Veríssimo A, Vesey G, Rocha GM, Marrão G, Colbourne J, Dennis PJ, da Costa MS. (1990). A hot water supply as the source of Legionella pneumophila in incubators of a neonatology unit. J Hosp Infect. 15(3):