Wat is Shigella?

Voor het eerst ontdekt in 1896 door Kiyoshi Shiga, een Japanse microbioloog, is Shigella een geslacht dat bestaat uit Gram-negatieve bacteriën die bacteriële diarree veroorzaken bij de mens en bij sommige primaten.

Leden van deze groep zijn naar verluidt tussen 35.000 en ongeveer 170.000 jaar geleden geëvolueerd, waardoor ze tot de vroegste menselijke ziekteverwekkers behoren. Ze komen over de hele wereld voor en zijn verantwoordelijk voor tussen de 5 en 15 procent van alle gevallen van diarree (ongeveer 165 miljoen gevallen van dysenterie).

Alle leden van deze groep zijn staafvormig en niet beweeglijk. Hoewel ze ook niet ingekapseld zijn, is aangetoond dat Shigella-soorten zware omstandigheden zoals bevriezing en relatief hoge pH-waarden kunnen overleven. Ze kunnen echter gemakkelijk worden vernietigd door warmtebehandelingen.

Het geslacht Shigella bestaat uit vier serologische groepen die omvatten:

• Shigella dysenteriae (Groep A en bestaat uit 15 serotypes)
• Shigella flexneri (Groep B en bestaat uit 6 serotypes)
• Shigella boydii (Groep C en bestaat uit 18 serotypes)
• Shigella sonnei (Groep D en bestaat uit 1 serotype)

Indeling

– Koninkrijk: Bacteriën – Eencellige prokaryoten

– Fylum: Proteobacteriën – Gram-negatieve bacteriën waarvan de meeste pathogeen van aard zijn. Sommige soorten maken deel uit van de normale menselijke microbiota, terwijl andere vrijlevend zijn.

– Klasse: Gammaproteobacteriën – Gram-negatieve bacteriën, waarvan de meeste staafvormig zijn. Hoewel een groot aantal soorten in deze groep pathogeen is, gebruiken andere, zoals paarse zwavelbacteriën, lichtenergie om organische moleculen te produceren.

– Orde: Enterobacterales – Leden van deze groep zijn staafvormige Gram-negatieve bacteriën. Ze zijn ook niet-sporevormend en bestaan als facultatieve anaërobe bacteriën.

– Familie: Enterobacteriaceae – Staafvormige Gram-negatieve bacteriën die niet-motiel en niet-sporevormend zijn. Het zijn ook facultatief anaërobe bacteriën waarvan de meeste soorten pathogeen zijn.

– Geslacht: Shigella

Karakteristieken van het geslacht Shigella worden hieronder beschreven:

Kenmerken van Shigella

Shigella-soorten zijn kleine eencellige organismen met een staafvormige morfologie. Afhankelijk van de soort variëren ze in lengte tussen 1 en 6um en in diameter tussen 0,3 en 1um. Shigella dysenteriae, bijvoorbeeld, kan variëren van 2 tot 4um in lengte en 0,4 tot 0,6um in diameter.

Zoals vele andere Gram-negatieve bacteriën hebben Shigella-soorten een binnen- en buitenmembraan met een enkele laag peptidoglycaan die de twee scheidt. Terwijl de twee membranen bestaan uit een lipide bilayer, het buitenste membraan heeft de neiging asymmetrisch te zijn en wordt gekenmerkt door lipopolysaccharide (LPS) moleculen en andere eiwitten.

Het binnenmembraan daarentegen bestaat voornamelijk uit fosfolipiden, zoals veel andere celmembranen.

* Shigella-soorten hebben het O-antigeen in hun lipopolysaccharide. Dit is een belangrijk bestanddeel van het LPS dat dient als basis voor de onderverdeling van Shigella-serotypen. Het O-antigeen bestaat uit O-eenheden (oligosacharide repeterende eenheden) die op hun beurt tussen twee (2) en acht (8) residuen van breed scala suikers bevatten

Zoals het geval is met veel andere Gram-negatieve bacteriën, hebben Shigella-soorten ook een dunne celwand die bestaat uit een enkele peptidoglycaanlaag. Deze laag bestaat uit N-acetylglucosamine en N-acetylmuraminezuur. Door de dikte van de peptidoglycaanlaag (die dun is) kunnen Shigella-cellen de primaire kleuring bij Gram-kleuring niet vasthouden.

* Shigella-soorten zijn niet ingekapseld en missen dus de polysaccharidelaag die bij sommige bacteriën het celomhulsel omgeeft.

Als prokaryoten heeft Shigella een zeer eenvoudige structuur in vergelijking met eukaryotische cellen – zij missen membraangebonden organellen. Zij hebben echter een aantal belangrijke organellen, waaronder ribosoom en genetisch materiaal in de vorm van een enkel cirkelvormig chromosoom en een plasmide.

Kenmerken van de vier serologische groepen

Zoals gezegd is het geslacht Shigella onderverdeeld in vier grote serologische groepen.

Als leden van het geslacht Shigella hebben de vier groepen een aantal overeenkomsten, waaronder het feit dat ze allemaal Gram-negatief en niet-motiel zijn, enz. Ze hebben echter ook een aantal verschillen, waardoor ze van elkaar kunnen worden onderscheiden.

Op basis van de fysiologie hebben studies aangetoond dat de serogroepen A, B en C sterk op elkaar lijken. Daarom worden positieve β-D-galactosidase- en ornithinedecarboxylase-reacties gebruikt om S. sonnei (serogroep D) van de andere groepen te onderscheiden.

De meeste serotypen van groep B, C en D kunnen worden geïdentificeerd aan de hand van hun vermogen om mannitol te fermenteren. Deze test kan daarom worden gebruikt om Shigella flexneri, Shigella boydii, en Shigella Sonnei te onderscheiden van Shigella dysenteriae.

Enkele andere kenmerken die worden gebruikt om de vier serogroepen van elkaar te onderscheiden, zijn onder meer:

– Met uitzondering van serogroep D (Shigella sonnei), zijn alle andere serogroepen Ornithine decarboxylase (ODC) negatief

– Alle serogroepen (met uitzondering van Shigella sonnei) fermenteren geen lactose en sucrose

– Fermenteren glucose zonder gasproductie

Identificatie van Shigella-soorten: Agglutinatietest

Naast enkele van de hierboven beschreven kenmerken kunnen Shigella-soorten worden geïdentificeerd met polyvalente Shigella-antiser. In wezen houdt deze test in dat de bacteriën worden gemengd met een antiserum dat specifieke Shigella-antilichamen bevat.

Hierbij zullen de bacteriën samenklonteren in aanwezigheid van homoloog antiserum, waardoor de soort kan worden geïdentificeerd.

Hierna volgen enkele van de stappen die bij deze procedure betrokken zijn:

– Plaats met behulp van een druppelaar twee afzonderlijke druppels zoutoplossing op een schoon glaasje – Zorg ervoor dat er enige afstand tussen de twee druppels is

– Gebruik een steriele draadlus, verkrijg en emulgeer een kolonie van de gekweekte bacterie met de twee druppels zoutoplossing om een gladde suspensie te maken – Hierbij wordt de bacteriekolonie eenvoudigweg met de twee zoutoplossingen (onafhankelijk van elkaar) gemengd om een gladde suspensie te maken

– Aan een van de suspensies (gebruikt als controle) een druppel zoutoplossing toevoegen en mengen

– Aan de tweede suspensie, voeg een druppel van het antiserum toe en meng

– Schud het objectglaasje gedurende ongeveer een minuut zachtjes heen en weer en controleer of er agglutinatie optreedt

* Als er agglutinatie optreedt in de tweede suspensie (die waaraan antiserum is toegevoegd), is het mogelijk de soort te identificeren, afhankelijk van het gebruikte antiserum.

Waar wordt Shigella aangetroffen?

Shigella-soorten komen niet vaak vrij in het milieu voor. Het zijn echter facultatieve intracellulaire parasieten en kunnen dus buiten het lichaam van de gastheer overleven. Zodra zij in het milieu worden vrijgelaten (samen met fecaal materiaal), kunnen Shigella-soorten ongeveer 50 dagen zonder gastheer overleven.

Naast fecaal materiaal en rioolwater kunnen ze ook worden aangetroffen in besmette waterbronnen en voedselmateriaal. Daarom kan iemand besmet raken als hij besmet voedsel binnenkrijgt of besmet water drinkt.

Volgens studies is de kans op besmetting het grootst bij voedingsmiddelen die bij de bereiding veel handelingen vereisen. Dit zijn onder andere aardappelen, melk en kaas, kip, vis en salades. Hoewel zowel besmet water als besmet voedsel de bron van infecties kan zijn, komen via voedsel overgedragen Shigella-infecties vaker voor volgens volksgezondheidsgegevens.

Wat de verspreiding betreft, kunnen Shigella-soorten over de hele wereld worden aangetroffen. Sommige soorten komen in bepaalde regio’s meer voor dan andere. Bijvoorbeeld, Shigella dysenteriae (serogroep A), die uit 15 serotypen bestaat, wordt algemeen aangetroffen in delen van Afrika, Centraal-Amerika en het Indiase subcontinent.

In deze regio’s is de bacterie type 1 Shigella dysenteriae in verband gebracht met dodelijke epidemieën indien deze niet onder controle wordt gehouden. Serogroep B (Shigella flexneri) wordt eveneens algemeen aangetroffen in de meeste ontwikkelingslanden. In deze regio’s veroorzaakt de soort echter minder ernstige dysenterie in vergelijking met Shigella dysenteriae.

In vergelijking met serogroep A wordt serogroep C (Shigella boydii) algemeen aangetroffen op het Indiase subcontinent en zelden in geïndustrialiseerde landen. Ten slotte komt serotype D veel voor in de meeste ontwikkelde landen, maar de infecties zijn over het algemeen mild.

* Vliegen spelen ook een belangrijke rol bij de overdracht van de bacterie van fecaal materiaal naar voedselmateriaal of drinkwater.

Infectie

Shigella-infectie staat bekend als shigellose en komt wereldwijd veel voor. In derdewereldlanden zijn deze infecties in verband gebracht met een relatief hoog sterftecijfer in vergelijking met uitbraken in ontwikkelde landen, vooral bij kinderen.

Zoals gezegd, kunnen Shigella-soorten gedurende een bepaalde tijd in het milieu overleven. Een infectie treedt dus op wanneer iemand besmet voedsel binnenkrijgt (met name rauwe of verse groenten, kip en bakkerijproducten, enz.) of besmet water drinkt.

Een infectie kan het gevolg zijn van bevuilde vingers van een individu (b.v. van een patiënt of kind, enz.) of na overdracht door vliegen die zich hebben voortgeplant op besmette uitwerpselen. Daarom is het belangrijk om voedsel grondig te koken, handen te wassen met water en zeep, en fruit en groenten goed schoon te maken om de verspreiding van deze infectie tegen te gaan.

Naast de fecaal-orale overdrachtsroute hebben studies aangetoond dat infecties ook kunnen optreden via oraal-anaal contact.

* Deze infecties zijn ook waargenomen bij gorilla’s, evenals bij sommige apen. Dit is echter alleen aangetoond in gebieden waar deze primaten in de nabijheid van de mens leven en niet in het wild.

Na inname is Shigella grotendeels in staat de zure omstandigheden van de maag te overleven, wat een van de belangrijkste aanpassingen van de bacterie is. Om een productieve of succesvolle infectie tot stand te brengen, moeten de bacteriën de epitheelcellen van de dikke darm binnendringen en zich vervolgens naar andere cellen verspreiden.

Voordat zij daadwerkelijk de epitheelcellen van de dikke darm binnendringen, worden Shigella-bacteriën eerst opgenomen door gespecialiseerde epitheelcellen van de dunne darm die bekend staan als Microfold-cellen (M-cellen).

Gelegen in het darm-geassocieerd lymfoïd weefsel van de Peyer’s patches in de dunne darm, spelen M cellen een belangrijke rol bij het opnemen van microbiële antigenen in de darm en brengen ze naar het darm-geassocieerd lymfoïd weefsel (GALT) en lokken dan een immuunrespons uit.

In het darm-geassocieerd lymfoïd weefsel worden deze bacteriën opgeslokt door macrofagen. In de macrofaag verstoort de bacterie de fagosoom-vacuole waarin hij zich bevindt en beweegt zich naar het cytosol waar hij zich vermenigvuldigt en als gevolg daarvan de dood van deze cellen (macrofagen) veroorzaakt.

Even voordat Shigella vrijkomt uit de stervende macrofagen, hebben studies aangetoond dat Shigella-cellen beginnen met het vrijgeven van T3SS-effectoren die betrokken zijn bij celinvasie. Voordat zij echter de epitheelcellen van de dikke darm binnendringen, hechten zij zich eerst aan deze cellen (aan het basolaterale oppervlak van epitheelcellen) met behulp van IcsA (Shigella oppervlakte-eiwitten) dat als adhesine fungeert.

Na de aanhechting van deze cellen aan de gastheercellen, activeren zij hun eigen internalisatie in de cellen door de productie van het type III secretiesysteem (T3SS).

In de gastheercellen (epitheelcellen van de dikke darm) blijven de Shigella’s zich vermenigvuldigen en in aantal toenemen. In dit proces veroorzaken zij schade aan het DNA en mitochondriale schade die necrose en apoptose-geassocieerde sterfte veroorzaakt.

Om zich van de basolaterale zijde van de cel naar de submucosa van de dikke darm te verspreiden, verplaatst Shigella zich van de ene cel naar de andere via een proces dat bekend staat als paracytofagie. Dit is een op actine gebaseerde motiliteit waarbij gebruik wordt gemaakt van de actinemechanismen van de gastheercel om de parasiet van de ene cel naar de andere te verplaatsen.

Hier interageren Shigella oppervlakte-eiwitten (IcsA) eerst met neuronaal Wiskott – Aldrich syndroom eiwit en activeren het. Het neuronale Wiskott-Aldrich-syndroomeiwit rekruteert op zijn beurt een eiwitcomplex met zeven subeenheden, bekend als Arp2/3, dat betrokken is bij actinepolymerisatie.

Actine dat hier wordt geproduceerd, bevordert de motiliteit van Shigella van de ene cel naar de andere door de vorming van uitsteeksels in het membraan van de gastcellen.

* In vergelijking met sommige andere ziekteverwekkers die diarree bij de mens veroorzaken, is Shigella zeer besmettelijk en zijn slechts enkele individuele cellen (ongeveer 200) nodig om een succesvolle infectie te veroorzaken.

Shigella Toxine

Naast het binnendringen van cellen en het beïnvloeden van verschillende celprocessen, produceren Shigella-bacteriën toxinen die de celfuncties beïnvloeden. Het lipopolysaccharide van Shigella (dat zich op het buitenmembraan bevindt), bestaat uit lipide A en heeft aantoonbaar endotoxische activiteiten.

Het is aangetoond dat dit hittestabiele toxine koorts veroorzaakt na een geslaagde infectie door de bacterie. Over het algemeen is het endotoxine niet zeer specifiek en heeft het een betrekkelijk geringe potentie. Hoe dan ook, het veroorzaakt koorts die een van de symptomen van de infectie is.

Naast het endotoxine produceert Shigella ook een exotoxine dat bekend staat als Shiga toxine. Een van de meest voorkomende Shiga toxine is het Shiga toxine (Stx) geproduceerd door Shigella dysenteriae 1. Van sommige andere Shigella-soorten is echter ook aangetoond dat zij dit toxine produceren.

Zo produceert Shigella flexneri bijvoorbeeld Stx 1. Vergeleken met het endotoxine is het exotoxine uiterst krachtig en remt de eiwitsynthese door geïnfecteerde cellen. Bovendien bestaat het uit enzymatische en bindende subeenheden die zijn functies versterken.

Terwijl de bindende component van het toxine het mogelijk maakt om zich aan doelcellen te binden, dragen de enzymatische componenten bij tot het binnendringen ervan in de cel.

Bij besmette personen heeft Shiga toxine de volgende effecten:

Enterotoxine-effect – Als enterotoxine blokkeert Shiga toxine de opname van verschillende stoffen (glucose, aminozuren en elektrolyten, enz.) door epitheelcellen van het darmlumen. Zij bereiken dit door zich aan de darmreceptoren te hechten en zo de absorptie te verhinderen – Daarbij leidt dit ook tot vochtophoping omdat de absorptie wordt geremd.

Cytotoxische effecten – In de dikke darm bindt de bindende subeenheid van het toxine (B-subunits) zich aan de glycolipide die zich in de gastheercel bevindt. Dit wordt gevolgd door het binnendringen van de enzymatische subeenheid die de 60S ribosoom subeenheid inactiveert en zo de eiwitsynthese beïnvloedt. Door de eiwitsynthese te remmen, zorgt het toxine ervoor dat de cellen afsterven.

Neurotoxisch effect – Bij de neurotoxische effecten van Shiga-toxine worden de zenuwimpulsen geblokkeerd. Dit draagt bij tot verlamming. Enkele van de tekenen van neurotoxiciteit zijn koorts en buikkrampen.

* De Shigella-bacterie komt vrij in het milieu tijdens de ontlasting en de cyclus gaat verder wanneer de fecaliën drinkwater of voedsel besmetten.

Symptomen

Normaal gesproken beginnen patiënten 3 dagen na het eerste contact met de ziekteverwekker symptomen van shigellose te vertonen. In sommige gevallen kan dit echter al een week na het contact optreden.

Een van de meest voorkomende symptomen van shigellose is waterige diarree die gepaard kan gaan met braken en matige dehydratie. Zoals gezegd is een van de effecten van Shigella-toxine dat het de absorptie van verschillende stoffen verhindert, wat op zijn beurt resulteert in vochtophoping.

In het proces, draagt dit bij tot waterige diarree. Naast waterige diarree is dysenterie de andere klinische presentatie van deze infectie. Deze kan ook worden gekenmerkt door een slijmerige en licht bloederige ontlasting.

Enkele van de andere symptomen van shigellose kunnen zijn:

• Buikkrampen
• Nausea
• Koorts
• Maaggevoeligheid

Gramkleuring

Vereisten

• Monster – Monsters die gebruikt kunnen worden zijn ontlasting slijm, ontlasting of een koloniemonster uit kweek
• Kleurreagentia
• Glasplaatje
• Water
• Warmte
• Bunsenbrander
• Draadlus

Werkwijze

– Met behulp van een steriele draadlus, neem een kleine hoeveelheid van het monster en maak een dun uitstrijkje op een schoon glaasje – Het is altijd belangrijk ervoor te zorgen dat het glaasje en de draadlus beide steriel zijn om besmetting te voorkomen.

– Haal het glaasje voorzichtig over de vlam van de bunsenbrander om het te verhitten – Het glaasje kan ongeveer 3 keer over de vlam worden gehaald zonder dat het oververhit raakt.

– Laat het draagglaasje aan de lucht drogen en overloop het dan met kristalviolet gedurende ongeveer 1 minuut.

– Was het objectglaasje voorzichtig met een stromende waterstraal (ongeveer 2 seconden).

– Overgiet het glaasje met Gram’s jodium (beitsmiddel) en laat het ongeveer 1 minuut staan.

– Was het glaasje nogmaals voorzichtig met een stromende waterstraal (ongeveer 2 seconden).

– Voeg enkele druppels (druppelsgewijs) van het ontkleuringsmiddel (95% ethylalcohol of aceton) toe totdat het helder loopt.

– Overgiet het objectglaasje met de tegenkleuring/secundaire kleuring (bv. Safranin) en laat ongeveer 1 minuut staan

– Was het glaasje voorzichtig in een straal stromend water.

– Bekijk het objectglaasje onder olie-immersie.

Observatie

Onder de microscoop ziet men Shigella als staafjes met een lengte tussen 1 en 6 cm, afhankelijk van de soort. Zij zijn ook roze-roodachtig van kleur, aangezien zij de kleur van de tegenkleuring opnemen.

Verschil tussen Shigella en Salmonella

Salmonella en Shigella (leden van de familie Enterobacteriaceae) behoren tot de meest voorkomende oorzaken van bacteriële, door voedsel overgedragen ziekten in verschillende delen van de wereld.

Hoewel zij verscheidene overeenkomsten vertonen (b.v. het zijn beide staafvormige, Gram-negatieve bacteriën), hebben de twee soorten bacteriën een aantal verschillen die kunnen worden gebruikt om onderscheid tussen hen te maken.

Deze omvatten:

Motiliteit – In tegenstelling tot Salmonella die verschillende flagella heeft die worden gebruikt voor adhesie, het vormen van een biofilm, en beweging, heeft Shigella deze structuur niet. Daarom wordt vaak gezegd dat ze niet beweeglijk zijn.

Zuurresistentie – Na inname van Shigella is uit onderzoek gebleken dat de bacterie beter bestand is tegen maagzuur dan sommige andere darmbacteriën (Salmonella, enz.). Dit is toegeschreven aan de expressie van eiwitten zoals GadA/B die de bacteriën in staat stellen lang genoeg te overleven om darmcellen binnen te dringen.

Omdat Salmonella niet resistent is tegen maagzuur, is aangetoond dat de bacterie voor zijn overleving afhankelijk is van voedselmateriaal en ook zijn eigen pH verlaagt.

Infectiedosis – Bij shigellose is slechts een klein aantal bacteriecellen nodig om een infectie te veroorzaken (ongeveer 200 cellen). Er is echter een groot inoculum van Salmonella nodig om een infectie te veroorzaken. Er zijn bijvoorbeeld ten minste 100.000 Salmonella typhi-cellen nodig om tyfus te veroorzaken.

Waterstofsulfide – In tegenstelling tot Shigella produceren Salmonella (S. enterica) waterstofsulfide, dat een van de kenmerken is die voor hun identificatie worden gebruikt.

Infectie – Shigella tast vooral de dikke darm aan, terwijl Salmonella zowel de dunne als de dikke darm aantast.

Ziekte – Terwijl Shigella bij de mens en bij sommige primaten Shigellose veroorzaakt, veroorzaakt Salmonella Salmonellose bij de mens en bij sommige dieren. Hier kunnen de symptomen echter vergelijkbaar zijn (b.v. koorts, diarree en buikpijn, enz.).

* Terwijl zowel Salmonella als Shigella beide staafvormig zijn, zijn Shigella-soorten over het algemeen slank (0,3 tot 1um in diameter) in vergelijking met Salmonella die tussen 0,7 en 1,5um in diameter varieert. Bovendien heeft Shigella alleen fimbriae aan hun oppervlak, terwijl Salmonella zowel fimbriae als flagellae aan hun oppervlak heeft.

Terug naar hoofdpagina Bacteriën, Eubacteriën

Terug van Shigella naar MicroscopeMaster home

Arun Bhunia. (2007). Door voedsel overgedragen microbiële ziekteverwekkers: Mechanisms and Pathogenesis.

Ewing. W.H. (1986). Edwards & Ewing’s Identification of Enterobacteriaceae. 4e editie.

Hiroshi Ashida, Minsoo Kim, and Chihiro Sasakawa. (2014). Manipulatie van de gastheer celdood pathway door Shigella.

Lu Feng et al. (2004). Structurele en genetische karakterisering van het Shigella boydii Type 13 O-antigeen.

Public Heath England. (2015). UK Standards for Microbiology Investigations

Identificatie van Shigella-soorten.