L’habitat di Coccidioides spp. e il ruolo degli animali come serbatoi e disseminatori in natura

Habitat di Coccidioides spp.

Le regioni endemiche per la coccidioidomicosi sono generalmente caratterizzate da un clima semi-arido che facilita la diffusione delle spore di Coccidioides nell’aria. Il clima invernale mite tipico delle regioni endemiche fornisce le condizioni ottimali per la crescita del fungo, e le estati secche e calde facilitano la dispersione degli artroconidi. Tuttavia, la distribuzione di Coccidioides spp. nel suolo delle regioni endemiche è irregolare, anche nelle regioni con un’alta incidenza di infezione.

I primi studi per descrivere l’habitat di Coccidioides sono stati quelli di Egebert et al. , e Elconin et al. e Lacy e Swatek ; questi ricercatori hanno ottenuto isolati fungini da campioni di suolo con un’alta salinità e hanno suggerito che l’elevata salinità del suolo può essere un requisito per lo sviluppo del fungo. Le spore di Coccidioides sono anche note per crescere in terreni alcalini sabbiosi che sono ricchi di materia organica e sali. Fisher et al. hanno confermato che l’habitat di Coccidioides nelle regioni endemiche è caratterizzato anche da terreni con alti livelli di nutrienti essenziali come ferro, calcio e magnesio. Inoltre, ulteriori risultati di Fisher et al. supportano la capacità di questo fungo di crescere in quasi tutti i tipi di suolo desertico, compresi quelli con bassi livelli di pH; questo fungo può anche tollerare temperature estreme dell’aria che vanno da -40,0 a 48,8 °C e temperature del suolo che vanno da -6,5 a 60,5 °C. Gli autori sottolineano anche che i fattori abiotici nelle zone endemiche possono fornire condizioni favorevoli alla crescita del Coccidioides. Un maggiore contenuto organico nel suolo può portare a una maggiore disponibilità di nutrienti per la crescita dei funghi, mentre l’aumento della salinità e le alte temperature possono diminuire la competizione con altri microrganismi. Per esempio, alte concentrazioni di borato di sodio nel suolo possono essere antisettiche per alcuni microrganismi ma non necessariamente per il Coccidioides. Più recentemente, il lavoro di De Macedo et al. ha confermato le caratteristiche ambientali descritte in precedenza per l’habitat di Coccidioides spp. attraverso l’identificazione positiva di isolati di Coccidioides in campioni di suolo ottenuti da regioni semi-aride nello stato del Piauí, nella regione nord-orientale del Brasile.

Dabrowa et al. hanno determinato la presenza di funghi potenzialmente patogeni nelle zone intertidali. Anche se gli autori non sono stati in grado di confermare isolati positivi di C. immitis, è possibile che questo fungo sia presente nelle zone intertidali considerando la presenza endemica di Coccidioides in tutto il sud-ovest degli Stati Uniti. Inoltre, è stato precedentemente dimostrato che C. immitis è in grado di sopravvivere in acqua di mare e acqua salata satura fino a 6 settimane in laboratorio. È importante notare che anche in queste condizioni, C. immitis mantiene la capacità di infettare varie specie acquatiche come granchi di fiume, pesci rossi, delfini dal naso a bottiglia e pesci leone. La concentrazione di C. immitis in questi sedimenti è naturalmente elevata durante la stagione delle piogge come risultato del deflusso oceanico o fluviale. In Messico, nonostante il successo degli isolamenti clinici di Coccidioides spp, lo screening dei campioni ambientali ha avuto una bassa efficacia, così che Catalán-Dibene et al. hanno esplorato una zona altamente endemica vicino al confine tra Stati Uniti e Messico, dove precedentemente rilevato Coccidioides con metodi molecolari. In questo studio hanno testato il siero di 40 roditori intrappolati utilizzando ELISA, e rilevato gli anticorpi contro Coccidioides in due specie: Peromyscus maniculatus e Neotoma lepida. Questo studio pone le basi per analizzare questo patogeno nel suo ambiente naturale.

Baptista-Rosas et al. hanno generato un modello per la distribuzione delle specie di Coccidioides utilizzando una combinazione di diverse variabili ambientali e punti di riferimento geospaziali negli Stati Uniti e in Messico, che sono luoghi con isolati di Coccidioides positivi. Questo modello suggerisce che i suoli aridi nei deserti del Nord America probabilmente servono come nicchie ecologiche per Coccidioides, in accordo con la maggiore incidenza della malattia in queste regioni e le scoperte di altri.

Oggi, i risultati di vari studi concordano sui tratti ecologici che definiscono l’habitat di Coccidioides. Questo tipo di fungo è associato a terreni in regioni aride, semi-aride e alcaline che hanno una scarsa vegetazione xerofita, temperature medie elevate e una bassa piovosità media annuale. Pertanto, la capacità del Coccidioides di sopravvivere in tali condizioni estreme rappresenta un vantaggio rispetto ad altri microrganismi, come suggerito da Baumgardner . Sulla base del lavoro di De Hoog , il genere Coccidioides è costituito da funghi xerotolleranti perché possono crescere in condizioni estreme ostili. Inoltre, i Coccidioides possono essere considerati organismi alotolleranti, perché entrambe le specie di questo genere tollerano alte concentrazioni di sale fino all’8%. Tuttavia, poco si sa sui meccanismi che le specie di Coccidioides utilizzano per sopravvivere in condizioni di alta salinità. Alcune strategie che Coccidioides può utilizzare per sopravvivere in queste condizioni possono includere: (1) il mantenimento di alte concentrazioni saline intracellulari, osmoticamente o almeno equivalenti alla sua concentrazione esterna (strategia “salt-in”) che gli permette di adattarsi ad un ambiente alcalino. Tuttavia, questo richiede un adattamento speciale dei suoi sistemi intracellulari; e (2) mantenere basse concentrazioni di sale nel suo citoplasma (strategia “compatibile-soluto”). La pressione osmotica del mezzo è bilanciata da soluti compatibili (2-sulfotrehalose, trealose, saccarosio, glicerolo, betaina glicina, ectoina e glicosilglicerolo). Questi soluti non influenzano l’attività enzimatica poiché alte concentrazioni di sali inorganici non richiedono uno speciale adattamento dei sistemi intracellulari. Tuttavia, rimane da determinare quali strategie sono utilizzate da Coccidioides per sopravvivere in condizioni di alta salinità.

Ruolo degli animali come serbatoi

E’ stato suggerito che gli animali possono svolgere un ruolo nell’arricchimento del suolo servendo come substrato o fattore di crescita per alcuni patogeni. Ad esempio, la crescita di Histoplasma capsulatum o Cryptococcus neoformans è favorita in terreni ricchi di escrementi di origine animale e materia organica.

Autori hanno proposto per più di cinque decenni che le carcasse di animali possono servire come mezzo per la crescita di Coccidioides nel suolo. Questo è stato supportato dal ritrovamento di isolati positivi al fungo vicino alle tane degli animali, al contrario, gli isolati dal suolo senza contatto con gli animali erano negativi per il fungo. È importante sottolineare che, sebbene alcuni lavori suggeriscano l’esistenza di “punti caldi” in zone endemiche o aree in cui la presenza di Coccidioides è altamente probabile, i tentativi di isolare il fungo dal suolo non hanno avuto successo. Ciononostante, la coccidioidomicosi è stata tipicamente considerata una “classica” infezione acquisita nel suolo. Tuttavia, il lavoro di ha sottolineato il ruolo degli animali nel ciclo di vita di Coccidioides, con la scoperta di isolati positivi al fungo in campioni raccolti da tane di animali nella città di Solonolpoles nello stato di Ceara, nel nord-est del Brasile. Questa città si trova ad un’altezza di 155. 38 metri sopra il livello del mare, ha una temperatura media di 26-28,8 °C, ha una stagione delle piogge da gennaio ad aprile con una precipitazione media annuale di 700 mm e contiene una vegetazione xerofita. Solonolpoles si trova in una regione semi-arida del Brasile ed è caratterizzata da alte temperature, frequenti siccità e suolo friabile. Queste caratteristiche sono in accordo con quelle precedentemente descritte per l’habitat di Coccidioides spp. e forniscono ulteriore supporto all’idea che gli animali possono arricchire il suolo e agire come un importante fattore di crescita per questo fungo. Inoltre, è stato proposto che gli animali infetti, come i pipistrelli e gli armadilli, possono far parte del ciclo di vita di Coccidioides e quindi agire come serbatoi del fungo.

I risultati recenti delle analisi genomiche comparative suggeriscono che Coccidioides spp. contiene un numero significativo di geni che sono importanti per le interazioni con l’ospite, e il numero di geni coinvolti nelle interazioni con l’ospite è maggiore di quelli importanti per la sopravvivenza nel loro habitat naturale. Questa tendenza è ulteriormente supportata dalla scoperta di numerosi cambiamenti nel patrimonio genetico di Coccidioides, con il più grande cambiamento che si verifica nel numero di geni che sono importanti per la sopravvivenza negli habitat naturali. Per esempio, la diminuzione dei geni coinvolti nella degradazione della parete cellulare (cellulasi, tannasi, cutinasi e pectina liasi) si verifica insieme a un’espansione del numero di geni coinvolti nell’uso delle carcasse come fonte di energia (proteasi e cheratinasi). Alcuni di questi geni codificano famiglie di proteasi, come le serina-proteasi extracellulari, le proteasi aspartiche e le Meps. Almeno dieci geni Mep (designati come Mep1 a Mep10) sono stati trovati in Coccidioides posadasii, e la maggior parte di essi sono stati classificati nelle famiglie M35 (deuterolisina) e M36 (fungalysina). In sintesi, questi cambiamenti suggeriscono che Coccidioides spp. non sono funghi tipici del suolo in quanto mantengono una stretta associazione con gli animali ricchi di cheratina sia durante l’infezione di un ospite vivente che dopo che l’ospite è morto crescendo nella carcassa come micelio .

In generale, questi risultati possono suggerire che la posizione di Coccidiodes spp. nell’ambiente è intrinsecamente legata alle attività del loro ospite. Il basso numero di funghi isolati da campioni di suolo sembra concordare con l’osservazione che i Coccidiodi sono meglio adattati a un ciclo di vita che include un ospite animale. Oltre al minor numero di isolati di funghi che possono essere ottenuti da campioni di suolo, la constatazione che la maggior parte degli isolati di suolo positivi si trovano in associazione con materia organica derivata da carcasse di animali supporta ulteriormente le interazioni intricate con l’ospite. Pertanto, sulla base di questi risultati, proponiamo che il ciclo di vita di Coccidioides spp. nell’habitat naturale del suolo possa essere breve. Una volta che Coccidioides spp. infetta un ospite, la malattia può progredire, portando infine alla morte dell’ospite e fornendo nuova materia organica seminata con particelle fungine. Le alte temperature in queste zone endemiche, combinate con gli elevati livelli di anidride carbonica che risultano dal processo di decomposizione, forniscono un ambiente ottimale per la trasformazione dimorfica delle strutture parassitarie (sferule) di Coccidioides, dando origine alle forme infettive (artroconidi). Al completamento di questo ciclo di vita, nuovi funghi infettivi sono disponibili per la dispersione attraverso meccanismi stabiliti (Fig. 1), permettendo così ai funghi di infettare rapidamente nuovi ospiti e riavviare il ciclo. Pertanto, il tempo trascorso dal fungo senza interazione con l’ospite è breve, il che spiega in parte la difficoltà di ottenere isolati positivi al fungo da campioni di suolo (Fig. 1). La breve esistenza di Coccidioides spp. in assenza di un ospite può essere legata alle condizioni ambientali estreme della nicchia ecologica. Le alte concentrazioni di sale nel suolo o nell’acqua rappresentano una sfida energeticamente costosa per la vita. In condizioni di alta salinità, il fungo deve mantenere gradienti di concentrazione ionica per garantire l’equilibrio osmotico. Le condizioni ambientali estreme hanno guidato i cambiamenti adattativi nel genoma di Coccidioides spp, portando all’acquisizione di un piccolo numero di nuovi geni che sono per lo più associati alle interazioni tra il fungo e i loro ospiti animali. Pertanto, questi cambiamenti genetici assicurano l’uso di animali come serbatoi da parte di Coccidioides spp. che sembrano fornire un ambiente favorevole allo sviluppo del fungo.

Le condizioni ambientali estreme presenti nell’habitat naturale del suolo di Coccidioides spp. non sono favorevoli alla riproduzione sessuale del fungo perché questo processo richiede un maggiore dispendio energetico. Suggeriamo che Coccidioides spp. tende a riprodursi asessualmente nell’habitat naturale; al contrario, quando il fungo incontra un ospite animale adatto, la riproduzione sessuale può riprendere, anche se la riproduzione sessuale non è stata dimostrata in Coccidioides spp., ci sono prove per questo tipo di riproduzione. Questi cambiamenti nelle modalità di riproduzione a seconda dell’habitat possono in parte spiegare la variabilità genetica in Coccidioides spp.

Meccanismi di diffusione di Coccidioides spp.

La coccidioidomicosi è stata riportata in un certo numero di specie animali (Tabella 1); tuttavia, fino ad oggi, il ruolo degli animali nell’epidemiologia della malattia umana non è stato pienamente considerato.

È stato suggerito che le specie animali terrestri domestiche e le specie animali selvatiche possono agire come disseminatori di Coccidioides nell’ambiente, per esempio, come risultato di cattive pratiche di smaltimento delle carcasse. I funghi patogeni, tra cui Coccidioides spp, possono crescere “in vitro” nei componenti inorganici delle ossa. Pertanto, le carcasse di animali infetti possono ospitare Coccidioides spp. patogeni e fungere da nicchia ecologica o serbatoio da cui il fungo patogeno può essere facilmente disperso dal vento e rapidamente trasportato su lunghe distanze (Fig. 1). Il vento che si muove su carcasse o ossa infette può generare bioaerosol, questo è un probabile meccanismo di dispersione. Un’altra importante caratteristica di Coccidioides spp. che assicura la sopravvivenza in condizioni ambientali estreme è la loro capacità di depositare melanina all’interno della loro parete cellulare e nel citoplasma di artroconidi, sferule ed endospore, escludendo le ife fungine. Il deposito di melanina fornisce una protezione dalle temperature estreme e dalla radiazione ultravioletta (UV) e, in generale, dalla radiazione solare. Gostinčar et al. hanno proposto un meccanismo attraverso il quale la melanina può proteggere il fungo Hortae werneckii dall’alta salinità. Questo fungo è in grado di sintetizzare 1, 8-diidrossi-melanina come protezione dallo stress osmotico, il che suggerisce che Coccidioides spp. che sono anche in grado di sintetizzare la melanina può utilizzare meccanismi protettivi simili contro l’ipersalinità. Inoltre, Coccidioides produce idrofobine che aiutano questo fungo ad adattarsi e sopravvivere nel loro ambiente. È interessante ipotizzare come questi componenti strutturali fungini si riferiscano a diversi fenomeni che si verificano sulle superfici che incontrano. A livello del microrganismo, i fenomeni o le condizioni di superficie diventano la forza dominante, mentre fattori come la gravità sono per lo più insignificanti. Una delle funzioni delle idrofobine è quella di controllare le forze di superficie. Quando le ife incontrano superfici acquose, le loro idrofobine circostanti forniscono una superficie idrofoba che aiuta a rompere la tensione superficiale, permettendo così la formazione di micelle che si separano dai mezzi acquosi e viaggiano attraverso l’aria, aumentando l’efficienza con cui i conidi si diffondono nell’aria. Un esempio eccellente è la migrazione a lunga distanza dei pipistrelli. Il lavoro di Cordeiro et al. ha dimostrato che questi mammiferi sono infettati da Coccidioides spp, il che può sostenere l’idea dei pipistrelli come serbatoi e disseminatori di questo fungo. Il trasferimento di specie animali in cattività, per esempio, mammiferi marini o terrestri da zone endemiche che possono essere infettati da Coccidioides (Tabella 1), può servire come meccanismo di dispersione della malattia in regioni non endemiche. Queste due forme di dispersione fungina possono spiegare come avviene la trasmissione in casi clinici all’interno di zone non endemiche, come quelli descritti nello stato di Washington, dove sono stati riportati vari casi di coccidioidomicosi, tra cui un caso di coccidioidomicosi cutanea primaria, due casi di polmonite e un caso che è progredito in meningite. Inoltre, Litvintseva et al. hanno dimostrato la colonizzazione persistente del suolo da parte di C. immitis nello Stato di Washington a recenti infezioni umane e hanno confermato l’identità genetica tra gli isolati dal suolo e uno dei casi-paziente.

Questo metodo di dispersione fornirebbe anche una spiegazione per un isolato positivo di C. posadasii che è stato ottenuto da un paziente che ha acquisito la malattia da una regione non endemica (Campeche, Messico) e che non ha riportato alcuna escursione lontano dal suo luogo di residenza. Un’altra osservazione a cui si fa raramente riferimento, ma con grande rilevanza per l’epidemiologia della coccidioidomicosi, è un rapporto dalla Nigeria di due polli che sono stati analizzati post-mortem e hanno mostrato isolati di Coccidioides spp. positivi. La rilevanza di questo rapporto risiede in due elementi specifici: in primo luogo, rappresenta il primo rapporto di coccidioidomicosi in una regione non endemica della Nigeria; in secondo luogo, è il primo rapporto dell’infezione negli uccelli, confermando che Coccidioides spp. è in grado di infettare i non mammiferi. Un altro caso interessante è quello di un ragazzo cinese di 14 anni che non aveva mai visitato o era stato esposto a materiali importati da zone endemiche per il Coccidioides e tuttavia è stato infettato e ha sofferto di coccidioidomicosi. Ciononostante, il ragazzo era stato segnalato per un episodio di annegamento in mare. Anche se la fonte dell’infezione non era chiara, è noto che i Coccidioides possono sopravvivere in acqua salata, e sono noti per essere presenti nei mammiferi marini. Si ipotizza che le correnti marine possano essere in grado di trascinare gli artroconidi verso zone non endemiche. Questi fatti suggeriscono che l’area di distribuzione geografica del Coccidioides si sta espandendo e che i funghi responsabili della coccidioidomicosi si stanno adattando a nuovi habitat che possono avere caratteristiche diverse da quelle precedentemente descritte.

La trasmissione da animale a animale richiede un contatto diretto, come la manipolazione di animali infetti in clinica o l’inoculazione diretta con materiale infetto, che si verifica nel morso di un animale. Questo concetto è supportato dal lavoro di Lacy e Swatek che hanno riportato il ritrovamento di sferule vitali nei tessuti e nelle secrezioni degli animali.

Ci sono varie segnalazioni di coccidioidomicosi negli animali domestici che sono state confermate da prove sierologiche. Questo pone un problema per la salute pubblica perché la presenza di Coccidioides spp. in questi animali suggerisce che essi possono servire come disseminatori del fungo e quindi essere un possibile pericolo per la salute umana.