Description

Basic Principles of Medical Microbiology
and Immunology
1 General Aspects of Medical Microbiology 2
F. H. Kayser
The History of Infectious Diseases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
The Past. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
The Henle–Koch Postulates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
The Present . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Pathogens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Subcellular Infectious Entities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Prokaryotic and Eukaryotic Microorganisms . . . . . . . . . . . . . . 4
Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
Fungi and Protozoa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Animals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Host–Pathogen Interactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Basic Terminology of Infectiology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Determinants of Bacterial Pathogenicity and Virulence. . . 8
Adhesion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Invasion and Spread. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Strategies against Nonspecific Immunity . . . . . . . . . . . . . . 12
Strategies against Specific Immunity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Clinical Disease . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Regulation of Bacterial Virulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
The Genetics of Bacterial Pathogenicity . . . . . . . . . . . . . . . 20
Defenses against Infection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Nonspecific Defense Mechanisms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Specific Defense Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Defects in Immune Defenses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Normal Flora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
XIII
Immune Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Immunoregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Immunostimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Immunosuppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Adaptive Immunotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Immunological Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Antigen and Antibody Assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Immunoprecipitation in Liquids and Gels . . . . . . . . . . . . 121
Agglutination Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Complement Fixation Test (CFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Direct and Indirect Immunofluorescence. . . . . . . . . . . . . 125
Radioimmunological and Enzyme
Immunological Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
In-Vitro Cellular Immunity Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Isolation of Lymphocytes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Lymphocyte Function Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
II Bacteriology
3 General Bacteriology 146
F. H. Kayser
The Morphology and Fine Structure of Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Bacterial Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Fine Structures of Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Nucleoid (Nucleus Equivalent) and Plasmids . . . . . . . . . 148
Cytoplasm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
The Cytoplasmic Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Cell Wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Capsule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Flagella. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Attachment Pili (Fimbriae), Conjugation Pili . . . . . . . . . 158
Biofilm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Bacterial Spores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
The Physiology of Metabolism and Growth in Bacteria. . . . . . . . . . . . 160
Bacterial Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Types of Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Catabolic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Anabolic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Metabolic Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
XVI Contents
B-Cell Epitopes and B-Cell Proliferation . . . . . . . . . . . . . . . 67
Monoclonal Antibodies. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
T-Independent B Cell Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
T Cells. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
T-Cell Activation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
T-Cell Activation by Superantigens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Interactions between Cells of the Immune System . . . . . . . 72
T Helper Cells (CD4+ T Cells) and T-B Cell
Collaboration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Subpopulations of T Helper Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Cytotoxic T Cells (CD8+ T Cells) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Cytokines (Interleukins) and Adhesion . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Antibody-Dependent Cellular Immunity and
Natural Killer Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Humoral, Antibody-Dependent Effector
Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
The Complement System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Immunological Cell Death. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Immunological Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
T-Cell Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
B-Cell Tolerance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Immunological Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
B-Cell Memory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
T-Cell Memory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Immune Defenses against Infection and Tumor Immunity . . . . . . . . . 99
General Rules Applying to Infection Defenses. . . . . . . . . . . . 100
Immune Protection and Immunopathology . . . . . . . . . . . . . . 103
Influence of Prophylactic Immunization on the
Immune Defenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Tumor Immunity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
The Pathological Immune Response. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Type I: IgE-Triggered Anaphylaxis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Type II: Cytotoxic Humoral Immune Responses. . . . . . . . . . 109
Autoantibody Responses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Anti-blood Group Antibody Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Type III: Diseases Caused by Immune Complexes. . . . . . . . 113
Type IV: Cell-mediated Immunopathology . . . . . . . . . . . . . . . 114
Transplantation Immunity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Immune Defects and Immune Response Modulation . . . . . . . . . . . . . . 117
Immune Defects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Contents XV
Immunoregulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Immunostimulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Immunosuppression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Adaptive Immunotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Immunological Test Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Antigen and Antibody Assays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
Immunoprecipitation in Liquids and Gels . . . . . . . . . . . . 121
Agglutination Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
Complement Fixation Test (CFT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
Direct and Indirect Immunofluorescence. . . . . . . . . . . . . 125
Radioimmunological and Enzyme
Immunological Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
In-Vitro Cellular Immunity Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Isolation of Lymphocytes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Lymphocyte Function Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
II Bacteriology
3 General Bacteriology 146
F. H. Kayser
The Morphology and Fine Structure of Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Bacterial Forms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Fine Structures of Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Nucleoid (Nucleus Equivalent) and Plasmids . . . . . . . . . 148
Cytoplasm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
The Cytoplasmic Membrane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
Cell Wall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Capsule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Flagella. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
Attachment Pili (Fimbriae), Conjugation Pili . . . . . . . . . 158
Biofilm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
Bacterial Spores. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
The Physiology of Metabolism and Growth in Bacteria. . . . . . . . . . . . 160
Bacterial Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Types of Metabolism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
Catabolic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
Anabolic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Metabolic Regulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
XVI Contents
Growth and Culturing of Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Nutrients. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
Growth and Cell Death. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
The Molecular Basis of Bacterial Genetics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
The Structure of Bacterial DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
DNA Replication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Transcription and Translation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
Regulation of Gene Expression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
The Genetic Variability of Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
Molecular Mechanisms of Genetic Variability . . . . . . . . . . . . 171
Spontaneous Mutation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Recombination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
Intercellular Mechanisms of Genetic Variability. . . . . . . . . . 174
Transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Transduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Conjugation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
Restriction, Modification, and Gene Cloning . . . . . . . . . 177
Bacteriophages. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Morphology. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
Composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
Reproduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
Lysogeny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
The Principles of Antibiotic Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
Spectrum of Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Efficacy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
Mechanisms of Action. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
Pharmacokinetics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Side Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
The Problem of Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Incidence, Significance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
Resistance Mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
Evolution of Resistance to Anti-Infective Agents . . . . . 203
Resistance Tests. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
Combination Therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Chemoprophylaxis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
Immunomodulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Laboratory Diagnosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
Contents XVII
Preconditions, General Methods, Evaluation . . . . . . . . . . . . . 208
Preconditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
General Methods and Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Sampling and Transport of Test Material . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
Microscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Culturing Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
Identification of Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
Molecular Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
Direct Detection of Bacterial Antigens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Diagnostic Animal Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Bacteriological Laboratory Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
Taxonomy and Overview of Human Pathogenic Bacteria. . . . . . . . . . 218
Classification. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
Nomenclature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
4 Bacteria as Human Pathogens 229
F. H. Kayser
Staphylococcus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
Staphylococcus aureus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Coagulase-Negative Staphylococci (CNS) . . . . . . . . . . . . . 234
Streptococcus and Enterococcus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Streptococcus pyogenes (A Streptococci) . . . . . . . . . . . . . 237
Streptococcus pneumoniae (Pneumococci) . . . . . . . . . . . 240
Streptococcus agalactiae (B Streptococci). . . . . . . . . . . . . 242
Oral Streptococci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242
Enterococcus (Enterococci). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Gram-Positive, Anaerobic Cocci . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Bacillus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Bacillus anthracis (Anthrax). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
Clostridium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
The Pathogens That Cause Gas Gangrene
(Clostridial Myonecrosis) and Anaerobic Cellulitis . . . 246
Clostridium tetani (Tetanus) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
Clostridium botulinum (Botulism) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
Clostridium difficile (Pseudomembranous Colitis) . . . 251
Listeria, Erysipelothrix, and Gardnerella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
Listeria monocytogenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
Erysipelothrix rhusiopathiae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Gardnerella vaginalis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
XVIII Contents
Corynebacterium, Actinomyces, Other Gram-Positive Rod Bacteria 254
Corynebacterium diphtheriae (Diphtheria). . . . . . . . . . . 255
Actinomyces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
Other Gram-Positive Rod Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
Mycobacterium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
Tuberculosis Bacteria (TB). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Leprosy Bacteria (LB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Nontuberculous Mycobacteria (NTM). . . . . . . . . . . . . . . . . 271
Nocardia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272
Neisseria, Moraxella, and Acinetobacter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Neisseria gonorrheae (Gonorrhea) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
Neisseria meningitidis (Meningitis, Sepsis). . . . . . . . . . . 276
Moraxella and Acinetobacter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Enterobacteriaceae, Overview. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278
Salmonella (Gastroenteritis, Typhoid Fever, Paratyphoid Fever) . . . 282
Shigella (Bacterial Dysentery) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
Yersinia (Plague, Enteritis). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Yersinia pestis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Yersinia enterocolitica and Yersinia
pseudotuberculosis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
Escherichia coli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Opportunistic Enterobacteriaceae. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
Vibrio, Aeromonas, and Plesiomonas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296
Vibrio cholerae (Cholera). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
Other Vibrio Bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Aeromonas and Plesiomonas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Haemophilus and Pasteurella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
Haemophilus influenzae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
Haemophilus ducreyi and Haemophilus aegyptius . . 303
Pasteurella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Gram-Negative Rod Bacteria with Low Pathogenic Potential. . . . . . 304
Campylobacter, Helicobacter, Spirillum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Campylobacter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
Helicobacter pylori . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Spirillum minus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Pseudomonas, Stenotrophomonas, Burkholderia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
Contents XIX
Pseudomonas aeruginosa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
Other Pseudomonas species, Stenotrophomonas
and Burkholderia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
Legionella (Legionnaire’s Disease) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 311
Brucella, Bordetella, Francisella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Brucella (Brucellosis, Bang’s Disease) . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
Bordetella (Whooping Cough, Pertussis) . . . . . . . . . . . . . 315
Francisella tularensis (Tularemia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316
Gram-Negative Anaerobes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Treponema (Syphilis, Yaws, Pinta) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
Treponema pallidum, subsp. pallidum (Syphilis). . . . . 320
Treponema pallidum, subsp. endemicum
(Nonvenereal Syphilis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
Treponema pallidum, subsp. pertenue (Yaws). . . . . . . . 323
Treponema carateum (Pinta). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323
Borrelia (Relapsing Fever, Lyme Disease) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Borrelia That Cause Relapsing Fevers . . . . . . . . . . . . . . . . . 324
Borrelia burgdorferi (Lyme Disease) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
Leptospira (Leptospirosis, Weil Disease) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328
Rickettsia, Coxiella, Orientia, and Ehrlichia
(Typhus, Spotted Fever, Q Fever, Ehrlichioses). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Bartonella and Afipia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Bartonella . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 334
Afipia felis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Chlamydia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
Overview and General Characteristics
of Chlamydiae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
Chlamydia psittaci (Ornithosis, Psittacosis). . . . . . . . . . . 337
Chlamydia trachomatis
(Trachoma, Lymphogranuloma venereum) . . . . . . . . . . . 338
Chlamydia pneumoniae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
Mycoplasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340
Nosocomial Infections. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Pathogens, Infections, Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
Sources of Infection, Transmission Pathways. . . . . . . . . 345
Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
XX Contents

8 Viruses as Human Pathogens 412
K. A. Bienz
DNA Viruses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
Viruses with Single-Stranded DNA Genomes. . . . . . . . . . . . . 412
Parvoviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412
Viruses with Double-Stranded DNA Genomes . . . . . . . . . . . 413
Papillomaviruses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413
Polyomaviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415
Adenoviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
Herpesviruses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
Poxviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426
Hepadnaviruses: Hepatitis B Virus and
Hepatitis D Virus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
RNA Viruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
Viruses with Single-Stranded RNA Genomes,
Sense-Strand Orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
Picornaviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
Astrovirus and Calicivirus; Hepatitis E. . . . . . . . . . . . . . . . 438
Astroviruses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
Caliciviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
Hepatitis E Virus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
Togaviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440
Flaviviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
Coronaviruses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
Retroviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
Human Immune Deficiency Virus (HIV) . . . . . . . . . . . . . . 451
Viruses with Double-Stranded RNA Genomes. . . . . . . . . . . . 455
Reoviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
Viruses with Single-Stranded RNA Genomes,
Antisense-Strand Orientation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
Orthomyxoviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458
Bunyaviruses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
Arenaviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
Paramyxoviruses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
Rhabdoviruses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
Filoviruses (Marburg and Ebola Viruses) . . . . . . . . . . . . . 471
Subviral Pathogens: Viroids and Prions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
Viroids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472
Prions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
Contents XXIII
V Parasitology
9 Protozoa 476
J. Eckert
Giardia intestinalis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
Trichomonas vaginalis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
Trypanosoma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
Leishmania. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493
Entamoeba histolytica and Other Intestinal Amebas . . . . . . . . . . . . . . 499
Naegleria, Acanthamoeba, and Balamuthia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
Toxoplasma gondii . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
Isospora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
Cyclospora cayetanensis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
Sarcocystis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
Cryptosporidium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
Plasmodium. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520
Babesia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
Microspora. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
Balantidium coli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
10 Helminths 543
J. Eckert
Plathelmintha (syn. Platyhelminthes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
Trematoda (Flukes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
Schistosoma (Blood Flukes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546
Fasciola species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
Dicrocoelium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
Opisthorchis and Clonorchis (Cat Liver Fluke and
Chinese Liver Fluke) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
Paragonimus (Lung Flukes) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
Cestoda (Tapeworms) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
Taenia Species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
XXIV Contents

Serum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
Cerebrospinal Fluid. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
Bronchial Specimens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
Urine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
Cultivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
Material for Polymerase Chain Reaction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
Tissue Specimens and Parasites. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
Immunodiagnostic and Molecular Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
VI Organ System Infections
12 Etiological and Laboratory
Diagnostic Summaries in Tabular Form 630
F. H. Kayser, J. Eckert, K. A. Bienz
Upper Respiratory Tract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
Lower Respiratory Tract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632
Urogenital Tract. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635
Genital Tract (Venereal Diseases) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637
Gastrointestinal Tract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638
Digestive Glands and Peritoneum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 641
Nervous System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644
Cardiovascular system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647
Hematopoietic and Lymphoreticular System. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
Skin and Subcutaneous Connective Tissue (Local or Systemic
Infections with Mainly Cutaneous Manifestation). . . . . . . . . . . . . . . . . 650
Bone, Joints, and Muscles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653
Eyes and ears . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655
Literature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 659
Medical Microbiology and the Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663