UNIT-2-Micro Organisms(PART-2)

c) Pathogenesis & common diseases.
d) Methods for study of microbes,
culture & isolation of microbes.

Pathogenesis and Common Diseases in Microbiology
(પેથોજનેસિસ અને સામાન્ય રોગો – માઇક્રોબાયોલોજી)

Pathogenesis: Definition and Steps

(પેથોજનેસિસ: વ્યાખ્યા અને પગલાં)

Pathogenesis refers to the biological mechanism through which pathogens cause disease in the host. It includes the sequence of events from the entry of the pathogen to the development of the disease.

Steps of Pathogenesis (પેથોજનેસિસના પગલાં):

1. Entry of Pathogen (પેથોજનનો પ્રવેશ):
   • Through respiratory tract, gastrointestinal tract, skin, urogenital tract, or blood.
2. Adherence to Host Tissues (હોસ્ટ ટિશ્યૂ પર ચિપકવું):
   • Pathogens use adhesins or receptors to attach to host cells.
   • Example: E. coli binds to intestinal epithelium.
3. Colonization and Invasion (ઉપનિવેશ અને આક્રમણ):
   • Pathogens multiply at the site of infection and invade deeper tissues.
4. Evasion of Host Immune System (હોસ્ટની ઇમ્યુન સિસ્ટમથી બચવું):
   • Strategies include capsule formation, antigenic variation, and suppression of immune responses.
5. Tissue Damage and Toxin Production (ટિશ્યૂને નુકસાન અને ટોક્સિનનું ઉત્પાદન):
   • Release of enzymes or toxins causing cell lysis or functional disruption.
   • Example: Tetanus toxin disrupts nervous function.
6. Spread to Other Sites (અન્ય સ્થળે ફેલાવું):
   • Via blood (septicemia) or lymphatic system.

---

Common Diseases and Their Pathogenesis

(સામાન્ય રોગો અને તેમનો પેથોજનેસિસ):

1. Bacterial Diseases (બેક્ટેરિયલ રોગો):

• Tuberculosis (TB):
  • Pathogen: Mycobacterium tuberculosis.
  • Pathogenesis:
    • Inhalation → Alveolar macrophages engulf bacteria → Formation of granulomas → Lung damage.
  • Symptoms: Persistent cough, fever, weight loss, night sweats.
• Cholera:
  • Pathogen: Vibrio cholerae.
  • Pathogenesis:
    • Contaminated water ingestion → Attachment to intestinal lining → Secretion of cholera toxin → Severe diarrhea and dehydration.
• Pneumonia:
  • Pathogen: Streptococcus pneumoniae.
  • Pathogenesis:
    • Respiratory droplet entry → Lung colonization → Inflammatory response → Fluid accumulation in alveoli.

---

2. Viral Diseases (વાયરસથી થતા રોગો):

• Influenza (ફ્લૂ):
  • Pathogen: Influenza virus.
  • Pathogenesis:
    • Droplet transmission → Viral replication in respiratory epithelium → Immune response causes fever and muscle pain.
• HIV/AIDS:
  • Pathogen: Human Immunodeficiency Virus (HIV).
  • Pathogenesis:
    • Entry via blood/sexual contact → Targets CD4 T-cells → Immune suppression → Opportunistic infections.
• Hepatitis B:
  • Pathogen: Hepatitis B virus (HBV).
  • Pathogenesis:
    • Blood/body fluid transmission → Replication in hepatocytes → Chronic inflammation and liver damage.

---

3. Fungal Diseases (ફંગલ રોગો):

• Candidiasis:
  • Pathogen: Candida albicans.
  • Pathogenesis:
    • Overgrowth in mucosal surfaces → Epithelial cell invasion → Inflammation and tissue damage.
• Aspergillosis:
  • Pathogen: Aspergillus species.
  • Pathogenesis:
    • Inhalation of spores → Lung colonization → Allergic or invasive disease in immunocompromised individuals.

---

4. Parasitic Diseases (પેરાસિટિક રોગો):

• Malaria:
  • Pathogen: Plasmodium species (e.g., P. falciparum).
  • Pathogenesis:
    • Mosquito bite → Sporozoites invade liver cells → Merozoites infect RBCs → Cyclic fever and anemia.
• Amoebiasis:
  • Pathogen: Entamoeba histolytica.
  • Pathogenesis:
    • Contaminated water ingestion → Colon ulceration → Bloody diarrhea and abdominal pain.

---

5. Prion Diseases (પ્રાયોન રોગો):

• Creutzfeldt-Jakob Disease (CJD):
  • Pathogen: Misfolded prion proteins.
  • Pathogenesis:
    • Misfolded proteins accumulate in the brain → Neuronal death → Rapid neurodegeneration.

---

Diagnosis in Pathogenesis Studies (પેથોજનેસિસના અભ્યાસ માટે નિદાન):

1. Microscopy (માઈક્રોસ્કોપી): Observing microorganisms in samples.
2. Culture (કલ્ચર): Growing pathogens in specific media.
3. Molecular Methods (મોલેક્યુલર પદ્ધતિઓ): PCR for DNA/RNA detection.
4. Serology (સિરોલોજી): Detecting antibodies or antigens.

---

Understanding pathogenesis is crucial for developing effective treatments and preventive strategies against infectious diseases.

Growth meadia (Methods of cultivation of micro-organisms)

• Examination of micro-organism એ ફક્ત bacteria ની morphologyy બતાવે છે.
• પરંતુ bacteriological characteristics જાણવા માટે organisms નું culture જાણવું જરૂરી છે. 
• Microbes નાં growth માટે ઘણા બધા factors જવાબદાર છે 
• જેમ કે moisture, Nutrients, Absence of toxin substance, Osmosis, PH Value, 02 વગેરે.
• Bacteria ને cultivate,કરવા માટે અમુક culture media વાપરવામાં આવે છે. આ media માં micro-organisms નોં growth ખુબ જ ઝડપથી થાય છે.
• Antigen બનાવવા અને vaccine preparation માટે જરૂરી છે.

Importance of Culture Media

• કુદરતી વાતાવરણ માં જે રીતે Nutrition અને Environment bacreria  ના growth માટે જરૂરી છે એવું જ Nutrition અને Environment  Artificial bacteria ને lab. મા આપવામા આવે છે.
• જેમા culture  media તરીકે water,agar ,peptone, casein hydrosylate,meat extract,yeast extract વગેરે નો ઉપયોગ થાય છે. 

Type of growth media 1) Liquid media :-

  જે test tube,flask કે bottle માં કરવા મા આવે છે. જેને “ Broth ” તરીકે પણ ઓળખવા મા આવે છે. Use for  large number of bacteria

(2)solid media :- આમાં liquid મા Agar –Agar ને add કરી ને બનાવવા મા આવે છે.જે red algae  માથી બનાવવા મા આવે છે.Concentration 1.5 to 2.5 % (3) Semi-solid media:- આમાં liquid મા Agar –Agar ને add કરી ને બનાવવા મા આવે છે.જે micro-aerophilic bacteria  કે bacterial  motility  જાણવા માટે થાય છે. (4) Basal  media :- water,agar ,peptone નો ઉપયોગ થાય છે.Ex staphylococcus

(5) Enriched media :- Blood ને media તરીકે વાપરવામાં આવે છે. blood ને law temp પર ગરમ કરતા તેમા રહેલા haemoglobin નો colour dark brown થઇ જાય છે,જેનો media તરીકે ઉપયોગ થાય છે.જે  ચૉકલેટ media તરીકે ઓળખાય છે.

(6) Cell culture media :- આનો ઉપયોગ Virus અને Rickettsia ના cultivation માટે થાય છે.Tissue cell culture technique વાપરવામાં આવે છે.

(7) Chick embryo media :-આ પણ Virus અને Rickettsia ના culture માટે વપરાય છે. Eggs ને 10-12 દિવસ incubator માં રાખવામાં આવે છે ત્યાર બાદ તે fertile egg નો media તરીકે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે.

8) MacConkey Agar :-

આ  commonly Enterobacteriaceae માટે used થાય . તેમા agar, peptone, sodium chloride, bile salt, lactose and neutral red હોય છે. 

It is a selective and indicator medium:

Selective as bile salt does not inhibit the growth of Enterobactericeae but inhibits growth of many other bacteria. 

Indicator medium as the colonies of bacteria that ferment lactose take a pink colour due to production of acid. Acid turns the indicator neutral red to pink. These bacteria are called “‘lactose fermented, e.g. Escherichia coli. Colourless colony indicates that lactose is not fermented. i.e. the bacterium is non-lactose fermenter, e.g Salmonella, Shigella and Vibrio.

આ એક ચયનશીલ (Selective) અને સંકેત આપતી (Indicator) માધ્યમ છે:

સંકેત આપતું માધ્યમ (Indicator Medium):
જે બેક્ટેરિયા લેક્ટોઝનું ફર્મેન્ટેશન કરે છે તે кислот ઊત્પન્ન કરે છે, જેના કારણે કલોનીઓ ગુલાબી રંગ ધારણ કરે છે. આ кислот તટસ્થ લાલ (Neutral Red) સંકેતકને ગુલાબી બનાવે છે. આ પ્રકારના બેક્ટેરિયાને “લેક્ટોઝ ફર્મેન્ટર” કહેવામાં આવે છે, જેમ કે Escherichia coli. રંગહીન કલોની એ દર્શાવે છે કે લેક્ટોઝનું ફર્મેન્ટેશન થયું નથી, એટલે કે તે બેક્ટેરિયા “નૉન-લેક્ટોઝ ફર્મેન્ટર” છે, જેમ કે Salmonella, Shigella, અને Vibrio.

ચયનશીલ માધ્યમ (Selective Medium):
બાઈલ સોલ્ટ એ Enterobacteriaceaeના વૃદ્ધિને અવરોધિત કરતું નથી, પરંતુ ઘણા અન્ય બેક્ટેરિયાના વૃદ્ધિને રોકે છે.

9) Transport media :-

Clinical specimens must be transported to the laboratory immediately after collection to prevent overgrowth of contaminating organisms or commensals.This can be achieved by using transport media.Such media prevent drying (desiccation) of specimen, maintain the pathogen to commensal ratio and inhibit overgrowth of unwanted bacteria. Cary Blair medium and Venkatraman Ramakrishnan medium are used to transport feces from suspected cholera

ક્લિનિકલ નમૂનાઓને એકત્રિત કર્યા પછી તરત જ પ્રયોગશાળામાં પહોંચાડવા જોઈએ, જેથી ભેદક (પાથોજેન) જીવાણુઓ અથવા કોમન્સલ્સ (સહજીવન જીવો)નો વધારાનો વૃદ્ધિ અટકાવવામાં આવે. આ કામ ટ્રાન્સપોર્ટ મીડિયાના ઉપયોગથી શક્ય બને છે.

આ પ્રકારની મીડિયા નમૂનાને સૂકાવા (ડેસિકેશન)થી બચાવે છે, પાથોજેન અને કોમન્સલના ગુણોત્તર જાળવે છે અને અનિચ્છનીય બેક્ટેરિયાના વધારાને અવરોધે છે.
Cary Blair medium અને Venkatraman Ramakrishnan mediumનો ઉપયોગ કોલેરાના શંકાસ્પદ કેસમાંથી મૂત્રપિંડ (ફીસીસ)ના નમૂનાઓના પરિવહન માટે થાય છે.

10)Anaerobic Media :-

is required to grow anaerobic bacteria, which need reduced oxidation-reduction potential and extra nutrients, Such media may be reduced by  physical or chemical means. Boiling the medium serves to expel any dissolved oxygen, Addition of of 1% glucose, 0.1% thioglycollate, 0.1% ascorbic acid, 0.05% cysteine or red hot iron filings can reduce a r medium.Robertson Cooked Meat (RCM) medium that is commonly used to grow Clostridium species contains a 2.5 cm column of bullock heart meat and 15 mL of nutrient broth. Thioglycollate broth 02 contains sodium thioglycollate, glucose, cystine, yeast extract and casein hydrolysate. The organism  to be cultured is kept in an anaerobic jar so that and the required organism could grow in oxygen free by environment 

એનેરોબિક બેક્ટેરિયા વધારવા માટે એવી મીડિયાની જરૂર પડે છે, જેમાં ઓક્સિડેશન-રિડક્શન પોટેંશિયલ ઘટાવવાની અને વધારાના પોષક તત્વો પૂરા પાડવાની ક્ષમતા હોય. આ પ્રકારની મીડિયા શારીરિક અથવા રસાયણિક પદ્ધતિઓ દ્વારા રિડ્યુસ કરી શકાય છે. મીડિયાને ઉકાળી (બોઈલ કરીને) તેમાં રહેલ ઓક્સિજન દૂર કરી શકાય છે. 1% ગ્લુકોઝ, 0.1% થિયોગ્લાઇકોટ, 0.1% એસકાર્બિક એસિડ, 0.05% સિસ્ટીન અથવા ગરમ લોખંડના તણખલાં ઉમેરવાથી મીડિયાને રિડ્યુસ કરી શકાય છે.

રોબર્ટસન કુક્ડ મીટ (RCM) મીડિયાનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે Clostridium પ્રજાતિને ઉગાડવા માટે થાય છે, જેમાં 2.5 સેમી લાંબો બુલોક હાર્ટ મીટનો કોલમ અને 15 mL ન્યુટ્રિઅન્ટ બ્રોથ હોય છે. થિયોગ્લાઇકોટ બ્રોથમાં સોડિયમ થિયોગ્લાઇકોટ, ગ્લુકોઝ, સિસ્ટિન, यीસ્ટ એક્સ્ટ્રેક્ટ અને કેસિન હાઇડ્રોલિસેટ હોય છે.
આ રીતે સંસ્કારીત થતા પાથોજેન (જંતુ)ને એક એનેરોબિક જારમાં રાખવામાં આવે છે, જેથી ઓક્સિજન રહિત પર્યાવરણમાં જરૂરી જીવાણુ (ઓર્ગેનિઝમ) વિકાસ કરી શકે.

Methods for the Study and Isolation of Microbes

(માઇક્રોબ્સના અભ્યાસ અને આઇસોલેશન માટેની પદ્ધતિઓ)

Microbial isolation involves separating one type of microorganism from a mixed population to obtain a pure culture. This is a critical process in microbiology for studying microbial characteristics and applications.

---

1. Streak Plate Method (સ્ટ્રીક પ્લેટ પદ્ધતિ):

• Principle: A small amount of microbial sample is streaked across the surface of an agar plate to separate individual cells.
• Procedure:
  1. Sterilize a loop and pick a microbial sample.
  2. Streak it across the agar plate in a zigzag pattern.
  3. Sterilize the loop between streaks to dilute the sample further.
  4. Incubate to observe isolated colonies.
• Use: For isolating pure cultures of bacteria and fungi.

---

2. Pour Plate Method (પોર પ્લેટ પદ્ધતિ):

• Principle: A diluted microbial sample is mixed with molten agar and poured into a Petri dish.
• Procedure:
  1. Prepare serial dilutions of the sample.
  2. Mix a measured dilution with molten agar.
  3. Pour the mixture into a sterile Petri dish and allow it to solidify.
  4. Incubate to observe colonies growing within and on the surface of the agar.
• Use: For counting viable cells and isolating microbes.

---

3. Spread Plate Method (સ્પ્રેડ પ્લેટ પદ્ધતિ):

• Principle: A diluted microbial sample is spread uniformly over the surface of a solid agar plate.
• Procedure:
  1. Prepare serial dilutions of the microbial sample.
  2. Pipette a small volume onto the agar surface.
  3. Use a sterile spreader to distribute the sample evenly.
  4. Incubate to observe isolated colonies.
• Use: For quantitative isolation and colony counting.

---

4. Enrichment Culture Method (એનરિચમેન્ટ કલ્ચર પદ્ધતિ):

• Principle: Specific nutrients or growth conditions favor the growth of the desired microorganism while inhibiting others.
• Procedure:
  1. Use a medium with specific nutrients or conditions.
  2. Incubate to allow the target microbe to grow preferentially.
  3. Subculture onto selective or differential media.
• Use: For isolating specific microbes like Salmonella or nitrogen-fixing bacteria.

---

5. Selective Media (ચયનશીલ માધ્યમ):

• Principle: Media contains inhibitors that suppress the growth of unwanted microbes while allowing target organisms to grow.
• Example:
  • MacConkey agar for Gram-negative bacteria.
  • Sabouraud’s dextrose agar for fungi.
• Use: To isolate specific groups of microorganisms.

---

6. Differential Media (વિભાજનશીલ માધ્યમ):

• Principle: Media contain indicators that allow differentiation between microbes based on their biochemical properties.
• Example:
  • Blood agar for hemolytic activity.
  • MacConkey agar to differentiate lactose fermenters (pink colonies) from non-fermenters (colorless colonies).

---

7. Anaerobic Culture Methods (એનેરોબિક કલ્ચર પદ્ધતિઓ):

• Principle: Provides oxygen-free conditions for anaerobic microbes.
• Methods:
  1. Anaerobic jars with gas packs.
  2. Thioglycollate broth containing reducing agents.
  3. Glove boxes for strict anaerobes.
• Use: For culturing organisms like Clostridium and Bacteroides.

---

8. Single Cell Isolation Techniques (એકલ કોષ આઇસોલેશન):

• Principle: Isolating a single microbial cell for pure culture.
• Methods:
  1. Micromanipulation.
  2. Flow cytometry.
  3. Dilution to extinction.
• Use: For genetic studies and clonal analysis.

---

9. Serial Dilution Technique (સિરીયલ ડાયલ્યુશન પદ્ધતિ):

• Principle: The microbial population is progressively diluted to obtain isolated cells.
• Procedure:
  1. Prepare a series of dilutions in sterile liquid media.
  2. Plate aliquots from different dilutions onto agar plates.
  3. Incubate and observe colonies from the lowest dilution.
• Use: For isolating microbes and calculating colony-forming units (CFUs).

---

10. Filtration Method (ફિલ્ટ્રેશન પદ્ધતિ):

• Principle: Microbes are filtered from a liquid sample through membranes and cultured.
• Procedure:
  1. Pass the sample through a sterile membrane filter.
  2. Place the filter on a nutrient agar plate.
  3. Incubate to allow microbial growth.
• Use: For isolating microbes from water or air samples.

---

11. Molecular Techniques (મોલેક્યુલર પદ્ધતિઓ):

• Principle: Genetic material is used to identify and isolate microbes.
• Methods:
  • Polymerase Chain Reaction (PCR).
  • Metagenomics for unculturable microbes.
• Use: For studying microbes that are difficult to culture.

---

Applications of Isolation Methods (આઇસોલેશન પદ્ધતિઓના ઉપયોગ):

1. Medical Microbiology: Identification of pathogens causing diseases.
2. Industrial Microbiology: Production of antibiotics, enzymes, and other products.
3. Environmental Microbiology: Study of microbes in ecosystems.
4. Genetics and Biotechnology: Cloning and genetic engineering.

Microbial isolation methods form the basis for understanding microbial physiology, pathology, and their applications.