@phdthesis{Westhoff2016,
  author    = {Philipp Westhoff},
  title     = {Metabolic aspects of host pathogen interactions revealed by metabolomics},
  journal    = {Stoffwechseluntersuchungen von Wirts-Pathogen-Interaktionen mit Methoden der Metabolomics},
  url       = {https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002602-7},
  year      = {2016},
  abstract  = {Interaktionen zwischen Bakterien und dem menschlichen K{\"o}rper finden st{\"a}ndig und in gro{\"s}er Vielzahl statt. Weite Teile der Haut und des Gastrointestinaltraktes, Speichel, orale Schleimh{\"a}ute, Bindehaut sowie vaginale Schleimh{\"a}ute sind besiedelt mit einer Vielzahl von Bakterien, der sogenannten Normalflora. Insgesamt wird gesch{\"a}tzt, dass die bakterielle Zellzahl im K{\"o}rper die des Menschen um ein 10-faches {\"u}bersteigt. Die meisten Bakterien besiedeln den Menschen jedoch ohne gr{\"o}{\"s}ere Auswirkungen und werden als Kommensale bezeichnet. Bei 25 \% bis 30 \% der Menschen ist das Gram positive Bakterium Staphylococcus aureus Teil der Normalflora. Allerdings ist S. aureus ein sogenannter opportunistischer Pathogen und kann bei immungeschw{\"a}chten Menschen Lungen-, Haut- und Herzmuskelinfektionen hervorrufen. S. aureus sekretiert eine Vielzahl von Virulenzfaktoren, die auf verschiedene Arten mit dem Wirt interagieren. Sie machen das Bakterium dem Immunsystem des Wirtes unzug{\"a}nglich, greifen die Integrit{\"a}t der Wirtszellmembran an und bauen wirtseigene Makromolek{\"u}le ab um N{\"a}hrstoffe f{\"u}r S. aureus bereitzustellen. Des Weiteren ist S. aureus in der Lage Wirtszellen zu infizieren und sich intrazellul{\"a}r zu vermehren. Diese pathogenit{\"a}t-vermittelnden Eigenschaften machen, in Kombination mit der starken Verbreitung von Antibiotika-resistente St{\"a}mmen, S. aureus zu einem der weitverbreitetsten Krankenhauskeime. Das Gram negative Proteobakterium Burkholderia pseudomallei geh{\"o}rt nicht zur Normalflora des Menschen, ist aber in der Lage diesen bei Zugang {\"u}ber K{\"o}rper{\"o}ffnungen oder Wunden zu infizieren. Durch seine Eigenschaft, sehr effizient in Wirtszellen einzudringen und intrazellul{\"a}re wirtseigene Strukturen zur Verbreitung zu nutzen, verl{\"a}uft die durch B. pseudomallei verursachte Erkrankung „Melioidose“ oft schwerwiegend bis t{\"o}dlich. Da das Bakterium nat{\"u}rlicherweise in w{\"a}ssrigen B{\"o}den vorkommt, erfordert der Umgebungswechsel nach Infektion eine hohe Anpassungsf{\"a}higkeit des Keims. Eine Besonderheit von B. pseudomallei ist die Ver{\"a}nderung seiner Kolonieform auf Festagar in Abh{\"a}ngigkeit von {\"a}u{\"s}eren Faktoren wie Temperatur, pH, Nahrungsverf{\"u}gbarkeit oder Antibiotikabehandlung. Es wird angenommen, dass Ver{\"a}nderungen der Koloniemorphologie eine Anpassung an verschiedene Umweltbedingungen darstellt. Das Immunsystem des Menschen verf{\"u}gt {\"u}ber Abwehrmechanismen um bakterielle Krankheitserreger unsch{\"a}dlich zu machen. Auf molekularer Ebene werden bakterielle Strukturen erkannt und durch die Sekretion von antimikrobiellen Proteinen und mittels reaktiver Sauerstoff- und Stickoxid-Radikale abget{\"o}tet. Diese Aktionen und Reaktionen auf beiden Seiten werden als Wirts-Pathogen-Interaktionen zusammengefasst. Das Forschungsfeld der Funktionellen Genomforschung hat in der Vergangenheit Methoden bereitgestellt um verschiedene Ebenen dieser Wirts-Pathogen Interaktionen zu verstehen. Durch die ganzheitliche Analyse der vorhandenen mRNA (das Transkriptom) oder der translatierten Proteine (das Proteom) konnten bereits auf Wirts- und Erregerseite entscheidende zellul{\"a}re Prozesse aufgekl{\"a}rt werden. Hingegen ist die Ebene der Stoffwechselprodukte, der Metabolite, in Bezug auf Wirts-Pathogen Interaktionen bisher weitgehend unbeachtet geblieben. In dieser Dissertation wurden Zusammensetzungen von Metaboliten sowohl im intrazellul{\"a}ren Kompartiment von Wirt und Erreger als auch im Medium, in welchem die Organismen kultiviert wurden, untersucht. Dabei wurden biochemische Analyserverfahren wie 1H-Kernspinmagnetresonanzspektroskopie und chromatographische Trennverfahren in Verbindung mit Massenspektrometrie verwendet um m{\"o}glichst umfassende Informationen {\"u}ber die Metabolitenzusammensetzung und deren Konzentration zu bekommen. In Analogie zu den oben genannten biochemischen Ebenen der mRNA oder der Proteine wird die Gesamtheit der vorhandenen Metabolite „Metabolom“ genannt. Ebenso wird die Analyse des Metaboloms in Analogie zu „Transcriptomics“ und „Proteomics“ „Metabolomics“ genannt. Es wurden in drei Ans{\"a}tzen „infektionsrelevante“ Aspekte im Metabolom der Wirts-Pathogen Beziehung von S. aureus und humanen Lungenzellen untersucht. Zun{\"a}chst wurde in S. aureus die Verteilung von niedrigmolekularen Thiolen mittels HPLC und einer Fluoreszenz-basierten Thioldetektion analysiert. Besonderes Augenmerk wurde auf das erst k{\"u}rzlich identifizierte Bacillithiol und dessen Rolle w{\"a}hrend der Infektion gelegt (Artikel I). Im Anschluss wurden zwei Arbeiten durchgef{\"u}hrt, die Einblicke in den Wirtsmetabolismus unter dem Einfluss von S. aureus liefern sollten. Dabei wurden humane Lungenepithelzellen als Wirtssystem gew{\"a}hlt, da die Lunge ein von S. aureus oft besiedeltes Habitat ist. Als erstes wurde ein artifizielles Interaktionssystem gew{\"a}hlt um die Komplexit{\"a}t der m{\"o}glichen Effekte zu reduzieren. Dazu wurden die Lungenzellen mit Alpha-H{\"a}molysin, einem von S. aureus sekretiertem Virulenzfaktor, welcher in der Wirtzellmembran Poren bildet, behandelt. Dabei wurde ein ganzheitlicher Metabolom-Ansatz durchgef{\"u}hrt, wobei sowohl das Medium als auch das intrazellul{\"a}re Kompartiment der Wirtzellen untersucht wurde (Artikel II). Mit diesem Ansatz konnte zun{\"a}chst der Metabolom-Ansatz f{\"u}r eukaryotische Zellkulturen etabliert und erste, durch S. aureus verursachte, {\"A}nderungen im Wirtsmetabolom beschrieben werden. Da dieser Ansatz jedoch lediglich allein die Auswirkungen von Alpha-H{\"a}molysin beschreibt, wurden als n{\"a}chstes humane Lungenzellen mit einem S. aureus Stamm infiziert und erneut in einem Metabolom-Ansatz untersucht um der in vivo Situation einer Staphylokokkeninfektion n{\"a}her zu kommen (Artikel III). Des Weiteren wurden metabolische Inhibitoren und zudem markierte Ausgangsmetabolite verwendet um Stoffwechselaktivit{\"a}ten nachvollziehen zu k{\"o}nnen. Die letzte Arbeit dieser Dissertation besch{\"a}ftigt sich mit dem Anpassungsverhalten von B. pseudomallei und dessen Bildung verschiedener Koloniemorphotypen. Dabei wurden durch N{\"a}hrstofflimitation zun{\"a}chst verschiedene Morphotypen generiert und N{\"a}hrstoffaufnahmeprofile erstellt. Mit diesen Morphotypen wurden in vitro und in vivo Infektionen durchgef{\"u}hrt und nach Isolation wurde wieder die Kolonieform bestimmt. Anschlie{\"s}end wurden die N{\"a}hrstoffaufnahmeprofile der Isolate mit den urspr{\"u}nglichen Morphotypen verglichen (Artikel IV). Insgesamt konnten innerhalb dieser Dissertation Erkenntnisse gewonnen werden die zu einem besseren und auch komplexerem Verst{\"a}ndnis der Wirts-Pathogen Interaktion von S. aureus und B. pseudomallei und dem Wirt beitragen. Des Weiteren bilden diese Daten die Basis f{\"u}r fortf{\"u}hrende Projekte und Untersuchungen um die Verkn{\"u}pfung von Infektion und Metabolismus in den hier dargestellten aber auch anderen Wirts-Pathogen-Modellen aufzukl{\"a}ren.},
  language  = {en}
}