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Die Eignung von murinen Modellen für die Forschung an Staphylococcus aureus

  • Das Gram-positive Bakterium S. aureus besiedelt rund 20 % der Menschen persistent und asymptomatisch, während sich bei den anderen Phasen der Kolonisation und Nicht-Kolonisation abwechseln. Als opportunistisches Pathogen kann S. aureus seinen Wirt auch infizieren und eine Vielzahl von Krankheitsbildern hervorrufen. Diese reichen von oberflächlichen Haut- und Weichteilinfektionen bis hin zu komplexen Infektionsgeschehen wie der Sepsis und können den Tod der betroffenen Person zur Folge haben. Antibiotika-resistente Varianten wie Methicillin-resistente S. aureus (MRSA) verkomplizieren die Therapie und sind als „Krankenhauskeime“ gefürchtet. Die Kolonisierung und Infektion mit MRSA beschränkt sich allerdings nicht nur auf Gesundheitseinrichtungen, sondern etablierte sich auch in der Allgemeinbevölkerung sowie in Landwirtschaftsbetrieben. Da S. aureus neben dem Menschen ebenfalls eine Vielzahl von Wild- und Nutztieren kolonisieren und infizieren kann, welche als Reservoir, Überträger sowie als Brutstätten neuer Varianten fungieren, ist ein holistischer Ansatz wie das „One Health“-Konzept gefordert, um Ausbreitung und Infektionen unter Kontrolle zu halten. Dies erfordert geeignete Tiermodelle, um die komplexen Interaktionen von S. aureus mit seinem Wirt zu analysieren und therapeutisch zu beeinflussen. Am häufigsten werden dafür etablierte Labormaus-Stämme (z.B. C57BL/6, BALB/c) eingesetzt und mit S. aureus-Stämmen des Menschen kolonisiert oder infiziert. Weil S. aureus jedoch einen Wirtstropismus ausbildet, ist die Aussagekraft solcher Mausmodelle durch die Inkompatibilität zwischen Erreger und Wirt limitiert. Manche Aspekte der Wirt-Pathogen-Interaktion lassen sich in diesen Modellen gar nicht untersuchen. Hier könnten murin-adaptierte S. aureus-Stämme eine bessere Option sein, zumal Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe zeigten, dass Mäuse natürliche Wirte von S. aureus sind. In dieser Arbeit sollte daher untersucht werden, ob Befunde aus dem Menschen in der Maus repliziert werden können, wo die Limitationen von Mausmodellen liegen und wie mögliche Optimierungsansätze aussehen könnten. Weitere Schwerpunkte lagen auf Analysen der Populationsstruktur von S. aureus in murinen Spezies unterschiedlicher Habitate und der Adaptation muriner S. aureus-Isolate an ihren Wirt. Außerdem wurden Maus-adaptierte Stämme in Infektions- und Kolonisationsmodellen eingesetzt, um ihre Eignung im Mausmodell zu testen. In einer Originalarbeit (Mrochen et al.; Front. Immunol.; 2021) haben wir anhand der Immunantwort auf die beiden S. aureus-Virulenzfaktoren SplB und GlpQ beschrieben, dass Daten aus klinischen Studien in der Maus rekapituliert werden können. S. aureus-naive Mäuse zeigten nach Vakzinierung mit SplB eine sehr ähnliche Polarität der Immunantwort wie Menschen nach natürlicher Besiedlung/Infektion mit S. aureus. Mäuse reagierten mit einer Th2-Antwort auf das nicht-adjuvantierte Protein SplB, zudem war die Anzahl an Eosinophilen in der Milz signifikant erhöht. Im Serum der Mäuse ließ sich SplB-spezifisches IgE messen. Damit spiegelte das Mausmodell den beim Menschen bekannten Typ2-Bias der Immunreaktion auf Spls von S. aureus wider. GlpQ löste hingegen ohne Adjuvans keine messbare Immunreaktion aus, hatte also eine geringe Immunogenität. Dies zeigt, dass S. aureus-naive Mäuse sich dazu eignen könnten, die intrinsische Immunogenität und das Immunpolarisationspotential von S. aureus-Proteinen zu untersuchen, was für die Entwicklung von S. aureus-Vakzinen von Bedeutung ist. In einem Übersichtsartikel (Mrochen et al.; Int. J. Mol. Sci.; 2020) haben wir die Limitationen von konventionellen S. aureus-Infektionsmodellen, bei denen Mäuse mit human-adaptierten S. aureus-Isolaten infiziert werden, veranschaulicht und Alternativen aufgezeigt. Zunächst stellten wir den Wirtstropismus von S. aureus und Mechanismen der Wirtsanpassung dar. Darauf aufbauend diskutierten wir einige Limitationen konventioneller Mausmodelle. Wir betrachteten Aspekte der genetischen Variation der verwendeten Maus- und S. aureus-Stämme, wirtsspezifische Virulenzfaktoren, Unterschiede des humanen und murinen Immunsystems, den Einfluss des murinen Mikrobioms und der verwendeten Infektionsdosen. Zusammenfassend kann dazu gesagt werden, dass durch die Inkompatibilitäten zwischen humanen S. aureus-Isolaten und der Maus die bakterielle Fitness und Virulenz eingeschränkt ist. Dies kann die Aussagekraft von Experimenten massiv einschränken. Beispielsweise können in ihrer Affinität verminderte Rezeptor-Ligand-Interaktionen die Akquisition von Nährstoffen erschweren und die Wirkungslosigkeit bestimmter Virulenzfaktoren (wie z.B. Superantigenen) die Immunevasion behindern. Wir haben daraufhin alternative Modell-Ansätze vorgestellt und diskutiert, welche unterschiedliche Aspekte der Wirt-S. aureus-Interaktion verbessern sollen (humanisierte Mäuse, dirty mice, Wildlinge). Die ebenfalls mögliche Verwendung murin-adaptierter S. aureus-Stämme beseitigt Inkompatibilitäten zwischen Maus und S. aureus komplett, kann aber manche humanspezifischen Vorgänge nicht modellieren. In zwei weiteren Originalarbeiten (Mrochen et al.; Int. J. Med. Microbiol.; 2018 und Raafat et al.; Toxins; 2020) haben wir die Populationsstruktur von S. aureus in Labormäusen bzw. Ratten unterschiedlicher Habitate (Labor, Wildnis) beschrieben und die Adaptation der Bakterien an diese Wirte dargestellt. Rund um den Globus sind Labormäuse mit S. aureus besiedelt. Einige murine Isolate gehörten zu klonalen Komplexen wie CC1, CC5, CC8 und CC15, die sich auch beim Menschen finden, sodass hier eine Übertragung vom Menschen auf die Maus wahrscheinlich ist. Dennoch zeigten viele der Isolate eindeutige Zeichen einer Wirtsadaptation. So waren humanspezifische Virulenzfaktoren seltener als bei humanen Referenzisolaten gleicher Linien vorhanden. 47 % der Isolate gehörten jedoch zum klonalen Komplex CC88, der selten beim Menschen ist. Diese Linie war in Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe bereits als murin-adaptiert identifiziert worden, was sich hier bestätigte. Bei Laborratten zeigte sich ein ähnliches Bild. Auch hier wurden viele Stämme isoliert, die zu typisch humanen Linien (z.B. CC1, CC8, CC15) gehören, außerdem CC88-Isolate. Sie zeigten Zeichen einer Adaptation an Ratten. S. aureus-Isolate aus Wildratten und aus von Wildratten abstammenden Ratten in Gefangenschaft besaßen eine vollkommen andere Populationsstruktur. Hier fanden sich u.a. Linien (CC49, CC130, ST890), die wir in einer anderen Studie aus Wildmäusen isoliert haben. Auch sie wiesen die Zeichen einer Wirtsadaptation auf. Diese Studien zeigen, dass die Besiedlung von Labormäusen und -ratten durch S. aureus weit verbreitet ist und vermutlich meist vom Menschen ausgeht. Dennoch weisen die Laborstämme Anzeichen einer Adaptation an die Nager auf, was eine längere Kontaktzeit voraussetzt, die diese evolutionären Vorgänge ermöglicht. Die Besiedlung der Labortiere hat zudem Folgen für die Konstitution des Immunsystems, da es auf dieses Bakterium geprimt wird. Weiterhin kann eine Besiedlung zu opportunistischen Infektionen führen. Folglich sollte bei Experimenten stets der S. aureus-Besiedlungsstatus erfasst werden, um einen etwaigen Einfluss auf die erzielten Ergebnisse ausschließen bzw. nachweisen zu können. Bei Wildnagern und ihren Verwandten weist S. aureus eine andere Populationsstruktur auf, welche über einen gewissen Zeitraum auch in Gefangenschaft stabil zu sein scheint. Wildtiere sind damit ein bedeutendes Reservoir und potentielle Überträger von S. aureus, aber ebenfalls eine Quelle neuer Stämme, die zu Forschungszwecken eingesetzt werden könnten. In zwei weiteren Originalarbeiten (Trübe et al.; Int. J. Med. Microbiol.; 2019 und Fernandes et al.; Microorganisms; 2021) haben wir die Eignung verschiedener murin-adaptierter Stämme in Infektions- und Kolonisationsmodellen diskutiert. S. aureus-Isolate aus Wild- und Labormäusen wurden in BALB/c-Mäusen mit dem humanen Stamm Newman verglichen. Ein CC49-Isolat (S. aureus DIP), das aus Rötel- und Gelbhalsmäusen stammte, erwies sich als besonders virulent und provozierte selbst in einer im Vergleich mit dem Stamm Newman zehnfach geringeren Infektionsdosis vergleichbare Symptome und Immunreaktionen. Die geringere Infektionsdosis ist wahrscheinlich klinisch relevanter, da pathophysiologische Eigenschaften von S. aureus auch dichteabhängig reguliert werden (quorum sensing). In einem Kolonisationsmodell mit dem murin-adaptierten Laborstamm JSNZ wurde die dekolonisierende Wirkung von Aurintricarbonsäure (ATA) evaluiert. ATA war zuvor in breit angelegten in vitro-Screenings als potenter Adhäsionsinhibitor identifiziert worden. C57BL/6-Mäuse wurden mit JSNZ kolonisiert und anschließend mit ATA behandelt. Leider war ATA im Mausmodell wirkungslos, während mit der in der Klinik eingesetzten Kontrollsubstanz Mupirocin eine vollständige Dekolonisation erreicht werden konnte. JSNZ bestätigte sich jedoch als persistierender Besiedler der Maus. Dieses Besiedlungsmodell ist daher sehr gut geeignet, um neue Agenzien für eine S. aureus-Dekolonisierung zu testen oder die Wirt-Pathogen-Interaktion bei der Kolonisation im Detail zu analysieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich Mausmodelle besser für die Forschung an S. aureus eignen als bisher angenommen. Trotzdem muss die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen stets kritisch überprüft werden. Die Maus-adaptierten S. aureus-Stämme sind ein neues und potentes Werkzeug, die S. aureus-Forschung zu optimieren. Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit, Mäuse persistent zu kolonisieren, wie dies typisch für die Interaktion von S. aureus mit seinem menschlichen Wirt ist. Diese wichtige Facette im Zusammenspiel zwischen dem Erreger und seinem Wirt wird nun erstmals der experimentellen Forschung zugänglich.
  • The Gram-positive bacterium S. aureus colonizes about 20% of people persistently and asymptomatically, while the others alternate phases of colonization and non-colonization. As an opportunistic pathogen, S. aureus can also infect its host and cause a variety of diseases. These range from superficial skin and soft tissue infections to complex infectious events such as sepsis and can result in the death of the affected individual. Antibiotic-resistant variants such as methicillin-resistant S. aureus (MRSA) complicate therapy and are feared as "hospital germs." However, colonization and infection with MRSA is not limited to healthcare facilities, but also established in the general population as well as on farms. Since S. aureus can also colonize and infect a variety of wild and farm animals in addition to humans, which act as reservoirs, vectors as well as breeding sites for new variants, a holistic approach such as the "One Health" concept is required to control spread and infection. This requires appropriate animal models to analyze the complex interactions of S. aureus with its host. Most commonly, established laboratory mouse strains (e.g., C57BL/6, BALB/c) are used for this purpose and colonized or infected with human S. aureus strains. However, because S. aureus develops host tropism, the power of such mouse models is limited by the incompatibility between pathogen and host. Some aspects of host-pathogen interaction cannot be studied at all in these models. Here, mouse-adapted S. aureus strains might be a better option, especially since preliminary work of our group showed that mice are natural hosts of S. aureus. Therefore, this work aimed to investigate whether findings from humans can be replicated in mice, what the limitations of mouse models are, and which possible optimization approaches there might be. Further focus was on analyses of the population structure of S. aureus in murine species of different habitats and the adaptation of murine S. aureus isolates to their host. In addition, mouse-adapted strains were used in infection and colonization models to test their suitability in the mouse model. In an original paper (Mrochen et al.; Front. Immunol.; 2021), we used the immune response to the two S. aureus virulence factors SplB and GlpQ to describe that data from clinical trials can be recapitulated in the mouse. After vaccination with SplB S. aureus-naive mice showed an immune response similar to colonized/infected humans. Mice responded with a Th2 response to the non-adjuvanted protein SplB, and the number of eosinophils in the spleen was also significantly increased. SplB-specific IgE could be measured in the serum of the mice. Thus, the mouse model reflected the type 2 bias of the immune response to Spls from S. aureus known in humans. In contrast, GlpQ did not elicit a measurable immune response without adjuvant, thus had low immunogenicity. This indicates that S. aureus-naive mice may be suitable to study the intrinsic immunogenicity and immunopolarization potential of S. aureus proteins, which is important for the development of S. aureus vaccines. In a review article (Mrochen et al.; Int. J. Mol. Sci.; 2020), we illustrated the limitations of conventional S. aureus infection models in which mice are infected with human-adapted S. aureus isolates and provided alternatives. First, we presented the host tropism of S. aureus and mechanisms of host adaptation. Based on this, we discussed some limitations of conventional mouse models. We considered aspects of genetic variation in the mouse and S. aureus strains used, host-specific virulence factors, differences in the human and murine immune systems, the influence of the murine microbiome, and the infectious doses used. In summary, incompatibilities between human and murine S. aureus isolates limit bacterial fitness and virulence. This can massively limit the power of experiments. For example, receptor-ligand interactions that are reduced in affinity can impede nutrient acquisition, and the ineffectiveness of certain virulence factors (such as superantigens) can hinder immune evasion. We then presented and discussed alternative model approaches designed to improve different aspects of host-S. aureus interactions (humanized mice, dirty mice, wildlings). The use of mouse-adapted S. aureus strains, which is also possible, completely eliminates incompatibilities between mice and S. aureus, but cannot model some human-specific processes. In two other original papers (Mrochen et al.; Int. J. Med. Microbiol.; 2018 and Raafat et al.; Toxins; 2020), we described the population structure of S. aureus in laboratory mice or rats of different habitats (laboratory, wild) and illustrated the adaptation of the bacteria to these hosts. Around the globe, laboratory mice are colonized with S. aureus. Some murine isolates belonged to clonal complexes such as CC1, CC5, CC8, and CC15, which are also found in humans, so transmission from humans to mice is likely here. Nevertheless, many of the isolates showed clear signs of host adaptation. Thus, human-specific virulence factors were present less frequently than in human reference isolates of the same lines. However, 47% of the isolates belonged to clonal complex CC88, which is rare in humans. This line had already been identified as mouse-adapted in preliminary work of our group, which was confirmed here. In laboratory rats, a similar picture emerged. Here, too, many strains belonging to typical human lineages (e.g. CC1, CC8, CC15) were isolated, as well as CC88 isolates. They showed signs of adaptation to rats. S. aureus isolates from wild rats and from wild rat-derived rats in captivity had a completely different population structure. Among others, lines (CC49, CC130, ST890) that we isolated from wild mice in another study were found here. They also showed the signs of host adaptation. These studies show that colonization of laboratory mice and rats by S. aureus is widespread and probably mostly originates in humans. Nevertheless, the laboratory strains show signs of adaptation to the rodents, which implies a prolonged period of contact that allows these evolutionary processes to occur. Colonization of laboratory animals also has consequences for the constitution of the immune system, as it is primed to this bacterium. Furthermore, colonization can lead to opportunistic infections. Consequently, the S. aureus colonization status should always be recorded during experiments in order to be able to exclude or prove any influence on the results obtained. In wild rodents and their relatives, S. aureus has a different population structure, which seems to be stable over a certain period of time, even in captivity. Wild animals are thus an important reservoir and potential vector of S. aureus, but also a source of new strains that could be used for research purposes. In two other original papers (Trübe et al.; Int. J. Med. Microbiol.; 2019 and Fernandes et al.; Microorganisms; 2021), we discussed the suitability of different mouse-adapted strains in infection and colonization models. S. aureus isolates from wild and laboratory mice were compared with the human strain Newman in BALB/c mice. A CC49 isolate (S. aureus DIP) derived from red and yellow neck mice was found to be particularly virulent and provoked comparable symptoms and immune responses even at an infectious dose tenfold lower than that of strain Newman. The lower infective dose is probably more clinically relevant, since pathophysiological properties of S. aureus are also regulated in a density-dependent manner (quorum sensing). The decolonizing effect of aurintricarboxylic acid (ATA) was evaluated in a colonization model using the mouse-adapted laboratory strain JSNZ. ATA had previously been identified as a potent adhesion inhibitor in broad in vitro screenings. C57BL/6 mice were colonized with JSNZ and subsequently treated with ATA. Unfortunately, ATA was ineffective in the mouse model, whereas complete decolonization was achieved with the control compound mupirocin used in the clinic. However, JSNZ was confirmed to be a persistent colonizer of the mouse. This colonization model is therefore well suited to test new agents for S. aureus decolonization or to analyze in detail the host-pathogen interaction during colonization. The results of this work show that mouse models are more suitable for S. aureus research than previously thought. Nevertheless, the transferability of the results to humans must always be critically reviewed. Mouse-adapted S. aureus strains are a new and potent tool to optimize S. aureus research. Of particular interest is the ability to persistently colonize mice, as is typical of the interaction of S. aureus with its human host. This important facet of the interaction between the pathogen and its host is now becoming accessible to experimental research for the first time.

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Metadaten
Author: Daniel MrochenORCiD
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-62051
Title Additional (German):The suitability of murine models for research on Staphylococcus aureus
Referee:Prof. Dr. Barbara Bröker, Prof. Dr. Eva Medina
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2022
Date of first Publication:2022/05/12
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2022/05/06
Release Date:2022/05/12
GND Keyword:Staphylococcus aureus, Wirtsadaptation, Mausmodell
Page Number:176
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Immunologie u. Transfusionsmedizin - Abteilung Immunologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit