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Bitte verwenden Sie diesen Link, wenn Sie dieses Dokument zitieren oder verlinken wollen: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:gbv:9-002277-2

Rolle von antioxidativen Enzymen bei Infektionen mit Burkholderia pseudomallei

  • Aufgrund der Erschöpfung des antioxidativen Abwehrsystems des Organismus entstehen während einer Sepsis schwere Zell- und Organschäden durch die unkontrollierte Freisetzung von ROS. Da bisher wenig über die Regulation und Funktion antioxidativer Enzyme bei mikrobiellen Infektionen bekannt ist, sollten die Stressproteine Peroxiredoxin 6 (Prx 6) und Hämoxygenase-1 (HO-1) sowie die Metabolite des Häm-Abbaus Kohlenstoffmonoxid (CO) und Eisen am Beispiel von Infektionen mit Burkholderia pseudomallei, dem fakultativ intrazellulär lebenden Gram negativen Erreger der Melioidose, charakterisiert werden. Im Rahmen dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Genexpression von Prx 6 als Antwort auf eine Infektion mit B. pseudomallei in Knochenmarkmakrophagen (BMM) und Organen von C57BL/6-Mäusen differenziell reguliert wird. Obwohl weder der Knockout noch die Überexpression von Prx 6 einen Einfluss auf das intrazelluläre Überleben und die zytotoxische Wirkung von B. pseudomallei in BMM ausübte, deuten die Ergebnisse auf eine Beteiligung von Prx 6 bei der Regulation der Zytokinexpression nach der Infektion hin. In einem pulmonalen sowie systemischen Mausmodell konnte belegt werden, dass die Überexpression von Prx 6 einen Überlebensvorteil infizierter Mäuse darstellt, welcher mit reduzierten Keimlasten in Organen sowie Änderungen im Zytokinprofil einherging. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass die Überexpression von Prx 6 an der Eingrenzung der proinflammatorischen Antwort nach einer Infektion mit B. pseudomallei beteiligt ist und dadurch zum Schutz des Wirtes beitragen kann. Im zweiten Teil der Arbeit konnte nachgewiesen werden, dass die Genexpression des ebenfalls häufig im Zusammenhang mit dem Zellschutz beschriebenen Enzyms HO-1 durch eine Infektion mit B. pseudomallei in BMM sowie Lunge, Leber und Milz von C57BL/6-Mäusen induziert wird. Die pharmakologische Induktion der HO-1 resultierte in einer Reduktion der proinflammatorischen Antwort von BMM, wodurch das intrazelluläre Überleben von B. pseudomallei und die damit verbundene Zellschädigung begünstigt wurden. In vivo führte die Induktion der HO-1 zur Einschränkung der Pathogenkontrolle, was sich in einem früheren Versterben, erhöhten Keimlasten am Infektionsherd und den peripheren Organen sowie einer erhöhten Zytokinfreisetzung und Zellschädigung infizierter Tiere äußerte. Auch der Einsatz eines CO-freisetzenden Moleküls schränkte die Abwehr gegenüber B. pseudomallei in BMM und in vivo ein. Im dritten Teil der Arbeit deuten die Ergebnisse zum Einfluss von Eisen, als weiteren Häm-Metaboliten, darauf hin, dass die Erhöhung der Verfügbarkeit des für den Wirt und das Pathogen essentiellen Metalls teilweise für die schädigende Wirkung der HO-1-Induktion bei muriner Melioidose verantwortlich gemacht werden kann. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Genexpression des Peptidhormons Hepcidin und des Eisenspeicherproteins Ferritin durch die Infektion von BMM mit B. pseudomallei, bei gleichzeitiger Reduktion der Transkription des Eisenexprotproteins Ferroportin, induziert wird. Die exogene Erhöhung der Eisenverfügbarkeit in BMM führte zu einer verstärkten intrazellulären Replikation, während die Depletion dieses Elements das Überleben von B. pseudomallei reduzierte. Infolge einer intranasalen Infektion mit B. pseudomallei war die Genexpression von Ferroportin in der Leber reduziert, was die Einlagerung von Eisen in die Leber erhöhte. Verursacht durch erhöhte Genexpressionsraten von Hepcidin stieg dessen systemische Konzentration, wodurch es zur Etablierung hypoferrämischer Bedingungen im Serum infizierter Mäuse kam. Auch im Mausmodell begünstigte die Erhöhung der Eisenverfügbarkeit das bakterielle Wachstum in Organen, die proinflammatorische Antwort des Wirtes sowie die Hepicidinkonzentration im Serum. Im Gegensatz dazu führte die Chelation von Eisen zur Reduktion der bakteriellen Ausbreitung und einem verbesserten Überleben infizierter Tiere. Die Verfügbarkeit von Eisen begünstigt demnach nicht nur das Überleben von B. pseudomallei in der Umwelt und die Bildung von Biofilmen, sondern ist auch im Rahmen muriner Melioidose ein kritischer Faktor für die Pathogenese.
  • Due to overload of the antioxidative host defense system, the uncontrolled release of ROS leads to severe cell and organ injury during sepsis. Since litte is known about the regulation und function of antioxidative enzymes during microbial infection, the stress proteins peroxiredoxin 6 (Prx 6) and heme oxygenase-1 (HO-1) including the heme degradation products carbon monoxide (CO) and iron should be characterized during infections with Burkholderia pseudomallei, a facultative intracellular gram-negative rod shaped bacterium and the causative agent of melioidosis. In the present work, it could be shown that following infection with B. pseudomallei the gene expression of Prx 6 is differentially regulated in bone marrow derived macrophages (BMM) and organs of C57BL/6 mice. Although neither the knockout nor the overexpression of Prx 6 has an influence on the intracellular survival and cytotoxicity of B. pseudomallei in BMM, Prx 6 is involved in the regulation of the cytokine expression in response to infection. The overexpression of Prx 6 ameliorates the outcome of murine melioidosis in both a pulmonary and systemic infection model, which is associated with prolonged survival, reduced bacterial load in organs and changes in the cytokine profile. Thus, the overexpression of Prx 6 may contribute to host protection, due to limitation of the proinflammatory response during infection with B. pseudomallei. In the second part it could be demonstrated that the gene expression of the cytoprotective HO-1 is induced in BMM as well as in lung, liver and spleen of C57BL/6 mice during infection with B. pseudomallei. Pharmacological induction of HO-1 results in a reduced proinflammatory response in BMM leading to enhanced intracellular bacterial growth accompanied by higher cell damage. In vivo induction of HO-1 limits the pathogen control leading to reduced survival of infected animals, which might be caused by an increased bacterial load in organs as well as higher cytokinerelease and cell damage. Using a CO-releasing molecule it could be shown that CO reduces the host defense against B. pseudomallei in BMM and in vivo as well. In the third part it could be demonstrated that iron, as second heme degradation product and essential nutrient for both the host and the pathogen, may also contribute to the deleterious effect of HO-1 induction. It could be shown in this work that gene expression of the peptide hormone hepcidin and the iron storage protein ferritin is induced in BMM after infection with B. pseudomallei, whereas transcription of the iron export protein ferroportin is reduced. The supplementation of iron leads to increased bacterial survival in BMM, whereas the iron depletion enhances the anti-B. pseudomallei activity of macrophages. Following intranasal infection with B. pseudomallei the gene expression of ferroportin is reduced in murine livers causing hepatic iron storage. The increased gene expression and systemic concentration of hepcidin leads to establishment of hypoferremic conditions in the serum of infected mice. An increase in iron availability promotes bacterial growth at the side of infection and dissemination of the pathogen as well as the proinflammatory host response. In contrast, limitation of iron improves the outcome of murine melioidosis. Therefore, the iron availability influences the presence of B. pseudomallei in natural habitats and biofilms, but is also a critical factor during murine melioidosis.

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Metadaten
Author: Imke Schmidt
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002277-2
Title Additional (English):Role of antioxidative enzymes during infections with Burkholderia pseudomallei
Advisor:Prof. Dr. Ivo Steinmetz
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2015/07/10
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2015/06/29
Release Date:2015/07/10
Tag:Kohlenstoffmonoxid, Wirt-Pathogen-Interaktion, antioxidative Enzyme
GND Keyword:Burkholderia, Eisen, Hämoxygenase, Immunreaktion, Makrophage, Oxidativer Stress, Peroxiredoxin, Sepsis, Signaltransduktion
Faculties:Universitätsmedizin / Friedrich-Loeffler-Institut für Medizinische Mikrobiologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 570 Biowissenschaften; Biologie