Open Access

Lisa Maletzki

• Staphylococcus aureus (S. aureus) endocarditis is still one of the most fatal heart diseases, with a mortality rate of 20-45%. In recent years, the importance of endothelial cells (ECs) in the context of endocarditis has become more evident. The vascular endothelium forms a selective barrier between blood and the adjacent tissue by maintaining an anti-inflammatory and anti-thrombogenic phenotype. However, in case of insertion of cardiac implants, an injury of the endothelium can occur which promotes platelet aggregation followed by S. aureus adherence to the platelets, especially in areas with low hemodynamic shear stress. This process is considered as a key event in the development of infective endocarditis (IE) and allows bacteria to colonize the heart valves. Despite extensive research, the pathogenesis of IE is still not completely understood. Therefore, further investigations are needed to enable an effective prevention of this life-threatening disease. In order to study the infection process of S. aureus, internalization experiments with two different S. aureus strains, one control strain (HG001) and one strain isolated from an endocarditis patient (T-72949) were performed in human coronary artery endothelial cells (HCAEC). Subsequently, an extensive proteome analysis of the host cells was carried out. More specific analyses were performed using peptidoglycan (PGN), a cell wall component of Gram-positive bacteria, which causes a pro-inflammatory response in ECs. In this context, the focus remained on the analysis of cellular changes in terms of cell stiffness, wound healing, and additionally platelet aggregation. The analysis of the HCAEC host proteome revealed a time-related difference depending on the infecting bacterial strain. Several proteins involved in host cell signaling pathways exhibited a higher abundance at earlier time points in host cells infected with endocarditis strain T-72949 compared to those infected with HG001. Further proteome analysis uncovered several adaptations on the cellular side that enable internalization and replication of both S. aureus strains as well as the activation of pathways that promote cellular recovery. Furthermore, it could be shown that PGN reduced cellular stiffness which could lead to an increased bacterial uptake and would thereby promote the development of a chronic S. aureus infection. Additionally, PGN prevented effective wound healing which promotes a pro-thrombotic and pro-inflammatory condition. This status could facilitate the bacterial infection of further cells. Apart from that, PGN induced platelet aggregation which could ease bacterial adhesion to thrombotic surfaces (e.g., dysfunctional endothelium). The following formation of a mature vegetation might protect the bacteria from the immune system and antibiotics. The results of the present work emphasize the central role of ECs in the context of IE. It could be demonstrated that a healthy monolayer of ECs enables a beneficial cell response and may prevent the development of vascular diseases. Moreover, the comprehensive proteome dataset which was generated in this project provides a valuable source of information for future studies to unravel further molecular mechanisms of endocarditis and possible therapeutic approaches.
• Endokarditis, die durch das Bakterium Staphylococcus aureus (S. aureus) ausgelöst wird, ist nach wie vor eine der tödlichsten Herzkrankheiten mit einer Mortalitätsrate von 20-45 %. In den vergangenen Jahren wurde die Bedeutung von Endothelzellen im Zusammenhang mit Endokarditis immer deutlicher. Das Gefäßendothel bildet eine selektive Barriere zwischen dem Blut und dem angrenzenden Gewebe, indem es einen anti-inflammatorischen und anti-thrombogenen Phänotyp aufrechterhält. Das Einbringen kardialer Implantate kann jedoch zu einer Verletzung des Endothels führen, was die Thrombozytenaggregation und anschließende Anlagerung von S. aureus an Thrombozyten fördert, insbesondere im Bereich mit einer niedrigen Hämodynamik. Dieser Prozess gilt als Schlüsselereignis bei der Entwicklung einer infektiösen Endokarditis und ermöglicht den Bakterien die Besiedlung der Herzklappen. Trotz umfangreicher Forschungsarbeiten ist die Pathogenese der infektiösen Endokarditis noch immer nicht vollständig geklärt. Daher sind weitere Untersuchungen erforderlich, um eine wirksame Vorbeugung gegen diese lebensbedrohliche Krankheit zu ermöglichen. Um den Infektionsprozess von S. aureus zu untersuchen, wurden Internalisierungsexperimente mit zwei verschiedenen S. aureus-Stämmen, einem Laborstamm (HG001) und einem aus einem Endokarditis-Patienten isolierten Bakterienstamm (T-72949), in menschlichen Endothelzellen aus der Koronararterie (HCAEC) durchgeführt. Anschließend wurde eine umfassende Proteomanalyse der Wirtszellen vorgenommen. Spezifischere Analysen wurden mit Peptidoglykan (PGN) durchgeführt, einem Zellwandbestandteil Gram-positiver Bakterien, der in Endothelzellen eine pro-inflammatorische Reaktion hervorruft. In diesem Zusammenhang lag der Schwerpunkt der Analyse bezüglich der zellulären Veränderungen auf der Zellsteifigkeit, der Wundheilung und zusätzlich der Thrombozytenaggregation. Die Analyse des Wirtsproteoms ergab einen zeitlichen Unterschied in Abhängigkeit von dem infizierenden Bakterienstamm. Signalwege von Zellen, die mit dem Endokarditisstamm T-72949 infiziert wurden, wiesen zu früheren Zeitpunkten eine höhere Abundanz von Proteinen auf als bei HG001. Weitere Proteomanalysen offenbarten mehrere Anpassungen auf zellulärer Seite, die die Internalisierung und Replikation beider S. aureus-Stämme sowie die Aktivierung von Signalwegen, die den zellulären Wiederaufbau fördern, ermöglichen. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass PGN die zelluläre Steifigkeit reduzierte, was zu einer erhöhten Bakterienaufnahme und somit zur Entwicklung einer chronischen S. aureus-Infektion führen könnte. Darüber hinaus verhinderte PGN eine effektive Wundheilung, was einen pro-thrombotischen und pro-inflammatorischen Zustand fördert. Dieser Zustand kann die bakterielle Infektion weiterer Zellen begünstigen. Außerdem induziert PGN die Thrombozytenaggregation, was die bakterielle Adhäsion an thrombotischen Oberflächen (z. B. dysfunktionales Endothel) erleichtern könnte. Die anschließende Bildung einer reifen Vegetation könnte die Bakterien vor dem Immunsystem und Antibiotika schützen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit verdeutlichen die zentrale Rolle der Endothelzellen bei der infektiösen Endokarditis. Es konnte gezeigt werden, dass eine gesunde Einzelschicht von Endothelzellen eine positive Zellantwort ermöglicht und die Entwicklung von Gefäßerkrankungen verhindern kann. Darüber hinaus stellt der umfassende Proteom-Datensatz, der in der vorliegenden Arbeit erstellt wurde, eine wertvolle Informationsquelle für zukünftige Studien dar, um weitere molekulare Mechanismen der Endokarditis und mögliche therapeutische Ansätze zu entschlüsseln.