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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:9-002550-5

Human humoral and cellular immune responses to Staphylococcus aureus lipoproteins and Panton-Valentine Leukocidin (PVL)

  • Staphylococcus aureus is present in around a third of the human population as a constant commensal in the anterior nares, in a third as an intermittent commensal, and a third are non-carriers. However, S. aureus is also a dangerous pathogen, responsible for many types of infections. Recently, the emerging of methicillin-resistant S. aureus strains has aggravated the health problem. Treating infections caused by the invasive strains has become ineffective with conventional antibiotics. Noticeably, transmission of S. aureus has occurred not only in healthcare settings but also in the community; furthermore, transmission between humans and domestic animals has been reported. Although studies about host-pathogen interactions of S. aureus have advanced our knowledge in the last decades, we still have not fully understood mechanisms of the immune system in responses to S. aureus. The aim of this study is to unravel interactions of the human adaptive immune system to selected S. aureus virulence factors. In particular, the study focuses on two aspects: the reaction of human antibodies to the bacterial extracellular proteins in S. aureus-induced furunculosis with an emphasis on Panton-Valentine Leukocidin and responses of the adaptive immune system to membrane-bound lipoproteins of S. aureus. Furunculosis is a variety of hair follicle infection in which S. aureus is one of the chief causal pathogens involved. The corresponding bacterial strains are generally capable of producing of a pore-forming toxin, known as Panton-Valentine Leukocidin (PVL). Recently, the emerging of pvl-positive methicillin-resistant S. aureus has become a problem for treating the bacterially caused furuncles. Colonization with the bacteria is a risk factor for development of chronic or recurrent boils. It is not yet known why furunculosis patients are largely infants or young adults. In this context, we untangled the responses of antibody IgG antibodies to S. aureus extra-cellular factors, notably the PVL toxin, in families in which the patients were children. Multiplex PCR demonstrated that S. aureus clones, isolated from the patients’ wounds but also from the nares of family members, harbored genes coding for PVL toxin. Spa-typing highlighted that bacterial genotypes were very similar in each family. This suggests that transmission of pvl-positive S. aureus took place between family members. The finding also raises the question why only the young patients but not family members who were colonized by the same S. aureus clones suffered from furunculosis. 2D immune proteomics procedures showed a tendency of higher IgG titers against bacterial virulence factors in family healthy members than in patients. PVL-specific antibodies were measured using ELISA, in which patients’ PVL-specific IgG titers were low. This supports the idea that antibodies, probably in conjunction with T cells, might contribute to clinical protection in furunculosis. This research will serve as a foundation for future studies, in which our results should be validated in a larger cohort. Among S. aureus’ virulence factors are lipoproteins, which are anchored in the bacterial cell membrane. Lipoproteins perform various functions in colonization, immune evasion, and immunomodulation. These proteins are potent activators of the complex of innate immune receptors termed Toll-like receptors (TLR) 2 and 6. This study addressed the specific B-cell and T-cell responses to lipoproteins in human S. aureus carriers and non-carriers. 2D immune proteomics and ELISA approaches revealed that titers of serum antibody (IgG) binding to the S. aureus lipoproteins were very low or even unmeasurable in healthy individuals except for the lipoprotein SaeP. Only patients with cystic fibrosis or epidermolysis bullosa who were heavily exposed to the bacteria, generated an antibody response also to lipoproteins. Proliferation assays and cytokine profiling data showed only subtle responses of T cells in healthy individuals; three out of eight tested lipoproteins did not elicit proliferation. Hence, the robust activation of the innate immune system by S. aureus lipoproteins does not translate into a strong adaptive immune response. Reasons for this may be inaccessibility of lipoproteins for B cells as well as ineffective processing and presentation of the antigens to T cells. The main findings implicate that family members can serve as S. aureus reservoirs causing recurrent furunculosis in young patients and that antibodies may provide partial protection from such infections by S. aureus. We have found that, different from proteins that are secreted by S. aureus, lipoproteins which anchored in the bacterial cell membrane, do not trigger strong responses from the human adaptive immune system. This suggests that these proteins remain mostly hidden in the bacterial cell-wall.
  • Staphylococcus aureus kolonisiert etwa ein Drittel der gesunden Bevölkerung als persistierender Kommensale, vorwiegend in den Nasenvorhöfen. Daneben kann S. aureus als gefährlicher Pathogen ein breites Spektrum an Infektionen hervorrufen. Die Therapie dieser Infektionen wird jedoch durch die Verbreitung von Antibiotika-resistenten S. aureus-Isolaten erschwert. Trotz intensiver Erforschung dieser komplexen Wirt-Pathogen Interaktion in den letzten Jahrzehnten, sind die Mechanismen der adaptiven Immunantwort auf S. aureus nicht vollends aufgeklärt. Diese Arbeit sollte die adaptive Immunantwort des Menschen auf bestimmte S. aureus Virulenzfaktoren näher beleuchten. Dabei fokussierte sich die Arbeit auf zwei Aspekte: Zum einen die humane Antikörperantwort auf extrazelluläre bakterielle Proteine in S. aureus-induzierter Furunkulose, mit Schwerpunkt auf dem Panton-Valentin-Leukozidin (PVL), zum anderen die Immunantwort gegen membrangebundene Lipoproteine von S. aureus. S. aureus ist einer der wichtigsten ursächlichen Erreger von Infektionen der Haarfollikel, sogenannten Furunkulosen. An der Ausprägung des Krankheitsbildes sind in der Regel Bakterienstämme beteiligt, die in der Lage sind, das porenbildende Toxin PVL zu produzieren. PVL-positive, Methicillin-resistente S. aureus stellen ein neuerdings auftretendes Problem bei der Behandlung bakteriell verursachter Furunkel dar. Zudem ist eine Kolonisierung mit den Bakterien ein Risikofaktor bei der Entwicklung chronischer und rekurrenter Furunkel. Bislang ist unklar, weshalb vor allem Neugeborene und Jugendliche zu den Furunkulose-Patienten zählen. In dieser Arbeit wurde deshalb die Bildung von IgG-Antikörpern gegen extrazelluläre Faktoren von S. aureus, insbesondere gegen das PVL-Toxin in betroffenen Kindern sowie ihren Familien untersucht. Mithilfe von Multiplex-PCR-Ansätzen konnte gezeigt werden, dass S. aureus-Klone aus den Wunden der Patienten und aus Nasenabstrichen von Familienangehörigen PVL-kodierende Gene besaßen. Durch spa-Typisierung wurde innerhalb der Familien eine hohe Ähnlichkeit der bakteriellen Genotypen nachgewiesen. Dies lässt die Transmission PVL-positiver S. aureus zwischen den Familienmitgliedern vermuten. Es stellt sich jedoch die Frage, warum nur junge Patienten an Furunkulose litten, nicht jedoch Familienmitglieder, die mit dem gleichen S. aureus-Klon besiedelt waren. Durch 2D-Immunproteomanalysen konnte gezeigt werden, dass gesunde Familienmitglieder eine Tendenz zu höheren IgG-Titern gegen bakterielle Virulenzfaktoren besaßen als Patienten. Mittels ELISA wurden zudem PVL-spezifische Antikörper nachgewiesen. Dabei wurde ein geringer Titer von PVL-spezifischem IgG in Patienten gefunden. Dies lässt vermuten, dass Antikörper, wahrscheinlich in Verbindung mit T-Zellen, zum klinischen Schutz vor Furunkulose beitragen. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für zukünftige Studien, in denen diese Ergebnisse in einer größeren Kohorte validiert werden sollten. Zu der Vielzahl von S. aureus-Virulenzfaktoren gehören auch die membrangebundenen Lipoproteine. Lipoproteinen wird eine Rolle bei Kolonisierung, Immunevasion sowie Immunmodulation durch S. aureus zugeschrieben. Sie aktivieren die Mustererkennungsrezeptoren des innaten Immunsystems, die Toll-like-Rezeptoren 2 und 6. In dieser Arbeit wurde die spezifische B- und T-Zellantwort auf Lipoproteine in gesunden S. aureus-Trägern und nicht-Trägern untersucht. Die Untersuchung der Antikörperantwort mittels 2D-Immunproteomanalysen und ELISAs zeigte, dass die Serumtiter von Lipoprotein-spezifischem IgG in gesunden Individuen kaum detektierbar oder nur sehr gering waren; mit Ausnahme des Lipoproteins SaeP. Dagegen generierten zystische Fibrose- und Epidermolysis bullosa-Patienten, die bedingt durch ihr Krankheitsbild stark S. aureus-exponiert sind, deutlich höhere Antikörpertiter gegen Lipoproteine. Mittels Proliferationsassays und Zytokinprofiling wurde die humane T-Zellantwort charakterisiert. Hier zeigte sich eine geringe T-Zellantwort in gesunden Individuen, wobei drei der acht Lipoproteine keinerlei Proliferation von T-Zellen induzierten. Lipoproteine sind demnach nicht in der Lage, eine robuste adaptive Immunantwort auszulösen. Die Tatsache, dass Lipoproteine tief in der bakteriellen Zellmembran eingebettet und damit für Immunzellen schlecht zugänglich sind, kann als mögliche Ursache angesehen werden. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass eine Transmission von S. aureus zwischen Familienmitgliedern stattfindet und dass die Besiedlung von jungen Patienten zu Furunkulose führen kann. Antikörper könnten zum teilweisen Schutz vor solchen S. aureus-Infektionen beitragen. Zudem konnte gezeigt werden, dass im Unterscheid zu sekretierten S. aureus-Proteinen, die membrangebundenen Lipoproteine keine starke adaptive Immunantwort induzieren. Dies deutet darauf hin, dass Lipoproteine aufgrund ihrer Membranverankerung dem Immunsystem verborgen bleiben.

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Metadaten
Author: Chi Hai Vu
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002550-5
Title Additional (English):Human humoral and cellular immune responses to Staphylococcus aureus lipoproteins and Panton-Valentine Leukocidin (PVL)
Title Additional (German):Die humane humorale und zelluläre Immunantwort auf Staphylococcus aureus- Lipoproteine und das Panton-Valentin-Leukozidin
Advisor:Prof. Dr. Barbara M. Bröker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2016/06/13
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2016/05/30
Release Date:2016/06/13
Tag:Human, Immune response, Lipoprotein, Panton-Valentine Leukocidin, Staphylococcus aureus
GND Keyword:Immunantwort, Lipoprotein, Panton-Valentin-Leukozidin, Staphylococcus aureus
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Immunologie u. Transfusionsmedizin - Abteilung Immunologie
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit