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Lea Tölken

• During infections, innate immune cells are crucial for initiating a pro-inflammatory immune response and clearing the invading pathogen. Delay in pathogen clearance or initiation of an immune response due to impaired functionality of immune cells can result in devastating consequences. The cellular compartment of the innate immune system comprises an array of specialized cell types: Macrophages are tissue-resident professional phagocytes that clear cellular debris, pathogens, and foreign objects. Dendritic cells (DCs) are immune sentinels specialized in antigen uptake and subsequent T cell priming. They are primary sources of cytokines in response to infection. Neutrophils are efficient effector cells that respond rapidly to infection and clear bacteria by different mechanisms. If effector mechanisms of these cells are affected by either bacterial or other factors, infections might not be resolved and can spread throughout the host. Cobalt-chromium-molybdenum biomaterial is widely used in arthroplasty. Implant-derived wear particles and ions lead to macrophage-driven adverse local tissue reactions: Such reactions have been linked to an increased risk of periprosthetic joint infection after revision arthroplasty. While metal-induced cytotoxicity is well characterized in human macrophages, direct effects on their functionality remain elusive. In Paper I, we show that local peri-implant tissue is exposed to Co and Cr in situ. Influx of macrophages is also evident. Exposure of isolated human monocytes/macrophages to Cr3+ in vitro had only minor effects. However, exposure of monocytes/macrophages to pathologic concentrations of Co2+ significantly impaired both phenotype and functionality. High concentrations of Co2+ induced loss of surface markers, including CD14 and CD16. Both Co2+ and Cr3+ impaired macrophage responses to Staphylococcus aureus infection. Co2+ -exposed macrophages, in particular, showed decreased phagocytic activity. These findings demonstrate the immunosuppressive effects of locally elevated metal ions on the innate immune response. Streptococcus pyogenes (group A streptococcus, GAS) causes a variety of diseases ranging from mild to severe necrotizing soft tissue infections (NSTIs). In the host environment hypervirulent GAS variants carrying mutations within the genes encoding for control of virulence (Cov)R/S two component system are enriched. This adaptation is associated with loss of SpeB secretion. In Paper II, we show that in vitro infections with hyper-virulent GAS variants harboring dysfunctional CovR/S suppress secretion of IL-8 and IL-18 by human monocytic cells. This phenotype was mediated by a caspase-8 dependent mechanism. Knockout of streptococcal SLO in a GAS strain carrying functional CovR/S even increased secretion of IL1β and IL-18 by moDCs. Of 67 fully sequenced GAS NSTI isolates, 28 contained covS or covR mutations that rendered the TCS dysfunctional. However, no differences in systemic IL-8 and IL-18 were detected in these patients. GAS isolates recovered from patients often display a mixed phenotype, consisting of SpeB positive (SpeB+ ) and SpeB negative (SpeB- ) clones. Irreversible loss of SpeB expression is often caused by loss of function mutations in regulatory components (CovR/S, RopB). Loss of SpeB is often associated with hyper-virulence. In Paper III, we show that the host environment induces transiently abrogated secretion of SpeB by GAS. Tissue inflammation, neutrophil influx, and degranulation correlated with increased frequencies of SpeB- GAS clones. Isolates recovered from tissue expressed but did not secrete SpeB, which was reversible. Neutrophilderived ROS were identified as the main factor responsible for abrogated SpeB secretion. Hyper-virulent SpeB- clones also exhibit better survival within and induce excessive degranulation of neutrophils.
• Während einer Infektion sind die Zellen des innaten Immunsystems unabdingbar für die schnelle Initiation einer proinflammatorischen Immunantwort und die Bekämfung des eindringenden Erregers. Eine verspätete Reaktion oder eine Beeinträchtigung der Funktionalität der Immunzellen kann verheerende Folgen haben. Das innate Immunsystem besteht aus einer Vielzahl spezialisierter Effektorzellen mit spezifischen Aufgaben. Makrophagen sind geweberesidente Zellen, welche Fremdkörper, Zelltrümmer und eindringende Pathogene phagozytieren und abtöten. Dendritische Zellen (DCs) sind spezialisiert auf die Präsentation von Antigenen für T Zellen und deren Aktivierung. Zu diesem Zweck sekretieren DCs auch eine Vielzahl von Zytokinen. Neutrophile sind effiziente Effektorzellen, die schnell auf Infektionen reagieren und Bakterien über verschiedene Wege abtöten. Wenn die Mechanismen dieser Zellen durch bakterielle oder anderweitige Faktoren gestört oder beeinflusst werden, können entstehende Infektionen eventuell nicht rechtzeitig eingedämmt werden und die Erreger breiten sich im Körper aus. Kobalt-Chrom-Molybdän (CoCrMo) Legierungen sind gängige Endoprothesenmaterialien, welche häufig in der Arthoprosthetik zum Einsatz kommen. Durch Abnutzungsvorgänge vom Implantat freigesetzte Partikel und Ionen können zu adversen lokalen Gewebsreaktionen führen. Diese werden häufig durch Makrophagen verursacht und gehen mit einem erhöhten Risiko von periprosthetischen Infektionen einher. Metallinduzierte Zytotoxizität gegenüber humanen Makrophagen ist ein gut charakterisiertes Phänomen. Wohingegen die Auswirkungen von Metallexposition auf Funktion und Phänotyp von Makrophagen noch unbekannt sind. In Paper I wird gezeigt, dass das periprosthetische Gewebe gegenüber Co und Cr exponiert ist. Außerdem wurden Areale mit verstärkter Einwanderung von Makrophagen beobachtet. Exposition gegenüber Cr3 hatte nur geringe Effekte auf den Phänotyp der Makrophagen, während Exposition gegenüber Co2+ Phänotyp und Funktion stark beeinträchtigte. Pathologische Konzentrationen von Co2+ induzierten den Verlust von Oberflächenexpression bestimmter Marker (CD14, CD16). Sowohl Co2+ als auch Cr3+ verhinderten Aktivierung von Makrophagen nach Infektion mit Staphylococcus aureus. Diese Ergebnisse zeigen, dass lokal erhöhte Konzentrationen von Metallionen immunsuppressive Effekte haben und die Funktion innater Immunzellen beeinträchtigen. Streptococcus pyogenes (GAS, Gruppe A Streptokokken) verursacht eine Vielzahl humaner Erkrankungen. Diese reichen von milden, bis hin zu schweren nekrotisierenden Weichteilinfektionen (NSTI). Innerhalb des Wirtes können hypervirulente GAS-Klone entstehen. Dies geschieht häufig durch Mutationen der für das Zweikomponentensystem CovR/S kodierenden Gene covS und covR. Dies geht oft mit Verlust der Sekretion der Protease SpeB einher. In Paper II wird gezeigt, dass hypervirulente GAS Stämme die Sekretion von Interleukin (IL)-8 und IL-18 durch humane monozytäre Zellen supprimieren. Dieser Phänotyp wurde durch die Initiator-Caspase-8 vermittelt. Deletion des Zytolysins SLO in einem Stamm mit funktionalem CovR/S führte außerdem zu erhöhter Sekretion von IL-1β und IL-18 durch infizierte DCs. In 67 sequenzierten GAS Isolaten aus NSTI Patienten konnten 28 potenziell inaktivierende Mutationen von covS oder covR gefunden werden. Allerdings konnten im Plasma der Patienten keine Unterschiede der systemischen Konzentrationen von IL-8 und IL-18 festgestellt werden. GAS Patientenisolate zeigen oft einen gemischten Phänotyp, bestehend aus SpeB positiven (SpeB+) und SpeB- Klonen. Irreversibler Verlust der Sekretion von SpeB wird oft durch Mutationen in regulatorischen Elementen (CovR/S, RopB) verursacht, welche mit Hypervirulenz verbunden sind. In Paper III wird gezeigt, dass die Wirtsumgebung zu einem transienten Verlust der Sekretion von SpeB durch GAS führt. Inflammation des Gewebes, Einwanderung von neutrophilen und neutrophile Degranulation korrelierten mit dem vermehrten auftreten SpeB- GAS Klone. Aus Gewebe isolierte GAS exprimierten SpeB, während sie dieses jedoch nicht sekretieren. Von Neutrophilen produzierte reaktive Sauerstoffspezies waren der Hauptfaktor, welcher zum Verlust der SpeB Sekretion durch GAS führte. Außerdem verursachten hypervirulente SpeB- Klone exzessive Degranulierung von Neutrophilen und konnten intrazellulär replizieren.