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Immunantwort gegen Superantigene bei Staphylococcus aureus Carriern

  • SUMMARY To date, Staphylococcus aureus is the most common cause of nosocomial infections and the species is becoming increasingly resistant to antibiotics. Beyond this, S. aureus colonises the nasal mucosa of circa 35% of the healthy population, so-called carriers. Importantly, S. aureus nasal carriage is a major risk factor for the development of S. aureus infections, which are commonly caused by the colonising strain. This underlines the importance of host factors for the outcome of S. aureus-host interactions. Despite the clinical importance of nasal carriage, little is known about humoral immune responses triggered by colonisation. Therefore, this thesis was focussed on the anti-staphylococcal antibody responses of S. aureus carriers and noncarriers. Staphylococcal superantigens (SAgs) served as indicator antigens for our studies. SAgs are virulence factors with extraordinary variability in the species S aureus and act as extremely potent T cell mitogens. To date, 19 different SAg gene loci are known in the species S. aureus, but molecular-epidemiological studies on the distribution of these genes are limited. Therefore, we established five multiplex PCRs for the detection of all known SAgs. With this robust and high-throughput technique we analysed the SAg gene patterns of more than 300 isolates, including 107 nasal isolates of S. aureus carriers and 88 blood culture isolates of hospital patients from Western Pomerania. The SAg gene patterns were highly heterogeneous, which can be explained by their localisation on mobile genetic elements (MGE), such as genomic islands, pathogenicity islands, phages and plasmids. Most isolates (~80%) harboured SAg genes, on average five to six, and SAgs of the enterotoxin gene cluster (egc) were by far the most prevalent. Additionally, we observed a strict correlation between the presence of SAg genes and the T cell mitogenic potency of clinical isolates. SAg-encoding MGEs can be distributed by two distinct mechanisms: horizontal transfer by bacteriophages and vertical transmission to daughter cells. To investigate the distribution of SAg genes within the S. aureus population, we determined the clonal relationship of our isolates by spa genotyping. Interestingly, SAg-gene encoding MGEs were not randomly distributed, but rather closely linked to clonal lineages. Each clonal lineage was characterised by defined combinations of SAg genes. These data suggest that the simultaneous assessment of virulence gene profiles and the genetic background strongly enhances the discriminatory power of genetic investigations into the mechanisms of S. aureus virulence. Indeed, the comparison of virulence genes within each clonal complex indicated a role in invasiveness for some MGEs, e.g. the exfoliative toxin D-encoding pathogenicity island, while rendering it unlikely for SAgs. It is known that neutralising serum antibodies against the SAgs SEA, SEB, SEC, SED and TSST-1 are frequently present in healthy individuals. However, the neutralising antibody profiles against more recently described SAgs or complex SAg cocktails as secreted by clinical isolates had not been determined so far. Therefore, we screened more than 100 sera for their SAg neutralising capacity with a neutralisation assay. We observed a marked heterogeneity and surprisingly large “gaps” in the neutralising capacity. Interestingly, the egc SAgs were inhibited only rarely (5-10%), whereas between 32 and 86% of the tested sera neutralised “classical” SAgs. This “egc gap” in the SAg-neutralising antibody profiles of healthy individuals was unexpected, since egc SAgs are by far the most prevalent SAgs. We could demonstrate that the “egc gap” is probably not due to different T cell activating properties of egc SAgs compared to classical SAgs, but rather to a differential regulation of SAg gene expression. S. aureus carriers have an increased risk of developing an S. aureus bacteraemia, which is in most cases caused by the colonising strain. Intriguingly, a large prospective clinical trial revealed a considerably higher mortality in noncarriers with invasive S. aureus strains compared to carriers with invasive disease. To explain these paradoxical findings, we hypothesised that in carriers partial immunity against the colonising strain may contribute to their improved outcome. We used SAgs as strain-specific indicator antigens. Importantly, sera from persistent carriers neutralised SAgs of their colonising strain with significantly higher efficiency than sera from noncarriers. This antibody response was strain-specific, since the antibody response of carriers against other SAgs did not differ from that of noncarriers. Thus, colonisation with S. aureus confers a strong and strain-specific antibody response against staphylococcal SAgs. We suggest that in carriers neutralising antibodies directed against SAgs and other staphylococcal virulence factors confer partial protection during systemic infections. This could explain the better prognosis of carriers with S. aureus bacteraemia compared to noncarriers. Moreover, our data imply that the key to understanding the pathogenesis of S. aureus disease may lie in the identification of host factors rather than bacterial factors. Such host factors could be the immune status and gene polymorphisms that contribute to colonisation, susceptibility to infection and outcome of infection. Finally, while the treatment of S. aureus bacteraemia with pooled immunoglobulins was performed in the past without significant success, our findings on strain-specific antibody profiles suggest that therapies with customised cocktails of monoclonal antibodies could have a higher efficacy.
  • ZUSAMMENFASSUNG Staphylococcus aureus ist der häufigste Erreger nosokomialer Infektionen, und die zunehmende Antibiotikaresistenz dieser Spezies ist besorgniserregend. Zugleich besiedelt S. aureus die Nasenschleimhaut bei circa 35% der gesunden Bevölkerung, so genannten Carriern. Die nasale Besiedlung mit S. aureus ist ein wichtiger Risikofaktor für die Entstehung von S. aureus Infektionen, die zumeist durch den kolonisierenden Stamm verursacht werden. Dies unterstreicht die Bedeutung von Wirtsfaktoren für den Ausgang von S. aureus-Wirtsinteraktionen. Trotz der klinischen Bedeutung der nasalen Besiedlung ist über die humorale Immunantwort des Wirtes auf eine solche Besiedlung mit Staphylokokken wenig bekannt. Darum stand die anti-S. aureus Antikörperantwort von Carriern und Nichtcarriern im Mittelpunkt dieser Arbeit. Staphylokokken-Superantigene (SAg) dienten in unseren Studien als Indikatorantigene. SAg sind Virulenzfaktoren mit außergewöhnlicher Variabilität in der Spezies S. aureus und wirken als hoch potente T-Zellmitogene. Es sind inzwischen 19 verschiedene SAg-Genloci in der Spezies S. aureus bekannt, aber es gibt bisher nur wenige umfassende Untersuchungen zu ihrer Verteilung. Deshalb haben wir zunächst fünf Multiplex-PCRs zum Nachweis aller 19 SAg-Gene etabliert. Mit dieser robusten Hochdurchsatzmethode haben wir das SAg-Genmuster von mehr als 300 Isolaten untersucht, darunter 107 nasale Isolate von S. aureus Carriern und 88 Blutkulturisolate von Krankenhauspatienten aus Vorpommern. Die SAg-Genmuster waren sehr heterogen, was sich durch die Lokalisation der SAg-Gene auf mobilen genetischen Elementen (MGE), wie genomischen Inseln, Pathogenitätsinseln, Phagen und Plasmiden, erklären lässt. Die meisten Isolate (80%) besaßen SAg-Gene, im Durchschnitt fünf bis sechs, und die SAg des Enterotoxin-Genclusters (egc) waren bei weitem die häufigsten. Außerdem beobachteten wir eine strikte Korrelation zwischen dem Vorhandensein von SAg-Genen und der T-Zell-mitogenen Potenz von klinischen Isolaten. SAg-kodierende MGEs können durch zwei verschiedene Mechanismen verbreitet werden: horizontaler Transfer durch Bakteriophagen und vertikale Übertragung auf Tochterzellen. Um die Verteilung der SAg innerhalb unserer S. aureus-Population zu untersuchen, wurde die klonale Verwandtschaft der S. aureus-Isolate mittels spa-Genotypisierung bestimmt. Interessanterweise waren die SAg-kodierenden MGEs nicht zufällig verteilt, sondern eng an die klonalen Linien gekoppelt. Jede dieser klonalen Linien war durch eine bestimmte Kombination von SAg-Genen charakterisiert. Diese Befunde implizieren, dass die simultane Bestimmung von Virulenzgen-Profilen und dem genetischen Hintergrund die Trennschärfe von genetischen Untersuchungen von S. aureus Virulenzmechanismen erheblich erhöht. Durch den Vergleich der Virulenzgene von kommensalen und invasiven Isolaten mit dem gleichen genetischen Hintergrund ließ sich für das exfoliative Toxin D (bzw. die kodierende Pathogenitätsinsel) eine Bedeutung für die Invasivität von S. aureus aufzeigen, für SAg dagegen mit großer Wahrscheinlichkeit ausschließen. Es ist bekannt, dass neutralisierende Serumantikörper gegen die SAg SEA, SEB, SEC, SED und TSST-1 in gesunden Individuen häufig vorkommen. Die neutralisierenden Antikörper gegen die erst kürzlich beschriebenen SAg oder gegen komplexe SAg-Cocktails, wie sie von klinischen Isolaten sezerniert werden, wurden bisher jedoch noch nicht bestimmt. Darum haben wir über 100 Seren in Neutralisationsassays auf ihre SAg-neutralisierende Kapazität hin untersucht. Wir beobachteten eine erhebliche Heterogenität und erstaunlich große „Lücken“ in der anti-SAg-Antikörperantwort. Besonders egc-SAg wurden nur selten inhibiert (5-10%), während zwischen 32 und 86% der getesteten Seren „klassische“ SAg neutralisierten. Diese “egc-Lücke” in den SAg-neutralisierenden Antikörperprofilen gesunder Individuen war unerwartet, weil die egc-SAg mit Abstand am häufigsten vorkommen. Wir konnten zeigen, dass die „egc-Lücke“ wahrscheinlich nicht auf unterschiedliche T-Zellaktivierung durch egc-SAg im Vergleich zu klassischen SAg zurückzuführen ist, sondern auf eine unterschiedliche Regulation der SAg-Genexpression. S. aureus Carrier haben ein erhöhtes Risiko eine S. aureus Bakteriämie zu entwickeln, welche in den meisten Fällen durch den kolonisierenden Stamm verursacht wird. Erstaunlicherweise zeigte eine große prospektive klinische Studie, dass eine Bakteriämie bei Carriern eine deutlich geringere Letalität hat als bei Nichtcarriern. Um dieses Paradoxon zu erklären, haben wir die Hypothese aufgestellt, dass bei Carriern eine partielle Immunität gegen den kolonisierenden Stamm zu ihren verbesserten Überlebensraten beitragen könnte. Hierzu haben wir SAg als stamm-spezifische Indikatorantigene eingesetzt. Seren von persistierenden Carriern neutralisierten SAg ihres eigenen kolonisierenden Stammes mit signifikant höherer Effizienz als Seren von Nichtcarriern. Diese Antikörperantwort der Carrier war stammspezifisch, da sich die Antikörperantwort der Carrier gegen andere SAg nicht von der der Nichtcarrier unterschied. Somit löst die Besiedlung mit S. aureus eine starke, stammspezifische Antikörperantwort gegen Staphylokokken-SAg aus. Wir vermuten, dass bei Carriern neutralisierende Antikörper, die gegen SAg oder andere Staphylokokken-Virulenzfaktoren gerichtet sind, einen partiellen Schutz bei systemischen Infektionen gewähren. Dies könnte die bessere Prognose von Carriern mit einer S. aureus-Bakteriämie erklären. Außerdem implizieren unsere Ergebnisse, dass der Schlüssel zum Verständnis der Pathogenese von S. aureus Erkrankungen eher in der Identifizierung von Wirtsfaktoren als von bakteriellen Faktoren liegt. Solche Wirtsfaktoren können beispielsweise der Immunstatus oder Genpolymorphismen sein, die zu Kolonisierung, der Infektionsanfälligkeit oder dem Ausgang einer Erkrankung beitragen. Die Behandlung von S. aureus Bakteriämien mit gepoolten Immunglobulinen erbrachte keinen deutlichen Erfolg. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass „maßgeschneiderte“ Cocktails aus monoklonalen Antikörpern gegen verschiedene S. aureus Virulenzfaktoren therapeutisch wirksamer sein könnten.

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Metadaten
Author: Silva Holtfreter
URN:urn:nbn:de:gbv:9-000372-6
Title Additional (English):Immune response against superantigens in Staphylococcus aureus carriers
Title Additional (German):Immunantwort gegen Superantigene bei Staphylococcus aureus Carriern
Advisor:Prof., Dr. Barbara M. Bröker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2007/06/05
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2007/05/04
Release Date:2007/06/05
Tag:Genotypisierung, egc-Superantigene, neutralisierende Antikörper
egc superantigens, genotyping, neutralizing antibodies
GND Keyword:Antikörper, Carrier, Immunreaktion, Polymerase-Kettenreaktion, Staphylococcus aureus, Superantigen, T-Lymphozyt
Faculties:Universitätsmedizin / Institut für Immunologie u. Transfusionsmedizin - Abteilung Immunologie
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 500 Naturwissenschaften