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Exploring humoral responses during Staphylococcus aureus infection by immunoproteomics

  • Staphylococcus aureus (S. aureus) is the leading cause of serious diseases in human both from hospital and community associated infections. Some clinical manifestations of S. aureus infections are infective endocarditis (IE), osteoarticular infections, skin and soft tissue, pleuropulmonary, and device-related infections. In Germany, S. aureus is the second most common cause of hospital-acquired (HA) infections. About 16.7% of these nosocomial infections are caused by HA-MRSA clinical isolates. It has been a huge threat for the clinicians/scientists to control the emergence of such infections caused by S. aureus. S. aureus exhibits increasing virulence and resistance to various antibiotics, complicating prevention and treatment of infections. Eventually, active and passive vaccines might be the alternative strategy to deal with S. aureus related diseases. An effective S. aureus vaccine would provide great potential security and many societal benefits. However, so far vaccine trials have failed often due to limited number of available antigen candidates (monovalent/single antigen) in the clinical trials. Efforts to develop not only S. aureus vaccine but also prognosis or diagnosis tools are challenging tasks. That was the motivation point for the current thesis to identify potential antigen candidates for the aid of vaccine development using immunoproteomics approaches. From the earlier studies, passive immunisation with CP5, CP8, PNAG, ClfA, SdrG, alpha-hemolysin and active immunisation with IsdB, SEB, ClfA, CP5, CP8 were examined during preclinical trials and found to be the best examples for potential vaccine candidates. The antibody responses against S. aureus infections are heterogenous, still it is possible to identify the antibody signatures to a number of corresponding S. aureus antigens, whose abundance and presence could correlate to the disease state and may predict treatment outcome. To support this hypothesis, goals were set to develop and validate serological assay by indirect detection using suspension array technology (SAT). During the study, an antigen library of 140 recombinant S. aureus antigens was generated. Further serological assay were developed and validated to monitor the insights of antibody mediated humoral responses during S. aureus infection from various episodes of S. aureus infection. As an outcome, potential immunogenic antigen candidates were identified which may be used as candidates in active/passive vaccination and to stratify the patient. In total, three studies were carried out using serum and plasma samples from S. aureus nasal colonised healthy individuals (carriers and non-carriers) and bacteraemia patients (control, complicated and uncomplicated sepsis). Bead-based assays were performed and subsequent statistical analyses were done to identify immunogenic antigens that might discriminate between the different clinical status and outcome. Screening of healthy individuals (study-1) have shown significantly higher IgG responses against 14 antigens in S. aureus nasal carriers compared to non-carriers. Furthermore, the clonal complex 30 group of healthy carriers has shown significantly higher IgG responses against toxic shock syndrome toxin-1 (Tsst1) in comparison to non-clonal complex 30 healthy carriers. Study-2 have shown extensively higher IgG responses against 67 antigens in control samples compared to sepsis patients. 50% of the antigens eliciting different immune responses belonged to the extracellular components of S. aureus. The IgG responses against MSCRAMM proteins such as FnbA, FnbB, Efb-1 have been shown to be significantly higher in complicated sepsis. Study-3 have shown notably higher IgG responses against 8 antigens (Plc, SspB, IsaA, SEM, GlpQ, HlgC, SACOL0444, SACOL0985) at baseline in uncomplicated sepsis patients compared to patients subsequently developing complicated sepsis. In summary, the group of immunogenic antigens that have been identified in these studies using immunoproteomics approach could be a starting point for the development of S. aureus vaccines. Moreover, the suspension array technology approach facilitated the identification of new S. aureus antigen candidates in addition to earlier reports. The current results of this study support the hypothesis that it is possible to identify a serological response to potential S. aureus antigens that correlate to progression of S. aureus infections.
  • Staphylococcus aureus (S. aureus) ist die führende Ursache für schwere Krankheiten bei Menschen sowohl von Krankenhaus als auch von gemeinschaftlich assoziierten Infektionen. Einige klinische Manifestationen von S. aureus-Infektionen sind infektiöse Endokarditis (IE), osteoartikuläre Infektionen, Haut- und Weichgewebe, pleuropulmonale und gerätebedingte Infektionen. In Deutschland ist S. aureus die zweithäufigste Ursache für krankenhausbedingte (HA) Infektionen. Etwa 16,7% dieser nosokomialen Infektionen werden durch klinische HA-MRSA-Isolate verursacht. Es war eine große Bedrohung für die Kliniker / Wissenschaftler, die Entstehung solcher Infektionen durch S. aureus zu kontrollieren. S. aureus zeigt zunehmende Virulenz und Resistenz gegen verschiedene Antibiotika, die Prävention und Behandlung von Infektionen kompliziert. Schließlich könnten aktive und passive Impfstoffe die alternative Strategie sein, um mit S. aureus verwandten Krankheiten umzugehen. Ein wirksamer S. aureus-Impfstoff würde eine große potenzielle Sicherheit und viele gesellschaftliche Vorteile bieten. Allerdings haben bisher Impfproben oft aufgrund der begrenzten Anzahl verfügbarer Antigenkandidaten (monovalentes / einzelnes Antigen) in den klinischen Studien gescheitert. Bemühungen, nicht nur S. aureus-Impfstoff zu entwickeln, sondern auch Prognose- oder Diagnosewerkzeuge sind herausfordernde Aufgaben. Das war der Motivationspunkt für die aktuelle These, potenzielle Antigenkandidaten für die Hilfe der Impfstoffentwicklung mit Immunoproteomikansätzen zu identifizieren. Aus den früheren Studien wurde die passive Immunisierung mit CP5, CP8, PNAG, ClfA, SdrG, alpha-Hämolysin und aktiver Immunisierung mit IsdB, SEB, ClfA, CP5, CP8 in präklinischen Studien untersucht und als die besten Beispiele für potentielle Impfstoffkandidaten gefunden . Die Antikörperreaktionen gegen S. aureus-Infektionen sind heterogen, noch ist es möglich, die Antikörpersignaturen einer Anzahl entsprechender S. aureus-Antigene zu identifizieren, deren Häufigkeit und Präsenz mit dem Krankheitszustand korrelieren und das Behandlungsergebnis vorherzusagen vermag. Um diese Hypothese zu unterstützen, wurden die Ziele gesetzt, den serologischen Assay durch indirekte Detektion mittels Suspensions-Array-Technologie (SAT) zu entwickeln und zu validieren. Während der Studie wurde eine Antigenbibliothek von 140 rekombinanten S. aureus-Antigenen erzeugt. Ein weiterer serologischer Assay wurde entwickelt und validiert, um die Erkenntnisse der Antikörper-vermittelten humoralen Reaktionen während der S. aureus-Infektion aus verschiedenen Episoden der S. aureus-Infektion zu überwachen. Als Ergebnis wurden potentielle immunogene Antigenkandidaten identifiziert, die als Kandidaten in der aktiven / passiven Impfung verwendet werden können und um den Patienten zu stratifizieren. Insgesamt wurden drei Studien mit Serum- und Plasmaproben von S. aureus nasal kolonisierten gesunden Individuen (Träger und Nicht-Träger) und Bakteriämie-Patienten (Kontrolle, komplizierte und unkomplizierte Sepsis) durchgeführt. Bead-basierte Assays wurden durchgeführt und nachfolgende statistische Analysen wurden durchgeführt, um immunogene Antigene zu identifizieren, die zwischen dem unterschiedlichen klinischen Status und dem Ergebnis unterscheiden könnten. Das Screening von gesunden Individuen (Studie-1) zeigte signifikant höhere IgG-Reaktionen gegen 14 Antigene in S. aureus-Nasenträgern im Vergleich zu Nichtträgern. Darüber hinaus hat die Klonalkomplex-30-Gruppe von gesunden Trägern signifikant höhere IgG-Reaktionen gegen das toxische Schock-Syndrom Toxin-1 (Tsst1) im Vergleich zu nicht-klonalen komplexen 30 gesunden Trägern gezeigt. Studie-2 haben weitgehend IgG-Reaktionen gegen 67 Antigene in Kontrollproben im Vergleich zu Sepsispatienten gezeigt. 50% der Antigene, die verschiedene Immunantworten hervorrufen, gehörten zu den extrazellulären Komponenten von S. aureus. Die IgG-Reaktionen gegen MSCRAMM-Proteine ​​wie FnbA, FnbB, Efb-1 haben sich bei der komplizierten Sepsis signifikant höher entwickelt. Studie-3 zeigten im Vergleich zu Patienten, die anschließend komplizierte Sepsis entwickeln, signifikant höhere IgG-Reaktionen gegen 8 Antigene (Plc, SspB, IsaA, SEM, GlpQ, HlgC, SACOL0444, SACOL0985) bei Baseline bei unkomplizierten Sepsispatienten. Zusammenfassend könnte die Gruppe der immunogenen Antigene, die in diesen Studien unter Verwendung eines immunoproteomischen Ansatzes identifiziert wurden, ein Ausgangspunkt für die Entwicklung von S. aureus-Impfstoffen sein. Darüber hinaus erleichterte der Ansatz der Anhänge-Array-Technologie die Identifizierung neuer S. aureus-Antigen-Kandidaten zusätzlich zu früheren Berichten. Die aktuellen Ergebnisse dieser Studie unterstützen die Hypothese, dass es möglich ist, eine serologische Antwort auf potentielle S. aureus-Antigene zu identifizieren, die mit der Progression von S. aureus-Infektionen korrelieren.

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Metadaten
Author: Nandakumar Sundaramoorthy
URN:urn:nbn:de:gbv:9-002854-6
Title Additional (English):Exploring humoral responses during Staphylococcus aureus infection by immunoproteomics
Title Additional (German):Erforschung der humoralen Reaktionen während der Staphylococcus aureus-Infektion durch Immunoproteomik
Advisor:Prof. Dr. Barbara Bröker, Prof. Dr. Uwe Völker
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2017/07/25
Granting Institution:Ernst-Moritz-Arndt-Universität, Universitätsmedizin (bis 31.05.2018)
Date of final exam:2017/07/12
Release Date:2017/07/25
Tag:FLEXMAP 3D, Immunoprotemics, Staphylococcus aureus vaccine candidates
GND Keyword:FLEXMAP 3D, Immunoprotemics, Staphylococcus aureus vaccine candidates
Faculties:Universitätsmedizin / Arbeitsgruppe "Funktionelle Genomforschung"
DDC class:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 610 Medizin und Gesundheit
MSC-Classification:97-XX MATHEMATICS EDUCATION / 97Mxx Mathematical modeling. Applications of mathematics / 97M60 Biology. Chemistry. Medicine