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The Role of Hydrogen Peroxide and Pneumolysin in Pneumococcal Pathogenesis

  • The human innate response plays a pivotal role in detection of pathogen- or damage-associated molecular patterns (PAMPs and DAMPs) and contributes to a crucial inflammatory response. PAMPs or DAMPs are recognized by the host immune system via pattern recognition receptors (PRRs). NLR family pyrin domain-containing 3 (NLRP3) inflammasome is one of these PRRs. NLRP3 is a cytoplasmic immune sensor that upon activation produce pro-inflammatory cytokines such as IL-1β and IL-18. These cytokines induce a diverse range of protective host pathways aiming to eradicate the pathogen. However, excessive or chronic inflammasome activation are implicated in the pathogenesis of several autoimmune and auto-inflammatory disorders. Pharmacologic inhibitors of IL-1 are commonly used to combat these disorders. In paper I, we explore the currently available IL-1β inhibiting therapies and how patients undergoing these treatments are at a disproportionate risk to experience invasive bacterial infections. We also summarize the limited knowledge on the role of NLRP3 inflammasome in pneumococcal pathogenesis. Hydrogen peroxide (H2O2) is a physiological metabolite and an important virulence determinant produced by pneumococci. It is highly cytotoxic to host cells. However, not much is known about its impact on host cell death pathways such as NLRP3 inflammasome mediated pyroptosis. In Paper II, we examined the effect of pneumococci-derived H2O2 on epithelial cells by analyzing the interplay between two key cell death pathways, namely apoptosis and pyroptosis. We show that H2O2 can prime as well as activate the NLRP3 inflammasome. Furthermore, we demonstrate that pneumococcal H2O2 initiates cell death via the activation of both apoptotic as well as pyroptotic pathways, mediated by the activation of caspase-3/7 and caspase-1, respectively. H2O2 mediated inflammasome activation results in caspase-1 dependent IL 1β production. However, we show that the final IL-1β release is independent of gasdermin-D (GSDMD) and mainly dependent on the apoptotic cell lysis. In paper III, we focused on understanding the host metabolic responses to infections with pathogens which cause respiratory diseases. We performed metabolome profiling of in vitro single bacterial and viral as well as co-infections of bronchial epithelial cells with Influenza A virus (IAV), Streptococcus pneumoniae, and Staphylococcus aureus. We show that IAV and S. aureus use the host resources for survival and multiplication and have minimal effects on the host metabolome. In contrast, pneumococci significantly alter various host metabolome pathways, including glycolysis, tricarboxylic acid (TCA) cycle and amino-acid metabolism. A hallmark of pneumococcal infections was the intracellular citrate accumulation, which was directly attributed to the action of pneumococci-derived H2O2. Host cell death during an infection results in the release of pro-inflammatory cytokines and danger signals such as ATP. Released ATP can induce neutrophil chemotaxis mediated via purinergic signaling. Neutrophils are typically the first leukocytes to be recruited to the site of infection and are key players in bacterial clearance. However, excessive neutrophil activation is associated with further tissue injury. In paper IV, we investigated the role of ATP in neutrophil response to pneumococcal infections. We show that pneumolysin (Ply), a highly effective pore-forming toxin produced by pneumococci, is a potent activator of neutrophils. Microscale Thermophoresis analysis revealed that Ply and ATP bind to each other. Subsequently, ATP binding neutralizes Ply-mediated neutrophil degranulation, suggesting that Ply-ATP interactions are potentially beneficial during the course of the infection as this could limit the lung injury resulting from excessive Ply-mediated neutrophil activation.
  • Die angeborene Immunantwort des Menschen spielt eine zentrale Rolle bei der Erkennung von ,,Pathogen-,, und/oder ,,Damage-Associated Molecular Patterns“ (PAMPs und DAMPs) und trägt zu der damit verbundenen wichtigen Entzündungsreaktion bei. PAMPs oder DAMPs werden vom Immunsystem des Wirtes über ,,Pattern Recognition Rezeptoren“ (PRRs) erkannt. Das ,,NLR Family Pyrin Domain-containing 3“ (NLRP3) Inflammasom ist ein solcher PRR. NLRP3 ist ein zytoplasmatischer Immunsensor, der durch die Aktivierung die Produktion von proinflammatorischen Zytokinen, wie z.B. IL-1β und IL-18, anregt. Diese Zytokine induzieren eine Vielzahl von für den Wirt schützenden Signalwegen, die darauf abzielen, den Erreger zu eliminieren. Eine übermäßige oder chronische Inflammasom-Aktivierung wird jedoch mit der Entstehung verschiedener Autoimmun- und autoinflammatorischer Erkrankungen in Verbindung gebracht. Als Konsequenz, werden pharmakologische Inhibitoren von IL-1 häufig zur Bekämpfung dieser Erkrankungen therapeutisch eingesetzt. In Publikation I wurden die derzeit verfügbaren IL 1β-hemmenden Therapien in Form eines Übersichtsartikels zusammengefasst. Patienten, die sich diesen Behandlungen unterziehen, haben ein unverhältnismäßig hohes Risiko invasive bakterielle Infektionen zu entwickeln. Weiterhin wurde auch der begrenzte Wissensstand über die Rolle des NLRP3-Inflammasoms in der Pathogenese von Pneumokokken zusammen. Wasserstoffperoxid (H2O2) ist ein physiologisches Produkt und eine wichtige Virulenzdeterminante, das von Pneumokokken produziert wird. H2O2 wirkt stark zytotoxisch auf Wirtszellen, jedoch ist nicht viel über dessen Auswirkung auf den programmierten Zelltod wie z.B. NLRP3-Inflammasom vermittelte Pyroptose bekannt. In Publikation II wurde die Wirkung von Pneumokokken-produzierten H2O2 auf die Epithelzellen untersucht. Der Fokus der Untersuchungen lag auf dem Zusammenspiel zweier wichtiger Zelltodsignalwege, der Apoptose und Pyroptose. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass H2O2 das NLRP3-Inflammasom sowohl primen als auch aktivieren kann. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass das von Pneumokokken gebildete H2O2 den Zelltod sowohl über die Aktivierung apoptotischer als auch pyroptotischer Wege einleitet. Diese werden durch die Aktivierung von Caspase-3/7 bzw. Caspase-1 vermittelt. Die H2O2-vermittelte Inflammasom-Aktivierung führt zu einer Caspase-1-abhängigen IL-1β-Produktion. Jedoch ist die endgültige IL 1β-Freisetzung unabhängig von Gasdermin-D (GSDMD) und wird hauptsächlich von der apoptotischen Zelllyse vermittelt. In Publikation III wurden die metabolischen Reaktionen des Wirtes auf Infektionen mit Erregern, die Atemwegserkrankungen verursachen, untersucht. Es wurde ein Metabolom-Profiling von bakteriell und viral einzel- und ko-infizierten Bronchialepithelzellen erstellt. Folgende Erreger wurden für Infektionen genutzt: Influenza A Virus (IAV), Streptococcus pneumoniae und Staphylococcus aureus. Die Untersuchungen zeigten, dass IAV und S. aureus die Ressourcen des Wirtes zum Überleben und zur Vermehrung nutzen und nur minimale Auswirkungen auf das Metabolom des Wirtes haben. Im Gegensatz dazu beeinflussten Pneumokokken verschiedene Stoffwechselwege des Wirtes erheblich. Die größten Veränderungen wurden in der Glykolyse, dem Tricarbonsäurezyklus (TCA) und Aminosäurestoffwechsel festgestellt. Ein wichtiges Kennzeichen von Pneumokokken-Infektionen ist die intrazelluläre Akkumulierung von Citrat, die direkt auf die Wirkung von Pneumokokken-produzierten H2O2 zurückgeführt werden konnte. Der Tod von Wirtszellen während einer Infektion führt zur Freisetzung von entzündungsfördernden Zytokinen und Gefahrensignalen wie z.B. das ATP. Freigesetztes ATP kann die Chemotaxis der Neutrophilen auslösen, die durch purinerge Signalübertragung vermittelt wird. Neutrophile sind in der Regel die ersten Leukozyten, die am Ort der Infektion rekrutiert werden und spielen eine Schlüsselrolle bei der Eliminierung von Bakterien. Eine übermäßige Aktivierung der Neutrophilen ist jedoch mit weiteren Gewebeschäden verbunden. In Publikation IV wurde die Rolle von ATP in Pneumokokkeninfektionen untersucht. Der Fokus dabei lag insbesondere auf den Neutrophilen. Die Untersuchungen ergaben, dass Pneumolysin (Ply), ein hochwirksames porenbildendes Toxin, welches von Pneumokokken produziert wird, ein starker Aktivator der Neutrophilen ist. Bindungsstudien ergaben, dass Ply und ATP miteinander interagieren. Die ATP-Bindung neutralisierte Ply-vermittelte Neutrophilen-Degranulierung, was darauf hindeutet, dass Ply-ATP-Interaktionen im Verlauf der Infektion möglicherweise von Vorteil sein könnten. Die ATP-vermittelte Ply-Inhibierung könnte u.a. die Lungenschädigung infolge einer übermäßigen Ply-vermittelten Neutrophilenaktivierung begrenzen.

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Metadaten
Author: Surabhi Surabhi
URN:urn:nbn:de:gbv:9-opus-57538
Title Additional (German):Die Rolle von Wasserstoffperoxid und Pneumolysin bei der Pathogenese von Pneumokokken
Referee:Prof. Dr. Nikolai Siemens, Prof. Dr. Sven HammerschmidtORCiD, Prof. Dr. Simone Bergmann
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2021
Date of first Publication:2021/12/01
Granting Institution:Universität Greifswald, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2021/11/18
Release Date:2021/12/01
GND Keyword:Streptococcus pneumoniae, Pneumolysin, Hydrogen peroxide, Inflammasome
Faculties:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Interfakultäres Institut für Genetik und Funktionelle Genomforschung (MNF)
DDC class:500 Naturwissenschaften und Mathematik / 500 Naturwissenschaften