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Auf der Intensivstation der Abteilung für Neonatologie der Klinik und Poliklinik für Kinder- und Jugendmedizin der Universität Greifswald wurde eine prospektive Studie auf Grund einer vermutlich erhöhten Rate neonatater Sepsisfälle durchgeführt. Von Juli bis Dezember 2000 wurden regelmäßig von der Umgebung der Frühgeborenen Abstriche genommen und mikrobiologisch untersucht. Gleichzeitig wurden die Krankenakten der Neonaten aufgearbeitet und relevante Daten wie Geburtsgewicht, Gestationsalter, intravenöse Zugänge, Atemhilfen, Antibiose, Art der Nahrung, Sepsisbeginn und CrP- Wert in ein Protokoll eingetragen. Zusammenhänge zwischen den aufgenommenen Parametern und Sepsishäufigkeit wurden mittels statistischer Berechnungen untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Sepsishäufigkeit entscheidend von dem Gestationsalter abhängig ist. Neonaten, die vor der 30. Schwangerschaftswoche geboren wurden, hatten in 94,1 % der Fälle eine Sepsis. Frühgeborene, die nach der 32. SSW geboren wurden, hatten hingegen nur eine Rate von 17,4 %. Von den Kindern, die zwischen der 30. und 32. SSW geboren wurden, hatten 58,3 % eine Sepsis. Bei Neugeborenen mit einem Gestationsalter < 30. SSW ist das Immunsystem noch so stark unterentwickelt, dass bei ihnen schon physiologische Hautkeime eine Infektion auslösen können. Deshalb müssen Neugeborene unter der 30. SSW streng aseptisch gepflegt werden. Die häufigsten Erreger, die bei den Abstrichen isoliert wurden, waren KNS, Klebsiella spp. und Candida spp. Bei 82 % der Patienten wurden KNS, bei 75 % der Kinder Klebsiella spp, nachgewiesen. Candida spp. wurde bei 12 von 28 Patienten isoliert. Dies spricht für eine Verbreitung dieser Erreger auf der Intensivstation, die bei Unterlassung von Distanzierungs- und Desinfektionsmaßnahmen durch das Personal von Kind zu Kind übertragen werden können.
Um die Einflüsse von Ureaplasmen und dessen Biovaren in der Schwangerschaft zu untersuchen wurden 107 mit Ureaplasmen besiedelte Schwangere mit 109 nicht besiedelten Schwangeren verglichen. Die mit Ureaplasmen besiedelten Mütter waren durchschnittlich jünger, berichteten vermehrt von anamnestischen Fehlgeburten und zeigten häufiger Fieber unter der Geburt als die nicht besiedelten. Die Gestationsdauer war in der Ureaplasmengruppe verkürzt. In der positiv getesteten Gruppe zeigten sich signifikant mehr Kinder mit vermindertem Geburtsgewicht, reduzierter Körpergröße, tieferen APGAR-Werten, reduzierten Wachstumsmerkmalen und geringerem Kopfumfang. Weiterhin trat bei den Kindern positiver Mütter ein ARDS-Syndrom mit einer Notwendigkeit zur Intensivtherapie und Intubation häufiger auf. Eine vaginale Dysbiose war nicht mit einer Ureaplasmenbesiedlung assoziiert. Die Biovare der positiv Getesteten wurden mit einer PCR ermittelt. Die Prävalenz vom Biovar U. urealyticum lag bei 6,5 %, U. parvum bei 93,5 % und ein gemeinsamer Nachweis wurde nicht angetroffen. Keines der Biovare war signifikant mit Schwangerschaftskomplikationen assoziiert. Bei untherapierten bei Geburt bestehender Ureaplasmeninfektion zeigten sich zusätzlich signifikant gehäuft Chorioamnionitiden. Bei einer Ureaplasmeninfektion zeigten sich gegenüber einer Kolonisation ähnlich viele Komplikationen. Erythromycinresistenzen bei Ureaplasmen traten in 6,6 % der Fälle auf. Beide Biovare der Ureaplasmen zeigen Auswirkungen auf die Schwangere und den Fötus. Eine Kolonisation oder Infektion kann zu Frühgeburt und hypothrophen Neugeborenen fuhren.
Staphylococcus aureus ist ein ubiquitär verbreitetes Bakterium. Häufig als Kommensale des Menschen vorkommend, zählt das Bakterium jedoch zu einem der wichtigsten Infektionserreger des 21. Jahrhunderts. Neben lokalen Infektionen (z. B. Furunkel) kann der Erreger nach einer Besiedlung auch systemische Erkrankungen in seinem Wirt (z. B. Sepsis, Endokarditis, Pneumonie) hervorrufen. Die pathogene Wirkung von S. aureus ist auf die Produktion und Sekretion von Pathogenitäts- bzw. Virulenzfaktoren, unter anderem Superantigene, hämolytische Toxine, Gewebe-zerstörende Enzyme und Oberflächenproteine, welche ihrerseits mit dem Immunsystem des Wirtes interferieren, zurückzuführen. Ziel dieser Arbeit war unter anderem die Analyse des extrazellulären Proteoms von S. aureus RN1HG in pMEM, ein an das bakterielle Wachstum adaptierte Zellkulturmedium. Bei den extrazellulären Proteomanalysen von S. aureus RN1HG konnten 39 Proteine identifiziert werden, welche dem Bakterium eine Interaktion mit dem Wirt (Clumping-Faktoren) ermöglichen, die Phagozytose (Protein A) verhindern oder die Ausbreitung im Gewebe (alpha-Hämolysin, gamma-Hämolysin, Lipase) erleichtern. Da die Zusammensetzung des extrazellulären Proteoms durch diverse Regulons (z. B. agr-System, sarA, sigB) bestimmt wird, stellte sich die Frage, inwiefern diese einen Einfluss auf die Virulenz des Stammes RN1HG-Stamm haben. Ein vielfach in der Literatur diskutierter Regulator ist SigB. Die vergleichende gelfreie LC-MS/MS-Analyse des extrazellulären Proteoms von S. aureus RN1HG mit einer sigB Deletion (RN1HG delta sigB) zeigte, dass sich im Vergleich zum Wildtyp die Zusammensetzung des extrazellulären Proteoms nicht grundsätzlich ändert. Jedoch konnte durch eine „labelfreie“ Quantifizierung eine verstärkte Akkumulation zahlreicher Virulenzfaktoren (z. B. Aureolysin, 1-Phosphatidylinositol- Phosphodiesterase, alpha-Hämolysin, gamma-Hämolysin, Lipase, Thermonuklease) in der delta sigB Mutante nachgewiesen werden. Die Serin-Proteasen A, C und E konnten nur für die delta sigB Mutante identifiziert werden. Adhäsine, darunter Clumping-Faktoren oder Elastin-Bindeprotein, wurden lediglich während der exponentiellen Wachstumsphase für die delta sigB Mutante nachgewiesen. Dies konnte für clf auch durch Transkriptomanalysen belegt werden. Die gelfreien Analysen wurden durch gelbasierte Verfahren (2D-Gelelektrophorese) ergänzt. Neben der Erstellung einer Referenzkarte des extrazellulären Proteoms von S. aureus RN1HG (Wildtyp und delta sigB Mutante) wurden quantitative gelbasierte Daten erhoben, die einerseits die Ergebnisse der gelfreien Analysen bestätigten, andererseits aber auch zeigten, dass SigB nur wenig Einfluss auf die Prozessierung und posttranslationale Modifikation extrazellulärer Proteine in S. aureus RN1HG hat. Die Zusammensetzung des extrazellulären Proteoms ist vor allem bei pathogenen Bakterien bedeutsam, da z. B. durch extrazelluläre Enzyme die Erschließung von Nährstoffquellen in extremen Habitaten begünstigt und durch Virulenzfaktoren sowohl die Kolonisierung als auch die Überlebensfähigkeit im Wirtsorganismus gesichert wird. Um die Erreger-Wirt Interaktion näher zu charakterisieren, wurde die Reaktion von humanen bronchialen Epithelzellen (S9-Zellen) auf eine Infektion mit S. aureus RN1GH pMV158 untersucht. Die Durchführung der Infektionsstudien mit einem GFP-markierten RN1HG-Stamm ermöglichte die Sortierung der infizierten S9-Zellen durch die Durchflusszytometrie. Da im Epithelverband nicht jede Zelle mit S. aureus infiziert ist, lag der Vorteil der Sortierung darin, dass Proteomanalysen spezifisch für die S9-Zellen mit internalisierten Staphylokokken durchgeführt werden konnten. Infolge einer Internalisierung von S. aureus durch die S9-Epithelzellen kam es zunächst zu einer Integrin-vermittelten Adhäsion. Eine zunehmende Inkubation mit S. aureus führte zu inflammatorischen Prozessen. Die Invasion pathogener Bakterien in Wirtzellen führt somit zum Remodelling biologischer Prozesse, die dem Wirt die Auseinandersetzung mit dem Pathogen ermöglichen.
This thesis contains results from transcriptome studies on different aspects of host-pathogen interactions. First, liver gene expression profiles from a murine chronic stress model served to elucidate aspects of the influence of stress on metabolism and immune response state. Chronic stress in female BALB/c mice was shown to lead to a hypermetabolic syndrome including induction of gluconeogenesis, hypercholesteremia, and loss of essential amino acids, to the induction of the acute phase response, but also of immune suppressive pathways and to the repression of hepatic antigen presentation. Increased leukocyte trafficking, increased oxidative stress together with counter-regulatory gene expression changes, and an induction of apoptosis were detected. The influence of intra-venous infection on the host kidney gene expression was analyzed in another murine model using the wild type strain Staphylococcus aureus RN1HG and its isogenic sigB mutant. Gene expression profiling indicated a highly reproducible host kidney response to infection. The comparison of infected with non-infected samples revealed a strong inflammatory reaction of kidney tissue, e. g. Toll-like receptor signaling, complement system, antigen presentation, interferon and IL-6 signaling. However, the results of this study did not provide any hints for differences in the pathomechanism of the S. aureus strains RN1HG and ΔsigB, since the host response did not differ between infections with the two strains analyzed. Effects of SigB might be transient, only apparent at earlier time points, or might also be compensated for in the in vivo infection by the interlaced pattern of other regulators. SigB might possess only to a lesser extent characteristics attributed to virulence factors and might act in vivo more like a virulence modulator and fine tune bacterial reactions. In addition to the analysis of tissue samples, different in vitro models were furthermore studied. The third part of this thesis focuses on bone-marrow derived macrophages (BMM) of the two mouse strains BALB/c and C57BL/6, which are described in literature to exhibit genetically determined differences in their reaction to infection. Expression profiling was performed on control and IFN-γ treated samples from a serum-free cultivation system and revealed mainly induction of gene expression after treatment of BMM with IFN-γ. Gene expression changes confirmed known IFN-γ effects like induction of immunoproteasome, antigen presentation, interferon signaling related genes, GTPase/GBPs, and inducible NO synthase. IFN-γ dependent gene expression changes were highly similar in BALB/c and C57BL/6 BMM. Considering gene expression differences between BMM of both strains, a similar expression trend was visible on the level of untreated controls as well as after IFN-γ treatment. Differentially expressed genes between BMM of both strains included immune-relevant genes as well as genes linked to cell death, but the coverage of functional groups was limited. The bronchial epithelial cell line S9 was used as an in vitro model system for the infection with S. aureus RN1HG. The fourth chapter in this thesis includes S9 cell gene expression signatures 2.5 h and 6.5 h after start of infection. At the early time point, only 40 genes were differentially expressed, which nevertheless indicated a beginning pro-inflammatory response, e. g. induction of cytokines (IL-6, IFN-β, LIF) or prostaglandin-endoperoxide synthase 2 (PTGS2), but also counter-regulatory processes, e. g. induction of CD274. The host cell response was dramatically aggravated at the later 6.5 h time point. Differential expression was detected for 1196 genes. These included induced cytokines, pattern recognition receptor signaling, antigen presentation, and genes involved in immune defense (e. g. GBPs, MX, APOL). Negative effects on growth and proliferation were even more enhanced in comparison to the early time point, and signs for apoptotic processes were revealed. Finally, the last chapter addresses amongst others the pathogen’s expression profile in the S9 cell in vitro infection model at the two time points 2.5 h and 6.5 h after start of infection by tiling array gene expression analysis. The pathogen expression profiling revealed the activity of the SaeRS two-component system in internalized staphylococci. Partly dependent on SaeRS, the induction of adhesins (e. g. fnbAB, clfAB), toxins (hlgBC, lukDE, hla), and immune evasion genes (e. g. chp, eap) was observed. Furthermore, expression changes of metabolic genes were recorded (gene induction of amino acid biosynthesis, TCA cycle, gluconeogenesis; gene repression of glycolysis, purine biosynthesis, tRNA synthetases). Expression analysis recorded a distinct bacterial expression program, which supported literature results of a specific, bacterial strain and host cell line dependent transcriptional adaptation of the pathogen.
Hantaviruses (family Bunyaviridae) are enveloped viruses with a segmented RNA genome of negative polarity. They can cause two different diseases in humans, the hemorrhagic fever with renal syndrome in Europe and Asia and the hantavirus cardiopulmonary syndrome in America. The transmission to humans is mainly indirect by inhalation of aerosolized virus-contaminated rodent excreta. In contrast to the initial assumption that hantaviruses are mainly carried by rodents, during the last years many novel hantaviruses were detected in shrews, moles and recently in bats. These findings raise important questions about the evolutionary history of hantaviruses, their host association and adaptation, the role and frequency of spillover infections and host switch events. This study aims to prove the presence, geographical distribution and host association of the rodent-borne Tula virus (TULV) and the shrew-associated Seewis virus (SWSV) in Central Europe. For this purpose, novel laboratory techniques for molecular and serological hantavirus detection were developed. Initially, a broad-spectrum molecular assay to identify small mammal species from Central Europe was developed. This novel assay is based on PCR amplification using degenerated primers targeting the cytochrome b (cyt b) gene, nucleotide sequence analysis of the amplified cyt b gene portion and followed by pairwise sequence comparison to published sequences using the BLAST function of GenBank. Different small mammal species prevalent in Central Europe could be determined by this new approach, including not only representatives of various Rodentia and Soricomorpha, but also representatives of the orders Erinaceomorpha, Lagomorpha, Carnivora and Chiroptera. For characterization of insectivore-borne hantavirus Thottapalayam virus (TPMV), specific monoclonal antibodies were generated that detect native virus in infected mammalian cells. For the detection of TPMV-specific antibodies, Asian house shrew Suncus murinus immunoglobulin G (IgG)-specific antibodies were produced in laboratory mice and rabbit. Using this anti-shrew IgG and recombinant TPMV nucleocapsid (N) protein, an indirect enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) was developed allowing the detection of TPMV N protein-specific antibodies in immunized and experimentally TPMV infected shrews. A Pan-Hantavirus SYBR-Green RT-qPCR was developed for the search to novel hantaviruses. By this novel RT-qPCR and other conventional RT-PCR approaches, TULV infections were identified for the first time in the Eurasian water vole Arvicola amphibius from different regions in Germany and Switzerland. The phylogenetic analyses of the different partial TULV small (S)-, medium (M)- and large (L)-genome segment sequences from A. amphibius, with those of Microtus arvalis- and M. agrestis-derived TULV lineages, revealed a geographical, but host-independent clustering and may suggest multiple TULV spillover or a potential host switch from M. arvalis or M. agrestis to A. amphibius. In a further comprehensive study, different shrew species (Sorex araneus, S. minutus, S. coronatus, and S. alpinus) were collected in Germany, Czech Republic, and Slovakia and screened by another L-segment-targeting Pan-Hantavirus RT-PCR approach. This screening revealed hantavirus L-segment sequences in a large number of S. araneus and a few S. minutus indicating a broad geographical distribution of this hantavirus. For detailed analyses, S-segment sequences were obtained, from S. araneus and S. minutus. The sequences demonstrated their similarity to SWSV sequences from Hungary, Finland, Austria and Germany. A detailed phylogenetic analysis showed low intra-cluster sequence variability, but high inter-cluster divergence suggesting a long-term SWSV evolution in local shrew populations. In conclusion, the investigations demonstrated a broad geographical distribution and multiple spillover infections of rodent-borne TULV and shrew-borne SWSV in Europe. The finding of putative spillover transmissions described here and in other studies underline the current problem of the hantavirus reservoir host definition. In contrast to the hypothesis of a long-standing hantavirus–rodent (small mammal) host coevolution, the investigations support a more dynamic evolutionary history of hantavirus diversification including spillover infections and host-switch events. In future in vitro and in vivo infection studies as well as field studies has to define factors determining the host specificity of these hantaviruses.
In Abhängigkeit von der Dauer, der Art und des mechanischen Anspruchs eines operativen Eingriffs kommt es nachweislich zu Perforationen von Operationshandschuhen und damit zu einer Aufhebung der aus infektionsprophylaktischen Gründen erforderlichen intakten Barriere zwischen Operateur bzw. medizinischem Personal und dem Patienten. Dabei spielen intakte Handschuhe nicht nur eine tragende Rolle hinsichtlich des beiderseitigen Schutzes vor durch Blut und andere Körperflüssigkeiten übertragenen Infektionskrankheiten wie HIV, HBV und HCV, sondern auch vor bakteriellen Übertragungen als einer potentiellen Ursache postoperativer Wundinfektionen. Die Perforationsrate von Handschuhen korreliert mit der Tragedauer, wobei eine Vielzahl der Handschuhperforationen nicht sofort oder überhaupt nicht bemerkt wird. Dabei sind Handschuhperforationen überproportional häufig an der nicht dominanten Hand lokalisiert. Im Gesamtergebnis der durchgeführten Untersuchung und einer Vorgänderstudie [1] konnte unter realen Operationsbedingungen eine Gesamtperforationsrate von 18,2 % nachgewiesen werden. Es fanden 12 Bakterientranslokationen, entsprechend einer Translokationsrate von 22,2 %, bezogen auf die Gesamtzahl perforierter Handschuhe, statt und zwar nach einer Tragezeit ab 90 min [1] bzw. in dieser Untersuchung bereits nach 62 min. Das Vorhandensein für bakterielle Erreger permeabler Handschuhperforationen ermöglicht ebenso eine Passage von Viren. Ein regelmäßiger intraoperativer Handschuhwechsel für den viszeralchirurgischen Operateur und/oder double gloving stellen aus den Untersuchungsergebnissen abgeleitete Möglichkeiten dar, die notwendige intakte Barriere aufrecht zu erhalten bzw. wiederherzustellen. Diesbezüglich ist eine Differenzierung zwischen unterschiedlichen chirurgischen Disziplinen und den jeweils unterschiedlichen Aufgaben innerhalb des Operationsteams vorzunehmen, da zwangsläufig erhebliche Unterschiede bei den Perforationsraten bestehen. Das in diesem Zusammenhang untersuchte und aus jeweils doppelt übereinander getragenen Operationshandschuhen bestehende Indikatorsystem erwies sich in der aktuellen Untersuchung als effektiv. Über den Untersuchungszeitraum von einem Jahr zeigte sich eine deutlich zunehmende Verbesserung in der visuellen Detektion von Perforationen durch die einzelnen Mitglieder des Operationsteams, wobei die Erkennungsrate bei 70 % lag. Die Empfehlung eines intraoperativen Handschuhwechsels nach spätestens 90 min für den ersten und zweiten viszeralchirurgischen Operateur sowie nach 150 min für die übrigen Teilnehmer der Operation kann durch die vorliegende Untersuchung untermauert werden. Der intraoperative Einsatz des Indikatorsystems ist aufgrund guter Erkennbarkeit von Perforationen in Verbindung mit erhöhter Sicherheit durch das systemeigene double gloving grundsätzlich zu empfehlen.
Postoperative Wundinfektionen (surgical site infections: SSI) stellen in Deutschland derzeit die häufigste nosokomiale Infektion dar. In der heutigen Zeit sind die Standards zur Prävention von SSI sehr komplex und effizient. Mit der Absicht der weiteren Reduktion von SSI’s wurde der mikrobielle Hautversiegler InteguSeal® entwickelt. Ergänzend zu den bereits veröffentlichten Studien zur Wirksamkeit des Versieglers untersuchten wir die Haut von 128 Patienten, die sich zu geplanten traumatologischen Eingriffen in der Universitätsmedizin Greifswald einfanden. Die Patienten wurden in zwei Gruppen (Kontrollgruppe und Verumgruppe) aufgeteilt. Wir überprüften Koloniezahlen und Erregerspezies von Wundgrund, Wundrand und Wundnaht im Verlauf von operativen Eingriffen an der Wirbelsäule und an den Extremitäten. Im Vergleich mit der Kontrollgruppe ohne Versiegleranwendung konnten bei den Patienten, die der Verumgruppe mit Versiegleranwendung angehörten, an allen drei untersuchten Arealen weniger Koloniezahlen detektiert werden. Statistische Signifikanz wurde aber lediglich an der Wundnaht erreicht. Schlussfolgernd konnten wir zwar einen Trend zu Gunsten des sogenannten Sealings herausarbeiten, zur zukünftigen Integration der Versieglertechnik in die Standards zur präoperativen Vorbereitung zwecks Reduktion der Wundkontamination bzw. von Wundinfektionen müssen allerdings weitere Untersuchungen durchgeführt werden.
Staphylococcus aureus can be a harmless colonizer of the human body, which colonizes about 20-30% of the population. If S. aureus overcomes the outer physical barrier of the body, comprised of the skin and mucous surfaces, it can also cause severe diseases such as endocarditis, pneumonia, or sepsis. S. aureus possesses a variety of secreted and surface bound virulence factors to mediate attachment and invasion into the host, to disseminate an infection and to modulate and evade the immune system. But not only the huge amount of virulence factors turn S. aureus into a dangerous human pathogen, also its resistances to a broad spectrum of commonly used antibiotics make infections hard to treat. During the last years it became apparent that S. aureus can be internalized by as well as replicate and persist in professional and non-professional phagocytic cells. It is suggested that the intracellular compartment protects S. aureus from antibiotic treatment and the immune system. To accomplish the adaptation to the intracellular compartment, S. aureus needs to regulate its gene expression by regulatory systems. One of these regulators is the alternative sigma factor SigB, which directly and indirectly regulates the expression of about 200 genes in vitro. However, the stimuli leading to the activation of SigB in S. aureus are barely known and also its role during an infection varies, depending on the S. aureus strain and infection model used. Therefore, the importance of SigB during the early adaption of S. aureus to the intracellular environment should be elucidated using a cell culture infection model. First, the existing cell culture infection workflow had to be modified to improve the data analysis and to increase the yield of identified proteins to comparatively monitor the adaption reaction of S. aureus HG001 and its isogenic ΔsigB mutant to the intracellular milieu of S9 human bronchial epithelial cells. The proteome analysis in conjunction with RT-qPCR analysis of the wild type and the ΔsigB mutant revealed a fast and transient activation of SigB directly after internalization. Quantitative analysis of the intracellular bacterial titer demonstrated a requirement of SigB for intracellular replication. Differences in the proteome composition of the ΔsigB mutant in comparison to the wild type after internalization reflected the different growth rates, resistance to antibiotics and toxic compounds, adaptation to oxidative stress, and protein quality control mechanisms. The accessory gene regulator (Agr) is like SigB also a global regulator of gene expression in S. aureus. To elucidate possible benefits in the intracellular survival of the co-occurrence of S. aureus wild type and Δagr mutant cells, like it can be found in sites of an infection, a co-infection assay was established. With the co-infection assay the simultaneous and competitive intracellular survival in comparison to the individual intracellular survival was followed for three days post-infection (p.i.). The single and the co-infection revealed that the wild type was able to replicate more efficiently during the first hours p.i. than the Δagr mutant, but the mutant was able to survive more efficiently. The extracellular proteome of S. aureus represents the key compartment for virulence factors. Virulence factors are secreted or bound to the surface of the S. aureus cell. With the infection workflow applied in this study, secreted proteins are lost during the enrichment of the intracellular bacteria for proteome analysis. Therefore, no information about the levels or the regulation of virulence factor expression can be acquired in the cell culture infection model using cell sorting approaches. Hence, the extracellular proteome of S. aureus was analyzed in vitro from shake flask experiments. To get a comprehensive overview of the regulatory impact of different global regulators onto the secretome, S. aureus LS1 mutants lacking the global regulators Agr, SarA and SigB were compared to the respective wild type. Additionally the protein level of the secretome of the well characterized and frequently used S. aureus strains 6850, CowanI, HG001, LS1, SH1000, and USA300 was comparatively analyzed. This project was performed in collaboration with the group of Prof. Löffler from the Institute of Medical Microbiology in Jena. The data of the extracellular proteome generated in this thesis were combined with phenotypic and toxicity data to explain strain differences in invasiveness, cytotoxicity, phagosomal escape, and intracellular persistence in infection experiments.
Infektionserkrankungen können im Wirt oxidativen Stress hervorrufen, da dieser zur gezielten Abwehr von Mikroorganismen mithilfe bestimmter Immunzellen erhebliche Mengen an reaktiven Sauerstoff- und Stickstoffspezies produziert. Dabei wird v. a. der Aktivität der NADPH-Oxidase, und weniger der induzierbaren NO-Synthase, eine wichtige Rolle bei der Eliminierung von B. pseudomallei zugeschrieben (Utaisincharoen et al. 2001; Breitbach et al. 2006), was sich wiederum toxisch auf körpereigenes Gewebe auswirken kann. Unter diesen Umständen ist ein gut funktionierendes, antioxidatives Schutzsystem der Zellen von essentieller Bedeutung. In dem Zusammenhang sollte zum einen die antioxidative Funktion des Transkriptionsfaktors Nrf2, und zum anderen die Bedeutung des Glutathion-Redoxsystems bei Infektionen mit dem Gram-negativen, fakultativ intrazellulären Erreger der Melioidose, Burkholderia pseudomallei, geklärt werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Infektion von Makrophagen und Hepatomzellen mit B. pseudomallei zur nukleären Translokation von Nrf2 und somit dessen Aktivierung beiträgt. Die infektionsbedingte Induktion von Nrf2 auf Genexpressionsebene wurde in Makrophagen, jedoch nicht in Hepatomzellen, festgestellt. Darüber hinaus wurde die Genexpression des Transkriptionsfaktors in den Organen von infizierten C57BL/6-Mäusen unterschiedlich reguliert. Die Anwesenheit von Nrf2 in Nrf2+/+-Makrophagen bzw. die Aktivierung von Nrf2 durch Stimulatoren verbesserten das intrazelluläre Überleben von B. pseudomallei in den Immunzellen, wohingegen in infizierten Hepatomzellen das Replikationsvermögen des Pathogens durch Nrf2 eingeschränkt wurde. In vitro-Infektionsversuche mit anderen Bakterien wiesen zudem auf einen Erreger-spezifischen Einfluss von Nrf2 hin. Des Weiteren war die proinflammatorische Antwort von Makrophagen durch Nrf2 tendenziell, aber nicht signifikant, erhöht. Im pulmonalen in vivo-Infektionsmodell hatte Nrf2 weder einen Einfluss auf das Wachstum von B. pseudomallei in Leber, Lunge und Milz infizierter Tiere, noch auf die Sekretion inflammatorischer Mediatoren im Serum. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass Nrf2 weniger durch die Modulation der proinflammatorischen Immunantwort, als vielmehr durch die Regulation ARE-abhängiger, antioxidativer Proteine unterschiedlich auf die mikrobielle Abwehr in vitro und in vivo einwirkt. Im zweiten Teil der Arbeit sollte daher die Rolle von Glutathion (GSH) und den an seiner Biosynthese bzw. Regeneration beteiligten Enzymen, Glutamatcysteinligase (Gcl) sowie Glutathionreduktase (Gsr), bei der Infektion mit B. pseudomallei untersucht werden. Es konnte nachgewiesen werden, dass die Genexpression der Gcl und Gsr in Abhängigkeit von der infektionsbedingten Nrf2-Induktion durch B. pseudomallei in Makrophagen erhöht war, wohingegen die Enzyme in den Organen infizierter Mäuse unterschiedlich induziert wurden. Die Inhibition der Gcl führte sowohl in Makrophagen als auch in Hepatomzellen zu einer Reduktion des intrazellulären Gesamt-GSH-Gehaltes, was sich jedoch unterschiedlich auf das Wachstumverhalten von B. pseudomallei in den jeweiligen Zellen auswirkte. Die eingeschränkte GSH-Biosynthese verbesserte zum einen die Pathogenkontrolle in den Makrophagen und im Mausmodell, begünstigte jedoch zum anderen die Replikation des Erregers in Hepatomzellen. Die Hemmung der Regeneration von GSH aus GSSG führte ebenfalls zu zelltypabhängigen, kontroversen Ergebnissen. Einerseits wirkten sich die Inhibition der Gsr und der damit verbundene GSH-Mangel positiv auf das Überleben von B. pseudomallei in Makrophagen aus. Andererseits führte die Gsr-Inhibition in Hepatomzellen zu einem Anstieg des intrazellulären GSH-Gehaltes, was sich in reduzierten Keimzahlen äußerte. Wurde GSH direkt mithilfe eines bestimmten Konjugationspartners, der aber auch für seine Nrf2-induzierende Wirkung bekannt ist, depletiert, so wurde das bakterielle Wachstum in beiden Zelltypen und in den Organen von Mäusen begünstigt. Da der GSH-Gehalt in unseren Infektionsmodellen keinen signifikanten Einfluss auf proinflammatorische Mediatoren hatte, ist anzunehmen, dass die wirtsvermittelten Immunmechanismen eine untergeordnete Rolle bei der Pathogenkontrolle spielen. Die Ergebnisse der vorliegenden Arbeit bestätigen die in der Literatur bereits kontrovers beschriebenen Funktionen von Nrf2 und GSH bei mikrobiellen Infektionen. Es ist anzunehmen, dass sowohl der Nrf2-Signalweg als auch die Nrf2-abhängige Regulation des GSH-Stoffwechsels vorwiegend dem Schutz der Wirtszelle dienen, indem sie das durch eine Infektion hervorgerufene, gestörte Gleichgewicht zwischen ROS und Antioxidantien wiederherstellen. Jedoch konnte auch gezeigt werden, dass beide Faktoren unter bestimmten Bedingungen zugunsten des bakteriellen Wachstums genutzt werden können, indem das Pathogen die Schutzmechanismen des Wirtes umgeht.
In dieser retrospektiven Arbeit wurde untersucht, inwiefern Einflussfaktoren (im Folgenden Risikofaktoren) wie Diabetes mellitus, Adipositas, rheumatoide Arthritis sowie invasive Voreingriffe am Kniegelenk das klinische Outcome der Patienten bei bereits festgestellter periprothetischer Infektion beeinflussen. Das Patientenkollektiv hierzu bildeten 74 Personen, welche in der Orthopädischen Klinik der Universitätsmedizin Greifswald zwischen 01.01.2006 - 30.06.2013 wegen einer infizierten Knie-TEP behandelt wurden. Die Infektionsrate lag dabei insgesamt bei 2,3%. Nach entsprechender Datengewinnung wurden innerhalb des Patientenkollektivs vier Gruppenpaare gebildet, wobei pro untersuchtes Paar eine Gruppe mit jeweiligem Risikofaktor von einer entsprechenden Kontrollgruppe ohne den untersuchten Risikofaktor separiert wurde. Diese wurden durch statistische Tests auf signifikante Unterschiede bezüglich des objektiven und subjektiven Outcomes hin untersucht. Bei der Betrachtung des objektiven Outcomes, worin alle Patienten eingeschlossen waren, bestätigte sich der Verdacht, dass Diabetes mellitus sowie Adipositas den klinischen Verlauf bei periprothetischer Infektion negativ beeinflussen, was auch im Vergleich zur Literatur bestätigt werden konnte. Die primär durchgeführte Therapie zum Erhalt der einliegenden Prothese vor allem durch Inlay-Wechsel war in diesen beiden Risikofaktoren weniger erfolgreich als in den jeweiligen Kontrollgruppen. Sogar der TEP-Wechsel als primäre Infektsanierung war in der Gruppe der Diabetiker signifikant erfolgloser als in der jeweiligen Kontrollgruppe. Dies führte insgesamt zu vermehrten operativen Eingriffen bis zum Ende des Beobachtungszeitraumes. Das subjektive Outcome wurde durch den SF-36 Score mittels Fragebogen und telefonischer Kontaktaufnahme ermittelt, wobei 50% aller Patienten teilnahmen. Hierbei zeigte sich ausschließlich bei Diabetes mellitus eine signifikant geringere körperliche Funktion im Vergleich zur Kontrollgruppe. Bezüglich der Risikofaktoren "rheumatoide Arthritis" und "Voreingriffe am Kniegelenk" hat sich generell keine signifikante Beeinflussung des objektiven und subjektiven Outcomes gezeigt. Zusammenfassend kann Diabetes mellitus und Adipositas als Risikofaktor für ein schlechteres Outcome bei festgestellter Knie-TEP Infektion angesehen werden. Vor allem bei der Auswahl der passenden Primärtherapie nach festgestellter Infektion muss die klinische Gesamtsituation betrachtet werden. Dabei ist der TEP-Erhalt vor allem durch Inlay-Wechsel bei Adipositas und Diabetes mellitus weniger erfolgsversprechend ebenso wie der TEP-Wechsel bei Diabetikern, was bei der Therapieplanung bedacht werden sollte, um zukünftig multiple operative Eingriffe bei adipösen Patienten und körperliche Funktionseinschränkungen bei Diabetikern zu vermeiden.