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The iron-regulated surface determinant protein B (IsdB) of Staphylococcus aureus is involved in the acquisition of iron from hemoglobin. Moreover, IsdB elicits an adaptive immune response in mice and humans. Here, we show that IsdB also has impact on innate immunity. IsdB induces the release of proinflammatory cytokines, including IL-6 and IL-1β, in innate immune cells of humans and mice. In silico analysis and thermophoresis show that IsdB directly binds to TLR4 with high affinity. TLR4 sensing was essential for the IsdB-mediated production of IL-6, IL-1β, and other cytokines as it was abolished by blocking of TLR4-MyD88-IRAK1/4-NF-κB signaling. The release of IL-1β additionally required activation of the NLRP3 inflammasome. In human monocytes infected with live S. aureus, IsdB was necessary for maximal IL-1β release. Our studies identify S. aureus IsdB as a novel pathogen-associated molecular pattern that triggers innate immune defense mechanisms.
Life-threatening toxic shock syndrome is often caused by the superantigen toxic shock syndrome toxin-1 (TSST-1) produced by Staphylococcus aureus. A well-known risk factor is the lack of neutralizing antibodies. To identify determinants of the anti-TSST-1 antibody response, we examined 976 participants of the German population-based epidemiological Study of Health in Pomerania (SHIP-TREND-0). We measured anti-TSST-1 antibody levels, analyzed the colonization with TSST-1-encoding S. aureus strains, and performed a genome-wide association analysis of genetic risk factors. TSST-1-specific serum IgG levels varied over a range of 4.2 logs and were elevated by a factor of 12.3 upon nasal colonization with TSST-1-encoding S. aureus. Moreover, the anti-TSST-1 antibody levels were strongly associated with HLA class II gene loci. HLA-DRB1*03:01 and HLA-DQB1*02:01 were positively, and HLA-DRB1*01:01 as well as HLA-DQB1*05:01 negatively associated with the anti-TSST-1 antibody levels. Thus, both toxin exposure and HLA alleles affect the human antibody response to TSST-1.
The study of host-pathogen interactions is central to a better understanding of the human microbiome, infections and the inner workings of immune cells. One focal point of this research is how the human immune system recognises both harmful and harmless antigens, integrates the resulting signals and forms a response, and how, conversely, microbes can manipulate this reaction.
In this thesis, Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa), a critical pathogen in chronic and nosocomial infections, was in the focus. The aim was to search for bacterial proteins that favour a type 2 immune response, as it is orchestrated by CD4+ type 2 T helper cells (Th2 cells). The humoral arm of a type 2 response is dominated by IgG4 and IgE. Such immune responses are typically directed against multicellular pathogens like helminths and other parasites. However, type 2 immune responses are suboptimal for the defence against extracellular bacteria like P. aeruginosa. Previous research suggests that some bacterial proteins may promote a switch to such an insufficient immune response as a mechanism of immune evasion.
To optimise the sensitivity of the search for type 2 response inducing proteins of P. aeruginosa, cystic fibrosis (CF) patients were studied, as many are exposed to the pathogen in their airways over prolonged time periods. As such, the humoral immune response of 9 CF patients to their own P. aeruginosa strain was examined. For this, the secretomes of 9 clinical P. aeruginosa isolates from CF patients and the P. aeruginosa reference strain PAO-1 were studied by 2D-immunoblotting for their ability to be bound by IgG4 and IgG1 from respective patient sera. IgG4 served as a proxy for IgE, as assays analysing IgE binding suffer from low sensitivity because of low serum concentrations of IgE. Antibody reactive P. aeruginosa proteins were then identified by liquid chromatography tandem mass spectrometry and the results were compared with proteomics data from literature.
In total, 308 distinct protein spots were analysed. These belonged to 17 bacterial proteins, which comprise the entire known P. aeruginosa secretome. Of these spots, 232 were bound by IgG4, and 24 by IgG1 only. Notably proteases like serralysin and P. aeruginosa elastase presented with an IgG4 bias. This is concordant with previous research linking proteases to a type 2 immune response. Moreover, structural proteins like
agellins were also immunodominant. Flagellins are known as common targets of immune detection in bacteria. These proteins also demonstrated a clear IgG4 bias.
Thus, the search for secreted P. aeruginosa proteins that elicit an IgG4-dominated antibody response was successful. It remains to be shown whether these bacterial proteins are also recognized by IgE and Th2 cells, meaning whether they are truly driving a type 2 immune response in CF patients. It is also an open question whether the observed IgG4 bias in the antibody response to the exoproteome of P. aeruginosa is specific to CF or a general feature of the human immune response to the pathogen.
Das Gram-positive Bakterium S. aureus besiedelt rund 20 % der Menschen persistent und asymptomatisch, während sich bei den anderen Phasen der Kolonisation und Nicht-Kolonisation abwechseln. Als opportunistisches Pathogen kann S. aureus seinen Wirt auch infizieren und eine Vielzahl von Krankheitsbildern hervorrufen. Diese reichen von oberflächlichen Haut- und Weichteilinfektionen bis hin zu komplexen Infektionsgeschehen wie der Sepsis und können den Tod der betroffenen Person zur Folge haben. Antibiotika-resistente Varianten wie Methicillin-resistente S. aureus (MRSA) verkomplizieren die Therapie und sind als „Krankenhauskeime“ gefürchtet. Die Kolonisierung und Infektion mit MRSA beschränkt sich allerdings nicht nur auf Gesundheitseinrichtungen, sondern etablierte sich auch in der Allgemeinbevölkerung sowie in Landwirtschaftsbetrieben. Da S. aureus neben dem Menschen ebenfalls eine Vielzahl von Wild- und Nutztieren kolonisieren und infizieren kann, welche als Reservoir, Überträger sowie als Brutstätten neuer Varianten fungieren, ist ein holistischer Ansatz wie das „One Health“-Konzept gefordert, um Ausbreitung und Infektionen unter Kontrolle zu halten.
Dies erfordert geeignete Tiermodelle, um die komplexen Interaktionen von S. aureus mit seinem Wirt zu analysieren und therapeutisch zu beeinflussen. Am häufigsten werden dafür etablierte Labormaus-Stämme (z.B. C57BL/6, BALB/c) eingesetzt und mit S. aureus-Stämmen des Menschen kolonisiert oder infiziert. Weil S. aureus jedoch einen Wirtstropismus ausbildet, ist die Aussagekraft solcher Mausmodelle durch die Inkompatibilität zwischen Erreger und Wirt limitiert. Manche Aspekte der Wirt-Pathogen-Interaktion lassen sich in diesen Modellen gar nicht untersuchen. Hier könnten murin-adaptierte S. aureus-Stämme eine bessere Option sein, zumal Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe zeigten, dass Mäuse natürliche Wirte von S. aureus sind.
In dieser Arbeit sollte daher untersucht werden, ob Befunde aus dem Menschen in der Maus repliziert werden können, wo die Limitationen von Mausmodellen liegen und wie mögliche Optimierungsansätze aussehen könnten. Weitere Schwerpunkte lagen auf Analysen der Populationsstruktur von S. aureus in murinen Spezies unterschiedlicher Habitate und der Adaptation muriner S. aureus-Isolate an ihren Wirt. Außerdem wurden Maus-adaptierte Stämme in Infektions- und Kolonisationsmodellen eingesetzt, um ihre Eignung im Mausmodell zu testen.
In einer Originalarbeit (Mrochen et al.; Front. Immunol.; 2021) haben wir anhand der Immunantwort auf die beiden S. aureus-Virulenzfaktoren SplB und GlpQ beschrieben, dass Daten aus klinischen Studien in der Maus rekapituliert werden können. S. aureus-naive Mäuse zeigten nach Vakzinierung mit SplB eine sehr ähnliche Polarität der Immunantwort wie Menschen nach natürlicher Besiedlung/Infektion mit S. aureus. Mäuse reagierten mit einer Th2-Antwort auf das nicht-adjuvantierte Protein SplB, zudem war die Anzahl an Eosinophilen in der Milz signifikant erhöht. Im Serum der Mäuse ließ sich SplB-spezifisches IgE messen. Damit spiegelte das Mausmodell den beim Menschen bekannten Typ2-Bias der Immunreaktion auf Spls von S. aureus wider. GlpQ löste hingegen ohne Adjuvans keine messbare Immunreaktion aus, hatte also eine geringe Immunogenität. Dies zeigt, dass S. aureus-naive Mäuse sich dazu eignen könnten, die intrinsische Immunogenität und das Immunpolarisationspotential von S. aureus-Proteinen zu untersuchen, was für die Entwicklung von S. aureus-Vakzinen von Bedeutung ist.
In einem Übersichtsartikel (Mrochen et al.; Int. J. Mol. Sci.; 2020) haben wir die Limitationen von konventionellen S. aureus-Infektionsmodellen, bei denen Mäuse mit human-adaptierten S. aureus-Isolaten infiziert werden, veranschaulicht und Alternativen aufgezeigt. Zunächst stellten wir den Wirtstropismus von S. aureus und Mechanismen der Wirtsanpassung dar. Darauf aufbauend diskutierten wir einige Limitationen konventioneller Mausmodelle. Wir betrachteten Aspekte der genetischen Variation der verwendeten Maus- und S. aureus-Stämme, wirtsspezifische Virulenzfaktoren, Unterschiede des humanen und murinen Immunsystems, den Einfluss des murinen Mikrobioms und der verwendeten Infektionsdosen. Zusammenfassend kann dazu gesagt werden, dass durch die Inkompatibilitäten zwischen humanen S. aureus-Isolaten und der Maus die bakterielle Fitness und Virulenz eingeschränkt ist. Dies kann die Aussagekraft von Experimenten massiv einschränken. Beispielsweise können in ihrer Affinität verminderte Rezeptor-Ligand-Interaktionen die Akquisition von Nährstoffen erschweren und die Wirkungslosigkeit bestimmter Virulenzfaktoren (wie z.B. Superantigenen) die Immunevasion behindern. Wir haben daraufhin alternative Modell-Ansätze vorgestellt und diskutiert, welche unterschiedliche Aspekte der Wirt-S. aureus-Interaktion verbessern sollen (humanisierte Mäuse, dirty mice, Wildlinge). Die ebenfalls mögliche Verwendung murin-adaptierter S. aureus-Stämme beseitigt Inkompatibilitäten zwischen Maus und S. aureus komplett, kann aber manche humanspezifischen Vorgänge nicht modellieren.
In zwei weiteren Originalarbeiten (Mrochen et al.; Int. J. Med. Microbiol.; 2018 und Raafat et al.; Toxins; 2020) haben wir die Populationsstruktur von S. aureus in Labormäusen bzw. Ratten unterschiedlicher Habitate (Labor, Wildnis) beschrieben und die Adaptation der Bakterien an diese Wirte dargestellt. Rund um den Globus sind Labormäuse mit S. aureus besiedelt. Einige murine Isolate gehörten zu klonalen Komplexen wie CC1, CC5, CC8 und CC15, die sich auch beim Menschen finden, sodass hier eine Übertragung vom Menschen auf die Maus wahrscheinlich ist. Dennoch zeigten viele der Isolate eindeutige Zeichen einer Wirtsadaptation. So waren humanspezifische Virulenzfaktoren seltener als bei humanen Referenzisolaten gleicher Linien vorhanden. 47 % der Isolate gehörten jedoch zum klonalen Komplex CC88, der selten beim Menschen ist. Diese Linie war in Vorarbeiten unserer Arbeitsgruppe bereits als murin-adaptiert identifiziert worden, was sich hier bestätigte.
Bei Laborratten zeigte sich ein ähnliches Bild. Auch hier wurden viele Stämme isoliert, die zu typisch humanen Linien (z.B. CC1, CC8, CC15) gehören, außerdem CC88-Isolate. Sie zeigten Zeichen einer Adaptation an Ratten. S. aureus-Isolate aus Wildratten und aus von Wildratten abstammenden Ratten in Gefangenschaft besaßen eine vollkommen andere Populationsstruktur. Hier fanden sich u.a. Linien (CC49, CC130, ST890), die wir in einer anderen Studie aus Wildmäusen isoliert haben. Auch sie wiesen die Zeichen einer Wirtsadaptation auf.
Diese Studien zeigen, dass die Besiedlung von Labormäusen und -ratten durch S. aureus weit verbreitet ist und vermutlich meist vom Menschen ausgeht. Dennoch weisen die Laborstämme Anzeichen einer Adaptation an die Nager auf, was eine längere Kontaktzeit voraussetzt, die diese evolutionären Vorgänge ermöglicht. Die Besiedlung der Labortiere hat zudem Folgen für die Konstitution des Immunsystems, da es auf dieses Bakterium geprimt wird. Weiterhin kann eine Besiedlung zu opportunistischen Infektionen führen. Folglich sollte bei Experimenten stets der S. aureus-Besiedlungsstatus erfasst werden, um einen etwaigen Einfluss auf die erzielten Ergebnisse ausschließen bzw. nachweisen zu können. Bei Wildnagern und ihren Verwandten weist S. aureus eine andere Populationsstruktur auf, welche über einen gewissen Zeitraum auch in Gefangenschaft stabil zu sein scheint. Wildtiere sind damit ein bedeutendes Reservoir und potentielle Überträger von S. aureus, aber ebenfalls eine Quelle neuer Stämme, die zu Forschungszwecken eingesetzt werden könnten.
In zwei weiteren Originalarbeiten (Trübe et al.; Int. J. Med. Microbiol.; 2019 und Fernandes et al.; Microorganisms; 2021) haben wir die Eignung verschiedener murin-adaptierter Stämme in Infektions- und Kolonisationsmodellen diskutiert. S. aureus-Isolate aus Wild- und Labormäusen wurden in BALB/c-Mäusen mit dem humanen Stamm Newman verglichen. Ein CC49-Isolat (S. aureus DIP), das aus Rötel- und Gelbhalsmäusen stammte, erwies sich als besonders virulent und provozierte selbst in einer im Vergleich mit dem Stamm Newman zehnfach geringeren Infektionsdosis vergleichbare Symptome und Immunreaktionen. Die geringere Infektionsdosis ist wahrscheinlich klinisch relevanter, da pathophysiologische Eigenschaften von S. aureus auch dichteabhängig reguliert werden (quorum sensing).
In einem Kolonisationsmodell mit dem murin-adaptierten Laborstamm JSNZ wurde die dekolonisierende Wirkung von Aurintricarbonsäure (ATA) evaluiert. ATA war zuvor in breit angelegten in vitro-Screenings als potenter Adhäsionsinhibitor identifiziert worden. C57BL/6-Mäuse wurden mit JSNZ kolonisiert und anschließend mit ATA behandelt. Leider war ATA im Mausmodell wirkungslos, während mit der in der Klinik eingesetzten Kontrollsubstanz Mupirocin eine vollständige Dekolonisation erreicht werden konnte. JSNZ bestätigte sich jedoch als persistierender Besiedler der Maus. Dieses Besiedlungsmodell ist daher sehr gut geeignet, um neue Agenzien für eine S. aureus-Dekolonisierung zu testen oder die Wirt-Pathogen-Interaktion bei der Kolonisation im Detail zu analysieren.
Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich Mausmodelle besser für die Forschung an S. aureus eignen als bisher angenommen. Trotzdem muss die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf den Menschen stets kritisch überprüft werden. Die Maus-adaptierten S. aureus-Stämme sind ein neues und potentes Werkzeug, die S. aureus-Forschung zu optimieren. Von besonderem Interesse ist die Möglichkeit, Mäuse persistent zu kolonisieren, wie dies typisch für die Interaktion von S. aureus mit seinem menschlichen Wirt ist. Diese wichtige Facette im Zusammenspiel zwischen dem Erreger und seinem Wirt wird nun erstmals der experimentellen Forschung zugänglich.
Infective endocarditis (IE) is a potentially life-threatening infection of the endocardial surfaces of the heart, most frequently the valves. It is typically caused by bacteria, less commonly by fungi. Over the past years, the morbidity and mortality of IE have gradually increased, and it is now the fourth most common life-threatening infection after sepsis, pneumonia, and intra-abdominal abscess. Despite advances in cardiac imaging and diagnostic techniques, the diagnosis of IE remains challenging. The lack of fast and reliable diagnosis of IE can lead to serious complications. Therefore, new diagnostic and therapeutic tools are urgently needed.
This study had two main aims: (i) to investigate whether a pathogen-specific antibody response in IE patients is mounted against different IE pathogens and whether analysis of such a response might be useful for complementing the classical blood culture diagnosis, and (ii) generate and characterize neutralizing monoclonal antibodies (mAbs) against three virulence factors of Staphylococcus aureus (S. aureus), which is the most common etiological agent in IE.
Our research group has recently established an xMAP® (Luminex®) technology-based serological assay that simultaneously quantifies the antibody response against 30 different pathogens. Within the research consortium Card-ii-Omics, we conducted a prospective, observational clinical discovery study involving 17 IE patients and 20 controls (i.e., patients with non-infectious heart-related conditions). Plasma samples were obtained on the day of IE diagnosis from all patients, while samples at later dates over the course of infection were available for only some patients. Invasive pathogens were identified by blood culture.
The infection array revealed antibodies against a broad range of pathogens in both controls and IE patients, suggesting a broad immune memory. Overall, antibody levels did not significantly differ between both groups, but we observed high antibody titers against those pathogens that were detected by blood culture. Whenever available (in the case of 13/17 IE patients), back-up and follow-up plasma samples (obtained before or after diagnosis, respectively) were included in the analyses that provided valuable information about the kinetics of antibody response during the course of infection. Notably, infection array data confirmed (and extended) the blood culture data in only 2/13 cases. In three cases, serology contradicted the microbiological diagnosis, and in three cases, the infection array was able to identify pathogens, while the microbiological diagnosis failed. In three cases, serology was negative while microbiological diagnosis was positive, and in two cases, both serology and microbiological diagnosis were negative. In 6 out of 8 cases with increases in antibody levels, this response was directed against gut microbes. This supports the leaky gut hypothesis, which assumes that breaching of the gut barrier causes translocation of gut microbes into the bloodstream, which then infect the heart valves. Moreover, we observed an increase in antibody titers in 4 patients against the yeast C. albicans, suggesting a secondary fungal infection. Finally, this study emphasized that the timing of plasma collection is crucial for studying antibody kinetics in IE.
After demonstrating that pathogen-specific antibodies are generated during IE, we aimed to generate mAbs against the prime IE pathogen S. aureus and study their functions on a molecular level. Using the hybridoma technology, our research group has recently generated mAbs against two S. aureus surface proteins/adhesion factors (clumping factor A (ClfA) and fibronectin-binding protein A (FnBPA)), both involved in biofilm formation, as well as an extracellular enzyme, the staphylococcal serine protease–like protein B (SplB), a virulence factor. In this work, the sequences of the mAbs were determined from hybridoma RNA. Then those mAbs were produced at a larger scale in order to determine their binding and neutralizing capacities using in vitro assays such as ELISA, Western blot, Dot blot, microscale thermophoresis, and in a mouse model.
The anti-SplB mAb specifically targeted SplB, with no cross-reactivity to other Spls or extracellular proteins (ECP) of S. aureus. Though anti-SplB mAb showed moderate binding to SplB with a Kd value of 2.54 μM and high sequence homology to the germline sequence, it neutralized the enzymatic activity of SplB up to 99% in 5-fold molar excess as showed in an in vitro substrate cleavage assay. Previous work showed that SplB facilitates the release of proinflammatory cytokines in endothelial cells and induces endothelial damage in mice. Here, we demonstrated that the anti-SplB mAb efficiently blocked the function of SplB in vivo, thus markedly reducing the damage to the endothelial barrier. In conclusion, we identified the strong neutralizing potential of a mAb against SplB, which merits further investigation as a candidate for the immunotherapy of SplB-induced S. aureus pathologies, including IE.
High antibody titers against S. aureus adhesins, including ClfA and FnBPA, have been reported in IE patients. Besides, ClfA is involved in serious S. aureus bloodstream and biofilm-related infections. Similarly, FnBPA facilitates biofilm formation and inhibits macrophage invasion. These important properties make the two bacterial adhesins ideal candidates for a passive vaccination strategy. We generated two murine ClfA-mAbs, ClfA-002 and ClfA-004, which showed strong specificity to ClfA. However, ClfA-004 showed reduced binding strength compared to ClfA-002 due to a single non-synonymous nucleotide change (Phe Tyr) at the CDR3 region. While the ClfA-002 mAb reduced the binding of ClfA to fibrinogen by around 60%, the ClfA-004 had no inhibitory capacity. We also generated two murine and twelve humanized anti-FnBPA mAbs, which showed similar and moderate binding to FnBPA. One murine mAb (anti-FnBPA D4) partially inhibited the binding of FnBPA to fibronectin. FnBPA contains 11 tandem repeats that can all bind to fibronectin. This redundancy could be the reason for the lack of complete inhibition. Hence, in this work, we characterized the properties of neutralizing mAbs against two adhesins of S. aureus. These mAbs should be tested in the future, alone and in combination with other mAbs and antibiotics, for their ability to reduce staphylococcal biofilm formation.
In conclusion, we showed that antibody profiling of IE patients can provide valuable insights into the causative agent(s), and can help in guiding the antibiotic therapy. However, sampling is crucial in IE, which often dwells for many weeks before being clinically diagnosed. Because of the severity of IE, which can be life-threatening, I suggest to establish biobanks to store patient samples upon hospital admission that will provide a baseline in case of a later microbial infection. Moreover, our results suggest that C. albicans plays an important and so far underestimated role in IE. In the second part of the thesis, we characterized several mAbs against an S. aureus protease and two adhesins. Of high interest is a neutralizing mAb against SplB, which shows promising results in vitro and in vivo. Further in vitro and in vivo tests need to be conducted to study the anti-biofilm activity of the anti-FnBPA- and anti-ClfA-mAbs and explore their utility as therapeutic agents.
The GATA1 transcription factor is essential for normal erythropoiesis and megakaryocytic differentiation. Germline GATA1 pathogenic variants in the N-terminal zinc finger (N-ZF) are typically associated with X-linked thrombocytopenia, platelet dysfunction, and dyserythropoietic anemia. A few variants in the C-terminal ZF (C-ZF) domain are described with normal platelet count but altered platelet function as the main characteristic. Independently performed molecular genetic analysis identified a novel hemizygous variant (c.865C>T, p.H289Y) in the C-ZF region of GATA1 in a German patient and in a Spanish patient. We characterized the bleeding and platelet phenotype of these patients and compared these findings with the parameters of two German siblings carrying the likely pathogenic variant p.D218N in the GATA1 N-ZF domain. The main difference was profound thrombocytopenia in the brothers carrying the p.D218N variant compared to a normal platelet count in patients carrying the p.H289Y variant; only the Spanish patient occasionally developed mild thrombocytopenia. A functional platelet defect affecting αIIbβ3 integrin activation and α-granule secretion was present in all patients. Additionally, mild anemia, anisocytosis, and poikilocytosis were observed in the patients with the C-ZF variant. Our data support the concept that GATA1 variants located in the different ZF regions can lead to clinically diverse manifestations.
Staphylococcus aureus (S. aureus) is among the most common infectious agents, burdening the
global health care system and challenging physicians. Thus, the demand for vaccination is
increasing, and despite many attempts, no vaccine is currently available. The iron-regulated
surface determinant protein B (IsdB) is a highly conserved surface protein of S. aureus. It has
an essential role in bacterial iron acquisition and cell attachment, functioning as a fitness factor.
It has been shown that IsdB is critical for S. aureus virulence and growth in iron-restricted
conditions, such as the human host. Therefore, IsdB was studied as a vaccine candidate. A nonadjuvant vaccine (V710) was developed based on IsdB, which showed promising results in the
preclinical, phase I, and phase IIa trials. Unexpectedly, in a phase IIb/III, in cardiothoracic
surgery patients that were infected by S. aureus, mortality was significantly higher in the
vaccinated group than the placebo. Despite increased antibody levels against IsdB in the
vaccinated patients, V710 failed to prevent S. aureus infection. Therefore, a better
understanding of the interaction between S. aureus and the immune system is required.
We have discovered that IsdB has an important role in host-pathogen interaction. This bacterial
protein activated human monocytes and murine bone marrow-derived dendritic cells
(mBMDCs) to produce proinflammatory cytokines, such as IL-6, TNF-α, IL-12, IL-23, IL-33,
and IL-1β. In silico molecular docking and DimPlot analysis predicted that IsdB binds to -TLR4
via non-covalent interactions. Microscale thermophoresis confirmed that IsdB has a high
affinity to recombinant human TLR4 in the nanomolar range. Inhibition of TLR4 completely
abolished the production of all the cytokines mentioned above in both cell types. Furthermore,
we characterized the TLR4 signaling pathway triggered by IsdB. In human monocytes, blocking
the myeloid differentiation factor 88 (MyD88) adaptor protein and NF-κβ transcription factor
caused complete abrogation of proinflammatory cytokines in response to IsdB, revealing that
IsdB induces cytokine release via the TLR4-MyD88-NF-κβ dependent pathway.
The consistent release of IL-1β suggested that IsdB induced activation of the inflammasome, a
multi-molecular complex known to play a crucial role in innate immunity. We corroborated our
observations in human monocytes and mBMDCs by inhibiting essential components of the
NLRP3 inflammasome. Blocking NLRP3, caspases in general and caspase-1 completely
inhibited the release of IL-1β. In monocytes, IsdB alone was sufficient to induce NLRPdependent IL-1β release, suggesting an alternative pathway of inflammasome activation. In
contrast, mBMDCs required an additional stimulus, such as ATP or MSU (known stress
signals) besides IsdB, to release IL-1β, indicating a classical inflammasome activation. These
results demonstrate that IsdB induces the release of IL-1β via the TLR4-NLRP3-Caspase-1
axis. Next, we addressed the molecular mechanisms involved in IsdB-induced IL-1β in monocytes.
A low concentration of intracellular potassium (K+) resulting from K+ efflux is known to trigger the NLRP3 inflammasome-mediated IL-1β release. We demonstrated that blocking potassium efflux by inhibition of ion channels, such as pannexin channels (P2X)7, and addition of extracellular KCl significantly reduced IsdB-induced IL-1β. Other common inflammasome activators, such as phagolysosome rupture and reactive oxygen species (ROS), did not contribute to the release of IL-1β in response to IsdB. In summary, we revealed yet another role of IsdB beyond iron acquisition from Hb and attachment to the host cells via vitronectin and integrins. It is conceivable that IsdB’s interaction with innate immune cells modulates the quality of the adaptive immune response, showing a new facet in the pathogen-host relationship of S. aureus that should be considered in future
vaccine development.
Sepsis wird als eine lebensbedrohliche Organdysfunktion aufgrund einer fehlregulierten Reaktion des Organismus auf eine Infektion definiert (Sepsis-3) (23). Trotz der Fortschritte in der modernen Medizintechnik und der Entwicklung neuer Medikamente bleibt die Sepsis weiterhin eine der häufigsten Todesursachen auf Intensivstationen weltweit. Hinzu kommt, dass zukünftig von einer steigenden Letalität auszugehen ist. Gründe hierfür sind neben dem zunehmenden Anteil älterer und chronisch kranker Patienten die zunehmende Invasivität vieler diagnostischer und operativer Eingriffe und die steigende Antibiotikaresistenz der Erreger (35). Der rasante Anstieg resistenter Krankheitserreger weltweit stellt die Sepsisbehandlung vor neue Herausforderungen. Entscheidend für die Senkung der Letalität ist eine schnelle Diagnostik und eine zielgerichtete Therapie. Die auf kulturellen Verfahren basierte vorherrschende mikrobiologische Standarddiagnostik ist zu zeitintensiv, daher werden aktuell molekular-basierte Verfahren entwickelt die eine schnelle Diagnostik ermöglichen.
Ziel dieser Arbeit war herauszufinden, ob sich der Organismus in einer Sepsis mit dem invasivem Krankheitserreger auseinandersetzt und eine humorale Immunantwort generiert und ob diese Immunantwort erregerspezifisch ist.
Zur Beantwortung dieser Fragen wurde in dieser Arbeit ein Verfahren entwickelt, um die Antikörper-Bindung an verschiedene bakterielle Proteine zu quantifizieren.
Dafür wurden humane Plasmen von Sepsispatienten aus einer prospektiven klinischen Studie (VYOO-Studie, Greifswald) mittels automatisiertem 1D-Western Blot Verfahren (Simple WesternTM assay) auf ihren erregerspezifischen Antikörper-Gehalt untersucht. Das Erregerspektrum wurde durch die extrazellulären Proteine häufiger Sepsiserreger
(Enterococcus faecium, Enterococcus faecalis, Staphylococcus haemolyticus, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Serratia marcescens und Escherichia coli) bereitgestellt. Alle Bakterienisolate, mit Ausnahme von S. aureus (USA300 Δspa), stammen aus Wundabstrichen, Trachealsekreten und Blutkulturen der Sepsispatienten und wurden in der Medizinischen Mikrobiologie des Greifswalder Universitätsklinikums aufbewahrt und für die Kultivierung zur Verfügung gestellt. Mit Hilfe des automatisierten, eindimensionalen Western Blot (1D-WB) wurde die Bindung der extrahierten extrazellulären Proteine (ec-stat) verschiedener Sepsiserreger an humanen Serumantikörpern untersucht.
Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen heraus, dass immunkompetente Patienten während einer systemischen Infektion eine adaptive Immunantwort generieren. Um herauszufinden ob diese Immunantwort erregerspezifisch ist, wurden die Patientenplasmen nicht nur gegen extrazelluläre Proteine (ec-stat) des jeweiligen invasiven Erregers getestet, sondern auch gegen ec-stat anderer Bakterienspezies. Bei jedem der untersuchten Erreger konnten Patienten mit einem Antikörperanstieg identifiziert werden. Bei keinem Patienten stiegen Antikörper gegen alle untersuchten Erreger an. Schlussfolgernd beruht der Antikörperanstieg auf einer spezifischen Reaktion des Immunsystems auf bakterielle Invasion und ist demzufolge erregerspezifisch.
Es zeigte sich, dass v.a. bei Patienten mit einer abdominellen Sepsis die Antikörpertiter gegen mehrere Darmbakterienspezies ansteigen. Diese Befunde deuten darauf hin, dass sich das Immunsystem mit multiplen Erregern auseinandergesetzt hat, selbst wenn mikrobiologisch nur ein Erreger nachgewiesen wurde. Dies könnte relevant für die Antibiotikatherapie sein.
Des Weiteren konnte beobachtet werden, dass trotz mikrobiologisch nachgewiesenem Erreger bei einigen Patienten keine Immunantwort gegen den Keim generiert wurde.
Insgesamt zeigen die Daten, dass viele Patienten bereits vor einer Infektion spezifische Antikörper gebildet haben. Schlussfolgernd hat sich das adaptive Immunsystem schon seit längerer Zeit (vor Infektion) mit dem Krankheitserreger auseinander gesetzt.
Mit Hilfe einer immunologischen Sepsisserologie, wie der Verwendung des in dieser Arbeit genutzten Simple WesternTM Assays, lassen sich wichtige Informationen über die Pathogenese der Sepsis und die Reaktion des Immunsystems gewinnen. Diese ergänzen die konventionelle mikrobiologische Diagnostik. Ein besseres Verständnis der Immunantwort bei Sepsis ist eine Voraussetzung für die Entwicklung neuer therapeutische Ansätze. In wie weit der Simple WesternTM Assay - jedoch das diagnostische Portfolio bei Sepsis erweitern kann, müssen weitere Untersuchungen zur Sensitivität und Reproduzierbarkeit adressieren.
Humans are exposed to a plethora of microorganisms that reside on outer and inner body surfaces. These are collectively referred to as the human microbiome. The evolutionary relationship between humans and their microbiome is very complex. It is now widely accepted that these microorganisms are not just passive spectators but play an important role in health. The presence or absence of certain microbes is also linked to various diseases, including inflammatory bowel disease, cardiovascular disease, obesity, cancer, and allergies.
Allergies are several conditions caused by a misguided immune response to foreign antigens that are typically harmless. Common allergic diseases include atopic dermatitis (AD), allergic asthma, hay fever, and anaphylaxis. The incidences of allergic diseases are continuously rising, with up to 40% of the human population thought to be sensitised to environmental antigens. This increased incidence is not simply the result of societies becoming more aware and better at diagnosing these diseases. It is believed that the increases in allergies and sensitisation have environmental causes and are related to Western lifestyles. It is known that the rate of allergies is less frequent in developing countries. They are also more likely to occur in urban than rural areas. The prevailing view of the involvement of bacteria in allergies is described by the hygiene hypothesis. The hypothesis claims that decreased exposure to diverse microbial communities early in life increases the risk of developing allergic diseases. There are numerous examples to support this claim. For example, children born and raised in close contact to farm animals or in the presence of pets, and who are thus in direct and constant contact with a complex microbial environment, are protected from allergic diseases. On the other hand, colonisation or infection with certain bacteria increases allergic disease risks. This seems to contradict the hygiene hypothesis.
It appears that the members of the microbiome have different effects on allergy, and the hygiene hypothesis may not apply to every player in the complex microbial diversity that humans are in contact with. Therefore, a better understanding of the host bacterial interaction is required on the level of bacterial species.
This work studies the interplay between bacteria and the immune system to identify and characterise bacterial components with allergenic properties. In this quest, Staphylococcus aureus (S. aureus) and Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) were investigated for their allergenic properties and involvement in different allergic diseases. In the case of S. aureus, evidence is presented on allergic implications for two different components; serine protease-like proteins (Spls) and superantigens (SAg). Furthermore, experimental support is provided on the allergenic properties of the extracellular serine protease (Esp) from S. epidermidis. We argue that stimulating allergic reactions by staphylococci is an immune evasion mechanism that increases the survival chances of the bacteria within the host.
In chapter 1, an introduction is given to both S. aureus and S. epidermidis and their interactions with the immune system. Also, the bacterial components with allergenic properties and allergic diseases with known bacterial involvement are presented. Finally, the question of why bacteria cause allergy is discussed.
Chapter 2 describes allergic reactions to the Spls of S. aureus in a cohort of cystic fibrosis patients. Chapter 3 focuses on the SAgs of S. aureus. SAgs were discovered more than 30 years ago, but their physiological function is still under discussion. In this chapter, the allergenic properties of SAgs and their possible immunological mechanisms are reviewed, and a possible link between SAgs and allergic diseases is discussed. In chapter 4, the focus shifts to S. epidermidis and its involvement in AD. The human immune response to the Esp from S. epidermidis is characterised in healthy and AD individuals. The allergenic properties of Esp imply a detrimental role of S. epidermidis in AD. Finally, chapter 5 summarises and discusses the results of this thesis. In this section, the pieces are put together, and attention is brought back to the question of why bacteria cause allergies.
Sepsis ist die dritthäufigste Todesursache in Deutschland und verursacht jährliche Krankenhauskosten von mehr als 8 Mrd. €. Über die Pathophysiologie ist noch immer vieles unbekannt. Bei der Bekämpfung von extrazellulären Infektionserregern spielt vor allem das humorale Immunsystem eine wichtige Rolle, da die von B-Zellen/ Plasmazellen gebildeten Antikörper wichtige antiinfektive Agenzien darstellen. Dennoch ist die Rolle der B-Zellen bei einer Sepsis nicht gut verstanden. Ergebnisse aus Mausmodellen, aber auch aus klinischen Studien mit Sepsispatienten zeigen einerseits die vermehrte Apoptose von B-Zellen, anderseits wurde auch eine polyklonale B-Zellaktivierung beschrieben, die mit einem unspezifischen Anstieg der Antikörperkonzentrationen im Blut einhergeht.
In dieser Arbeit sollte untersucht werden, ob während einer systemischen bakteriellen Infektion, wie der Sepsis, auch eine Erreger-spezifische Antikörperantwort ausgebildet wird. Mit Hilfe von zwei serologischen Assays wurde die Antikörperantwort von Sepsispatienten gegen extrazelluläre Proteine von 16 typischen Sepsiserregern bestimmt. Anhand von Plasmaproben aus zwei prospektiven Studien konnte die Antikörperkinetik von einem Zeitpunkt vor der klinischen Diagnose bis maximal 16 Tage nach Diagnose ermittelt werden.
Mittels eines Simple Western Assays - einem semi-quantitativen Immunoblot-Assay - wurde zunächst die Erreger-spezifische Antikörperantwort von Patienten mit einer vorliegenden mikrobiologischen Erregerdiagnose untersucht. 54 % der Patienten zeigten eine spezifische humorale Immunantwort gegen den mikrobiologisch diagnostizierten Erreger, wohingegen die Antikörperspiegel für das Kontrollantigen TT unverändert blieben.
Zur Untersuchung der zweiten Patientenkohorte wurde ein Bead-basierter Suspensions-Array auf Grundlage der xMAP-Technologie (Luminex®) entwickelt. Der Infection Array ermöglichte die gleichzeitige Quantifizierung der spezifischen Antikörperantwort gegen 16 verschiedene Erreger. Bei 64 der 76 untersuchten Patienten wurden Anstiege der IgG-Antikörper gegen einen oder mehrere dieser Erreger beobachtet. In 62,5 % der Fälle stimmten diese Anstiege mit der mikrobiologischen Diagnose überein. Bei 20/64 Patienten wurden signifikante Anstiege der IgG-Spiegel spezifisch für einen oder zwei Erreger nachgewiesen, in 44/64 Fällen wurden Anstiege gegen mehr als zwei Erreger beobachtet. Bei Letzteren richtete sich die Antikörperantwort hauptsächlich gegen Enterokokken und Enterobacteriaceae, was primär auf zwei Ursachen zurückgeführt werden kann: (i) Ein Großteil dieser Patienten hatte einen intraabdominellen Infektionsfokus. Polymikrobielle Infektionen durch endogene Darmbakterien, typischerweise verursacht durch eine Darmruptur oder die Insuffizienz einer chirurgischen Darmnaht, sind hierbei ein plausibler Befund, der der mikrobiologischen Diagnostik offenbar häufig entgeht. (ii) Außerdem können Sepsis-bedingte Organstörungen zu einer gesteigerten Darmpermeabilität führen, die wiederum die Translokation intestinaler Bakterien erleichtert.
Die Ergebnisse dieser Arbeit lassen den Schluss zu, dass die beobachteten Antikörperreaktionen auf eine Antigen-spezifische Memoryantwort zurückzuführen sind. In etwa 2/3 der Fälle wird eine Sepsis endogen durch Bakterien des eigenen Mikrobioms verursacht. Entsprechend war es nicht überraschend, dass gegen alle untersuchten Erreger bereits vor der Infektion und auch bei gesunden Kontrollpersonen basale antibakterielle IgG-Spiegel gemessen wurden. Zudem waren die IgG-Anstiege oft bereits zwischen Tag 0 und Tag 8 zu beobachten. Bei einer Primärantwort mit dem Erreger würde die Aktivierung der Zellen und der Klassenwechsel der Antikörper deutlich mehr Zeit erfordern.
Die Untersuchung der Erreger-spezifischen Antikörperantwort hat gezeigt, dass ein serologischer Assay Rückschlüsse auf den Infektionserreger zulässt. Außerdem zeigen die Daten, dass auch Kommensale wie Darmbakterien das Immunsystem prägen, was wiederum Einfluss auf die humorale Immunantwort während einer Infektion haben kann. Dieser Aspekt wird bei Mausmodellen oft vernachlässigt, kann aber entscheidend für die Translation der Ergebnisse aus Tierversuchen auf den Menschen sein. Aber auch diagnostisch bietet der Infection Array Einsatzmöglichkeiten. Im Gegensatz zur konventionellen Erregerdiagnostik ist die Serologie robust gegenüber einer bereits begonnenen Antibiotikagabe, und sie könnte dabei helfen, zwischen einer Kontamination und dem Infektionserreger zu unterscheiden, z. B. im Fall von KNS wie S. epidermidis. Ebenso wäre der Einsatz bei Biofilm-assoziierten Infektionen wie z. B. Protheseninfektionen oder Endokarditis denkbar. Hier besteht die Infektion oft bereits lange asymptomatisch, bevor sie klinisch diagnostiziert wird. Bei Diagnose bestehen meist bereits erhöhte Antikörperspiegel, die sich von denen gesunder Individuen unterscheiden. Ein serologischer Test könnte hier invasive Eingriffe, um an Material für die mikrobiologische Diagnose heranzukommen, reduzieren und die Sensitivität der Erregerdiagnostik erhöhen. Durch den Einsatz rekombinanter Proteine kann die Spezifität des Assays in der Zukunft erhöht werden. Zu diesem Zweck wurden in dieser Arbeit bereits erste immunogene Proteine identifiziert. Durch die Verwendung rekombinanter Proteine wäre zudem zukünftig die Erweiterung des Erregerpanels um typische, aber womöglich schwerkultivierbare Erreger möglich. Damit könnte die Sepsisforschung Neuland betreten.