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Protection against Staphylococcus aureus is determined by the polarization of the anti-bacterial immune effector mechanisms. Virulence factors of S. aureus can modulate these and induce differently polarized immune responses in a single individual. We proposed that this may be due to intrinsic properties of the bacterial proteins. To test this idea, we selected two virulence factors, the serine protease-like protein B (SplB) and the glycerophosphoryl diester phosphodiesterase (GlpQ). In humans naturally exposed to S. aureus, SplB induces a type 2-biased adaptive immune response, whereas GlpQ elicits type 1/type 3 immunity. We injected the recombinant bacterial antigens into the peritoneum of S. aureus-naïve C57BL/6N mice and analyzed the immune response. This was skewed by SplB toward a Th2 profile including specific IgE, whereas GlpQ was weakly immunogenic. To elucidate the influence of adjuvants on the proteins’ polarization potential, we studied Montanide ISA 71 VG and Imject™Alum, which promote a Th1 and Th2 response, respectively. Alum strongly increased antibody production to the Th2-polarizing protein SplB, but did not affect the response to GlpQ. Montanide enhanced the antibody production to both S. aureus virulence factors. Montanide also augmented the inflammation in general, whereas Alum had little effect on the cellular immune response. The adjuvants did not override the polarization potential of the S. aureus proteins on the adaptive immune response.
Neue Antibiotika und Präventionsmaßnahmen gegen S. aureus sind aufgrund der starken Ausbreitung multiresistenter S. aureus-Stämme dringend erforderlich. Zur Entwicklung von Therapie- und Präventionsmaßnahmen werden geeignete Infektionsmodellen benötigt, die die klinische Situation möglichst exakt widerspiegeln. Da die Spezies S. aureus stark wirtsspezifisch ist, könnten wirtsadaptierte S. aureus-Stämme hierbei äußerst hilfreich sein. In der Infektionsforschung werden vor allem Mausmodelle verwendet. Da bisher jedoch angenommen wurde, dass Mäuse keine natürlichen Wirte von S. aureus sind, sind S. aureus-Forscher davon ausgegangen, dass Mäuse kein geeignetes Modell darstellen. Das wurde durch unsere und andere Arbeitsgruppen allerdings in den letzten Jahren widerlegt. Wir konnten zeigen, dass Labor- und Wildmäuse mit S. aureus besiedelt sind.
Im Rahmen dieser Arbeit sollte geklärt werden, ob murine Infektionsmodelle durch die Verwendung von mausadaptierten S. aureus-Stämmen optimiert werden können. Aus über 250 S. aureus-Stämmen, die aus Labor und Wildmäusen isoliert wurden, wurden vier mausadaptierte S. aureus-Isolate ausgewählt und mit dem humanen S. aureus-Isolat Newman in einem Pneumonie- und Bakteriämiemodell vergleichen. Diese Stämme wiesen einen repräsentativen spa-Typ sowie typischen Phagenmuster und Virulenzgene auf. Zudem waren sie in der Lage, murines Plasma zu koagulieren und in murinem Vollblut zu replizieren.
Es zeigte sich, dass das murine Isolat S. aureus DIP sowohl im Pneumonie- als auch im Bakteriämiemodell deutlich virulenter war als das humane Isolat Newman und die anderen getesteten mausadaptierten Stämme. Nach kürzester Zeit starben alle Tiere, die mit S. aureus DIP infiziert wurden. Wurde die Infektionsdosis im Vergleich zu Newman um 90 % reduziert, waren die bakterielle Last, der Belastungsscore, sowie die Zytokin- und Chemokinkonzentrationen nach Infektion mit S. aureus DIP bzw. S. aureus Newman vergleichbar. Im Besiedlungsmodell konnte gezeigt werden, dass die mausadaptierten Stämme S. aureus JSNZ sowie S. aureus DIP in der Lage sind, Mäuse über einen Zeitraum von 7 Tagen stabil zu besiedeln. Mäuse, die mit S. aureus Newman besiedelt waren, konnten den Stamm innerhalb dieses Zeitraums eliminieren. Die Genomsequenzierung der in vivo verwendeten S. aureus Stämme zeigte, dass lediglich S. aureus DIP für das Leukozidin LukMF‘ kodiert. Das lässt vermuten, dass die Präsenz des Virulenzfaktors für die gesteigerte Virulenz von S. aureus DIP verantwortlich sein könnte.
Des Weiteren sollten in dieser Arbeit ein Besiedlungsmodell mit murinen S. aureus-Isolaten etabliert und die beteiligten Immunzellen quantifiziert werden. Es zeigte sich, dass Mäuse mit murinen S. aureus-Isolaten bis zu 7 Tage besiedelt werden können wohingegen S. aureus Newman zu diesem Zeitpunkt nur noch in 20 % der Tiere nachweisbar war. Zudem konnte bei der intranasalen Besiedlung mit einer hohen Dosis S. aureus DIP [1 × 10^8 CFU] gezeigt werden, dass sowohl Th17-Zellen als auch γδ-T-Zellen nach 7 Tagen IL-17A, IL-17F und IL-22 produzieren. Jedoch konnte die Zytokinproduktion nur in Tieren nachgewiesen werden, die einen hohen Belastungsscore aufwiesen. Da nach 24 Stunden bei Tieren mit hohem Belastungsscore auch Bakterien in der Lunge detektiert wurde, ist anzunehmen, dass S. aureus diese Tiere nicht nur besiedelt, sondern bei ihnen auch eine Atemwegsinfektion verursacht hatte. Durch den geringen prozentualen Anteil an ILCs in den zervikalen Lymphknoten war es nicht möglich Rückschlüsse auf deren Zytokinproduktion zu ziehen. Somit gelang es zwar ein murines S. aureus-Besiedlungsmodell zu etablieren, jedoch kann keine Aussage zu den beteiligten Zellen des Immunsystems getroffen werden.
Zusammenfassend konnte gezeigt werden, dass Labormäuse mit mausadaptierten S. aureus-Stämmen länger besiedelt werden können als mit dem humanen Referenzstamm Newman. Zudem konnte mit Hilfe des mausadaptierten Stammes S. aureus DIP die Infektionsdosis im Pneumonie- und Bakteriämiemodell erheblich reduziert werden. Somit gelang es Mausmodelle durch die Verwendung von mausadaptierten S. aureus-Stämmen zu optimieren, auch wenn das nicht auf alle getesteten Isolate zutrifft. Durch die Anpassung an den murinen Wirt stellen mausadaptierte S. aureus-Stämme wie DIP und JSNZ ein physiologischeres Modell der Pathogen-Wirts-Interaktion dar. Die Verwendung eines solchen Stammes ermöglicht es ein besseres Verständnis für Infektionsprozesse und die Pathogen-Wirt-Interaktionen zu erlangen und dadurch eventuell neue Therapiemöglichkeiten zu entwickeln.
Es ist zu berücksichtigen, dass auch die Verwendung mausadaptierter S. aureus-Stämme in murinen Besiedlungs- und Infektionsmodellen lediglich ein Modell darstellt, welches Vor- und Nachteile hat. Daher ist es essenziell, dass Wissenschaftler die Grenzen jedes Modellsystems kennen und das richtige Infektionsmodell (oder eine Kombination davon) auswählen, um ihre Forschungsfragen zu beantworten.
Whether mice are an appropriate model for S. aureus infection and vaccination studies is a matter of debate, because they are not considered as natural hosts of S. aureus. We previously identified a mouse-adapted S. aureus strain, which caused infections in laboratory mice. This raised the question whether laboratory mice are commonly colonized with S. aureus and whether this might impact on infection experiments. Publicly available health reports from commercial vendors revealed that S. aureus colonization is rather frequent, with rates as high as 21% among specific-pathogen-free mice. In animal facilities, S. aureus was readily transmitted from parents to offspring, which became persistently colonized. Among 99 murine S. aureus isolates from Charles River Laboratories half belonged to the lineage CC88 (54.5%), followed by CC15, CC5, CC188, and CC8. A comparison of human and murine S. aureus isolates revealed features of host adaptation. In detail, murine strains lacked hlb-converting phages and superantigen-encoding mobile genetic elements, and were frequently ampicillin-sensitive. Moreover, murine CC88 isolates coagulated mouse plasma faster than human CC88 isolates. Importantly, S. aureus colonization clearly primed the murine immune system, inducing a systemic IgG response specific for numerous S. aureus proteins, including several vaccine candidates. Phospholipase C emerged as a promising test antigen for monitoring S. aureus colonization in laboratory mice. In conclusion, laboratory mice are natural hosts of S. aureus and therefore, could provide better infection models than previously assumed. Pre-exposure to the bacteria is a possible confounder in S. aureus infection and vaccination studies and should be monitored.