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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.
IL-10 drives the re-establishment of peritoneal macrophage populations in bacterial peritonitis
(2011)
The aim of this thesis work was to explore the physiological and functional properties of peritoneal macrophage populations in both the steady state and in inflammatory conditions. In the steady state there are two populations of macrophages in the peritoneum which I refer to as the R1 and R2 populations. The R1 cells are a rapidly turning over population which constitute around 20% of the peritoneal macrophages. I show that these cells have the capacity to efficiently present peptides on MHC-II to CD4+ T cells but that they are poor at phagocytosis. Monocytes transferred into the un-infected peritoneum give rise almost exclusively to this R1 population, suggesting that the R1 fate is the default pathway of monocyte development under steady state conditions. In contrast, the R2 population in the peritoneum turns over very slowly in the steady state and is composed of cells which are poor at the presentation of peptide to T cells but which are efficient at phagocytosis. Both of these populations are lost from the peritoneum within an hour of the induction of a poly-microbial peritonitis. A large fraction of the R2 population relocates from the peritoneal wash fraction to the omentum, the fate of the R1 population is less clear. Over the course of the next three days, the macrophage populations in the peritoneum are re-established. Transfer experiments using genetically marked cell populations demonstrated that neither the R1 nor the R2 populations which “disappeared” one hour after infection contributes to the re-established peritoneal wash fraction macrophage pool at day 3. While the re-established R1 population retains the functional properties and the FACS phenotype of the steady state R1 cells, the re-established R2-like population is clearly not identical to the R2 cells present in the pre-infection environment. In particular, this R2-like population can be split into two sub-populations which have non-identical functional properties. In this inflammatory situation monocytes transferred into the peritoneum now acquire the capacity to differentiate not only into R1-like cells but also into R2-like macrophages. I looked for the molecular basis driving this change of monocyte differentiation in the infected peritoneum by using a solid phase cytometry based ELISA procedure to examine the spectrum of cytokines produced in the peritoneum in response to poly-microbial infection. One of the most prominent cytokines produced early in infection is IL-10. To determine whether IL-10 is directly involved in assigning monocyte fate in the peritoneum I looked at the ability of mice carrying a targeted deficiency of either the IL-10 gene or of the IL-10 receptor gene to form the R2-like cells after infection. Neither mouse strain efficiently generates the R2-like population after infection. Adoptive transfer of genetically marked wild type or mutant monocytes into appropriate hosts demonstrated that the effect of IL-10 is not direct. Rather, the IL-10 responding cell produces a mediator which then directs monocyte fate. Thus, the bystander IL-10R deficient monocytes are driven by the mediator produced by wild type monocytes to generate R2 cells with high efficiency. The crucial role of this IL-10 dependent pathway was underscored by supplementation experiments. Mice carrying a targeted deficiency of the IL-10 gene fail to generate the R2 population during peritonitis. However, injection of IL-10 into these animals rescues the capacity to form the R2 population. In addition the normal default pathway of monocyte development in un-infected animals which leads to the R1 population is modulated by injection of IL-10 so that the monocytes can now differentiate into the R2 population. The work presented in this thesis describes the steady state populations of phagocytes in the un-infected peritoneum and the dynamics of these populations during the induction of peritonitis. It also uncovers an IL-10 dependent pathway which regulates the choice of monocyte developmental fate within the peritoneum.
SUMMARY To date, Staphylococcus aureus is the most common cause of nosocomial infections and the species is becoming increasingly resistant to antibiotics. Beyond this, S. aureus colonises the nasal mucosa of circa 35% of the healthy population, so-called carriers. Importantly, S. aureus nasal carriage is a major risk factor for the development of S. aureus infections, which are commonly caused by the colonising strain. This underlines the importance of host factors for the outcome of S. aureus-host interactions. Despite the clinical importance of nasal carriage, little is known about humoral immune responses triggered by colonisation. Therefore, this thesis was focussed on the anti-staphylococcal antibody responses of S. aureus carriers and noncarriers. Staphylococcal superantigens (SAgs) served as indicator antigens for our studies. SAgs are virulence factors with extraordinary variability in the species S aureus and act as extremely potent T cell mitogens. To date, 19 different SAg gene loci are known in the species S. aureus, but molecular-epidemiological studies on the distribution of these genes are limited. Therefore, we established five multiplex PCRs for the detection of all known SAgs. With this robust and high-throughput technique we analysed the SAg gene patterns of more than 300 isolates, including 107 nasal isolates of S. aureus carriers and 88 blood culture isolates of hospital patients from Western Pomerania. The SAg gene patterns were highly heterogeneous, which can be explained by their localisation on mobile genetic elements (MGE), such as genomic islands, pathogenicity islands, phages and plasmids. Most isolates (~80%) harboured SAg genes, on average five to six, and SAgs of the enterotoxin gene cluster (egc) were by far the most prevalent. Additionally, we observed a strict correlation between the presence of SAg genes and the T cell mitogenic potency of clinical isolates. SAg-encoding MGEs can be distributed by two distinct mechanisms: horizontal transfer by bacteriophages and vertical transmission to daughter cells. To investigate the distribution of SAg genes within the S. aureus population, we determined the clonal relationship of our isolates by spa genotyping. Interestingly, SAg-gene encoding MGEs were not randomly distributed, but rather closely linked to clonal lineages. Each clonal lineage was characterised by defined combinations of SAg genes. These data suggest that the simultaneous assessment of virulence gene profiles and the genetic background strongly enhances the discriminatory power of genetic investigations into the mechanisms of S. aureus virulence. Indeed, the comparison of virulence genes within each clonal complex indicated a role in invasiveness for some MGEs, e.g. the exfoliative toxin D-encoding pathogenicity island, while rendering it unlikely for SAgs. It is known that neutralising serum antibodies against the SAgs SEA, SEB, SEC, SED and TSST-1 are frequently present in healthy individuals. However, the neutralising antibody profiles against more recently described SAgs or complex SAg cocktails as secreted by clinical isolates had not been determined so far. Therefore, we screened more than 100 sera for their SAg neutralising capacity with a neutralisation assay. We observed a marked heterogeneity and surprisingly large “gaps” in the neutralising capacity. Interestingly, the egc SAgs were inhibited only rarely (5-10%), whereas between 32 and 86% of the tested sera neutralised “classical” SAgs. This “egc gap” in the SAg-neutralising antibody profiles of healthy individuals was unexpected, since egc SAgs are by far the most prevalent SAgs. We could demonstrate that the “egc gap” is probably not due to different T cell activating properties of egc SAgs compared to classical SAgs, but rather to a differential regulation of SAg gene expression. S. aureus carriers have an increased risk of developing an S. aureus bacteraemia, which is in most cases caused by the colonising strain. Intriguingly, a large prospective clinical trial revealed a considerably higher mortality in noncarriers with invasive S. aureus strains compared to carriers with invasive disease. To explain these paradoxical findings, we hypothesised that in carriers partial immunity against the colonising strain may contribute to their improved outcome. We used SAgs as strain-specific indicator antigens. Importantly, sera from persistent carriers neutralised SAgs of their colonising strain with significantly higher efficiency than sera from noncarriers. This antibody response was strain-specific, since the antibody response of carriers against other SAgs did not differ from that of noncarriers. Thus, colonisation with S. aureus confers a strong and strain-specific antibody response against staphylococcal SAgs. We suggest that in carriers neutralising antibodies directed against SAgs and other staphylococcal virulence factors confer partial protection during systemic infections. This could explain the better prognosis of carriers with S. aureus bacteraemia compared to noncarriers. Moreover, our data imply that the key to understanding the pathogenesis of S. aureus disease may lie in the identification of host factors rather than bacterial factors. Such host factors could be the immune status and gene polymorphisms that contribute to colonisation, susceptibility to infection and outcome of infection. Finally, while the treatment of S. aureus bacteraemia with pooled immunoglobulins was performed in the past without significant success, our findings on strain-specific antibody profiles suggest that therapies with customised cocktails of monoclonal antibodies could have a higher efficacy.
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.
Cancer is one of the leading causes of death in industrialized nations. Nowadays, cancer therapy mainly consists of surgery, radiation and chemotherapy. Thanks to intensive research alternative treatment strategies like gene therapy and especially immunotherapies are on the rise. Immunotherapies base on the idea of stimulating and supporting the patients immune system to generate an effective anti-tumor immune response. Dendritic Cells are perfect targets for this purpose, since these potent antigen-presenting immune cells influence the balance of the immune system by defining the route of action. Stimulation of these cells by activation of cellular signaling pathways results in maturation, upregulation of surface molecules and secretion of cytokines. A20 has been identified as a regulator of dendritic cell maturation and attenuator of their immune stimulating properties. Hence, the blockade of that natural inhibitor reveals an elegant way to activate cellular pathways of DCs. A siRNA against A20 obtains a functional blockade via RNA interference if it can be delivered into the cytoplasm of the target cells. CpG oligodeoxynucleotides can be used for this intracellular transport. CpGs contain DNA motifs similar to those found in bacteria. Innate immune cells can detect this DNA via the toll-like receptor 9 getting activated and stimulated. CpG oligodeoxynucleotides are already in clinical use as adjuvants in vaccines and in cancer therapy approaches. Linking A20-specific siRNA to CpG enables A20 regulation and cell stimulation selectively in toll-like receptor 9 expressing cells, like dendritic cells. Aim of this study was to investigate if these constructs trigger immune cell activation and if they are able to break immune-suppression in the tumor environment to enhance anti-tumor immunity. A long-term growth factor dependent bone marrow-derived dendritic cell culture has been established in order to analyze the CpG-siRNA A20 effects on murine dendritic cells. The constructs were internalized shortly after administration (1 hour) and led to cell stimulation/activation. The intraperitoneal treatment with the constructs induced local cellular activation and systemic IL-6, TNF-α cytokine production in healthy mice. Subcutaneous growing B16 melanoma tumors were treated peritumorally to analyse whether the observed immune-stimulation has effects on established tumors. The silencing of A20 enhances CpG-induced activation of NF-κB followed by elevated expression of IL-6, TNF-α and IL-12 in this tumor model. These changes led to enhanced anti-tumor immune responses manifested by increased numbers of tumor-specific cytotoxic T cells, high levels of tumor cell apoptosis and delayed tumor growth. New constructs were designed and tested on dendritic cells isolated from healthy donors in order to test whether the obtained results for the murine system are applicable to the human system. CpG-siRNA A20 constructs induced cell activation and cytokine expression (IL-6, TNF-α) significantly more than CpG alone. Even though responds of the donor DCs were variable, there are promising similarities to the results of the mouse experiments. The significant role of A20 in controlling the immune-stimulatory activity of DCs has been confirmed in this study. The novel CpG-siRNA A20 constructs provide a strategy for simultaneous A20 silencing and CpG-mediated cell stimulation directly in vivo. This therapeutic approach induces potent adaptive and innate immune responses against established tumors in mouse melanoma model leading to prolongation of survival. CpG-targeted A20 blockade is a new immune-stimulatory approach, which could be suitable for supplementation or optimization of clinical tumor treatments.
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.
Ischemic stroke is the second leading cause of death worldwide and a disease with a variety of risk factors including hypotension, nutrition/obesity, and smoking but also increased age. In an ageing society stroke is a great challenge and leaves the survivors with disabilities. The aim of this dissertation was to investigate the immunologic changes post ischemic stroke, in order to use a better understanding for new therapeutic approaches as well as for improvement of translation of results from bench to bedside. Ischemic stroke leads to a local and peripheral immune activation. On the other side an immune dysfunction/suppression occurs, that leads to a higher risk of stroke-associated infections. In this dissertation, a long-lasting elevation of HMGB1 after stroke and a correlation with blood leukocyte numbers could be shown. HMGB1 seems to be an important mediator of an endogenous inflammation and an interesting target for post-stroke immunomodulation. In a further study we showed that the quality of the immune response of infiltrating T cells has an impact on the neurologic outcome and functional recovery after experimental stroke. Importantly, a mechanism of how infections, mimicked by LPS injections, could worsen the outcome of stroke patients was revealed. In the context of stroke-induced immunosuppression regulatory T cells as an immunosuppressive T cells subset seem to not play a role as their suppressive capacity is reduced after stroke. Interestingly, the CD39 expression on Tregs is similarly increasing with age in humans and mice. This shows the importance of an age equivalent in experimental studies. In search of predictors for the outcome after stroke as well as the risk of infections, we performed single nucleotide polymorphism genotyping in the IL-1RN and TLR4 gene of stroke patients. Functional significant variants in the IL-1RN and TLR4 genes may have an impact on outcome and systemic markers of inflammation post stroke but these findings need to be replicated in studies with much larger cohorts.
Our modern understanding of the hygiene hypothesis is that bacteria are not only the cause of disease but also essential for a healthy immune response and regulation. Varied microbial exposure prenatally and in early childhood protects us from pathological immune reactions such as autoimmune diseases and allergies. Against this background, the hypothesis that bacteria can act as allergens appears paradoxical. Nevertheless, there is growing evidence that Staphylococcus aureus (S. aureus) is associated with allergic reactions and serine protease-like proteins (Spls) produced by S. aureus have been identified as pacemakers of allergic reactions. To open prospects for treatment or causal therapy in patients at risk, the underlying mechanism of allergy induction by Spls was studied, focusing on the IL-33 pathway in airway inflammation. In a murine asthma model C57BL/6 J wild-type mice were repeatedly exposed to SplD via intratracheal application. After two weeks a Th2-biased inflammatory response was observed in the airways: IL-33 and eotaxin production, eosinophilia, bronchial hyperreactivity, and goblet cell hyperplasia. Blocking IL-33 activity with its soluble receptor ST2 counteracted these effects: significantly decreased numbers of eosinophils, IL-13+ type 2 ILCs, IL-13+CD4+ T cells as well as reduced IL-5 and IL-13 production by lymph node cells were observed. This study indicates that SplD induces allergic airway inflammation via the IL-33/ST2 axis. IL-33 upregulation was not accompanied by cell death, which indicates that IL-33 may not be passively released by dying cells but actively secreted by the airway epithelium. Future identification of the physiological substrates of the Spls may help to shed light on the source of IL-33 in SplD-induced airway inflammation.
While the causes of allergy induction by S. aureus Spls were addressed by investigating the underlying mechanism, the consequences of this were also of interest: Does the pro-allergenic response to S. aureus affect patients exposed to S. aureus in their airways? Therefore, the humoral and cellular immune response against Spls was studied in cystic fibrosis (CF) patients who are more frequently colonized with S. aureus than the healthy population and suffer from frequent recurrent airway infections. In this patient cohort a Th2 shift of the Spl-specific immune response became evident, including high Spl-specific serum IgE levels, strong induction of Th2 cell differentiation and production of type 2 cytokines following ex vivo stimulation with recombinant Spls. The observed response seems to be specific for Spls rather than being a general feature of S. aureus proteases since other putative allergens of S. aureus (ScpA, SspB) did not show increased IgE binding in CF sera. The Th2-driven immune response might impede antibacterial clearance and worsen the clinical picture. Larger clinical studies are needed to validate this notion by correlating the anti-S. aureus immune response with clinical parameters and testing new therapy options.
These results and findings shed light on a novel, possibly underestimated facet of the immune response against S. aureus and give impetus for further research on bacterial allergens in general, reaching beyond the species S. aureus.
Challenge of immunized mice with H. pylori induces protective gastric inflammation that is histologically indistinguishable from chronic H. pylori-associated gastritis in non-immune mice. To identify mechanisms of protective immunity gene expression in the gastric tissue from infected mice and mice vaccinated prior to challenge was compared by DNA array analysis. Message RNA was used to screen over 10,000 murine genes. Major Histocompatibility Complex antigens and IFN-γ dependent GTP binding proteins were strongly upregulated in both infected and immunized/challenged mice compared to naive controls. Differences in gene expression were also observed in novel T cell genes, which were exclusively upregulated in immunized/challenged mice. Both IFN I and II associated genes like the IFN-a/ßreceptor or IFN dependent transcription factors mIRF-1 and ISGF3 were also predominantly expressed in this group. These results were confirmed for several candidate genes by semi-quantitative RT-PCR. Additionally, H. pylori-stimulation of CD4+ T cells from immune mice induced significantly more IFN-γ production than stimulation of cells from infected mice. The present study provides evidence that the inflammatory infiltrate that arises in the gastric mucosa when immunized mice are challenged with H. pylori is associated with specific T cells sets and protein families that are distinct from those present in Helicobacter-associated chronic inflammation. Gene array profiles and in vitro assays indicate that immunized mice are more readily poised than infected mice to promote IFN-γ production and IFN related events and thus promote a strong proinflammatory THi response. This study supports recent findings that an immune response dominated by THi cytokines is essential for protection from H. pylori infection. This insight could facilitate the choice of the appropriate adjuvants for the development of vaccines against H. pylori, which are efficient and safe for use in humans. The mechanisms by which THi cells induce protective immunity or reduce Helicobacter colonization remain poorly understood and will be subject of future research.
Inflammation is an adaptive response that is triggered by noxious stimuli and conditions, such as infection and tissue injury. Neutrophils, eosinophils, monocytes, tissue macrophages and dendritic cells can all ingest bacteria, tissues debris and apoptotic cells after injury or infection. These cells derived from bone marrow progenitors, circulate in the blood and migrate to peripheral tissues. Macrophages produce and secrete a cascade of pro-inflammatory and anti-inflammatory cytokines, such as interleukin-6 (IL-6), IL-10, and IL-12 that are trafficked and secreted by constitutive exocytosis. IL-10 and IL-6 are known to be rapidly induced during infection and / or injury, which make them possible mediators of early phagocyte recruitment. This thesis work aimed at detailed investigation of role of these cytokines in peritoneal inflammation. Under normal physiological conditions peritoneal cavity of normal BALB/c mice contains mainly CD45+ lymphocytes and CD11b+ myeloid cells with typical macrophage phenotype. The resident peritoneal cells play an important role in organismal homeostasis by taking part in innate and adaptive immunity. To explore this in detail, the physiological properties of peritoneal resident macrophage populations were studied under steady state and during inflammation conditions. Upon rapid induction of sterile inflammation by thioglycollate or lipopolysaccharide, the resident peritoneal cells could no longer be recovered in a peritoneal wash 6h after treatment. During ceacal content (CC) peritonitis, these cells were lost even more rapidly. Neutrophils, monocytes and lymphocytes replace the resident peritoneal phagocyte populations. During sepsis the absence of peritoneal macrophages decreases neutrophils recruitment to the inflammatory site and subsequently increases sepsis. Upon peritoneal wash cell transfer, total peritoneal cells could be recovered from the peritoneum of non infected mice, whereas these cells disappeared after CC infection in mice. The fate of resident peritoneal cells and their migration into lymphoid organs such as omentum and parathymic lymph nodes was further studied following induction of peritoneal infection. The CC infection induced lost cells from peritoneum were emigrated into omentum and parathymic lymph nodes but not in mesenteric lymph nodes. R1 cells were mostly observed in parathymic lymph nodes after 72h of infection but not after 1h, whereas, R2 cells were selectively observed in omentum just 1h after infection and 72h as well. These results were further confirmed by adoptive transfer showing emigration of R2 cells into omentum 1h after infection. Additionally, analysis of cytokine production after CC peritonitis showed early production of IL-10 and IL-6, which is in agreement with earlier findings and further supports the importance of these cytokines in phagocyte recruitment. The role of IL-10, IL-6 and other cytokines as possible mediators of early inflammation and in the recruitment of monocytes, neutrophils or eosinophils to the peritoneum during inflammation was determined by cytokine application. The intraperitoneal application of IL-10 recruited monocytes, neutrophils, T cells, B cells and eosinophils to the peritoneum. However, IL-10 knockout mice showed even increased recruitment of leucocytes to the peritoneal cavity in CC infection suggesting their IL-10 independent recruitment with the exception of eosinophils. Even though eosinophils are effector cells which are recruited to the site of inflammation; during homeostasis eosinophils constitute an abundant leukocyte population in the gastrointestinal tract. Therefore, possible role of eosinophils in bacterial infection was further studied using Δdbl GATA mice which lack mature eosinophils. In the absence of eosinophils, the monocyte and neutrophil recruitment was unaffected after CC infection, while there was increased T and B cell recruitment at the same time. The Δdbl GATA mice also showed reduced production of IL-4, 18h after infection. The eosinophils secrete IL 4 which may induce alternative macrophage activation. These results together with cytokine administration and IL-10 ko mouse data suggest a novel and major role of IL-10 in attracting and in recruiting eosinophils after peritoneal infection. Altogether, present thesis work demonstrates a new aspect of IL-10 interaction with eosinophils in mouse peritoneal environment during peritonitis. It gives a new insight for understanding the possible role of eosinophils in modulating the peritoneal environment in resolution of bacterial infection and can be useful in designing new approaches for therapeutic strategies in combating sepsis and peritoneal inflammation.
Staphylococcus (S.) aureus besiedelt bei 30 % der gesunden Bevölkerung den Nasenraum, meist ohne Symptome zu verursachen (sog. Carrier). Die Bakterienspezies ist aber auch eine der häufigsten Ursachen für nosokomiale Infektionen mit zum Teil hoher Letalität, wie z. B. bei einer S. aureus-Sepsis. In den letzen Jahrzehnten haben sich multiresistente S. aureus-Isolate in und außerhalb der Krankenhäuser stark ausgebreitet. Dies lässt befürchten, dass eine erfolgreiche antibiotische Behandlung schwerer S. aureus-Infektionen in der Zukunft immer seltener möglich sein wird. Deshalb werden andere präventive und therapeutische Strategien wie Impfstoffe benötigt. Die Impfstoffentwicklung gestaltet sich jedoch schwierig. Zum einen ist die Variabilität der Spezies S. aureus sehr groß: Zwei Isolate können sich in bis zu 20 % ihres Genoms unterscheiden. Zum anderen ist auch die Immunantwort des Wirts sehr komplex. Die Mechanismen der angeborenen Immunabwehr sind bereits gut untersucht, das Zusammenspiel von S. aureus mit dem adaptiven Immunsystem dagegen weniger umfassend charakterisiert. Dabei ist gerade dies für die Vakzineentwicklung bedeutsam, denn jede erfolgreiche Vakzinierung beruht auf der Bildung eines Immungedächtnisses, der Kernkompetenz des adaptiven Immunsystems. Da sich die gegen S. aureus gerichtete adaptive Immunantwort von Individuum zu Individuum stark unterscheidet, ist die Entschlüsselung der zugrunde liegenden Mechanismen eine besondere Herausforderung. Die rasche Entwicklung von OMICs-Techniken ermöglicht nun erstmals eine umfassende Charakterisierung des Immunoms von S. aureus; der Gesamtheit der von B-Zellen (und Antikörpern) und T-Zellen erkannten bakteriellen Antigene. In dieser Arbeit sollten diese modernen Methoden eingesetzt werden, um einen Beitrag zum Verständnis der vielfältigen Interaktionen zwischen S. aureus und dem adaptiven Immunsystem zu leisten; mittelfristig soll dieses Projekt zur Entwicklung wirksamer Impfstoffe gegen S. aureus beitragen. Informativ erschien ein Vergleich der adaptiven Immunantwort bei S. aureus-Carriern und Patienten, weil er Aufschluss darüber verspricht, wie die Interaktion zwischen Erreger und Wirt in der Balance gehalten wird und was dieses Gleichgewicht stört. Weil die individuelle Antiköperantwort (IgG, IgA und IgM) in ihrer Komplexität und Variabilität erfasst werden sollte, wurde ein personalisierter Ansatz gewählt, d.h. mittels zweidimensionaler Immunoblots (2D-IB) wurde bei jedem S. aureus-Carrier oder Patienten die Antikörperantwort auf den eigenen kolonisierenden bzw. invasiven S. aureus-Stamm untersucht. Durch die Kombination mit massenspektrometrischen Analysen ließ sich das S. aureus-Immunom der Kolonisierung und der Bakteriämie herauskristallisieren. Um in der Zukunft auch S. aureus-spezifische T-Zellen charakterisieren zu können, wurde ein Verfahren für die Herstellung von humanen T-Zellbanken entwickelt, das die funktionelle Analyse von T-Lymphozyten auf Einzelzellebene ermöglicht.
Staphylococcus aureus (S. aureus) can secrete a broad range of virulence factors, among which staphylococcal serine protease-like proteins (Spls) have been identified as bacterial allergens. The S. aureus allergen serine protease-like protein D (SplD) induces allergic asthma in C57BL/6J mice through the IL-33/ST2 signaling axis. Analysis of C57BL/6J, C57BL/6N, CBA, DBA/2, and BALB/c mice treated with intratracheal applications of SplD allowed us to identify a frameshift mutation in the serine (or cysteine) peptidase inhibitor, clade A, and member 3I (Serpina3i) causing a truncated form of SERPINA3I in BALB/c, CBA, and DBA/2 mice. IL-33 is a key mediator of SplD-induced immunity and can be processed by proteases leading to its activation or degradation. Full-length SERPINA3I inhibits IL-33 degradation in vivo in the lungs of SplD-treated BALB/c mice and in vitro by direct inhibition of mMCP-4. Collectively, our results establish SERPINA3I as a regulator of IL-33 in the lungs following exposure to the bacterial allergen SplD, and that the asthma phenotypes of mouse strains may be strongly influenced by the observed frameshift mutation in Serpina3i. The analysis of this protease-serpin interaction network might help to identify predictive biomarkers for type-2 biased airway disease in individuals colonized by S. aureus.
Das Pankreaskarzinom gehört zu den wenigen malignen Erkrankungen mit einer Fünf-Jahres-Überlebensrate im nur einstelligen Bereich, die sich seit mehr als dreißig Jahren nicht wesentlich verändert hat. Trotz intensiver Forschung sind die Therapieerfolge bei Patienten mit Pankreaskarzinom noch immer unzureichend. Die in den letzten Jahren in den Fokus gerückten Immuntherapien zeigen erste vielversprechende Ergebnisse, die immunologische Charakterisierung von Virotherapien im Pankreaskarzinom, steht noch am Anfang. Die onkolytische Wirkung des NDV Feldisolates R75/98 wurde bisher nicht untersucht. Daher wurden in dieser Arbeit zunächst das direkte onkolytische Potential sowie die NDV-induzierte Expressionsänderung immunmodulatorischer Moleküle in sechs humanen und vier murinen Tumorzelllinien pankreatischen Ursprungs evaluiert. Mit Ausnahme der murinen Panc02 Zelllinie waren alle Zelllinien zu unterschiedlichem Ausmaß durch NDV infiziert. In humanen Zellen war neben einer Proliferationsinhibition ebenfalls Apoptose zu verzeichnen. Diese Effekte waren in murinen Zelllinien weniger stark ausgeprägt, diese Zelllinien reagierten mit deutlich gesteigerter Expression von MHC I und Rae-1δ sowie verminderter TGF-β Sekretion. Die Ergebnisse der in vitro Untersuchungen stellen eine Verbindung zwischen den für die Tumorentstehung verantwortlichen Mutationen und dem dadurch bedingten Phänotyp mit der Anfälligkeit für eine NDV-Infektion dar. Zur Charakterisierung der Immunantwort nach NDV-Infektion hinsichtlich der Induktion einer sekundären anti-Tumor Immunantwort wurde ein murines, orthotopes Pankreastumormodell genutzt, in welchem zwei verschiedene syngene Zelllinien in das Pankreas implantiert wurden. Die Infektion von Mäusen mit NDV R75/98, denen spontan entstandene DT6606PDA Zellen implantiert wurden, führte bereits zwei Tage nach Infektion zu einer Verkleinerung des Tumors durch direkte Onkolyse und die zeitgleiche Induktion der NK-Zell-Antwort. Außerdem wurde das durch TGF-β vermittelte inhibitorische Milieu durch die NDV-Infektion aufgehoben. Die NK-Zellen wurden durch das Fehlen von MHC I und die Expression viraler Proteine und Rae-1δ auf den DT6606PDA Zellen zur Zell-vermittelten Lyse aktiviert. Im weiteren Verlauf kam es zur Aktivierung des adaptiven Arms des Immunsystems und die Infiltration von CD8+ und CD4+ T-Zellen in das Tumorgewebe und zur Zell-vermittelte Tumorlyse. Die Bildung von NDV-spezifischen Antikörpern ermöglichte zudem die Opsonierung der Tumorzellen durch infiltrierte Makrophagen. Unter Verwendung von UV-inaktiviertem Virus konnte diese Induktion der humoralen Immunantwort ebenfalls beobachtet werden, die Tumorabstoßung blieb allerdings aus. Der adoptive Transfer NDV-aktivierter Splenozyten zeigte, dass die Erhöhung der Immunogenität durch NDV zwar förderlich ist, jedoch keine Voraussetzung für eine erfolgreiche Tumorabstoßung darstellt. So ist in diesem Modell die Aktivierung der Immunsystems durch NDV und damit die Aufhebung der Tumor-assoziierten Immuninhibition der Schlüssel zu einer erfolgreichen Tumorabstoßungsreaktion. Die adaptive, spezifische anti-Tumor Immunantwort verhindert weiterhin das Rezidiv im murinen Modell des Pankreaskarzinoms. Diese Erkenntnisse wurden durch die Verwendung von Panc02 Zellen im Pankreastumormodell bestätigt. So führte die NDV-vermittelte Rekrutierung und Aktivierung von NK-Zellen zwar zu einer starken Reduktion der Tumormasse innerhalb der ersten Woche nach Infektion, jedoch blieb die Induktion der spezifischen adaptiven Immunantwort aus. Zurückzuführen war dies auf die Implantation dieser Zellen, die zu einer zu einer generellen Immunsuppression durch TGF-β führte. Die NK-Zell-vermittelte Tumorzelllyse begünstigte das immunoediting und führte so zur Bildung eines nicht-immunogenen, immunsuppressiv wirkenden Tumors. Dadurch wurde nicht nur die Induktion der adaptiven Immunantwort verhindert, sondern auch eine anhaltende NK-Zell-vermittelte Lyse unterbunden und führte zum Rezidiv im Panc02 Modell. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass NDV R75/98 in der Lage ist, sowohl direkte Onkolyse auszulösen als auch die Immunogenität der Tumorzellen zu erhöhen. Diese wiederum steigert die Zell-vermittelte Tumorzelllyse und fördert ein pro-inflammatorisches Milieu. Die NDV-vermittelte Induktion der adaptiven Immunantwort und damit die Aufhebung der Tumor-assoziierten Immunsuppression stellen jedoch die Grundvoraussetzung der erfolgreichen Ausbildung einer anti-Tumor Immunantwort dar und gewährleisten gleichzeitig die Verhinderung eines Rezidivs. In Anbetracht der unzureichenden Therapieerfolge mit klassischen Chemotherapien und der ersten Erfolge immunmodulatorischer Therapien sollte die NDV-vermittelte Tumorabstoßung weiter aufgeklärt und als mögliche Alternative in klinischen Studien zur Therapie von Bauchspeicheldrüsenkrebs in Betracht gezogen werden.
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.
Oxidation-Specific Epitopes (OSEs) Dominate the B Cell Response in Murine Polymicrobial Sepsis
(2020)
In murine abdominal sepsis by colon ascendens stent peritonitis (CASP), a strong increase in serum IgM and IgG antibodies was observed, which reached maximum values 14 days following sepsis induction. The specificity of this antibody response was studied in serum and at the single cell level using a broad panel of bacterial, sepsis-unrelated as well as self-antigens. Whereas an antibacterial IgM/IgG response was rarely observed, studies at the single-cell level revealed that IgM antibodies, in particular, were largely polyreactive. Interestingly, at least 16% of the IgM mAbs and 20% of the IgG mAbs derived from post-septic mice showed specificity for oxidation-specific epitopes (OSEs), which are known targets of the innate/adaptive immune response. This identifies those self-antigens as the main target of B cell responses in sepsis.
Infections are often caused by pathobionts, endogenous bacteria that belong to the microbiota. Trauma and surgical intervention can allow bacteria to overcome host defences, ultimately leading to sepsis if left untreated. One of the main defence strategies of the immune system is the production of highly specific antibodies. In the present proof-of-concept study, plasma antibodies against 9 major pathogens were measured in sepsis patients, as an example of severe systemic infections. The binding of plasma antibodies to bacterial extracellular proteins was quantified using a semi-automated immunoblot assay. Comparison of the pathogen-specific antibody levels before and after infection showed an increase in plasma IgG in 20 out of 37 tested patients. This host-directed approach extended the results of pathogen-oriented microbiological and PCR diagnostics: a specific antibody response to additional bacteria was frequently observed, indicating unrecognised poly-microbial invasion. This might explain some cases of failed, seemingly targeted antibiotic treatment.
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.
Postoperative Immune Suppression in Visceral Surgery: Characterisation of an Intestinal Mouse Model
(2011)
Background: Postoperatively acquired immune dysfunction is associated with a higher mortality rate in case of septic complications. As details of this severe clinical problem are still unknown, animal models are essential to characterise the mechanisms involved. Methods: Mice were laparotomised and the small intestine was pressed smoothly in antegrade direction. For extension of trauma, the intestine was manipulated three times consecutively. Following this, the ex vivo cytokine release of splenocytes was determined. The degree of surgical trauma was analysed by detection of HMGB1 and IL-6 in serum and by neutrophil staining in the muscularis mucosae. Results: We adapted the previously described animal model of intestinal manipulation to provide a model of surgically induced immune dysfunction. Following intestinal manipulation, the mice showed elevated serum levels of HMGB1 and IL-6 and increased infiltration of granulocytes into the muscularis mucosae. Ex vivo cytokine release by splenocytes was suppressed in the postoperative period. The degree of suppression correlated with the extent of surgical trauma. Conclusions: In this study, we describe a surgically induced immune dysfunction animal model, in which a significant surgical trauma is followed by an immune dysfunction. This model may be ideal for the characterisation of the postoperative immune dysfunction syndrome.
Pretransplant Tolerance Induction Reduces the Islet Mass Required to Reverse Diabetes in NOD Mice
(2007)
Islet transplantation can restore normoglycemia in diabetic patients. However, its application is limited by the high number of islets required to reverse diabetes. As the mass and potency of most human islet preparations are marginal, a large impact on the applicability of islet transplantation is expected from the implementation of strategies that improve engraftment of these islet preparations. The roles of adaptive immunity and immunosuppression on islet engraftment are not well studied. Therefore, the effects of currently used immunosuppression with antilymphocyte serum, tacrolimus and sirolimus on islet engraftment were separated from their impact on immunity and diabetes reversal rates were compared after islet allotransplantation in immunosuppressed and chimeric, non-immunosuppressed NOD mice. Both strategies prevented rejection of islet allografts and reduced the frequency of donor-specific, IFN-gamma-secreting T cells. However, in order to achieve stable diabetes reversal with a probability of about 80% after islet allotransplantation in diabetic NOD mice, a fourfold higher islet mass (400 islets) was required in immunosuppressed recipients, compared with non-immunosuppressed recipients made tolerant pretransplant by induction of mixed hematopoietic chimerism (100 islets). The failure of immunosuppressed mice to become normoglycemic after low-dose islet transplantation primarily resulted from the inhibitory effects of tacrolimus combined with sirolimus on islet engraftment and not from the inhibitory effects of this combination on islet graft function. These data suggest that immunotherapeutic strategies that control adaptive immunity without interfering with islet neovascularization or other processes critical to islet engraftment are likely to improve the success rate of marginal mass human islet allografts.
: Platelets are components of the blood that are highly reactive, and they quickly respond
to multiple physiological and pathophysiological processes. In the last decade, it became clear that
platelets are the key components of circulation, linking hemostasis, innate, and acquired immunity.
Protein composition, localization, and activity are crucial for platelet function and regulation. The
current state of mass spectrometry-based proteomics has tremendous potential to identify and quantify thousands of proteins from a minimal amount of material, unravel multiple post-translational
modifications, and monitor platelet activity during drug treatments. This review focuses on the role
of proteomics in understanding the molecular basics of the classical and newly emerging functions
of platelets. including the recently described role of platelets in immunology and the development
of COVID-19.The state-of-the-art proteomic technologies and their application in studying platelet
biogenesis, signaling, and storage are described, and the potential of newly appeared trapped ion
mobility spectrometry (TIMS) is highlighted. Additionally, implementing proteomic methods in
platelet transfusion medicine, and as a diagnostic and prognostic tool, is discussed.
Chronischer psychischer Stress, der in einem Modell aus kombiniertem Immobilisations- und akustischem Stress realisiert wurde, führt bei weiblichen BALB/c-Mäusen zu einem Anstieg der Plasma-Kortikosteronkonzentration, Immunsuppression und depressionsähnlichem Verhalten. Eine durch chronischen psychischen Stress verursachte Darmbarrierestörung ruft über die Translokation bakterieller Produkte eine systemische IDO-Aktivierung hervor. Frühere Experimente zeigen, dass IDO-Hemmung durch 1-MT die stressinduzierte Immunsuppression und das depressive Verhalten, aber auch den Glukokortikoidanstieg im Plasma der Mäuse verhindert. Zur Klärung der Frage, welche Stresseffekte auf Glukokortikoide und welche auf eine IDO-Aktivierung zurückzuführen sind, wurde weiblichen BALB/c-Mäusen während chronischer Stressexposition der Glukokortikoidrezeptor-blocker RU486 injiziert und die Wirkungen von RU486 denen von 1-MT in ausgewählten Read-out-Systemen gegenübergestellt. Bei der Etablierung der Interventionsbehandlung mit RU486 tauchten schwerwiegende Probleme auf: Die tägliche Injektion des Medikaments führte zu einer Modifizierung der HPA-Achsenaktivität nicht gestresster Mäuse im Vergleich zu nicht behandelten, ungestressten Tieren. Außerdem wurde deutlich, dass die Wahl des Lösungsmittels einen Einfluss auf die Ergebnisse hatte. Jede Manipulation an Versuchstieren ist folglich ein ernstzunehmender Störfaktor in Tiermodellen. Die Ergebnisse dieses Mausmodells wurden nach der Wirksamkeit der Inhibitoren 1-MT und RU486 in drei Blöcke eingeteilt: Stresseffekte, die sowohl durch 1-MT als auch durch RU486 in ähnlicher Weise beeinflusst wurden, sind durch einen HPA-Achsen-vermittelten Glukokortikoidanstieg vermittelt. Dazu zählen die Gewichtsabnahme und depressionsähnliches Verhalten. Ein Stresseffekt, der nur durch RU486, aber nicht durch 1-MT vermindert wurde, ist die durch chronischen Stress vermittelte Apoptose der Leukozyten im Blutkreislauf und der Thymozyten. Dieser Zellverlust ist unabhängig von IDO-Aktivität ausschließlich Glukokortikoid-vermittelt. Überraschenderweise konnte die stressbedingt verminderte Fähigkeit zur Bekämpfung einer experimentellen Infektion ausschließlich durch 1-MT-Behandlung wieder hergestellt werden. Tryptophanmangel und Kynurenine beeinträchtigen die bakterielle Abwehr folglich stärker als Glukokortikoide. Ob Glukokortikoide ihrerseits einen Einfluss auf die IDO-Aktivität haben, konnte nicht abschließend geklärt werden.
Histondeacetylase-Inhibitoren (HDI) wirken toxisch auf verschiedene Tumortypen. Sie lockern durch Hemmung von Histondeacetylasen die Chromatinstruktur maligner Zellen. Dadurch können sie Apoptose, Zellzyklusarrest und Differenzierung auslösen. Weiterhin ermöglichen sie die Wiederaufnahme der Transkription von Tumorsuppressorgenen sowie die verstärkte Expression proapoptotischer Proteine, und sie führen zu einer Aktivitätserhöhung von Caspasen. Werden Tumorzellen mit HDI inkubiert, erhöht sich deren Empfindlichkeit gegenüber dem tumor necrosis factor-related apoptosis-inducing ligand (TRAIL), so dass in Tumorzellen, die vorher nahezu resistent gegen TRAIL waren, sehr effektiv Apoptose ausgelöst wird. Natural killer cells (NK-Zellen) sezernieren nach Stimulation mit Interleukin 2 (IL-2) TRAIL und exprimieren das Molekül auf ihrer Zelloberfläche. Deshalb sollte in dieser Arbeit untersucht werden, ob eine Vorbehandlung mit HDI die Empfindlichkeit von Tumorzellen für zytolytische Effekte von Immunzellen erhöht. Dafür wurden Prostatakarzinomzellen (PC3) und Medulloblastomzellen (DAOY) 24 Stunden mit verschiedenen HDI vorinkubiert und dann mit IL-2 stimulierten peripheral blood mononuclear cells (PBMC) konfrontiert. IL-2 stimulierte PBMC enthalten aktivierte cytotoxische T-Lymphozyten (CTL) und aktivierte NK-Zellen. Beide Zellpopulationen können prinzipiell in Tumorzellen Apoptose auslösen. Verwendete HDI waren suberoyl anilide hydroxamic acid (SAHA), Natriumbutyrat (NaB) und das Benzamid MS-275. Um deren Wirkungen mit einem etablierten Zytostatikum zu vergleichen, wurde Vincristin als Kontrolle eingesetzt. Die quantitative Bestimmung der Zahl überlebender Tumorzellen erfolgte 24 bzw. 48 Stunden nach der Konfrontation mit den Zytokin-aktivierten Blutzellen in einem durchflusszytometrischen Verfahren. Propidiumjodid wurde zur Identifizierung toter Tumorzellen verwendet. Die HDI SAHA, NaB und MS-275 hatten allein eine dosisabhängige zytotoxische Wirkung auf die getesteten Tumorzelllinien. In Kombination mit den aktivierten PBMC zeigten die HDI überadditive und manchmal sogar synergistische zytolytische Effekte. Dagegen wirkten Vincristin und aktivierte PBMC stets nur additiv. Die Ergebnisse dieser Arbeit weisen darauf hin, dass die in klinischen Studien beobachteten tumortherapeutischen Wirkungen von HDI neben ihrer direkten zytotoxischen Wirkung teilweise auf einer synergistischen Wirkung mit Effektormechanismen des Immunsystems beruhen könnten.
Chronischer psychischer Stress, der durch die wiederholte Kombination von akustischem und Immobilisationsstress erzeugt wurde, führt bei BALB/c-Mäusen zu einer Immunsuppression. Im Verlauf der chronischen Stressbehandlung zeigen BALB/c-Mäuse außerdem ein reduziertes Erkundungsverhalten sowie verminderten Kontakt zu den Artgenossen, was einem depressionsähnlichen Verhalten entspricht. Die Immunsuppression und die Verhaltensänderungen werden auf eine stressbedingte Darmbarrierestörung mit bakterieller Translokation und systemischer IDO1-Aktivierung zurückgeführt. Um zu prüfen, ob die beobachteten Veränderungen mausstammspezifische Stresseffekte darstellen, wurden C57BL/6- und BALB/c-Mäuse, die generelle Unterschiede in der Qualität ihrer Immunantwort aufweisen, in einer einzelnen Stresssitzung (akutes Stressmodell) oder in neun aufeinanderfolgenden Stresssitzungen (chronisches Stressmodell) verglichen. Nach akuter Stressexposition kam es, ebenso wie bei BALB/c-Mäusen, bei C57BL/6-Mäusen zu einer bakteriellen Translokation in die mesenterialen Lymphknoten, womit auch bei C57BL/6-Mäusen eine stressbedingte Schädigung der Darmbarriere aufzutreten scheint. Eine systemische IDO1-Aktivierung infolge bakterieller Translokation erfolgte im akuten Stressmodell unabhängig vom Mausstamm. Allerdings hielt der Tryptophanabbau entlang des Kynureninweges in C57BL/6-Mäusen kürzer an als in BALB/c-Mäusen. Im chronischen Stressmodell war nur bei BALB/c-Mäusen ein aktivierter Kynureninstoffwechsel messbar. Da keine Hinweise auf einen aktivierten Tryptophanabbau in chronisch gestressten C57BL/6-Mäusen gefunden wurden, kann vermutet werden, dass diese Mäuse keine Immunsuppression entwickeln. Desweiteren könnten damit die unterschiedlichen Verhaltensänderungen während chronischer Stressexposition erklärt werden. Die Entwicklung eines depressionsähnlichen Verhaltens im Verlauf des chronischen Stressmodells wurde nur bei BALB/c-Mäusen aber nicht bei C57BL/6-Mäusen beobachtet. Bei chronisch gestressten C57BL/6-Mäusen wurde jedoch eine deutlich vermehrte Kot- und Urinabgabe nachgewiesen, was auf eine durch den Sympathikus getriebene Pathologie der Stressantwort bei diesen Mäusen hindeuten könnte. Eine stressbedingte Aktivierung der HPA-Achse, gekennzeichnet durch ansteigende Plasmakortikosteronspiegel sowie durch eine periphere Leuko- und Lymphozytopenie, konnte bei beiden Mausstämmen sowohl im akuten als auch im chronischen Stressmodell nachgewiesen werden. Während der akuten Stressantwort eine aktivierende Funktion bezüglich des Organismus zukommt, die meist keine gefährlichen Auswirkungen hinterlässt, kann eine chronische Stressexposition hingegen das Individuum schädigen. Dass sich dabei die stressbedingten Konsequenzen zwischen verschiedenen Individuen unterscheiden, konnte durch die vergleichenden Untersuchungen von BALB/c- und C57BL/6-Mäusen gezeigt werden.
Staphylococcus aureus can cause life-threatening diseases, and hospital- as well as community-associated antibiotic-resistant strains are an emerging global public health problem. Therefore, prophylactic vaccines or immune-based therapies are considered as alternative treatment opportunities. To develop such novel treatment approaches, a better understanding of the bacterial virulence and immune evasion mechanisms and their potential effects on immune-based therapies is essential. One important staphylococcal virulence factor is alpha-toxin, which is able to disrupt the epithelial barrier in order to establish infection. In addition, alpha-toxin has been reported to modulate other cell types including immune cells. Since CD4+ T cell-mediated immunity is required for protection against S. aureus infection, we were interested in the ability of alpha-toxin to directly modulate CD4+ T cells. To address this, murine naïve CD4+ T cells were differentiated in vitro into effector T cell subsets in the presence of alpha-toxin. Interestingly, alpha-toxin induced death of Th1-polarized cells, while cells polarized under Th17 conditions showed a high resistance toward increasing concentrations of this toxin. These effects could neither be explained by differential expression of the cellular alpha-toxin receptor ADAM10 nor by differential activation of caspases, but might result from an increased susceptibility of Th1 cells toward Ca2+-mediated activation-induced cell death. In accordance with the in vitro findings, an alpha-toxin-dependent decrease of Th1 and concomitant increase of Th17 cells was observed in vivo during S. aureus bacteremia. Interestingly, corresponding subsets of innate lymphoid cells and γδ T cells were similarly affected, suggesting a more general effect of alpha-toxin on the modulation of type 1 and type 3 immune responses. In conclusion, we have identified a novel alpha-toxin-dependent immunomodulatory strategy of S. aureus, which can directly act on CD4+ T cells and might be exploited for the development of novel immune-based therapeutic approaches to treat infections with antibiotic-resistant S. aureus strains.
Staphylococcus aureus(S. aureus) is a pathobiont of humans as well as a multitude of animalspecies. The high prevalence of multi-resistant and more virulent strains ofS. aureusnecessitatesthe development of new prevention and treatment strategies forS. aureusinfection. Major advancestowards understanding the pathogenesis ofS. aureusdiseases have been made using conventionalmouse models, i.e., by infecting naïve laboratory mice with human-adaptedS. aureusstrains. However,the failure to transfer certain results obtained in these murine systems to humans highlights thelimitations of such models. Indeed, numerousS. aureusvaccine candidates showed promising resultsin conventional mouse models but failed to offer protection in human clinical trials. These limitationsarise not only from the widely discussed physiological differences between mice and humans, but alsofrom the lack of attention that is paid to the specific interactions ofS. aureuswith its respectivehost. For instance, animal-derivedS. aureuslineages show a high degree of host tropism and carry arepertoire of host-specific virulence and immune evasion factors. Mouse-adaptedS. aureusstrains,humanized mice, and microbiome-optimized mice are promising approaches to overcome theselimitations and could improve transferability of animal experiments to human trials in the future.
Staphylococcus (S.) aureus nimmt dem Menschen gegenüber eine ambivalente Rolle ein, da er zum einen häufiger Kommensale ist, aber auch zum Pathogen werden kann. Zu den bedeutendsten Gegnern von S. aureus zählen die neutrophilen Granulozyten. Sie haben eine kurze Lebensspanne und weisen hochspezialisierte Zelltodstrategien, wie Apoptose oder NETose auf. Auffälligerweise besitzen S. aureus-Isolate, die Furunkulose auslösen, überproportional häufig das Gen für das Panton-Valentine-Leukozidin (PVL), welches hochspezifisch humane neutrophile Granulozyten lysiert. Zu den Interaktionen zwischen S. aureus und Neutrophilen sind noch viele Fragen ungeklärt. Die Ziele dieser Arbeit waren deshalb (1) die Charakterisierung der Wirkung von S. aureus auf das Zelltodverhalten von Neutrophilen und (2) der Vergleich dieser Mechanismen bei kommensalen S. aureus-Isolaten und Isolaten von Patienten mit chronisch rekurrenter Furunkulose. Dazu wurde der Zelltod von Neutrophilen mit einem DNA-Freisetzungstest (Sytox-Assay) und mittels Immunfluoreszenzfärbung analysiert. Auffällig waren dabei folgende Beobachtungen: (1) Hohe Konzentrationen der S. aureus-Kulturüberstände führten zur Nekrose der Neutrophilen. In sublytischen Konzentrationen bewirkten Überstände der stationären Wachstumsphase dagegen eine Verzögerung der natürlichen Apoptose der Neutrophilen in Kultur, deren Fähigkeit zur proinflammatorischen Aktivierung dabei erhalten blieb. Es ist vorstellbar, dass sich S. aureus, von dem inzwischen bekannt wurde, dass er auch intrazellulär persistieren kann, auf diese Weise in den Neutrophilen eine Überlebensnische schafft. Bei Stimulation mit lebenden Bakterienzellen konnten konzentrationsabhängig Nekrose, Apoptose und geringfügig NETose der Neutrophilen beobachtet werden. (2) Der Vergleich von S. aureus-Isolaten aus nasaler Besiedlung und Furunkuloseinfektion zeigte, dass bakterielle Überstände von Furunkulose-Isolaten, die die PVL-kodierenden Gene besaßen, eine deutlich stärkere Lyse der Neutrophilen verursachten. Dieser Effekt war nur dann zu beobachten, wenn die Bakterien tatsächlich PVL bildeten, wozu sie nur in besonders reichhaltigen Medien in der Lage waren. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass der Zelltod durch PVL verursacht wurde. Mit lebenden Bakterien konnten zwischen beiden Gruppen keine Unterschiede in der Zelltodinduktion der Neutrophilen festgestellt werden. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass S. aureus neutrophile Granulozyten auf verschiedene Weise beeinflussen kann: Neben der Induktion von Zelltod können die Bakterien auch Substanzen freisetzen, die die Lebensspanne der Abwehrzellen verlängern. Außerdem stützen die Befunde das Konzept einer zentralen Rolle für PVL bei Haut- und Weichteilinfektionen durch S. aureus, das bisher vor allem auf epidemiologischen Befunden basierte.
In dieser Pilotstudie wurde der Einfluss eines elektiven chirurgischen Eingriffes auf das Immunsystem untersucht. Eingeschlossen waren 12 Patienten, die einen endoprothetischen Ersatz eines Hüftgelenkes erhielten. Um eine aus dem chirurgischen Eingriff resultierende Infektion auszuschließen, wurden Temperatur, Herzfrequenz und Blutdruck als klinische Parameter präoperativ sowie vom ersten bis zum sechsten Tag postoperativ bestimmt. Für die immunologischen Untersuchungen wurden den Patienten präoperativ sowie am ersten, dritten, sechsten und achten Tag postoperativ Blut entnommen. Die Anteile von Monozyten, Granulozyten und Lymphozyten wurde im Durchflusszytometer bestimmt. Zur Charakterisierung des Aktivierungsstatus wurde der Phänotyp der T-Zellen (CTLA-4 [CD152], CD25 und HLA-DR) immunzytochemisch analysiert. Die Funktionsfähigkeit der T-Zellen wurde in Proliferationsassays überprüft. Im Rahmen des hier beschriebenen chirurgischen Traumas wurde bei keinem der Patienten eine Infektion mit den erhobenen klinischen Parametern festgestellt. Im peripheren Blut wurden eine Expansion von Granulozyten- und Monozytenpopulationen sowie eine Reduktion der peripheren Lymphozyten respektive der T-Zellen festgestellt. Daraus resultierte aber keine Balanceverschiebung der T-Zellsubpopulationen. Die Expression der Aktivierungsmarker CD25 (früh) und HLA-DR (spät) auf T-Zellen veränderten sich über den gesamten Beobachtungszeitraum nicht signifikant. CD25 zeigte lediglich einen ansteigenden Trend am dritten Tag postoperativ. Im Gegensatz dazu wurde das funktionell inhibitorische Molekül CTLA-4 postoperativ vermehrt detektiert. Die Expression erreichte am sechsten Tag ihr Maximum mit 3,03% gegenüber 0,9% Basisexpression präoperativ. Im Gegensatz dazu waren bereits einen Tag nach dem Eingriff signifikant niedrigere Level an HLA-DR Moleküle auf Monozyten detektierbar. Über den tatsächlichen Aktivierungszustand der verschiedenen T-Zellpopulationen kann abschließend nur spekuliert werden. Die erhöhte CTLA-4 Expression könnte ein Indikator dafür sein, dass dieses inhibitorische Molekül ein sensitiverer Aktivierungsmarker als CD25 oder HLA-DR auf T-Zellen ist. Andererseits lässt sich nicht ausschließen, dass der höhere Anteil CTLA-4+ T-Lymphozyten auf einen Anstieg von regulatorischen T-Zellen im Blut, zum Beispiel durch Gewebsumverteilungen oder Proliferation, zurückzuführen ist. Dafür sprechen auch die durchgeführten Proliferationstest. In diesen konnte am dritten Tag postoperativ eine Verringerung der T-Zellproliferation festgestellt werden. Sie war unabhängig von den Eigenschaften des Stimulanz (Antigen-, APC- oder Kostimulation-abhängig). Es konnte in dieser Arbeit nicht eindeutig geklärt werden, ob diese reduzierte Expansion auf der verringerten T-Zellzahl basierte oder ob es sich um eine aktive Immunsuppression handelte. Zusammenfassend sprechen diese Ergebnisse für einen geringfügigen Einfluss des chirurgischen Eingriffes auf das Immunsystem. Die genauen Mechanismen konnten in der vorliegenden Arbeit nicht eindeutig geklärt werden. Allerdings deuten die Ergebnisse aus den Funktionstests darauf hin, dass die T-Zellen schwerfälliger auf Antigene jeglicher Art reagieren. Dies könnte zu einem erhöhten Infektionsrisiko nach Operationen beitragen.
The human antibody response to experimental colonization with Staphylococcus aureus NCTC8325-4
(2008)
The four main work packages and their most important results are briefly described as following. 1. Characterization of the extracellular proteome of S. aureus NCTC8325-4 Reference maps of the extracellular proteins of S. aureus NCTC8325-4 were produced at pH ranges 6-11 and 4-7. In total, 119 (pH 6-11) and 177 (pH 4-7) protein spots were identified, corresponding to 48 and 114 proteins, respectively. Among them were many well-known virulence factors such as alpha-hemolysin (Hla), beta-hemolysin Hlb, gamma-hemolysin subunits (HlgA-C), hyaluronate lyase (HysA) and staphylococcal superantigen-like protein 11 (Ssl11). We also detected various extracellular enzymes, which can cause tissue degradation and are involved in nutrient acquisition, for example, autolysin (Atl), glycerol ester hydrolase (Geh), lipase (Lip), thermonuclease (Nuc), several serine proteases SplA-F (SplA-F), V8 protease (SspA), cysteine protease (SspB), staphopain thiol proteinase (88195808, SspP). Many of these proteins probably also contribute to the virulence of S. aureus. 2. Optimization of a 2-D immunoblot (IB) method for the comprehensive investigation of IgG binding to S. aureus extracellular proteins (strain NCTC8325-4) The immune proteome of S. aureus NCTC8325-4 was revealed by probing 2-D blots of S. aureus extracellular proteins at the two pH ranges 6-11 and 4-7 with a pool of sera from 16 volunteers. IgG binding was detected with high sensitivity using a peroxidase-coupled secondary Ab in combination with an ECL-substrate. With application of the software package Delta2D, we could clearly define 66 immune reactive spots on the immunoblots (IBs) of pH range 6-11 and 38 spots on IBs of pH range 4-7. 72 of these 104 immune reactive spots could be identified by matching the IBs with the protein reference maps. These spots represented 36 identified proteins, many of which are known virulence factors, or they are involved in bacterial cell wall biosynthesis and degradation. Generally, the most abundant proteins were also highly immune reactive, but there was no strict correlation between protein abundance and immune reactivity. Some low abundance proteins, especially basic proteins, showed high immune reactivity on 2-D IBs, for example, Atl, 88195808 (SspP) and iron-regulated surface determinant protein A (IsdA). On the other hand, we observed proteins, which were present in large amounts but did not bind IgG such as peptidoglycan hydrolase (LytM) and a hypothetical protein 88193909 (SAOUHSC_00094). 3. Determination of the anti-staphylococcal Ab profiles of S. aureus carriers and noncarriers Comparing the serum IgG binding patterns of sera from the 16 individual volunteers, we observed pronounced heterogeneity in total IgG binding, spot patterns and spot intensities. Five spots were stronger in carriers than in noncarriers (P< 0.05, Mann-Whitney U test). These spots represent IgG binding to SspA, SspB, IsaA, and two hypothetical proteins. A principal component analysis based on differential IgG binding to these spots showed that the carriers were more closely related to each other than the noncarriers, but that they could not be clearly separated from the noncarriers. 4. Does experimental colonization induce changes of the anti-staphylococcal Ab profiles? Finally, we tested whether symptom-free experimental colonization of the 16 volunteers with S. aureus NCTC8325-4 elicited an IgG response. When we compared sera obtained before colonization with those taken 4 weeks after the inoculation with the laboratory S. aureus strain, we did not observe major changes in the Ab patterns. We conclude that short- term colonization with a strain of low virulence does not suffice to induce an Ab production, which is comparable to that present already before the colonization. Thus, either long term high density colonization is required, or as we consider most likely, the adaptive immune response is primarily triggered by (minor) S. aureus infections. Taken together, in this work we have separated the soluble proteins from complex extracellular S. aureus protein extracts with good reproducibility, large coverage (pH 6-11 and 4-7) and high resolution. With application of an ECL substrate, our 2-D immunoblotting procedure resulted in the highly sensitive detection of IgG binding over a wide range of signal intensities. The most important finding with this technique was the pronounced variability of anti-staphylococcal Ab profiles in healthy adults. This could well explain differences in susceptibility to S. aureus infection and its complications. The Ab responses are presumably triggered by long-term colonization or, more likely, by minor infections with S. aureus, since experimental nasal colonization of healthy volunteers with a bacterial strain of low virulence did not induce impressive changes in the Ab profiles.
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.
Als ein hochwirksamer Mechanismus zur Generierung und Aufrechterhaltung einer lokalen Toleranz des adaptiven Immunsystems wurde die durch inflammatorische Stimuli, wie IFN-gamma, TNF-alpha oder Lipopolysaccharide, induzierbare Enzymaktivität der Indoleamin 2,3- Dioxygenase (IDO) erkannt, welche durch den Abbau der essentiellen Aminosäure Tryptophan die Bildung toxischer/immunregulativer Metabolite (Kynurenine) initiiert, und dadurch adaptive Immunreaktionen durch Bildung eines tolerogenen Milieus am Ort ihrer Expression wirkungsvoll unterdrückt. Das in der Sepsis beobachtete Versagen des Immunsystems wird als Immunparalyse bezeichnet. Darunter wird die anhaltende Hypoinflammation bei persistierender Infektion im septischen Syndrom verstanden. Der funktionelle Immunzelldefekt, durch den die septische Immunparalyse gekennzeichnet ist, scheint maßgeblich für die Mortalität in der hypoimmunen Phase des septischen Syndroms verantwortlich zu sein. Die zuvor genannten Beobachtungen führen zu der Frage, inwieweit eine Steigerung des durch IDO eingeleiteten Kynureninabbauweges im septischen Syndrom beobachtet werden kann, und ob ein Zusammenhang mit dem Schweregrad des Syndroms und damit mit der Pathophysiologie der Sepsis besteht. Die frühzeitigere und richtige Erkennung einer Sepsis bei gefährdeten Patienten würde einen bedeutenden Vorteil bei der erfolgreichen Behandlung gewähren. Ein besseres Verständnis der immunregulativen Mechanismen in der Sepsis könnte von entscheidender Relevanz für die Beeinflussung der mortalitätsdeterminierenden Immunparalyse und damit für die erfolgreiche Behandlung der Sepsis sein. Aus diesem Verständnis ließen sich immunmodulatorische / immunrekonstitutive Therapieansätze ableiten. Zur Bestimmung der Kynureninstoffwechselaktivität bei septischen Patienten wurde eine Methode zur simultanen Messung von Schlüsselmetaboliten dieses Stoffwechsels mittels quantitativer Tandem Massenspektrometrie etabliert. Diese ermöglichte die näherungsweise Bestimmung der IDO Aktivität sowie der Aktivität des durch sie eingeleiteten Stoffwechselweges aus humanen Plasmaproben. Im Rahmen einer klinischen Studie an 100 intensivtherapierten chirurgischen Patienten wurde der Verlauf der Plasmakonzentrationen der Schlüsselmetabolite während des Intensivaufenthaltes gemessen und mit intensivmedizinischen Routinelaborparametern, immunologischen Laborparametern sowie klinischen Parametern und Scores verglichen. In septischen Patienten ist der durch IDO eingeleitete Kynureninabbauweg deutlich aktiviert. Die Aktivierung des Abbauweges erfolgt sehr früh im septischen Syndrom und differenziert in dem untersuchten Patientengut septische von nicht septischen Patienten besser als Procalcitonin (PCT). In einer multivariaten Varianzanalyse konnte ein Zusammenhang besonders hoher Plasmakonzentrationen der Kynurenine mit dem Zustand des septischen Schocks sowie mit dem septischen Nierenversagen nachgewiesen werden. Die plasmatische Akkumulation der Kynurenine in der Niereninsuffizienz wurde im Rahmen einer weiteren Studie an Patienten in verschiedenen Stadien einer Niereninsuffizienz näher untersucht. Ein Anstieg der Plasmakonzentrationen der Kynurenine in Abhängigkeit von der Schwere der Niereninsuffizienz konnte in dieser Studie auch unabhängig von dem Vorliegen einer Sepsis gezeigt werden. Niedrige Tryptophanspiegel im Plasma von kritisch kranken und septischen Patienten sprechen für eine verminderte Verfügbarkeit von Tryptophan für abhängige Stoffwechselwege, wie die Synthese von Indoleaminen und als Substratquelle für den zellulären Energie- stoffwechsel. Die beobachteten Konzentrationen der Kynurenine erreichen Werte, welche in vitro und in vivo im Mausmodell durch eine zytotoxische Wirkung auf natürliche Killerzellen, B-Lymphozyten und insbesondere T-Lymphozyten als immunregulatorisch wirksam nachgewiesen wurden. Es kann somit festgehalten werden, dass bei septischen Patienten ein immunsuppressiver Mechanismus zu einem sehr frühen Zeitpunkt aktiviert wird und eine systemische Ausprägung erfährt, die sich experimentell als hoch wirksam erwiesen hat. Die Beobachtung der erhöhten Konzentrationen der Kynurenine und deren Korrelation mit Indikatoren chronischer Entzündungsprozesse hsCRP (High Sensitivity C Reactive Protein) und sTNFR-1 (Soluble Tumor Necrose Factor Receptor-1) bei Patienten mit chronischer Niereninsuffizienz stützen die These sowie neuere Erkenntnisse einer chronischen Inflammation als zugrundeliegenden Pathomechanismus des Nierenversagens. Die vorliegenden Ergebnisse liefern neue Erkenntnisse über einen immunsuppressiven Mechanismus, welcher in der Sepsis bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt des Syndroms aktiviert wird und eine mögliche Bedeutung für die Entstehung der septischen Immunparalyse sowie des akuten Nierenversagens im septischen Multiorganversagen haben könnte.
Bei der Bekämpfung chlamydialer Infektionen spielen CD8+ T-Zellen eine wichtige Rolle. Für diese ist die Aktivierung durch MHCI-präsentierte Peptidantigene auf der Oberfläche Chlamydien-infizierter DCs von entscheidender Bedeutung. Die intrazellulären Mechanismen, die zu einer effektiven MHCI-Präsentation führen sind jedoch weitestgehend unbekannt. In dieser Arbeit wurde die Antigenprozessierung und -präsentation chlamydialer Peptidantigene anhand von in vitro-Infektionsstudien und funktionaler Antigenpräsentations-Assays untersucht. Dafür wurde die immortalisierte murine DC-Zelllinie JAWSII und CD8+ T-Zellen aus der Milz Chlamydien-infizierter C57BL/6-Mäuse verwendet. Es konnte gezeigt werden, dass Chlamydien nach der PDI-abhängigen Aufnahme durch Clathrin- beziehungsweise Caveolin-vermittelte Endozytose eine PV ausbilden, die durch ein Gerüst aus Vimentin stabilisiert wird. Durch die Infektion kommt es zur Reifung der DCs einhergehend mit einer erhöhten Oberflächenexpression von MHCI-Molekülen. Für die Neusynthese dieser ist die TLR-2-abhängige Aktivierung des NF-kB-Signalweges verantwortlich. Für die erhöhte Oberflächenexpression scheint jedoch der p38- und ERK1/2- abhängige Transport vorgefertigter MHCI-Moleküle vom GA zur Plasmamembran der zeitbestimmende Schritt zu sein. Neben dem Oberflächentransport sind p38 und ERK1/2 auch entscheidend für die Aktivierung der cPLA2. Diese produziert nach Hspb-1- vermittelter Translokation an das Vimentin-Gerüst der PV, Arachidonsäure, die sich in die Membran der PV einlagert und somit zur Destabilisierung derselben führt. Dadurch gelangen akkumulierte CPAF-Moleküle ins Zytosol der DCs, wo sie beginnen das Vimentin- Gerüst abzubauen. Dies wiederum führt zur Freisetzung der Chlamydien ins Zytosol. Mit Hilfe verschiedener mikroskopischer Bildgebungsverfahren konnte gezeigt werden, dass die freigesetzten zytosolischen Chlamydien zunächst ubiquitiniert und durch den Adaptorkomplex p62/SQSTM-1 erkannt werden. Dieser führt die Chlamydien anschließend LC-3- positiven Autophagosomen zu, in denen die chlamydialen Antigene durch Cathepsine prozessiert werden. Dabei werden ausschließlich chlamydiale Proteine prozessiert, die im bakteriellen Zytoplasma oder der Membran lokalisiert sind. Die prozessierten Peptidantigene werden im Zytosol weiterprozessiert und gelangen entweder über den klassischen MHCI-Präsentationsweg oder den vakuolaren Kreuzpräsentations-Weg auf die Zelloberfläche. Da Epithelzellen die primären Zielzellen einer Chlamydien-Infektion sind, ist die Erkennung und Eliminierung dieser durch CD8+ T-Zellen essentiell für die anti-chlamydiale Immunantwort. In dieser Arbeit konnte erstmals gezeigt werden, dass Chlamydien-infizierte Epithelzellen in der Lage sind Peptidantigene auf MHCI-Molekülen zu präsentieren und dass die postulierte CPAF-vermittelte Reduzierung der MHCI-Oberflächenexpression nicht stattfindet. Zudem konnte gezeigt werden, dass IFN-gamma-stimulierte Epithelzellen einen DC-Infektionsphänotyp, charakterisiert durch erhöhte cPLA2-Aktivität und Lokalisation der Chlamydien in Autophagosomen, zeigen. Dies deutet daraufhin, dass Epithelzellen, die durch IFN-gamma von aktivierten Effektor-T-Zellen stimuliert wurden, in der Lage sind, chlamydiale Antigene autophagosomal zu prozessieren und zu präsentieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit erlauben erstmals ein erweitertes Verständnis der MHCI- vermittelten Antigenpräsentation in Chlamydien-infizierten DCs und liefern entscheidende Hinweise für zukünftige immunologische Therapieansätze und Impfstrategien.