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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.
The pore forming alpha-toxin (hemolysin A, Hla) of Staphylococcus aureus (S. aureus) is a major virulence factor with relevance for the pathogenicity of this bacterium, which is involved in many cases of pneumonia and sepsis in humans. Until now, the presence of Hla in the body fluids of potentially infected humans could only be shown indirectly, e.g., by the presence of antibodies against Hla in serum samples or by hemolysis testing on blood agar plates of bacterial culture supernatants of the clinical isolates. In addition, nothing was known about the concentrations of Hla actually reached in the body fluids of the infected hosts. Western blot analyses on 36 samples of deep tracheal aspirates (DTA) isolated from 22 hospitalized sepsis patients using primary antibodies against different epitopes of the Hla molecule resulted in the identification of six samples from five patients containing monomeric Hla (approx. 33 kDa). Two of these samples showed also signals at the molecular mass of heptameric Hla (232 kDa). Semiquantitative analyses of the samples revealed that the concentrations of monomeric Hla ranged from 16 to 3200 ng/mL. This is, to our knowledge, the first study directly showing the presence of S. aureus Hla in samples of airway surface liquid in human patients.
Das alpha-Toxin (Hla) von Staphylococcus aureus (S. aureus) spielt eine bedeutende Rolle bei S. aureus-induzierten Pneumonien. Hla bindet zunächst als Monomer an die Plasmamembran eukaryotischer Wirtszellen und assoziiert sich zu heptameren Transmembranporen. Die Sensitivität gegenüber dem Toxin ist bei verschiedenen Atemwegsepithelzelllinien unterschiedlich ausgeprägt. Die Gründe dafür sind bis jetzt nicht vollends verstanden. Mögliche Faktoren, die einen Einfluss auf die Hla-Sensitivität der Zellen haben, könnten die Rezeptordichte und Effizienz der Porenbildung sowie die Entsorgung von Poren aus der PM durch Internalisierung und Degradation (lysosomal, proteasomal) oder durch Ausschleusung von extrazellulären Vesikeln in den Extrazellularraum sein.
Ziel dieser Arbeit war es, die Bedeutung der Faktoren, die einen Einfluss auf die Toxin-Sensitivität von Wirtszellen haben könnten, am Beispiel der drei Atemwegs-Modellzelllinien 16HBE14o-, S9 sowie A549 genauer zu untersuchen.
Dabei konnte gezeigt werden, dass die Menge an rHla, allem voran die Abundanz der Heptamere in der Plasmamembran der Zellen, einen starken Einfluss auf die Toxinsensitivität (gemessen an der Rate parazellulärer Lückenbildung in den Zellverbänden) der Zelllinien hat. Diese Ergebnisse korrelierten am besten mit der Häufigkeit des potenziellen Hla-Rezeptors ADAM10 in der Plasmamembran der drei Zelltypen, aber auch das Phospholipid Sphingomyelin scheint ebenfalls einen Einfluss auf die Hla-Sensitivität der Zellen zu haben. Die Zellgröße, der für die Hla-Vorpore stabilisierende Faktor Caveolin-1, Integrin α5β1 als weiterer möglicher Hla-Rezeptor und die Lipide Phosphatidylcholin/-serin zeigten dagegen keine Korrelation zur Hla-Sensitivität der drei Atemwegsepithelzelllinien. Das Lipid Phosphatidylethanolamin wies zwar das gleiche Muster wie das des Sphingomyelins bei den Zelllinien auf, jedoch muss eine mögliche Bedeutung des Lipids in der Hla-Bindung und/oder -Heptamerisierung erst noch untersucht werden.
Untersuchungen der Internalisierung des Toxins zeigten, dass von den drei Atemwegsepithelzelllinien nur die S9-Zellen in der Lage waren die rHla-Heptamere effizient zu internalisieren. Dabei konnte unter Verwendung der rHla-Mutante rH35L, die keine Transmembranpore ausbilden kann, gezeigt werden, dass die Internalisierung der Toxin-Heptamere wahrscheinlich Poren-unabhängig geschieht. Durch die Überprüfung des rHla-Abbaus in S9-Zellen nach Inhibierung der lysosomalen oder proteasomalen Proteindegradation konnte ein Abbau des Toxins über das Proteasom ausgeschlossen werden. Dagegen scheint der lysosomale Weg von entscheidender Bedeutung für die Hla-Heptamer-Degradation zu sein. Eine saure Hydrolyse der Protease-resistenten Toxin-Heptamere in rHla-Monomere konnte allerdings nicht nachgewiesen werden und scheint somit bei dem lysosomalen Abbau keine Rolle zu spielen. Präparierte extrazelluläre Vesikel von rHla-behandelten S9-Zellen zeigten zudem, dass eine Entsorgung des Toxins über Exosomen und/oder Mikrovesikel ebenfalls bei diesen Zellen möglich zu sein scheint. Der primäre Weg der Hla-Prozessierung ist bei den S9-Zellen dennoch der lysosomale Abbau.