Mechanisms of cell death induction by Staphylococcus aureus in leucocytes and endothelial cells
Final Report Abstract
Staphylococcus aureus ist ein häufiges und wichtiges humanes Pathogen das verschiedene invasive Infektionen im Körper verursachen kann, wie Pneumonie, Endokarditis, Wund- und Weichteilinfektionen. Um eine Infektion im Körper zu etablieren, verfügt S. aureus über eine Vielzahl von Virulenzfaktoren, z.B. Oberflächenproteine und sezernierte Faktoren wie Peptide und Toxine. Einige Toxine sind insbesondere gegen Immunzellen gerichtet und wirken stark zytotoxisch. S. aureus wird jedoch auch zunehmend als fakultativ intrazelluläres Pathogen beschrieben, das in verschiedene Zelltypen eindringen und destruktiv wirken kann. In den letzten Jahren wurden zum Teil widersprüchliche Ergebnisse aus Tiermodellen bezüglich der Pathogenese von schweren nekrotisierenden Infektionen (z.B. nekrotisierender Pneumonie) publiziert, wobei einzelner S. aureus Faktoren, wie die Poren-bildenden Toxine α-Hemolysin (α-Toxin) und Panton-Valentin Leukozidin (PVL) sowie die Phenol-löslichen Moduline (PSMs) als mögliche Auslöser beschrieben wurden. In unserem Projekt untersuchten wir die Wirkungsweisen dieser definierten Virulenzfaktoren auf Leukozyten und Epi- und Endothelzellen, die bei pulmonalen oder endovaskularen Infektionen in direkten Kontakt zu den Pathogenen stehen. Bezüglich des Krankheitsbildes der nekrotisierenden Pneumonie konnten wir zeigen, dass PVL bereits in niedrigen Konzentrationen einen sehr starken zytotoxischen Faktor für neutrophile Granulozyten, Monozyten und Makrophagen darstellt, jedoch nicht auf andere Zelltypen, wie Epi- und Endothelzellen, wirkt. Dieser zytotoxische Effekt ist nicht nur sehr zell-, sondern auch sehr speziesspezifisch, da er im Wesentlichen auf Leukozyten von Menschen und Kaninchen beschränkt ist. Leukozyten von Affen und von verschiedenen Mausstämmen erwiesen sich als völlig unempfindlich gegen PVL, was die kontroversen Ergebnisse aus Mausmodellen erklären kann, da die Maus bezüglich der Empfindlichkeit gegenüber PVL nicht die Situation am Menschen korrekt widerspiegelt. Der Zelltodinduktion geht eine starke Zellaktivierung voran, die über den Inflammasom-Pathway stattfindet und sehr schnell zu einer großen Ausschüttung von IL-1β und IL-18 aus Granulozyten führt. Um die starke Lungengewebszerstörung bei nekrotisierender Pneumonie zu erklären, konnten wir zeigen, dass durch PVL aktivierte und abgetötete Granulozyten eine große Menge von Proteasen unkontrolliert ins Gewebe freisetzen und dadurch eine massive Gewebezerstörung auslösen. Neben derart rein Toxin-vermittelter Erkrankungen, können die meisten S. aureus Stämme auch in verschiedene Wirtszellen eindringen und durch die intrazelluläre Freisetzung von Toxinen inflammatorische und zytotoxische Effekte verursachen. Dabei fanden wir das bakterielle quorum sensing System „accessory gene regulator“ Agr, das die Expression vieler Toxine wie α-Toxin und auch PSMs steuert, als wesentlichen auslösenden Faktor. Da es aber zwischen verschiedenen Bakterienstämmen und Zelltypen große Unterschiede bezüglich der Zytotoxizität gibt, ist es anzunehmen, dass je nach infiziertem Zelltyp andere Virulenzfaktoren auslösend sind. Bei Analysen des Infektionsverlaufs fanden wir, dass in der akuten Infektion agr stets hochreguliert wird, wodurch intrazelluläre Bakterien Immunreaktionen auslösen. Eine genaue Kenntnis von relevanten bakteriellen Infektionsstrategien ist erforderlich, um neue präventive (z.B. Impfstoffe) und therapeutische (z.B. Antibiotika) Strategien gegen destruktive und invasive S. aureus Infektionen zu entwickeln.
Publications
- (2010) Staphylococcal strains vary greatly in their ability to induce an inflammatory response in endothelial cells. J Infect Dis, 201, 871-880
Grundmeier M, Tuchscherr L, Brück M, Viemann D, Roth J, Willscher E, Becker K, Peters G, and Löffler B
- (2010) Staphylococcus aureus panton-valentine leukocidin is a very potent cytotoxic factor for human neutrophils. PLoS Pathog, 6, e1000715
Löffler B, Hussain M, Grundmeier M, Bruck M, Holzinger D, Varga G, Roth J, Kahl BC, Proctor RA, and Peters G
- (2010) Staphylococcus aureus Small-Colony Variants Are Adapted Phenotypes for Intracellular Persistence. J Infect Dis, 202, 1031-1040
Tuchscherr L, Heitmann V, Hussain M, Viemann D, Roth J, von Eiff C, Peters G, Becker K, and Löffler B
- (2012) Combined Action of Influenza Virus and Staphylococcus aureus Panton-Valentine Leukocidin Provokes Severe Lung Epithelium Damage. J Infect Dis, 206, 1138-1148
Niemann S, Ehrhardt C, Medina E, Warnking K, Tuchscherr L, Heitmann V, Ludwig S, Peters G, and Löffler B
(See online at https://doi.org/10.1093/infdis/jis468) - (2012) Staphylococcus aureus Panton-Valentine leukocidin induces an inflammatory response in human phagocytes via the NLRP3 inflammasome. J Leukoc Biol, 92, 1069-1081
Holzinger D, Gieldon L, Mysore V, Nippe N, Taxman DJ, Duncan JA, Broglie PM, Marketon K, Austermann J, Vogl T, Foell D, Niemann S, Peters G, Roth J, and Löffler B
(See online at https://doi.org/10.1189/jlb.0112014) - (2013) Pathogenesis of Staphylococcus aureus necrotizing pneumonia: the role of PVL and an influenza coinfection. Expert Rev Anti Infect Ther, 11, 1041-1051
Löffler B, Niemann S, Ehrhardt C, Horn D, Lanckohr C, Lina G, Ludwig S, and Peters G
(See online at https://doi.org/10.1586/14787210.2013.827891)
