Untersuchung zum Effekt von Tigecyclin auf die Biofilmbildung von Staphylococcus epidermidis

Abstract

Hintergrund Biofilm-assoziierte Staphylococcus epidermidis Implantatinfektionen sind oft schwer mit antibiotischen Therapiestrategien zu eradizieren. Dieser Problematik liegen zum Teil die niedrigen und somit insuffizienten Antibiotika-Konzentrationen an der Implantat-Gewebe-Schnittstelle zu Grunde. Ziel der Studie In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir den Effekt solcher subinhibitorischen Antibiotika-Konzentrationen auf die S. epidermidis Biofilmbildung, die Expression interzellulärer Adhäsine und potentielle Auswirkungen auf die Interaktion zwischen Bakterienzellen und Makrophagen. Ergebnisse Die Biofilmbildung des klinischen Isolates S. epidermidis 1585 aus einer Portkatheter-Infektion wurde nach Wachstum unter zellwandaktiven Wirkstoffen (Oxacillin, Penicillin, Vancomycin, Daptomycin) und Proteinbiosyntheseinhibitoren (Erythromycin, Linezolid, Tigecyclin) untersucht. Weder Penicillin, Vancomycin, Daptomycin noch Erythromycin und Linezolid zeigten einen biofilminduzierenden Effekt unter den untersuchten Konzentrationen. Im Gegensatz dazu konnte in einem schmalen Bereich subinhibitorischer Konzentrationen von Oxacillin (0,04 – 0,16 μg/ml) und Tigecyclin (0,16 – 0,63 μg/ml) eine signifikante biofilminduzierende Aktivität nachgewiesen werden. In vorangegangenen Studien der hiesigen Arbeitsgruppe konnte gezeigt werden, dass S. epidermidis 1585 ein überdimensioniert 1MDa großes extrazelluläres Matrix-bindendes Protein (Embp) verwendet, um eine mehrschichtige Biofilm-Architektur aufzubauen. SarA ist ein negativer Regulator von Embp und Herabregulation von sarA induziert die Embp-abhängige Biofilmbildung. Mittels Dotblot Immunoassays, konfokaler Lasermikroskopie und qPCR konnte gezeigt werden, dass Tigecyclin im Zusammenhang mit der Induktion von Biofilmbildung auch die Embp-Expression steigerte. Die Expression von SarA wurde im Gegenzug supprimiert, was die Schlussfolgerung zulässt, dass der Effekt von Tigecyclin auf Embp durch SarA vermittelt wird. Da in der Biofilm-negativen Transposon-Mutante S. epidermidis 1585-M135 durch Tigecyclin keine Biofilmbildung induziert werden konnte, ist die Embp Hochregulation unter diesen Umständen offensichtlich Voraussetzung für eine Biofilmbildung. Als funktionelle Konsequenz wurde die Phagozytose von S. epidermidis durch murine Makrophagen vom Typ J774A.1 im Rahmen der Tigecyclin induzierten Biofilmbildung signifikant beeinträchtigt. Fazit Die Studie liefert neue Erkenntnisse über die molekulare Grundlage der Antibiotikainduzierten Biofilmbildung, einen Phänotyp mit gesteigerter antimikrobieller Toleranz. Zum einen könnte dieser Effekt frustranen antimikrobiellen Therapien zu Grunde liegen, zum anderen wird die Persistenz von S. epidermidis Infektionen durch die Biofilm-assoziierte Beeinträchtigung der Makrophagen-vermittelten Pathogen Eradikation zusätzlich gefördert.

Background Biofilm-associated Staphylococcus epidermidis implant infections are notoriously reluctant to antibiotic treatment strategies. This failure is partly related to insufficient low antibiotic concentrations at the implant – tissue interface. Hypothesis In this study we analysed the effect of such sub-inhibitory concentrations on S. epidermidis biofilm formation, expression of intercellular adhesins and potential implications for S. epidermidis – macrophage interactions. Results Biofilm formation of clinical S. epidermidis isolate 1585 recovered from a port catheter infection was analysed after growth in the presence of cell wall active compounds (oxacillin, penicillin, vancomycin, daptomycin) and protein biosynthesis inhibitors (erythromycin, linezolid, tigecyclin). Penicillin, vancomycin, daptomycin as well as erythromycin and linezolid had no biofilm augmenting effect at any of the concentrations tested. In contrast, within a narrow range of sub-inhibitory concentrations oxacillin (0.04 – 0.16 μg/ml) and tigecyclin (0.16 – 0.63 μg/ml) exhibited significant biofilm inducing activity. Previous work from our lab has demonstrated that S. epidermidis 1585 uses giant 1 MDa extracellular matrix binding protein (Embp) to assemble a multilayered biofilm architecture. SarA is a negative regulator of Embp and down regulation of sarA induces Embp-dependent biofilm formation. Dotblot immune assays, confocal laser scanning microscopy and qPCR showed that under biofilm inducing conditions, tigecycline augmented embp expression compared to the control grown without antibiotics. Conversely, expression of regulator sarA was suppressed, suggesting that tigecycline exerts its effects on embp expression through SarA. Tigecycline failed to induce biofilm formation in embp transposon mutant 1585-M135, proving that under these conditions Embp up-regulation is necessary for biofilm accumulation. As a functional consequence, tigecycline induced biofilm formation significantly impaired the up-take of S. epidermidis by mouse macrophage-like cell line J774A.1. Conclusion Our data provide novel evidence for the molecular basis of antibiotic induced biofilm formation, a phenotype associated with inherently increased antimicrobial tolerance. While this could explain failure of antimicrobial therapies, persistence of S. epidermidis infections in the presence of sub-inhibitory antimicrobials is additionally propelled by biofilm-related impairment of macrophage-mediated pathogen eradication.