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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-45874
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2010/4587/


Untersuchung zur Interaktion biofilmbildender Staphylococcus epidermidis (Winslow und Winslow, 1908)-Stämme mit murinen Makrophagen

Schommer, Nina Nathalie

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Basisklassifikation: 42.30
Institut: Biologie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Aepfelbacher, Martin (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 12.02.2010
Erstellungsjahr: 2010
Publikationsdatum: 26.04.2010
Kurzfassung auf Deutsch: Das Koagulase-negative, grampositive Bakterium Staphylococcus epidermidis (S. epidermidis) stellt einen wesentlichen Bestandteil der kommensalen Flora der Haut und der Schleimhäute des Menschen dar. Trotz seiner geringen Pathogenität ist S. epidermidis die häufigste Ursache der nosokomialen Sepsis und von Infektionen, die im Zusammenhang mit Fremdkörperimplantaten entstehen. Für die Pathogenese von S. epidermidis wird die Fähigkeit, auf Polymerimplantaten adhärierende Biofilme zu bilden, als wesentlich angesehen. Frühere Arbeiten konnten zeigen, dass S. epidermidis durch die Biofilmbildung vor der Phagozytose geschützt ist. Dem interzellulären Polysaccharid-Adhäsin (PIA) wurde bisher eine wichtige Rolle im Zusammenhang mit der S. epidermidis-Immunevasion zugeschrieben. Neben PIA agieren auch das Extrazelluläre-matrixbindende Protein (Embp) und das Akkumulations-assoziierte Protein (Aap) als interzelluläre Adhäsine, durch die eine PIA-unabhängige Biofilmakkumulation stattfinden kann. Ziel dieser Arbeit war es, strukturelle Merkmale der PIA-, Embp- und Aap-vermittelten Biofilme zu typisieren und ihren spezifischen Einfluss auf die Immunevasion bei J774A.1.-Makrophagen durch die Verwendung von genetisch charakterisierten S. epidermidis-Stämmen und den dazugehörigen isogenen Mutanten zu identifizieren.
Während PIA eine extrazelluläre Matrix bildet, die aus vielen Fasern besteht, konnten bei Embp- und Aap-vermittelten Biofilmen keine höher organisierten Matrixstrukturen festgestellt werden. Trotz der strukturellen Unterschiede waren die verschiedenen S. epidermidis-Biofilme alle mit einer ähnlichen Effizienz vor der Phagozytose durch J774A.1.-Makrophagen geschützt. Die reduzierte Aufnahme war mit einer signifikant reduzierten Nukleärer Faktor (NF)-kappaB-Aktivierung und Interleukin (IL)-1beta-Produktion der Makrophagen assoziiert. Dass eine verminderte Aktivierung der mit biofilmbildenden S. epidermidis-infizierten Makrophagen stattfindet, wurde zusätzlich durch die reduzierte Produktion der Chemokine Makrophagen-Inflammatorisches Protein (MIP)-1alpha, MIP-1gamma und Makrophagen-Chemoattraktives Protein (MCP)-1 unterstützt. Diese Ergebnisse lassen die Hypothese zu, dass Protein-abhängige S. epidermidis-Biofilme gleichermaßen vor dem Immunsystem geschützt sind wie Polysaccharid-abhängige Biofilme. Eine Inhibition der Expression von MIP-1alpha, MIP-1gamma und MCP-1 führt weiterhin zu der Annahme, dass S. epidermidis mit der chemotaktischen Rekrutierung von Leukozyten aus dem Blut zum Ort der Infektion interferieren kann.
Durch die Beobachtung, dass der Kontakt mit biofilmbildenden S. epidermidis bei J774A.1.-Makrophagen eine Unempfindlichkeit gegenüber Lipopolysaccharid (LPS) induzierte, konnte belegt werden, dass tatsächlich eine Wechselwirkung zwischen Staphylokokken und der Aktivierung von Makrophagen stattfindet.
Die in der vorliegenden Arbeit erbrachten Ergebnisse zeigen nicht nur, dass S. epidermidis durch Protein-abhängige Biofilme ähnlich effektiv vor der Phagozytose durch J774A.1.- Makrophagen geschützt ist, wie durch Polysaccharid-abhängige Biofilme, sondern auch, dass spezifische Ereignisse während der Interaktion zwischen S. epidermidis und Makrophagen stattfinden, die mit der Phagozytenaktivierung interferieren.
Die Eliminierung von S. epidermidis durch das Immunsystem wird durch die Eigenschaft der Biofilmbildung verfehlt. Da dieses Bakterium Biofilme nicht nur durch ein, sondern durch mehrere voneinander unabhängige interzelluläre Adhäsine bilden kann, müsste der Fokus in zukünftigen experimentellen Untersuchungen auf die detaillierte Aufklärung der anti-inflammatorischen Mechanismen, die S. epidermidis-Biofilme auslösen, gesetzt werden. Weiterführend könnte diese Aufklärung wichtige Ansatzpunkte für die Entwicklung neuer therapeutischer Strategien, die sich gegen eine S. epidermidis-Infektion richten, liefern.





















Kurzfassung auf Englisch: The coagulase-negative, gram-positive bacterium Staphylococcus epidermidis represents an essential component of the commensal flora of the human skin and mucosa. Over the last 30 years S. epidermidis has evolved as a main causative agent of medical device-associated nosocomial infections. Pathogenicity of S. epidermidis is closely linked to the species ability to establish multilayered biofilms on polymeric surfaces. Previous studies could demonstrate that S. epidermidis biofilm formation leads to a decreased susceptibility against phagocytosis and killing by human polymorphonuclear granulocytes. So far the polysaccharide intercellular adhesin (PIA) was attributed to play an important role in conjunction with immune evasion. However recently it was discovered that PIA-independent mechanisms of biofilm accumulation exist. The extracellular matrix binding protein (Embp) and the accumulation associated protein (Aap) act as intercellular adhesins as well. Therefore, one aim of my studies was to typify structural features of defined PIA-, Embp- and Aap-dependent biofilms and to identify their specific effect on S. epidermidis interactions with J774A.1. macrophages.
Microscopy provided evidence that PIA is organised in a net-like structure composed of strings and bundles, while in contrast Embp and Aap lacked of higher organised extracellular matrix structures.
Despite their structural differences PIA-, Embp- and Aap mediated biofilm formation significantly protects S. epidermidis against phagocytosis by J774A.1. macrophages.
The decreased bacterial up take was associated with a considerable reduced nuclear factor (NF)-kappaB activation and interleukin (IL)-1beta production in macrophages. In addition the diminished macrophage activation was mirrored by reduced production of macrophage inflammatory protein (MIP)-1alpha, MIP-1gamma and monocyte chemoattractant protein (MCP)-1.
These results lead to the hypothesis that polysaccharide- and protein-dependent biofilms provide S.epidermidis protection against the immune system with similar efficiency.
Furthermore the results suggest that S.epidermidis interferes with the chemotactic recruitment of leukocytes from blood vessels to the site of infection, promoting the chronic-persistent course of device-associated infections.
Because macrophages showed LPS hyporesponsiveness after contact with biofilm forming S. epidermidis, it is to infer that there is in fact an interaction between staphylococci and activation of the macrophages.
Future studies should focus on the macrophage signalling events involved in anti-inflammatory properties of S. epidermidis biofilms. Their elucidation could provide important starting points for the development of new therapeutical strategies against biofilm-related S. epidermidis infections.



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