Shiga toxin produzierende E. coli (STEC) stellen mit einer Infektionsdosis von gerade einmal 100 Bakterien ein großes Risiko für unsere Gesundheit dar. Betroffene Patienten können milde Krankheitssymptome wie wässrigen Durchfall aufweisen, welcher sich allerdings zu blutigem Durchfall oder dem hämolytisch urämischen Syndrom (HUS) weiterentwickeln kann. Die Ursache für das Krankheitsbild ist das zytotoxische Protein Shiga-Toxin (Stx), welches von STEC Stämmen produziert wird, eukaryotischen Zellen angreift und den apoptotischen Zelltod induziert. Es konnte gezeigt werden, dass infizierte Patienten in ihrem Krankheitsverlauf stark variieren, was unter anderem auf die Zusammensetzung ihrer Mikrobiota zurückzuführen sein könnte. Diesbezüglich können zum Beispiel einige Bakterien bereits die Darmbesiedlung von STEC Stämmen unterbinden, wohingegen andere die Toxin Produktion der pathogenen Stämme beeinflussen und wieder andere von den stx tragenden Phagen infiziert werden können und daraufhin selbst zu Toxin produzierenden Stämmen werden. Da die genetischen Informationen für das Toxin auf einem Prophagen im Genom der STEC Stämme kodiert ist, führt eine Antibiotika Behandlung von infizierten Patienten zwar zum Tod der Bakterien, hat allerdings auch einen Wechsel vom lysogenen zum lytischen Phagen Zyklus und damit einen enormen Anstieg an freigesetztem Stx zur Folge. In den letzten Jahrzehnten kam es immer wieder zu Epidemien mit STEC Stämmen, welche auch einige Todesopfer forderten. Die Behandlung von Patienten erfolgt auf Grund von mangelnden Behandlungsmöglichkeiten meist nur symptomatisch, weswegen neue Strategien für die Behandlung einer STEC Infektion dringend benötigt werden. Der probiotische E. coli Stamm Nissle 1917 (EcN) zählt bereits seit mehr als 100 Jahren als Medikament für Behandlungen von Darmentzündungen. In vitro und in vivo Studien mit dem probiotischen Stamm und STEC Stämmen konnten zeigen, dass EcN die Produktion von Stx unterdrückt und gleichzeitig die STEC Zellzahl reduziert. Diese Ergebnisse waren der Anlass für diese Studie in der die Auswirkungen von EcN auf STEC Stämme genauer untersucht wurden, um eine mögliche Behandlung von STEC Infektionen mit dem Probiotikum zu gewährleisten. Eines der Hauptziele dieser Studie war es, herauszufinden, ob EcN von stx-Phagen infiziert werden kann und damit selbst zu einem Toxin Produzenten wird. In diesem Falle wäre eine Behandlung mit dem E. coli Stamm ausgeschlossen, da es den Krankheitsverlauf verschlimmern könnte. Verschiedene experimentelle Ansätze in denen versucht wurde den YaeT stx-Phagen Rezeptor tragenden Stamm zu infizieren schlugen fehl. Weder mittels PCR Analysen, Phagen Plaque Assays oder der Phagen Anreicherung konnte eine Lyse oder eine Prophagen Integration nachgewiesen werden. Transkriptom Analysen konnten zeigen, dass Gene eines lambdoiden Prophagen in EcN in Anwesenheit von stx-Phagen stark reguliert sind. Auch andere E. coli Stämme, welche sich ebenfalls durch eine Resistenz gegenüber einer stx-Phagen Infektion auswiesen, wurden positiv auf lambdoide Prophagen untersucht. Einzig dem stx-Phagen sensitiven K-12 Stamm MG1655 fehlt ein kompletter lambdoider Prophage, weswegen die Vermutung nahe liegt, dass ein intakter lambdoider Prophage vor der Superinfektion mit stx-Phagen schützten kann. In weiteren Experimenten wurde der Einfluss der Mikrozin-negativen EcN Mutante SK22D auf STEC Stämme untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass SK22D nicht nur die Produktion des zytotoxischen Proteins unterdrückt, sondern auch mit der Produktion der stx-Phagen von allen getesteten STEC Stämmen interferiert (O157:H7, O26:H11, O145:H25, O103:H2, O111:H- und zwei O104:H4 Isolate vom STEC Ausbruch in Deutschland im Jahr 2011). Transwell Studien konnten zeigen, dass der Faktor, welcher die Transkription des Prophagen unterdrückt, von SK22D sekretiert wird. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die Präsenz von SK22D den lysogenen Zustand des Prophagen stützt und somit den lytischen Zyklus unterdrückt. Da stx-Phagen eine große Gefahr darstellen andere E. coli Stämme zu infizieren, haben wir uns in weiteren Studien dem Einfluss von EcN auf isolierte Phagen gewidmet. Die Kultivierungsexperimente von EcN mit Phagen zeigten, dass der probiotische Stamm in der Lage war die stx-Phagen in ihrer Effizienz der Lyse des K 12 Stammes MG1655 von~ 1e7 pfus/ml auf 0 pfus/ml nach einer 44 stündigen Inkubation zu inaktivieren. Diese Inaktivierung konnte auf die Aktivität eines hitzestabilen Proteins, welches in der stationären Wachstumsphase synthetisiert wird, zurückgeführt werden. Studien welche einen Anstieg der Biofilmmasse zur Folge hatten zeigten eine gesteigerte Effizienz in der Phagen Inaktivierung, weswegen Komponenten des Biofilms möglicherweise die Phagen Inaktivierung herbeiführen. Neben dem direkten Einfluss auf die Phagen wurde auch ein Schutzeffekt von SK22D gegenüber dem stx-Phagen empfänglichen K 12 Stämmen untersucht. Lysogene K 12 Stämme zeichneten sich durch eine enorme Stx und stx-Phagen Produktion aus. Die Präsenz von SK22D konnte den K 12 vermittelten Anstieg der pathogenen Faktoren unterbinden. Transwell Ergebnisse und Kinetik Studien lassen vermuten, dass SK22D eher die Phagen Infektion von K-12 Stämmen unterbindet als die Lyse von lysogenen K-12 Stämmen zu stören. Eine mögliche Erklärung für den Schutz der K-12 Stämme vor einer stx-Phagen Infektion könnte darin liegen, dass die K-12 Stämme innerhalb der SK22D Kultur wachsen und dadurch von den infektiösen Phagen abgeschirmt werden. Zusammenfassend konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass der probiotische Stamm EcN sowohl die Lyse von STEC Stämmen unterdrückt als auch die infektiösen stx-Phagen inaktiviert und sensitive E. coli Stämme vor der Phagen Infektion schützen kann. Diese Ergebnisse sollten als Grundlage für in vivo Studien herangezogen werden, um eine mögliche Behandlung von STEC infizierten Patienten mit dem Probiotikum zu gewährleisten. / Shiga toxin producing E. coli strains (STEC) are a great concern to human health. Upon an infection with as few as 100 bacteria, humans can develop disease symptoms ranging from watery to bloody diarrhea or even develop the hemolytic uremic syndrome (HUS). The major factor contributing to the disease symptoms is Shiga toxin (Stx) which can bind to the eukaryotic cells in the intestine of the human and induce cell death via apoptosis. Based, among other things, on the microbiota composition, the impact of STEC can vary. Some bacteria of the microbiota can interfere with the colonization of STEC strains in the first place. Others cannot impair the colonization but interfere with the toxin production and there are still others which are even infected by stx encoding phages, being released from STEC strains. Those previously harmless bacteria subsequently contribute to the toxin increase and worsen the disease progression. Since the genetic information of Stx is encoded on a prophage, antibiotic treatment of patients can lead to an increased toxin and stx-phage release and is therefore not recommended. Several STEC epidemics in different countries, which even resulted in the death of some patients, demonstrated that there is an urgent need for alternative treatment strategies. The E. coli strain Nissle 1917 (EcN) has been used as a probiotic to treat gastrointestinal infections for more than 100 years. It harbors several fitness factors which contribute to the establishment of an intact intestinal barrier in the human gut. Moreover, studies with EcN unraveled that the probiotic E. coli can interfere with the colonization of STEC strains and their toxin production. This study aimed to investigate if EcN could be a possible alternative or supplementary treatment strategy for STEC infected patients, or a preventive treatment for the patient’s close contact persons. Therefore, EcN was firstly investigated for a possible stx-prophage integration into its’s genome which would eliminate it from being a potential treatment due to the possibility of disease worsening. Despite the presence of the stx-phage surface receptor YaeT, EcN demonstrated a complete resistance towards the lysis and the lysogeny by stx-phages, which was proven by PCR, phage-plaque assays and phage enrichment approaches. Transcriptome data could unravel that a lambdoid prophage in the genome of EcN is involved in the resistance towards the phage infection. Other commensal E. coli tested presented a stx-phage resistance as well and in silico analysis revealed that all of them harbor a complete lambdoid prophage besides the stx-phage susceptible K-12 strain MG1655. We assume that the resistance of EcN towards a stx-phage infection is connected to the presence of an intact lambdoid prophage which interferes with superinfection. Further experiments regarding the impact of the microcin negative EcN mutant SK22D towards STEC strains depicted that SK22D did not only interfere with the toxin production but also negatively regulated the transcription of the entire stx-prophage in coculture with all STEC strains tested (O157:H7, O26:H11, O145:H25, O103:H2, O111:H- and two O104:H4 isolates from the 2011 outbreak in Germany). This influence on the pathogenic factor production was evinced to be cell contact independent as SK22D could even interfere with the pathogenic factor production when being separated from the STEC strain EDL933 by a Transwell membrane with the pore size of 0.4 µm. From this data we concluded, that factor(s) released by SK22D interfere with the lysis of STEC strains by stabilizing the lysogenic state. Another positive aspect of EcN towards the pathogenicity of STEC strains was encountered when EcN was incubated with isolated stx-phages. The probiotic strain could reduce the infectivity of the phages towards a MG1655 lysis from ~ 1e7 pfus/ml to 0 after 44 h of incubation. Various approaches to determine the characteristics of the factor(s) of EcN which are involved in the phage inactivation depicted it to be a heat resistant stationary phase protein on the surface of EcN, which could be a component of its biofilm. Regarding the protective role of EcN we could further evince that SK22D was capable of interfering with the lysogenic K 12 mediated increase of Stx and stx phages. Lysogenic K-12 strains were characterized by a huge increase of Stx and stx-phage production. The presence of SK22D anyhow, could interfere with this K-12 mediated pathogenic factor increase. Transwell and stx phage infection kinetics led to the proposal that SK22D interfered with the stx-phage infection of K-12 strains in the first place rather than disturbing the lysis of lysogenic K 12. The protection from the phage infection could be due to the growth of K 12 strains within the SK22D culture, whereby the phage susceptible strains are masked from phage detection. Summarizing, this work could underline the beneficial attributes of EcN towards the STEC pathogenicity in vitro. These results should be considered as pioneers for future in vivo studies to enable EcN medication as a supportive STEC infection treatment strategy.

Zugl.: Berlin, Freie Universiẗat, Diss., 2007.

Zugl.: Berlin, Freie Universiẗat, Diss., 2007.

Zugl.: Leipzig, Univ., Diss., 2009

Universiẗat, Diss., 2003--München.

Der apathogene E. coli Stamm DSM 6601 (E. coli Nissle 1917) kann als Modellorganismus für die Verwendung eines kommensalen Gram-negativen Bakterienstammes als Probiotikum angesehen werden. Dieser E. coli Stamm wurde intensiv erforscht und seine Eigenschaften sind daher gut charakterisiert. Der probiotische Charakter dieses Bakterienstammes ist auf gute Kolonisierungseigenschaften des menschlichen Darms, immunmodulatorische Effekte und antagonistische Wirkungen zurückzuführen. Der E. coli Stamm DSM 6601 wird seit einigen Jahrzehnten zur Behandlung verschiedener gastrointestinaler Erkrankungen eingesetzt und seine therapeutische Wirksamkeit ist wissenschaftlich bewiesen. Daher eignet sich dieser Stamm als Modellstamm für die Entwicklung eines bakteriellen Lebendvektors, der für mukosale Immunisierungen oder die zielgerichtete Lieferung von therapeutischen Molekülen in den Darm eingesetzt werden könnte. Ein Ziel dieser Arbeit war die Charakterisierung der kryptischen Plasmide pMUT1 und pMUT2 des probiotischen E. coli Stammes DSM 6601 durch Analyse der DNA-Sequenz. Die Analyse ergab, dass das Plasmid pMUT1 ein Replikationssystem vom ColE1-Typ, ein Mobilisierungssystem sowie eine Stabilitätsregion enthält, während das Plasmid pMUT2 ein ColE2-ähnliches Replikationssystem und ein anderes Mobilisierungssystem besitzt. In beiden Plasmiden konnten keine weiteren offenen Leserahmen mit bekannter Funktion identifiziert werden. Des Weiteren wurde ein spezifisches PCR-Nachweissystem für den E. coli Stamm DSM 6601 etabliert, das auf einer Methode zur direkten DNA-Isolierung aus Stuhlproben und einem optimierten PCR-Protokoll für auf den kryptischen Plasmiden basierende Primerkombinationen beruht. Dadurch konnte eine Sensitivität von 10(3)-10(4) Bakterien/0,1 g Stuhl erreicht werden, die vergleichbar mit den Nachweisgrenzen anderer beschriebener PCR-Nachweissysteme ist. Durch Analysen von Patientenstuhlproben wurde die Spezifität und der diagnostische Nutzen dieses PCR-Nachweissystems bestätigt. Darüber hinaus wurde eine plasmidfreie Variante des E. coli Stammes DSM 6601 hergestellt. Durch funktionelle Untersuchungen dieses Stammes konnten keine Unterschiede im Vergleich zu dem Wildtyp festgestellt werden, wodurch eine mögliche Funktion der beiden kryptischen Plasmide weiterhin unklar bleibt. Diese plasmidfreie Variante kann als Lebendvektor für rekombinante Plasmide auf Basis der Plasmide pMUT1 und pMUT2 verwendet werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung von stabilen Klonierungsvektoren für den probiotischen E. coli Stamm DSM 6601. Durch Integration von Antibiotika-Resistenzkassetten in die Plasmide pMUT1 und pMUT2 wurden Klonierungsvektoren konstruiert, die auch nach Insertion weiterer DNA-Fragmente ohne Antibiotika-Selektionsdruck stabil in diesem Stamm beibehalten werden. Zusätzlich wurde durch die stabile Expression von fluoreszierenden Proteinen ein visuelles Nachweissystem etabliert, das bei in vivo Experimenten verwendet werden kann. Dadurch wird die Möglichkeit geboten, Erkenntnisse über Kolonisierungseigenschaften sowie Interaktionen des E. coli Stammes DSM 6601 mit endogenen Mikroorganismen und Zellen des Darmimmunsystems zu erlangen, was zur Aufklärung der Wirkungsweise dieses Stammes beitragen könnte. Im Hinblick auf die Entwicklung eines Lebendvakzins auf der Basis des probiotischen E. coli Stammes DSM 6601 wurden Adhäsine von humanpathogenen enterohämorrhagischen E. coli und von tierpathogenen enterotoxischen E. coli in diesem Stamm exprimiert. Bei ersten Immunisierungsversuchen in Mäusen konnte jedoch keine Induktion einer spezifischen Immunantwort gegen diese Adhäsine nachgewiesen werden. Weiterhin wurde die inhibitorische Wirkung des E. coli Stammes DSM 6601 auf die Invasivität von Salmonellen in vitro und in vivo untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass Typ 1- und F1C-Fimbrien keine Rolle bei dem inhibitorischen Effekt in vitro spielen und dass durch diesen E. coli Stamm in konventionellen Mäusen keine inhibitorischen Wirkungen nachzuweisen sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit bilden durch die Entwicklung von stabilen Klonierungsvektoren und die Etablierung von Nachweissystemen für den probiotischen E. coli Stamm DSM 6601 die Grundlage für den Einsatz dieses Stammes als Lebendvektor und für in vivo Untersuchungen, die zur Aufklärung der Wirkungsmechanismen dieses Stammes beitragen könnten. / The nonpathogenic E. coli strain DSM 6601 (E. coli Nissle 1917) can be considered as model organism for the employment of a commensal Gram-negative bacterial strain as a probiotic. This E. coli strain has been intensively investigated and therefore its properties are well characterized. The probiotic character of this strain is due to excellent colonization properties of the human gut, immunomodulatory effects and antagonistic activities. The E. coli strain DSM 6601 has been used for decades for the treatment of various gastrointestinal diseases and its therapeutic efficacy is scientifically proved. Therefore, this strain is suited as a model strain for the development of a bacterial live vector, which might be used for mucosal immunization or localized delivery of therapeutic molecules into the intestine. One major aim of this work was the characterization of the cryptic plasmids pMUT1 and pMUT2 of probiotic E. coli strain DSM 6601 by DNA sequence analysis. The analysis showed that plasmid pMUT1 carries a replication system of ColE1-type, a mobilization system as well as a stabilization region, whereas plasmid pMUT2 contains a ColE2-like replication system and another mobilization system. Further open reading frames with known function were not identified in both plasmids. Furthermore, a specific PCR detection system for E. coli strain DSM 6601 was established, which uses a method for direct isolation of DNA from faecal samples and an optimized PCR protocol for primer combinations based on the cryptic plasmids. Thereby, a sensitivity of 10(3)-10(4) bacteria/0,1 g faeces was achieved that is comparable with detection limits of other described PCR detection systems. The specifity and diagnostic utility of this PCR detection system was confirmed by analysis of faecal samples from patients. In addition, a plasmid-free variant of E. coli strain DSM 6601 was constructed. Functional analyses of this strain detected no differences compared to the wildtype, whereby the possible function of both cryptic plasmids still remains unclear. This plasmid-free variant can be used as live vector for recombinant plasmids based on the plasmids pMUT1 and pMUT2. Another aim of this work was the development of stable cloning vectors for the probiotic E. coli strain DSM 6601. Cloning vectors were constructed by integration of antibiotic resistance cassettes in the plasmids pMUT1 and pMUT2, which are still stably maintained following insertion of additional DNA fragments without selection pressure by antibiotics. Furthermore, a visual detection system was established by the stable expression of fluorescent proteins that can be used in in vivo experiments. This offers the opportunity to gain knowledge of colonization properties as well as interactions of E. coli strain DSM 6601 with endogenous microorganisms and cells of the gut’s immune system, which might contribute to explain the mode of action of this strain. With regard to the development of a live vaccine based on the probiotic E. coli strain DSM 6601, adhesins of human pathogenic enterohaemorrhagic E. coli and animal pathogenic enterotoxigenic E. coli were expressed in this strain. Induction of specific immune responses to these adhesins were not demonstrated by first immunization experiments in mice. Moreover, the inhibitory effect of the E. coli strain DSM 6601 on Salmonella invasion was investigated in vivo and in vitro. It was demonstrated that type 1 and F1C fimbriae have no influence on the inhibitory effect in vitro and that no inhibitory effects could be established in conventional mice by this E. coli strain. By the development of stable cloning vectors and the establishment of detection systems for the E. coli strain DSM 6601, the results of this work provide the basis for the employment of this strain as live vector and for in vivo investigations, which might contribute to explain this strain’s mode of action.

E. coli Nissle 1917 (EcN) zählt durch seine fast hundertjährige Nutzung als Arzneimittel und aufgrund der weitreichenden Forschung während der letzten Jahrzehnte mittlerweile zu einem der am besten untersuchten Probiotika. EcN wird als Medikament zur Remissionserhaltung von Patienten mit Kolitis, bei chronischer Verstopfung und bei Durchfall von Kleinkindern eingesetzt. Der enteroaggregative – hämorrhagische - E. coli (EAHEC) mit dem Serotyp O104:H4 war 2011 in Deutschland für den bisher größten EHEC-Ausbruch seit Beginn der Aufzeichnungen verantwortlich. Es fehlt bis zum heutigen Tage immer noch an effektiven Möglichkeiten einer Infektionsprophylaxe oder einer Behandlung der Erkrankung. Ein alternatives Therapeutikum wird daher dringend benötigt. In dieser Arbeit wurden die antagonistischen Effekte von EcN auf pathogene E. coli Stämme wie dem EHEC Stamm EDL933 oder klinischen EAHEC O104:H4 Isolaten untersucht. Es wurden die Auswirkungen von EcN auf die Adhäsion an humane Epithelzellen, das Wachstum und die Shiga Toxin Produktion der pathogenen Stämme untersucht. Zusätzlich wurde die Resistenz von EcN gegenüber Shiga Toxin Phagen nachgewiesen. Zunächst wurde die Adhäsionseffizienz der verschiedenen E. coli Stämme bestimmt. Der am schlechtesten an die humanen Epithelzelllinien Caco-2 und LS-174T adhärierende Stamm war EcN. Dies ist insofern überraschend, da von Probiotika erwartet wird, besser als Pathogene an Epithelzellen zu adhärieren. Dem ungeachtet konnte jedoch gezeigt werden, dass EcN die Adhäsion von zwei EAHEC O104:H4 Isolaten, des nahe verwandten enteroaggregativen E. coli (EAEC) Stammes 55989 und des enterohämorrhagischen (EHEC) E. coli Stammes O157:H7 EDL933 an beide Zelllinen hemmt. Die von EcN produzierten Mikrozine M und H47 konnten hier für einen Teil des beobachteten anti-adhäsiven Effektes von EcN auf die pathogenen E. coli Stämme verantwortlich gemacht werden. Die Mikrozine wurden hier als einzige Substanz, die das Wachstum der pathogenen E. coli Stämme beeinflusst, identifiziert. Einer der wichtigsten Virulenzfaktoren von EAHEC und EHEC Stämmen ist das Shiga Toxin. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass EcN die Shiga Toxin Produktion der am häufigsten auftretenden EHEC Stämme (´Big Five´: O157:H7, O26:H11, O103:H2, O111:H-, O145:H25) und der klinischen Isolate von EAHEC O104:H4 im Zellkulturmedium DMEM hemmt. Auffällig war, dass die Stx1 Produktion von EHEC O103:H2 und O111:H- nicht nur von EcN, sondern auch von E. coli K-12 Stamm MG1655, gehemmt wurde, im Gegensatz zur EcN-spezifischen Blockierung der Stx2-Produktion in den Serotypen O104:H4, O26:H11, O145:H25. Die Reduktion der Stx-Produktion in EAHEC O104:H4 TY3730 und TY3456, sowie EHEC O26:H11 war zum Teil von der Mikrozinproduktion abhängig. Diese hatte jedoch keinen Einfluss auf die Stx-Produktion in EHEC O157:H7 EDL933 und EHEC O145:H25. Bei Verwendung von LB-Medium zeigte sich im Gegensatz zum DMEM-Medium keine Mikrozin-Abhängigkeit der Toxinproduktion bei den EAHEC Isolaten TY3730 und TY3456. Die Toxinproduktion von EHEC EDL933 wurde ebenfalls nicht durch die Deletion der Mikrozin-Gene in EcN beeinflusst. Studien der Toxinproduktion in SCEM-Medium zeigten ebenfalls eine EcN-Dosisabhängige Reduktion der Stx-Produktion in Co-Kultur. Um den Mechanismus der Hemmung der Stx-Produktion zu untersuchen, wurden Versuche mit der EcN-Mutante EcN::luxS durchgeführt. Diese Deletion des AI-2 ´Quorum sensing´ Moleküls in EcN hatte allerdings keinen Einfluss auf die Hemmung der Stx-Produktion. Der Einsatz von Acetat führte, im Gegensatz zu publizierten Ergebnissen, nicht zu einer Reduktion der Stx-Produktion. Auch eine Beeinflussung der Lyse der EHEC-Bakterien, oder der Verminderung der Sekretion von Shiga Toxin durch EcN, konnte widerlegt werden. Zur Untersuchung der Stx-Expression wurde ein Assay mit einem biolumineszenten C-P (Chromosom-Plasmid) Reporter System etabliert. Damit konnte die Shiga Toxin Expression im Stammhintergrund EHEC EDL933 in Echtzeit untersucht werden. Hier wurde wiederum eine Reduktion der Shiga Toxin Expression in Co-Kultur mit EcN erfolgreich nachgewiesen. In weiteren Versuchen konnte gezeigt werden, dass EcN nicht nur die Shiga Toxin Produktion von nicht-induzierten EAHEC Bakterien, sondern auch in mit Mitomycin C induzierten Bakterien hemmt. Als wichtiger Sicherheitsaspekt einer Behandlung mit EcN wurde die Resistenz von EcN gegenüber Shiga Toxin Phagen untersucht. Die Infektion der Bakterien wurde hierbei mit stx-spezifischer PCR, Phagen-Plaque-Assay, Stx-ELISA und K+-Efflux Assay untersucht. Es konnte durch diese verschiedenen Methoden erfolgreich gezeigt werden, dass EcN nicht durch Shiga Toxin Phagen infiziert wird. Als möglicher Resistenzmechanismus kommt hier eine Mutation vom Phagenrezeptor LamB in Frage, was jedoch noch bestätigt werden muss. Zusammenfassend wurden in dieser Arbeit wichtige antagonistische Effekte von EcN auf pathogene E. coli Stämme untersucht, die als Grundlage von neuen und dringend benötigten Behandlungen von EHEC-Infektionen dienen können. / Due to extensive studies in the last decades and its centennial application as a pharmaceutical, E. coli Nissle 1917 (EcN) is among the best characterized probiotics. EcN is used as remedy for remission maintenance of ulcerative colitis, chronic obstipation and diarrhea in children. The enteroaggregative – haemorrhagic - E. coli (EAHEC) strain O104:H4 was responisible for one of the biggest outbreaks of EHEC recorded so far, that took place in Germany in 2011. Currently, there is no effective prophylaxis or treatment available for EHEC infections in humans. Therefore, alternative therapeutics are desperately needed. The antagonistic effects of EcN on pathogenic E. coli strains like the EHEC O157:H7 strain EDL933 or clinical isolates of EAHEC O104:H4 were investigated in this study. The influence of EcN on adhesion to human epithelial cell lines, the growth and the Shiga toxin production of pathogenic strains were analysed. Furthermore, the resistence of EcN against Shiga toxin phages was proven. Initially, the adhesion efficiency of EcN and pathogenic E. coli strains were determined in monocultures. EcN showed the lowest number of adhering bacteria to Caco-2 and LS-174T cells. This was insofar surprising, since probiotics are expected to adhere more efficiently to epithelial cells than pathogens. Regardless of this fact, it could be shown that EcN is inhibiting the adhesion of two EAHEC O104:H4 isolates, the closely related EAEC strain 55989 and the EHEC O157:H7 strain EDL933 to both cell lines. The microzins M and H47, which are produced by EcN, can be held responsible for a fraction of the observed anti-adhesive effect of EcN. The Microzins were also identified as the only substance that was influencing the growth of the pathogenic E. coli strains. One of the most important virulence factors of EHEC and EAHEC strains is Shiga toxin. In this study could be shown, that EcN is inhibiting the Shiga toxin production of the most common EHEC strains (big five: O157:H7, O26:H11, O103:H2, O111:H-, O145:H25) and two clinical isolates of EAHEC O104:H4 in the cell culture medium DMEM. Interesingly, the Shiga toxin 1 production of EHEC O103:H2 and O111:H- was not only reduced by EcN, but also the E. coli K-12 strain MG1655. In contrast, the Stx2 production of the serotypes O104:H4, O26:H11, O145:H25 was only blocked by EcN. The reduction of the Shiga toxin production in EAHEC O104:H4 TY3730 und TY3456, as well as EHEC O26:H11 was partly dependent on the microcin production of EcN. No influence of microzins on the Stx production of EHEC O157:H7 EDL933 and EHEC O145:H25 was detected. When using LB-medium instead of DMEM-medium, no influence of microzin on the Shiga toxin production of neither EAHEC TY3730 and TY3456, nor EHEC EDL933 could be shown. Experiments with SCEM-medium also resulted in an EcN-dose-dependent inhibition of Shiga toxin production of pathogenic E. coli strains in co-culture with EcN. In order to investigate the mechanism responsible for the observed effects, the EcN mutant EcN::luxS was used in co-culture experiments. However, the deletion of the quorum sensing molecule AI-2 in EcN::luxS had no influence on the Stx production. Using acetate in the experiments did not, in contrast to published results, lead to a reduction of Shiga toxin production. In addition, an influence of EcN on lysis of EHEC strains or the secretion of Shiga toxin could be ruled out. To study the Shiga toxin expression an assay with a bioluminescent C-P (chromosome-plasmid) reporter system was successfully established. Here, Shiga toxin expression could be monitored in real time with the strain background EHEC EDL933. Moreover, a reduction of Shiga toxin expression in co-culture with EcN could be detected. In further experiments could be shown, that EcN is not only reducing the Shiga toxin production in uninduced bacteria, but also in the Mitomycin C induced EAHEC O104:H4 strain TY3730. An important safety issue, in order to use EcN as a pharmaceutical against EHEC strains, is the resistance of EcN against Shiga toxin phages. The infection of bacteria was here investigated with phage plaque assay, stx-PCR, Stx-ELISA and K+-efflux assay. With these different methods could be successfully shown, that EcN is not infected by the tested Shiga toxin phages. A mutation in the phage receptor LamB could be a possible, but still unconfirmed, phage resistance mechanism of EcN. In summary, this study showed important antagonistic effects of EcN against pathogenic E. coli strains, which could be the foundation of new and desperately needed treatment options of EHEC infections.

Zugl.: Berlin, Freie Univ., Diss., 2004 / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format

Freie Universiẗat, Diss., 2004--Berlin. / Dateiformat: zip, Dateien im PDF-Format.

Zugl.: Berlin, Freie Univ., Diss., 2008