Early childhood caries (ECC) is closely related to high numbers of mutans streptococci, lactobacilli and Candida albicans . Oral colonization of these microorganisms was monitored in a prospective clinical study in order to investigate the effect of comprehensive treatment under general anesthesia and the sustainability of microbial changes. Saliva samples were collected from 50 healthy infants with ECC before and in regular intervals up to 12 months after treatment. Microorganisms were detected by cultivation on selective agars (CRT ® bacteria and Sabouraud/CandiSelect TM ) and scored. Additionally, plaque on upper front teeth and the dmft were recorded. Parents were repeatedly interviewed regarding the children’s diet and oral hygiene, accompanied by corresponding advice. Plaque frequency and the numbers of mutans streptococci, lactobacilli and yeasts were significantly reduced as a result of treatment (p < 0.0001, Wilcoxon test). Nevertheless, this effect was not permanent. An ordinal regression model on the follow-up period revealed that the odds for bacteria and yeasts to reach a higher score increased linearly over time (p < 0.01) with an odds ratio of 2.244 per year. One third (34%) of the children developed new dentinal lesions within 1 year postoperatively. High scores of lactobacilli before treatment predicted caries relapse (p < 0.05). Nutritional and oral hygiene habits changed only slightly despite advising. Elimination and restoration of ECC lesions under general anesthesia proved to be an effective procedure in reducing cariogenic bacteria and yeasts. A satisfactory and sustainable success, however, could be achieved neither regarding microbiologic parameters nor with respect to the relapse rate. More suitable strategies are needed.

In addition to occasional opportunistic colonization of the oral mucosa, Candida albicans is frequently found in carious dentin. The yeast’s potential to induce dental caries as a consequence of its pronounced ability to produce and tolerate acids was investigated. Eighty caries-active Osborne-Mendel rats were raised on an ampicillin-supplemented diet and exposed to C. albicans and/or Streptococcus mutans, except for controls. Throughout the 28-day test period, the animals were offered the modified cariogenic diet 2000a, containing 40% various sugars. Subsequently, maxillary molars were scored for plaque extent. After dissection, the mandibular molars were evaluated for smooth surface and fissure caries. Test animals exposed to C. albicans displayed considerably more advanced fissure lesions (p < 0.001) than non-exposed controls. While S. mutans yielded similar results, a combined association of C. albicans and S. mutans had no effect on occlusal caries incidence. Substituting dietary sucrose by glucose did not modify caries induction by C. albicans. However, animals fed a diet containing 20% of both sugars showed no differences to non-infected controls. Smooth surface caries was not generated by the yeast. This study provides experimental evidence that C. albicans is capable of causing occlusal caries in rats at a high rate. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Streptococcus (S.) agalactiae sind grampositive, in Ketten gelagerte Kokken, die auf Blutagar eine Hämolyse zeigen. Aufgrund ihrer Zugehörigkeit zur Lancefield-Gruppe B werden sie auch als Gruppe B Streptokokken (GBS) bezeichnet (Hof, 2005). GBS sind die Hauptursache von Sepsis, Meningitis und Pneumonie bei Neugeborenen (Schrag, et al., 2000). Die Arbeit beschäftigte sich mit der Genotypisierung von GBS. Darüber hinaus konnten auch Einblicke in die Phylogenese sowie die Populationsstruktur von GBS gewonnen werden. Ziel war es, einen DNA-Microarray zu entwickeln und zur Genotypisierung von GBS einzusetzen. Während der Evaluierung des DNA Microarray konnten stammspezifische Muster beobachtet werden, diese wurden durch bereits etablierte Typisierungmethoden (MLST) bekannten Genotypen zugeordnet. Die Ergebnisse wurden in einer Datenbank zusammengefasst. Mithilfe der Datenbank konnte die Software zur Auswertung entwickelt werden. (siehe http://alere-technologies.com/en/products/lab-solutions.html). Der DNA-Microarray trägt Sonden für GBS-spezifische Virulenzfaktoren und Oberflächenmarker. Für die auf dem Microarray basierende Typisierung wurden 11 über das ganze Genom verteilte Gene bzw. Gencluster (bac, alp, pil1 locus, pepS8, fBsB, capsule locus, hylB, abiG-I/-II plus Q8DZ34, pil2 locus, nss plus srr plus rogB2 und rgfC/A/D/B) ausgewählt. Ubiquitär vorkommende, konservierte Gene (z. B. cylD/cylE) eignen sich nicht als Marker für eine Typisierung, wurden aber als Kontrollen und zur Normierung eingeschlossen. Zur vollständigen Charakterisierung wurden außerdem Sonden für hochmobile plasmidgebundene Resistenzgene wie z. B. erm(A), erm(B), erm(C), tet(M), emrB/qacA aufgetragen (Aracil, et al., 2002; Betriu, et al., 2003; Uh, et al., 2001). Diese Gene sind nicht für GBS spezifisch. Sie eignen sich z. B. für eine Unterscheidung einzelner Isolate, nicht jedoch für die Unterteilung der GBS Population in verschiedene Stämme. Für die vorliegende Arbeit wurden insgesamt 448 klinische Isolate von GBS ausgewählt und untersucht. Darunter waren Isolate, die schwerwiegende Erkrankungen wie Sepsis und Meningitis verursacht haben, Isolate aus lokalen Infektionen sowie Isolate von asymptomatischen/gesunden Trägern. Zu Vergleichszwecken wurden außerdem Isolate aus der Veterinärmedizin (von bovinen Mastitisfällen) und humane Isolate aus einer geographisch weit entfernten Region (Trinidad und Tobago) genotypisiert. Für 36 ausgewählte Isolate mit repräsentativen Hybridisierungsmustern wurde zusätzlich eine Typisierung mittels Multilocus-Sequenztypisierung (MLST) (Jones, et al., 2003) durchgeführt. Die Hybridisierungsmuster vom Microarray wurden mit Daten aus diesem bereits etablierten Typisierungssystem verbunden. Durch die Verknüpfung beider Methoden konnte eine Einteilung der GBS Isolate in verschiedene Stämme vorgenommen werden. Mit Hilfe des eBURST-Algorithmus wurde gezeigt, dass einige Hybridisierungsmuster sich zu Gruppen zusammenfügen. Dieses Verfahren veranschaulicht die Populationsstruktur und beschreibt die genetische Vielfalt. Mit den 11 definierten Markern konnten die untersuchten Isolate 76 verschiedenen Stämmen bzw. „hybridization profiles“ (HP) zugeordnet werden. Die Einteilung beruht auf dem Fehlen bzw. Vorhandensein einzelner Gene/Gencluster bzw. deren allelischen Varianten. Diese Stämme korrelieren mit den durch MLST definierten klonalen Komplexen (CC). Isolate mit identischen oder ähnlichen Hybridisierungsprofilen gehören zum selben CC. Dagegen können Isolate mit einem ähnlichen MLST-Profil verschiedene Hybridisierungsmuster zeigen. Es konnte außerdem häufig beobachtet werden, dass ansonsten ähnliche Stämme sich in einzelnen Merkmalen, z. B. Kapsel-Genen, alp- oder pili-Genen, voneinander unterscheiden, und dass diese Gene unabhängig voneinander variieren. Zusätzlich zeigten einige ubiquitäre Gene/Gencluster, die sich in den publizierten Genomsequenzen immer an derselben Position befinden, zahlreiche verschiedene Allele. Welches Allel in einem gegebenen Stamm gerade vorliegt, scheint dabei eher zufällig zu sein. Eine Erklärung dieses Phänomens könnte in vergangenen Rekombinationsereignissen liegen. Auch eine konvergente Evolution könnte diskutiert werden. Ähnliche Stämme/ „hybridization profiles“ wurden in Analogie zu den MLST-definierten klonalen Komplexen zu Gruppen zusammengefügt. Das bedeutet jedoch nicht notwendigerweise eine direkte Verwandtschaft der Isolate im Sinne des Vorhandenseins eines unmittelbaren gemeinsamen Vorfahren. Die Typisierung sowohl über den DNA-Microarray als auch über die MLST kann nicht die „wahre“ Phylogenese im Rahmen der Evolutionsgeschichte und Herkunft widerspiegeln. Sie stellt lediglich ein zufälliges Modell dar, ein Ordnungssystem im Sinne eines genetischen Fingerabdrucks, das einen Vergleich von Isolaten, aber keine Rückschlüsse über deren Abstammung und Herkunft erlaubt.Die untersuchten GBS Isolate konnten in fünf klonale Komplexe (CC19, CC23, CC26, CC103, CC130) eingeteilt werden, deren Häufigkeit unterschiedlich war. Deutsche humanmedizinische Isolate konnten vorwiegend CC19 zugeordnet werden. Karibische humanmedizinische Isolate sind zumeist CC19 und CC23 zugehörig. Bovine Isolate gehören meist zu CC19 und CC103. Unter humanen Isolaten ist CC103 rar. Vermutlich basierend auf der geografischen und wirtsspezifischen Herkunft der untersuchten GBS Isolate gibt es Unterschiede in der Populationsstruktur. In der vorliegenden Arbeit war CC19 der am häufigsten gefundene und außerdem ein genetisch besonders inhomogener CC. Er besteht aus mehreren unterschiedlichen, bisher als eigenständig angesehenen CCs (darunter CC1, CC17, CC19 und CC22). Diese werden von dem zur MLST-Verwandtschaftsanalysen verwendeten eBURST-Algorithmus zu CC19 zusammengefasst, seit die MLST-Profile von 'missing links' zwischen den CCs identifiziert wurden, da eBURST „gemeinsame Vorfahren“ nicht von durch horizontalem Gentransfer bzw. durch Hybridisierungen entstandenen „Chimären“ unterscheiden kann. Da diese Komplexe klar unterscheidbare Hybridisierungsmuster aufweisen, wurden sie hier als CC19/01, CC19/17, CC19/19 und CC19/22 bezeichnet. Einzelne Gene traten in Gruppen von Isolaten aus verschiedener Herkunft unterschiedlich häufig auf. So fand sich der Virulenzfaktor scpB in 412 von 418 humanen Isolaten (98,6 %), aber nur in 10 von 21 Rinderisolaten (48 %). Ferner ließ sich beobachten, dass invasive Isolate weniger wahrscheinlich abiGI-/II und Q8DZ34 tragen, jedoch häufiger pil1 locus, fbsB (515) und Kapseltyp III sowie pil2b, nss/srr und rgf (COH1 like) aufweisen. Einige dieser Marker erscheinen zusammen in CC19/17-Stämmen, welche häufig bei invasiven Krankheitsverläufen beobachtet werden. CC19 (incl. ST01, ST17, ST19) konnte bei neonatalen Sepsis-Fällen in verschiedenen geografischen Regionen isoliert werden (Brzychczy-Wloch, et al., 2012; Ryu, et al., 2014; Sorensen, et al., 2010; Strakova, et al., 2010; Tien, et al., 2011). Zusätzlich wurden andere Virulenzfaktoren wie speM (Exotoxin M) und das cyl-Operon (beta-Hämolysin) untersucht. In lediglich sieben Isolaten wurde speM nachgewiesen. Das cyl-Operon konnte in allen Isolaten gefunden werden, sein Nachweis ist daher für eine Vorhersage der Virulenz eines gegebenen Isolates nicht hilfreich. Es konnte kein einzelner Faktor zur definitiven Unterscheidung zwischen invasiven Isolaten und Trägerisolaten bestimmt werden. Für die Virulenz eines Isolates ist wahrscheinlich nicht das bloße Vorhandensein oder Fehlen eines bestimmten Genes ausschlaggebend, sondern dessen Expression in vivo. Wichtig wäre in diesem Zusammenhang auch die genaue Betrachtung der Sequenz eines als Virulenzfaktor angesehenen Genes sowie die Untersuchung der zugehörigen regulatorischen Gene. Über den Nachweis der Gene erm(A), erm(B) und erm(C) konnte eine Aussage über die Macrolid-/Clindamycinresistenz eines GBS Isolates getroffen werden. Bei keinem der karibischen Isolate wurden erm Gene nachgewiesen. Innerhalb der deutschen GBS Population wurde erm(B) am häufigsten beobachtet. Die Gene erm(A) und erm(C) waren in humanen Isolaten selten und wurden in bovinen Isolaten überhaupt nicht gefunden. Das Tetracyclinresistenzgen tet(M) wurde häufig in humanen Isolaten und sehr selten in veterinärmedizinischen Isolaten gefunden. Für weiterführende Untersuchungen könnte die beschriebene Typisierungsmethode verfeinert werden. So lassen sich z. B. die oben beschriebenen 11 ausgewählten Typisierungsmarker des Microarrays mit denen der MLST zu einem 18 Marker-System verknüpfen. Daneben können auch erm-, cad-, mer- oder tet-Gene zur Feststellung oder zum Ausschluss der Identität verwandter Isolate in vitro oder in silico verwendet werden. Mit der nun einsatzbereiten Genotypisierungsmethode können in Zukunft weitere Studien zur Untersuchung regionaler und wirtsspezifischer Unterschiede der GBS Population durchgeführt werden. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass der DNA-Microarray stabile und reproduzierbare Resultate erbringt. Es kann ein detaillierter Befund erstellt werden, die Ergebnisse sind mit denen anderer Typisierungsmethoden und der Genomsequenzierung vergleichbar. Jedoch steht mit dem DNA-Microarray ein wesentlich unkomplizierteres und schnelleres Procedere zur Verfügung, welches zudem geringere Kosten verursacht.:1. Einleitung 5 1.1 Gegenstand der Untersuchung 5 1.2 Entdeckungsgeschichte 6 1.3 Klinische Bedeutung 7 1.4 Veterinärmedizinische Bedeutung 9 1.5 Stand der Forschung mit Hinblick auf Typisierung von GBS 9 1.6 Ziele der vorliegenden Untersuchung 10 1.7 Vorgehensweise 11 1.7.1 Untersuchungsmaterial 11 1.7.2 Untersuchungsmethode 11 1.8 Zur Typisierung ausgewählte Marker 12 2. DNA Microarray-Based Typing of Streptococcus agalactiae Isolates 15 2.1 Abstract 16 2.2 Introduction 17 2.3 Materials and methods 18 2.3.1 Bacterial isolates 18 2.3.2 Ethics statement 18 2.3.3 Preparation of genomic DNA 19 2.3.4 MLST 19 2.3.5 Microarray design and protocol optimization 19 2.3.6 Microarray procedures 20 2.3.7 eBURST 21 2.4 Results 22 2.4.1 Typing GBS by MLST 22 2.4.2 Genotyping GBS by microarray hybridization 22 2.4.3 Population structure 25 2.4.4 Detection of antibiotic resistance markers 25 2.4.5 Detection of heavy metal resistance markers 26 2.5 Discussion 27 2.6 Acknowledgments 30 2.7 References 31 2.8 Tables and figures 33 3. Zusammenfassung 45 3.1 Zusammenfassung 45 3.2 Summary 49 4. Korrespondenz mit dem Editor 53 4.1 Hinweise des Editors und der Gutachter 53 4.2 Antworten an den Editor 56 4.3 Endgültige Annahme 58 Anhang 61 / Streptococcus (S.) agalactiae are Gram-positive, chain-forming cocci, which show hemolysis on blood agar. They are also referred to group B streptococci (GBS) because of their affiliation to Lancefield-group B (Hof, 2005). GBS are the main cause of sepsis, meningitis and pneumonia in newborns (Schrag, et al., 2000). The work focused on genotyping of GBS. The aim was to develop a DNA microarray and to use it for epidemiological typing of GBS. During the evaluation of the microarray, strain-specific patterns could be observed and these patterns assigned to genotypes as defined by other typing methods (MLST). The results were summarized in a database that subsequently was developed into software for automated analysis of experiments (http://alere-technologies.com/en/products/lab-solutions.html). The DNA microarray carries probes for GBS specific virulence factors and surface markers. For the microarray-based typing, 11 genes or gene clusters were selected that are distributed across the entire genome (bac, alp, pil1 locus, pepS8, fBsB, capsule locus, hylB, abiG-I/-II plus Q8DZ34, pil2 locus, nss plus srr plus rogB2 and rgfC/A/D/B). Ubiquitous, conserved genes (e.g. cylD/cylE) were included to be used as species markers and controls. Furthermore, probes for highly mobile plasmid-borne resistance genes such as erm(A), erm(B), erm(C), tet(M), emrB/qacA were also included (Aracil, et al., 2002; Betriu, et al., 2003; Uh, et al., 2001). These genes are not specific to GBS, but they are found in some isolates. They can be used to distinguish individual, related isolates, rather than for a definition of distinct strains. A total of 448 isolates of GBS was selected and examined for the present work. Among them were isolates from severe diseases, such as sepsis and meningitis, isolates from local infections as well as isolates from asymptomatic/healthy carriers. For comparison, isolates from veterinary medicine (from cases of bovine mastitis) and human isolates from a geographically distant region (Trinidad and Tobago) were genotyped. For 36 selected isolates with representative hybridization patterns, parallel typing was performed using a second method, multilocus sequence typing (MLST) (Jones, et al., 2003). Hybridization patterns on the Microarray could thus be linked to this already established typing system. With the array based GBS typing isolates could be divided into 76 different strains or 'hybridization profiles', HP. The classification with both methods is based on the absence or presence of individual genes or gene clusters or their allelic variants. Similar isolates were lumped together. The eBURST algorithm was used to group strain-specific patterns into groups of related strains illustrating the population structure and describing the genetic diversity. Groups of similar hybridization patterns largely correlate with the clonal complexes (CC) defined by MLST. While isolates with identical or similar hybridization profiles belong to the same CC, isolates with a similar MLST profile can show different hybridization patterns. It has also often been observed that otherwise similar strains differ from each other in individual traits, e.g. capsule genes, alp or pili genes, and that these genes vary independently of one another. In addition, some ubiquitous genes/gene clusters, which are always localized at the same position in the published genomic sequences, show numerous different alleles and related strains (that belong to one clonal complex) might differ in the presence of one allele. Alleles are thus not linked to clonal complexes, but rather randomly distributed. An explanation of this phenomenon could be a frequent occurrence of recombination events or horizontal gene transfers. A convergent evolution could also be discussed as an alternative explanation. A similarity of hybridization profiles does not necessarily mean a direct phylogenetic relationship between the isolates in the sense of being derived from a direct common ancestor. Typing both the DNA microarray and the MLST cannot reflect the 'true' phylogenesis, evolutionary history and origin. Assuming frequent recombination i.e., random events, the MLST profiles as well as the hybridization patterns can be used as genetic fingerprints, allowing a comparison of isolates, but no conclusions about their phylogeny and origin. The investigated GBS isolates were classified into five clonal complexes (CC19, CC23, CC26, CC103, CC130) with very different relative abundances indicating differences in the population structure with regard to geographic origin and host organisms. German medical isolates were mainly assigned CC19. Caribbean medical isolates mostly were assigned to CC19 and CC23. Bovine isolates usually belonged to CC19 and CC103. Among human isolates, CC103 was rare. In the present work, CC19 was the most abundant and the genetically most inhomogeneous CC. Several different clusters that previously been regarded as CCs (CC1, CC17, CC19 and CC22) have recently been merged to CC19 by the eBURST algorithm since MLST profiles of missing links between the CCs have been identified. Unfortunately, eBURST cannot distinguish whether two MLST types are linked by true common ancestors or by hybrid or chimera strains originating from horizontal gene transfers or hybridization events. Since these complexes within CC19 have clearly distinguishable hybridization patterns, they have been referred to herein as CC19/01, CC19/17, CC19/19 and CC19/22, and we assume that they are linked by hybridizations or gene transfers rather than by shared ancestry. Few differences were found between isolates from different origins. The virulence factor scpB was found in 412 of 418 human isolates (98.6%), but only in 10 of 21 bovine isolates (48%). Furthermore, it was observed that invasive isolates are less likely to carry abiGI-/II and Q8DZ34, but are more likely to have pil1 locus, fbsB (515) and capsule type III as well as pil2b, nss/srr and rgf (COH1 like). Some of these markers appear together in CC19/17 strains, which are often observed in invasive disease. speM (exotoxin M) was also investigated. It was detected only in seven isolates. Contrarily, the cyl (beta-hemolysin) operon was found in all isolates. Thus, it detection is not helpful for a prediction of the virulence of a given isolate. No single factor could be identified that allowed a definitive distinction between invasive isolates and carrier isolates. Probably, the virulence of an isolate does not depend on the presence or absence of one particular gene. In this context, it would be important to investigate the expression in vivo of the various putative virulence factors as well as the allelic variants of the factors and of their associated regulatory genes. Macrolide-/clindamycin resistance genes erm(A), erm(B) and erm(C) can also be detected by the microarray. None of these genes was identified in any of the Caribbean isolates. Within the German GBS population, erm(B) was most frequently observed. The genes erm(A) and erm(C) were rare in human isolates, and they were not found in bovine isolates. The tetracycline resistance gene tet(M) was observed frequently in human isolates but only very rarely in veterinary isolates. With the genotyping method that was developed during the present work, further studies can be carried out to study regional and host-specific differences in the GBS population. For future investigations, the described typing method could further be refined. For example, the 11 selected typing markers on the microarray can be combined with those from MLST to one comprehensive marker system. In addition, it is also possible to use genes on mobile genetic elements such as resistance genes (erm, cad, mer or tet) to prove or to rule out the identity of related isolates in vitro or in silico. In our study, it was shown that the DNA microarray provides stable and reproducible results that are comparable to those of other typing methods and genome sequencing. However, since the DNA microarray offers a much more uncomplicated and faster procedure, which also results in lower costs, it is more suitable to a routine setting.:1. Einleitung 5 1.1 Gegenstand der Untersuchung 5 1.2 Entdeckungsgeschichte 6 1.3 Klinische Bedeutung 7 1.4 Veterinärmedizinische Bedeutung 9 1.5 Stand der Forschung mit Hinblick auf Typisierung von GBS 9 1.6 Ziele der vorliegenden Untersuchung 10 1.7 Vorgehensweise 11 1.7.1 Untersuchungsmaterial 11 1.7.2 Untersuchungsmethode 11 1.8 Zur Typisierung ausgewählte Marker 12 2. DNA Microarray-Based Typing of Streptococcus agalactiae Isolates 15 2.1 Abstract 16 2.2 Introduction 17 2.3 Materials and methods 18 2.3.1 Bacterial isolates 18 2.3.2 Ethics statement 18 2.3.3 Preparation of genomic DNA 19 2.3.4 MLST 19 2.3.5 Microarray design and protocol optimization 19 2.3.6 Microarray procedures 20 2.3.7 eBURST 21 2.4 Results 22 2.4.1 Typing GBS by MLST 22 2.4.2 Genotyping GBS by microarray hybridization 22 2.4.3 Population structure 25 2.4.4 Detection of antibiotic resistance markers 25 2.4.5 Detection of heavy metal resistance markers 26 2.5 Discussion 27 2.6 Acknowledgments 30 2.7 References 31 2.8 Tables and figures 33 3. Zusammenfassung 45 3.1 Zusammenfassung 45 3.2 Summary 49 4. Korrespondenz mit dem Editor 53 4.1 Hinweise des Editors und der Gutachter 53 4.2 Antworten an den Editor 56 4.3 Endgültige Annahme 58 Anhang 61

Es gibt keine bekannte Lungenerkrankung, die eine so frühe, chronische und intensive Entzündungsreaktion hervorruft, wie sie in den Atemwegen von Patienten mit Mukoviszidose (CF) auftritt. CF ist die häufigste tödliche autosomal-rezessiv vererbte Krankheit in der kaukasischen Bevölkerung, die durch eine Mutation im CFTR-Gen (Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator) verursacht wird, dass für das CFTR-Protein kodiert. Defekte in diesem Protein führen zu einer epithelialen Dysfunktion und betreffen mehrere Organe, aber die Lungenpathologie ist für über 85% der Morbidität und Mortalität bei CF verantwortlich. Die CF-Lungenpathologie konzentriert sich auf die Wechselwirkungen zwischen Wirt und Erreger, wobei die CFTR-Dysfunktion Infektionen begünstigt und die Infektionen in Verbindung mit einer dysfunktionalen Immunantwort einen anhaltenden Entzündungskreislauf in Gang setzen. Dieser Teufelskreis aus Infektion und Entzündung führt schließlich zu Lungenschäden, Atemversagen und letztlich zum Tod. Die vorherrschende Infektion bei Mukoviszidose ist die durch P. aeruginosa, wobei im europäischen Durchschnitt 41% der erwachsenen Patienten infiziert sind. Bemerkenswert ist, dass das Mikrobiom der Atemwege bei Mukoviszidose polymikrobieller Natur ist. Da frühere Studien einen positiven Zusammenhang zwischen einer hohen Mikrobiom-Diversität und einer verbesserten Lungenfunktion bei Mukoviszidose festgestellt haben, wurde die Hypothese aufgestellt, dass bestimmte Kommensalen vor einer Infektion mit P. aeruginosa in den CF-Atemwegen schützen könnten. Um dies genauer zu untersuchen wurden 105 kommensale Isolate aus 32 verschiedenen Arten von Sputumproben von Patienten mit Mukoviszidose isoliert und mit einem fluoreszierenden P. aeruginosa PA01-mcherry-Stamm auf antagonistische Wirkungen bei direkten Erreger-Kommensalen-Interaktionen untersucht. Diese Isolate wurden zusätzlich auf immunmodulatorische Effekte bei Kommensal-Wirt-Pathogen-Interaktionen, unter Verwendung von BEAS-2B-Bronchialepithelzelllinien, untersucht. Ausgewählte Isolate mit schützender Wirkung wurden anschließend auf immunmodulatorische Effekte unter Verwendung von CFBE41o ΔF508-Zellen und einem natürlicheren Lungen-Präzisionsschnitt-Modell (PCLS) untersucht und die produzierten Zytokine mittels ELISA sowie mit einem Multiplex-Zytokin-Assay gemessen. Genexpressionsanalysen wurden zudem mittels qRT-PCR durchgeführt. Die zugrundeliegenden Mechanismen wurden mittels transkriptomischer Analysen, Vergleiche der gesamten Genomsequenz (WGS) und mechanischer Studien einschließlich Stoffwechselanalysen mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass ausgewählte Streptokokken-Kommensal-Isolate, insbesondere Vertreter von S. mitis, S. oralis, S. cristatus, S. gordonii, S. sanguinis und S. parasanguinis, starke antagonistische Effekte auf das Wachstum von P. aeruginosa in direkten Kokulturen haben. Ausgewählte Vertreter von S. mitis, S. oralis und S. cristatus verhinderten zudem das Wachstum anderer klinischer und nicht-klinischer Isolate von P. aeruginosa, sowie anderer typischer Mukoviszidose-Erreger wie Staphylococcus aureus, Burkholderia spp., Achromobacter xylosoxidans, Proteus mirabilis, Haemophilus influenzae, Stenotrophomonas maltophilia, Enterococcus faecalis und Klebsiella pneumoniae. Eine wirksame Mukoviszidose-Therapie sollte nicht nur die Infektion, sondern auch die damit einhergehende bösartige Entzündung bekämpfen. Im Gegensatz zu den Mitgliedern der gram-negativen Neisseria spp., die die IL-8-Produktion bei einer Monoinfektion signifikant stimulierten, taten dies alle gram-positiven Kommensalen-Isolate nicht. Ausgewählte Kommensalen regulierten auch die P. aeruginosa PA01- und LPS-induzierte Produktion mehrerer entzündlicher Zytokine in menschlichen Atemwegsepithelzellen (BEAS-2B sowie CFBE41o ΔF508 und korrigierte wtCFTR) und in PCLS der Maus. Diese Ergebnisse wurden auch durch Genexpressionsanalysen bestätigt, was darauf hindeutet, dass die Immunmodulation möglicherweise durch eine veränderte TLR-Signalübertragung vermittelt wird. Transkriptomische Analysen nach Koinfektion von S. mitis Isolat 4 (SM4) und PA01 auf PCLS zeigten eine signifikante Runterregulation von Entzündungsreaktionen wie mTOR und Toll-like-Rezeptor-Signalen. Ein WGS-Vergleich zeigte, dass mehr als die Hälfte der am stärksten angereicherten Genfunktionen bei hemmenden Streptokokken-Isolaten für den Kohlenhydrat-Transport und -Stoffwechsel verantwortlich waren, während sie bei den nicht hemmenden Streptokokken-Isolaten unter den am stärksten angereicherten Genfunktionen fehlten. Mechanische Untersuchungen zeigten, dass der glykolytische Signalweg für die antipseudomonische Wirkung entscheidend ist und dass hemmende Kommensalen hemmende Wirkungen vermitteln, indem sie den pH-Wert ihrer Wachstumsmedien < 5,0 senken und Acetat > 0,2 mg/ml produzieren. Es wurde nachgewiesen, dass Acetat signifikante immunmodulatorische Effekte gegen PA01- und LPS-induzierte Entzündungsreaktionen in BEAS-2B und PCLS vermittelt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass ausgewählte kommensale Bakterien Schutzwirkungen in den Atemwegen von Mukoviszidose-Patienten herbeiführen, indem sie Acetat produzieren, das antipseudomonale und immunmodulatorische Wirkungen vermittelt. Einserseits direkt, indem es durch Bakterien- und Wirtszellen diffundiert und so unmittelbare Auswirkungen hat, als auch indirekt, indem es Wirtszellen dazu anregt, Bakterien effizient zu beseitigen und Entzündungen zu kontrollieren. Da die Verwendung ganzer Bakterien als Probiotika bei immungeschwächten Patienten beispielsweise bei Mukoviszidose mit einigen Herausforderungen verbunden ist, stellt die Verwendung von bakteriellen Metaboliten wie Acetat eine sicherere, einfachere und praktischere Alternative dar.:List of Abbreviations (i) Table of Contents (iv) 1. SUMMARY (1) 1.1 Zusammenfassung (1) 1.2 ABSTRACT (3) 2. INTRODUCTION (5) 2.1 Cystic fibrosis (5) 2.2 Development of the CF lung pathology (6) 2.3 The immune response (8) 2.3.1 Innate and adaptive immunity (8) 2.3.2 Toll-like receptors (TLRs) (9) 2.4 Inflammation in CF (11) 2.4.1 Neutrophils in CF (11) 2.4.2 Macrophages in CF (12) 2.4.3 Eicosanoid metabolites in CF (12) 2.4.4 Chemokines in CF (12) 2.5 Airway sampling for microbiome studies (13) 2.6 CF airway microbiome (14) 2.6.1 The healthy lung microbiome (14) 2.6.2 Pathogenic bacterial members of the CF microbiome and pulmonary exacerbations (15) 2.6.3 Pseudomonas aeruginosa in CF (16) 2.6.4 Anaerobic CF microbiota (17) 2.6.5 Fungal CF microbiota (17) 2.6.6 Virus CF microbiota (18) 2.6.7 Commensal-pathogen interactions in CF (18) 2.7 CFTR modulators (18) 2.8 Human epithelial cell lines and murine precision-cut lung slices (PCLS) as in vitro model systems (19) 2.9 Next-generation sequencing (NGS) in CF microbiome studies (20) 2.10 Objectives of this study (21) 3. MATERIALS AND METHODS (23) 3.1 Materials (23) 3.1.1 Devices and Instruments (23) 3.1.2 Software (24) 3.1.3 Consumables (25) 3.1.4 Chemicals, Reagents, Media, and Antibiotics (26) 3.1.5 Kits (29) 3.1.6 Buffers, Media, and Solutions (30) 3.1.7 qPCR Primers (32) 3.1.8 Cell lines (33) 3.1.9 Mouse strains (33) 3.1.10 Bacteria isolates (34) 3.2 Methods (37) 3.2.1 Isolation, identification, and storage of isolates (37) 3.2.2 Pathogens-Commensals direct cocultures (38) 3.2.3 HPLC of conditioned media from bacterial isolates (40) 3.2.4 Cell-Pathogen-Commensal cocultures (41) 3.2.5 PCLS cocultures (42) 3.2.6 RNA extraction, cDNA preparation, and quantitative RT-PCR (43) 3.2.7 RNA Sequencing and Transcriptome analysis (45) 3.2.8 Bacteria DNA extraction and Whole Genome Sequencing (46) 3.2.9 Biochemistry (47) 3.2.10 Statistical analyses (49) 4. RESULTS (50) 4.1 Analysis of direct commensal-pathogen interactions (50) 4.1.1 Several streptococcal isolates inhibit the growth of P. aeruginosa with inter- and intra-species variability in the antipseudomonal effect (51) 4.1.2 Further commensal isolates that do not inhibit the growth of P. aeruginosa (54) 4.1.3 The lack of antipseudomonal effect by noninhibitory isolates is not due to insufficient cell numbers (54) 4.1.4 Fungal CF isolates in this study do not possess antipseudomonal effects (56) 4.1.5 SCAPEs (Selected Commensals with strong Anti-Pseudomonal Effects) also inhibit other P. aeruginosa strains (58) 4.1.6 SCAPEs inhibit other non-pseudomonal pathogenic CF isolates (60) 4.1.7 Inhibitory effects mediated by SCAPEs do not extend to the fungal CF isolates in this study (63) 4.2 Analysis of commensal-host-pathogen interactions using human bronchial epithelial cell lines (63) 4.2.1 Some commensal isolates are able to modulate PA01-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (64) 4.2.2 Commensal-mediated IL-8 modulation in BEAS-2B cells is not due to PA01 growth inhibition (67) 4.2.3 Selected commensal isolates also modulate LPS-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (68) 4.2.4 Selected S. mitis isolates also modulate IL-8 release in BEAS-2B cells induced by other CF P. aeruginosa isolates (68) 4.2.5 Selected commensal isolates modulate PA01-induced IL-8 release in CFBE41o cells (70) 4.2.6 Protective commensals need to be metabolically active to exert immunomodulatory effects (72) 4.2.7 Hydrogen peroxide produced by peroxide-producing Streptococcus spp. affects the viability of human bronchial epithelial cells (72) 4.2.8 Selected peroxide-producing Streptococcus spp. possess immunomodulatory activity when peroxide-induced cell death is prevented (75) 4.3 Analysis of commensal-host-pathogen interactions using mouse PCLS (80) 4.3.1 PCLS is more resilient against peroxide-induced loss of viability (80) 4.3.2 Selected S. mitis isolates modulate PA01-induced inflammatory response in mouse PCLS (82) 4.3.3 Immunomodulation of PA01-induced response by SM4 in PCLS is not due to active PA01 growth inhibition (84) 4.4 Analysis of the underlying mechanisms behind the streptococcal-mediated effects via transcriptome and whole genome sequencing (84) 4.4.1 Transcriptomic analyses show that SM4 downregulates signalling pathways involved in PA01-induced inflammatory responses in mouse PCLS (84) 4.4.2 Whole genome sequence comparison shows that in inhibitory commensals, most of their genes are involved in carbohydrate transport and metabolism (87) 4.5 Uncovering the mechanisms behind the observed streptococcal-mediated antipseudomonal effects (89) 4.5.1 Conditioned medium (CM) from SCAPEs inhibits the growth of P. aeruginosa and other typical CF pathogens (89) 4.5.2 Inhibitory activity of SCAPEs CM is neither heat sensitive nor proteinaceous (91) 4.5.3 Iron competition and the arginolytic pathway are not responsible for the observed inhibitory effects (91) 4.5.4 Peroxide production may contribute but does not play a major role in the antipseudomonal effects (94) 4.5.5 Several members of Streptococcus spp. mediate antipseudomonal effects via the glycolytic pathway (94) 4.5.6 Low pH plays a major role in the observed inhibition (97) 4.5.7 SCAPEs and other selected commensal isolates can mediate antipseudomonal effects by simultaneously lowering the pH and secreting acetate (98) 4.5.8 Extracellular addition of 0.5 mg/ml acetate at pH 5.0 inhibits the growth of P. aeruginosa (100) 4.5.9 Other SCFAs like propionate and butyrate at pH 5.0 also inhibit P. aeruginosa isolates (102) 4.5.10 Acetate has better antipseudomonal activity than propionate and butyrate (103) 4.6 Commensals may mediate their protective effects via acetate production (104) 4.6.1 SCFAs modulate PA01- and LPS-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (104) 4.6.2 SCFA levels used are well below cell toxicity levels (105) 4.6.3 Acetate modulates PA01 and LPS-induced immune response in mouse PCLS (107) 5. DISCUSSION (110) 5.1 SCAPEs mediate inhibitory effects in direct commensal-pathogen interactions against P. aeruginosa and other typical CF pathogens (110) 5.1.1 Members of Streptococcus spp. mediate inter- and intra-species variability in their antipseudomonal effects (111) 5.1.2 SCAPEs inhibit other clinical and nonclinical P. aeruginosa strains as well as other typical CF pathogens (113) 5.2 Selected commensals modulate PA01- and LPS-induced inflammatory response in human airway epithelial cells and mouse PCLS (115) 5.2.1 The gram-positive commensal isolates in this study do not significantly stimulate inflammatory response in human bronchial epithelial cells and mouse PCLS (115) 5.2.2 Selected gram-positive commensal isolates modulate P. aeruginosa-triggered inflammatory response in BEAS-2B cells with inter- and intra-species variation (117) 5.2.3 Selected commensal isolates modulate P. aeruginosa-triggered inflammatory response in CFBE41o ΔF508 (120) 5.2.4 Selected S. mitis isolates modulate P. aeruginosa-induced inflammatory response in mouse PCLS (121) 5.3 Commensals exert protective effects against P. aeruginosa infection via acetate production (124) 5.3.1 Conditioned medium (CM) from selected commensal isolates need to be acidic to mediate inhibition of growth of P. aeruginosa and other typical CF pathogens (125) 5.3.2 The glycolytic pathway is important for streptococcal-mediated antipseudomonal effects (127) 5.3.3 Commensal bacteria mediate growth inhibitory effects by simultaneously lowering the pH and producing acetate (128) 5.3.4 Acetate modulates PA01- and LPS-induced inflammation in bronchial epithelial cells and PCLS (131) 5.4 Conclusions and Outlook (134) 6. DECLARATIONS (158) 6.1 Statement of Authorship (158) 6.2 Declaration of compliance (160) 7. Acknowledgements (161) / There is no known lung disease that causes such a very early, chronic, and intense inflammatory reaction as seen in the airways of patients with cystic fibrosis (CF). CF is the most common lethal autosomal recessive genetic condition in the Caucasian population caused by a mutation in the cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) gene encoding for the CFTR protein. Defects in this protein result into epithelial dysfunction and affect several organs but lung pathology accounts for over 85% of CF morbidity and mortality. The CF lung pathology centers on the host-pathogen interactions where CFTR dysfunction predisposes to infections and the infections coupled with a dysfunctional immune response drive a sustained inflammatory cycle. This vicious cycle of infection and inflammation ultimately results in lung damage, respiratory failure and then, death. The most predominant infection in CF is by P. aeruginosa with an overall European average of 41.0% of adult patients infected. Of note, airway microbiome in CF is of polymicrobial nature. Given that previous studies have established positive correlations between a high microbiome diversity and improved lung function in CF, it was hypothesized that certain commensals may be protective against P. aeruginosa infection in the CF airways. Therefore, 105 commensal isolates from 32 different species were isolated from sputum samples of patients with CF and screened for antagonistic effects in direct pathogen-commensal interactions using a fluorescent P. aeruginosa PA01-mcherry strain. These isolates were also screened for immunomodulatory effects in commensal-host-pathogen interactions using BEAS-2B bronchial epithelial cell lines. Selected isolates with protective effects were subsequently screened for immunomodulatory effects using CFBE41o ΔF508 cells and a more natural precision-cut-lung-slices (PCLS) model and the produced cytokines were measured via ELISA as well as via a multiplex cytokine assay. Gene expression analyses were also conducted via qRT-PCR. Underlying mechanisms were explored via transcriptomic analyses, whole genome sequence (WGS) comparisons, and mechanistic studies including metabolic analyses via high-performance liquid chromatography. It was demonstrated that selected streptococcal commensal isolates, especially members belonging to S. mitis, S. oralis, S. cristatus, S. gordonii, S. sanguinis, and S. parasanguinis, mediate potent antagonistic effects against the growth of P. aeruginosa in direct cocultures. Selected members from S. mitis, S. oralis, and S. cristatus also prevented the growth of other P. aeruginosa clinical and nonclinical isolates as well as other typical CF pathogens including Staphylococcus aureus, Burkholderia spp., Achromobacter xylosoxidans, Proteus mirabilis, Haemophilus influenzae, Stenotrophomonas maltophilia, Enterococcus faecalis, and Klebsiella pneumoniae. An effective CF therapy should not only address infection but the accompanying vicious inflammation as well. Unlike the members of the gram-negative Neisseria spp. which significantly stimulated IL-8 production in mono-infection, all the gram-positive commensal isolates did not. Selected commensals also modulated P. aeruginosa PA01- and LPS-induced production of several inflammatory cytokines in human airway epithelial cells (BEAS-2B as well as CFBE41o ΔF508 and corrected wtCFTR) and in mouse PCLS. These findings were also confirmed via gene expression analyses indicating that the immunomodulation may be mediated by altered TLR signalling. Transcriptomic analyses after co-infection of S. mitis isolate 4 (SM4) and PA01 on PCLS revealed a significant downregulation of inflammatory responses such as mTOR and toll-like receptor signalling. WGS comparison showed that over half of the most enriched gene functions in inhibitory streptococcal isolates were responsible for carbohydrate transport and metabolism but were absent among the most enriched gene functions for the noninhibitory streptococcal isolates. Mechanistic investigations demonstrated that the glycolytic pathway was essential for antipseudomonal effects and that inhibitory commensals mediate inhibitory effects by lowering the pH of their growth media < 5.0 and producing acetate > 0.2 mg/ml. Acetate was demonstrated to mediate significant immunomodulatory effects against PA01- and LPS-induced inflammatory response in BEAS-2B and PCLS. In conclusion, selected commensal bacteria induce protective effects in the CF airway by producing acetate, which mediates antipseudomonal and immmunomodulatory activities both directly by diffusing across bacterial and host cells to mediate direct effects as well as indirectly by stimulating host cells to clear bacteria efficiently and control inflammation. Given that the use of whole bacteria as probiotics in immunocompromised patients like in CF possesses several challenges, the use of bacterial metabolites like acetate presents a safer, easier, and more practical alternative.:List of Abbreviations (i) Table of Contents (iv) 1. SUMMARY (1) 1.1 Zusammenfassung (1) 1.2 ABSTRACT (3) 2. INTRODUCTION (5) 2.1 Cystic fibrosis (5) 2.2 Development of the CF lung pathology (6) 2.3 The immune response (8) 2.3.1 Innate and adaptive immunity (8) 2.3.2 Toll-like receptors (TLRs) (9) 2.4 Inflammation in CF (11) 2.4.1 Neutrophils in CF (11) 2.4.2 Macrophages in CF (12) 2.4.3 Eicosanoid metabolites in CF (12) 2.4.4 Chemokines in CF (12) 2.5 Airway sampling for microbiome studies (13) 2.6 CF airway microbiome (14) 2.6.1 The healthy lung microbiome (14) 2.6.2 Pathogenic bacterial members of the CF microbiome and pulmonary exacerbations (15) 2.6.3 Pseudomonas aeruginosa in CF (16) 2.6.4 Anaerobic CF microbiota (17) 2.6.5 Fungal CF microbiota (17) 2.6.6 Virus CF microbiota (18) 2.6.7 Commensal-pathogen interactions in CF (18) 2.7 CFTR modulators (18) 2.8 Human epithelial cell lines and murine precision-cut lung slices (PCLS) as in vitro model systems (19) 2.9 Next-generation sequencing (NGS) in CF microbiome studies (20) 2.10 Objectives of this study (21) 3. MATERIALS AND METHODS (23) 3.1 Materials (23) 3.1.1 Devices and Instruments (23) 3.1.2 Software (24) 3.1.3 Consumables (25) 3.1.4 Chemicals, Reagents, Media, and Antibiotics (26) 3.1.5 Kits (29) 3.1.6 Buffers, Media, and Solutions (30) 3.1.7 qPCR Primers (32) 3.1.8 Cell lines (33) 3.1.9 Mouse strains (33) 3.1.10 Bacteria isolates (34) 3.2 Methods (37) 3.2.1 Isolation, identification, and storage of isolates (37) 3.2.2 Pathogens-Commensals direct cocultures (38) 3.2.3 HPLC of conditioned media from bacterial isolates (40) 3.2.4 Cell-Pathogen-Commensal cocultures (41) 3.2.5 PCLS cocultures (42) 3.2.6 RNA extraction, cDNA preparation, and quantitative RT-PCR (43) 3.2.7 RNA Sequencing and Transcriptome analysis (45) 3.2.8 Bacteria DNA extraction and Whole Genome Sequencing (46) 3.2.9 Biochemistry (47) 3.2.10 Statistical analyses (49) 4. RESULTS (50) 4.1 Analysis of direct commensal-pathogen interactions (50) 4.1.1 Several streptococcal isolates inhibit the growth of P. aeruginosa with inter- and intra-species variability in the antipseudomonal effect (51) 4.1.2 Further commensal isolates that do not inhibit the growth of P. aeruginosa (54) 4.1.3 The lack of antipseudomonal effect by noninhibitory isolates is not due to insufficient cell numbers (54) 4.1.4 Fungal CF isolates in this study do not possess antipseudomonal effects (56) 4.1.5 SCAPEs (Selected Commensals with strong Anti-Pseudomonal Effects) also inhibit other P. aeruginosa strains (58) 4.1.6 SCAPEs inhibit other non-pseudomonal pathogenic CF isolates (60) 4.1.7 Inhibitory effects mediated by SCAPEs do not extend to the fungal CF isolates in this study (63) 4.2 Analysis of commensal-host-pathogen interactions using human bronchial epithelial cell lines (63) 4.2.1 Some commensal isolates are able to modulate PA01-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (64) 4.2.2 Commensal-mediated IL-8 modulation in BEAS-2B cells is not due to PA01 growth inhibition (67) 4.2.3 Selected commensal isolates also modulate LPS-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (68) 4.2.4 Selected S. mitis isolates also modulate IL-8 release in BEAS-2B cells induced by other CF P. aeruginosa isolates (68) 4.2.5 Selected commensal isolates modulate PA01-induced IL-8 release in CFBE41o cells (70) 4.2.6 Protective commensals need to be metabolically active to exert immunomodulatory effects (72) 4.2.7 Hydrogen peroxide produced by peroxide-producing Streptococcus spp. affects the viability of human bronchial epithelial cells (72) 4.2.8 Selected peroxide-producing Streptococcus spp. possess immunomodulatory activity when peroxide-induced cell death is prevented (75) 4.3 Analysis of commensal-host-pathogen interactions using mouse PCLS (80) 4.3.1 PCLS is more resilient against peroxide-induced loss of viability (80) 4.3.2 Selected S. mitis isolates modulate PA01-induced inflammatory response in mouse PCLS (82) 4.3.3 Immunomodulation of PA01-induced response by SM4 in PCLS is not due to active PA01 growth inhibition (84) 4.4 Analysis of the underlying mechanisms behind the streptococcal-mediated effects via transcriptome and whole genome sequencing (84) 4.4.1 Transcriptomic analyses show that SM4 downregulates signalling pathways involved in PA01-induced inflammatory responses in mouse PCLS (84) 4.4.2 Whole genome sequence comparison shows that in inhibitory commensals, most of their genes are involved in carbohydrate transport and metabolism (87) 4.5 Uncovering the mechanisms behind the observed streptococcal-mediated antipseudomonal effects (89) 4.5.1 Conditioned medium (CM) from SCAPEs inhibits the growth of P. aeruginosa and other typical CF pathogens (89) 4.5.2 Inhibitory activity of SCAPEs CM is neither heat sensitive nor proteinaceous (91) 4.5.3 Iron competition and the arginolytic pathway are not responsible for the observed inhibitory effects (91) 4.5.4 Peroxide production may contribute but does not play a major role in the antipseudomonal effects (94) 4.5.5 Several members of Streptococcus spp. mediate antipseudomonal effects via the glycolytic pathway (94) 4.5.6 Low pH plays a major role in the observed inhibition (97) 4.5.7 SCAPEs and other selected commensal isolates can mediate antipseudomonal effects by simultaneously lowering the pH and secreting acetate (98) 4.5.8 Extracellular addition of 0.5 mg/ml acetate at pH 5.0 inhibits the growth of P. aeruginosa (100) 4.5.9 Other SCFAs like propionate and butyrate at pH 5.0 also inhibit P. aeruginosa isolates (102) 4.5.10 Acetate has better antipseudomonal activity than propionate and butyrate (103) 4.6 Commensals may mediate their protective effects via acetate production (104) 4.6.1 SCFAs modulate PA01- and LPS-induced IL-8 release in BEAS-2B cells (104) 4.6.2 SCFA levels used are well below cell toxicity levels (105) 4.6.3 Acetate modulates PA01 and LPS-induced immune response in mouse PCLS (107) 5. DISCUSSION (110) 5.1 SCAPEs mediate inhibitory effects in direct commensal-pathogen interactions against P. aeruginosa and other typical CF pathogens (110) 5.1.1 Members of Streptococcus spp. mediate inter- and intra-species variability in their antipseudomonal effects (111) 5.1.2 SCAPEs inhibit other clinical and nonclinical P. aeruginosa strains as well as other typical CF pathogens (113) 5.2 Selected commensals modulate PA01- and LPS-induced inflammatory response in human airway epithelial cells and mouse PCLS (115) 5.2.1 The gram-positive commensal isolates in this study do not significantly stimulate inflammatory response in human bronchial epithelial cells and mouse PCLS (115) 5.2.2 Selected gram-positive commensal isolates modulate P. aeruginosa-triggered inflammatory response in BEAS-2B cells with inter- and intra-species variation (117) 5.2.3 Selected commensal isolates modulate P. aeruginosa-triggered inflammatory response in CFBE41o ΔF508 (120) 5.2.4 Selected S. mitis isolates modulate P. aeruginosa-induced inflammatory response in mouse PCLS (121) 5.3 Commensals exert protective effects against P. aeruginosa infection via acetate production (124) 5.3.1 Conditioned medium (CM) from selected commensal isolates need to be acidic to mediate inhibition of growth of P. aeruginosa and other typical CF pathogens (125) 5.3.2 The glycolytic pathway is important for streptococcal-mediated antipseudomonal effects (127) 5.3.3 Commensal bacteria mediate growth inhibitory effects by simultaneously lowering the pH and producing acetate (128) 5.3.4 Acetate modulates PA01- and LPS-induced inflammation in bronchial epithelial cells and PCLS (131) 5.4 Conclusions and Outlook (134) 6. DECLARATIONS (158) 6.1 Statement of Authorship (158) 6.2 Declaration of compliance (160) 7. Acknowledgements (161)

Einleitung: Euterinfektionen sowohl mit kuh-, vor allem mit umweltassoziierten Streptokokken nehmen bei Milchkuhherden eine dominierende Rolle ein. Ziel der Untersuchungen: Die Beziehungen zwischen der Innerherdenprävalenz (IHP) von subklinischen Mastitiden mit Streptokokken zur Haltungshygiene und zur Melkhygiene wurden erfasst. Dabei standen laktierende Kühe mit Nachweis von äskulinpositiven Streptokokken und Streptococcus agalactiae in Viertelanfangs-gemelksproben im Mittelpunkt. Tiere, Material und Methoden: Von September 2009 bis Dezember 2010 fanden in 34 Thüringer Milchviehherden zweimalig im Abstand von etwa 100 Tagen bakteriologische Untersuchungen der Viertelanfangsgemelke von allen zu diesem Zeitpunkt laktierenden und klinisch eutergesund erscheinenden Kühen statt. Der Medianwert der Herdengröße der laktierenden Kühe betrug 246. Die bakteriologischen Untersuchungen von 81.567 Viertelanfangsgemelken erfolgten entsprechend den Leitlinien der Deutschen Veterinärmedizinischen Gesellschaft durch das Labor des Tiergesundheitsdienstes der Thüringer Tierseuchenkasse. Während des ersten Bestandsbesuchs wurden die Haltungsbedingungen sowie die Melktechnik und die Melkhygiene im Betrieb mittels eines dreiteiligen, strukturierten Fragebogens erfasst. Die Bewertung der Merkmale erfolgte durch die Einteilung in zwei oder drei vorgegebene Kategorien. Mittels multivariabler Varianzanalyse wurde anschließend geprüft, ob eine Beziehung zwischen der IHP intramammärer Infektionen mit Streptococcus agalactiae bzw. äskulinpositiven Streptokokken und dem jeweiligen Risikofaktor besteht. Ergebnisse: Infektionen mit äskulinpositiven Streptokokken traten in allen Herden auf, während Galtstreptokokken in nur sieben der 34 Herden nachgewiesen werden konnten. Der Median der IHP der Infektionen mit äskulinpositiven Streptokokken lag zur Untersuchung 1 bei 8,5 %, zur Untersuchung 2 bei 4,6 %, für Infektionen mit Streptococcus agalactiae bei 4,9 % bzw. 3,1 %. Signifikante Beziehungen zur IHP von subklinischen Mastitiden mit äskulinpositiven Streptokokken oder Streptococcus agalactiae finden sich für die Sauberkeit der Liegeflächen im Bereich der Trockensteher und der kalbenden Kühe, für die Art der Laufflächen im Bereich der Trockensteher und der milchliefernden Kühe und für die regelmäßige Nutzung der Handwaschgelegenheiten durch das Melkpersonal. Für Galt-Nachweise zeigten sich signifikante Beziehungen und niedrige IHP im Zusammenhang mit der Verwendung einer Rohrmelkanlage für die Frischmelker, guter Sauberkeit der Euter der zum Melken kommenden Kühe und der Verwendung einer Tauchdesinfektion als Melkzeugzwischendesinfektion. Für subklinische Mastitiden mit äskulinpositiven Streptokokken gilt dies für Herden, in denen die Kühe der Leistungsherde mit kaum verschmutzten Eutern zum Melken kommen und stark verschmutzte Euter in der Leistungsherde vor dem Melken intensiv gereinigt werden. Schlussfolgerungen: Die Häufigkeit der Infektionen mit äskulinpositiven Streptokokken steht mit der Sauberkeit der Euter in Beziehung. Das Bereitstellen von sauberen und trockenen Liegeflächen und Laufgängen für alle Kühe in der Herde, auch für die trockenstehenden Tiere, trägt zu einer Senkung der IHP intramammärer Infektionen mit umweltassoziierten Streptokokken bei. Dabei geht es um die Vermeidung von Verschmutzungen der Euter. Weiterhin stellen das Melken der frischmelkenden Kühe in einem separaten Melkstand und die Melkzeugzwischendesinfektion durch Tauchen geeignete Maßnahmen zur Unterbindung der Erregerverbreitung von Euterinfektionen mit Streptococcus agalactiae dar.

Im Rahmen der Untersuchung wurde bei 27 Patienten, die klinische Zeichen der Karies, aber keine pulpitischen Symptome zeigten, kariöses Dentin mit Hilfe eines sterilen Exkavators entnommen. Das durchschnittliche Alter der Patienten beträgt 41 Jahre und der Durchschnittswert des DMF-T-Index 12,5. Die Untersuchungsgruppe bestand zu 55,5 % aus männlichen Probanden sowie zu 44 % aus Rauchern. Nach Isolierung von 107 Reinkulturen aus den Patientenproben erfolgte die Identifizierung der oralen Streptokokken mittels eines mikrobiologischen Standardtests (RapidID-32Strep der Firma BioMérieux) und MALDI-TOF-MS-Analyse. Parallel wurden speziesspezifische PCRs der Dentinproben für S. sanguinis, S. constellatus, S. intermedius, S. anginosus, S. mutans, S. salivarius, S. oralis, S. mitis, S. gordonii und S. parasanguinis durchgeführt. Mittels MALDI-TOF-MS-Analyse konnten insgesamt sechs verschiedene Spezies oraler Streptokokken in den Dentinproben nachgewiesen werden. Am häufigsten kamen Vertreter der Mitis-Gruppe vor (in 89 % der Dentinproben), gefolgt von S. gordonii und S. sanguinis (zu 52 % und 26 % vertreten). Die MALDI-TOF-MS-Methode erwies sich als geeignetere der mit Kultivierung verbundenen Nachweismethoden. Ihre Ergebnisse wurden durch selektive PCRs einzelner Subkulturen und DNA-Sequenzierung bestätigt. Mittels der speziesspezifischen PCRs der Dentinspäne wurden zehn verschiedene Spezies oraler Streptokokken identifiziert. Vertreter der Mutans-Gruppe wurden so zu durchschnittlich 44 %, S. salivarius zu 37 % nachgewiesen. Es zeigte sich ein signifikantes Vorkommen von S. anginosus in Proben, die ebenfalls S. mutans enthielten (p= 0,00213). Alle drei Verfahren sind zur Untersuchung klinischer Proben geeignet, wobei die MALDI-TOF-MS-Analyse die genaueste Differenzierung auf Speziesebene ermöglicht. Die Non-Mutans-Streptokokken S. oralis, S. gordonii und S. anginosus scheinen die Mikroflora von kariösem Dentin zu dominieren. Sie übertrafen in der vorliegenden Arbeit in ihrem Vorkommen S. mutans in mehr als der Hälfte der untersuchten Proben. Diese Beobachtung stützt die erweiterte ökologische Plaquehypothese.

Einleitung: Euterinfektionen sowohl mit kuh-, vor allem mit umweltassoziierten Streptokokken nehmen bei Milchkuhherden eine dominierende Rolle ein. Ziel der Untersuchungen: Die Beziehungen zwischen der Innerherdenprävalenz (IHP) von subklinischen Mastitiden mit Streptokokken zur Haltungshygiene und zur Melkhygiene wurden erfasst. Dabei standen laktierende Kühe mit Nachweis von äskulinpositiven Streptokokken und Streptococcus agalactiae in Viertelanfangs-gemelksproben im Mittelpunkt. Tiere, Material und Methoden: Von September 2009 bis Dezember 2010 fanden in 34 Thüringer Milchviehherden zweimalig im Abstand von etwa 100 Tagen bakteriologische Untersuchungen der Viertelanfangsgemelke von allen zu diesem Zeitpunkt laktierenden und klinisch eutergesund erscheinenden Kühen statt. Der Medianwert der Herdengröße der laktierenden Kühe betrug 246. Die bakteriologischen Untersuchungen von 81.567 Viertelanfangsgemelken erfolgten entsprechend den Leitlinien der Deutschen Veterinärmedizinischen Gesellschaft durch das Labor des Tiergesundheitsdienstes der Thüringer Tierseuchenkasse. Während des ersten Bestandsbesuchs wurden die Haltungsbedingungen sowie die Melktechnik und die Melkhygiene im Betrieb mittels eines dreiteiligen, strukturierten Fragebogens erfasst. Die Bewertung der Merkmale erfolgte durch die Einteilung in zwei oder drei vorgegebene Kategorien. Mittels multivariabler Varianzanalyse wurde anschließend geprüft, ob eine Beziehung zwischen der IHP intramammärer Infektionen mit Streptococcus agalactiae bzw. äskulinpositiven Streptokokken und dem jeweiligen Risikofaktor besteht. Ergebnisse: Infektionen mit äskulinpositiven Streptokokken traten in allen Herden auf, während Galtstreptokokken in nur sieben der 34 Herden nachgewiesen werden konnten. Der Median der IHP der Infektionen mit äskulinpositiven Streptokokken lag zur Untersuchung 1 bei 8,5 %, zur Untersuchung 2 bei 4,6 %, für Infektionen mit Streptococcus agalactiae bei 4,9 % bzw. 3,1 %. Signifikante Beziehungen zur IHP von subklinischen Mastitiden mit äskulinpositiven Streptokokken oder Streptococcus agalactiae finden sich für die Sauberkeit der Liegeflächen im Bereich der Trockensteher und der kalbenden Kühe, für die Art der Laufflächen im Bereich der Trockensteher und der milchliefernden Kühe und für die regelmäßige Nutzung der Handwaschgelegenheiten durch das Melkpersonal. Für Galt-Nachweise zeigten sich signifikante Beziehungen und niedrige IHP im Zusammenhang mit der Verwendung einer Rohrmelkanlage für die Frischmelker, guter Sauberkeit der Euter der zum Melken kommenden Kühe und der Verwendung einer Tauchdesinfektion als Melkzeugzwischendesinfektion. Für subklinische Mastitiden mit äskulinpositiven Streptokokken gilt dies für Herden, in denen die Kühe der Leistungsherde mit kaum verschmutzten Eutern zum Melken kommen und stark verschmutzte Euter in der Leistungsherde vor dem Melken intensiv gereinigt werden. Schlussfolgerungen: Die Häufigkeit der Infektionen mit äskulinpositiven Streptokokken steht mit der Sauberkeit der Euter in Beziehung. Das Bereitstellen von sauberen und trockenen Liegeflächen und Laufgängen für alle Kühe in der Herde, auch für die trockenstehenden Tiere, trägt zu einer Senkung der IHP intramammärer Infektionen mit umweltassoziierten Streptokokken bei. Dabei geht es um die Vermeidung von Verschmutzungen der Euter. Weiterhin stellen das Melken der frischmelkenden Kühe in einem separaten Melkstand und die Melkzeugzwischendesinfektion durch Tauchen geeignete Maßnahmen zur Unterbindung der Erregerverbreitung von Euterinfektionen mit Streptococcus agalactiae dar.

Obwohl seit der Einführung des Penicillins ein wirksames Medikament gegen Streptokokken der Lancefield Gruppe A (GAS) existiert, bei welchem bislang keine Resistenzen beschrieben wurden, bleiben GAS-Infektionen auch heute noch ein großes gesundheitspolitisches Problem, das sowohl die Morbidität als auch die Mortalität der Menschen weltweit beeinflusst. GAS können ein breites Spektrum an Erkrankungen beim Menschen verursachen. Dazu zählen nicht nur unkomplizierte Racheninfektionen mit und ohne Scharlach oder Hautinfektionen wie Erysipel oder Impetigo, sondern auch invasive sowie Folgeerkrankungen. 1928 wurde als Typ-spezifische, Antikörperbildung-induzierende Substanz das M-Protein beschrieben, welches durch das emm-Gen kodiert und seither zur Beschreibung der Epidemiologie von GAS verwendet wird. Eine der Hauptfunktionen des auf der Oberfläche von GAS verankerten M-Proteins besteht darin, die Phagozytose durch polymorphkernige Leukozyten zu verhindern, was zu den wichtigsten Abwehrmechanismen von Infektionen mit GAS gezählt wird. Obwohl seit einigen Jahrzehnten große Anstrengungen unternommen wurden, bleibt ein sicherer und effektiver Impfstoff bisher ein unerreichtes Ziel. In der hier vorliegenden Studie wurde, anhand der über den Zeitraum vom 11.03.2006 bis 19.05.2012 am Universitätsklinikum Freiburg gesammelten Daten und Isolaten, die regionale Epidemiologie von Infektionen pädiatrischer Patienten durch GAS retrospektiv untersucht. Mit insgesamt 566 Isolaten und zugehörigen klinischen Daten stellt diese Studie die bisher größte unizentrische epidemiologische Untersuchung von pädiatrischen Erkrankungen mit emm-Typisierung von GAS in Deutschland dar. Dabei wurde besonders auf Zusammenhänge zwischen den molekularepidemiologischen Daten, basierend auf der emm-Typisierung, und den anonymisierten klinischen Informationen eingegangen. In die Kohorte konnten insgesamt 566 Fälle eingeschlossen werden. Bei 405 Fällen wurde eine Racheninfektion festgestellt, wovon bei wiederum 75 Fällen zusätzlich die Diagnose Scharlach gestellt wurde, 34 Kinder stellten sich mit einer Hautinfektion vor, 21 mit einer akuten Otitis media, 19 mit einer anogenitalen Infektion, acht mit einer invasiven Infektion und zwei mit einer Harnwegsinfektion. Als Kolonisation durch GAS ohne Krankheitswert wurden 77 Fälle gewertet, davon 48 mit pharyngealer Kolonisation. In der molekularepidemiologischen Untersuchung konnten drei neue emm-subtypen entdeckt werden, welche als emm29.13, emm36.7 sowie emm75.5 erstbeschrieben und deren Sequenzen in der Datenbank des CDC hinterlegt wurden. Über die gesamte Kohorte hinweg wurde Typ emm12 bei 19% aller Fälle gefunden und lag somit am häufigsten vor, gefolgt von emm1 und emm4 mit je 14% sowie emm28 und emm89 mit je 11%. Bei Betrachtung der emm-Cluster zeigte sich E4 mit 31% am häufigsten, danach folgten Cluster A-C4 mit 19%, A-C3 und E1 mit jeweils 14%. Unter den 405 Fällen mit GAS-Tonsillopharyngitis lag emm12 mit knapp 20% am häufigsten vor, gefolgt von emm4 mit 15%, emm1 mit 14%, emm89 mit 13% und emm28 sowie emm3 mit je 9%. Hinsichtlich der Cluster wurde E4 dort mit knapp 30% am häufigsten festgestellt, gefolgt von A-C4 mit 20%, E1 mit 15%und A-C3 mit 14%. In der vorliegenden Studie konnte gezeigt werden, dass sich die emm-Typ- sowie die emm-Cluster-Epidemiologie in Abhängigkeit von der klinischen Manifestation unterscheidet. Auch wenn sich die Verteilungen grundsätzlich ähnelten, traten emm4 bzw. die Cluster A-C5 und E1 bei Patienten mit Tonsillopharyngitis mit Scharlach auch nach Bonferroni-Korrektur signifikant häufiger auf als bei solchen mit Tonsillopharyngitis ohne Scharlach. Erste Hinweise hierfür wurden im Rahmen dieser Arbeit in einer Vorabauswertung zu dieser Kohorte 2013 erstmals beschrieben und durch Ergebnisse folgender, internationaler Studien gestützt. Bei anogenitalen Infektionen wurde in knapp 80% der Fälle Cluster E4 und in 58% emm28 festgestellt, so-dass hier ein deutlich eingeengtes Erregerspektrum vorlag. Verglichen zu allen Fällen mit Tonsillopharyngitis wurden bei anogenitaler Infektion Typ emm28 und Cluster E4 signifikant häufiger isoliert. Für Hautinfektionen konnte kein signifikanter Unterschied der emm-Typ-Verteilung im Vergleich zu Racheninfektionen insgesamt gefunden werden. Es zeigte sich jedoch Cluster E4 signifikant häufiger bei Patienten mit einer Hautinfektion als bei solchen mit Scharlach. Insgesamt zeigte sich im konkreten Vergleich zu einer französischen Studie eine weitgehende Übereinstimmung hinsichtlich der Epidemiologie der emm-Typen und -Cluster, jedoch auch einzelne Differenzen. Diese Unterschiede waren signifikant für emm6 und emm22, ebenso wie für Cluster M6. Weiterhin bestätigte unter anderen die Studie von d´Humieres et al. die Häufung von emm4 bei Scharlach-Patienten, was die Aussage der vorgelegten Ergebnisse unter-streicht. Weiterhin wurde zur Untersuchung der longitudinalen Entwicklung der emm-Typen und emm-Cluster die Verteilung des Zeitraumes vom 01.04.2006 und 31.03.2007 mit dem vom 01.05.2011 bis 30.04.2012 verglichen. Zumindest für den vergleichsweise kurzen zeitlichen Abstand konnten nach Adjustierung keine signifikanten Veränderungen der Epidemiologie hinsichtlich einzelner emm-Typen bzw. -Cluster beobachtet werden. In bisherigen Studien wurde die Pathogenität eines Stammes meist anhand des klinischen Erscheinungsbildes bestimmt. In dieser Studie wurde weiterführend untersucht, inwiefern sich einzelne emm-Typen bzw. emm-Cluster auch in quantitativ messbaren Parametern wie u.a. dem C-reaktiven Protein (CRP) sowie der Leukozytenzahl im Blut unterscheiden. Bei Patienten mit Tonsillopharyngitis zeigte sich lediglich Cluster E4 signifikant häufiger mit einem CRP-Wert über 35 mg/l assoziiert. Für die Leukozytenzahl war ein solcher Zusammenhang dagegen nicht nachweisbar. Da die verwendeten Analysen jedoch Störfaktoren unterlagen und ein Kausalzusammenhang zwischen der Pathogenität des Erregers und der Auslenkung der ge-nannten Parameter im Rahmen des Studiendesigns nicht bewiesen werden konnte, lassen diese Ergebnisse keine abschließende Beurteilung zu. Der bereits entwickelte 30-valente Impfstoff zeigte anhand der enthaltenen M-Antigene eine gute Übereinstimmung mit den in dieser Studie gefundenen emm-Typen. Dabei waren die Antigene von 19 der 25 in dieser Studie registrierten emm-Typen in dem Impfstoff enthalten, was jedoch unter Berücksichtigung der Kreuzreaktivitäts-Hypothese für emm-Cluster zu einem Deckungsgrad von 99,8% aller untersuchten Fälle (565 von 566) führt. Insgesamt erwies sich der unizentrische Charakter der hier vorgelegten Studie in gewisser Hinsicht als Vorteil gegenüber multizentrischen Studien, da hierdurch zu bestimmten Fragen Informationen ohne den Einfluss regionaler Besonderheiten ausgewertet werden konnten. Inwiefern regionale Prävalenzen einzelner emm-Typen oder deren Pathogenitätspotential ent-scheidend für die Epidemiologie insbesondere invasiver Infektionen sind, kann anhand dieser Studie nicht abschließend beurteilt werden. Zur näheren Untersuchung dieses Sachverhaltes wären weiterführende Studien in größerem Maßstab notwendig. Zusammenfassend wurde mit dieser Arbeit eine umfassende epidemiologische Untersuchung anhand der molekularepidemiologischen Erregeranalyse unter Einschluss klinischer Aspekte an einer großen pädiatrischen Kohorte durchgeführt. Die gewonnenen Erkenntnisse leisten einen Beitrag zur Aufklärung der regionalen wie auch internationalen Epidemiologie von GAS und bieten wichtige Grundlagen sowie Ansätze für nachfolgende Untersuchungen, insbesondere für die Impfstoffentwicklung gegen GAS.:1 Einleitung 7 2 Theoretische Grundlagen 8 2.1 Epidemiologie 8 2.2 Taxonomie 10 2.3 Infektionspathologie 11 2.4 Aufbau des M-Proteins 14 2.5 Die Bedeutung des M-Proteins 16 2.6 emm-Genetik 18 2.7 Therapie und Prophylaxe 20 3 Ziele der Studie 22 4 Patienten, Material und Methoden 23 4.1 Mikrobiologische Isolate und klinische Daten 23 4.1.1 „Klinische Krankheitsbilder“ 25 4.1.2 Modifizierter Centor-Score 26 4.1.3 Grunderkrankungen 27 4.1.4 Paraklinik 27 4.2 Geräte und Materialien 29 4.2.1 Geräte und Hilfsmittel 29 4.2.2 Verbrauchsmaterialien 30 4.2.3 Molekulare Diagnostiksysteme 31 4.2.4 Primer für PCR und Sequenzierung 31 4.2.5 Medien und Lösungen 31 4.3 Mikrobiologische Methoden 32 4.3.1 Mikrobiologische Proben 32 4.3.2 Kultur von GAS 32 4.3.3 Latex-Agglutinationstest auf Gruppe A Antigen 33 4.3.4 Kryokonservierung der Isolate 34 4.4 Molekulargenetische Methoden 35 4.4.1 DNA-Isolierung 35 4.4.2 Photometrische Bestimmung der DNS-Konzentration und Einstellung 36 4.4.3 Polymerase-Kettenreaktion (PCR) 37 4.4.4 Agarose-Gelelektrophorese 37 4.4.5 DNA Sequenzierung 39 4.4.6 Sequenz-basierte Typisierung 41 4.5 Statistische Auswertung 42 5 Ergebnisse 43 5.1 Ausgewertete mikrobiologische Proben und retrospektive Daten 43 5.2 Analyse der Kohorte 45 5.2.1 Analyse der Altersverteilung 45 5.2.2 Analyse der Geschlechtsverteilung 48 5.2.3 Analyse der saisonalen Verteilung 49 5.2.4 Analyse der klinischen Symptome 51 5.2.5 Analyse von Vorerkrankungen und Versorgungsform 55 5.3 Laborbefunde 58 5.3.1 Analyse der semiquantitativen Wachstumsdichte der Abstrich-Kulturen 58 5.3.2 Blutparameter: C-Reaktives Protein (CRP) 59 5.3.3 Blutparameter: Leukozytenzahl 59 5.4 Molekulare Epidemiologie des emm-Typs 60 5.5 Erstbeschreibung neuer emm-Subtypen 60 5.6 emm-Typ- bzw. Cluster-Verteilung und klinische Manifestation 61 5.6.1 emm-Verteilung bei Tonsillopharyngitis 61 5.6.2 emm-Verteilung bei akuter Otitis media (AOM) 63 5.6.3 emm-Verteilung bei Hautinfektionen 64 5.6.4 emm-Verteilung bei anogenitalen Infektionen 65 5.6.5 emm-Verteilung bei invasiven Infektionen 68 5.6.6 emm-Verteilung bei asymptomatischer Rachen-Kolonisierung 68 5.7 Analyse der Altersverteilung für emm-Typen und -Cluster 70 5.8 Infektionsparameter und Korrelation zur molekularen Epidemiologie 71 5.8.1 Temperatur: 71 5.8.2 CRP: 72 5.8.3 Leukozytenzahl: 73 5.9 Patienten mit wiederholten Vorstellungen 73 5.9.1 Antibiotische Therapie 75 5.10 Resistenzlage 76 5.11 Analyse der molekularen Epidemiologie über der Zeit 78 6 Diskussion 80 6.1 Vorbemerkung 80 6.2 Kohorte 81 6.2.1 Alter 81 6.2.2 Geschlecht 82 6.2.3 Jahreszeit 82 6.2.4 Vorerkrankungen 83 6.2.5 Klinische Symptome 84 6.2.6 Diagnostischer Wert der semiquantitativen Wachstumsdichte 85 6.2.7 Rezidive 85 6.3 emm-Typ und –Cluster-Epidemiologie 86 6.3.1 emm-Typen und -Cluster bei Tonsillopharyngitis 86 6.3.2 emm-Typen und –Cluster bei Anogenitalinfektionen 86 6.3.3 emm-Typen und -Cluster bei invasiven Infektionen 87 6.3.4 emm-Typ und -Cluster-Epidemiologie im Vergleich zu anderen Studien 87 6.3.5 Longitudinale Betrachtung der emm-Typ-Epidemiologie 91 6.3.6 Vergleich der emm-Typen und Cluster-hinsichtlich des Alters der Patienten 92 6.3.7 emm-Typen und -Cluster hinsichtlich Infektionsparametern 92 6.3.8 Deckungsgrad mit 30-valentem M-Protein-basiertem GAS-Impfstoff 95 6.3.9 emm-Typ / -Cluster – Antibiotika-Resistenz 96 6.4 Ausblick 97 7 Zusammenfassung 98 8 Summary 101 9 Anhang 104 10 Abbildungsverzeichnis 112 11 Tabellenverzeichnis 114 12 Abkürzungsverzeichnis 116 13 Literaturverzeichnis 118 14 Anlage 1 127 15 Anlage 2 129 16 Danksagung 131 / Although - since the introduction of penicillin - there has been an effective drug against strep-tococci of Lancefield Group A (GAS), in which no resistance has been described so far, GAS infections remain a major healthcare policy problem, which affects both morbidity and mortality of people worldwide. GAS can cause a wide range of disorders in humans. These include un-complicated pharyngeal infections with and without scarlet fever as well as skin infections such as erysipelas or impetigo but also invasive as well as secondary complications. In 1928, the M-protein encoded by the emm gene was described as a type-specific, antibody -inducing substance and has since been used to characterize the epidemiology of GAS. One of the main functions of the M protein, anchored on the surface of GAS, is to evade phagocytosis by polymorphonuclear leukocytes, which is one of the most important defense mechanisms against infections by GAS. Although major efforts have been made for several decades, a safe and effective vaccine remains an unreached goal. In this study, the regional epidemiology of infections of pediatric patients by GAS was retro-spectively investigated on the basis of data and isolates collected from 11.03.2006 to 19.05.2012 at the University Medical Center in Freiburg. With a total of 566 isolates and asso-ciated clinical data, the present study provides the largest uni-centric epidemiological study of pediatric diseases with emm-typing of GAS so far in Germany. Particular attention was paid to associations between molecular epidemiology, based on emm-typing, and anonymized clinical data. The total cohort included 566 cases, thereof 405 cases of pharyngeal infection, 75 of which were additionally diagnosed with scarlet fever, 34 children presented with a skin infection, 21 with an acute otitis media, 19 with an anogenital infection, eight with an invasive infection and two with an urinary tract infection. In 77 cases colonization by GAS was estimated as having no clinical relevance of those 48 isolates were isolated from pharyngeal swabs. In the molecular investigation, three new emm subtypes were discovered which were first de-scribed as emm29.13, emm36.7 as well as emm75.5. These sequences were entered into the database of the CDC. Over the entire cohort, emm12 was found in 19% of all cases and was thus the most frequent, followed by emm1 and emm4, with 14% each, emm28 and emm89, with 11% each. When considering emm-clusters, E4 was the most frequent with 31%, followed by cluster A-C4 with 19%, A-C3 and E1 with 14%. Among the 405 cases with GAS-related pharyngeal infection, emm12 was the most common with almost 20%, followed by emm4 with 15%, emm1 with 14%, emm89 with 13% and emm28 as well as emm3 with 9% each. With respect to the clus-ters, E4 was found to be the most common with around 30%, followed by A-C4 with 20%, E1 with 15% and A-C3 with 14%. In the present study it was shown that emm-types as well as emm-clusters differed depending on the clinical manifestation. Although the distributions were basically similar, emm4 as well as clusters A-C5 and E1 were significantly more common in patients with tonsillopharyngitis and scarlet fever, even after Bonferroni correction, than those with tonsillopharyngitis but without the diagnosis of scarlet fever. These findings were first described in a preliminary evaluation of this cohort in 2013 and supported by the results of consecutively published international stud-ies. In anogenital infections, cluster E4 was found in almost 80% and emm28 in 58%, indicat-ing a clearly narrowed spectrum. Compared to cases with tonsillopharygitis, emm28 and clus-ter E4 were significantly more frequently isolated in anogenital infections. For skin infections no significant difference could be found in the emm-distribution compared to tonsillopharyngi-tis. However, cluster E4 was found to be significantly more common in patients with a skin infection than in those with scarlet fever. Overall, in a direct comparison to a French study, there was a wide agreement regarding the epidemiology of emm-types and -clusters, but also some differences. These differences were significant for emm6, emm22, as well as for cluster M6. Furthermore, among others, the study by d´Humieres et al. confirmed the accumulation of emm4 in scarlet fever patients, which un-derlines the statement of the presented results. Furthermore, in order to investigate the longitudinal development of emm-types and emm-clusters, the distribution in the period from 01.04.2006 to 31.03.2007 was compared to that from 01.05.2011 to 30.04.2012. At least for the comparatively short period, no significant changes in the epidemiology of individual emm-types or -clusters could have been observed after adjusting the p-values. In previous studies, the pathogenicity of a strain was determined by its association to the clini-cal picture. In addition, this study investigated the extent to which individual emm-types or emm-clusters also differed in quantitatively measurable parameters such as the C-reactive protein (CRP) and the leukocyte count in the blood. In cases of tonsillopharyngitis, cluster E4 was found significantly associated with a CRP value above 35 mg/l. For the leukocyte count such a difference was not detectable. However, since the values were subject to confounding factors, a causal link between pathogenicity of certain emm-types and the deflection of the mentioned parameters could not be proved within the framework of this study. Therefore, these results do not allow to draw final conclusions. The existing 30-valent M-protein based vaccine would show a good agreement with the corre-sponding emm-types of the cohort used here. The antigens of 19 of the 25 different emm-types registered in this study were included in the vaccination model, which corresponds to a vaccine coverage of 99.8% (565 of 566) of all strains examined here, if cross-reactivity of GAS strains within an emm-cluster was taken into consideration. Overall, the uni-centric character of the study presented here provided in certain aspects an advantage over multi-centric studies, as differences and similarities between different clinical pictures, excluding regional differences as well as comprehensive clinical information on the cases, could be emphasized. The extent to which regional prevalence of individual emm-types or their pathogenicity potential are decisive for the epidemiology of invasive infections could not be conclusively assessed by this study. For a closer look at this issue, further studies on a larger scale would be necessary. In summary, this work presents a comprehensive epidemiological investigation on molecular epidemiologic pathogen analysis including clinical aspects in a large pediatric cohort. The find-ings contribute to the elucidation of the regional an international epidemiology of GAS and pro-vide important basics as well as approaches for subsequent investigations, especially for vac-cine development against GAS.:1 Einleitung 7 2 Theoretische Grundlagen 8 2.1 Epidemiologie 8 2.2 Taxonomie 10 2.3 Infektionspathologie 11 2.4 Aufbau des M-Proteins 14 2.5 Die Bedeutung des M-Proteins 16 2.6 emm-Genetik 18 2.7 Therapie und Prophylaxe 20 3 Ziele der Studie 22 4 Patienten, Material und Methoden 23 4.1 Mikrobiologische Isolate und klinische Daten 23 4.1.1 „Klinische Krankheitsbilder“ 25 4.1.2 Modifizierter Centor-Score 26 4.1.3 Grunderkrankungen 27 4.1.4 Paraklinik 27 4.2 Geräte und Materialien 29 4.2.1 Geräte und Hilfsmittel 29 4.2.2 Verbrauchsmaterialien 30 4.2.3 Molekulare Diagnostiksysteme 31 4.2.4 Primer für PCR und Sequenzierung 31 4.2.5 Medien und Lösungen 31 4.3 Mikrobiologische Methoden 32 4.3.1 Mikrobiologische Proben 32 4.3.2 Kultur von GAS 32 4.3.3 Latex-Agglutinationstest auf Gruppe A Antigen 33 4.3.4 Kryokonservierung der Isolate 34 4.4 Molekulargenetische Methoden 35 4.4.1 DNA-Isolierung 35 4.4.2 Photometrische Bestimmung der DNS-Konzentration und Einstellung 36 4.4.3 Polymerase-Kettenreaktion (PCR) 37 4.4.4 Agarose-Gelelektrophorese 37 4.4.5 DNA Sequenzierung 39 4.4.6 Sequenz-basierte Typisierung 41 4.5 Statistische Auswertung 42 5 Ergebnisse 43 5.1 Ausgewertete mikrobiologische Proben und retrospektive Daten 43 5.2 Analyse der Kohorte 45 5.2.1 Analyse der Altersverteilung 45 5.2.2 Analyse der Geschlechtsverteilung 48 5.2.3 Analyse der saisonalen Verteilung 49 5.2.4 Analyse der klinischen Symptome 51 5.2.5 Analyse von Vorerkrankungen und Versorgungsform 55 5.3 Laborbefunde 58 5.3.1 Analyse der semiquantitativen Wachstumsdichte der Abstrich-Kulturen 58 5.3.2 Blutparameter: C-Reaktives Protein (CRP) 59 5.3.3 Blutparameter: Leukozytenzahl 59 5.4 Molekulare Epidemiologie des emm-Typs 60 5.5 Erstbeschreibung neuer emm-Subtypen 60 5.6 emm-Typ- bzw. Cluster-Verteilung und klinische Manifestation 61 5.6.1 emm-Verteilung bei Tonsillopharyngitis 61 5.6.2 emm-Verteilung bei akuter Otitis media (AOM) 63 5.6.3 emm-Verteilung bei Hautinfektionen 64 5.6.4 emm-Verteilung bei anogenitalen Infektionen 65 5.6.5 emm-Verteilung bei invasiven Infektionen 68 5.6.6 emm-Verteilung bei asymptomatischer Rachen-Kolonisierung 68 5.7 Analyse der Altersverteilung für emm-Typen und -Cluster 70 5.8 Infektionsparameter und Korrelation zur molekularen Epidemiologie 71 5.8.1 Temperatur: 71 5.8.2 CRP: 72 5.8.3 Leukozytenzahl: 73 5.9 Patienten mit wiederholten Vorstellungen 73 5.9.1 Antibiotische Therapie 75 5.10 Resistenzlage 76 5.11 Analyse der molekularen Epidemiologie über der Zeit 78 6 Diskussion 80 6.1 Vorbemerkung 80 6.2 Kohorte 81 6.2.1 Alter 81 6.2.2 Geschlecht 82 6.2.3 Jahreszeit 82 6.2.4 Vorerkrankungen 83 6.2.5 Klinische Symptome 84 6.2.6 Diagnostischer Wert der semiquantitativen Wachstumsdichte 85 6.2.7 Rezidive 85 6.3 emm-Typ und –Cluster-Epidemiologie 86 6.3.1 emm-Typen und -Cluster bei Tonsillopharyngitis 86 6.3.2 emm-Typen und –Cluster bei Anogenitalinfektionen 86 6.3.3 emm-Typen und -Cluster bei invasiven Infektionen 87 6.3.4 emm-Typ und -Cluster-Epidemiologie im Vergleich zu anderen Studien 87 6.3.5 Longitudinale Betrachtung der emm-Typ-Epidemiologie 91 6.3.6 Vergleich der emm-Typen und Cluster-hinsichtlich des Alters der Patienten 92 6.3.7 emm-Typen und -Cluster hinsichtlich Infektionsparametern 92 6.3.8 Deckungsgrad mit 30-valentem M-Protein-basiertem GAS-Impfstoff 95 6.3.9 emm-Typ / -Cluster – Antibiotika-Resistenz 96 6.4 Ausblick 97 7 Zusammenfassung 98 8 Summary 101 9 Anhang 104 10 Abbildungsverzeichnis 112 11 Tabellenverzeichnis 114 12 Abkürzungsverzeichnis 116 13 Literaturverzeichnis 118 14 Anlage 1 127 15 Anlage 2 129 16 Danksagung 131

Im Rahmen der Untersuchung wurde bei 27 Patienten, die klinische Zeichen der Karies, aber keine pulpitischen Symptome zeigten, kariöses Dentin mit Hilfe eines sterilen Exkavators entnommen. Das durchschnittliche Alter der Patienten beträgt 41 Jahre und der Durchschnittswert des DMF-T-Index 12,5. Die Untersuchungsgruppe bestand zu 55,5 % aus männlichen Probanden sowie zu 44 % aus Rauchern. Nach Isolierung von 107 Reinkulturen aus den Patientenproben erfolgte die Identifizierung der oralen Streptokokken mittels eines mikrobiologischen Standardtests (RapidID-32Strep der Firma BioMérieux) und MALDI-TOF-MS-Analyse. Parallel wurden speziesspezifische PCRs der Dentinproben für S. sanguinis, S. constellatus, S. intermedius, S. anginosus, S. mutans, S. salivarius, S. oralis, S. mitis, S. gordonii und S. parasanguinis durchgeführt. Mittels MALDI-TOF-MS-Analyse konnten insgesamt sechs verschiedene Spezies oraler Streptokokken in den Dentinproben nachgewiesen werden. Am häufigsten kamen Vertreter der Mitis-Gruppe vor (in 89 % der Dentinproben), gefolgt von S. gordonii und S. sanguinis (zu 52 % und 26 % vertreten). Die MALDI-TOF-MS-Methode erwies sich als geeignetere der mit Kultivierung verbundenen Nachweismethoden. Ihre Ergebnisse wurden durch selektive PCRs einzelner Subkulturen und DNA-Sequenzierung bestätigt. Mittels der speziesspezifischen PCRs der Dentinspäne wurden zehn verschiedene Spezies oraler Streptokokken identifiziert. Vertreter der Mutans-Gruppe wurden so zu durchschnittlich 44 %, S. salivarius zu 37 % nachgewiesen. Es zeigte sich ein signifikantes Vorkommen von S. anginosus in Proben, die ebenfalls S. mutans enthielten (p= 0,00213). Alle drei Verfahren sind zur Untersuchung klinischer Proben geeignet, wobei die MALDI-TOF-MS-Analyse die genaueste Differenzierung auf Speziesebene ermöglicht. Die Non-Mutans-Streptokokken S. oralis, S. gordonii und S. anginosus scheinen die Mikroflora von kariösem Dentin zu dominieren. Sie übertrafen in der vorliegenden Arbeit in ihrem Vorkommen S. mutans in mehr als der Hälfte der untersuchten Proben. Diese Beobachtung stützt die erweiterte ökologische Plaquehypothese.