Einleitung
Streptococcus (S.) suis ist weltweit in Schweinepopulationen verbreitet. S. suis verursacht hohe wirtschaftliche Verluste durch das Auftreten von Meningitis, Arthritis, Serositis und Endokarditis und stellt als Zoonoseerreger gleichzeitig ein Risiko für den Menschen dar. Im Zusammenhang mit Infektionen in europäischen Schweinebetrieben werden Serotyp 2, 7 und 9 am häufigsten nachgewiesen. Die Bakteriämie spielt eine Schlüsselrolle in der invasiven S. suis Erkrankung und die Interaktion der Streptokokken mit den Immunzellen des Wirts im Blut ist entscheidend für den Ausgang der Infektion.
Ziele der Untersuchung
Das Ziel der vorliegenden Arbeit, war die Untersuchung der Fähigkeit von porzinen Immunzellen S. suis durch Phagozytose und reaktive Sauerstoffspezies (ROS) zu töten. Dabei wurden vor allem die Bedeutung von IgM und des Komplementsystems beleuchtet. In diesem Sinne, wurde auch die Arbeitshypothese untersucht, dass eine Modifizierung der bakteriellen Zellwand durch D-Alanylierung von Lipoteichonsäuren (LTAs) S. suis hilft, angeborene Immunfunktionen zu umgehen, wie z. B. die Opsonisierung mit Komplementfaktoren, sowie dass diese Zellwandveränderung die Interaktion von S. suis mit Leukozyten beeinflusst.
Material und Methoden
Die Bestimmung von ROS und dem Überleben der Streptokokken wurde in vivo im Blut zweier mit S. suis-infizierter Ferkel und in vitro in einem rekonstituierten Blutmodel durchgeführt. Die ROS-Messung erfolgte unter Zugabe von Dihydrorhodamine 123 mittels Durchflusszytometrie in Granulozyten. Verschiedene Inhibitoren wurden dabei eingesetzt: Apocynin um die NADPH Oxidase und damit die ROS-Bildung zu hemmen, Vaccinia Virus Complement Control Protein (VCP) für die Inaktivierung der Komplementkaskade und IdeSsuis um porzines IgM zu spalten. Mithilfe eines thermosensitiven Vektors wurde eine isogene Deletionsmutante des dltA Gens erstellt, um den Einfluss der D-Alanylierung von LTAs zu untersuchen. Die Sequenzierung des entsprechenden Genabschnitts und ein Southern Blot dienten der genetischen Verifizierung der Mutante. Weiterhin wurden Wachstumsverhalten, Hydrophobie und Ladung der Oberfläche sowie minimale Hemmkonzentrationen einer Reihe antimikrobieller Peptide für die dltA Mutante untersucht. Die Assoziation von Blutleukozyten mit S. suis wurde mithilfe von Far Red markierten Bakterien in der Durchflusszytometrie bestimmt. Die Zytokin-Messung erfolgte mit kommerziell erhältlichen Enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA)-Kits.
Ergebnisse
S. suis Stämme der Serotypen 2, 7 und 9 zeigten sich hochsensibel gegenüber Wasserstoffperoxid. Eine Hemmung der Bildung von ROS in rekonstituierten Blutproben führte selbst in Anwesenheit einer hohen Konzentration von S. suis-spezifischen Antikörpern zu einem signifikanten Anstieg des bakteriellen Überlebens. Die Induktion von ROS durch S. suis in Granulozyten wurde durch spezifische Antikörper verstärkt und hing partiell von der Anwesenheit funktionellen Komplements ab. In der Abwesenheit von IgG reduzierte die Spaltung von IgM oder die Inaktivierung von Komplement die ROS Produktion um mehr als das Dreifache, was in einem Anstieg des bakteriellen Überlebens resultierte. Der Mechanismus von S. suis D-Alanin in seine LTAs einzulagern, erhöhte die Hydrophobie der bakteriellen Oberfläche und reduzierte die Opsonisierung mit Komplementfaktor C3b, sowie die Phagozytose durch Granulozyten in Vollblut und die Assoziation von S. suis mit Monozyten and Lymphozyten. Trotzdem wurde das Überleben der Streptokokken in Blut, welches S. suis-spezifische Antikörper enthielt, nicht signifikant durch diese Zellwandmodifikation gesteigert. Allerdings war der durch die dltA Mutante induzierte Gehalt an IL-1β im Blut signifikant geringer als der durch den Wildtyp induzierte. Hohe Antikörperspiegel verursachten einen hochsignifikanten Anstieg der Interaktion von S. suis mit Monozyten, was bei diesen zum inflammatorischen Zelltod mit einer starken Sekretion von IL-1β und TNF-α führte.
Schlussfolgerung
Trotz einer Vielzahl an Abwehrmechanismen von S. suis gegen oxidativen Stress, stellen Phagozytose und ROS einen sehr effektiven Mechanismus des Immunsystems dar, um die eingedrungenen Streptokokken zu töten. Die Induktion von ROS durch S. suis hängt dabei stark von der Anwesenheit spezifischer Antikörper und teilweise von aktivem Komplement ab. Die Fähigkeit von S. suis D-Alanin in seine LTAs einzulagern, verändert Eigenschaften der bakteriellen Zellwand und vermittelt dabei Schutz vor angeborenen Immunmechanismen, wie antimikrobiellen Peptiden und dem Komplementsystem, aber sie sorgt nicht für ein besseres Überleben der Streptokokken, in der Anwesenheit von spezifischen Immunglobulinen. Sie reduziert die Assoziation von S. suis mit Monozyten, was etwas in Diskrepanz zu einer 2000 postulierten modifizierten „Trojanisches Pferd“-Theorie steht. Die durch LTA D-Alanylierung gesteigerte IL 1β Sekretion im Vollblut, führt zu der Schlussfolgerung, dass S. suis durch diese Zellwandmodifikation Entzündungsprozesse im Wirt beeinflusst.:Contents
1 Introduction
2 Literature
2.1 Streptococcus suis
2.1.1 Characteristics and classification
2.1.2 Epidemiology and Pathology
2.1.3 Pathogenesis of S. suis infection
2.1.4 Cell wall modifications of S. suis
2.2 Selected aspects of the porcine blood immune system
2.2.1 Characteristics and components of porcine blood
2.2.2 Innate immunity
2.2.2.1 Cellular innate immunity in blood
2.2.2.2 Humoral innate immunity in blood
2.2.3 Adaptive immunity
2.2.3.1 Cellular adaptive immunity in blood
2.2.3.2 Humoral adaptive immunity in blood
2.3 Interaction of S. suis with the blood immune system
2.3.1 Immune evasion strategies against blood leukocytes
2.3.2 Complement evasion and S. suis cell wall modifications
3 Publications
3.1 Survival of Streptococcus suis in Porcine Blood Is Limited by the Antibody- and Complement-Dependent Oxidative Burst Response of Granulocytes
3.2 D-Alanylation of Lipoteichoic Acids in Streptococcus suis Reduces Association
with Leukocytes in Porcine Blood
4 Discussion
4.1 Phagocytosis and oxidative burst in porcine blood
4.2 Interaction of S. suis with blood monocytes and lymphocytes
4.3 Conclusion
5 Zusammenfassung
6 Summary
7 References
8 Appendix
8.1 Presentations given during the development of this thesis / Introduction
Streptococcus (S.) suis is a widespread pathobiont in the porcine population. It is reason for high economic losses in the swine industry by causing meningitis, arthritis, serositis, and endocarditis, but also poses a threat to human health as a zoonotic pathogen. Serotype 2, 7 and 9 play an important role in European disease cases on pig farms. Bacteremia is a hallmark of invasive S. suis infections and the interaction of the streptococci with blood immune cells is crucial for the outcome of infection.
Aim of the study
The objective of this thesis was to investigate the ability of porcine blood immune cells to kill S. suis by phagocytosis and oxidative burst and the importance of IgM and the complement system in the killing process. In this context, I investigated the working hypothesis that modifying its cell wall by D-alanylation of lipoteichoic acids (LTAs) aids S. suis to evade certain functions of innate immunity, like opsonization with complement components, and influences the interaction of S. suis with blood leukocytes.
Materials and Methods
The investigation of reactive oxygen species (ROS) and colony forming units (CFU) was performed in vivo in the blood of two S. suis-infected piglets and in vitro in a reconstituted blood model. ROS were measured by addition of dihydrorhodamine 123 and flow cytometry analysis of granulocytes. To analyze the influence of immunological components, different inhibitors were used: apocynin inhibits the NADPH oxidase and therefore the ROS production, vaccinia virus complement control protein (VCP) inhibits the complement cascade and IdeSsuis cleaves porcine IgM. To investigate the role of D-alanylation of S. suis-LTA an isogenic in-frame deletion mutant of the dltA gene, ΔdltA, was generated by using a thermosensitive shuttle vector. It was genetically verified by sequencing of the respective gene sequence and southern blotting. Phenotypical characterization included growth behavior, evaluation of surface hydrophobicity and electric charge and minimal inhibitory concentrations of a number of antimicrobial peptides. The association of blood leukocytes with S. suis was investigated by flow cytometry, using Far Red-labeled S. suis stocks. Cytokines were detected by commercially available Enzyme-linked immunosorbent assays (ELISA).
Results
S. suis strains of serotype 2, 7 and 9 were shown to be highly susceptible to oxidative burst intermediate hydrogen peroxide and inhibition of oxidative burst in reconstituted blood samples led to a significant increase of bacterial survival, even in the presence of high S. suis-specific antibody levels. The induction of ROS in granulocytes in response to S. suis was enhanced by specific antibodies and partially depended on the presence of functional complement. In the absence of IgG, IgM cleavage or complement inactivation both reduced the ROS production more than 3-fold and resulted in increased bacterial survival in accordance with an IgM-complement-oxidative burst axis. The mechanism of S. suis to introduce D-alanine into its LTAs increased the hydrophobicity of its surface, reduced opsonization with complement factor C3b, reduced phagocytosis by granulocytes in whole blood and association with monocytes and lymphocytes in isolated peripheral blood mononuclear cells. Nevertheless, in whole blood containing S. suis-specific antibodies, survival of the streptococci was not significantly increased by this cell wall modification, but levels of IL-1β induced by ΔdltA were significantly lower than those induced by the wt. High antibody levels caused a highly significant increase in the interaction of S. suis with monocytes in isolated PBMCs leading to an inflammatory cell death associated with the secretion of high levels of IL-1β and TNF-α.
Conclusion
Despite numerous described defense mechanisms of S. suis against oxidative stress, phagocytosis and ROS represent a very effective way of the porcine immune system to kill the invading streptococci. The induction of ROS by S. suis is highly dependent on the presence of specific antibodies and partially depends on active complement. The ability of S. suis to D-alanylate its LTAs changes surface properties of S. suis and provides protection from innate host defenses like antimicrobial peptides and the complement system, but does not help the bacteria to survive in the presence of specific immunoglobulins. It reduces the association with monocytes, in contradiction to a proposed “modified trojan horse theory”. The increased IL-1β production in response to S. suis, due to LTA D-alanylation, leads to the suggestion that this surface modification influences inflammatory processes is the host.:Contents
1 Introduction
2 Literature
2.1 Streptococcus suis
2.1.1 Characteristics and classification
2.1.2 Epidemiology and Pathology
2.1.3 Pathogenesis of S. suis infection
2.1.4 Cell wall modifications of S. suis
2.2 Selected aspects of the porcine blood immune system
2.2.1 Characteristics and components of porcine blood
2.2.2 Innate immunity
2.2.2.1 Cellular innate immunity in blood
2.2.2.2 Humoral innate immunity in blood
2.2.3 Adaptive immunity
2.2.3.1 Cellular adaptive immunity in blood
2.2.3.2 Humoral adaptive immunity in blood
2.3 Interaction of S. suis with the blood immune system
2.3.1 Immune evasion strategies against blood leukocytes
2.3.2 Complement evasion and S. suis cell wall modifications
3 Publications
3.1 Survival of Streptococcus suis in Porcine Blood Is Limited by the Antibody- and Complement-Dependent Oxidative Burst Response of Granulocytes
3.2 D-Alanylation of Lipoteichoic Acids in Streptococcus suis Reduces Association
with Leukocytes in Porcine Blood
4 Discussion
4.1 Phagocytosis and oxidative burst in porcine blood
4.2 Interaction of S. suis with blood monocytes and lymphocytes
4.3 Conclusion
5 Zusammenfassung
6 Summary
7 References
8 Appendix
8.1 Presentations given during the development of this thesis
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:85912 |
| Date | 09 June 2023 |
| Creators | Öhlmann, Sophie |
| Contributors | Universität Leipzig |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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