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Role of Staphylococcus aureus cytolysins in human pulmonary infection
Ekaterina Kabak
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Zentrum für Molekulare Biologie
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doctor of Philosophy-Doktoratsstudium NAWI Bereich Lebenswissenschaften (DissG: Molekulare Biologie)
Betreuer*in
Eszter Nagy
DOI
10.25365/thesis.71670
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-19694.80932.451588-3
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
S. aureus ist eine der berüchtigtsten Bakterienarten, die eine Reihe potenziell lebensbedrohlicher Krankheiten verursachen, darunter auch die beatmungsassoziierte Pneumonie (VAP), eine Komplikation der mechanischen Beatmung (MV). Meine Arbeit zielt darauf ab, ein besseres Verständnis von S. aureus VAP zu erlangen, indem ich wirts- und erregerassoziierte Faktoren untersuche, und besteht aus vier Projekten.
1. Durch die Erfassung klinischer und demografischer Daten von 250 auf der Intensivstation aufgenommenen und beatmeten Patienten in einem US-amerikanischen Krankenhaus haben wir die Epidemiologie der Kolonisierung und Infektion der Atemwege mit S. aureus untersucht. Die VAP wurde retrospektiv anhand klinischer Daten diagnostiziert. Mit Hilfe der Mikrobiologie des endotrachealen Aspirats (ETA) wurden der Status der Atemwegskolonisierung und der Erreger der VAP bestimmt. Wir stellten fest, dass S. aureus die häufigste kolonisierende und VAP-assoziierte Spezies war. Weitere signifikante Ergebnisse waren eine hohe Progressionsrate zu VAP bei Patienten mit starker Kolonisierung in der Luftröhre (semiquantitativ definiert) und eine Verzögerung von 4 Tagen zwischen dem ersten Nachweis einer Trachealkolonisierung und dem Auftreten von VAP-Symptomen. Diese Studie wurde 2019 in BMC Infectious Diseases veröffentlicht.
2. Porenbildende Toxine von S. aureus (α-Hämolysin oder Hla, und 5 Leukozidine) sind an der Pathogenese menschlicher Lungeninfektionen beteiligt. Mit eigenentwickelten ELISA- und zellbasierten Neutralisationstests untersuchten wir die Serumproben der im ersten Projekt rekrutierten Patienten und der gesunden Probanden auf den Gehalt und das Repertoire an Anti-Staphylokokken-Antikörpern. Letztere wurden bei allen Untersuchten nachgewiesen, wobei die gesunden Probanden deutlich höhere Titer aufwiesen als die auf der Intensivstation aufgenommenen. Patienten, die S. aureus in der Nase und/oder der Trachea hatten, wiesen im Vergleich zu S. aureus-negativen Probanden etwa 2-fach höhere Anti-Staphylokokken-Antikörper-Titer auf. Bei einer Untergruppe von Patienten wurden Werte festgestellt, die bis zu 10-fach über dem Mittelwert lagen. Diese biologisch erreichbaren Titer kontextualisieren die Relevanz des Titerunterschieds zwischen kolonisierten und nicht kolonisierten Personen. Wir stellten auch fest, dass die Immunglobulinwerte einzelner Patienten tendenziell das Toxinprofil des residenten S. aureus-Stammes widerspiegeln, was darauf hindeutet, dass das Vorhandensein von Antikörpern die Folge eines engen Zusammenspiels zwischen Wirt und Kolonisator ist.
3. Veröffentlichte Daten bringen die Exposition von S. aureus gegenüber sublytischen Antibiotika-Konzentrationen mit einer erhöhten bakteriellen Toxizität in Verbindung. Um diesen Effekt weiter zu untersuchen, haben wir vorselektierte klinische und Labor-S. aureus-Stämme in einem Wachstumsmedium kultiviert, das nährstoff- und eisenarme In-vivo-Bedingungen imitiert und mit sublytischen Antibiotikakonzentrationen angereichert wurde. Die Kulturüberstände wurden dann in zellbasierten Assays auf Zytotoxizität getestet. Bei der Mehrzahl der Stämme wurde unter dem Einfluss von Antibiotika mit Anti-Staphylokokken-Aktivitätsspektrum eine Erhöhung der Toxizität beobachtet. Dieser Effekt erwies sich als eine aktive bakterielle Reaktion auf den antibiotischen Angriff. Bei kritisch kranken Patienten, die eine antimikrobielle Prophylaxe oder eine suboptimal dosierte Therapie erhalten, könnte ein solches Verhalten von S. aureus zum Ausbruch oder zur Verschlimmerung der Infektion beitragen.
4. Da der rechtzeitige Nachweis von S. aureus äußerst wichtig ist, wollten wir ein auf Antikörpern basierendes Point-of-Care-Diagnoseinstrument in Form eines Latexpartikeln-Agglutinationstests entwickeln. Es wurden monoklonale Antikörper gegen das Staphylokokkenprotein A verwendet. Der Prototyp-Test war in der Lage, S. aureus nachzuweisen und hatte eine von der Bakteriendichte abhängige untere Nachweisgrenze von 2ˣ107 KBE/ml. Obwohl diese Empfindlichkeit nicht ausreicht, um eine starke Besiedlung zuverlässig direkt nachzuweisen, kann dieser Testaufbau der erste Schritt zur Entwicklung eines Lateral-Flow-Testkits sein.
Unsere Ergebnisse zeigen, dass S. aureus nach wie vor ein wichtiger nosokomialer Krankheitserreger ist und dass Maßnahmen zur Verringerung seiner Belastung und zur Verhinderung von Staphylokokkeninfektionen dringend erforderlich sind. Zu den möglichen Maßnahmen gehören die aktive Überwachung von eingewiesenen Patienten auf S. aureus-Träger, möglicherweise mit Hilfe eines bettseitigen Diagnoseinstruments; die richtige Auswahl und sorgfältige Dosierung von Antibiotika, um eine Verstärkung der antibiotikabedingten Toxizität zu verhindern, und die Ergänzung der Standardtherapie durch eine erreger- und toxinspezifische Immuntherapie, die der beschriebenen Hypogammaglobulinämie entgegenwirkt und die bakterielle Virulenz durch Kompensation der Staphylokokken-Toxine begrenzt.
Abstract
(Englisch)
S. aureus is one of the most notorious bacterial species causing a range of potentially life-threatening diseases, including ventilator-associated pneumonia (VAP), a complication of mechanical ventilation (MV). My work is aimed at achieving a better understanding of S. aureus VAP by investigating host- and pathogen-associated factors, and is constituted by four projects.
1. By collecting clinical and demographic data of 250 ICU-admitted and ventilated patients in a US hospital, we evaluated the epidemiology of S. aureus airway colonization and infection. VAP was diagnosed retrospectively using clinical data. Endotracheal aspirate (ETA) microbiology was used to determine airway colonization status and VAP causative pathogen. We found S. aureus to be the most common colonizing and VAP-associated species. Other significant findings included high progression rate to VAP among patients with heavy colonization in the trachea (defined semiquantitatively), and a 4-day delay between first detection of tracheal colonization and onset of VAP symptoms. This study was published in BMC Infectious Diseases in 2019.
2. Pore-forming toxins of S. aureus (α-hemolysin, or Hla, and 5 leukocidins) are implicated in human pulmonary infections pathogenesis. Using in-house developed ELISA and cell-based neutralization assays, we examined the serum samples of the patients recruited in the first project and of the healthy volunteers for the levels and repertoires of anti-staphylococcal antibodies. Latter were detected in all examined subjects, and healthy ones had significantly higher titers than ICU-admitted. Patients carrying S. aureus in the nose and/or trachea had approximately 2-fold higher anti-staphylococcal antibody titers compared to S. aureus-negative subjects. In a subset of patients values up to 10-fold higher than the mean were detected. These biologically attainable titers contextualize the relevance of the titer difference between colonized and non-colonized. We also noted the tendency of individual patients’ immunoglobulin levels to reflect the toxin profile of the residing S. aureus strain, suggesting that the antibody presence is the consequence of a tight host-colonizer interplay.
3. Published data links exposure of S. aureus to sublytic antibiotic concentrations with increased bacterial toxicity. To further examine this effect, we cultured pre-selected clinical and laboratory S. aureus strains in a growth medium mimicking in-vivo low-nutrient and -iron conditions, which was supplemented with sublytic concentrations of antibiotics. Culture supernatants were then tested for cytotoxicity in the cell-based assays. Toxicity enhancement was observed across majority of the strains under the influence of antibiotics with anti-staphylococcal activity spectrum. This effect was proven to be an active bacterial response to the antibiotic insult. In the context of critically ill patient receiving antimicrobial prophylaxis or suboptimally dosed therapy, such behavior of S. aureus could contribute to infection onset or worsening.
4. As the timely detection of S. aureus is extremely important, we aimed to develop a point-of-care antibody-based diagnostic tool in a form of a latex-bead agglutination assay. Monoclonal antibodies targeting Staphylococcal protein A were used. The prototype test was capable of detecting S. aureus and had a bacterial density-dependent lower limit of detection of 2ˣ107 CFU/ml. Although this sensitivity is not sufficient to reliably directly detect heavy colonization, this assay setup can be the first step towards developing a lateral flow test kit.
Our findings show that S. aureus remains a prominent nosocomial pathogen, and interventions aimed at reducing its burden and preventing staphylococcal infections are urgently needed. Possible measures include active surveillance of admitted patients for S. aureus carriage, potentially with the help of bedside diagnostic tool; correct choice and careful dosing of antibiotics to prevent antibiotic-induced toxicity enhancement, and augmentation of the standard therapy with pathogen- and toxin-specific immunotherapy, thus addressing the described hypogammaglobulinemia and limiting bacterial virulence by offsetting staphylococcal toxins.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
S. aureus VAP ICU Beatmung Hla Leukozidine Besiedlung Antikörper Titer Antibiotische Resistenz Antibioka-induzierte Toxizität Diagnosetool
Schlagwörter
(Englisch)
S. aureus VAP ICU Mechanical ventilation Hla Leukocidins Colonization Antibody Titer Antibiotic resistance Antibiotic-induced toxicity Diagnostic tool
Autor*innen
Ekaterina Kabak
Haupttitel (Englisch)
Role of Staphylococcus aureus cytolysins in human pulmonary infection
Paralleltitel (Deutsch)
Die Rolle der Staphylococcus aureus Zytolysine bei pulmonalen Infektionen des Menschen
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
124 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Irma Schabussova ,
Pavel Kovarik
Klassifikationen
42 Biologie > 42.30 Mikrobiologie ,
44 Medizin > 44.43 Medizinische Mikrobiologie
AC Nummer
AC16571099
Utheses ID
63448
Studienkennzahl
UA | 794 | 685 | 490 |