Zelluläre Mikrobiologie von Staphylococcus aureus (Wirtszell-Bakterien Interaktion): Zelluläre Invasion, intrazelluläre Replikation und Induktion von Apoptose

S. aureus kann nach hämatogener Aussaat langwierige und schwierig zu behandelnde Infektionen (Endokarditis, Osteomyelitis) verursachen. Dies beruht vermutlich darauf, daß S. aureus entgegen der gängigen Auffassung, auch intrazellulär vorliegen kann, und dort vor der Wirtsabwehr und vielen Antibiotika geschützt ist.

1. S. aureus-Invasion: Oberflächeninteraktion von S. aureus mit nicht-professionellen Phagozyten:

   Seit gut 15 Jahren gibt es eine Reihe von in vitro-Daten, die zeigen, daß S. aureus in eine Reihe von nicht-professionellen Phagozyten wie Epithel-, Endothelzellen und Fibroblasten gelangen kann (Invasion). Bis 1999 war jedoch der molekulare Mechanismus unbekannt. Wir konnten zeigen, daß die S. aureus-Invasion Ähnlichkeiten mit der professionellen Phagozytose aufweist (F-Aktin-Polymerisierung, Reißverschlußmechanismus), und daß beide Formen des spezifischen Adhäsins, das Fibronektin-bindende Protein (A und B), als Invasin wirken. Die Brückenbildung durch wirtseigenes Fibronektin zu Integrin a5b1 vermittelt dabei die Aufnahme in die Wirtszelle. Invasivität ist eine Eigenschaft von allen untersuchten klinischen Isolaten.

2. S. aureus Invasion: Intrazelluläre Folgereaktionen und Vesikel-Reifung

   S. aureus wird, wie bei professionellen Phagozyten in einer vesikulären Struktur internalisiert. Diese phagosomenähnlichen Strukturen durchlaufen ähnliche Reifungsprozesse. Wir fanden eine massive Ansäuerung und Zeichen der Phagosom-Lysosom-Fusion (LAMP-1). Hierbei scheint es deutliche Stamm-Unterschiede zu geben, und möglicherweise auch Wirtszellfaktoren. Morphologisch scheint S. aureus dem Phagosom entkommen zu können. Inwieweit nicht-professionellen Phagozyten effizient internalisierte Bakterien abtöten können ist derzeit noch unklar.

3. Die Internalisierung von S. aureus durch eukaryonte Zellen als pathogenetischer Mechanismus der persistierenden Infektion.

   Wir konnten zeigen, dass S. aureus von einer respiratorischen Epithelzellinie internalisiert wurde. Nach einer Anpassungszeit begannen sich die Bakterien intrazellulär zu teilen und induzierten auf diese Weise Apoptose. Diverse S. aureus Laborstämme und Mutanten unterschieden sich in ihrem Potential internalisiert zu werden, sich intrazellulär zu replizieren und Apoptose auszulösen. Insbesondere kommt auch hier den globalen Regulatoren verschiedener Virulenzgene und deren Mutanten eine besondere Bedeutung zu.

Drittmittelgeber:

Infektionsforschung DKFZ Projektträger des BMBF, 1997-2000; 01KI9750/9; IMF der Med. Fakultät der Universität Münster. Az:. 1997-1999

Beteiligte Wissenschaftler:

Dr. med. Bhanu Sinha, Dr. med. Barbara Kahl, Prof. Dr. med. Mathias Herrmann, Prof. Dr. med. Georg Peters

Veröffentlichungen:

Sinha, B., P.P. Francois, O. Nüße, M. Foti, O.M. Hartford, P. Vaudaux, T.J. Foster, D.P. Lew, M. Herrmann, K.H. Krause: Fibronectin-binding protein acts as Staphylococcus aureus invasin via fibronectin bridging to integrin a5b1 (1999). Cell. Microbiol. 1:101-117

Kahl, B.C., W. van Wamel, M. Herrmann, G. Peters, M. Goulian, S. M. Simon, G. Kaplan, A.L. Cheung: Staphylococcus aureus RN6390 replicates and induces apoptosis in a respiratory epithelial cell line derived from a cystic fibrosis patient (2000). Infect. Immun. 68:5385-5392

Bánfi B., A. Maturana, S. Jaconi, S. Arnaudeau, T. Laforge, B. Sinha, E. Ligeti, N. Demaurex, and K-H. Krause: A mammalian H+ channel, generated through alternative splicing of the NADPH oxidase homologue NOH-1. (2000) Science; 287:138-142

Sinha, B., P. Francois, Y.-A. Que, C. Heilmann, P. Moreillon, D. Lew, K.H. Krause, G. Peters, M. Herrmann: Heterologously expressed Staphylococcus aureus fibronectin-binding proteins are sufficient for invasion of host cells. 2000. Infect. Immun. 68:6871-6878.

Sinha, B., B. Kahl, M. Reilly, M. Herrmann, G. Peters: In cystic fibrosis epithelial (D508-CFTR) cells Staphylococcus aureus invasion, but not persistence, is increased. 9th International Symposium on Staphylococci and Staphylococcal Infections, Kolding, Denmark, 2000. Abstract #185

Kahl, B.C., Cheung A.L.: Internalization, intracellular replication and induction of apoptosis (IRA) of different Staphylococcus aureus strains and assorted mutants. 9th International Symposium on Staphylococci ad Staphyloccocal Infections, 2000, Kolding, Denmark, abstract # GP31

Sinha, B., B. Kahl, M. Reilly, G. Peters, M. Herrmann: Staphylococcus aureus invasion but not persistence is increased in cystic fibrosis epithelial cells. "Microbiology 2000". München 2000. Abstract #15.P.18.22