Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Exploring natural and pharmocological products for the ability to boost neutrophils against bacterial infections

Jerjomiceva, Natalja

Since the middle of the 20th century, major advances in antibacterial drug development and other means of infection control helped turn the tide in the favor of humans. Regarding bacterial infections, the situation dramatically improved when penicillin became available for use in the early 1940s. However, the euphoria over the potential conquest of infectious diseases was short lived. Almost as soon as antibacterial drugs were deployed, bacteria responded by manifesting various forms of resistance. As antimicrobial usage increased, so did the level and complexity of the resistance mechanisms exhibited by bacterial pathogens. The struggle to gain the upper hand against infections continues to this day, however the number of scientists working on antibacterial agents is decreasing and bacteria are still evolving ever more sophisticated mechanisms of resistance. An alternative approach for the treatment of difficult infections, such as those involving antimicrobial resistance or compromised host immunity, could be the pharmacological enhancement of the antimicrobial capabilities of phagocytes. Pharmacological agents that boost the host immune system could conceivably be used alongside conventional antibiotic treatments for successful therapy of the infection. In this work the effect of a novel plant extract Guarea kunthiana (Chapter 3) and a well-known antibiotic, enrofloxacin (Chapter 4) on neutrophil functions was studied by investigting their ability to stimulate the host immune defence against bacterial infections. This study identified that G. kunthiana is able to boost the antimicrobial activities of bovine and human neutrophils. Interestingly, G. kunthiana exhibited no direct antimicrobial effect on the bacteria, but neutrophils treated with G. kunthiana showed significantly induced growth inhibition of E. coli and S. aureus. This effect was abolished when treating the cells with cytochalasin D, indicating that phagocytosis is involved in this process. We were also able to demonstrate that G. kunthiana induces the formation of antimicrobial neutrophil extracellular traps (NETs). After treating bovine neutrophils with enrofloxacin it was found that they exhibited increased levels of oxidative burst. Furthemore, there was a significant effect of enrofloxacin on intracellular uptake of FITC-labeled S. aureus detectable. Interestingly, the treatment of neutrophils with enrofloxacin resulted in the formation of neutrophil extracellular trap (NETs). But after treating the cells with cytochalasin D and nocodozole, the enrofloxacin-mediated NET-induction was abolished, indicating that actin or tubulin polymerization is involved in th enrofloxacin-mediated induction of NETs. The present investigations suggest that G. kunthiana and enrofloxacin may stimulate cellular immune responses and thereby might improve the outcome of an infection.

Seit etwa der Mitte des 20. Jahrhunderts haben große Fortschritte in der Entwicklung von antimikrobiellen Medikamenten und anderen Mitteln der Infektionskontrolle das Blatt bezüglich bakterieller Infektionen zugunsten der Menschen gewendet. Seitdem Penicillin in den 1940er Jahren entwickelt wurde, hat sich die Situation drastisch verbessert. Jedoch war die Euphorie über den potenziellen Sieg über Infektionskrankheiten nur kurzlebig. Fast genauso schnell wie antibakterielle Medikamente eingesetzt wurden, entwickelten Bakterien Resistenzen gegen diese Antibiotika. Aus diesem Grund dauert der Kampf gegen Infektionen bis heute an, zumal sich die Entwicklung neuer antibakterieller Medikamente verringert. Ein alternatives Konzept für die Behandlung von Infektionen, welche durch Antibiotikaresistenzen oder Wirtsimmunität erschwert werden, könnte die pharmakologische Steigerung der antimikrobiellen Fähigkeiten von Phagozyten sein. Pharmakologische Wirkstoffe, die das Immunsystem des Wirts stärken, können neben einer konventionellen Antibiotika-Behandlung für eine erfolgreiche Therapie von Infektionen verwendet werden. In dieser Arbeit wurde die Wirkung des neuartigen Pflanzenextrakts Guarea kuthiana (Kapitel 3) sowie des bekannten Antibiotikums Enrofloxacin (Kapitel 4) auf die Funktionen von Neutrophilen untersucht. Dabei wurde die Fähigkeit dieser beiden Wirkstoffe, die Immunantwort des Wirts gegen bakterielle Infektionen zu stimulieren, analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass G. kunthiana die antimikrobiellen Aktivitäten von bovinen und humanen Neutrophilen steigern kann. Interessanterweise zeigt G. kunthiana keine direkte antimikrobielle Wirkung auf die Bakterien, jedoch ist nach der Behandlung von Neutrophilen mit G. kunthiana eine signifikante Wachstumshemmung von E. coli und S. aureus zu beobachten. Dieser Effekt wurde durch die Behandlung der Zellen mit Cytochalasin D aufgehoben, was zeigt, dass Phagozytose an diesem Prozess beteiligt ist. Es konnte auch demonstriert werden, dass G. kunthiana die Bildung von antimikrobiellen neutrophilen extrazellulären Fallen (NETs) induziert. In dieser Arbeit konnte zudem gezeigt werden, dass eine Behandlung der Neutrophilen mit Enrofloxacin zu einer erhöhten Bildung von Sauerstoffderivaten führt. Außerdem ist eine signifikante Auswirkung auf die intrazelluläre Aufnahme von FITC-markierten S. aureus in Enrofloxacin behandelten Zellen zu erkennen. Interessanterweise induziert die Behandlung von Neutrophilen mit Enrofloxacin ebenfalls die Bildung von NETs. Jedoch wurde nach der Behandlung der Zellen mit Cytochalasin D oder Nocodazole die Enrofloxacin-vermittelte NETs-Induktion aufgehoben, was darauf hinweist, dass die Polymerisation von Aktin und Tubulin an der durch Enrofloxacin-vermittelte Induktion der neutrophilen extrazellulären Fallen beteiligt ist. Die vorliegende Studie zeigt, dass das Pflanzenextrakt G. kunthiana und das Antibiotikum Enrofloxacin die zelluläre Immunantwort stimulieren können und somit den Infektionsverlauf protektiv beeinflussen können.


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Jerjomiceva, Natalja: Exploring natural and pharmocological products for the ability to boost neutrophils against bacterial infections. Hannover 2013. Tierärztliche Hochschule.


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