Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Interactions of Streptococcus suis with host cells

Benga, Laurentiu George

Streptococcus suis is a world-wide pathogen which causes meningitis, sepsis, polyarthritis and other serious infections in pigs and occasionally in humans. To date 35 different capsular serotypes have been reported, and no effective crossprotective vaccine against S. suis is available. So far, some virulence factors have been proposed, but they are poorly defined, and the pathogenesis of S. suis infection is largely unknown. The control of the disease is hampered by these limitations. Therefore, insights into the pathogenesis are urgently needed to improve the prevention and control of the infection.             To improve the knowledge on pathogenesis of S. suis infection, in the first part of the thesis the in vitro interaction between S. suis with the cell types they meet at different stages of infectious process (epithelial, phagocytic and endothelial cells) was studied [chapters 2-4]. The results showed that among S. suis there exist extremely different phenotypes with respect to virulence associated features adherence, invasion and cytotoxicity for HEp-2 epithelial cells, in relation to state of encapsulation and environmental growth conditions. Furthermore, it was demonstrated that S. suis strains invaded epithelial cells using different uptake mechanisms, and persisted in acidified phago-lysosomal compartments possibly involving expression of arginine deiminase system. S. suis host cell interaction at later stages of infections was studied with phagocytes and endothelial cells. Diverse phenotypes were also seen in phagocytosis experiments. It was shown that encapsulated S. suis strain 10 was resistant to phagocytosis by monocytes in contrast to non-encapsulated strains. However, both encapsulated and non-encapsulated strains were efficiently taken-up by neutrophils. Nevertheless, the encapsulated S. suis strain 10 was resistant to clearance by porcine phagocytes under both opsonic or unopsonic conditions. The NT non-encapsulated strain A5503 was associated with increased susceptibility to phagocytic killing in opsonic conditions only, but was resistant to non-opsonic killing, whereas the non-encapsulated strain D10 and NT strain A305 were cleared by phagocytes under both, opsonic and non-opsonic conditions. These results indicate that in addition to capsule other factors are involved in the defence of S. suis against phagocytes. Finally, the interaction of S. suis with porcine endothelial cells was studied. It was shown that S. suis adhered to these endothelial cells to an extent dependent on strain and cell line, but did not invade these cell lines.             Based on the fact that the bacterial surface associated proteins play an important role in the host cell interactions of the bacteria, in the second part of the thesis [chapter 5] the immune recognition induced by cell wall associated proteins, and their modulation in response to a shift in temperature was studied. It was shown that cell wall murein associated proteins of S. suis were immunogenic, independent of the temperature at which they were prepared. Furthermore, different reactivities of the sera induced by the whole cell preparations versus cell wall associated protein fractions prepared at 32°C and 42°C suggested differential expression of a number of immunogenic proteins. Among those, two virulence-associated surface proteins were identified, i.e. the MRP protein, which was down-regulated at 42°C, and the AdiS protein, which was up-regulated. These results indicate that temperature may change the expression profile of immunogenic proteins, which may have consequences for host immune responses.             Taken together, results of this thesis have improved our understanding of the complex interaction of S. suis with the host organism. Furthermore, this study raises a number of challenging questions to be addressed in future studies on S. suis pathogenicity mechanisms.

Streptococcus suis ist ein weltweit vorkommender Krankheitserreger, der vor allem beim Schwein, selten auch beim Menschen, Meningitiden, Septikämien, Polyarthritiden, Pneumonien und andere infektiöse Krankheiten hervorrufen kann. Bis heute sind 35 verschiedene Kapselserotypen bekannt; eine wirksame Vakzine gegen S. suis Infektionen steht bisher nicht zur Verfügung. In der Literatur wurde über einige Virulenzfaktoren von S. suis berichtet; diese sind jedoch wenig charakterisiert, und die Pathogenese ist zum größten Teil unbekannt. Diese Erkenntnislücken limitieren bisher die Kontrolle von S. suis Infektionen. Um eine wirksame Prävention zu erziehen, sind daher weitergehende Einblicke in die Pathogenese nötig. Der erste Teil dieser These beschäftigt sich mit der Interaktion von S. suis mit Zelltypen verschiedener Infektionsstadien (epitheliale, phagozytotische und endotheliale Zellen) [chapter 2-4]. Die Ergebnisse zeigten extrem unterschiedliche S. suis Phänotypen in Bezug auf Adhärenz, Invasion und Zytotoxizität für HEp-2 Zellen, abhängig sowohl von der Bekapselung als auch von den Umweltbedingungen. Desweiteren wurde gezeigt, dass S. suis für die Invasion in Zellen verschiedene Aufnahmemechanismen nutzt und intrazellulär in sauren Phagolysosomen persistiert. Hierfür spielt offenbar die Expression des Arginin Deiminase Systems eine wichtige Rolle. Um spätere Stadien der Infektion näher zu charakterisieren, wurde die Interaktion von S. suis mit Phagozyten und Endothelzellen untersucht. Auch in den Phagozytose-Versuchen zeigte sich starke Unterschiede im Phänotyp. So wurde beobachtet, dass der bekapselte S. suis Stamm 10, im Gegensatz zu einem unbekapselten Stamm, resistent gegenüber der Phagozytose durch Monozyten war. Bei den neutrophilen Granulozyten allerdings waren keine Unterschiede zwischen unbekapselten und bekapselten Stämmen zu sehen. Darüber hinaus konnte nachgewiesen werden, dass der bekapselte S. suis Stamm 10 resistent gegenüber porcinen Phagozyten sowohl unter opsonisierenden als auch unter nicht opsonisierenden Bedingungen war, während der unbekapselte NT-Stamm A5503 unter opsonisierenden Bedingungen vermehrt phagozitiert wurde. Die unbekapselte Mutante D10 und der NT-Stamm A305 wurden sowohl unter opsonisierenden als auch unter nicht opsonisierenden Bedingungen gleichermaßen stark phagozytiert. Diese Ergebnisse zeigen, dass es neben der Kapsel weitere Faktoren geben muss, die an der Interaktion von S. suis mit Phagozyten beteiligt sind. Desweiteren wurde die Interaktion von S. suis mit porcinen Endothelzellen untersucht. Hier wurde nachgewiesen, dass S. suis an Endothelzellen adhäriert, und zwar in Abhängigheit vom Zelltyp und Bakterienstamm. Eine Invasion in diese Zellen konnte nicht beobactet werden. Davon ausgehend, dass bakterielle Oberflächenproteine eine wichtige Rolle bei der Erreger-Wirtszell-Interaktion spielen, beschäftigt sich der zweite Teil dieser These [chapter 5] mit der Immunantwort auf Oberflächenantigene und deren möglicher Modulation durch Temperatur. Die meisten Oberflächenproteine erwiesen sich unabhängig von der Temperatur als immunogen. Der Vergleich der verschiedenen Immunseren zeigte aber auch, dass Temperaturstress zu einer modulierten Expression bestimmter Antigene führte. Hierzu zählten die Virulenz-assoziierten Oberflächenproteine MRP, das bei 42°C abreguliert war, und AdiS, das bei 42°C aufreguliert war. Zusammenfassend lässt sich schlussfolgern, dass die Wachstumstemperatur deutliche Verschiebungen des Expressionsprofils immunogener Proteine von S. suis hervorrufen kann, was vermutlich zu unterschiedlichen Immunreaktionen des Wirtes führt. Die vorliegende Arbeit hat dazu beigetragen, die komplexen Erreger-Wirt-Interaktionen von S. suis besser zu verstehen. Die Ergebnisse sind außerdem Ausgangspunkt für zukünftige Studien zu Pathogenitätsmechanismen von S. suis.

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Benga, Laurentiu George: Interactions of Streptococcus suis with host cells. Hannover 2004. Tierärztliche Hochschule.

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