Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Etablierung eines Caenorhabditis elegans-Modells zur Virulenzanalyse von human- und tierpathogenen Bakterienspezies der Gattung Burkholderia

Ebrecht, Doreen

In 1999, FREDERICK M. AUSUBEL and co-workers developed an assay to examine the influence of bacteria on nematodes with regard to the pathogenesis of infections with Pseudomonas (P.) aeruginosa. This assay makes it possible to analyse the interactions between the virulence factors of bacteria and the defense mechanisms of the host. In this work, a Caenorhabditis (C.) elegans pathogenesis assay for Burkholderia (B.) pseudomallei, B. thailandensis and B. cepacia was successfully established. The killing kinetics of C. elegans proved to be fairly similar to the killing kinetics described in the P. aeruginosa- C. elegans model, which means, that it was possible to differentiate a ”slow”- from a ”fast killing” in all of the three species. By using B. cepacia it was able to demonstrate that during the ”slow killing” an accumulation, but no replication of the bacteria occurs in the intestinal tract of C. elegans. The comparison of the B. cepacia wildtype with a ”Quorum sensing”-negative cepR mutant revealed that ”Quorum sensing” is an important factor for the accumulation of bacteria and the death of the nematodes under ”slow killing” conditions. In contrast to the P. aeruginosa-C. elegans assay, the killing under ”fast killing” conditions involved the secretion of heat-labile exotoxins in all tested Burkholderia spp.. By using C. elegans mutants it became obvious that the “fast killing”  most likely exerts its toxic effects by exposing C. elegans to oxidative stress. Furthermore, experimental conditions to differentiate virulent B. pseudomallei strains from avirulent B. thailandensis strains with a modified “fast killing” assay were set up. The observed differences in virulence correlate with the situation in the mammalian host. In conclusion, the results show that the conditions of culturing the bacteria have an important influence on the production of virulence factors by all Burkholderia spp. examined and so on their pathogenicity in the C. elegans assay.  

Im Jahr 1999 wurde von der Gruppe um FREDERICK M. AUSUBEL erstmalig ein Nematoden-Bakterien-Pathogenitätsmodell mit Pseudomonas (P.) aeruginosa vorgestellt. Dieses Modell ermöglicht potentiell eine vereinfachte Analyse der Interaktionen zwischen bakteriellen Virulenzfaktoren und  Wirtsabwehrmechanismen. Im Zuge der in dieser Arbeit dargestellten und diskutierten Untersuchungen ist es gelungen, ein  Caenorhabditis (C.) elegans-Pathogenitätsmodell für Burkholderia (B.) pseudomallei und B. thailandensis sowie für B. cepacia zu etablieren. Die C. elegans-Absterbekinetiken entsprachen dabei vom Prinzip her denen des P. aeruginosa-C. elegans-Modells, dass heißt, es konnte bei allen drei Spezies ebenfalls ein “slow“- und ein “fast killing“ beobachtet werden. Am Beispiel von B. cepacia konnte gezeigt werden, dass das “slow killing“ mit einer Akkumulation, aber keiner nachweislichen Replikation der aufgenommenen Bakterien im Darmtrakt von C. elegans einhergeht. Durch den Vergleich des B. cepacia-Wildtypstammes mit einer “Quorum sensing“-negativen cepR-Mutante konnte nachgewiesen werden, dass “Quorum sensing“ insbesondere für die bakterielle Akkumulation und das Versterben der Nematoden unter “slow killing“-Bedingungen wichtig ist. An der Absterbekinetik unter “fast killing“-Bedingungen scheinen dagegen bei den untersuchten Burkholderia spp., anders als im P. aeruginosa-C. elegans-Modell, hitzelabile Exotoxine beteiligt zu sein. Durch den Einsatz von C. elegans-Mutanten konnte gezeigt werden, dass es bei den Würmern im Rahmen des “fast killings“ wahrscheinlich zu erhöhtem oxidativen Stress kommt. Weiterhin konnten durch einen modifizierten “fast killing“-Assay experimentelle Bedingungen definiert werden, mit denen sich virulente B. pseudomallei-Stämme von avirulenten B.thailandensis-Stämmen unterscheiden lassen, und bei denen die beobachteten Virulenzunterschiede mit der Situation im Säugetierwirt korrelieren. Dieses Ergebnis macht deutlich, dass die Kulturbedingungen einen bedeutenden Einfluss auf die Produktion der Virulenzfaktoren der hier untersuchten Burkholderia spp. und damit auf ihre Pathogenität im C. elegans-Modell haben.  

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Ebrecht, Doreen: Etablierung eines Caenorhabditis elegans-Modells zur Virulenzanalyse von human- und tierpathogenen Bakterienspezies der Gattung Burkholderia. Hannover 2002. Tierärztliche Hochschule.

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