Impact of traditional medicinal plants on host pathogen interaction during Staphylococcus aureus infection

Pflanzlich basierte Medizin ist eine der wichtigsten und effektivsten Therapieformen weltweit, mit besonderer Bedeutung, speziell in Entwicklungsländern. Sie wird genutzt um verschiedene Krankheitsformen wie Entzündungen, Infektions und Stoffwechselerkrankungen zu behandeln. Nicht zuletzt durch die lange traditionelle Anwendung von Pflanzen in der Heilkunde wurde eine Vielzahl bioaktiver Wirkstoffe entdeckt. Derivate wie Polysaccharide, Proteoglykane und Glyko-proteine zählen dabei zu den vielversprechendsten Komponenten. Sie zeigen ein breites Spektrum biologischer Aktivität wie, immunmodulatorischer Effekte, antivirale oder antibakterielle Wirkung. Gum arabic (GA) ist ein bekanntes, gummiartiges Exsudat aus dem Stamm und der Rinde des Acacia Senegal (L). Willdenow Baumes. Chemisch ist das Exsudat ein wasserlösliches Polysaccharid mit hohem Verzweigungsgrad und komplexen Arabinogalactan-Protein Fraktionen. In der traditionellen Pflanzenheilkunde ist GA bekannt als Wirkstoff mit entzündungshemmenden, Diarrhö lindernden und antibakteriellen Effekten. Staphylococcus (S.) aureus und Escherichia (E.) coli sind ubiquitäre pathogene Bakterien, die lebensbedrohliche Infektionserkrankungen in Mensch und Tier verursachen. Übermäßiger und missbräuchlicher Umgang mit Antibiotika führte zum Auftreten von antibiotikaresistenten Erregerstämmen, die schwierig zu therapieren sind. Um diese Problem zu lösen ist die Entwicklung neuer Therapieansätze dringend erforderlich. Ein Ansatz ist dabei die Verstärkung der körpereigenen Immunzellen und ihrer Antwort auf eindringende Pathogene. Aus diesem Grunde werden in dieser These die immunmodulatorischen Effekte von GA auf die antimikrobielle Aktivität humaner und boviner Granulozyten aufgeklärt. Außerdem wird die direkte antibakterielle Wirkung von GA gegen drei S. aureus und zwei E. coli Stämme erläutert. Zuerst wurde ein neues Protokoll zur Isolation reiner und aktiver boviner Granulozyten aus frischen Blut (Kapitel 2) entwickelt. Dieses wurde als Modell genutzt für Studien zum Effekt von GA auf die antimikrobielle Aktivität boviner Granulozyten in vitro. In dieser Studie wurden die Antikoagulantia K3EDTA und Lithium – Heparin bei der Isolation boviner Granulozyten aus Blut verglichen und überdies der Effekt verschiedener Methoden zur Lysis der roten Blutkörperchen untersucht. Die Dichtegradienten Zentrifugation mit K3EDTA 2 behandeltem Blut resultierte in einer höheren Reinheit der bovinen Granulozyten, verglichen mit Lithium – Heparin behandeltem Blut. Im Gegensatz zur hypotonischen Lysis durch Wasser wurde bei der NaCl basierten Lysis eine mögliche prä-Stimulation der Granulozyten verhindert. Daraus ergab sich die genutzte Kombination von K3EDTA behandeltem Blut und einer NaCl Lysis für die Isolation boviner Granulozyten für die weiteren Experimente. Als zweites wurde der Effekt von GA auf die antimikrobielle Aktivität von frisch isolierten bovinen und humanen Granulozyten untersucht (Kapitel 3). Interessanterweise verstärkten das natürliche Extrakt (natural crude extract (NCE)) und das Ethanol Präzipitat (EP) den antimikrobiellen Effekt der Granulozyten durch die Induktion der intrazellulären ROS-Produktion.Damit einhergehend konnte gezeigt werden, dass NCE zu einer erhöhten Phagozytoserate von E. coli führte. Es konnte kein Effekt auf die Ausbildung von neutrophilen extrazellulären Fallen beobachtet werden, welche die Abtötung extrazellulärer Bakterien wie S. aureus vermitteln würde. Anschließend wurde der direkte antibakterielle Effekt von NCE, EP und kommerziell erworbenem GA (CGA) auf S. aureus und E. coli Stämme getestet (Kapitel 3). In einem dosisabhängigen Schema zeigte GA eine Wachstumsinhibition im Fall von S. aureus Newman, S. aureus Rd5 und E. coli 25922, jedoch nicht für die Stämme S. aureus USA300 und E. coli K1. Mittels Transmissionselektronenmikroskopie konnte der antibakterielle Effekt von GA bestätigt werden. Bemerkenswert war, dass das EP, welches weniger Saccharide enthält, in den Experimenten einen ähnlichen antibakteriellen Effekt zeigte und einen verstärkten oxidativen Schub in den Granulozyten verursachte. Abschließend kann angenommen werden, dass die komplexe Komposition des GA Extraktes, jedoch nicht die Saccharide allein, zur biologischen Aktivität führen, in Bezug auf die direkten Effekte auf Bakterien, als auch die Verstärkung der antimikrobiellen Aktivität der Granulozyten. Zusammengefasst wurde gezeigt, dass GA einen leichten bakteriostatischen Effekt aufweist. GA verstärkt die antimikrobielle Aktivität von Granulozyten durch gesteigerte intrazelluläre ROS-Produktion, die wiederum zu einer erhöhten Phagozytose und intrazellulärer Abtötung von intrazellulären Pathogenen führt.