Investigating the Interplay between Host Defense Mechanisms and Staphylococcus aureus in the Context of Colonization and Infection

Abstract

Die Dissertation ist gesperrt bis zum 10. Dezember 2026 !

Der menschliche Körper verfügt über zahlreiche Mechanismen, um sich vor potenziellen Bedrohungen wie pathogenen Bakterien zu schützen. Dazu gehören mechanische und chemische Barrieren sowie „professionelle“ Immunzellen. Ziel dieses Projekts war es, das Zusammenspiel dieser Schutzmechanismen im Kontext der Kolonisierung und Infektion mit dem opportunistischen bakteriellen Erreger Staphylococcus aureus zu untersuchen. Keratinozyten bilden als äußerste Hautschicht eine mehrschichtige Schutzbarriere gegen externe Bedrohungen, einschließlich pathogener Mikroorganismen wie S. aureus. Keratinozyten und andere epidermale Zellen stellen nicht nur eine mechanische Barriere dar, sondern produzieren auch antimikrobielle Peptide und Fettsäuren. In diesem Zusammenhang konnten wir zeigen, dass S. aureus die Lipase Lip2 nutzt, um antimikrobielle Fettsäuren durch Veresterung mit Cholesterin funktionsunfähig zu machen und so die Kolonisierung der Haut zu fördern. Darüber hinaus erkennen Keratinozyten über angeborene Immunrezeptoren wie die Formylpeptidrezeptoren 1 und 2 (FPR1 und FPR2) mikrobielle Moleküle oder Toxine wie die Phenol-löslichen Moduline (PSMs) von S. aureus. Die Aktivierung von FPRs auf angeborenen Immunzellen wie Neutrophilen stimuliert Funktionen wie die Freisetzung von Zytokinen, die Phagozytose bakterieller Erreger und den Abbau von Toxinen durch Sekretion neutrophiler Serinproteasen (NSPs). In diesem Zusammenhang konnten wir zeigen, dass S. aureus Serinprotease-Inhibitoren wie die extrazellulären Adhärenzproteine (Eap) freisetzt, um den Abbau seiner PSM-Toxine zu verhindern und so sein Überleben zu sichern. Da Keratinozyten auch FPRs exprimieren, untersuchten wir die Auswirkungen der FPR-Aktivierung in Keratinozyten im Zusammenhang mit S. aureus Kolonisierung und Infektion der Haut. Durch die Durchführung von ELISA und Multiplex-Assays haben wir beobachtet, dass die FPR-Aktivierung zur Freisetzung der Zytokine IL-8 und IL-1α führt und dadurch Hautentzündungen fördert. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass die Stimulation von FPRs die Proliferation von Keratinozyten fördert und den Spaltverschluss in einem Keratinozyten-Scratch-Assay verbessert. Zudem analysierten wir die Rolle von FPRs während der Kolonisierung der Haut in einem Mausmodell, welche die Haut von Patienten mit atopischer Dermatitis (AD) nachahmt und stellten fest, dass Entzündung die Eradikation von S. aureus in FPR2-abhängiger Weise fördert. Ebenso förderte die Inhibierung von FPR2 die Kolonisierung von S. aureus im Mausmodell sowie in menschlichen Keratinozyten und in menschlichen Hautexplantaten. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass epidermale Zellen mehrere Abwehrsysteme einsetzen, um der Kolonisierung und Infektion mit S. aureus entgegenzuwirken. Als Reaktion darauf hat S. aureus mehrere Fluchtmechanismen entwickelt, die dazu beitragen, dass dieses Bakterium ein sehr erfolgreicher Krankheitserreger ist.

The human body possesses multiple mechanisms to protect itself from potential threats like pathogenic bacteria. These include mechanical and chemical barriers as well as “professional” immune cells. The aim of this project was to investigate the interplay between these protection mechanisms in the context of colonization and infection with the opportunistic bacterial pathogen Staphylococcus aureus. Keratinocytes line the outermost layer of the skin, forming a multilayer protective barrier against external threats including pathogenic microorganisms like S. aureus. Besides providing a mechanical barrier, keratinocytes and other epidermal cells also produce antimicrobial peptides and fatty acids. In this context, we could demonstrate that S. aureus uses the lipase Lip2 to detoxify antimicrobial fatty acids by esterification with cholesterol, thereby promoting S. aureus colonization of the skin. Additionally, keratinocytes recognize and respond to microbial molecules or toxins, like the phenol soluble modulins (PSMs) of S. aureus, via innate immune receptors such as the formyl-peptide receptor 1 (FPR1) and formyl-peptide receptor 2 (FPR2). Activation of FPRs on innate immune cells like neutrophils stimulates neutrophil functions such as the release of cytokines, phagocytosis of bacterial pathogens, and degradation of bacterial toxins via secretion of neutrophil serine proteases (NSPs). In this context, we could show that S. aureus releases serine protease inhibitors like the extracellular adherence proteins (Eap) to avoid the degradation of its PSM toxins and secure survival. Since keratinocytes also express FPRs, we investigated the effects of FPR activation in keratinocytes in the context of colonization and infection with S. aureus. By performing ELISA and multiplex assay, we observed that FPR activation leads to the release of the cytokines IL-8 and IL-1α, thereby promoting skin inflammation. Moreover, we could demonstrate that stimulation of FPRs promotes keratinocyte proliferation and enhances gap closure in a keratinocyte scratch assay. We also analyzed the role of FPRs during skin colonization and found that skin inflammation, in a mouse model mimicking the skin of atopic dermatitis (AD) patients, enhances the eradication of S. aureus in a FPR2-dependent manner. Likewise, the inhibition of FPR2 promoted S. aureus colonization in the mouse model, as well as in human keratinocytes and in human skin explants.