Einfluss subinhibitorischer Ciprofloxacinkonzentrationen auf die Virulenzfaktoren Alginat und Elastase von Pseudomonas aeruginosa

Abstract

Pseudomonas aeruginosa besitzt ein Quorum Sensing System, welches neben dem bakteriellen Wachstum auch die Produktion von Virulenzfaktoren wie Alginat undd Elastase reguliert. Das Pseudmonas Quinolone Signal (PQS) induziert ebenfalls die Expression von Elastase. Da PQS der Antibìotikaklasse der Chinolone chemisch nahe vewandt ist, können diese Antibiotika in subinhìbitorischen Konzentrationen wie sie bei der Therapie von chronischen Infektionen zu finden sind, möglicherweise analog dem PQS die Expression von Virulenzfaktoren modifzieren. In der vorliegenden Arbeit wurde deshalb untersucht, ob die Expression von Alginat und Elastase von P. aeruginosa gegenläufig oder gleichsinnig reguliert, ob subinhibitorische Konzentrationen des Chinolons Ciprofloxacin deren Expression induzieren und ob das Autoinducersystem dabei eine Rolle spielt. Labor- wnd Patientenisolate von P. aeruginosa wurden mit und ohne Ciprofloxacin in subinhibitorischer Konzentration inkubiert. Zusätzlich wurden Mutanten mit defektem Autoinducersystem eingesetzt. Die Bestimmung der Alginatkonzentration erfolgte biochemisch mit Hìlfe des Carbazol-Assays sowie immunologisch mit einem Alginat-Antikörper. Die Elastasekonzentrationen wurden radioimmunologisch ermittelt. Die Alginatproduktion aller untersuchten Stämme wurde unter subinhibitorischem Ciprofloxacin induziert. Der Defekt im Autoinducersystem änderte sich lediglich in einer leicht reduzierten Alginatsynthese. Der Einfluss von subinhibitorischem Ciprofloxacin auf die Elastasekonzentrationen war uneinheitlich: bei vier Stämmen wurde die Elastase hoch-, und bei zwei weiteren Stämmen herunterreguliert. Die Mutanten konnten nur geringfügige Mengen an Elastase produzieren. Eine mit der erhöhten Expression von Elastase durch PQS vergieichbare Induktion durch subinhibitorisches Ciprofloxacin konnte nur bei einem Teil der vewendeten Stämme nachgewiesen werden. Eine vemehrte Alginatproduktion dagegen wurde bei allen Stämmen erreicht. Damit konnte belegt werden, dass Alginat und Elastase nicht gegenläufig koreguliert werden und dass Ciprofloxacin nur teilweise analoge Auswirkungen wie PQS besitzt. Ein Defekt im Autoinducersystem lässt sich nicht dadurch kompensieren. Die Struktur, auf welche Ciprofloxacin einwirkt ist also den Autoinducern vorangeschaltet. Da beì der chronischen Infektion von CF-Patienten durch P. aeruginosa verschiedene Faktoren nachgewiesen werden konnten, welche die Alginatsynthese steigern und nach den Ergebnissen dieser (PICTURE) ebenfalls dessen Synthese induzieren kann, sollten bei einer Therapie mit diesem Antibiotikum subinhibitorische Konzentrationen durch eine geeignete Dosis oder eine Kombinationstherapie vermieden werden.

The virulence factors elastase and alginate of Pseudomonas aeruginosa are regulated by a system called quorum sensing. The Pseudomonas Quinolone Signal (PQS) is also able to induce the expression of elastase. Being similar to the antibiotic substance Ciprofloxacin, these antibiotics may also be able as PQS to modify the expression of viru1ence factors of P. aeruginosa in subinhibitory concentrations. The following study intended to show how the expression of alginate and elastase is regulated, if subinhibitory concentrations of Ciprofloxacin may induce the expression of these virulence factors and if the autoinducer system is important for this regulation. Different P. aeruginosa strains isolated from patients and also strains with mutation in the autoinducer system were incubated with subinhibitory concentrations of Ciprofloxacin. The concentration of alginate was determined with the caibazole assay and in addition with an antibody against alginate. The concentration of elastase was determined with an radio immuno assay. The expression of alginate was induced by Ciprofloxacin in all investigated strains. The loss ofthe autoinducer system leaded only to an mild reduction of alginate synthesis. What about the elastase s_thesis with Ciprofloxacin there was a difference between the strains. Four of the investigated strains showed increased concentrations of elastase, two showed lower concentrations. The mutation in the autoinducer system leaded to an reduction of the elastase synthesis. An induction of elastase synthesis similar to PQS by Ciprofloxacin was not found in all strains. An increased alginate synthesis was found in all examined strains. These results show that the regulation of alginate is not dependent of the regulation of elastase synthesis. It was also showed that Ciprofloxacin has not the same effect as PQS, the loss of the autoinducer system could not be compensated by Ciprofloxacin. The are several factors which induce the alginate synthesis by patients with cystic fibrosis and chronic ínfection with P. aeruginosa. As shown in this study Ciprofloxacin may also induce the alginate synthesis. So it is necessary to avoid subinhibitory concentrations of Ciprofloxacin by using a sufficient dose or a combination with several antibiotic substances.