Die Bedeutung der Biofilmbildung von Staphylococcus aureus für die bakterielle Persistenz im Respirationstrakt von Patienten mit der Erbkrankheit Mukoviszidose

Abstract

Staphylococcus aureus ist einer der häufigsten Krankheitserreger des Menschen und verursacht eine Vielzahl von Infektionen. Vor allem Patienten mit Mukoviszidose (Synonym: CF) leiden häufig an chronischen S. aureus-Lungeninfektionen. Unter den dort herrschenden anaeroben Wachstumsbedingungen bildet S. aureus zunächst traubenförmige Mikrokolonien und schließlich dichte, mehrschichtige Biofilme. Voraussetzung hierfür ist die Produktion eines extrazellulären Polysaccharids (PIA), welches durch Produkte des ica-Locus synthetisiert wird und den Zell-Zell-Kontakt vermittelt. PIA ermöglicht S. aureus somit die Bildung von Mikrokolonien und Biofilmen und ist möglicherweise für die Chronizität der Infektion verantwortlich. Polymorphkernige Granulozyten (PMN) dominieren den chronischen Infektions-/ Entzündungsverlauf in den Atemwegen der CF-Patienten. PMN töten Bakterien zum einen über reaktive Sauerstoffverbindungen (RS), zum anderen über Defensine (z. B. Proteasen) ab. Hier untersuchten wir den Einfluss der Mikrokolonie- und Biofilmbildung auf die Phagozytose und fragten auch, ob die PIA-Produktion per se vor Phagozytose schützt bzw. ob PMN durch PIA zur vermehrten oder verminderten RS-Produktion veranlasst werden. Um den Einfluss von PIA auf die Abtötung durch RS von PMN zu untersuchen, wurde SA 113 (ATCC 35556) und seine isogene Mutante ATCC 35556Dica::tet aerob und anaerob Flüssigkultur aufgezogen und die Phagozytose unter aeroben Bedingungen durchgeführt. Unter anaeroben Bedingungen (nicht jedoch unter aeroben Bedingungen) bilden einzelne SA 113 Bakterien an ihrer Oberfläche PIA. Zwischen dem PIA-positiven SA 113 und seiner PIA-negativen Mutante ATCC 35556Dica::tet bestanden keine signifikanten Unterschiede hinsichtlich der Abtötungsraten, die zwischen 33 und 99 % schwankten. Daraus kann man schließen, dass PIA SA 113 unter aeroben Bedingungen nicht vor Abtötung durch RS schützt. Führt man die Phagozytose jedoch mit Kollagen-adhärenten S. aureus Mikrokolonien durch, deren Fläche im Durchschnitt 54 mm2 beträgt, wird die Aufnahme und damit die Abtötung von SA 113 signifikant gegenüber adhärenten Einzelzellen reduziert. Ähnliche Ergebnisse wurde mit dem S. aureus-Stamm SA 7 erhalten. Dies lässt vermuten, dass die Größe der Mikrokolonie von S. aureus entscheidend für die Resistenz gegenüber der Abtötung durch PMN ist, nicht jedoch die PIA-Produktion per se. Weitere Versuche zeigten, dass PIA keinen Einfluss auf die Höhe der RS-Bildung von PMN besitzt, da kein signifikanter Unterschied hinsichtlich der Superoxidanionen-Konzentration mit Hilfe der Cytochrom C-Methode bei PIA-positiven und PIA-negativen S. aureus gefunden wurde. Abhängig ist die Bildung jedoch von der Menge der vorhandenen Bakterien. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass S. aureus in den Atemwegen der CF-Patienten deswegen persistieren kann, weil die spezifischen anaeroben Umgebungsbedingungen in der Mukusschicht über dem Epithel die Mikrokoloniebildung des Pathogens induzieren, wodurch die Aufnahme in PMN ab einer gewissen Größe eingeschränkt wird.

S. aureus is one of the main pathogens which causes chronic lung infections in cystic fibrosis (CF) patients. The specific anaerobic conditions in the lower respiratory tract of CF-patients induce S. aureus macrocolony and biofilm formation, which is associated with production of a polysaccharide intercellular adhesin (PIA). We investigated the phagocytosis of S. aureus single cells and macrocolonies by polymorphonuclear neutrophils (PMN). The polysaccharide intercellular adhesin (PIA) positive strain ATCC 35556, its PIA negative mutant ATCC 35556Dica::tet and a PIA positive patient isolate (SA 7) were used. We incubated the strains for 2 hours at 37°C on collagen coated chamber slides to reveal attachment of single cells. After depletion of non attached bacteria we incubated the chamber slides for 2 days under anaerobic conditions for macrocolony formation. Single attached S. aureus cells and macrocolonies were incubated with PMN for 1.5 hours under aerobic conditions. Phagocytosis was quantified by platelet count. Ingestion of S. aureus single cells or macrocolonies by PMN was demonstrated by SEM and TEM. Macrocolony formation resulted in a significant reduction of killing and PMN seemed to ingest only small macrocolonies. Phagocytosis of planktonic PIA-positive and PIA-negative cells revealed no significant difference. PIA does not protect S. aureus against killing by reactive oxygen species produced by PMN. Additionally we demonstrated that PIA has no influence on the amount of oxygen radicals produced by PMN. Macrocolony formation in CF induces resistance against phagocytosis and contributes to chronic lung infection in CF patients.