Die Ausbildung genetischer und phänotypischer Varianten von Staphylococcus aureus bei Patienten mit Cystischer Fibrose

Abstract

Staphylococcus aureus verursacht bei Patienten mit Cystischer Fibrose (CF) häufig eine persistierende Lungeninfektion. Hierbei kommt es, wahrscheinlich als Folge selektiver Anpassung an die veränderte Wirtsumgebung, zu spezifischen Veränderungen der Bakterien. Ziel dieser Arbeit war es, die Diversifikation der Bakterien während der Infektion zu erfassen. Hierzu wurde S. aureus aus Nasen- und Rachenabstrichen sowie aus Sputumproben von CF-Patienten untersucht. Das Auftreten heterogener Primärkulturen (Kulturen mit Kolonien verschiedener Morphologie, charakterisiert durch Unterschiede in Größe, Farbe und Hämolyseausprägung) wurde erfasst und alle unterschiedlichen Kolonien wurden durch Pulsfeldgelelektrophorese (PFGE) typisiert. Zusätzlich wurden die Proben ohne weitere Subkultivierung mikroskopisch analysiert. In Sputumproben ist die Prävalenz von S. aureus deutlich höher als in Proben der oberen Atemwege. Ebenso ist die Prävalenz heterogener Primärkulturen in Sputumproben höher als in Proben der oberen Atemwege. Das Auftreten von heterogenen Proben korreliert mit der Keimdichte. Die Typisierung der Stämme heterogener Sputumproben zeigte, dass in 19/97 Fällen eine Co-Kolonisierung verschiedener Genomtypen (GT), in 29/97 Fällen eine Co-Kolonisierung von Subtypen (ST; <= 3 Bandenabweichungen im PFGE-Gel) und in 49/97 Fällen Varianten (Isolate genetisch ohne Unterschied) vorlagen. Meist herrscht bei einem Patienten ein bestimmter GT vor, der über längere Zeiträume nachweisbar ist. ST und Varianten treten bei Methicillin resistenten Stämmen häufiger auf als bei Methicillin sensiblen. Das parallele Auftreten verschiedener ST in Sputumproben korreliert mit einer vorhergehenden Antibiotikatherapie. Das Auftreten von ST konnte teilweise auf die Integration von hlb-konvertierenden Phagen zurückgeführt werden. Unterschiede im Antibiotika- Resistenzmuster von Varianten, die in der gleichen Primärkultur vorkamen, konnten in 9/53 Proben gefunden werden. In Immunfluoreszenzanalysen konnte gezeigt werden, dass die Protein A- (SpA) Expression stark stammabhängig ist und innerhalb einer Probe stark variiert. Eine Korrelation zwischen SpA- Expression und Atemwegslokalisation konnte nicht gefunden werden. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass es während der chronischen Lungeninfektion zu einer starken Diversifikation der S. aureus Population kommt. Dies kann als Anpassungsstrategie der Bakterien an die spezifischen Bedingungen in den Lungen von CF-Patienten interpretiert werden.

Staphylococcus aureus often causes persistent lung infections in patients with Cystic Fibrosis (CF). This leads, probably as a result of selective adaption to the changed environs of the host, to specific changes of bacteria. This work had the goal to record the diversification of bacteria during infection. Therefore S. aureus was examined after isolating out of nose, throat and sputa of CF-patients. The appearance of heterogeneous primary cultures (cultures with colonies of different morphology, characterized in differences of size, colour and expression of hemolysis) was registrated and all different colonies were typed with pulsed field gel electrophoresis (PFGE). Additionally the specimens were analyzed by microscope without further subcultivation. The prevalence of S. aureus in specimens of sputa is clearly higher than in specimens of nose and throat. As well the prevalence of heterogeneous primary cultures of sputa is higher than in specimens of nose and throat. The appearance of heterogeneous specimens correlates with the number of bacteria. Typing the strains of heterogeneous specimens of sputa showed in 19/97 cases a co-colonization of different genotypes (GT), in 29/97 cases a co-colonization of subtypes (ST; differences in <= 3 bands in PFGE-gel) and in 49/97 cases variants (isolates without genetic differences). Commonly there is a specific GT in one patient detectable over a longer period of time. ST and Variants were found more often in methicillin resistant strains than in methicillin sensitives. The parallel appearance of different ST in sputa correlates with previous antibiotic therapy. It was shown that the appearance of ST can be partly lead back to strains that integrated hlb-converting phages. Differences in the antibiotics resistance-pattern of variants that appeared in the same primary culture, were found in 9/53 specimens. Immune fluorescence analysis showed that the expression of protein A (SpA) depended strong to the strain and varied heavily within one specimen. A correlation between SpA-expression and localisation in the respiratory tracts was not found. As a result it can be said that during a chronic lung infection there is a strong diversification of S. aureus population. This can be seen as a strategy of adaption to the specific conditions in the lungs of CF-patients.