Differentielle Induktion antimikrobieller Peptide in der Haut durch kommensale und pathogene Staphylokokken

Abstract

Obwohl es zunehmend klinische Evidenz gibt, dass probiotische oder kommensale Bakterien wichtig für die Infektionsabwehr pathogener Mikroorganismen sind, besteht über die zugrundeliegenden biologischen Mechanismen Unklarheit. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass kommensale und pathogene Staphylokokken in primären humanen Keratinozyten die antimikrobiellen Peptide/Proteine HBD-3 und RNase7 unterschiedlich stark induzieren konnten. Dazu aktivierten sie verschiedene Signalwege. S. epidermidis führte nur zu einer geringen Induktion von HBD-3 und RNase7, welche über die TLR2/NFkappaB- und EGFR-Signalwege vermittelt wurde. S .aureus führte hingegen zu einer starken Erhöhung der HBD-3 und RNase7 Expression, die jedoch unabhängig von den genannten Signalwegen erfolgte. Stattdessen war dieses Pathogen in der Lage, den NFkappaB Signalweg zu hemmen, indem der NFkappaB-Inhibitor Ikappab vermehrt exprimiert wurde. Kommensale Staphylokokken waren in der Lage, diese Inhibition des NFkappaB-Signalweges aufzuheben. Dies führte zu einer Amplifikation der antimikrobiellen Antwort der primären humanen Keratinozyten. Somit können die von beiden Staphylokkenspezies aktivierten Signalwege synergistisch zusammenwirken und zu einer verbesserten Infektionsabwehr führen. Im Verlauf dieser Arbeit wurde ein epikutanes Hautinfektionsmodell in der Maus etabliert, um die in vitro erhobenen Daten in vivo zu überprüfen. Zunächst konnte gezeigt werden, dass S. aureus die Induktion antimikrobieller Peptide in der Haut der Mäuse bewirkt. Zusätzlich konnten, in Abhängigkeit von einer vorherigen Schädigung der Haut, Unterschiede in der Kolonisierung der Haut beobachtet werden. So führte eine Schädigung der Haut durch „Tapestripping“ zu verlängerter Persistenz der Bakterien, bei gleichzeitig stark erhöhter Expression antimikrobieller Peptide. Die Arbeit leistet einen wichtigen Beitrag zur Aufklärung der Mechanismen, mit der die Haut zwischen kommensalen und pathogenen Mikroorganismen unterscheiden kann. Die Fähigkeit von kommensalen Bakterien die angeborene Immunantwort zu verstärken trägt dazu bei, schädliche Mikroorganismen von der gesunden Haut fernzuhalten. Erst bei Schädigungen der epithelialen Barriere durch Verwundung oder Entzündungsreaktionen kommt es zu einer Kolonisierung bzw. Infektion mit Pathogenen. Es ist sicherlich denkbar, wirksame Komponenten kommensaler Bakterien therapeutisch, zur Steigerung der Abwehrreaktion, bei Infektionen der Haut einzusetzen.

Little is known about the impact of different microbial signals on skin barrier organ function and the interdependency between resident microflora and pathogenic microorganisms. This study shows that commensal and pathogenic staphylococci differ in their ability to induce expression of antimicrobial peptides/proteins (AMPs) and activate different signaling pathways in human primary keratinocytes. Whereas secreted factors of skin commensals induce expression of the AMPs HBD-3 and RNase7 in primary human keratinocytes via Toll-like receptor (TLR)-2, EGFR, and NF-kappaB activation, those of pathogenic staphylococci suppress NF-kappaB activation. Interestingly, commensal bacteria are able to amplify the innate immune response of human keratinocytes to pathogens by increased induction of AMP expression and abrogation of NF-kappaB suppression, suggesting that the two activation pathways can act in a synergistic way. These data indicate that commensal and pathogenic microorganisms evolved specific mechanisms to modulate innate immunity of the skin. Experimental mouse models of bacterial skin infections that have been described show that pathogenic microorganisms can readily invade the epidermis and dermis to produce localized infections. In this study an epicutaneous mouse skin infection model was established to determine how the level of barrier disruption by tape-stripping correlates with persistence of Staphylococcus aureus skin colonization. Furthermore, the antimicrobial peptide response of murine skin to S. aureus colonization in a physiologic setting was analyzed. It was shown that previous cutaneous damage favours S. aureus persistence leading to cutaneous colonization and induction of high levels of antimicrobial peptides. So this model will be useful to confirm the in vitro results in murine skin. This study contributes insights into mechanisms of discrimination between commensal and pathogenic staphylococci in the skin. The ability of commensal bacteria to amplify the innate immunity response of the skin towards pathogens is one mechanism to keep the surface of the skin free from pathogens. But cutaneous damage like wounding or inflammation facilitates colonization and infection with pathogens. Therapeutic use of commensal components activating innate immunity may be an interesting strategy to fight skin infections with pathogens.