Immunmodulatorische Wirkung und pathogenetische Bedeutung der Escherichia coli Shigatoxine beim Rind
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Zusammenfassung
Persistent mit Shigatoxin-bildenden Escherichia coli (STEC) infizierte Rinder sind das wichtigste Reservoir für Infektionen des Menschen mit humanpathogenen STEC-Stämmen (sog. enterohämorrhagischen E. coli [EHEC]). Eine erfolgreiche Prävention humaner EHEC-Infektionen muss deshalb die Bekämpfung der STEC im Rind zum Ziel haben. Zur Entwicklung wirksamer Massnahmen fehlte bisher das Verständnis der Persistenzmechanismen. Mit den Shigatoxinen (Stx) verfügen die STEC über die Fähigkeit zur Hemmung der Proliferation peripherer boviner Lymphozyten. Eine immunsupprimierende Wirkung der Toxine könnte zur Persistenz der STEC-Infektion beitragen. Um diese Hypothese zu überprüfen, sollte der Mechanismus der Stx-bedingten Immunmodulation aufgeklärt, Zielzellen für Shigatoxine in der Darmschleimhaut des Rindes identifiziert und die pathophysiologische Wirkung der Toxine in vitro und in vivo bestimmt werden. Die strukturelle Aufklärung des funktionellen Stx1-Rezeptors auf peripheren Lymphozyten zeigte, dass die Wirkung des Toxins durch das Glykosphingolipid Globotriaosylzeramid (Gb3 syn. CD77; Gal(alpha1-4)Gal(1-4)Glc(1-1)zeramid) vermittelt wurde. Dieses damit beim Rind erstmalig beschriebene Leukozytenantigen wurde von Lymphozyten in vitro und in vivo aktivierungsabhängig exprimiert. Dabei existierten verschiedene Isoformen des Gb3/CD77, die aufgrund unterschiedlicher Fettsäuren im Membran-verankerten Teil der Moleküle in ihrer Affinität für Stx1 differierten. Stx1-bindende Isoformen wurden von peripheren Lymphozyten insbesondere zu Beginn der Aktivierung exprimiert. Die Proliferationshemmung durch Stx1 betraf insbesondere CD8alpha-positive T-Zellen und B-Zellen. Sie manifestierte sich ohne Auslösung von Zelltod und wurde auch von der enzymatisch inaktiven, die Rezeptor-Bindung vermittelnde B-Untereinheit (StxB1) induziert. Die Wirkung wurde nicht durch Zytokine wie IL-2, IFN-gamma oder TNF-alpha vermittelt, sondern beruhte auf einer direkten Einwirkung des Shigatoxins 1 auf Lymphozyten in frühen Aktivierungsstadien. Dies lässt vermuten, dass Shigatoxine nicht generell immunsuppressiv wirken, sondern frühzeitig die Entwicklung einer Antigen-spezifischen Immunität behindern können. Tatsächlich entwickelte sich eine systemische zelluläre Immunität gegen STEC-Antigene nach Infektionen von Kälbern mit einem Stx2-bildenden EHEC O157:H7 Stamm nur signifikant verzögert. Zusätzlich wirken Shigatoxine aber auch unmittelbar auf die lokale Immunabwehr der bovinen Darmschleimhaut. Bovine Granulozyten exprimierten, auch wenn sie auf eine Schleimhaut-Oberfläche migriert waren, keine Stx-Rezeptoren und waren gegenüber Stx1 resistent. Mit Subpopulationen von Kolonepithelzellen und mit Makrophagen-artigen Zellen konnten allerdings Zielzellen für Stx1 identifiziert werden, die sich bei der Kolonisation der bovinen Darmschleimhaut in unmittelbarer Nähe zu den STEC-Kolonien befinden. Diese Zellen widerstanden ebenfalls der zytoletalen Wirkung des Shigatoxins 1, reagierten jedoch auf das Toxin mit der vermehrten Transkription bestimmter Chemokin-Gene. Vor allem Lymphozyten stellen aber in der Schleimhaut Zielzellen für Stx1 dar. Bei der Analyse intraepithelialer Lymphozyten (IEL) ex vivo exprimierten überwiegend reife, aktivierte CD3+CD8alpha+-T-Zellen Gb3/CD77. Nach Inokulation von Darmschlingen bei Kälbern mit einem Stx1-bildenden O103:H2 Stamm verschob sich im Vergleich zu Kontrollschlingen, die mit einer isogenen Deltastx1-Mutante des Stammes inokuliert worden waren, innerhalb von 12 Stunden die Zusammmensetzung der IEL zulasten dieser Subpopulation. In vitro blockierte Stx1 bereits im Nanogramm-Konzentrationsbereich die Stimulierbarkeit der IEL. Im Gegensatz zu den Subpopulationen peripherer Lymphozyten unterschieden sich die IEL-Subpopulationen nur geringfügig in ihrer Empfindlichkeit gegenüber der aktivierungshemmenden Wirkung des Shigatoxins 1. Darüberhinaus waren bereits wenige Stunden nach Internalisierung enzymatisch aktiven Stx1-Holotoxins in IEL, nicht aber in PBMC, il-4-Transkripte signifikant häufiger nachweisbar. Die Ergebnisse unterstützen die Hypothese, dass Shigatoxine bei der enteralen STEC-Infektion von Rindern über Glykolipid-Rezeptoren immunmodulatorisch wirken. Die Rezeptoren dienen dabei nicht nur der Internalisierung des Holotoxins, sondern scheinen nach Toxinbindung auch Signale von der Zelloberfläche zu vermitteln. Im Gegensatz zur immunstimulierenden Wirkung anderer bakterieller Toxine, die als Glykolipid-Rezeptor-Agonisten wirken, und auch im Gegensatz zur zytoletalen und pro-inflammatorischen Wirkung der Shigatoxine beim Menschen, steht beim Rind die immunsuppressive Wirkung der Shigatoxine im Vordergrund. Dies könnte das Fehlen von klinischen Erscheinungen bei bovinen STEC-Infektionen ebenso erklären wie den persistierenden Charakter der Infektion. Damit eröffnen diese Ergebnisse neue Möglichkeiten zur Entwicklung effizienter Massnahmen zur Bekämpfung dieser humanpathogenen Erreger beim Rind.Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
Beschreibung
Anmerkungen
Erstpublikation in
Giessen: DVG Service, 2007: http://www.dvg.net/