Vergleichende Untersuchung zur Wirtsadaption des Escherichia coli O104:H4 Ausbruchsstammes des Jahres 2011 mit Zellen von Mensch und Rind
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Zusammenfassung
Der Sprossen-assoziierte EHEC-Ausbruch von 2011 wurde von einem neuartigen und hochgradig virulenten E. coli-Stamm verursacht, der Virulenzeigenschaften von STEC und EAEC kombinierte. Klassische STEC-Stämme sind an das Rind adaptiert und modulieren die bovine Immunantwort für eine dauerhafte und asymptomatische Kolonisation. Hingegen wird als natürliches Reservoir von EAEC-Stämmen der Mensch vermutet, da die Isolation typischer EAEC-Stämme bisher hauptsächlich aus dem Menschen erfolgte. Vergleichbar schwere EHEC-Ausbrüche könnten jederzeit auftreten. Allerdings ist aufgrund der Hybridvirulenz des Ausbruchstammes die Herkunft und das natürliche Reservoir nach wie vor unbekannt. Wir wollten die relative Wirtsadaption des Hybridstammes an Mensch und Rind klären, um die Fähigkeit des Hybridstammes zur Persistenz im bovinen Reservoir abzuschätzen. Im natürlichen Reservoir bildet sich ein Gleichgewicht zwischen den Virulenzfaktoren des Erregers und der Immunantwort des Wirts aus. Ist der Hybridstamm nicht ans Rind adaptiert, erwarten wir im Vergleich zu bovin assoziierten Stämmen eine weniger effektive Immunmodulation und mehr proinflammatorische Aktivität im bovinen Wirtszellsystem sowie eine erhöhte Expression von Virulenzgenen bei Wirtszellkontakt.In-vitro untersuchten wir vergleichend die Interaktion des Hybridstammes mit intestinalen Epithelzellen von Mensch und Rind. Dabei wurden das Adhäsions- und Invasionsvermögen sowie das Potential des Hybridstammes zur Modulation der Wirtszellantwort von Mensch und Rind bestimmt, sowie die Expression von Virulenzfaktoren. Das Reaktionsprofil des Hybridstammes wurde vergleichend zu human und bovin assoziierten E. coli-Stämmen klassischer Pathovare oder avirulenten Stämmen bewertet. Als Modell für die lokale Immunmodulation im Rind wurden primäre Makrophagen mit konditionierten, steril filtrierten Überständen aus der Koinkubation von E. coli mit Epithelzellen stimuliert. Das Potential zur systemischen Immunmodulation im Rind wurde ex-vivo untersucht. Der Hybridstamm war fähig, die intestinalen Epithelzellen von Mensch und Rind jeweils aus Dünn- und Dickdarm zu kolonisieren. Elektronenmikroskopisch zeigte der Hybridstamm jedoch eine starke Affinität zu humanen Dünndarmzellen, im Gegensatz zu wenig direktem Zellkontakt mit bovinen Dünndarmzellen. Der Hybridstamm zeigte ein hochgradiges Adhäsionsvermögen, vergleichbar mit human assoziierten Stämmen. Im Gegensatz zum Hybridstamm adhärierten die bovin assoziierten STEC-Stämme geringer an die Wirtszellen. Weiterhin war der Hybridstamm im Unterschied zum invasiven Phänotyp einiger bovin assoziierter STEC-Stämme nicht invasiv. Ähnlich wie kommensale und human assoziierte E. coli-Stämme induzierte der Hybridstamm in humanen Wirtszellen nur wenig proinflam-matorische Aktivität. Erst verzögert nach 6 h zeigte der Hybridstamm proinflammatorische Aktivität im humanen Wirtszellsystem, aber in geringerem Ausmaß als andere Pathovare. Hingegen induzierte der Hybridstamm im bovinen Wirtszellsystem starke proinflammatorische Effekte, zunächst vergleichbar mit dem human assoziierten EAEC-Stamm 55989. Verzögert nach 6 h verursachte der Hybridstamm die stärkste proinflammatorische Aktivität von allen untersuchten E. coli-Stämmen. Auch in den bovinen Makrophagen induzierte der Hybridstamm indirekt einen stark proinflammatorischen Zellzustand. Bovin assoziierte STEC-Stämme verhinderten eher die Entstehung einer proinflammatorischen Reaktionslage in bovinen Epithelzellen und Makrophagen. Der Hybridstamm exprimierte die Virulenzfaktoren verstärkt bei Wirtszellkontakt mit Dünndarmzellen, unabhängig der Wirtspezies und trotz seiner Hybridvirulenz vergleichbar zu anderen Pathovaren. Unter den Stx2-positiven Stämmen war die Stx-Sekretion des Hybridstammes vergleichbar zum EHEC-Stamm 86-24 und stärker als beim bovin assoziierten STEC-Stamm. Absolut sekretierte der Hybridstamm weniger oder ähnlich viel Stx wie die klassischen human assoziierten EHEC-Stämme, aber die Stx-Induzierbarkeit bei direktem Wirtszellkontakt war am stärksten ausgeprägt beim Hybridstamm. Die Zytotoxizität des Hybridstammes war vergleichbar zu anderen Pathovaren und stärker als die avirulenter E. coli-Stämme. Wie human assoziierte Stämme beeinträchtigte die Infektion mit dem Hybridstamm nicht die Permeabilitätsbarriere bei humanen, polarisierten Darmepithelzellen.Die beobachteten Reaktionsmuster aller in dieser Arbeit getesteten Stämme waren sehr heterogen. Trotz der Fähigkeit zur Stx-Produktion und Kolonisation der bovinen Zellen in-vitro und in-vivo scheint der Hybridstamm eher an den Menschen als an das Rind adaptiert zu sein. In Übereinstimmung damit eliminierten experimentell infizierte Kälbern den Hybridstamm effizienter als den EHEC-Stamm 86-24. Insgesamt ergaben sich aber weniger deutliche Unterschiede im Reaktionsmuster des Hybridstammes zu dem von Stämmen, die andere Pathovare repräsentierten, oder auch zu denen avirulenter E. coli-Stämme als vermutet. Bei zukünftigen Ausbrüchen mit seltenen EHEC-Stämmen und neuartigen Virulenzprofilen sollten deshalb auch mögliche tierische Infektionsquellen in Betracht gezogen werden, um eine frühzeitige Eindämmung der Epidemie zu ermöglichen.Verknüpfung zu Publikationen oder weiteren Datensätzen
Beschreibung
Anmerkungen
Erstpublikation in
Gießen : http://www.dvg.de/ DVG Service GmbH