@phdthesis{Grosz2015,
  author    = {Grosz, Magdalena Urszula},
  title     = {Identification of phagosomal escape relevant factors in Staphylococcus aureus infection},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-121981},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Staphylococcus aureus is a facultative Gram-positive human pathogen which can cause different severe infections. Staphylococci are phagocytosed by professional and non-professional phagocytes; they are strongly cytotoxic against eukaryotic cells and have been proposed to play a role in immune evasion by spreading within migrating phagocytes. This study investigated the post invasive events upon S. aureus infection. Strains which are able to escape the phagosome were identified and the responsible toxins were determined. Thereby innovative insights into host pathogen interaction were obtained. A novel class of small amphipathic peptides with strong surfactant-like properties, the phenol soluble modulins, particularly PSMα as well as the leukocidin LukAB, are involved in phagosomal escape of the clinical S. aureus strains LAC, MW2 and 6850 in non-professional and professional phagocytes. Whereas, PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin or phosphatidyl inositol-dependent phospholipase C did not affect phagosomal escape. By blocking the bacterial DNA-dependent RNA polymerase with rifampicin phagosomal escape is determined to start approximately 2.5 hours post infection. Phagosomal escape further was required for intracellular replication of S. aureus. Strains which are not able to escape cannot replicate in the acidic vacuole, whereas, the host cytoplasm offers a rich milieu for bacterial replication. Additionally, phagosomal escape, with intracellular bacterial replication induces the subsequent host cell death. This could be confirmed by an infection assay including S. aureus knockout mutants in psmα or lukAB which were significantly less cytotoxic, compared with those infected with escape-positive wild type strains. Further, this study showed that phagosomal escape is not only mediated by bacterial toxins. Since, the phagocyte-specific cognate receptors for both escape relevant toxins, FPR2 (PSMα receptor) and CD11b (LukAB receptor) are produced in epithelial and endothelial cells only after infection with S. aureus in a calcium dependent fashion. The knockdown of both receptors using siRNA prevents S. aureus to escape the phagosome. Furthermore, blocking intracellular calcium release with the inositol trisphosphate receptor (IP3R) inhibitor 2-APB prohibits upregulation of fpr2 and cd11b and subsequently phagosomal escape of S. aureus. To conclude, the current study clarifies that phagosomal escape and host cell death are interplay of both, bacterial toxins and host cell factors. Staphylococcus aureus ist ein fakultativ Gram-positives Humanpathogen, dass verschiedene schwerwiegende Infektionen verursachen kann. Staphylokokken werden von professionellen und nicht-professionellen Phagozyten (Fresszellen) zu gleich aufgenommen. Desweitern sind sie stark zytotoxisch f{\"u}r eukaryotische Zellen. Außerdem wird vermutet, dass sie sich mittels migrierender Phagozyten dem angeborenen Immunsystem entziehen k{\"o}nnen. In dieser Studie werden die post-invasiven Ereignisse w{\"a}hrend einer Staphylokokken Infektion untersucht. Im Detail wurden St{\"a}mme identifiziert die aus den Phagosomen entkommen k{\"o}nnen und die daf{\"u}r verantwortlichen Toxine. Im Zuge dessen wurden neue Erkenntnisse der Interaktion zwischen Bakterien und Wirtszellen gewonnen. Eine neue Klasse von kleinen amphiphatischen Peptiden mit starken grenzfl{\"a}chenaktiven Eigenschaften (Surfactant), die sogenannten Phenol soluble modulins (PSMs) im Besonderen PSMα sowie das Leukozidin LukAB, sind am phagosomalen Ausbruch der klinisch relevanten S. aureus St{\"a}mmen LAC, MW2 und 6850 in nicht professionellen und professionellen Phagozyten involviert. Hingegen, sind PSMβ, δ-toxin, α-toxin, β-toxin oder Phosphatidylinositol abh{\"a}ngige Phospholipase C nicht am phagosomalen Ausbruch beteiligt. Durch die Hemmung der bakteriellen DNA-abh{\"a}ngigen RNA Polymerase mit Rifampicin wurde der Zeitpunkt f{\"u}r den Ausbruch auf etwa 2,5 Stunden nach der Infektion eingegrenzt. Der phagosomale Ausbruch ist weiterhin f{\"u}r die intrazellul{\"a}re Replikation von S. aureus notwendig. W{\"a}hrend St{\"a}mme, die nicht ausbrechen k{\"o}nnen in der anges{\"a}uerten Vakuole nicht replizieren k{\"o}nnen, bietet das Zytoplasma ein reichhaltiges Milieu f{\"u}r die Vermehrung. Zudem wird der Pathogen induzierte Zelltod erst nach dem phagosomalen Ausbruch und mit anschließender Vermehrung erm{\"o}glicht. Nachgewiesen wurde dies mittels psmα und lukAB defizienten Mutanten welche signifikant weniger zytotoxisch waren als der Wildtyp Stamm. Diese Studie zeigt dar{\"u}ber hinaus, dass der phagosomale Ausbruch nicht nur durch bakterielle Toxine vermittelt wird. Sondern, dass die Phagozyten-spezifischen Rezeptoren f{\"u}r beide relevanten Toxine, FPR2 (PSMα Rezeptor) und CD11b (LukAB Rezeptor), in Epithel- und Endothelzellen nach Infektion mit S. aureus calciumabh{\"a}ngig produziert werden und f{\"u}r den Ausbruch notwendig sind. Der knockdown beider Rezeptoren mittels siRNA verhindert den Ausbruch. Wird der intrazellul{\"a}re Calciumstrom mittels des Inositoltrisphosphat Rezeptor (IP3R) Inhibitor 2-APB blockiert k{\"o}nnen die Gene fpr2 und cd11b nicht hochreguliert werden und der Ausbruch wird ebenfalls verhindert. Folglich zeigt diese Studie, dass der phagosomale Ausbruch und Pathogen induzierte Zelltod sowohl durch bakterielle Toxine als auch Wirtsfaktoren vermittelt wird.},
  subject      = {Phagosom},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Sturm2015,
  author    = {Sturm, Volker J{\"o}rg Friedrich},
  title     = {\(^{19}F\) Magnetresonanztomographie zur Bildgebung von Infektionen im Zeitverlauf},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-122851},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  pages     = {114},
  year      = {2015},
  abstract  = {Im Rahmen dieser Arbeit sollten die M{\"o}glichkeiten der MR Tomographie erkundet werden bakterielle Infektionen im Zeitverlauf darzustellen. Genauer gesagt sollte das Potential der MR Tomographie anhand eines durch eine Infektion induzierten lokalisierten Abszesses unter Verwendung dreier unterschiedlicher MRT Methoden untersucht werden: Mittels nativem \(T_2\) Kontrast; der Verwendung von superparamagnetischen Eisenoxid Partieln (USPIO) als \(T_2^*\) Kontrastmittel; und dem Einsatz von Perfluorkarbonen (PFC) als \(^{19}F\) MRT Marker (siehe Kapitel 3). Wie erwartet f{\"u}hrte die durch die Infektion hervorgerufene Entz{\"u}ndung zu ver{\"a}nderten \(T_2\)-Zeiten, welche auf \(T_2\)-gewichteten MR Bildern eine Lokalisierung des Abszessbereiches erlauben. Jedoch eigneten sich diese Daten aufgrund der graduellen {\"A}nderung der \(T_2\)-Zeiten nicht, um eine klare Grenze zwischen Abszess und umliegendem Gewebe zu ziehen. Superparamagnetische Eisenoxidpartikel andererseit haben als MRT Kontrastmittel bereits in den letzten Jahren ihre F{\"a}higkeit unter Beweis gestellt Entz{\"u}ndungen [53, 58, 64] darzustellen. Die Anreicherung dieser Partikel am Rande des Abszesses [53], wie sie auch in unseren MR Daten zu beobachten war, erlaubte eine relativ scharfe Abgrenzung gegen{\"u}ber dem umgebenden Gewebe in der chronischen Phase der Infektion (Tag 9 p.i.). Hingegen gen{\"u}gte die nur sehr sp{\"a}rlichen Anreicherung von USPIO Partikeln in der akuten Phase der Infektion (Tag 3 p.i.) nicht f{\"u}r eine entsprechende Abgrenzung [58]. Aufgrund der sehr geringen biologischen H{\"a}ufigkeit und den sehr kurzen Relaxationszeiten von endogenem Fluor eignen sich Perfluorkarbone als Markersubstanz in der MR Tomographie von biologischen Systemen. Insbesondere da PFC Emulsionen durch phagozytierende Zellen aufgenommen werden und im Bereich von Entz{\"u}ndungen akkumulieren [30, 59]. In dieser Arbeit konnte anhand der erhaltenen MRT Daten eine Akkumulation von Perfluorkarbonen nicht nur in der chronischen Phase, sondern auch in der akuten Phase nachgewiesen werden. Diese Daten erlauben somit zu allen untersuchten Zeitpunkten eine Abgrenzung zwischen Infektion und umliegenden Gewebe. Aufgrund der besagten Vorteile wurden die Perfluorkarbone gew{\"a}hlt, um die M{\"o}glichkeiten der MR Tomographie zu testen, quantitative Informationen {\"u}ber die schwere der Infektion zu liefern. Als Referenz f{\"u}r die Bakterienbelastung wurden die Biolumineszenzbildgebung (BLI) [49, 50] und die Standardmethode zur Bestimmung der Bakterienbelastung cfu (koloniebildenden Einheiten) herangezogen. Eine Gegen{\"u}berstellung der zeitlichen Verl{\"a}ufe der durch die Biolumineszenzbildgebung und durch die cfu erhaltenen Daten liefert eine qualitative {\"U}bereinstimmung mit den durch die 19F MR Tomographie erhaltenen Daten. Dies trifft hierbei sowohl auf die {\"u}ber den gesamten Infektionsbereich hinweg summierten Signalamplituden, als auch auf das Volumen zu, in dem Fluor am Ort der Infektion akkumuliert wurde. Im Gegensatz zur Methode der cfu Bestimmung sind die MR Tomographie und die Biolumineszenzbildgebung nicht invasiv und erlauben die Verfolgung des Infektionsverlaufes an einem einzelnen Individuum. Hierzu ben{\"o}tigt, im Gegensatz zur MR Tomographie, die Methode der Biolumineszenzbildgebung jedoch einen speziellen Pathogenstamm. Dar{\"u}ber hinaus ist hervorzuheben, dass die MR Tomographie zudem die M{\"o}glichkeit bietet auch morphologische Informationen {\"u}ber den Infektionsbereich und seine Umgebung zu akquirieren. Gerade weil jede dieser Methoden die mit der Infektion einhergehenden Prozesse aus einer leicht anderen Blickrichtung betrachtet, erscheint es sinnvoll diese etablierte Untersuchungsplattform bestehend aus MRT, BLI und cfu {\"u}ber die in dieser Arbeit bearbeitete Fragestellung hinaus n{\"a}her zu untersuchen. Insbesondere der Aspekt inwieweit die drei Methoden sich gegenseitig erg{\"a}nzen, k{\"o}nnte einen tieferen Einblick in die Wechselwirkung zwischen Pathogen und Wirt erlauben. Auch wenn f{\"u}r die betrachtete Fragestellung bereits der hierdurchgef{\"u}hrte semiquanitative Ansatz zur Bestimmung der relativen Fluormengen am Ort der Infektion ausreichte, so ist doch im Allgemeinen w{\"u}nschenswert probenbezogen die Sensitivit{\"a}t der Spule und damit die G{\"u}te der Spulenabstimmung zu bestimmen. Hierzu ist jedoch die Aufnahme von \(B_1\)-Karten unabdingbar und wird entsprechend im Kapitel 4 \(Bloch-Siegert B_1^+-Mapping\) n{\"a}her addressiert. Der Schwerpunkt liegt hierbei, wie der Kapitelname bereits andeutet, auf der Bloch-Siegert Methode, die insbesondere in der pr{\"a}sentierten Implementierung in einer Turbo/ Multi Spin Echo Sequenz eine effiziente Nutzung der relativ langen \(T_\)2-Zeiten der Perfluorkarbone erlaubt. Da zudem die Bloch-Siegert-Methode eine rein phasenbasierte Methode ist, kann neben der aus den Daten erzeugten \(B_1\)-Karte zugleich ein unverf{\"a}lschtes Magnitudenbild generiert werden, wodurch eine sehr effiziente Nutzung der vorhandenen Messzeit erm{\"o}glicht wird. Diese Eigenschaft ist insbesondere f{\"u}r \(^{19}F\) Bildgebung von besonderem Interesse, da hier f{\"u}r jede Messung, aufgrund der {\"u}blicherweise relativ geringen Konzentration an Fluoratomen, lange Messzeiten ben{\"o}tigt werden. Zusammenfassend konnte anhand des untersuchten Tiermodells sowohl die F{\"a}higkeit der MR Tomographie nachgewiesen werden Infektionen im Zeitverlauf darzustellen, als auch die F{\"a}higkeit der MR Tomographie quantitative Informationen {\"u}ber den Verlauf der Infektion zu liefern. Desweiteren konnte eine M{\"o}glichkeit aufgezeigt werden, welche das Potential hat in vertretbarem Zeitrahmen auch in vivo B1+-Karten auf dem Fluorkanal zu erstellen und so einen zentralen Unsicherheitsfaktor, f{\"u}r Relaxometry und absolute Quantifizierung von \(^{19}F\) Daten in vivo, zu beseitigen.},
  subject      = {Kernspintomografie},
  language  = {de}
}