TY - JOUR A1 - Kim, Brandon J. A1 - Shusta, Eric V. A1 - Doran, Kelly S. T1 - Past and current perspectives in modeling bacteria and blood–brain barrier interactions JF - Frontiers in Microbiology N2 - The central nervous system (CNS) barriers are highly specialized cellular barriers that promote brain homeostasis while restricting pathogen and toxin entry. The primary cellular constituent regulating pathogen entry in most of these brain barriers is the brain endothelial cell (BEC) that exhibits properties that allow for tight regulation of CNS entry. Bacterial meningoencephalitis is a serious infection of the CNS and occurs when bacteria can cross specialized brain barriers and cause inflammation. Models have been developed to understand the bacterial – BEC interaction that lead to pathogen crossing into the CNS, however, these have been met with challenges due to these highly specialized BEC phenotypes. This perspective provides a brief overview and outlook of the in vivo and in vitro models currently being used to study bacterial brain penetration, and opinion on improved models for the future. KW - bacteria KW - blood–brain barrier KW - meningitis KW - stem cells KW - brain endothelial cell Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-201766 VL - 10 IS - 1336 ER - TY - JOUR A1 - Silwedel, Christine A1 - Speer, Christian P. A1 - Haarmann, Axel A1 - Fehrholz, Markus A1 - Claus, Heike A1 - Schlegel, Nicolas A1 - Glaser, Kirsten T1 - Ureaplasma species modulate cytokine and chemokine responses in human brain microvascular endothelial cells JF - International Journal of Molecular Science N2 - Ureaplasma species are common colonizers of the adult genitourinary tract and often considered as low-virulence commensals. Intraamniotic Ureaplasma infections, however, facilitate chorioamnionitis and preterm birth, and cases of Ureaplasma-induced neonatal sepsis, pneumonia, and meningitis raise a growing awareness of their clinical relevance. In vitro studies are scarce but demonstrate distinct Ureaplasma-driven impacts on immune mechanisms. The current study addressed cytokine and chemokine responses upon exposure of native or lipopolysaccharide (LPS) co-stimulated human brain microvascular endothelial cells (HBMEC) to Ureaplasma urealyticum or U. parvum, using qRT-PCR, RNA sequencing, multi-analyte immunoassay, and flow cytometry. Ureaplasma exposure in native HBMEC reduced monocyte chemoattractant protein (MCP)-3 mRNA expression (p < 0.01, vs. broth). In co-stimulated HBMEC, Ureaplasma spp. attenuated LPS-evoked mRNA responses for C-X-C chemokine ligand 5, MCP-1, and MCP-3 (p < 0.05, vs. LPS) and mitigated LPS-driven interleukin (IL)-1α protein secretion, as well as IL-8 mRNA and protein responses (p < 0.05). Furthermore, Ureaplasma isolates increased C-X-C chemokine receptor 4 mRNA levels in native and LPS co-stimulated HBMEC (p < 0.05). The presented results may imply immunomodulatory capacities of Ureaplasma spp. which may ultimately promote chronic colonization and long-term neuroinflammation. KW - Ureaplasma urealyticum KW - Ureaplasma parvum KW - neuroinflammation KW - meningitis KW - blood–brain barrier KW - HBMEC Y1 - 2019 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-201848 SN - 1422-0067 VL - 20 IS - 14 ER - TY - JOUR A1 - Silwedel, Christine A1 - Speer, Christian P. A1 - Haarmann, Axel A1 - Fehrholz, Markus A1 - Claus, Heike A1 - Buttmann, Mathias A1 - Glaser, Kirsten T1 - Novel insights into neuroinflammation: bacterial lipopolysaccharide, tumor necrosis factor α, and Ureaplasma species differentially modulate atypical chemokine receptor 3 responses in human brain microvascular endothelial cells JF - Journal of Neuroinflammation N2 - Background: Atypical chemokine receptor 3 (ACKR3, synonym CXCR7) is increasingly considered relevant in neuroinflammatory conditions, in which its upregulation contributes to compromised endothelial barrier function and may ultimately allow inflammatory brain injury. While an impact of ACKR3 has been recognized in several neurological autoimmune diseases, neuroinflammation may also result from infectious agents, including Ureaplasma species (spp.). Although commonly regarded as commensals of the adult urogenital tract, Ureaplasma spp. may cause invasive infections in immunocompromised adults as well as in neonates and appear to be relevant pathogens in neonatal meningitis. Nonetheless, clinical and in vitro data on Ureaplasma-induced inflammation are scarce. Methods: We established a cell culture model of Ureaplasma meningitis, aiming to analyze ACKR3 variances as a possible pathomechanism in Ureaplasma-associated neuroinflammation. Non-immortalized human brain microvascular endothelial cells (HBMEC) were exposed to bacterial lipopolysaccharide (LPS) or tumor necrosis factor-α (TNF-α), and native as well as LPS-primed HBMEC were cultured with Ureaplasma urealyticum serovar 8 (Uu8) and U. parvum serovar 3 (Up3). ACKR3 responses were assessed via qRT-PCR, RNA sequencing, flow cytometry, and immunocytochemistry. Results: LPS, TNF-α, and Ureaplasma spp. influenced ACKR3 expression in HBMEC. LPS and TNF-α significantly induced ACKR3 mRNA expression (p < 0.001, vs. control), whereas Ureaplasma spp. enhanced ACKR3 protein expression in HBMEC (p < 0.01, vs. broth control). Co-stimulation with LPS and either Ureaplasma isolate intensified ACKR3 responses (p < 0.05, vs. LPS). Furthermore, stimulation wielded a differential influence on the receptor’s ligands. Conclusions: We introduce an in vitro model of Ureaplasma meningitis. We are able to demonstrate a pro-inflammatory capacity of Ureaplasma spp. in native and, even more so, in LPS-primed HBMEC, underlining their clinical relevance particularly in a setting of co-infection. Furthermore, our data may indicate a novel role for ACKR3, with an impact not limited to auto-inflammatory diseases, but extending to infection-related neuroinflammation as well. AKCR3-induced blood-brain barrier breakdown might constitute a potential common pathomechanism. KW - atypical chemokine receptor 3 KW - human brain microvascular endothelial cells KW - meningitis KW - neuroinflammation KW - Ureaplasma species Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-175952 VL - 15 IS - 156 ER - TY - JOUR A1 - Maurer, Jana A1 - Hupp, Sabrina A1 - Bischoff, Carolin A1 - Foertsch, Christina A1 - Mitchell, Timothy J. A1 - Chakraborty, Trinad A1 - Iliev, Asparouh I. T1 - Distinct neurotoxicity profile of listeriolysin O from \(Listeria\) \(monocytogenes\) JF - Toxins N2 - Cholesterol-dependent cytolysins (CDCs) are protein toxins that originate from Gram-positive bacteria and contribute substantially to their pathogenicity. CDCs bind membrane cholesterol and build prepores and lytic pores. Some effects of the toxins are observed in non-lytic concentrations. Two pathogens, \(Streptococcus\) \(pneumoniae\) and \(Listeria\) \(monocytogenes\), cause fatal bacterial meningitis, and both produce toxins of the CDC family—pneumolysin and listeriolysin O, respectively. It has been demonstrated that pneumolysin produces dendritic varicosities (dendrite swellings) and dendritic spine collapse in the mouse neocortex, followed by synaptic loss and astrocyte cell shape remodeling without elevated cell death. We utilized primary glial cultures and acute mouse brain slices to examine the neuropathological effects of listeriolysin O and to compare it to pneumolysin with identical hemolytic activity. In cultures, listeriolysin O permeabilized cells slower than pneumolysin did but still initiated non-lytic astrocytic cell shape changes, just as pneumolysin did. In an acute brain slice culture system, listeriolysin O produced dendritic varicosities in an NMDA-dependent manner but failed to cause dendritic spine collapse and cortical astrocyte reorganization. Thus, listeriolysin O demonstrated slower cell permeabilization and milder glial cell remodeling ability than did pneumolysin and lacked dendritic spine collapse capacity but exhibited equivalent dendritic pathology. KW - medicine KW - listeriolysin O KW - meningitis KW - acute slices KW - variocosities KW - dendritic spines Y1 - 2017 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-172130 VL - 9 IS - 1 ER - TY - JOUR A1 - Wippel, Carolin A1 - Maurer, Jana A1 - Fortsch, Christina A1 - Hupp, Sabrina A1 - Bohl, Alexandra A1 - Ma, Jiangtao A1 - Mitchell, Timothy J. A1 - Bunkowski, Stephanie A1 - Brück, Wolfgang A1 - Nau, Roland A1 - Iliev, Asparouh I. T1 - Bacterial Cytolysin during Meningitis Disrupts the Regulation of Glutamate in the Brain, Leading to Synaptic Damage JF - PLoS Pathogens N2 - Abstract Streptococcus pneumoniae (pneumococcal) meningitis is a common bacterial infection of the brain. The cholesterol-dependent cytolysin pneumolysin represents a key factor, determining the neuropathogenic potential of the pneumococci. Here, we demonstrate selective synaptic loss within the superficial layers of the frontal neocortex of post-mortem brain samples from individuals with pneumococcal meningitis. A similar effect was observed in mice with pneumococcal meningitis only when the bacteria expressed the pore-forming cholesterol-dependent cytolysin pneumolysin. Exposure of acute mouse brain slices to only pore-competent pneumolysin at disease-relevant, non-lytic concentrations caused permanent dendritic swelling, dendritic spine elimination and synaptic loss. The NMDA glutamate receptor antagonists MK801 and D-AP5 reduced this pathology. Pneumolysin increased glutamate levels within the mouse brain slices. In mouse astrocytes, pneumolysin initiated the release of glutamate in a calcium-dependent manner. We propose that pneumolysin plays a significant synapto- and dendritotoxic role in pneumococcal meningitis by initiating glutamate release from astrocytes, leading to subsequent glutamate-dependent synaptic damage. We outline for the first time the occurrence of synaptic pathology in pneumococcal meningitis and demonstrate that a bacterial cytolysin can dysregulate the control of glutamate in the brain, inducing excitotoxic damage. Author Summary Bacterial meningitis is one of the most devastating brain diseases. Among the bacteria that cause meningitis, Streptococcus pneumoniae is the most common. Meningitis predominantly affects children, especially in the Third World, and most of them do not survive. Those that do survive often suffer permanent brain damage and hearing problems. The exact morphological substrates of brain damage in Streptococcus pneumoniae meningitis remain largely unknown. In our experiments, we found that the brain cortex of patients with meningitis demonstrated a loss of synapses (the contact points among neurons, responsible for the processes of learning and memory), and we identified the major pneumococcal neurotoxin pneumolysin as a sufficient cause of this loss. The effect was not direct but was mediated by the brain neurotransmitter glutamate, which was released upon toxin binding by one of the non-neuronal cell types of the brain – the astrocytes. Pneumolysin initiated calcium influx in astrocytes and subsequent glutamate release. Glutamate damaged the synapses via NMDA-receptors – a mechanism similar to the damage occurring in brain ischemia. Thus, we show that synaptic loss is present in pneumococcal meningitis, and we identify the toxic bacterial protein pneumolysin as the major factor in this process. These findings alter our understanding of bacterial meningitis and establish new therapeutic strategies for this fatal disease. KW - synapses KW - brain damage KW - astrocytes KW - neuronal dendrites KW - meningitis KW - glutamate KW - bacterial meningitis KW - neocortex Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-130462 VL - 9 IS - 6 ER - TY - THES A1 - Nikulin, Joanna T1 - Untersuchungen zu intrazellulären Folgereaktionen von Neisseria meningitidis und Escherichia coli K1 in HBMEC (human brain microvascular endothelial cells) T1 - Intracellular survival and replication of Neisseria meningitidis and Escherichia coli K1 in HBMEC (human brain microvascular endothelial cells) N2 - Neisseria meningitidis ist einer der wichtigsten Erreger bakterieller Meningitiden und gefürchtet für das Potential Epidemien auszulösen. Die Meningokokken-Meningitis bleibt bis heute auch in Industrieländern mit hoher Mortalität verbunden. Um eine Meningitis verursachen zu können, müssen Meningokokken die Blut-Hirn/Liquor-Schranke überqueren. Dies erfolgt vermutlich über den transzellulären Weg durch die Endothelzellbarriere der Gehirnkapillare. Ereignisse unmittelbar vor der bakteriellen Internalisierung sind vielfach untersucht, noch wenig erforscht sind jedoch die in der Endothelzelle durch den initialen Kontakt des Erregers ausgelösten Signalkaskaden. Die Rolle des für eine ADP-Ribosyltransferase kodierenden narE Gens in der Pathogenese der Meningokokken-Infektion und die mögliche Bedeutung in der Aktivierung von Signaltransduktionsmechanismen wird diskutiert. Eine narE Insertionsmutante wurde hergestellt und charakterisiert. Anschließend wurde die Aktivierung der extracellular signal regulated kinase (ERK) im Verlauf von Infektionsassays in HBMEC (human brain microvascular endothelial cell) mittels Western Blot untersucht. Eine Zu- oder Abnahme in der Phosphorylierung von ERK und folglich eine Aktivierung oder Deaktivierung der ERK-vermittelten Signalkaskaden in HBMEC konnte jedoch im Laufe der Infektion bei der narE Mutante im Vergleich zum Wildtypstamm nicht festgestellt werden. Elektronenmikroskopische Aufnahmen zeigen Meningokokken intrazellulär einzeln aber auch zu mehreren in phagosomenähnlichen membranumgebenen Strukturen. Die Fähigkeit von N. meningitidis sich intrazellulär zu replizieren wurde mittels Infektions-assay untersucht. Bekapselte Meningokokken waren in der Lage, sich sowohl in Epithel- als auch in Endothelzellen zu replizieren, während unbekapselte Erreger intrazellulär abgetötet wurden. Bei Meningokokken wie auch beim Erreger neonataler Meningitiden E. coli K1 wird eine O-Acetylierung des Kapselpolysaccharids beobachtet. Die biologische Bedeutung der O-Acetylierung der Sialinsäure wurde in Infektionsassays mit einem nicht acetylierten E. coli K1 Stamm und einer isogenen konstitutiv acetylierten Mutante untersucht. In der Adhärenz an und Invasion in HBMEC konnten keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Eine stärker ausgeprägte intrazelluläre Replikation wurde jedoch nach einer Verzögerung von mehreren Stunden bei dem nicht acetylierten Isolat beobachtet. Um die Neisseria containing Vacuole (NCV) näher zu charakterisieren und mögliche Interaktionen mit dem Endozytoseweg in HBMEC zu untersuchen, wurde eine dreifache Immunfluoreszenzfärbung zur simultanen Darstellung intrazellulärer Meningokken und spezifischer Marker des frühen bzw. späten Endosoms und Lysosoms etabliert. Eine Akquirierung des Transferrinrezeptors als Marker für das frühe Endosom und des Lamp-1 (lysosomal associated membrane protein 1) als Marker für das späte Endosom konnte durch Kolokalisationsstudien mittels Immunfluoreszenzmikroskopie gezeigt werden. N2 - In order to cause meningitis the extracellular pathogen Neisseria meningitidis has to traverse the blood-brain-barrier (BBB). It remains unclear, if the passage occurs through a transcellular or paracellular pathway. Postulating a transcellular passage, meningococci (MC) have been shown to adhere to and enter into BBB forming human brain microvascular endothelial cells (HBMECs). Furthermore, electron microscopy studies demonstrate that intracellular MC reside within membrane-bound compartments both solitary and in groups. Whether this is a result of simultaneous uptake or vacuole fusion or possible intracellular replication needs to be assessed. In order to investigate the ability of MC to survive and replicate intracellularly, prolonged gentamicin protection assays were performed using human epithelial (HEp-2) and endothelial (HBMEC) cells. Cells were infected with encapsulated and unencapsulated N. meningitidis serogroup B mutants in order to identify the potential role of the polysaccharide capsule for the intracellular survival. Encapsulated bacteria were found to be able to survive and, after an initial delay, to replicate within both endothelial and epithelial cells, whereas the number of intracellular capsule-deficient mutants decreased continuously. This strongly suggests that the capsule plays a pivotal role for the intracellular survival of MC both in epithelial and endothelial cells. Further investigations were initiated to characterise the membran-bound compartment, the Neisseria containing vacuole (NCV). Immunfluorescence microscopy studies showed that NCV acquire the early endosomal marker protein transferrin receptor and the lysosomal marker protein Lamp-1 respectively. The acquisition of further marker proteins as well as the kinetics of the association of these with NCV remain to be studied. KW - Neisseria meningitidis KW - Escherichia coli K1 KW - Meningitis KW - HBMEC KW - intrazellulär KW - Neisseria meningitidis KW - Escherichia coli K1 KW - meningitis KW - HBMEC KW - intracellular Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16552 ER - TY - THES A1 - Cholewa, Ute T1 - Procalcitonin in der Frühdiagnose der bakteriellen Meningitis T1 - Procalcitonin in the early diagnosis of bacterial meningitis N2 - Die Prognose einer lebensbedrohlichen Meningitis wird bestimmt durch möglichst erregergerechte und möglichst frühzeitige Therapie. Dabei spielt die Unterscheidung zwischen eitriger Meningitis durch typische oder schwer anzüchtbare Bakterien und abakterieller Meningitis eine Rolle, um die potentiellen Komplikationen unnötiger Polypragmasie zu vermeiden. Daher sind möglichst einfach und rasch zu bestimmende Laborparameter zur Untersuchung wünschenswert. Als relativ neuer Parameter zur Differenzierung bakterieller von nicht bakteriellen Infekten ist Procalcitonin (PCT) eingeführt, dessen Bestimmung jetzt auch am Krankenbett möglich ist. PCT hat bisher seine Nützlichkeit v. a. in der Sepsiserkennung und –therapie gezeigt. Erste Fragestellung dieser retrospektiven Analyse von Meningoencephalitispatienten war, ob bei Erwachsenen durch Messung des PCT-Spiegels eine Differenzierung zwischen bakterieller oder viraler Genese gelingt, und ob der Bedsidetest so zuverlässig ist wie der aufwändigere LUMItest®. Dazu wurden retrospektiv die Daten von 141 Patienten erhoben, die 1992-2001 an der Neurologischen Universitätsklinik Würzburg mit gesicherter Meningitis behandelt wurden, von denen sowohl Akten als auch Liquor- und Serumasservate vorlagen, in denen die PCT-Messungen durchgeführt wurden. In den Untersuchungen von Schwarz et al. [102], Gendrel et al. [100] und Jereb et al. [104] wurde bei einem PCT-Grenzwert von 0,5 ng/ml eine Spezifität von 100 % für die Differenzierung bakterielle verusus abakterielle Meninigitis gefunden. Dagegen wären bei gleicher Messmethodik im hier vorliegendem größeren Patientengut 35 % der gesicherten bakteriellen Meningitiden bei einem „cut-off“ von 0,5 ng/ml nicht als solche erkannt worden. 5 % der nicht-bakteriellen Meningitiden wären mittels PCT-Messung als bakteriell eingestuft worden. Im hier untersuchten Patientenkollektiv hatte PCT als diagnostischer Parameter für diese Fragestellung bei einem Grenzwert von 0,5 ng/ml eine Sensitivität von 65 % und eine Spezifität von 96 %. Eine 100 % Spezifität wäre in unserer Untersuchung bei einem „cut-off“ von 1 ng/ml erreicht worden. Diese Grenze wird jedoch auf dem Schnelltest nicht angegeben. Es stellte sich hier heraus, dass der PCT®-Q Schnelltest im Bereich > 0,5 ng/ml bzw. <0,5 ng/ml dem LUMItest® vergleichbare Ergebnisse lieferte. Das bedeutet zwar, dass alle bakteriellen Meningitiden durch typische Erreger (Meningokokken und Pneumokokken) rasch und sicher bettseitig mittels PCT-Schnelltest hätten identifiziert werden können. Aber ein niedriger PCT-Wert schloss eine bakterielle Meningitis, insbesondere eine durch „atypische Erreger“ wie Listerien und Mycobakterien, nicht sicher aus. Denkbare Störgrößen für das vorliegende Ergebnis sind Antibiotikagabe und Immunschwäche. Ein statistisch auffallender Einfluss einer Antibiotikatherapie auf den PCT-Spiegel konnte in unserem Patientengut nicht festgestellt werden. Für die wenigen Fälle mit anzunehmender verminderter Immunleistung ließ sich keine Regel bezüglich der PCT-Reaktion ableiten. Damit erscheint der Schnelltest im klinischen Alltag für eine 100% spezifische, sichere Unterscheidung bakterielle vs. nicht-bakterielle Meniongoencephalitis nicht geeignet; das bisher größte untersuchte Kollektiv hat den in der Literatur angegebenen „cut-off“ von 0,5 ng/ml für eine sichere Differenzierung nicht bestätigen können. Die zweite Frage ist, ob die Messung des PCT den traditionellen Parametern Liquorzellzahl, Liquoreiweiß, Liquor/Serum-Glucosequotient, BSG, Serumleukozytenzahl oder CRP bezüglich Spezifität und Sensitivität in der Differentialdiagnose überlegen ist. Es zeigte sich, dass CRP bei einem Grenzwert von 5-6 mg/dl mit einer Sensitivität und Spezifität von 95 % und 98 % die sicherste Differenzierung zwischen bakterieller und abakterieller Meningitis bei diesem Patientenkollektiv leistete. Mithin kann die PCT-Bestimmung am Krankenbett in der Akutaufnahmesituation eines Patienten mit Meningoencephalitis bei Werten > 10 ng/ml zwar treffsicher die Diagnose einer Meningokokken- oder Pneumokokken-Infektion stützen. Für jede darüber hinaus gehende Schlussfolgerung erscheint die PCT-Messung aber entbehrlich wegen mangelhafter Spezifität und Sensitivität und v.a. der Unterlegenheit gegenüber traditionell herangezogenen Laborparametern, insbesondere CRP. Folglich erwies sich die Bestimmung des PCT bei akuter Meningoencephalitis als entbehrlich. N2 - Objectives: Can serum-Procalcitonin (PCT) distinguish more exactly bacterial from abacterial meningitis/meningoencephalitis than the common parameters (like cerebrospinal fluid leukocyte count, cerebrospinal fluid protein, serum/cerebrospinal fluid glucose quotient, erythrocyte sedimentation rate, white blood cell count and C-reactive protein)? Design: Retrospective case series Patients: A total of 141 patients (56 woman, 87 men) Intervention: Blood samples Main results: By taking a cut-off-level of 0,5 ng/ml for PCT (as provided by the producer), this parameter shows a sensitivity of 65 % and specificity of 96%. It turned out that CRP did the safest distinction between bacterial and abacterial meningitis by choosing a cut-off-level of 5-6 mg/dl with a sensitivity and specificity of 95% and 98% at this patient collective. Conclusion: In this study PCT proved to be a dispensable parameter for the early diagnosis of the bacterial meningitis. KW - Procalcitonin KW - Meningitis KW - Meningoencephalitis KW - procalcitonin KW - meningitis KW - meningoencephalitis Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-16490 ER -