TY  - THES
A1  - Oesterreich, Babett
T1  - Preclinical development of an immunotherapy against antibiotic-resistant Staphylococcus aureus
T1  - Präklinische Entwicklung einer Immuntherapie zur Behandlung Antibiotika-resistenter Staphylococcus aureus
N2  - The Gram-positive bacterium Staphylococcus aureus is the leading cause of nosocomial infections. In particular, diseases caused by methicillin-resistant S. aureus (MRSA) are associated with higher morbidity, mortality and medical costs due to showing resistance to several classes of established antibiotics and their ability to develop resistance mechanisms against new antibiotics rapidly. Therefore, strategies based on immunotherapy approaches have the potential to close the gap for an efficient treatment of MRSA.
In this thesis, a humanized antibody specific for the immunodominant staphylococcal antigen A (IsaA) was generated and thoroughly characterized as potential candidate for an antibody based therapy. A murine monoclonal antibody was selected for humanization based on its binding characteristics and the ability of efficient staphylococcal killing in mouse infection models. The murine antibody was humanized by CDR grafting and mouse and humanized scFv as well as scFv-Fc fragments were constructed for comparative binding studies to analyse the successful humanization. After these studies, the full antibody with the complete Fc region was constructed as isotype IgG1, IgG2 and IgG4, respectively to assess effector functions, including antibody-dependent killing of S. aureus. The biological activity of the humanized antibody designated hUK-66 was analysed in vitro with purified human PMNs and whole blood samples taken from healthy donors and patients at high risk of S. aureus infections, such as those with diabetes, end-stage renal disease, or artery occlusive disease (AOD).
Results of the in vitro studies show, that hUK-66 was effective in antibody-dependent killing of S. aureus in blood from both healthy controls and patients vulnerable to S. aureus infections. Moreover, the biological activity of hUK-66 and hUK-66 combined with a humanized anti-alpha-toxin antibody (hUK-tox) was investigated in vivo using a mouse pneumonia model. The in vivo results revealed the therapeutic efficacy of hUK-66 and the antibody combination of hUK-66 and hUK-tox to prevent staphylococcal induced pneumonia in a prophylactic set up.
Based on the experimental data, hUK-66 represents a promising candidate for an antibody-based therapy against antibiotic resistant MRSA.
N2  - Staphylococcus aureus ist ein bedeutender nosokomialer Erreger, der eine Vielzahl von Infektionen im Menschen verursacht. Besonders Krankheiten, die durch Methicillin resistente S. aureus (MRSA) verursacht werden, sind mit einer erhöhten Morbidität, einer höheren Sterblichkeitsrate und hohen medizinischen Kosten verbunden. Seine besondere medizinische Bedeutung erlangte S. aureus durch die Ausbildung von Resistenzen gegen eine Vielzahl von Antibiotika und seiner Fähigkeit auch gegen neu entwickelte Antibiotika schnell Resistenzmechanismen auszubilden. Aus diesem Grund, ist die Entwicklung von neuen Therapieansätzen von besonderer Bedeutung, um die entstandene Lücke für eine effektive MRSA-Therapie zu schließen.
In dieser Arbeit wurde ein humanisierter monoklonaler Antikörper entwickelt und charakterisiert, der spezifisch an das „immunodominant staphylococcal antigen A“ (IsaA) bindet. Dieser Antiköper wurde auf Grund seiner Eigenschaft, in einem Mausmodell effektiv S. aureus abzutöten, als vielversprechender Kandidat für eine Antikörper-Therapie ausgewählt. Der murine Vorläuferantikörper wurde mittels „CDR grafting“ humanisiert und durch die Generierung von humanisierten und murinen scFv und scFv-Fc Fragmenten, die in vergleichenden Bindungsstudien getestet wurden, konnte der Erfolg der Humanisierung beurteilt werden. Im Anschluss wurde der vollständige Antikörper mit vollständig funktionaler Fc-Region in den Isotypen IgG1, IgG2 und IgG4 hergestellt. Die Funktionalität des humanisierten Antikörpers wurde in vitro mittels aufgereinigter PMNs und Blutproben von gesunden Spendern und Patienten bestimmt, die ein hohes Risiko für S. aureus Infektionen besitzen wie Diabetiker, Dialyse-Patienten und Patienten mit arterieller Verschlusskrankheit.
Die Ergebnisse der in vitro-Studien zeigen, dass der anti-IsaA-Antikörper hUK-66 nicht nur S. aureus effektiv in Blutproben von gesunden Spendern abtötet, sondern auch in Blutproben von Patienten mit erhöhter Anfälligkeit für S. aureus Infektionen. Darüber hinaus wurde die biologische Aktivität des humanisierten Antikörpers gegen IsaA als Monotherapie und in Kombination mit einem humanisierten anti-alpha-Toxin-Antikörper (hUK-tox) in vivo in einem Maus Pneumonie Modell untersucht. Hierbei konnte gezeigt werden, dass die prophylaktische Verabreichung von hUK-66 sowie die Kombination von hUK-66 und hUK-tox, die Bildung einer Staphylokokken-induzierten Pneumonie mit Todesfolge signifikant senkt.
KW  - Staphylococcus
KW  - Immunotherapy
Y1  - 2017
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-123237
ER  - 
TY  - THES
A1  - Jarick, Marcel
T1  - Molekulare und funktionelle Charakterisierung der Serin/Threonin-Proteinkinase Stk und -Proteinphosphatase Stp von \(Staphylococcus\) \(aureus\)
T1  - Molecular and functional characterization of the serine/threonine protein kinase Stk and Protein phosphatase Stp of \(Staphylococcus\) \(aureus\)
N2  - Staphylococcus aureus ist ein Kommensale, der die menschliche Haut und Schleimhaut der Nase und des Rachens besiedelt. Der Keim verursacht aufgrund zahlreicher Virulenzfaktoren leichte aber auch schwere Infektionen wie Pneumonie, Endokarditis oder Sepsis. Die Behandlung von S. aureus-Infektionen gestaltet sich heutzutage schwierig, da der Keim Resistenzen gegen verschiedenste Antibiotika ausgebildet hat. Zur Bekämpfung dieser Resistenzen werden neue Antibiotika benötigt, die u.a. mit der Zellphysiologie und der Zellwandwandsynthese der Bakterien interferieren. 
Die Zellphysiologie und Zellwandsynthese wird abhängig von der Wachstumsphase und Umwelt-einflüssen in den Bakterien streng reguliert. Neben den Zweikomponentensystemen sind Serin/Threonin-Proteinkinasen und -Phosphatasen wesentliche Sensoren und Regulatoren der Bakterien. Durch Phosphorylierung und Dephosphorylierung bewirken diese beiden Systeme eine Hemmung oder Aktivierung der entsprechenden Zielproteine. Dadurch kann sich die Bakterienzelle an innere und äußere Reize anpassen. In dieser Arbeit wurde die konservierte Serin/Threonin-Proteinkinase Stk und die Serin/Threonin-Phosphatase Stp von S. aureus untersucht. Die beiden Proteine Stk und Stp haben einen großen Einfluss auf die Signalweiterleitung, den zentralen Metabolismus, die Stressantwort, die Antibiotikaresistenz und die Virulenz von S. aureus. 
Im ersten Teil dieser Arbeit wird dargelegt, dass Stk und Stp in der bakteriellen Membran lokalisiert sind, dort miteinander interagieren und antagonistisch Zielproteine phosphorylieren bzw. dephospho-rylieren. Die Deletion der Phosphatase Stp bewirkt, dass zahlreiche Proteine in der Zelle permanent phosphoryliert und daher vermutlich nur noch eingeschränkt funktionstüchtig sind. Die ausbleibende Dephosphorylierung der Proteine in der stp-Mutante hat einen dramatischen Effekt auf die Zellwand-synthese und die Virulenz von S. aureus. So hat die stp-Mutante eine verdickte Zellwand und ist weniger virulent als die stk-Mutante und der Wildtypstamm. Im Rahmen dieser Arbeit wird erstmals eine Erklärung präsentiert, die die strukturellen Besonderheiten von Stk und deren Auswirkung auf die Zellwandsynthese zusammenführt: In der stp-Mutante akkumulieren Zellwandvorläufer in der Zelle, da vermutlich die entsprechenden Zellwandsyntheseproteine durch Stk-vermittelte Phosphorylierung gehemmt werden. Die Proteine FemXAB nehmen eine zentrale Rolle in der Zellwandsynthese ein, indem sie die Pentaglycin-Interpeptidbrücke des Zellwandvorläufers Pentaglycin-Lipid II syntheti-sieren. Stk wird durch die Bindung seiner extrazellulären Domänen an Pentaglycin-Lipid II aktiviert. In der vorliegenden Arbeit konnte FemX als in vitro Substrat von Stk und Stp identifiziert werden. Die permanente Phosphorylierung von FemX in der stp-Mutante führt zur verminderten Synthese der Pentaglycin-Brücken am Lipid II und infolgedessen zum Einbau von unvollständigen Muropeptiden in den neuen Peptidoglycanstrang. Diese strukturelle Veränderung führt zur Verdickung der Zellwand und folglich zur verminderten Empfindlichkeit gegenüber der Glycyl-Glycinpeptidase Lysostaphin. Neben FemX interagiert Stk mit weiteren Zellwandsyntheseproteinen wie FemAB und einigen Zellteilungsproteinen. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass Stk das Vorkommen seines extrazellulären Liganden Lipid II detektiert und dementsprechend die Zellwandsynthese über FemX reguliert.
Im zweiten Teil der Arbeit wurde anhand verschiedener Omics-Techniken die stk-, stp- und stk/stp-Mutante im Vergleich zum S. aureus NewmanHG Wildtyp charakterisiert. Dabei zeigten sich teilweise große Unterschiede zwischen der stp-Mutante und den anderen Stämmen. Mit diesen Unter-suchungen konnten Ergebnisse aus anderen Studien bestätigt und mit weiteren Daten untermauert werden. So lässt sich die verminderte Virulenz der stp-Mutante mit der reduzierten Expression und Sekretion von Toxinen wie Hämolysinen und Leukozidinen erklären. Dies führt zu einer verminderten Hämolyse von Erythrozyten und einer verminderten Immunantwort gegen diese Toxine im Infektions-versuch. Stk und Stp phosphorylieren bzw. dephosphorylieren Transkriptionsfaktoren und Antwort-regulatoren von Zweikomponentensystemen, was zu der veränderten Expression und Sekretion der Virulenzfaktoren führt. Die Analyse der Mutanten offenbart, dass Stk ein negativer und Stp ein positiver Regulator der Virulenz in S. aureus ist. Außerdem regulieren Stk und Stp zentrale Aspekte des Metabolismus in S. aureus. So ist die Konzentration an Nukleotidtriphosphaten in der stp-Mutante reduziert, was auf eine verminderte Expression der Gene der Pyrimidinsynthese zurückzuführen ist. Anhand dieser Ergebnisse wird deutlich, dass Stk und Stp wesentliche Aspekte der Zellphysiologie wie die Zellwandsynthese, den zentralen Metabolismus und die Virulenz von S. aureus regulieren.
N2  - Staphylococcus aureus is a commensal that inhabits the human skin and mucosa. S. aureus causes a large variety of nosocomial and community-acquired infections. Nowadays, it is difficult to treat S. aureus infections because this bacterium has acquired resistance to multiple drugs. Therefore, there is a need for new antimicrobial drugs against S. aureus. The most promising strategy to combat antibiotic resistance is to find novel antibiotics which interfere with the cell physiology and cell wall synthesis pathway.
The cell physiology and cell wall synthesis is tightly regulated depending on the bacterial growth phase and environmental influences. In addition to the two-component systems, serine/threonine protein kinases are essential sensors and regulators of bacteria. By phosphorylation and dephosphorylation, these systems cause inhibition or activation of the corresponding target proteins. This allows the bacterial cell to adapt to internal and external stimuli. In this work, the conserved serine/threonine protein kinase Stk and the phosphatase Stp in S. aureus were investigated. The two proteins Stk and Stp influence signal transduction, central metabolism, stress response, antibiotic resistance and virulence of S. aureus.
In the first part of this work it is shown that Stk and Stp are localized in the bacterial membrane, where they interact with each other and phosphorylate or dephosphorylate target proteins antagonistically. The deletion of the phosphatase Stp leads to numerous proteins in the cell being permanently phosphorylated, which renders them partially unfunctional. The lack of protein dephosphorylation in the stp mutant has a dramatic effect on cell wall synthesis and virulence of S. aureus. Thus, the stp mutant has a thickened cell wall and is less virulent than the stk mutant and the wild-type strain. This work brings together the structural characteristics of Stk and their effect on cell wall synthesis for the first time. In the stp mutant, cell wall precursors accumulate in the cell, presumably because the corresponding cell wall synthesis proteins are inhibited by Stk-mediated phosphorylation. The proteins FemXAB play a key role in cell wall synthesis by synthesizing the pentaglycine interpeptide bridge of the final cell wall precursor pentaglycine lipid II. The pentaglycine lipid II is bound by the extracellular domains of Stk, thereby activating Stk. In the present work, FemX was identified as an in vitro substrate of Stk and Stp. The permanent phosphorylation of FemX in the stp mutant leads to inhibited synthesis of the pentaglycine bridges on the lipid II and consequently to the incorporation of incomplete muropeptides into the new peptidoglycan strand. This structural change leads to thickening of the cell wall and consequently reduced sensitivity to the glycyl-glycine peptidase lysostaphin. In addition to FemX, Stk interacts with other cell wall synthesis proteins such as FemAB and some cell division proteins. These results illustrate that Stk detects the presence of its extracellular ligand lipid II. This leads to an inhibition of FemX and a downregulation of the cell wall synthesis pathway.
In the second part of this work, the stk, stp and stk/stp mutants were characterized by different omics- techniques in comparison to the S. aureus NewmanHG wild-type. There were some major differences between the stp mutant and the other strains. With these investigations, results from other studies were confirmed and substantiated with further data. Thus, the reduced virulence of the stp mutant can be explained by the reduced expression and secretion of toxins such as hemolysins and leukocidines. This leads to a reduced hemolysis of erythrocytes and a reduced immune response to these toxins in the infection experiment. Stk and Stp phosphorylate or dephosphorylate transcription factors and response regulators of two-component systems resulting in altered expression and secretion of virulence factors. Analysis of the mutants reveals that Stk is a negative and Stp is a positive regulator of virulence in S. aureus. In addition, Stk and Stp regulate central aspects of S. aureus metabolism. Thus, the concentration of nucleotide triphosphates in the stp mutant is reduced, which is due to a reduced expression of the genes of pyrimidine synthesis. From these results it becomes clear that Stk and Stp regulate essential aspects of cell physiology such as cell wall synthesis, central and virulence in S. aureus. This study of the function of Stk and Stp contributes significantly to the understanding of regulatory processes by phosphorylation in the bacterial cell.
KW  - Kinase
KW  - Phosphatase
KW  - Stk
KW  - Stp
KW  - Staphylococcus
KW  - Zellwand
KW  - FemX
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-176542
ER  -