TY  - THES
A1  - Raspe, Matthias Eduard
T1  - Zelluläre Invasivität und molekulare Marker von kolonisierenden und Infektions-assoziierten Methicillin resistenten Staphylococcus aureus-Isolaten
T1  - Cellular invasiveness and molecular markers of colonizing and infection-associated Methicillin-resistant Staphylococcus aureus isolates
N2  - Hintergrund: Zunehmend wird der Eigenschaft von Staphylococcus aureus als fakultativ intrazellulärem Erreger Bedeutung zugemessen. Ein direkter Nachweis der in vivo Relevanz von fakultativ intrazellulärem S. aureus bleibt allerdings bisher aus. Der Mechanismus zellulärer Invasivität ist bekannt und korreliert mit verschiedenen molekularen Markern (spa-Typ, SCCmec-Typ und pls/Pls). In dieser Studie wurde die Zuverlässigkeit und Ausweitbarkeit dieser Marker getestet. Des Weiteren wurde überprüft, ob sich die zelluläre Invasivität von kolonisierenden und Infektions-assoziierten MRSA-Isolaten unterscheidet und, ob die alleinige Bestimmung molekularer Marker in vitro die Virulenz eines Isolats in vivo abzuschätzen vermag. Methoden:Insgesamt wurden 109 MRSA-Isolate gesammelt, molekular charakterisiert (spa-Typ, BURP-Analyse, SCCmec-Typ, pls, agr-Typ, Hämolyseverhalten) und das Potential zellulärer Invasivität in vitro ermittelt. Die Assoziation eines Isolates mit einer Infektion in vivo wurde nachverfolgt (93 Kolonisierer versus 16 Infektions-assoziierte-Isolate). Zusätzlich wurde eine Referenzgruppe aus 13 S. aureus-Isolaten etabliert, die klinisch mit vergleichsweise invasiven Infektionen assoziiert waren (12 Osteomyelitis-Isolate und 1 Endokarditis-Isolat). Ergebnisse: Die bekannten molekularen Marker zellulärer Invasivität korrelieren zuverlässig in einer Population klinischer MRSA-Isolate und lassen sich auch auf bisher nicht bekannte (spa- und SCCmec-) Typen ausweiten. Das Hämolyseverhalten korrelierte nicht mit der zellulären Invasivität. Der agr-Typ wurde als weiterer molekularer Marker identifiziert. Die zelluläre Invasivität war unabhängig von der Etablierung einer Infektion in vivo (mediane Invasivität der Kolonisierer 100% versus 108% der Infektions-assoziierten Studienisolate und 110% der externen Referenzisolate). Des Weiteren waren die molekularen Marker spa- und agr-Typ nicht in der Lage, die Virulenz eines MRSA-Isolats in vivo abzuschätzen. Diskussion: Die zelluläre Invasivität klinischer MRSA-Isolate korreliert zuverlässig mit molekularen Markern. Allerdings vermögen weder die zelluläre Invasivität, noch mit ihr assoziierte molekulare Marker die Etablierung einer Infektion in vivo vorherzusagen. Beide scheinen also als Surrogat-Parameter zur Abschätzung der klinischen Virulenz eines Isolats ungeeignet. Zur Klärung der Frage, ob molekulare Marker zellulärer Invasivität in anderen Abschnitten der Pathogenese von S. aureus- Infektionen eine Rolle spielen, bedarf es weiterer Studien.
N2  - Background: Fibronectin-binding of S. aureus is reported to correlate with the propensity to cause invasive infections. Cellular invasion of S. aureus is Fn dependent and clusters with molecular markers (spa type, SCCmec, Pls). Here, we tested the hypothesis that cellular invasiveness and corresponding molecular markers predict the propensity to cause infections in a prospective cohort. Methods: 109 clinical MRSA isolates were characterized (agr, spa, BURP, SCCmec, pls) and cellular invasiveness was determined. Association with clinical infection was assessed (93 colonizing vs. 16 infecting isolates). Further 13 S. aureus isolates from patients with severe S. aureus infections served as an external comparison. Results: The agr type was identified as a new marker for invasiveness and known molecular markers were corroborated. Establishment of infection was independent from cellular invasiveness of MRSA (mean colonizing vs. infecting isolates 100% and 89%, respectively; external infecting isolates: 109%). Furthermore agr and spa types were unable to predict clinical behavior. Conclusion: Cellular invasiveness of MRSA isolates clusters reproducibly with molecular markers. However, cellular invasiveness and molecular markers cannot predict establishment of infection. This suggests that both criteria may not be used as surrogate parameters for the virulence potential of human MRSA isolates.
KW  - MRSA
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Invasivität
KW  - spa
KW  - agr
KW  - SCCmec
KW  - pls
KW  - invasiveness
KW  - spa
KW  - agr
KW  - SCCmec
KW  - pls
Y1  - 2011
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-69444
ER  - 
TY  - THES
A1  - Batzilla, Christoph Friedemann
T1  - Untersuchungen zur Biofilmbildung und zum Quroum-sensing in Staphylococcus epidermidis
T1  - Investigations on biofilm formation and quorum sensing in Staphylococcus epidermidis
N2  - Das Gram-positive, Koagulase-negative Bakterium Staphylococcus epidermidis war viele Jahrzehnte als harmloser Kommensale der menschlichen Haut und der Schleimhäute bekannt. Jedoch hat sich S. epidermidis in den letzten zwanzig Jahren zu einem Haupterreger von Nosokomialinfektionen entwickelt. Dabei unterscheidet sich S. epidermidis im Vergleich zu anderen Erregern durch ein sehr begrenztes Spektrum an Pathogenitätsfaktoren, aber auch durch seine Fähigkeit, Biofilme auf künstlichen Oberflächen wie Kathetern und Implantaten formen zu können. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit zwei Hauptaspekten, die in der Pathogenität von S. epidermidis eine wichtige Rolle spielen: (i) dem Quorum-sensing System Agr (accessory gene regulator) und (ii) dem zeitlichen Prozess des Aufbaus, sowie der Regulation der Biofilmbildung von S. epidermidis. Das Quorum-sensing System Agr ist Teil eines komplexen regulatorischen Netzwerks. In der vorliegenden Arbeit wird durch Proteom- und Transkriptomanalysen gezeigt, dass das Agr-System in S._epidermidis den Hauptregulator für die Sekretion von extrazellulären Proteinen darstellt und darüber hinaus einen großen Einfluss auf die Regulation des Zentralmetabolismus und der Biosynthese von Aminosäuren hat. Mittels Mikroarray-Analyse konnte eine wichtige Verknüpfung des Agr-Systems mit dem pleiotrophen Repressor CodY identifiziert werden, der viele stationäre-Phase Gene im S._epidermidis Wildtyp reprimiert, jedoch nicht in der getesteten agr Mutante. Dieses führt zu einem stark veränderten Phänotyp der S. epidermidis agr Mutante, in Hinblick auf Wachstumskapazität, der Biofilmbildung, der Invasivität und dem Langzeitüberleben. Interessanterweise ergaben wissenschaftliche Studien, dass ca. 17 % der klinischen Isolate natürlich vorkommende agr Mutanten sind. Dieses könnte ein Hinweis darauf sein, dass S. epidermidis agr Mutanten aufgrund ihres stark veränderten Phänotyps und ihrer veränderten biochemischen Bedürfnisse und Kapazität in der Lage sind, andere ökologische Nischen im menschlichen Wirt zu besiedeln. Der zweite Teil dieser Arbeit hat die Biofilmbildung von S. epidermidis zum Thema. Durch die Etablierung eines standardisierten Modells der Biofilmbildung, war es möglich, über die Einführung einer Biofilm-Adhäsion-Ratio die Biofilmbildung als zeitlichen dynamischen Prozess darzustellen und verschiedenste Bedingungen und Stämme miteinander zu vergleichen. Dabei zeigte sich, dass die Biofilmbildung in S._epidermidis ein klar zeitlich strukturierter Prozess ist, der von Umweltfaktoren und der Nährstoffsituation abhängig ist, und dass verschiedene Stämme sehr unterschiedlich auf Veränderungen in ihrer Umwelt reagieren. Die zeitliche Analyse der Biofilmbildung mittels konfokaler Lasermikroskopie ergab, dass viele der Bakterien im Biofilm sterben. Dieses macht den Biofilm wesentlich anfälliger für Strömungsscherkräfte, die dann ganze Bakterienverbände ablösen und zu neuen Infektionsherden schwemmen könnten. Somit ermöglicht der Tod einer einzelnen Zelle unter Umständen ein besseres klonales Überleben. Die Mikroarray-Analysen der Genexpression im Biofilm zeigten, dass dieser einen physiologisch klar definierten Prozess durchläuft, der zu einer sehr stark verminderten metabolischen Aktivität und einer erhöhten Antibiotika-Resistenz führt. Darüber hinaus zeigen Bakterien im Biofilm einen weniger aggressiven Charakter, wie die Expression von Proteasen oder anderer Pathogenitätsfaktoren, welches S. epidermidis dabei hilft, dem Immunsystem des Wirts zu entgehen. Diese neuen Ergebnisse zur Regulation der Genexpression im Biofilm und zur Rolle des Quorum-sensing Systems Agr in S. epidermidis tragen wesentlich zum Verständnis der Pathogenität und der Physiologie dieses wichtigen nosokomialen Erregers bei. Sie bilden eine wichtige theroretische Grundlage für weiterführende Studien, mit dem Ziel in Zukunft neue Therapie- und Präventionsansätze gegen S. epidermidis-Infektionen zu entwickeln.
N2  - The gram-positve, coagulase-negative bacterium Staphylococcus epidermidis was regarded as a harmless commensal of the human skin and mucosa. However, in the last two decades S. epidermidis has emerged as one of the major causes of nosocomial infections. In contrast to other infectious bacteria, S. epidermidis possesses only a limited number of pathogenicity factors, but forms a thick biofilm on artificial devices such as catheters and implants. This thesis deals with two main aspects of the pathogenicity of S. epidermidis: (i) the Quorum-sensing system Agr (accessory gene regulator) and (ii) the aspects of time dependency of biofilm formation and its regulatory mechanism. The Quorum-sensing system Agr is part of a complex network in Staphylococci. This work demonstrates that the Agr-System is the main regulator for the extracellular proteome. Moreover, it affects directly and indirectly the central metabolism and the biosynthesis of amino acids in S. epidermidis. By employing microarray and proteome analyses the pleiotrophic repressor CodY was identified as an important player which interacts with the Agr-system and influences staphylococcal metabolism. CodY is responsible for the repression of late stationary phase genes. Proteome and transcriptome analyses along the growth curve revealed that this effect occurs only in the S. epidermidis agr wild type, while the S. epidermidis agr mutant expresses late stationary phase genes right from the beginning of the exponential growth stage. This leads to a strongly altered phenotype of the S. epidermidis agr mutant concerning growth capacities, biofilm formation, invasion into host cells and long term survival. Interestingly, another study has shown recently that about 17 % of all clinical isolates are naturally occurring S. epidermidis agr mutants. This supports the hypothesis that S. epidermidis agr mutants are capable of clonizing alternative ecological niches by their strong altered biochemical and physiological properties. The main focus in the second part of this thesis aims at biofilm formation of S. epidermidis. In order to compare different conditions and strains for their biofilm capacity, a standardized protocol was established and a simple mathematical model was introduced. These investigations underlined that biofilm formation in S. epidermidis is a chronologically synchronized, but dynamic process which depends on environmental conditions and nutrition supply. In addition, different strains display variations in responsing to altered environmental conditions. Interestingly, S. epidermidis is not able to detach from a biofilm in form of single cells. s shown by confocal laser microscopy over a time course of 48 hours, bacteria rather die off in the inner zones of the biofilm. By this means, the structure gets instable and more susceptible to shearing forces resulting in detachment and drifting of bacterial clusters which are then transported to novel colonization sites. Therefore, death of a single cell might be an advantage for the clonal survival. This is in accordance with the data of gene expression analyses by microarrays. Moreover, these analyses show that biofilm formation in S. epidermidis is a strongly regulated process under very special physiological conditions. Obviously, biofilm formation leads to a diminished metabolic activity, a higher antibiotic resistant and to a diminished secretion of extracellular proteins and other immunogenic substances which supports the evasion of S. epidermidis from the host immune response. The results on regulation of biofilm formation and the function of the Agr system give interesting new insights into the pathogenicity and physiology of this important pathogen and its survival in the human host. The data provide an excellent theoretical basis for future experimental work aiming at the development of new therapeutic strategies against S. epidermidis infections.
KW  - Staphylococcus epidermidis
KW  - Biofilm
KW  - Genregulation
KW  - S. epidermidis
KW  - Biofilm
KW  - agr
KW  - proteom
KW  - transcriptom
KW  - S. epidermidis
KW  - biofilm
KW  - agr
KW  - proteom
KW  - transcriptom
Y1  - 2007
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-22278
ER  - 
TY  - THES
A1  - Audretsch, Christof
T1  - Analysing Quorum Sensing and Biofilm formation in Staphylococcus aureus
T1  - Untersuchungen des Quorum-Sensing und der Biofilm-Bildung in Staphylokokkus aureus
N2  - Staphylococcus aureus (SA) causes nosocomial infections including life threatening sepsis by multi-resistant strains (MRSA). It has the ability to form biofilms to protect it from the host immune system and from anti staphylococcal drugs. Biofilm and planctonic life style is regulated by a complex Quorum-Sensing (QS) system with agr as a central regulator. To study biofilm formation and QS mechanisms in SA a Boolean network was build (94 nodes, 184 edges) including two different component systems such as agr, sae and arl. Important proteins such as Sar, Rot and SigB were included as further nodes in the model. System analysis showed there are only two stable states biofilm forming versus planctonic with clearly different subnetworks turned on. Validation according to gene expression data confirmed this. Network consistency was tested first according to previous knowledge and literature. Furthermore, the predicted node activity of different in silico knock-out strains agreed well with corresponding micro array experiments and data sets. Additional validation included the expression of further nodes (Northern blots) and biofilm production compared in different knock-out strains in biofilm adherence assays. The model faithfully reproduces the behaviour of QS signalling mutants. The integrated model allows also prediction of various other network mutations and is supported by experimental data from different strains. Furthermore, the well connected hub proteins elucidate how integration of different inputs is achieved by the QS network. For in silico as well as in vitro experiments it was found that the sae-locus is also a central modulator of biofilm production. Sae knock-out strains showed stronger biofilms. Wild type phenotype was rescued by sae complementation. To elucidate the way in which sae takes influence on biofilm formation the network was used and Venn-diagrams were made, revealing nodes regulated by sae and changed in biofilms. In these Venn-diagrams nucleases and extracellular proteins were found to be promising nodes. The network revealed DNAse to be of great importance. Therefore qualitatively the DNAse amount, produced by different SA mutants was measured, it was tried to dissolve biofilms with according amounts of DNAse and the concentration of nucleic acids, proteins and polysaccharides were measured in biofilms of different SA mutants.
With its thorough validation the network model provides a powerful tool to study QS and biofilm formation in SA, including successful predictions for different knock-out mutant behaviour, QS signalling and biofilm formation. This includes implications for the behaviour of MRSA strains and mutants. Key regulatory mutation combinations (agr–, sae–, sae–/agr–, sigB+, sigB+/sae–) were directly tested in the model but also in experiments. High connectivity was a good guide to identify master regulators, whose detailed behaviour was studied both in vitro and in the model. Together, both lines of evidence support in particular a refined regulatory role for sae and agr with involvement in biofilm repression and/or SA dissemination. With examination of the composition of different mutant biofilms as well as with the examination of the reaction cascade that connects sae to the biofilm forming ability of SA and also by postulating that nucleases might play an important role in that, first steps were taken in proving and explaining regulatory links leading from sae to biofilms. Furthermore differences in biofilms of different mutant SA strains were found leading us in perspective towards a new understanding of biofilms including knowledge how to better regulate, fight and use its different properties.
N2  - Staphylococcus aureus (SA) ist Auslöser nosocomialer Infektionen, darunter auch die, durch multiresistente Stämme (MRSA) verursachte, lebensbedrohliche Sepsis. Er hat die Fähigkeit Biofilme zu bilden, um sich vor dem Immunsystem des Wirtes und vor Antibiotika zu schützen. Biofilm und planktonische Lebensweise werden durch ein komplexes Quorum-Sensing (QS) System mit agr als zentralem Regulator gesteuert. Um die Biofilm Bildung und QS Mechanismen in SA zu untersuchen, wurde ein Boole´sches Netzwerk erstellt (94 Knoten, 184 Kanten) das verschiedene Zwei-Komponenten-Systeme wie agr, sae und arl mit einschließt. Wichtige Proteine wie Sar, Rot und SigB wurden als weitere Knoten im Modell eingefügt. Die Systemanalyse zeigte, dass es nur zwei stabile Zustände gibt, Biofilm bildend versus planktonisch, in denen deutlich unterschiedliche Subnetzwerke angeschaltet sind. Überprüfungen anhand von Gen-Expressions-Daten bestätigten dies. Die Netzwerkstabilität wurde zuerst an Hand von bestehendem Wissen und Literatur getestet. Zudem stimmte die vorhergesagte Aktivität der Knoten in verschiedenen in silico Knock-out Stämmen sehr gut mit den zugehörigen Micro-array Experimenten und Daten überein. Zusätzliche Validierungen schlossen die Expression weiterer Knoten (Northern Blots) und die Biofilm Produktion, verglichen durch Biofilm adherence assays, in verschiedenen Knock-out Stämmen mit ein. Das Modell spiegelt zuverlässig das Verhalten von QS-Signal Mutanten wieder. Das integrierte Modell erlaubt auch Vorhersagen von diversen anderen Netzwerk Mutationen und wird durch experimentelle Daten unterschiedlicher Stämme gestützt. Außerdem zeigen die gut vernetzten Hubproteine im Detail auf, wie die Verarbeitung unterschiedlicher Eingangssignale durch das QS-Netzwerk erreicht wird. Sowohl für in silico als auch für in vitro Experimente konnte gezeigt werden, dass der sae-Locus auch einen zentralen Modulator der Biofilm Produktion darstellt, sae Knock-out Stämme zeigten stärkere Biofilme. Der Wildtyp Phänotyp wurde durch sae Komplementierung wiederhergestellt. Um die Art und Weise, mit der sae Einfluss auf die Biofilm Bildung nimmt, aufzuklären wurde das Netzwerk genutzt und Venn-Diagramme angefertigt, welche Knoten aufzeigten, die durch sae reguliert- und in Biofilmen verändert sind. In den Venn-Diagrammen wurden Nucleasen und extrazelluläre Proteine als vielversprechende Knoten gefunden. Das Netzwerk zeigte, dass DNAse von großer Bedeutung ist. Deswegen wurde qualitativ die, durch unterschiedliche SA Mutanten produzierte, DNAse-Menge gemessen, es wurde versucht den Biofilm mit vergleichbaren DNAse-Mengen aufzulösen und die Konzentration von Nukleinsäuren, Proteinen und Polysacchariden wurde in Biofilmen unterschiedlicher SA Mutanten gemessen.
Aufgrund seiner sorgfältigen Überprüfung stellt das Netzwerk-Modell ein mächtiges Werkzeug zur Untersuchung von QS und Biofilm Bildung in SA dar, erfolgreiche Vorhersagen über das Verhalten unterschiedlicher Knock-out Mutanten, QS Signale und Biofilm Bildung eingeschlossen. Dies beinhaltet Prognosen für das Verhalten von MRSA Stämmen und Mutanten. Zentrale regulatorische Mutationskombinationen (agr–, sae–, sae–/agr–, sigB+, sigB+/sae–) wurden direkt im Model aber auch in Experimenten getestet. Hohe Konektivität war ein guter Anhaltspunkt, um Hauptregulatoren zu identifizieren, deren Verhalten in vitro und im Modell untersucht wurde. Zusammen unterstützen beide Beweisführungen im Besonderen eine präzise regulatorische Rolle von sae und agr in Bezug auf Biofilm Unterdrückung und/oder SA Ausbreitung. Mit der Untersuchung der Zusammensetzung von Biofilmen unterschiedlicher Mutanten, ebenso wie mit der Untersuchung der Reaktionskaskade die sae mit der Biofilm Bildungsfähigkeit von SA verbindet und auch dem Überprüfen der Annahme, dass Nukleasen eine bedeutende Rolle hierin spielen könnten, wurden erste Schritte unternommen, um regulatoische Interaktionen zwischen sae und Biofilmen zu belegen und zu untersuchen. Des Weiteren wurden Unterschiede in Biofilmen verschiedener mutierter SA Stämme gefunden, die uns voraussichtlich zu einem neuem Verständnis von Biofilmen und damit zu Wissen führen, wie ihre Eigenschaften reguliert, bekämpft und genutzt werden können.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Biofilm
KW  - Simulation
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Quorum-Sensing
KW  - Simulation
KW  - Biofilm
KW  - sae
KW  - agr
KW  - sar
KW  - DNAse
Y1  - 2013
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-92189
ER  -