TY  - THES
A1  - von Papen, Hans Michael
T1  - Untersuchungen zum Einfluss der Meningokokkeninfektion auf den Zellzyklus von Epithelzellen
T1  - Disease and carrier isolates of Neisseria meningitidis cause G1 cell cycle arrest in human epithelial cells
N2  - Zahlreiche humanpathogene bakterielle Erreger können ihre Fähigkeit zur Kolonisation epithelialer Barrieren optimieren, indem sie mit dem Zellzyklus der infizierten Wirtszelle in Wechselwirkung treten und so die Abschilferung und Erneuerung des Epithels verzögern. Die hierbei wirksamen bakteriellen Effektoren sind als „Cyclomoduline“ bekannt und gelten als neue Klasse bakterieller Pathogenitätsfaktoren. Ziel der vorliegenden Promotionsarbeit war es zu untersuchen, ob durch die Infektion menschlicher pharyngealer Epithelzellen mit N. meningitidis der Zellzyklus der Wirtszelle beeinflusst wird. Mit zwei verschiedenen Untersuchungsmethoden konnte übereinstimmend gezeigt werden, dass die Infektion der Epithelzelllinie Detroit 562 mit verschiedenen Meningokokkenisolaten zu einer signifikanten Akkumulation von Epithelzellen in der G1-Phase führte. Dieser Effekt wurde sowohl von pathogenen Meningokokkenstämmen als auch von Trägerstämmen ausgelöst, jedoch nur durch Isolate, die fähig zur Adhärenz und zur Invasion in die Epithelzelle waren. Durch Hitzebehandlung der Bakterien konnte der Zellzyklusarrest vollständig aufgehoben werden. Ebenso konnte der Effekt durch Inkubation der Epithelzellen mit bakteriellen Kulturüberständen und durch Infektion der Zellen mit E. coli-Stämmen, welche die Meningokokkenadhäsine Opa und Opc überexprimieren, nicht ausgelöst werden.
Es konnte weiterhin nachgewiesen werden, dass die Infektion mit N. meningitidis in der Zielzelle zu einer signifikant gesteigerten Expression des CDK-Inhibitors p21WAF1/Cip1 führte, begleitet von einer vermehrten Lokalisation im Zellkern. Auch zeigte sich eine veränderte Proteinexpression der für die G1-Phase relevanten Cycline D und E. Diese scheint sich erst posttranslational zu ereignen, da die unterschiedliche Expression auf mRNA-Ebene nicht festgestellt werden konnte.
Zusammenfassend konnte dargestellt werden, dass die Infektion von Pharynxepithelzellen mit lebenden, zur Adhärenz und Invasion fähigen Meningokokkenstämmen in der menschlichen Zielzelle einen Zellzyklusarrest in der G1-Phase verursacht, vermutlich durch veränderte Expression der Zellzyklusregulatoren p21WAF1/Cip1, Cyclin D und Cyclin E. Möglicherweise stellt die Induktion dieses Zellzyklusarrestes einen wichtigen Schritt in der Pathogenese der bakteriellen Kolonisation des oberen Atemwegsepithels durch N. meningitidis dar.
N2  - Several microbial pathogens have developed mechanisms to modulate host cell cycle progression in order to improve bacterial colonization of epithelial barriers. The required bacterial effectors were summarized as “cyclomodulins” and have been proposed to be a new class of virulence factors. The objective of this doctoral research study was to analyze the capability of N. meningitidis to interfere with the cell cycle progression in human pharyngeal epithelial cells. Using two different methods for cell cycle analysis, we show that infection of the human pharyngeal epithelial cell line Detroit 562 with different meningococcal isolates induces an arrest of epithelial host cells in the G1 phase. This effect was caused by infection with both pathogenic isolates and carriage isolates, but only by strains able to adhere to and to invade into the host cells. Heat-inactivation of the bacteria prior to infection completely prevented the cell cycle arrest. Moreover treatment of epithelial cells with bacterial supernatants, as well as infection with E. coli strains expressing neisserial adhesins Opa and Opc did not induce the cell cycle arrest.
We further demonstrate that infection of Detroit 562 cells with N. meningitidis leads to a significantly increased expression of the CDK-inhibitor p21WAF1/Cip1 in the host cell, as well as its increased nuclear localization. The protein expression of cyclin D and E, which are relevant for progression through the G1 phase, were altered by bacterial infection, too. This effect is most likely induced by posttranslational modification, since bacterial infection did not affect Cyclin D and E mRNA levels.
In conclusion, we demonstrate that infection of human pharyngeal epithelial cells with different isolates of N. meningitidis arrests the host cells at the G1 phase, most likely by affecting the expression of the cell cycle regulators p21WAF1/Cip1, cyclin D and Cyclin E. Potentially, induction this cell cycle arrest is an important step in the pathogenesis of meningococcal colonization and further infection.
KW  - Neisseria meningitidis
KW  - Zellzyklus
KW  - Epithel
KW  - cell cycle
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-192862
ER  - 
TY  - THES
A1  - Simonis, Alexander
T1  - Untersuchungen zur funktionellen Relevanz der sauren Sphingomyelinase in der Infektionspathogenese von \(Neisseria\) \(meningitidis\)
T1  - Functional analysis of the acid sphingomyelinase in the infection pathogenesis of \(Neisseria\) \(meningitidis\)
N2  - Die Interaktion mit Gehirnendothelzellen stellt ein zentraler Schritt in der Infektionspathogenese von Neisseria meningitidis dar. In dieser Promotionsarbeit konnte gezeigt werden, dass die Infektion von menschlichen Gehirnendothelzellen mit N. meningitidis zu einer transienten Aktivierung der sauren Sphingomyelinase (ASM) gefolgt von einer vermehrten Ceramidproduktion führt. Als Antwort auf die Infektion mit N. meningitidis kommt es zu einer vermehrten Präsentation der ASM und von Ceramiden an der äusseren Seite der Plasmamembran und zu einer Ausbildung von großen Ceramid-reichen Membran-Domänen, welche mit cortical plaque assoziierten Proteinen kolokalisieren. Bei dieser N. meningitids vermittelten Aktivierung der ASM spielt das bakterielle Aussenmembranprotein Opc sowie die Aktivierung der Phosphatidylcholin-spezifische Phospholipase C über die Interaktion von Opc mit Heparansulfat-Proteoglykane eine entscheidende Rolle. Die pharmakologische oder genetische Inhibition der ASM Funktion führt zu einer geringeren Invasivität der Meningokokken ohne dabei die Adhärenz zu beeinflussen. Im Einklang mit diesen Ergebnissen steht die Beobachtung, dass die geringere Invasivität von ausgewählten Isolaten des ST-11/ST-8 Komplex in menschlichen Gehirnendothelzellen direkt mit ihrer eingeschränkter Fähigkeit korreliert, die ASM zu aktivieren bzw. eine Ceramidproduktion zu induzieren. Schlussfolgernd ist die ASM Aktivierung und eine nachfolgende Ceramidproduktion essenziell für die Internalisierung von Opc-exprimierende Meningokokken in Gehirnendothelzellen und bietet einen Erklärungsansatz für die unterschiedliche Invasivität von verschiedenen N. meningitidis Stämmen.
N2  - The interaction with brain endothelial cells is central to the pathogenicity of Neisseria meningitidis infections. Here, we show that N. meningitidis causes transient activation of acid sphingomyelinase (ASM) followed by ceramide release in brain endothelial cells. In response to N. meningitidis infection, ASM and ceramide are displayed at the outer leaflet of the cell membrane and condense into large membrane platforms which also colocalize with cortical plaque associated proteins. The outer membrane protein Opc and phosphatidylcholine-specific phospholipase C that is activated upon binding of the pathogen to heparan sulfate proteoglycans, are required for N. meningitidis-mediated ASM activation. Pharmacologic or genetic ablation of ASM abrogated meningococcal internalization without affecting bacterial adherence. In accordance, the restricted invasiveness of a defined set of pathogenic isolates of the ST-11/ST-8 clonal complex into brain endothelial cells directly correlated with their restricted ability to induce ASM and ceramide release. In conclusion, ASM activation and ceramide release are essential for internalization of Opc-expressing meningococci into brain endothelial cells, and this segregates with invasiveness of N. meningitidis strains.
KW  - Neisseria meningitidis
KW  - Ceramide
KW  - Sphingomyelinphosphodiesterase
KW  - Saure Sphingomyelinase
KW  - Gehirnendothelzellen
KW  - Ceramid-reiche Membrandomänen
KW  - acid sphingomyelinase
KW  - human brain microvascular endothelial cells
KW  - Ceramide-enriched membrane domains
KW  - Opc
Y1  - 2016
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-143638
ER  - 
TY  - THES
A1  - Münstermann, Marcel
T1  - The roles of the anaphylatoxin receptors during invasive disease as well as mucosal colonization caused by \(Neisseria\) \(meningitidis\)
T1  - Die Rolle der Anaphylatoxinrezeptoren während invasiver Infektion sowie  mukosaler Kolonisation verursacht durch \(Neisseria\) \(meningitidis\)
N2  - The human specific gram-negative bacterium Neisseria meningitidis (Nme, meningococci) is a common colonizer of the upper respiratory tract. Upon becoming invasive, Nme can cause meningitis and life-threatening sepsis. The most important immune defense mechanism in invasive meningococcal disease (IMD) is the complement mediated killing of bacteria. The complement cascade is activated through different pathogen associated patterns and finally leads to the lysis of the bacteria by the membrane attack complex. In addition to the direct bacterial killing, the complement system is also an important player in different inflammatory processes. A hallmark of IMD is an overreaction of the immune system and the release of the potent anaphylatoxins C3a and C5a by the complement system is an important factor hereby. There are three anaphylatoxin receptors (ATRs), the C3aR, the C5aR1 and the C5aR2, capable of detecting these anaphylatoxins. It has already been shown that blocking the ATR C5aR1 strongly benefitted the outcome of IMD in a murine sepsis model. However, the roles of ATRs C3aR and C5aR2 in IMD are still unclear. This work aims to analyze the role of these ATRs in meningococcal sepsis and to identify possible underlying mechanisms. Furthermore, a possible involvement of the complement system, the ATRs and the type II CRISPR/Cas system on nasopharyngeal colonization is analyzed.
In vivo depletion experiments showed that without neutrophils or monocytes/macrophages the complement system alone was not able to clear a low dose Nme infection, which highlights the importance of cellular components in IMD. Analyzing the role of the ATRs in knock-out mice with high dose Nme infections, revealed that the lack of C5aR2, like the lack of C5aR1, was beneficial for the outcome of meningococcal induced sepsis. In contrast, the lack of C3aR in knock-out mice was detrimental. The positive outcome associated with the C5aRs could be reproduced by using an antagonist against both C5aRs or an antagonist specifically against C5aR1 in WT mice. These findings are giving hope to future therapeutic applications. Next, a possible contribution of neutrophils to this positive outcome was analyzed. Absence of C5aR1 led to a decrease of degranulation by neutrophils in a murine whole blood model, while the other ATRs showed no effect. Neutrophil analysis in human whole blood, on the other hand, revealed a reduced oxidative burst and IL-8 secretion upon inhibition of all three ATRs. A functional difference between the C5aRs and the C3aR in neutrophils was observed in phagocytosis, which was reduced upon C3aR inhibition, but was unaltered with C5aR1 or C5aR2 inhibition. Possible underlying mechanisms in the phosphorylation of ERK1/2 were analyzed in bone marrow derived macrophages isolated from ATR knock-out mice. The later phosphorylation of ERK1/2 in macrophages without C5aR1 or C5aR2 expression might explain, why blocking the C5aRs is beneficial for the outcome of IMD in mice. In contrast to these findings, the colonization of the nasopharynx in huCEACAM 1 expressing mice by Nme did not seem to depend on the Complement system factors C3 and C5 nor the ATRs. Additionally, no difference in the colonization could be observed in this model using Nme mutants lacking different parts of the type 2 CRISPR/Cas system.
Conclusively, this work highlights the importance of the complement system, the ATRs and the cellular components in IMD. Contrariwise, these factors did not play a role in the analyzed nasopharyngeal infection model. The beneficial effects of C5aR1 and C5aR2 lack/inhibition in IMD might have medicinal applications, which could support the standard therapies of IMD in the future.
N2  - Das human spezifische pathogene Gram-negative Bakterium Neisseria meningitidis (Nme, Meningokokken) ist ein Kommensale angesiedelt im Nasopharynx. Bei invasiver Erkrankung können Nme Meningitis oder eine lebensbedrohliche Sepsis verursachen. Die wichtigste Verteidigung des Immunsystems in invasiver Meningokokken-Erkrankung (IMD) ist die Abtötung von Bakterien durch das Komplementsystem. Die Komplementkaskade wird durch verschiedene pathogenassoziierte Muster in Gang gesetzt und resultiert in dem Aufbau des Membranangriffskomplex, welcher die Bakterien schließlich lysiert. Darüber hinaus spielt das Komplementsystem auch eine wichtige Rolle in verschiedenen inflammatorischen Prozessen im Körper. Ein charakteristisches Merkmal von IMD ist eine übermäßige Reaktion des Immunsystems und dabei ist die Freisetzung der Anaphylatoxine C3a und C5a, durch das Komplementsystem, ein wichtiger Faktor. Es gibt drei Anaphylatoxin Rezeptoren (ATR), den C3aR, den C5aR1 und den C5aR2, welche die jeweiligen Anaphylatoxine erkennen. In murinen Modellen wurde bereits gezeigt, dass die Inhibition des C5aR1 einen positiven Einfluss auf den Verlauf von IMD hat. Im Kontrast dazu sind die Rollen der ATRs C3aR und C5aR2 in IMD weiter unklar. Diese Arbeit hat als Ziel, die Rolle der ATRs in Meningokokken induzierter Sepsis zu untersuchen und mögliche zugrundeliegende Mechanismen zu finden. Des Weiteren soll ein möglicher Einfluss des Komplementsystems, der ATRs und des Typ II CRISPR/Cas Systems auf die Kolonisation durch Nme im Nasopharynx untersuchen werden. 
In vivo Depletions-Versuche zeigten, dass ohne Neutrophile oder Monozyten/Makrophagen das Komplementsystem allein nicht in der Lage war eine Nme-Infektion mit einer niedrigen Infektionsdosis zu beseitigen. Dies zeigt die Wichtigkeit von Immunzellen neben dem Komplementsystem in IMD. Experimente mit hohen Nme-Dosen in ATR knock-out Mäusen zeigten, dass die fehlende Expression von C5aR2, wie die von C5aR1, sich positiv auf den Ausgang von IMD auswirkte. Im Gegensatz dazu, verschlimmerte das Fehlen des C3aR Rezeptors den Ausgang der IMD. Die positive Wirkung in den C5aR knock-out Mäusen, konnte auch mit der Gabe von einem gegen beide C5aRs oder einem spezifisch gegen C5aR1 gerichteten Antagonisten in WT Mäusen beobachtet werden. Diese Ergebnisse geben Hoffnung auf eine mögliche zukünftige therapeutische Applikation. Als nächstes wurde eine mögliche Beteiligung von Neutrophilen an dem positiven Ausgang von IMD in Abhängigkeit von den ATRs untersucht. Eine fehlende C5aR1 Expression führte zu einer verminderten Degranulation durch Neutrophile in dem verwendeten murinen Vollblutmodel, wohingegen die fehlende Expression der anderen ATRs keinen Effekt zeigte. Im Gegensatz dazu, zeigten Versuche mit humanem Vollblut einen verminderten Oxidativen Burst sowie eine verminderte Ausschüttung von IL-8 bei der Blockade von allen drei ATRs. Ein Unterschied zwischen den C5aRs und dem C3aR zeigte sich hingegen in der Phagozytose, welche mit C3aR Inhibierung reduziert war, aber unverändert nach der Inhibierung von C5aR1 oder C5aR2 blieb. Mögliche zugrundeliegende Mechanismen in der Phosphorylation von ERK1/2 wurden anschließend in Knochenmark-gereiften Makrophagen von ATR knock-out Mäusen untersucht. Ohne C5aR1 oder C5aR2 Expression wurde eine verzögerte Phosphorylierung von ERK1/2 in den Makrophagen beobachtet, was erklären könnte warum die Blockade von C5aRs den Ausgang von Meningokokken induzierter Sepsis in Mäusen positiv beeinflusst. Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen wurde die Kolonisation des Nasopharynx durch Nme in huCEACAM-1 exprimierenden Mäusen, weder durch die Komplementfaktoren C3 und C5 noch durch die ATRs beeinflusst.
Zusätzlich konnte auch kein Unterschied in der Besiedelung des Nasopharynx durch Nme-Mutanten, die verschiedene Mutationen des Typ 2 CRISPR/Cas Systems besaßen, beobachtet werden.
Diese Arbeit zeigt die Wichtigkeit des Komplementsystems, der ATRs und der Immunzellen in IMD. Zusätzlich zeigt diese Arbeit, dass das Komplementsystem und die ATRs jedoch keine Auswirkungen auf die Kolonisation des Nasopharynx in Mäusen haben. Die äußerst positive Auswirkung auf IMD, wenn C5aR1 und C5aR2 nicht gebildet oder blockiert werden, könnte medizinisch von Bedeutung sein und eventuell in der Zukunft die Standarttherapie bei IMD unterstützen.
KW  - Anaphylatoxine
KW  - Komplement C3a
KW  - Komplement C5a
KW  - Neisseria meningitidis
KW  - Komplement <Immunologie>
KW  - anaphylatoxin receptors
KW  - invasive meningococcal diseases
KW  - Anaphylatoxinrezeptoren
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-269759
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kaiser, Lena Franziska
T1  - Wirkmechanismus von Sphingolipiden und Sphingosin gegen mikrobielle Erreger
T1  - Mechanism of the bactericidal effect of sphingolipids and sphingosine against microbial pathogens
N2  - Die zunehmende Antibiotikaresistenz vieler Krankheitserreger ist ein weltweites Problem, welches zu einem klinischen Bedarf an neuen antimikrobiellen Substanzen führt. Sphingolipide einschließlich Ceramide stellen eine vielfältige Gruppe strukturverwandter Lipide dar und bestehen aus einem Sphingosin-Grundgerüst, welches mit einer Fettsäure verbunden ist. Sowohl das Sphingosin-Grundgerüst allein als auch Sphingolipide zeigen eine antibakterielle Wirkung gegenüber einer Vielzahl pathogener Mikroorganismen. Die Intensität der Hemmung hängt von der Sphingolipidstruktur und dem Mikroorganismus ab. Neuere Studien konnten zeigen, dass Sphingosin, Ceramide und Ceramid-Analoga in N. meningitidis aufgenommen werden und eine bakteriostatische oder bakterizide Wirkung zeigen. Jedoch ist die antibakterielle Wirkungsweise noch nicht genau bekannt. Um mehr über den Wirkmechanismus zu erfahren haben wir die ultrastrukturellen Veränderungen von N. meningitidis nach Inkubation mit azido-funktionalisierten Sphingolipiden mit elektronenmikroskopischen Verfahren (transmissionselektronenmikroskopische und rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen) untersucht. Mittels korrelativer Licht- und Elektronenmikroskopie (CLEM) konnten wir die azido-funktionalisierten Sphingolipide nach Aufnahme in N. meningitidis lokalisieren. Zum Anfärben der funktionalisierten Sphingolipide wurde die kupferfreie Azid-Alkin-Cyccloaddition verwendet.
N2  - The increasing antibiotic resistance of many pathogens is a worldwide problem that leads to a clinical need of new anti-microbial compounds. Sphingolipids, including ceramides, represent a diverse group of structurally related lipids and are composed of a sphingosine backbone coupled to a fatty acid. Solely the sphingosine backbone as well as the sphingolipids show antibacterial activity against a wide range of pathogenic microorganisms. The rate of inhibition depends on the sphingolipid structure and the microbial strain. Recent studies revealed the uptake of sphingosine, ceramides and ceramide analogues by N. meningitidis and a bacteriostatic or bactericidal effect. However, the mechanism of the bactericidal effect is still unknown. To elucidate the antibacterial mechanism, we studied the ultrastructural changes after incubation of N. meningitidis with azido-modified sphingolipids by using electron microscopy techniques (transmission electron microscopy (TEM) and scanning electron microscopy (SEM). Due to correlative light-electron microscopy (CLEM) we were able to localize the azido-modified sphingolipids after incorporation in N. meningitidis. Copper-free azide-alkyne cycloaddition was used to stain the azido-modified sphingolipids.
KW  - Neisseria meningitidis
KW  - Sphingolipide
KW  - Sphingosin
KW  - Antimikrobieller Wirkstoff
KW  - Mikroskopie
KW  - sphingolipids
Y1  - 2020
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-218970
ER  - 
TY  - THES
A1  - Isberner, Nora
T1  - Auswirkungen von Staphylococcus aureus auf die Endothelpermeabilität in Ea.hy926-Zellen
T1  - Influence of Staphylococcus aureus on endothelial permeability in Ea.hy926 cells
N2  - Staphylococcus aureus (S. aureus) ist einer der häufigsten Erreger schwerer endovaskulärer Infektionen, die häufig mit einer Dissemination des Erregers in andere Organe und lebensbedrohlichen Komplikationen wie Endokarditis, Osteomyelitis oder Abszessen assoziiert sind. Entscheidender Schritt in der Pathogenese endovaskulärer Infektionen ist die Schädigung und Überwindung der Endothelbarriere. Für deren Integrität ist die Intaktheit von Zell-Zell-Verbindungen elementar, diese werden unter anderem durch Src-Kinasen reguliert. Es ist bekannt, dass S. aureus Fibronektin-Bindeproteine (FnBPs) maßgeblich für die Adhärenz und Invasion des Erregers in Endothelzellen sind. Die Invasion erfolgt über eine indirekte Bindung an α5β1-Integrine, invasive Eigenschaften finden sich in nahezu allen klinischen Isolaten. In verschiedenen Tiermodellen konnte außerdem ein Zusammenhang zwischen der Expression von FnBPs und der Dissemination von S. aureus in andere Organe gezeigt werden. Bislang ist jedoch nicht untersucht, welche Auswirkung die S. aureus-Infektion auf die Endothelbarriere hat und welche Mechanismen für die Translokation des Erregers verantwortlich sind.
In dieser Arbeit wurde analysiert, ob die Infektion mit S. aureus- und S. carnosus-Stämmen in vitro zu einer Schädigung der endothelialen Integrität von EA.hy926-Zellen führt. Hierzu wurden Änderungen der transendothelialen Impedanz und der Endothelpermeabeabilität nach Infektion im xCELLigence- bzw. Transwell-System erfasst. Zytotoxische Effekte wurden durch Kristallviolettfärbungen, immunfluoreszenz-mikroskopische Untersuchungen der Mitochondrien und Nuklei sowie die Erfassung der hypodiploiden Zellkerne mittels Durchflusszytometrie quantifiziert. Zur Entschlüsselung des molekularen Mechanismus wurden Veränderungen der Adherens und Tight Junction-Proteine ZO-1 und VE-Cadherin in der Immunfluoreszenz untersucht. Die Rolle von Src-Kinasen wurde durch pharmakologische Inhibition analysiert.
Es konnte gezeigt werden, dass FnBP-exprimierende S. aureus-Stämme eine Abnahme der transendothelialen Impedanz verursachen und dass es 4 und 24 Stunden nach Infektion zu einer signifikanten Zunahme der Endothelpermeabilität kommt. Zytotoxische Effekte auf die Endothelzellen durch die Infektion traten nach 24 Stunden auf, jedoch nicht nach 4 Stunden. VE-Cadherin und ZO-1 zeigten 4 Stunden nach Infektion eine FnBP-abhängige Konformationsänderung und Reduktion der Signalintensität. Außerdem konnte demonstriert werden, dass die Inhibition von Src-Kinasen den Anstieg der Endothelpermeabilität signifikant reduziert.
In dieser Arbeit wurde zum ersten Mal belegt, dass S. aureus FnBPs eine Erhöhung der Endothelpermeabilität bewirken. Während hierfür zu späten Zeitpunkten Apoptose verantwortlich ist,  muss nach 4 Stunden ein anderer Mechanismus ursächlich sein. Da es zu einer Abschwächung der ZO-1- und VE-Cadherin-Signalintensität in der Immunfluoreszenz kam, ist anzunehmen, dass Adherens und Tight Junctions durch die Infektion geschädigt werden. Es ist bekannt, dass Src-Kinasen durch die Infektion mit S. aureus aktiviert werden. Außerdem sind sie elementar für die Regulation der Endothelpermeabilität und vermitteln diesen Effekt unter anderem über eine Phosphorylierung von Adherens und Tight Junction-Proteinen. Eine Src-vermittelte Phosphorylierung von Zell-Zell-Verbindungsproteinen wäre daher eine mögliche Erklärung für die beobachteten Veränderungen von ZO-1 und VE-Cadherin. Dieser Mechanismus könnte Wegbereiter für die parazelluläre Passage über die Endothelbarriere sein. Darüber hinaus könnte die erhöhte Endothelpermeabilität den Zugang zur Extrazellulärematrix und zum größten Pool an Fibronektin und Integrinen ermöglichen und so die Invasion und Transzytose begünstigen. Die hier gewonnenen Ergebnisse tragen dazu bei, die komplexe Interaktion zwischen S. aureus und dem Endothel und somit wichtige Schritte in der Pathogenese endovaskulärer Infektionen besser zu verstehen und neue Zielstrukturen für therapeutische Interventionen zu identifizieren.
N2  - Staphylococcus aureus (S. aureus) is a major cause of severe endovascular infections which are frequently associated with bacterial dissemination to other organs and life-threatening complications such as infective endocarditis, osteomyelitis or abscess formation. 
Damage to the endothelial barrier and bacterial extravasation are of vital importance in development of endovascular infections. Intercellular junctions are crucial for the integrity of the endothelial barrier; they are partially regulated by Src Family Protein-tyrosine Kinases. It has been well characterized that S. aureus fibronectin-binding proteins (FnBP) are decisive for adherence to and invasion of endothelial cells. Invasion is mediated by indirect bridging of fibronectin to α5β1-integrins via FnBPs. Invasive characteristics can be found in nearly all clinical isolates. Moreover, the link between expression of FnBPs and S. aureus dissemination into surrounding tissues has been demonstrated repeatedly in animal models. Despite the importance of S. aureus in endovascular diseases, the effect of S. aureus infection on endothelial barrier function and putative mechanisms for translocation have not yet been studied. 
The aim of this thesis was to evaluate whether infection with different S. aureus and S. carnosus strains leads to impairment of endothelial integrity in EA.hy926 cells. Changes in transendothelial impedance and endothelial permeability upon infection were measured using the xCELLigence- or transwell-system respectively. Cytotoxic effects were quantified by crystal violet staining, immunofluorescence staining of nuclei and mitochondria as well as by detection of hypodiploid nuclei using flow cytometry. Immunofluorescence staining of ZO-1 and VE—Cadherin was performed to investigate morphological alterations in intercellular junctions. The role of Src Family Protein-tyrosine Kinases was analyzed by pharmacological inhibition.
In this study it was demonstrated that S. aureus strains expressing FnBPs lead to a decrease in transendothelial impedance and cause a significant increase in endothelial permeability 4 and 24 hours after infection. Whereas cytotoxic effects were observed after 24 hours, cells were completely viable 4 hours after infection. After 4 hours FnBP-dependent conformational changes of VE-cadherin and ZO-1 as well as a loss of signal intensity were detected. Furthermore, the FnBP-mediated increase in endothelial permeability was significantly reduced by using Src Family Protein-tyrosine Kinases-inhibitors.
In this study it was shown for the first time that S. aureus FnBPs cause an increase in endothelial permeability. While apoptosis is the underlying mechanism 24 hours after infection, other mechanisms could be identified for the time point 4 hours. Since a loss of signal intensity of ZO-1 and VE-Cadherin was detected, it can be assumed that adherence and tight junctions are impaired upon infection. It has been well characterized that Src Family Protein-tyrosine Kinases are activated upon S. aureus infection and that they are decisive in regulation of endothelial permeability. This effect is mediated by phosphorylation of adherence and tight junction proteins. Hence a Src Family Protein-tyrosine Kinase-mediated phosphorylation of intercellular junction proteins is a conceivable mechanism for the observed change in ZO-1 and VE-cadherin, thus possibly enabling paracellular traverse of the endothelial barrier. On the other hand the increase of endothelial permeability could facilitate access to the extracellular matrix and thus to the biggest pool of fibronectin and integrins, hence promoting bacterial invasion and transcytosis. 
The obtained results help to understand the complex interaction between S. aureus and endothelial barrier, thus facilitating the understanding of the pathogenesis of endovascular S. aureus infections and possibly identifying new therapy targets.
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Staphylococcus aureus
KW  - Endothelpermeabilität
KW  - Fibronektin-Bindeprotein
Y1  - 2015
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-137303
ER  - 
TY  - THES
A1  - Endres, Leo Maximilian
T1  - Development of multicellular \(in\) \(vitro\) models of the meningeal blood-CSF barrier to study \(Neisseria\) \(meningitidis\) infection
T1  - Entwicklung multizellulärer \(in\) \(vitro\) Modelle der meningealen Blut-Liquor Schranke zur Untersuchung der \(Neisseria\) \(meningitidis\) Infektion
N2  - Neisseria meningitidis (the meningococcus) is one of the major causes of bacterial meningitis, a life-threatening inflammation of the meninges. Traversal of the meningeal blood-cerebrospinal fluid barrier (mBCSFB), which is composed of highly specialized brain endothelial cells (BECs), and subsequent interaction with leptomeningeal cells (LMCs) are critical for disease progression. Due to the human-exclusive tropism of N. meningitidis, research on this complex host-pathogen interaction is mostly limited to in vitro studies. Previous studies have primarily used peripheral or immortalized BECs alone, which do not retain relevant barrier phenotypes in culture. To study meningococcal interaction with the mBCSFB in a physiologically more accurate context, BEC-LMC co-culture models were developed in this project using BEC-like cells derived from induced pluripotent stem cells (iBECs) or hCMEC/D3 cells in combination with LMCs derived from tumor biopsies. 
Distinct BEC and LMC layers as well as characteristic expression of cellular markers were observed using transmission electron microscopy (TEM) and immunofluorescence staining. Clear junctional expression of brain endothelial tight and adherens junction proteins was detected in the iBEC layer. LMC co-culture increased iBEC barrier tightness and stability over a period of seven days, as determined by sodium fluorescein (NaF) permeability and transendothelial electrical resistance (TEER). Infection experiments demonstrated comparable meningococcal adhesion and invasion of the BEC layer in all models tested, consistent with previously published data. While only few bacteria crossed the iBEC-LMC barrier initially, transmigration rates increased substantially over 24 hours, despite constant high TEER. After 24 hours of infection, deterioration of the barrier properties was observed including loss of TEER and altered expression of tight and adherens junction components. Reduced mRNA levels of ZO-1, claudin-5, and VE-cadherin were detected in BECs from all models. qPCR and siRNA knockdown data suggested that transcriptional downregulation of these genes was potentially but not solely mediated by Snail1. Immunofluorescence staining showed reduced junctional coverage of occludin, indicating N. meningitidis-induced post-transcriptional modulation of this protein, as previous studies have suggested. Together, these results suggest a potential combination of transcellular and paracellular meningococcal traversal of the mBCSFB, with the more accessible paracellular route becoming available upon barrier disruption after prolonged N. meningitidis infection. Finally, N. meningitidis induced cellular expression of pro-inflammatory cytokines and chemokines such as IL-8 in all mBCSFB models. Overall, the work described in this thesis highlights the usefulness of advanced in vitro models of the mBCSFB that mimic native physiology and exhibit relevant barrier properties to study infection with meningeal pathogens such as N. meningitidis.
N2  - Neisseria meningitidis (der Meningokokkus) ist einer der Hauptursachen bakterieller Meningitis, einer lebensbedrohlichen Entzündung der Hirnhäute. Entscheidend für das für das Voranschreiten der Krankheit ist die Fähigkeit des Erregers, die meningeale Blut-Liquor-Schranke (mBCSFB), bestehend aus spezialisierten Hirnendothelzellen (BECs) und leptomeningealen Zellen (LMCs), zu überwinden und in den submeningealen Raum einzudringen. Da es sich bei N. meningitidis um ein rein humanes Pathogen handelt, beschränkt sich die Erforschung dieser speziellen Interaktion primär auf die Verwendung von in vitro Modellen. Bisher wurden hierfür hauptsächlich periphere oder immortalisierte BECs verwendet, welchen jedoch wichtige Barriere-Eigenschaften fehlen. Um die Interaktion von N. meningitidis mit der mBCSFB in einem physiologisch relevanteren Umfeld zu untersuchen, wurden in dieser Arbeit neuartige BEC-LMC Kokulturmodelle entwickelt. 
Dabei wurden sowohl BEC-ähnliche Zellen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen generiert wurden (iBECs), als auch hCMEC/D3 Zellen verwendet und zusammen mit LMCs aus Tumorbiopsien kultiviert. Mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie und Immunfluoreszenzfärbung konnten die unterschiedlichen Zellschichten und deren Expression charakteristischer zellulärer Marker dargestellt werden. Durchgängige Expression von wichtigen Bestandteilen Barriere-formender Zellverbindungen, sogenannter Tight und Adherens Junctions, wurde in der iBEC-Schicht beobachtet. Die Integrität der zellulären Barriere wurde mittels transendothelialer elektrischer Resistenz (TEER) und Permeabilität gegenüber Natrium-Fluorescein (NaF) bestimmt. Erhöhte TEER-Werte und verringerte NaF-Permeabilität, gemessen über einen Zeitraum von sieben Tagen, zeigten eine durch die Kokultur mit LMCs ausgelöste Steigerung der Dichtigkeit und Stabilität der iBEC-Barriere. 
Infektionsexperimente mit N. meningitidis zeigten in allen Modellen vergleichbare bakterielle Adhäsion und Invasion der BEC-Schicht. Bakterielle Transmigration durch die gesamten Zellbarriere war im iBEC-LMC Modell kurz nach Infektion nur in geringem Maße detektierbar, nahm jedoch innerhalb von 24 Stunden deutlich zu. Interessanterweise wurde bis zu 24 Stunden nach Infektion noch eine hohe Integrität der Barriere gemessen, welche allerdings im weiteren Verlauf verloren ging. Neben signifikantem TEER-Verlust wurde eine verringerte Expression der Tight und Adherens Junction Proteine ZO-1, claudin-5, und VE-cadherin mittels qPCR festgestellt. qPCR und siRNA Knockdown Experimente deuteten darauf hin, dass dies möglicherweise, aber nicht ausschließlich, auf den Transkriptionsfaktor Snail1 zurückzuführen war. Zusätzlich zu den beobachteten Effekten auf die zelluläre Transkription von Tight Junction Genen, zeigten Immunfluoreszenzfärbungen eine verringerte Expression von Occludin an den Zell-Zell-Verbindungen, was auf eine post-translationale Modulation schließen lässt. Zusammen deuten die Ergebnisse dieser Infektionsstudien auf eine mögliche Kombination aus trans- und parazellulärer bakterieller Transmigration der mBCSFB hin. Zuletzt wurden in dieser Arbeit noch die Immunaktivierung von BECs nach N. meningitidis Infektion in den neuen BEC-LMC Kokulturmodellen untersucht. Hierbei wurde eine erhöhte Expression von Zytokinen, insbesondere Interleukin-8, beobachtet. 
Insgesamt konnten in dieser Arbeit neue, fortschrittlicher in vitro Modelle der mBCSFB entwickelt werden, welche die humane Physiologie besser widerspiegeln und daher für Infektionsstudien mit Meningitis-verursachenden Erregern wie N. meningitidis von besonderem Nutzen sind.
KW  - Bakterielle Hirnhautentzündung
KW  - Blut-Liquor-Schranke
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KW  - Neisseria meningitidis
KW  - In-vitro-Kultur
KW  - Brain endothelial cells
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KW  - Leptomeningealzellen
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-346216
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