Nora Isberner

• 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,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.…
• 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. ItStaphylococcus 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.…