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Background
Cutaneous leishmaniasis (CL) is a neglected tropical disease caused by protozoan parasites of the genus Leishmania. CL causes enormous suffering in many countries worldwide. There is no licensed vaccine against CL, and the chemotherapy options show limited efficacy and high toxicity. Localization of the parasites inside host cells is a barrier to most standard chemo- and immune-based interventions. Hence, novel drugs, which are safe, effective and readily accessible to third-world countries and/or drug delivery technologies for effective CL treatments are desperately needed.
Methodology/Principal
Findings Here we evaluated the antileishmanial properties and delivery potential of polyhexamethylene biguanide (PHMB; polyhexanide), a widely used antimicrobial and wound antiseptic, in the Leishmania model. PHMB showed an inherent antileishmanial activity at submicromolar concentrations. Our data revealed that PHMB kills Leishmania major (L. major) via a dual mechanism involving disruption of membrane integrity and selective chromosome condensation and damage. PHMB's DNA binding and host cell entry properties were further exploited to improve the delivery and immunomodulatory activities of unmethylated cytosine-phosphate-guanine oligodeoxynucleotides (CpG ODN). PHMB spontaneously bound CpG ODN, forming stable nanopolyplexes that enhanced uptake of CpG ODN, potentiated antimicrobial killing and reduced host cell toxicity of PHMB.
Conclusions
Given its low cost and long history of safe topical use, PHMB holds promise as a drug for CL therapy and delivery vehicle for nucleic acid immunomodulators.
Prevention of tissue damages at the site of Leishmania major inoculation can be achieved if the BALB/c mice are systemically given L. major antigen (LmAg)-loaded bone marrow-derived dendritic cells (DC) that had been exposed to CpG-containing oligodeoxynucleotides (CpG ODN). As previous studies allowed establishing that interleukin-4 (IL-4) is involved in the redirection of the immune response towards a type 1 profile, we were interested in further exploring the role of IL-4. Thus, wild-type (wt) BALB/c mice or DC-specific IL-4 receptor \(\alpha\) (IL-4R \(\alpha\))-deficient (CD11c\(^{cre}\)IL-4R \(\alpha^{-/lox}\) BALB/c mice were given either wt or IL-4R \(\alpha\)-deficient LmAg-loaded bone marrow-derived DC exposed or not to CpG ODN prior to inoculation of 2x10\(^5\) stationary-phase L. major promastigotes into the BALB/c footpad. The results provide evidence that IL4/IL-4R alpha-mediated signaling in the vaccinating DC is required to prevent tissue damage at the site of L. major inoculation, as properly conditioned wt DC but not IL-4R alpha-deficient DC were able to confer resistance. Furthermore, uncontrolled L. major population size expansion was observed in the footpad and the footpad draining lymph nodes of CD11c\(^{cre}\)IL-4R \(\alpha^{-/lox}\) mice immunized with CpG ODN-exposed LmAg-loaded IL-4R \(\alpha\)-deficient DC, indicating the influence of IL-4R \(\alpha\)-mediated signaling in host DC to control parasite replication. In addition, no footpad damage occurred in BALB/c mice that were systemically immunized with LmAg-loaded wt DC doubly exposed to CpG ODN and recombinant IL-4. We discuss these findings and suggest that the IL4/IL4R \(\alpha\) signaling pathway could be a key pathway to trigger when designing vaccines aimed to prevent damaging processes in tissues hosting intracellular microorganisms.
Genome-wide transcription start site profiling in biofilm-grown Burkholderia cenocepacia J2315
(2015)
Background: Burkholderia cenocepacia is a soil-dwelling Gram-negative Betaproteobacterium with an important role as opportunistic pathogen in humans. Infections with B. cenocepacia are very difficult to treat due to their high intrinsic resistance to most antibiotics. Biofilm formation further adds to their antibiotic resistance. B. cenocepacia harbours a large, multi-replicon genome with a high GC-content, the reference genome of strain J2315 includes 7374 annotated genes. This study aims to annotate transcription start sites and identify novel transcripts on a whole genome scale. Methods: RNA extracted from B. cenocepacia J2315 biofilms was analysed by differential RNA-sequencing and the resulting dataset compared to data derived from conventional, global RNA-sequencing. Transcription start sites were annotated and further analysed according to their position relative to annotated genes. Results: Four thousand ten transcription start sites were mapped over the whole B. cenocepacia genome and the primary transcription start site of 2089 genes expressed in B. cenocepacia biofilms were defined. For 64 genes a start codon alternative to the annotated one was proposed. Substantial antisense transcription for 105 genes and two novel protein coding sequences were identified. The distribution of internal transcription start sites can be used to identify genomic islands in B. cenocepacia. A potassium pump strongly induced only under biofilm conditions was found and 15 non-coding small RNAs highly expressed in biofilms were discovered. Conclusions: Mapping transcription start sites across the B. cenocepacia genome added relevant information to the J2315 annotation. Genes and novel regulatory RNAs putatively involved in B. cenocepacia biofilm formation were identified. These findings will help in understanding regulation of B. cenocepacia biofilm formation.
Staphylococcus aureus is a commensal of the human nose and skin. Human skin fatty acids, in particular cis-6-hexadecenoic acid (C-6-H), have high antistaphylococcal activity and can inhibit virulence determinant production. Here, we show that sub-MIC levels of C-6-H result in induction of increased resistance. The mechanism(s) of C-6-H activity was investigated by combined transcriptome and proteome analyses. Proteome analysis demonstrated a pleiotropic effect of C-6-H on virulence determinant production. In response to C-6-H, transcriptomics revealed altered expression of over 500 genes, involved in many aspects of virulence and cellular physiology. The expression of toxins (hla, hlb, hlgBC) was reduced, whereas that of host defence evasion components (cap, sspAB, katA) was increased. In particular, members of the SaeRS regulon had highly reduced expression, and the use of specific mutants revealed that the effect on toxin production is likely mediated via SaeRS
Der Hefepilz Candida albicans gehört zu den fakultativ pathogenen Infektionserregern und ist Teil der natürlichen Mikroflora der Schleimhäute des Verdauungs- und Urogenitaltraktes der meisten gesunden Menschen. Ist das Gleichgewicht der Flora gestört, kann es zu oberflächlichen Mykosen kommen, wie z.B. der oropharyngealen Candidiasis (Mundsoor), die in der Regel durch die Gabe eines Antimykotikums in wenigen Tagen zu behandeln sind. In seltenen Fällen kann es auch zu schwerwiegenden Infektionsverläufen bis hin zu lebensbedrohlichen systemischen Mykosen kommen. Hauptsächlich immunsupprimierte Patienten, wie z.B. AIDS-Patienten oder Personen, die kürzlich einer Organ- oder Knochenmarkstransplantation unterzogen wurden, leiden häufig an oberflächlichen C. albicans-Infektionen. Insbesondere bei wiederkehrenden Infektionen ist der Pilz in der Lage, gegen das häufig verabreichte Medikament Fluconazol eine Resistenz zu entwickeln. Ein wichtiger Mechanismus dieser Resistenzentwicklung ist die Überexpression von Effluxpumpen, die das Medikament aus der Zelle heraustransportieren. Zwei Arten von Effluxpumpen, die eine Rolle in der Resistenzentwicklung in C. albicans spielen, konnten bisher identifiziert werden, die ABC (ATP binding cassette)-Transporter Cdr1 und Cdr2 sowie der MFS (major facilitator superfamily)-Transporter Mdr1. Der Zinc-Cluster Transkriptionsfaktor Mrr1 spielt eine wichtige Rolle in der Regulation der MDR1-E¬ffluxpumpe. Er kontrolliert die MDR1-Expression in Anwesenheit induzierender Substanzen und sogenannte "gain-of-function" Mutationen in MRR1 konnten als die Ursache der konstitutiven MDR1-Hochregulierung und der "Multidrug-Resistance" in C. albicans identifiziert werden. In dieser Arbeit konnte ein Ortholog zu MRR1 aus C. albicans in Candida dubliniensis, einer zu C. albicans nahe verwandten Hefe, identifiziert werden. Es wurde gezeigt, dass in den untersuchten klinischen und in vitro generierten Fluconazol-resistenten C. dubliniensis-Stämmen ebenfalls gain-of-funcion Mutationen in MRR1 die MDR1-Überexpression und eine Resistenz bewirken. Die Ergebnisse demonstrieren, dass der Transkriptionsfaktor Mrr1 eine wichtige Rolle in der Entwicklung der Resistenz in diesen humanpathogenen Pilzen spielt. Bisher ist nicht bekannt, wie der Zinc-Cluster Transkriptionsfaktor MRR1 durch induzierende Substanzen oder gain-of-function Mutationen aktiviert wird. Um zu verstehen, wie die Mrr1- Aktivität reguliert wird, wurden in dieser Arbeit durch Deletionsstudien funktionelle Domänen des Transkriptionsfaktors identifiziert. Um einen besseren Einblick in die Regulation der MDR1-vermittelten Resistenz in C. albicans zu bekommen, wurde in dieser Arbeit die gegenseitige Abhängigkeit von Mrr1 und Cap1 bzw. Upc2 in Bezug auf die MDR1-Expression untersucht. Es wurden ChIP-on-chip Analysen und Transkriptionsprofile mit aktiviertem Mrr1 durchgeführt, um direkte Targets von Mrr1 zu identifizieren. Mit der vorliegenden Arbeit wurde ein wichtiger Beitrag zum Verständnis der Entwicklung der Multidrug-Resistenz in C. albicans geleistet. E¬ffluxpumpen und deren Regulatoren stellen in der Bekämpfung von C. albicans-Infektionen ein interessantes Angriffsziel für die Entwicklung neuer Medikamente und die Weiterentwicklung bereits vorhandender Antimykotika dar.
Enterokokken gelten primär als opportunistische Erreger mit geringer Pathopotenz. Sie zeichnen sich allerdings durch ausgeprägte natürliche und erworbene Resistenzen gegen eine Vielzahl von Antibiotika aus. Besorgniserregend ist hierbei insbesondere das Auftreten von Vancomycin-resistenten Enterokokken. Glycopeptidantibiotika, wie Vancomycin und Teicoplanin, werden als Reserveantibiotika gegen multiresistente gram-positive Erreger, wie zum Beispiel Methicillin-resistente Staphylococcus aureus-Stämme (MRSA) eingesetzt. Der VanA-Typ der Glycopeptidresistenz, welcher zuerst in Enterococcus faecium beschrieben wurde, ist die in Zentraleuropa vorherrschende Variante der Glycopeptidresistenz. Das Transposon Tn1546, das die vanA-Resistenzdeterminante kodiert, liegt häufig auf großen konjugativen Plasmiden vor und kann zwischen Enterokokken-Stämmen transferiert werden. In dieser Arbeit wurde der direkte Einfluss von Vancomycin und eines weiteren Antibiotikums, Flavophospholipol (FPL), auf die Rate des konjugativen Transfers des vanA-Operons in E. faecium untersucht. Das Phosphoglycolipidantibiotikum FPL wird derzeit als Leistungsförderer in der Tiermast eingesetzt. Beide Antibiotika induzieren die Expression der Glycopeptidresistenz vom VanA-Typ. Es konnte gezeigt werden, dass Flavophospholipol in unterschiedlichen Konzentrationen die Häufigkeit des Transfers von konjugativen VanA-Plasmiden sowohl in klinischen E. faecium-Isolaten, als auch in E. faecium-Stämmen aus Tierfaeces signifikant hemmte. Vancomycin zeigte keinen signifikanten Effekt auf die Transferrate der VanA-Plasmide. Somit konnte nachgewiesen werden, dass in E. faecium kein funktionaler Zusammenhang zwischen der Induktion des vanA-Operons durch Vancomycin und FPL und der Transferfrequenz der konjugativen VanA-Plasmide unter dem Einfluss der beiden Antibiotika besteht. Weiterhin wurde die Induktion des vanA-Operons unter dem Einfluss verschiedener Antibiotika in einem E. faecium-Isolat näher untersucht. Hierbei wurde die Expression des 39 kDa VanA-Ligase Proteins direkt durch das Western Blot-Verfahren dargestellt. Eine Induktion der Expression des VanA-Ligase Proteins erfolgte durch Inhibitoren der späten Phase der Zellwandsynthese, wie Vancomycin, Flavophospholipol, Bacitracin und Tunicamycin. Außerdem konnte eine leichte Induktion des VanA-Ligase Proteins durch Fosfomycin, Cefalexin und Cefuroxim, Meropenem und Clindamycin nachgewiesen werden. Somit konnte gezeigt werden, dass Cefuroxim und Clindamycin zwei Antibiotika, die in klinischen Studien eine Besiedelung mit VRE begünstigen, auch eine geringe Zunahme der VanA-Ligase Expression bewirken. Zudem wurde deutlich, dass durch den Einfluss von Hitzestress und osmotischem Stress keine Induktion der 39 kDa VanA-Ligase Bande erfolgt. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war die Identifizierung einer putativen Resistenz-determinante gegen Flavophospholipol. Die Eigenschaft der FPL-Resistenz konnte nicht durch in vitro-Filterkonjugation von FPL-resistenten auf FPL-sensitive E. faecium-Stämme übertragen werden. Zur molekularen Untersuchung der Resistenz gegen Flavophospholipol wurde ein resistenter E. faecium-Stamm durch das konjugative Transposon Tn916 mutagenisiert. In allen identifizierten FPL-sensitiven Mutanten war die Insertionstelle des Transposons und dessen Orientierung im Chromosom identisch und es deletierte ein 1,5 kb großer genomischer Bereich „downstream“ der Transposon-Insertionsstelle. Dieser Bereich umfasste das 3´-Endes des Gens für eine putative Threonyl-tRNA Synthetase und den Genlocus für einen putativen Transkriptionsregulator. Die Sequenzen in allen Mutanten begannen ca. 200 bp vor dem Startcodon eines Gens für ein putatives Penicillin-Bindeprotein (PBP). In Northern Blot-Analysen konnte gezeigt werden, dass die Transkription des putativen PBP in der Mutante 64/3-1 schwächer war als im Wildtyp 64/3. Außerdem wurden durch 3H Penicillin-Markierung von PBP-Extrakten Unterschiede im Expressionsmuster der Penicillin-Bindeproteine im Wildtyp und in der Mutante deutlich. Während im Wildtyp fünf Penicillin-Bindeproteine zu erkennen waren, fehlten PBP2 und PBP3 in der Mutante 64/3-1. Die Größe von PBP3 entsprach hierbei der geschätzten Größe des putativen PBP von 79 kDa. In der Mutante 64/3-1 fand wahrscheinlich durch den Verlust eines putativen Regulators oder wichtiger regulatorischer Bereiche eine Veränderung im Expressionsmuster der Penicillin-Bindeproteine statt, welche zum FPL-sensitiven Phänotyp führte. In dieser Arbeit konnte zudem gezeigt werden, dass Flavophospholipol in E. faecium an PBP2 und PBP3 bindet und es sich hierbei um bifunktionale „high molecular weight“ Penicillin-Bindeproteine mit Transglycosylase- und Transpeptidase-Untereinheit handeln muss.