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Die alveoläre Echinokokkose (AE) ist eine lebensbedrohliche Erkrankung des Menschen, welche durch das infiltrative Wachstum des Metazestoden-Larvenstadiums des Fuchsbandwurms (Echinococcus multilocularis) in der Leber verursacht wird. Das tumorartige Wachstum des Metazestoden beruht auf einer Echinococcus-spezifischen Modifikation der anterior-posterioren-Körperachse (AP Achse). Es wird vermutet, dass dabei der anteriore Pol der invadierenden Oncospären-Larve zunächst abgeschaltet wird und sich der Metazestode anschließend asexuell als vesikuläres, posteriorisiertes Gewebes im Wirt vermehrt. Nach massiver Proliferation wird der anteriore Pol reetabliert und führt zur Bildung zahlreicher Bandwurm-Kopfanlagen (Protoskolizes). Da die Ausbildung der AP Körperachse evolutionsgeschichtlich konserviert über den wingless-related (Wnt)-Signalweg gesteuert wird, wurde in dieser Arbeit die Rolle von Wnt-Signaling bei der Musterbildung von E. multilocularis über molekular- und zellbiologische Studien näher beleuchtet.
Zentraler methodischer Ansatz der vorliegenden Arbeit war ein E. multilocularis Stammzell-Kultursystem, das Primärzellsystem, welches die in vitro-Generierung von Metazestoden-Vesikeln durch Proliferation und Differenzierung von germinativen Zellen (Stammzellen) erlaubt. Über RNA-Sequenzierung wurde zunächst gezeigt, dass in Primärzellkulturen sowohl Markergene für posteriore Entwicklung in Richtung Metazestode wie auch für Anterior-und Protoskolexmarker exprimiert werden. Unter Verwendung von RNA-Interferenz (RNAi) wurde anschließend ein erfolgreicher Knockdown des vermuteten Hauptregulators des kanonischen Wnt-Signalwegs, β Catenin (em-bcat1), erreicht und führte zu einem charakteristischen, sogenannten ‚red dot‘ Phänotyp, dem ersten jemals beschriebenen RNAi Phänotyp für E. multilocularis-Primärzellen. Primärzellkulturen nach em-bcat1 RNAi zeigten eine stark verminderte Fähigkeit, Metazestoden-Vesikel zu bilden sowie eine Überproliferation von germinativen Zellen. Zusätzliche RNA-Seq-Analysen des Transkriptoms von RNAi(em-bcat1)-Kulturen zeigten eine signifikant verringerte Expression von Posterior- und Metazestodenmarkern, während Anterior- und Protoskolexmarker deutlich überexprimiert wurden. Durch umfangreiche Whole-mount-in-situ-Hybridisierung (WMISH)-Experimente wurden diese Daten für eine Reihe ausgewählter Markergene für posteriore (Metazestode; em-wnt1, em-wnt11b, em-muc1) und für anteriore Entwicklung (Protoskolex; em sfrp, em-nou-darake, em npp36, em-frizzled10) verifiziert. In allen genannten Fällen zeigte sich durch Änderung der Polarität eine verminderte Genexpression von Posteriormarkern, während Anteriormarker deutlich erhöht exprimiert wurden. Ähnlich wie bei den verwandten, freilebenden Planarien, führt demnach ein Knockdown des zentralen Wnt-Regulators β-Catenin bei E. multilocularis zu einer anteriorisierten, Anterior- und Protoskolexmarker dominierte Genexpression, welche der posteriorisierten Entwicklung zum Metazestoden entgegenwirkt.
Neben Markergenen für die Ausbildung der AP-Achse wurden in dieser Arbeit auch solche für die medio-laterale (ML)-Körperachse bei Zestoden erstmals beschrieben. So zeigte sich, dass ein Slit-Ortholog (em slit) im E. multilocularis Protoskolex im Bereich der Körper-Mittellinie exprimiert wird und lieferte Hinweise darauf, dass, ähnlich zur Situation bei Planarien, die ML Achse von E. multilocularis durch Morphogengradienten aus slit (Mittellinie) und wnt5 (lateral) definiert wird. Im Metazestoden wird hingegen nur em-slit exprimiert. Der Metazestode besitzt damit als posterior-medianisiertes Gewebe Anlagen zur Polarität zur AP- und ML-Achse, welche erst mit Bildung von Protoskolizes vollständig etabliert werden. Schließlich deuten die Ergebnisse dieser Arbeit darauf hin, dass bei der Wiederherstellung der Körperachsen während der Entwicklung von Protoskolizes Hedgehog (Hh)-Signale entscheidend mitwirken.
Zusammenfassend wurde in dieser Arbeit der zentrale Faktor des kanonischen Wnt Signalwegs, β-Catenin, als Hauptregulator der Entwicklung des tumorartig wachsenden E. multilocularis-Metazestoden identifiziert. Zudem wurde gezeigt, dass zur Metazestodenbildung neben einer Echinococcus-spezifischen Modifikation der AP Körperachse auch eine solche der ML Achse beiträgt. In humanen malignen Tumoren sind der Wnt-, Slit-Robo- und Hh-Signalweg gut erforschte Wirkstofftargets und könnten in Zukunft in ähnlicher Weise für eine zielgerichtete Therapie von AE dienen.
Non-aureus staphylococci (NAS) are ubiquitous bacteria in livestock-associated environments where they may act as reservoirs of antimicrobial resistance (AMR) genes for pathogens such as Staphylococcus aureus. Here, we tested whether housing conditions in pig farms could influence the overall AMR-NAS burden. Two hundred and forty porcine commensal and environmental NAS isolates from three different farm types (conventional, alternative, and organic) were tested for phenotypic antimicrobial susceptibility and subjected to whole genome sequencing. Genomic data were analysed regarding species identity and AMR gene carriage. Seventeen different NAS species were identified across all farm types. In contrast to conventional farms, no AMR genes were detectable towards methicillin, aminoglycosides, and phenicols in organic farms. Additionally, AMR genes to macrolides and tetracycline were rare among NAS in organic farms, while such genes were common in conventional husbandries. No differences in AMR detection existed between farm types regarding fosfomycin, lincosamides, fusidic acid, and heavy metal resistance gene presence. The combined data show that husbandry conditions influence the occurrence of resistant and multidrug-resistant bacteria in livestock, suggesting that changing husbandry practices may be an appropriate means of limiting the spread of AMR bacteria on farms.
Bei dem 2009 erstbeschriebenen Hefepilz C. auris handelt es sich um einen Keim, welcher aufgrund von nosokomialen Ausbrüchen und hohen Antimykotikaresistenzen Aufmerksamkeit erregte. Ziel dieser Arbeit war es in Deutschland gesammelte Isolate bezüglich vorhandener Resistenzen und Mutationen in Resistenzregionen zu testen und das epidemiologische Geschehen hierzulande mit dem globalen Auftreten des Keims zu vergleichen. Bezüglich der durchgeführten Resistenztestungen wiesen die CLSI-konformen Testarten (YO-Platten und E-Test-Verfahren) meist vergleichbare Ergebnisse auf. Für das EUCAST-konforme Mikrodilutionstestverfahren kann aufgrund eines stark ausgeprägten paradoxen Wachstumseffekts nur Anidulafungin, nicht jedoch Caspofungin, zur Testung empfohlen werden. Insgesamt erwiesen sich 25 % der Isolate als Caspofungin-resistent. Zwei Isolate zeigten eine Resistenz gegenüber allen getesteten Echinocandinen (16,7 %). Die höchsten Resistenzraten wurden gegenüber Fluconazol (92 %) beobachtet. Zwei der Isolate zeigten sich gegenüber Voriconazol resistent (16,7 %). Für Amphotericin B konnte eine Resistenzrate von 33,3 % festgestellt werden. Für die Wirkstoffe Posaconazol und Itraconazol erwiesen sich alle untersuchten Isolate als sensitiv. Dies konnte auch mit Ausnahme eines Isolates für 5-Flucytosin beobachtet werden. Die durch eine Sanger-Sequenzierung erhaltenen Sequenzen der Gene FKS1 und ERG11 wurden auf Mutationen untersucht, welche zu Aminosäuresubstitutionen im Gesamtprotein führten. Hierbei ergaben sich für zwei Isolate (16,7 %) Mutationen im FKS1-Hot Spot 1 (Typ S639F und S639Y). Beide Isolate zeigten sich in den AFST Echinocandin-resistent. Bei allen untersuchten Isolaten lagen Mutationen im ERG11 Gen vor. So fand sich in 8 Fällen eine Mutation des Typen Y132F (66,7 %), in 3 Fällen der Typ K143R (25 %) und in einem Fall der Typ F126L (8,3 %). Im Rahmen eines anderen Projekts wurde mit den hier gewonnenen PCR-Produkten ein WGS durchgeführt, um die Isolate durch SNPs-Vergleich mit Referenzstämmen phylogenetischen Clades zuzuordnen. Dabei konnten 91,7 % der Isolate dem südasiatischen Clade I und ein Isolat dem südafrikanischen Clade III zugeordnet werden. Aufgrund der geringen epidemiologischen Fallzahlen in Deutschland scheint gegenwärtig keine Bedrohung von C. auris auszugehen. Berichte aus anderen Ländern konnten allerdings eine rasche, ausbruchartige Zunahme von C. auris Fällen nachweisen. So kann nur angeraten werden das infektiologische Geschehen in Deutschland weiterhin zu beobachten.
Die Inzidenz invasiver H. influenzae-Infektionen in Deutschland steigt seit Jahren an. Die akkurate Identifizierung und Resistenztestung dieses Erregers sind von großer klinischer und epidemiologischer Bedeutung. Daher wurden im Rahmen der vorliegenden Promotionsarbeit umfangreiche Untersuchungen zur Diagnostik und zur Epidemiologie von Antibiotikaresistenzen bei H. influenzae durchgeführt.
Es konnte gezeigt werden, dass die in der Routinediagnostik mittlerweile weit verbreitete MALDI-TOF-MS-Diagnostik durch das VITEK MS IVD nur eingeschränkt zur sicheren Unterscheidung von H. influenzae und H. haemolyticus einsetzbar ist. H. influenzae-Isolate erkannte das System mit einer Genauigkeit von 100 %. Bei H. haemolyticus-Isolaten wurden dagegen 42 % der untersuchten Stämme fälschlicherweise als H. influenzae erkannt. Dieser Fragestellung wurde mit der bisher umfangreichsten molekularbiologisch charakterisierten Studienpopulation beider Bakterienspezies nachgegangen.
Die kalkulierte antibiotische Therapie einer Sepsis oder Meningitis erfolgt häufig mit Carbapenemen, die leitliniengerechte Therapie invasiver H. influenzae-Infektionen mit Drittgenerations-Cephalosporinen. Imipenem und Cefotaxim gehören zu den Hauptvertretern dieser Gruppen. Bezüglich der Antibiotikaresistenztestung wurde erstmalig für H. influenzae herausgefunden, dass die routinemäßig verwendete Gradientenagardiffusion (GAD) bei der Testung von Cefotaxim im Vergleich zum Goldstandard Bouillon-Mikrodilution gleichwertig und bei Imipenem sogar sensitiver in der Detektion von Heteroresistenzen ist.
Die Epidemiologie dieser Resistenzen wurde in dieser Arbeit erstmalig für Deutschland systematisch erfasst, indem alle verfügbaren invasiven Isolate gemeldeter H. influenzae-Infektionen der Jahre 2016 (Imipenem) beziehungsweise 2016-2019 (Cefotaxim) untersucht wurden. Es wurde eine hohe Prävalenz einer Imipenem-Resistenz von 13,5 % festgestellt. Die Prävalenz einer Cefotaxim-Resistenz lag bei 0,9 %.
Zur molekularen Typisierung wurde bei den Imipenem-resistenten Isolaten eine Multilocus-Sequenztypisierung, bei den Cefotaxim-resistenten Stämmen eine Sequenzierung des vollständigen Genoms durchgeführt. Hierbei wurde eine hohe genetische Diversität der Stämme festgestellt, was die Schlussfolgerung zulässt, dass resistente Mutanten sporadisch entstehen. Die Untersuchung möglicher spatio-temporaler Cluster führte zum Nachweis einer sehr selten vorkommenden Übertragung eines Imipenem-resistenten Stamms. Durch die Sequenzierung von Resistenzgenen wurde die Epidemiologie und Relevanz bekannter Aminosäuresubstitutionen beleuchtet. Unter anderem wurde für die PBP3-Substitutionen L389F und Y557H eine hochsignifikante Korrelation mit dem Auftreten von Cefotaxim-Resistenzen nachgewiesen. Die gewonnenen Genomdaten bieten die Grundlage für die Forschung an weiteren Antibiotikaresistenzdeterminanten von H. influenzae.
Echinococcosis is an important zoonosis. The causative agent of Alveolar Echinococcosis (AE) is Echinococcus multilocularis. The treatment of human AE is limited to surgery and chemotherapy with albendazole (ABZ). However, ABZ works only parasitostatically and it needs to be taken for long periods, although it causes adverse side effects. Thus, development of new, parasiticidal drug with selective toxicity is required. Because undifferentiated stem cells of E. multilocularis play key role in its longevity and regenerative capacity, targeting stem cells is especially important.
In vitro screening of protein kinases inhibitors demonstrated that human PIM kinases inhibitors have detrimental effects on E. multilocularis. Through yeast two hybrid assay, the interaction of parasite PIM kinase (EmPIM) and its CDC25 (EmCDC25) was indicated. Through in situ hybridization, expression of EmPIM in the stem cells was observed. Therefore, EmPim is likely to be a positive regulator of cell cycle progression, the same as human Pim1. In addition, 20 compounds against EmPIM were selected through in silico screening and synthesized. One of them has a detrimental effect on E.multilocularis comparable to human pan-PIM inhibitors, but has much weaker toxicity on human cell lines.
Furthermore, triclabendazole (TCBZ) and its metabolite TCBZSX, which are approved for another flatworm disease, Fascioliasis were tried on E. multilocularis. With two stem cell markers, damage to stem cells by TCBZSX was shown. In addition, primary cells from treated vesicles never regenerated and the damage to stem cells proved to be irreversible.
Our in silico screening method used in EmPIM research has potential to identify compounds which overcome the side effect problem in ABZ-based chemotherapy. On the other hand, it is expected that my research of TCBZ can lead to development of a practical parasiticidal chemotherapy by combining TCBZ, which damages stem cells, and ABZ, which damages differentiated cells.
Alveolar (AE) and cystic (CE) echinococcosis are two parasitic diseases caused by the tapeworms Echinococcus multilocularis and E. granulosus sensu lato (s. l.), respectively. Currently, AE and CE are mainly diagnosed by means of imaging techniques, serology, and clinical and epidemiological data. However, no viability markers that indicate parasite state during infection are available. Extracellular small RNAs (sRNAs) are short non-coding RNAs that can be secreted by cells through association with extracellular vesicles, proteins, or lipoproteins. Circulating sRNAs can show altered expression in pathological states; hence, they are intensively studied as biomarkers for several diseases. Here, we profiled the sRNA transcriptomes of AE and CE patients to identify novel biomarkers to aid in medical decisions when current diagnostic procedures are inconclusive. For this, endogenous and parasitic sRNAs were analyzed by sRNA sequencing in serum from disease negative, positive, and treated patients and patients harboring a non-parasitic lesion. Consequently, 20 differentially expressed sRNAs associated with AE, CE, and/or non-parasitic lesion were identified. Our results represent an in-depth characterization of the effect E. multilocularis and E. granulosus s. l. exert on the extracellular sRNA landscape in human infections and provide a set of novel candidate biomarkers for both AE and CE detection.
Pathogen-specific innate immune response patterns are distinctly affected by genetic diversity
(2023)
Innate immune responses vary by pathogen and host genetics. We analyze quantitative trait loci (eQTLs) and transcriptomes of monocytes from 215 individuals stimulated by fungal, Gram-negative or Gram-positive bacterial pathogens. We identify conserved monocyte responses to bacterial pathogens and a distinct antifungal response. These include 745 response eQTLs (reQTLs) and corresponding genes with pathogen-specific effects, which we find first in samples of male donors and subsequently confirm for selected reQTLs in females. reQTLs affect predominantly upregulated genes that regulate immune response via e.g., NOD-like, C-type lectin, Toll-like and complement receptor-signaling pathways. Hence, reQTLs provide a functional explanation for individual differences in innate response patterns. Our identified reQTLs are also associated with cancer, autoimmunity, inflammatory and infectious diseases as shown by external genome-wide association studies. Thus, reQTLs help to explain interindividual variation in immune response to infection and provide candidate genes for variants associated with a range of diseases.