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A Comprehensive Review on the Interplay between Neisseria spp. and Host Sphingolipid Metabolites
(2021)
Sphingolipids represent a class of structural related lipids involved in membrane biology and various cellular processes including cell growth, apoptosis, inflammation and migration. Over the past decade, sphingolipids have become the focus of intensive studies regarding their involvement in infectious diseases. Pathogens can manipulate the sphingolipid metabolism resulting in cell membrane reorganization and receptor recruitment to facilitate their entry. They may recruit specific host sphingolipid metabolites to establish a favorable niche for intracellular survival and proliferation. In contrast, some sphingolipid metabolites can also act as a first line defense against bacteria based on their antimicrobial activity. In this review, we will focus on the strategies employed by pathogenic Neisseria spp. to modulate the sphingolipid metabolism and hijack the sphingolipid balance in the host to promote cellular colonization, invasion and intracellular survival. Novel techniques and innovative approaches will be highlighted that allow imaging of sphingolipid derivatives in the host cell as well as in the pathogen.
Neisseria meningitidis, ein pathogenes Bakterium, das schwere Fälle von Sepsis und Meningitis verursacht, interagiert während der Infektion mit verschiedenen Oberflächen des Wirtes. Die schnellstmögliche Anpassung an die spezifischen Milieubedingungen im Wirtsorganismus ist daher ein essentieller Schritt in der Pathogenese. Durch Verwendung von DNA-Mikroarrays, die auf gespotteten Oligonukleotiden basieren, wurde das Transkriptionsprofil von N. meningitidis während der Infektion von Epithel- und Endothelzellen analysiert. Zur Analyse wurde die isogene kapseldefiziente siaD-Mutante des N. meningitidis Stammes MC58 verwendet. 72 Gene konnten nach Kontakt mit Epithelzellen und 48 Gene nach Kontakt mit Endothelzellen als differential reguliert identifiziert werden. Darunter auch eine große Anzahl von Virulenzgenen. Während ein Teil der detektierten Gene in beiden Systemen als differentiell reguliert galt, gab es doch eine Anzahl von ORF´s, die nur für ein Zellkulturmodell spezifisch reguliert waren (59 spezifische Gene für HEp-2 und 35 spezifische Gene für HBMEC). Für einige ausgewählte Gene wurde die im Mikroarray detektierte Regulierung durch Quantitative RT-PCR nochmals bestätigt. Die Funktion von den als induziert identifizierten Genen rfaF, hem und NMB1843 wurde im Anschluß durch die Konstruktion von Mutanten näher untersucht. Das rfaF-Gen, eine in der LPS Biosynthese involvierte Heptosyl-II-transferase, wurde in beiden Zellkultursystemen als differentiell reguliert identifiziert. Die Deletion des Gens führte speziell für den bekapselten Stamm MC58 zu einer signifikanten Erhöhung der Adhärenz und Invasion nach Infektion von Epithelzellen. Untersuchungen des Infektionspotential für HBMEC Zellen ergaben keine signifikant veränderte Adhärenz und Invasion. Bei zusätzlicher Deletion von rfaF in einem opc negativen Stamm konnte eine Abnahme der bakteriellen Aufnahme im Zellkulturmodell HBMEC beobachtet werden. Dagegen zeigten die opc, rfaF negativen Mutanten nach Kontakt mit HEp-2 Zellen keine verminderte Invasion. Weiterhin führte die Deletion des rfaF-Gens zu einer verstärkten Sensibilität gegenüber humanen Serum. Diese Daten deuten daraufhin, dass die LPS-Struktur eine Rolle in der bakteriellen Zellinteraktion spielt, speziell wenn eine für die Adhäsion wichtige Komponente nicht mehr exprimiert wird. Der ORF NMB1843, der für einen Transkriptionsregulator aus der MarR-Familie kodiert, ebenso wie das Hämolysin Gen konnten nur nach Kontakt mit HBMEC Zellen als differentiell reguliert identifiziert werden. In Infektionsstudien zeigten die hem-Mutanten keine veränderte Adhärenz und Invasion. Weiterhin war die Zytotoxizität der Mutanten nicht eingeschränkt. Ob der ORF NMB1646 daher als Hämolysin fungiert bleibt zu klären. Durchgeführte Mikroarraystudien mit den NMB1843-Mutanten, führten zur Identifizierung einiger ORF´s, die möglicherweise unter der Kontrolle dieses Regulators stehen. Dazu gehören die Virulenz assoziierten Gene sodC, iga und nadA sowie das für ein Hämolysin kodierende Gen NMB1779. Die Untersuchung des Expressionsprofils mittels SDS-PAGE Analyse führte zur Identifizierung einer Proteinbande bei 210 kDa, die spezifisch für die NMB1843 negativen Stämme ist. Dieses Protein wurde als nadA identifiziert. NadA induziert im Tiermodell bakterizide Antikörper und gilt daher als möglicher Impfstoffkandidat. Die in dieser Arbeit vorgelegten Daten liefern neue Einblicke in die Pathogenitätsmechanismen von N. meningitidis und belegen die Bedeutung der transkriptionellen Genregulation in den einzelnen Stadien der Meningokokkeninfektion.
Neisseria meningitidis (meningococcus) causes invasive diseases such as meningitis or septicaemia. Ex vivo infection of human whole blood is a valuable tool to study meningococcal virulence factors and the host innate immune responses. In order to consider effects of cellular mediators, the coagulation cascade must be inhibited to avoid clotting. There is considerable variation in the anticoagulants used among studies of N. meningitidis whole blood infections, featuring citrate, heparin or derivatives of hirudin, a polypeptide from leech saliva. Here, we compare the influence of these three different anticoagulants, and additionally Mg/EGTA, on host innate immune responses as well as on viability of N. meningitidis strains isolated from healthy carriers and disease cases, reflecting different sequence types and capsule phenotypes. We found that the anticoagulants significantly impact on cellular responses and, strain-dependently, also on bacterial survival. Hirudin does not inhibit complement and is therefore superior over the other anticoagulants; indeed hirudin-plasma most closely reflects the characteristics of serum during N. meningitidis infection. We further demonstrate the impact of heparin on complement activation on N. meningitidis and its consequences on meningococcal survival in immune sera, which appears to be independent of the heparin binding antigens Opc and NHBA.
Objective
The aim of this study was to determine the prevalence of Neisseria meningitidis, Haemophilus influenzae, Streptococcus pneumoniae, group A Streptococcus (GAS), and Staphylococcus aureus in asymptomatic elderly people and to unravel risk factors leading to colonization.
Methods
A multi-centre cross-sectional study was conducted including 677 asymptomatic adults aged 65 years or more, living at home or in nursing homes. Study areas were Greater Aachen (North-Rhine-Westphalia) and Wuerzburg (Bavaria), both regions with medium to high population density. Nasal and oropharyngeal swabs as well as questionnaires were collected from October 2012 to May 2013. Statistical analysis included multiple logistic regression models.
Results
The carriage rate was 1.9% ([95%CI: 1.0–3.3%]; 13/677) for H. influenzae, 0.3% ([95%CI: 0–1.1%]; 2/677) for N. meningitidis and 0% ([95% CI: 0–0.5%]; 0/677) for S. pneumoniae and GAS. Staphylococcus aureus was harboured by 28.5% of the individuals ([95% CI: 25.1–32.1%]; 193/677) and 0.7% ([95% CI: 0.2–1.7%]; 5/677) were positive for methicillin-resistant S. aureus. Among elderly community-dwellers colonization with S. aureus was significantly associated with higher educational level (adjusted OR: 1.905 [95% CI: 1.248–2.908]; p = 0.003). Among nursing home residents colonization was associated with being married (adjusted OR: 3.367 [1.502–7.546]; p = 0.003).
Conclusion
The prevalence of N. meningitidis, H. influenzae, S. pneumoniae and GAS was low among older people in Germany. The S. aureus rate was expectedly high, while MRSA was found in less than 1% of the individuals.
Meningokokken gehören zu den wichtigsten Erregern bakterieller Sepsis und Meningitis. Der Schweregrad des Krankheitsverlaufs bei Meningokokkenerkrankungen korreliert mit der Konzentration an proinflammatorischen Zytokinen im Serum. Dendritische Zellen (DZ) bilden die erste Abwehr am humanen Epithel des Nasopharynx, welches die Eingangspforte von Neisseria meningitidis darstellt und sind eine wichtige Quelle proinflammatorischer Zytokine. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass bekapselte Meningokokken-Stämme bei DZ signifikant weniger proinflammatorische Zytokine als isogene Kapsel-defiziente Stämme oder obligat unbekapselte Stämme induzieren. Dieser Effekt ist unabhängig von der chemischen Zusammensetzung der Kapsel, da aufgereinigtes Kapselpolysaccharid der Serogruppe B nicht den reduzierenden Effekt der Zytokininduktion beeinflusste. Darüber hinaus spielt die Kapsel-O-Acetylierung bei Serogruppe C, W-135 und Y nur eine untergeordnete Rolle bei der Erkennung von Meningokokken durch DZ. Microarray Versuche zum Transkriptionsprofil von DZ, die mit dem konstitutiv unbekapselten Trägerisolat alpha 14, dem bekapselten MC58 oder dem isogenen unbekapselten Stamm MC58siaD durchgeführt wurden, zeigten nach 4 h ein identisches Profil von proinflammatorischen Zytokinen. Nur der phagozytierte unbekapselten Stamm MC58siaD zeigte eine differentielle Regulation von weiteren Zytokinen. Jedoch glich sich das Profil nach 18 h Infektion durch alle drei Stämme an. Der Scavenger Rezeptor der Klasse A (SR-A) wurde als Hauptrezeptor identifiziert, der die Erkennung und Phagozytose von Meningokokken durch DZ initialisiert. Eine Assoziation phagozytierter Meningokokken mit SR-A konnte mittels Elektronenmikroskopie bestätigt werden. Nach Infektion von THP-1 Makrophagen mit bekapselten Serogruppe B und C Stämmen, den isogenen Kapsel-defizienten Stämmen und dem obligat unbekapselten Stamm alpha 14 wurde auf Transkriptionsebene keine differentielle Regulation der SR-A nachgewiesen. Lediglich eine minimale Hochregulation des SR-A auf der zellulären Oberfläche konnte nach einer Stunde Infektion verzeichnet werden. Nach Infektion von DZ oder THP-1 Makrophagen mit MC58siaD kommt es zur Dephosphorylierung des SR-A. Unter Verwendung von globalen Phagozytose-Inhibitoren konnte gezeigt werden, dass für die maximale Induktion der proinflammatorischen Zytokine TNF-alpha, IL-6 und IL-1 Phagozytose von N. meningitidis benötigen wird, dies ist jedoch für die IL 8 Produktion nicht notwendig. Außerdem konnte gezeigt werden, dass mit dem spezifischen SR-A Inhibitor poly G eine Reduktion von TNF-alpha, IL-6, IL-1 und IL-8 zu verzeichnen war. Folglich ist die Phagozytose über SR-A nötig, um TNF-alpha, IL-6 und IL-1 zu induzieren, jedoch nur die Erkennung aber nicht die Phagozytose via SR-A die IL-8 Produktion initiiert. Die Aufnahme von Neisseria meningitidis über den SR-A durch DZ ist damit nicht nur für die Phagozytose und Abtötung verantwortlich sondern auch für die Zytokininduktion wichtig ist. Es gibt jedoch auch Meningokokken Stämme, die nicht vom SR-A erkannt werden. Mit alpha 14 konnte erstmals ein Meningokokken-Stamm identifiziert werden, der nicht an SR-A bindet. Die Induktion von Zytokinfreisetzung durch alpha 14 erfolgt dementsprechend unabhängig von SR-A und nach Kontakt von alpha 14 mit humanen DZ ist keine Veränderung der Phosphorylierungsstatus dieses Rezeptors zu beobachten. Die erhobenen Daten legen eine zentrale Rolle von SR-A in der Induktion von Immunität gegen N. meningitidis nahe.
Some members of the physiological human microbiome occasionally cause life-threatening disease even in immunocompetent individuals. A prime example of such a commensal pathogen is Neisseria meningitidis, which normally resides in the human nasopharynx but is also a leading cause of sepsis and epidemic meningitis. Using N. meningitidis as model organism, we tested the hypothesis that virulence of commensal pathogens is a consequence of within host evolution and selection of invasive variants due to mutations at contingency genes, a mechanism called phase variation. In line with the hypothesis that phase variation evolved as an adaptation to colonize diverse hosts, computational comparisons of all 27 to date completely sequenced and annotated meningococcal genomes retrieved from public databases showed that contingency genes are indeed enriched for genes involved in host interactions. To assess within-host genetic changes in meningococci, we further used ultra-deep whole-genome sequencing of throat-blood strain pairs isolated from four patients suffering from invasive meningococcal disease. We detected up to three mutations per strain pair, affecting predominantly contingency genes involved in type IV pilus biogenesis. However, there was not a single (set) of mutation(s) that could invariably be found in all four pairs of strains. Phenotypic assays further showed that these genetic changes were generally not associated with increased serum resistance, higher fitness in human blood ex vivo or differences in the interaction with human epithelial and endothelial cells in vitro. In conclusion, we hypothesize that virulence of meningococci results from accidental emergence of invasive variants during carriage and without within host evolution of invasive phenotypes during disease progression in vivo.
Sepsis caused by Neisseria meningitidis (meningococcus) is a rapidly progressing, life-threatening disease. Because its initial symptoms are rather unspecific, medical attention is often sought too late, i.e., when the systemic inflammatory response is already unleashed. This in turn limits the success of antibiotic treatment. The complement system is generally accepted as the most important innate immune determinant against invasive meningococcal disease since it protects the host through the bactericidal membrane attack complex. However, complement activation concomitantly liberates the C5a peptide, and it remains unclear whether this potent anaphylatoxin contributes to protection and/or drives the rapidly progressing immunopathogenesis associated with meningococcal disease. Here, we dissected the specific contribution of C5a receptor 1 (C5aR1), the canonical receptor for C5a, using a mouse model of meningococcal sepsis. Mice lacking C3 or C5 displayed susceptibility that was enhanced by >1,000-fold or 100-fold, respectively, consistent with the contribution of these components to protection. In clear contrast, C5ar1\(^{-/-}\) mice resisted invasive meningococcal infection and cleared N. meningitidis more rapidly than wild-type (WT) animals. This favorable outcome stemmed from an ameliorated inflammatory cytokine response to N. meningitidis in C5ar1\(^{-/-}\) mice in both in vivo and ex vivo whole-blood infections. In addition, inhibition of C5aR1 signaling without interference with the complement bactericidal activity reduced the inflammatory response also in human whole blood. Enticingly, pharmacologic C5aR1 blockade enhanced mouse survival and lowered meningococcal burden even when the treatment was administered after sepsis induction. Together, our findings demonstrate that C5aR1 drives the pathophysiology associated with meningococcal sepsis and provides a promising target for adjunctive therapy.
Importance:
The devastating consequences of N. meningitidis sepsis arise due to the rapidly arising and self-propagating inflammatory response that mobilizes antibacterial defenses but also drives the immunopathology associated with meningococcemia. The complement cascade provides innate broad-spectrum protection against infection by directly damaging the envelope of pathogenic microbes through the membrane attack complex and triggers an inflammatory response via the C5a peptide and its receptor C5aR1 aimed at mobilizing cellular effectors of immunity. Here, we consider the potential of separating the bactericidal activities of the complement cascade from its immune activating function to improve outcome of N. meningitidis sepsis. Our findings demonstrate that the specific genetic or pharmacological disruption of C5aR1 rapidly ameliorates disease by suppressing the pathogenic inflammatory response and, surprisingly, allows faster clearance of the bacterial infection. This outcome provides a clear demonstration of the therapeutic benefit of the use of C5aR1-specific inhibitors to improve the outcome of invasive meningococcal disease.
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.
Neisseria meningitidis kann rasch tödlich verlaufende Erkrankungen wie die Meningokokken-Meningitis und –Sepsis hervorrufen. In den Industriestaaten werden diese Infektionen meist durch Meningokokken der Serogruppen B und C hervorgerufen. Während für die Serogruppe C bereits ein suffizienter Polysaccharidimpfstoff existiert, konnte ein solcher für Stämme der Serogruppe B aufgrund der Immuntoleranz gegen deren N-acetylneuraminsäure noch nicht gefunden werden. Eine Lebendvakzine könnte dieses Problem lösen, da hier viele verschiedene Antigene, welche eine Immunantwort im menschlichen Körper induzieren, zur Verfügung stünden. Die Voraussetzung für eine Lebendvakzine ist Attenuierung eines B-Meningokokken-Stammes durch die Deletion verschiedener Gene. In früheren Untersuchungen ergaben sich Hinweise darauf, dass die LOS-Sialylierung einen Virulenzfaktor darstellt. Das lst-Gen codiert für die α-2,3-Sialyltransferase, deren Aufgabe es ist, die Sialinsäurereste an die Lacto-N-Neotetraose des LOS zu binden. In unserer Arbeit konnten wir zeigen, dass eine lst-Deletionsmutante des Serogruppe-B-Stammes MC58 herstellbar ist. Das Wachstumsverhalten der Mutante in PPM+-Medium unterschied sich nicht von dem des Wildtyps. Auch die Resistenz der Bakterien gegenüber humanem Serum (bis 80%) blieb von der Deletion des lst-Gens unbeeinflusst. Bei der Interaktion mit Epithel- und Endothelzellen allerdings zeigte sich bei der Mutante eine erhöhte Invasivität. Da die Invasion durch Oberflächenproteine wie Opa und Opc vermittelt wird, wäre eine mögliche Begründung für diese Veränderung die bessere Zugänglichkeit dieser Proteine durch das Fehlen der LOS-Sialylierung. Meningokokken mit nicht sialyliertem LOS wurden außerdem von dendritischen Zellen signifikant besser phagozytiert als Wildtyp-Bakterien. Besonders deutlich zeigte sich dies bei fehlender Kapsel. Auch hier ist sicherlich die Maskierung von Bindungsstellen durch Sialinsäuregruppen ein Grund für diese Beobachtung. Weiterhin wurde die Interaktion von Meningokokken verschiedener Serogruppen mit dendritischen Zellen unter besonderer Berücksichtigung des Einflusses der Polysaccharidkapsel untersucht. Die Meningokokken der untersuchten Serogruppen A, B und C wurden von dendritischen Zellen gut phagozytiert und abgetötet. Allerdings waren sowohl die Adhärenz als auch die Phagozytose bei Vorhandensein einer Polysaccharidkapsel stark inhibiert. Neisseria meningitidis-Stämme aller drei getesteten Serogruppen induzierten eine starke Ausschüttung der Zytokine TNF-α, IL-6 und IL-8. Als ein Induktor dieser Substanzen erwiesen sich die Lipooligosaccharide der Meningokokken. Allerdings zeigte sich in den Versuchen auch, dass noch weitere Bakterienbestandteile eine Zytokinausschüttung hervorrufen können. Die Sialylierung der Lipooligosaccharide hatte keinen signifikanten Einfluss auf die Menge der produzierten Zytokine. Mit dieser Arbeit konnten wir zeigen, dass dendritische Zellen mit der Ausschüttung von Zytokinen und der Phagozytose von Bakterien eine wichtige Rolle in der Pathogenese von Erkrankungen durch Meningokokken spielen könnten. Auch beim Zusammenspiel mit DC-s wirkt die Kapsel als Schutzfaktor vor dem Angriff des menschlichen Immunsystems. Dieser Schutz kann durch die LOS-Sialylierung zusätzlich gesteigert werden. Die Deletion des lst-Gens könnte also als ein Baustein für die Konstruktion eines attenuierten Lebendvakzine-Stammes fungieren.