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The human pathogen Bordetella pertussis targets the respiratory epithelium and causes whooping cough. Its virulence factor adenylate cyclase toxin (CyaA) plays an important role in the course of infection. Previous studies on the impact of CyaA on human epithelial cells have been carried out using cell lines derived from the airways or the intestinal tract. Here, we investigated the interaction of CyaA and its enzymatically inactive but fully pore-forming toxoid CyaA-AC– with primary human airway epithelial cells (hAEC) derived from different anatomical sites (nose and tracheo-bronchial region) in two-dimensional culture conditions. To assess possible differences between the response of primary hAEC and respiratory cell lines directly, we included HBEC3-KT in our studies. In comparative analyses, we studied the impact of both the toxin and the toxoid on cell viability, intracellular cAMP concentration and IL-6 secretion. We found that the selected hAEC, which lack CD11b, were differentially susceptible to both CyaA and CyaA-AC–. HBEC3-KT appeared not to be suitable for subsequent analyses. Since the nasal epithelium first gets in contact with airborne pathogens, we further studied the effect of CyaA and its toxoid on the innate immunity of three-dimensional tissue models of the human nasal mucosa. The present study reveals first insights in toxin–cell interaction using primary hAEC.
Trotz deutlich zunehmender Durchimpfungsraten bei Kindern und Jugendlichen tritt Pertussis in Deutschland weiterhin als Ursache signifikanter Morbidität auf, v. a. bei ungeimpften Kindern und Säuglingen. Die Datenlage zur Pertussis-Epidemiologie ist vor allem in den alten Bundesländern aufgrund der bis 2013 fehlenden Meldepflicht sehr begrenzt. Das Ziel dieser Studie war die Ermittlung der Inzidenz und des Schweregrades von ICD-10-dokumentierten Bordetella pertussis-Hospitalisationen bei Kindern in Bayern.
27 (73%) von insgesamt 37 bayerischen Kinderkliniken beteiligten sich an der Surveillance-Studie. Sie führten eine Datenabfrage für im Jahr 2007 und 2008 stationär aufgenommene Kinder unter 17 Jahren mit einem ICD- 10-Code für Pertussis (A37.0 oder A37.9) als Haupt- oder Nebendiagnose bei Entlassung durch. Zu diesen Kindern wurden demographische Basisdaten sowie Jahr und Monat der Hospitalisation, Haupt- und alle Nebendiagnosen, Aufenthaltsdauer und Behandlung (OPS-Codes) erhoben.
Im 2-Jahres-Zeitraum 2007/2008 wurden insgesamt 171 Fälle identifiziert (2007:109 Fälle; 2008: 62 Fälle), mit 0-17 gemeldeten Fällen pro Klinik. Mädchen waren mit 51% (n=88) etwas häufiger betroffen als Jungen. Der Altersmedian lag bei vier Monaten (IQR: 1-14 Monate); 121 (70.7%) Kinder waren Säuglinge <1 Jahr, 102 (59.6%) <6 Monate und 41 (24.0%) <2 Monate alt. Die jährliche Inzidenz bei Säuglingen <1 Jahr wurde auf 67/100.000 Hospitalisationen geschätzt, bei Säuglingen <2 Monate auf 22/100.000. Respiratorische Komplikationen einschließlich Pneumonien und Apnoen traten bei 31% (n=53) aller Kinder auf; von diesen waren 82% (n=39) <1 Jahr bzw. 44% (n=21) <2 Monate alt. Fünf Kinder (3%) mussten intensivstationär behandelt werden, davon waren 4 jünger als 4 Monate. Bei einem Säugling (0.6%) war ein Krampfanfall dokumentiert, kardio-respiratorische Komplikationen kamen bei 2% und Dehydratation bei 8% aller Kinder vor.
Sowohl die Inzidenz der Hospitalisationen als auch die Komplikationsrate waren am höchsten bei Säuglingen <1 Jahr bzw. <2 Monaten. Die Ergebnisse belegen die Bedeutung der zeitgerechten Umsetzung der Impfempfehlung, d.h. den rechtzeitigen Start der Grundimmunisierung im Alter von 2, 3 und 4 Monaten. Auch die bereits 2004 empfohlene Impfung von Kontaktpersonen ist für die Prävention von Pertussis bei Säuglingen von hoher Wichtigkeit. Die bisher nicht allgemein empfohlene Impfung für Schwangere bzw. für Neugeborene könnte ggf. die Hospitalisationszahlen weiter senken; weitere Studien dazu werden dringend benötigt.
Bordetellen sind Gram-negative Kokkobazillen, die phylogenetisch zu den β-Proteobakterien zählen und in der Familie der Alcaligenaceae eingeordnet sind. Der bedeutendste Vertreter der Gattung, die nach heutigem Kenntnisstand neun Arten umfasst, ist Bordetella pertussis, der Erreger des Keuchhustens. Der Keim ist obligat humanpathogen und besitzt zahlreiche Virulenzfaktoren, um die Epithelzellen des Respirationstraktes zu besiedeln und zu zerstören, wodurch es zu dem charakteristischen Krankheitsverlauf kommt. Neben B. pertussis werden noch B. bronchiseptica und B. parapertussis dem sogenannten B. bronchiseptica-Cluster zugeteilt. Alle Vertreter des B. bronchiseptica-Clusters sind in der Lage, bei verschiedenen Wirtsspezies respiratorische Erkrankungen mit unterschiedlichem Schweregrad auszulösen. Dabei weist B. bronchiseptica ein breiteres Wirtsspektrum auf und kann Atemwegserkrankungen in einer Vielzahl von Säugetieren auslösen, wohingegen B. parapertussis vornehmlich Schafe und Menschen infiziert und bei letzteren eine schwächere Form des Keuchhustens bewirkt. Das Hfq-Protein wurde ursprünglich als Wirtsfaktor identifiziert, welcher für die Replikation des RNA-Phagen Qβ in Escherichia coli benötigt wird (host factor for Qβ oder HF-1). Es ist in Struktur und Funktion homolog zu den Sm-Proteinen aus Eukaryoten, die am Splicing von mRNAs involviert sind. Die Beteiligung des Hfq-Proteins an regulatorischen Vorgängen, die durch kleine nicht-kodierende RNAs (sRNAs) vermittelt werden, wurde erstmals in einer Studie zum Mechanismus der rpoS-Regulation durch die kleine regulatorische RNA OxyS ersichtlich. Seitdem konnte für eine Vielzahl an sRNAs gezeigt werden, dass sie an Hfq gebunden vorliegen und die Hilfe des Proteins bei der post-transkriptionellen Kontrolle ihrer Ziel-mRNAs benötigen. In dieser Hinsicht übernimmt Hfq die Rolle eines RNA-Chaperons, indem es trans-kodierte sRNAs stabilisiert und die Basenpaarung mit ihren Ziel-mRNAs fördert. Dabei beeinflusst die Bindung der sRNA-Regulatoren an ihre Ziel-mRNAs deren Translation, sowohl aktivierend als auch inhibierend. Bislang wurden Hfq-Homologe in der Hälfte aller sequenzierten Gram-positiven und Gram-negativen Bakterienarten gefunden. Eine BLAST-Analyse ergab, dass B. pertussis und B. bronchiseptica Homologe zum Hfq-Protein aufweisen und diese in der veröffentlichten Genomsequenz bereits als Hfq-Protein annotiert sind. Fokus dieser Arbeit war weitestgehend, die Funktion des Hfq-Proteins in B. pertussis und vergleichend in B. bronchiseptica zu charakterisieren. Mittels Primer Extension-Analyse konnte zunächst der Startpunkt des hfq-Transkripts in B. pertussis und B. bronchiseptica unter logarithmischen Wachstumsbedingungen bestimmt werden. Dieser Startpunkt war zudem unter stationären Wachstumsbedingungen und nach Hitzestress aktiv, was in Diskrepanz zur Beobachtung in E. coli steht. Ferner konnte festgestellt werden, dass die hfq-Transkription nach Induktion verschiedener Stressformen in beiden Organismen erhöht war. Nach Generierung der jeweiligen Δhfq-Mutanten in beiden Organismen wurden diese charakterisiert. Die B. pertussis Δhfq-Mutante zeigte ein deutliches Wachstumsdefizit gegenüber dem Wildtyp, im Gegensatz zu B. bronchiseptica Δhfq, die sich im Wachstum wie der Wildtyp verhielt. Beide Mutanten zeigten sich sensitiver gegenüber H2O2-Stress als der Wildtyp, nicht jedoch gegenüber weiteren oxidativen Stressbedingungen oder Membranstress induzierenden Substanzen. Die Δhfq-Mutante in B. pertussis war zudem in ihrer Fähigkeit zur Biofilmbildung beeinträchtigt, was jedoch nicht für B. bronchiseptica Δhfq galt. Da Hfq an sRNA-mRNA-Interaktionen, welche die Translation der mRNAs beeinflussen, beteiligt ist, sollte über 2D-Gelelektrophorese das Hfq-regulierte Proteom in B. pertussis und B. bronchiseptica bestimmt werden. Auffällig war, dass viele periplasmatische Transport-bindeproteine von der Δhfq-Mutation betroffen waren. Es zeigten sich aber auch Stoffwechselenzyme und wichtige Housekeeping-Faktoren, wie z. B. der Elongationsfaktor EF-Tu und das Chaperon GroEL, in der Δhfq-Mutante dereguliert. Generell scheint das Hfq-regulierte Proteom in B. pertussis und B. bronchiseptica nur einen kleinen Teil des gesamten Proteoms auszumachen. Zudem ist das Hfq-regulierte Proteom variabel zwischen verschiedenen Wachstumsbedingungen, aber auch zwischen den beiden Organismen trotz der engen Verwandtschaft. Die Expression ausgewählter Virulenzfaktoren zeigte keinen Unterschied zwischen Δhfq-Mutante und B. pertussis-Wildtyp.
Activity of Tracheal Cytotoxin of Bordetella pertussis in a Human Tracheobronchial 3D Tissue Model
(2021)
Bordetella pertussis is a highly contagious pathogen which causes whooping cough in humans. A major pathophysiology of infection is the extrusion of ciliated cells and subsequent disruption of the respiratory mucosa. Tracheal cytotoxin (TCT) is the only virulence factor produced by B. pertussis that has been able to recapitulate this pathology in animal models. This pathophysiology is well characterized in a hamster tracheal model, but human data are lacking due to scarcity of donor material. We assessed the impact of TCT and lipopolysaccharide (LPS) on the functional integrity of the human airway mucosa by using in vitro airway mucosa models developed by co-culturing human tracheobronchial epithelial cells and human tracheobronchial fibroblasts on porcine small intestinal submucosa scaffold under airlift conditions. TCT and LPS either alone and in combination induced blebbing and necrosis of the ciliated epithelia. TCT and LPS induced loss of ciliated epithelial cells and hyper-mucus production which interfered with mucociliary clearance. In addition, the toxins had a disruptive effect on the tight junction organization, significantly reduced transepithelial electrical resistance and increased FITC-Dextran permeability after toxin incubation. In summary, the results indicate that TCT collaborates with LPS to induce the disruption of the human airway mucosa as reported for the hamster tracheal model.
The Gram-negative bacterium Bordetella pertussis is the cause of whooping cough. One of its pathogenicity factors is the adenylate cyclase toxin (CyaA) secreted by a Type I export system. The 1706 amino acid long CyaA (177 kDa) belongs to the continuously increasing family of repeat in toxin (RTX) toxins because it contains in its C-terminal half a high number of nine-residue tandem repeats. The protein exhibits cytotoxic and hemolytic activities that target primarily myeloid phagocytic cells expressing the αMβ2 integrin receptor (CD11b/CD18). CyaA represents an exception among RTX cytolysins because the first 400 amino acids from its N-terminal end possess a calmodulin-activated adenylate cyclase (AC) activity. The entry of the AC into target cells is not dependent on the receptor-mediated endocytosis pathway and penetrates directly across the cytoplasmic membrane of a variety of epithelial and immune effector cells. The hemolytic activity of CyaA is rather low, which may have to do with its rather low induced permeability change of target cells and its low conductance in lipid bilayer membranes. CyaA forms highly cation-selective channels in lipid bilayers that show a strong dependence on aqueous pH. The pore-forming activity of CyaA but not its single channel conductance is highly dependent on Ca\(^{2+}\) concentration with a half saturation constant of about 2 to 4 mM.
Das Tex Protein aus Bordetella pertussis definiert eine neue Familie hoch konservierter Proteine in Eubakterien. Ursprünglich wurde das tex Gen aufgrund seines Einflusses auf die Toxinexpression in bestimmten regulatorischen Mutanten von B. pertussis gefunden (Fuchs et al. (1996), J Bacteriol 178, 4445-52). Wie hier gezeigt wird, sind Leserahmen für entsprechende Proteine bei den Eubakterien ubiquitär und mehrheitlich zu über 69 Prozent konserviert. Eine Ausnahme bilden einige wenige Taxa mit bekanntermaßen reduzierten Genomen, bei denen das Gen wahrscheinlich verloren gegangen ist, wie zum Beispiel verschiedene Mycoplasma spp. oder der obligate Blattlaus- (Aphiden-) Symbiont Buchnera aphidicola. In Eukaryonten und Archaeen konnte ein zu tex homologes Gen bisher nicht gefunden werden. Die Funktion von Tex in der Bakterienzelle ist unklar. Während das Gen in B. pertussis essenziell ist und auch nicht überexprimiert werden kann, sind Deletionsmutanten in Neisseria meningitidis und Escherichia coli phänotypisch nicht von den entsprechenden Wildtypen unterscheidbar. Ausgiebige Wachstumsstudien mit einer E. coli tex-Mutante unter verschiedenen Wachstums- und Stressbedingungen ergaben ebenfalls keinen Hinweis auf eine Bedeutung von Tex, die die außerordentliche Konservierung des Proteins erklären könnte. Das Protein zeigt in seinem N-Terminus ausgeprägte Ähnlichkeit mit dem Mannitol-Repressor (MtlR) von Escherichia coli und besitzt eine C-terminale S1-Domäne. Da die meisten der Proteine mit S1-Domänen als RNA-bindende Proteine gelten, wurde die Fähigkeit von Tex untersucht, mit Nukleinsäuren zu interagieren. In Festphasen-Bindeassays mit an Magnetkügelchen immobilisiertem Tex Protein aus E. coli konnte eine spezifische Bindung an RNA-Gesamtpräparationen gezeigt werden. DNA wurde hingegen nicht gebunden. Durch Verkürzung des N-Terminus geht die präferenzielle Bindung an RNA jedoch verloren und die Bindung von DNA erfolgt mit der gleichen Effizienz wie die von RNA. Festphasen-Bindeassays wurden weiterhin dazu benutzt, mögliche spezifische Interaktionspartner von Tex aus RNA-Gesamtpräparationen zu finden. Tatsächlich konnten über diesen Ansatz die regulatorische RNA CsrB und die ribosomale 16S RNA als spezifische Liganden isoliert werden. Über die biologische Relevanz dieser Interaktion kann zum gegenwärtigen Zeitpunkt allerdings noch keine Aussage gemacht werden.
Mittels Tissue Engineering hergestellte humane 3D in vitro-Testsysteme sind ein neuer Ansatz, um u.a. Erkrankungen der Atemwege zu simulieren und zu untersuchen. Obwohl gegen B. pertussis, den Erreger des Keuchhustens, Impfstoffe zur Verfügung stehen, nimmt die Erkrankungs-Inzidenz in den letzten Jahren deutlich zu. Da B. pertussis zu den obligat humanpathogenen Erregern zählt, sind die aus Tierversuchen stammenden Daten nur unzureichend auf den Menschen übertragbar. Die genauen Pathomechanismen der Infektion sind bisher nicht geklärt.
Auf einer biologischen Kollagenmatrix wurde eine Ko-Kultur aus humanen tracheobronchialen Fibroblasten und humanen tracheobronchialen Epithelzellen (hTEC) angesiedelt und 3 Wochen unter apikaler Belüftung kultiviert. Die ausdifferenzierten 3D Testsysteme wurden mit Überständen von Bordetella pertussis-Kulturen inkubiert und auf licht- und elektronenmikroskopischer Ebene analysiert. Weiterhin wurden 2D Kulturen der hTEC mit Hilfe der Ramanspektroskopie nicht-invasiv auf intrazelluläre Veränderungen nach der Inkubation mit den bakteriellen Überständen untersucht.
Das 3D Testsystem der humanen Atemwegschleimhaut zeigte auf lichtmikroskopischer und ultrastruktureller Ebene eine hohe in vitro – in vivo-Korrelation. Die elektronenmikroskopische Analyse zeigte morphologische Veränderungen nach der Inkubation mit den B. pertussis Überständen, die mit vorbeschrieben Effekten einer B. pertussis Infektion korrelieren. Mittels der Ramanspektroskopie ließen sich Gruppen von unbehandelten Zellen von Gruppen, die zuvor mit Bakterienüberständen inkubiert wurden, trennen. Somit zeigte sich die Ramanspektroskopie sensitiv für intrazelluläre Infektionsfolgen.
Zusammenfassend wurde belegt, dass das 3D-Modell der humanen Atemwegschleimhaut zur Untersuchung obligat humanpathogener Infektionserreger geeignet ist und dass die Ramanspektroskopie eine nicht-invasive Methode ist, um durch Infektionen hervorgerufene intrazellulären Pathologien zu analysieren.
To study the interaction of human pathogens with their host target structures, human tissue models based on primary cells are considered suitable. Complex tissue models of the human airways have been used as infection models for various viral and bacterial pathogens. The Gram-negative bacterium Bordetella pertussis is of relevant clinical interest since whooping cough has developed into a resurgent infectious disease. In the present study, we created three-dimensional tissue models of the human ciliated nasal and tracheo-bronchial mucosa. We compared the innate immune response of these models towards the B. pertussis virulence factor adenylate cyclase toxin (CyaA) and its enzymatically inactive but fully pore-forming toxoid CyaA-AC\(^-\). Applying molecular biological, histological, and microbiological assays, we found that 1 µg/ml CyaA elevated the intracellular cAMP level but did not disturb the epithelial barrier integrity of nasal and tracheo-bronchial airway mucosa tissue models. Interestingly, CyaA significantly increased interleukin 6, interleukin 8, and human beta defensin 2 secretion in nasal tissue models, whereas tracheo-bronchial tissue models were not significantly affected compared to the controls. Subsequently, we investigated the interaction of B. pertussis with both differentiated primary nasal and tracheo-bronchial tissue models and demonstrated bacterial adherence and invasion without observing host cell type-specific significant differences. Even though the nasal and the tracheo-bronchial mucosa appear similar from a histological perspective, they are differentially susceptible to B. pertussis CyaA in vitro. Our finding that nasal tissue models showed an increased innate immune response towards the B. pertussis virulence factor CyaA compared to tracheo-bronchial tissue models may reflect the key role of the nasal airway mucosa as the first line of defense against airborne pathogens.
In this century new experimental and computational techniques are adding an enormous amount of information, revealing many biological mysteries. The complexities of biological systems still broach new questions. Till now the main approach to understand a system has been to divide it in components that can be studied. The upcoming new paradigm is to combine the pieces of information in order to understand it at a global level. In the present thesis we have tried to study infectious diseases with such a global ‘Systems Biology’ approach. In the first part the apoptosis pathway is analyzed. Apoptosis (Programmed cell death) is used as a counter measure in different infections, for example viral infections. The interactions between death domain containing proteins are studied to address the following questions: i) How specificity is maintained - showing that it is induced through adaptors, ii) how proliferation/ survival signals are induced during activation of apoptosis – suggesting the pivotal role of RIP. The model also allowed us to detect new possible interacting surfaces. The pathway is then studied at a global level in a time step simulation to understand the evolution of the topology of activators and inhibitors of the pathway. Signal processing is further modeled in detail for the apoptosis pathway in M. musculus to predict the concentration time course of effector caspases. Further, experimental measurements of caspase-3 and viability of cells validate the model. The second part focuses on the phagosome, an organelle which plays an essential role in removal of pathogens as exemplified by M. tuberculosis. Again the problem is addressed in two main sections: i) To understanding the processes that are inhibited by M. tuberculosis; we focused on the phospholipid network applying a time step simulation in section one, which plays an important role in inhibition or activation of actin polymerization on the phagosome membrane. ii) Furthermore, actin polymers are suggested to play a role in the fusion of the phagosome with lysosome. To check this hypothesis an in silico model was developed; we find that the search time is reduced by 5 fold in the presence of actin polymers. Further the effect of length of actin polymers, dimensions of lysosome, phagosome and other model parameter is analyzed. After studying a pathway and then an organelle, the next step was to move to the system. This was exemplified by the host pathogen interactions between Bordetella pertussis and Bordetella bronchiseptica. The limited availability of quantitative information was the crucial factor behind the choice of the model type. A Boolean model was developed which was used for a dynamic simulation. The results predict important factors playing a role in Bordetella pathology especially the importance of Th1 related responses and not Th2 related responses in the clearance of the pathogen. Some of the quantitative predictions have been counterchecked by experimental results such as the time course of infection in different mutants and wild type mice. All these computational models have been developed in presence of limited kinetic data. The success of these models has been validated by comparison with experimental observations. Comparative models studied in chapters 6 and 9 can be used to explore new host pathogen interactions. For example in chapter 6, the analysis of inhibitors and inhibitory paths in three organism leads to the identification of regulatory hotspots in complex organisms and in chapter 9 the identification of three phases in B. bronchiseptica and inhibition of IFN-γ by TTSS lead us to explore similar phases and inhibition of IFN-γ in B. pertussis. Further an important significance of these models is to identify new components playing an essential role in host-pathogen interactions. In silico deletions can point out such components which can be further analyzed by experimental mutations.