Molecular biological investigations on the antagonistic effects of the probiotic \(Escherichia\) \(coli\) strain Nissle 1917 towards Shiga toxin producing \(Escherichia\) \(coli\)

Shiga toxin produzierende E. coli (STEC) stellen mit einer Infektionsdosis von gerade einmal 100 Bakterien ein großes Risiko für unsere Gesundheit dar. Betroffene Patienten können milde Krankheitssymptome wie wässrigen Durchfall aufweisen, welcher sich allerdings zu blutigem Durchfall oder dem hämolytisch urämischen Syndrom (HUS) weiterentwickeln kann. Die Ursache für das Krankheitsbild ist das zytotoxische Protein Shiga-Toxin (Stx), welches von STEC Stämmen produziert wird, eukaryotischen Zellen angreift und den apoptotischen Zelltod induziert. Es konnte gezeigt werden, dass infizierte Patienten in ihrem Krankheitsverlauf stark variieren, was unter anderem auf die Zusammensetzung ihrer Mikrobiota zurückzuführen sein könnte. Diesbezüglich können zum Beispiel einige Bakterien bereits die Darmbesiedlung von STEC Stämmen unterbinden, wohingegen andere die Toxin Produktion der pathogenen Stämme beeinflussen und wieder andere von den stx tragenden Phagen infiziert werden können und daraufhin selbst zu Toxin produzierenden Stämmen werden. Da die genetischen Informationen für das Toxin auf einem Prophagen im Genom der STEC Stämme kodiert ist, führt eine Antibiotika Behandlung von infizierten Patienten zwar zum Tod der Bakterien, hat allerdings auch einen Wechsel vom lysogenen zum lytischen Phagen Zyklus und damit einen enormen Anstieg an freigesetztem Stx zur Folge. In den letzten Jahrzehnten kam es immer wieder zu Epidemien mit STEC Stämmen, welche auch einige Todesopfer forderten. Die Behandlung von Patienten erfolgt auf Grund von mangelnden Behandlungsmöglichkeiten meist nur symptomatisch, weswegen neue Strategien für die Behandlung einer STEC Infektion dringend benötigt werden. Der probiotische E. coli Stamm Nissle 1917 (EcN) zählt bereits seit mehr als 100 Jahren als Medikament für Behandlungen von Darmentzündungen. In vitro und in vivo Studien mit dem probiotischen Stamm und STEC Stämmen konnten zeigen, dass EcN die Produktion von Stx unterdrückt und gleichzeitig die STEC Zellzahl reduziert. Diese Ergebnisse waren der Anlass für diese Studie in der die Auswirkungen von EcN auf STEC Stämme genauer untersucht wurden, um eine mögliche Behandlung von STEC Infektionen mit dem Probiotikum zu gewährleisten. Eines der Hauptziele dieser Studie war es, herauszufinden, ob EcN von stx-Phagen infiziert werden kann und damit selbst zu einem Toxin Produzenten wird. In diesem Falle wäre eine Behandlung mit dem E. coli Stamm ausgeschlossen, da es den Krankheitsverlauf verschlimmern könnte. Verschiedene experimentelle Ansätze in denen versucht wurde den YaeT stx-Phagen Rezeptor tragenden Stamm zu infizieren schlugen fehl. Weder mittels PCR Analysen, Phagen Plaque Assays oder der Phagen Anreicherung konnte eine Lyse oder eine Prophagen Integration nachgewiesen werden. Transkriptom Analysen konnten zeigen, dass Gene eines lambdoiden Prophagen in EcN in Anwesenheit von stx-Phagen stark reguliert sind. Auch andere E. coli Stämme, welche sich ebenfalls durch eine Resistenz gegenüber einer stx-Phagen Infektion auswiesen, wurden positiv auf lambdoide Prophagen untersucht. Einzig dem stx-Phagen sensitiven K-12 Stamm MG1655 fehlt ein kompletter lambdoider Prophage, weswegen die Vermutung nahe liegt, dass ein intakter lambdoider Prophage vor der Superinfektion mit stx-Phagen schützten kann. In weiteren Experimenten wurde der Einfluss der Mikrozin-negativen EcN Mutante SK22D auf STEC Stämme untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass SK22D nicht nur die Produktion des zytotoxischen Proteins unterdrückt, sondern auch mit der Produktion der stx-Phagen von allen getesteten STEC Stämmen interferiert (O157:H7, O26:H11, O145:H25, O103:H2, O111:H- und zwei O104:H4 Isolate vom STEC Ausbruch in Deutschland im Jahr 2011). Transwell Studien konnten zeigen, dass der Faktor, welcher die Transkription des Prophagen unterdrückt, von SK22D sekretiert wird. Die Ergebnisse lassen vermuten, dass die Präsenz von SK22D den lysogenen Zustand des Prophagen stützt und somit den lytischen Zyklus unterdrückt. Da stx-Phagen eine große Gefahr darstellen andere E. coli Stämme zu infizieren, haben wir uns in weiteren Studien dem Einfluss von EcN auf isolierte Phagen gewidmet. Die Kultivierungsexperimente von EcN mit Phagen zeigten, dass der probiotische Stamm in der Lage war die stx-Phagen in ihrer Effizienz der Lyse des K 12 Stammes MG1655 von~ 1e7 pfus/ml auf 0 pfus/ml nach einer 44 stündigen Inkubation zu inaktivieren. Diese Inaktivierung konnte auf die Aktivität eines hitzestabilen Proteins, welches in der stationären Wachstumsphase synthetisiert wird, zurückgeführt werden. Studien welche einen Anstieg der Biofilmmasse zur Folge hatten zeigten eine gesteigerte Effizienz in der Phagen Inaktivierung, weswegen Komponenten des Biofilms möglicherweise die Phagen Inaktivierung herbeiführen. Neben dem direkten Einfluss auf die Phagen wurde auch ein Schutzeffekt von SK22D gegenüber dem stx-Phagen empfänglichen K 12 Stämmen untersucht. Lysogene K 12 Stämme zeichneten sich durch eine enorme Stx und stx-Phagen Produktion aus. Die Präsenz von SK22D konnte den K 12 vermittelten Anstieg der pathogenen Faktoren unterbinden. Transwell Ergebnisse und Kinetik Studien lassen vermuten, dass SK22D eher die Phagen Infektion von K-12 Stämmen unterbindet als die Lyse von lysogenen K-12 Stämmen zu stören. Eine mögliche Erklärung für den Schutz der K-12 Stämme vor einer stx-Phagen Infektion könnte darin liegen, dass die K-12 Stämme innerhalb der SK22D Kultur wachsen und dadurch von den infektiösen Phagen abgeschirmt werden. Zusammenfassend konnte in dieser Studie gezeigt werden, dass der probiotische Stamm EcN sowohl die Lyse von STEC Stämmen unterdrückt als auch die infektiösen stx-Phagen inaktiviert und sensitive E. coli Stämme vor der Phagen Infektion schützen kann. Diese Ergebnisse sollten als Grundlage für in vivo Studien herangezogen werden, um eine mögliche Behandlung von STEC infizierten Patienten mit dem Probiotikum zu gewährleisten.Shiga toxin producing E. coli strains (STEC) are a great concern to human health. Upon an infection with as few as 100 bacteria, humans can develop disease symptoms ranging from watery to bloody diarrhea or even develop the hemolytic uremic syndrome (HUS). The major factor contributing to the disease symptoms is Shiga toxin (Stx) which can bind to the eukaryotic cells in the intestine of the human and induce cell death via apoptosis. Based, among other things, on the microbiota composition, the impact of STEC can vary. Some bacteria of the microbiota can interfere with the colonization of STEC strains in the first place. Others cannot impair the colonization but interfere with the toxin production and there are still others which are even infected by stx encoding phages, being released from STEC strains. Those previously harmless bacteria subsequently contribute to the toxin increase and worsen the disease progression. Since the genetic information of Stx is encoded on a prophage, antibiotic treatment of patients can lead to an increased toxin and stx-phage release and is therefore not recommended. Several STEC epidemics in different countries, which even resulted in the death of some patients, demonstrated that there is an urgent need for alternative treatment strategies. The E. coli strain Nissle 1917 (EcN) has been used as a probiotic to treat gastrointestinal infections for more than 100 years. It harbors several fitness factors which contribute to the establishment of an intact intestinal barrier in the human gut. Moreover, studies with EcN unraveled that the probiotic E. coli can interfere with the colonization of STEC strains and their toxin production. This study aimed to investigate if EcN could be a possible alternative or supplementary treatment strategy for STEC infected patients, or a preventive treatment for the patient’s close contact persons. Therefore, EcN was firstly investigated for a possible stx-prophage integration into its’s genome which would eliminate it from being a potential treatment due to the possibility of disease worsening. Despite the presence of the stx-phage surface receptor YaeT, EcN demonstrated a complete resistance towards the lysis and the lysogeny by stx-phages, which was proven by PCR, phage-plaque assays and phage enrichment approaches. Transcriptome data could unravel that a lambdoid prophage in the genome of EcN is involved in the resistance towards the phage infection. Other commensal E. coli tested presented a stx-phage resistance as well and in silico analysis revealed that all of them harbor a complete lambdoid prophage besides the stx-phage susceptible K-12 strain MG1655. We assume that the resistance of EcN towards a stx-phage infection is connected to the presence of an intact lambdoid prophage which interferes with superinfection. Further experiments regarding the impact of the microcin negative EcN mutant SK22D towards STEC strains depicted that SK22D did not only interfere with the toxin production but also negatively regulated the transcription of the entire stx-prophage in coculture with all STEC strains tested (O157:H7, O26:H11, O145:H25, O103:H2, O111:H- and two O104:H4 isolates from the 2011 outbreak in Germany). This influence on the pathogenic factor production was evinced to be cell contact independent as SK22D could even interfere with the pathogenic factor production when being separated from the STEC strain EDL933 by a Transwell membrane with the pore size of 0.4 µm. From this data we concluded, that factor(s) released by SK22D interfere with the lysis of STEC strains by stabilizing the lysogenic state. Another positive aspect of EcN towards the pathogenicity of STEC strains was encountered when EcN was incubated with isolated stx-phages. The probiotic strain could reduce the infectivity of the phages towards a MG1655 lysis from ~ 1e7 pfus/ml to 0 after 44 h of incubation. Various approaches to determine the characteristics of the factor(s) of EcN which are involved in the phage inactivation depicted it to be a heat resistant stationary phase protein on the surface of EcN, which could be a component of its biofilm. Regarding the protective role of EcN we could further evince that SK22D was capable of interfering with the lysogenic K 12 mediated increase of Stx and stx phages. Lysogenic K-12 strains were characterized by a huge increase of Stx and stx-phage production. The presence of SK22D anyhow, could interfere with this K-12 mediated pathogenic factor increase. Transwell and stx phage infection kinetics led to the proposal that SK22D interfered with the stx-phage infection of K-12 strains in the first place rather than disturbing the lysis of lysogenic K 12. The protection from the phage infection could be due to the growth of K 12 strains within the SK22D culture, whereby the phage susceptible strains are masked from phage detection. Summarizing, this work could underline the beneficial attributes of EcN towards the STEC pathogenicity in vitro. These results should be considered as pioneers for future in vivo studies to enable EcN medication as a supportive STEC infection treatment strategy