Nutztier-assoziierter Methicillin resistenter Staphylococcus aureus des Klonalen Komplexes 398 - Faktoren der Wirtsadhäsion und Immunevasion bei Menschen und Nutztieren

Methicillin resistenter Staphylococcus aureus (MRSA) ist einer der bedeutendsten Erreger nosokomialer Infektionen. Während des letzten Jahrzehnts tritt Nutztier assoziierter MRSA des Klonalen Komplexes 398 (engl. Livestock associated MRSA Clonal Complex 398, LA-MRSA CC398) in Europa verstärkt auf. Besonders in Regionen mit einer hohen Dichte an Schweine-haltenden Betrieben wird zunehmend von Kolonisierung und Infektionen auch beim Menschen berichtet. In einem ersten Teil dieser Arbeit wurden die Eigenschaften der bakteriellen Adhäsion von LA-MRSA CC398 Isolaten untersucht und mit humanadaptierten S. aureus Isolaten verglichen. Es wurde erstmals festgestellt, dass LA-MRSA CC398 Isolate über eine deutlich geringere Adhäsionskapazität an humane Epithelzellen verfügen als humanadaptierte CA-MRSA (engl. Community acquired MRSA) und HA-MRSA (engl. Hospital acquired MRSA) Linien. Allerdings stellt eine epidemiologische CC398 Subgruppe (spa Typ t108) eine Ausnahme dar und zeigte Adhäsionskapazitäten, welche die von anderen CC398 Subgruppen, wie spa Typ t011 und t034, deutlich überstiegen und in einer ähnlichen Größenordnung lagen, wie die getesteten humanadaptierten Linien. Die abweichenden Adhäsionskapazitäten könnten durch ein verändertes Adhäsionspotential an das Wirtsprotein Fibronektin, auf Grund massiver Transkriptionsunterschiede der Gene der zellwandgebundenen Fibronektin binden Proteine A und B (fnbA/B) sowie durch die Häufigkeit von Mutationen im Gen fnbB zu erklären sein. Mehrere Studien beschreiben außerdem den Einfluss der Zellwandelastizität auf die bakterielle Adhäsion. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Zellwandelastizität einer Auswahl an LA-MRSA CC398 Isolaten mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht und mit human-adaptierten S. aureus Isolaten verglichen. Der Theorie einer Zellwandelastizität- abhängigen Adhäsion folgend, ist ebenso ein Einfluss der Elastizität der gesamten Zelle auf die Adhäsion denkbar. Deshalb wurde in dieser Arbeit eine Methode entwickelt, um die Turgordruck-abhängige Elastizität einzelner S. aureus Zellen zu messen. Ein Einfluss der Zell- und Zellwandelastizität auf die Adhäsion konnte, für die untersuchten S. aureus Isolate, ausgeschlossen werden. In einem zweiten Teil dieser Arbeit wurden die Immunevasionseigenschaften von Nutztier assoziierten und humanadaptierten MRSA Linien charakterisiert. Isolate des spa typs t108 wurden weniger effektiv durch humane, polymorphkernige Neutrophile (PMN) phagozytiert, als andere Isolate der CC398 Linie, wie spa Typ t011, t034 und CA-MRSA. Die Phagozytoserate von HA-MRSA war mit jener der spa Typ t108 Isolate vergleichbar. Allerdings konnte beobachtet werden, dass Isolate des spa Typs t108, sollten sie dennoch phagozytiert werden, nach der Phagozytose weniger effektiv intrazellulär überleben können, als andere LA-MRSA CC398 Isolate. Der Fokus eines dritten Teils dieser Arbeit lag auf der Rolle des Immunevasions Cluster (IEC), eines Bakteriophagen „S. aureus Integrase Typ 3“ (Saint3) codierten Mobilen Genetischen Elements (MGE), auf die Wirtsspezifität von S. aureus CC398 Isolaten. In der Literatur wird ein Einfluss des IEC auf die Phagozytose durch PMN angenommen, indem es das Komplementsystem des Wirtes hemmt. Dieser Einfluss konnte, im Rahmen dieser Arbeit, erstmals in Vollblut und somit in Anwesenheit aller Komplementfaktoren bestätigt werden. Ferner gilt das IEC als exklusiv humanspezifisches MGE, kommt in humanadaptierten S. aureus Linien mit hoher Prävalenz vor, ist aber in CC398 Isolaten vom Schwein praktisch nicht vertreten. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen die Inaktivität der IEC Faktoren im Schwein als Wirt, zeigen allerdings auch, dass dieses MGE S. aureus effektiv vor der Phagozytose durch PMN in Pferdeblut schützt. Dies wird bestätigt, durch die Ergebnisse einer kürzlich veröffentlichten Prävalenzstudie, die IEC-positive CC398 Isolate als Erreger von Infektionen im Pferd beschreibt. Demnach ist das wirtsspezifische Wirkungsspektrum des IEC breiter als bislang in der Literatur angenommen. Des Weiteren stützen die Ergebnisse dieser Arbeit die Hypothese der Aufnahme bzw. des Verlustes der Bakteriophage Saint3, als Wirtsadaptationsmechanismus der CC398 Linie. Insgesamt deuten die Funde dieser Arbeit eine hohe Heterogenität an, mit der Virulenzeigenschaften innerhalb der CC398 Linie ausgeprägt sind. Zum Teil entsprechen diese den Virulenzeigenschaften etablierter, human-adaptierter MRSA Linien. In Verbindung mit den effektiven Verbreitungswegen über Tierkontakte und Kot-Aerosole sowie der hohen Anpassungsfähigkeit, stellt die LA-MRSA CC398 Linie eine potenziell große Herausforderung für die europäischen Gesundheitssysteme dar, mit der Gefahr ernster Infektionen in der breiten Masse der Bevölkerung.Livestock associated Methicillin resistant Staphylococcus aureus of Clonal Complex 398: Factors promoting adhesion and immune evasion in humans and livestock Methicillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is the most prominent cause of nosocomial infections. Since the last decade, Livestock associated MRSA of the Clonal Complex 398 (LA-MRSA CC398) are increasingly found in Europe. Especially in regions with a high density of pig farming, colonization and infections with LAMRSA CC398 in humans are described in increasing numbers. In a first part of this thesis the bacterial adhesion properties of S. aureus CC398 isolates were investigated. Like described for the first time, LA-MRSA CC398 possesses a decreased adhesion capacity to human epithelial cells, when compared to widespread, human-adapted CA-MRSA (Community acquired MRSA) and HAMRSA (Hospital acquired MRSA) lineages. However, an epidemiological CC398 sublineage (spa type t108) exhibited an adhesion capacity, which was on the same level than CA-MRSA and HA-MRSA, and exceeded the adhesion of other CC398 sublineages, such as spa type t011 and t034. These variations in the adhesion capacities might be due to an altered adhesive potential to the host protein fibronectin, attributed to massive transcriptional changes of the genes of both cellwall anchored fibronectin binding proteins A and B (fnbA/B) and to the frequency of mutations in the gene fnbB. Several studies described an impact of the cell wall elasticity on bacterial adhesion. In the scope of this thesis the cell wall elasticity of a selection of LA-MRSA CC398 isolates was investigated by Atomic Force Microscopy and compared to humanadapted S. aureus isolates. Following the theory of a cell wall elasticity-dependent adhesion, an influence of the elasticity of the whole bacterial cell on adhesion can be implied, as well. Therefore, a method to measure the turgor pressure-dependent cell elasticity of single S. aureus cells was developed in this work. However, an influence of the cell- and cell wall elasticity on adhesion was excluded for the isolates tested. In a second part of this thesis the immune evasion properties of Livestock associated and human adapted MRSA isolates were characterized. Isolates of the spa type t108 isolates were less effectively phagocytosed by human polymorphonuclear neutrophils (PMN) than isolates of other spa types of the CC398 lineage, such as spa type t011 and t034 and CA-MRSA, but on the same level than HA-MRSA. However, it was shown that spa type t108 isolates, if still phagocytosed, demonstrated a decreased potential to survive intracellularly. A third part of this thesis was focused on the role of the Immune evasion cluster (IEC), a bacteriophage „S. aureus Integrase Typ 3“ (Saint3) coded mobile genetic element (MGE), on the host specificity of S. aureus CC398. Several studies predict an impact of the IEC on phagocytosis, by inhibiting the hosts complement system. In this thesis, that impact on Polymorphonuclear Neutrophils (PMN) was experimentally confirmed in whole blood and thus, in presence of all host complement factors, for the first time. Moreover, the IEC is believed to be strictly human specific, is highly prevalent in human-adapted S. aureus lineages and is almost completely absent in CC398 isolates derived from pigs. The results of this thesis confirms the inactivity of the IEC in porcine blood, but revealed that this MGE mediates a protective effect against phagocytosis by PMN not only in human blood, but in equine blood, as well. A recently published prevalence study about the distribution of that MGE among CC398 isolates described IEC-positive isolates as a cause of S. aureus associated infections in horses, underlining the IEC impact in this host. Accordingly, the host specificity of the IEC factors might be broader than currently assumed. Moreover, the results support the idea of an uptake/loss of bacteriophage Saint3 as a mechanism of host adaptation. Altogether, the findings of this thesis imply a high grade of heterogeneity within the CC398 lineage, regarding virulence properties. These virulence properties partially match those of widespread, human-adapted MRSA lineages. With various distribution ways, like livestock contact or feces aerosols, combined with the ability to adapt to various host, the CC398 lineage represents a potential challenge for the European healthcare systems, with the danger of an intake of LA-MRSA CC398 and serious infections in the general community