Brain parenchyma changes during pneumococcal meningitis: induction of cytokine-mRNA (TNF-α and IL-1β) and reduction of myelin-mRNA (PLP and MOG)

Trotz potenter Antibiotika und moderner Intensivmedizin verursacht die bakteriell-eitrige Meningitis immer noch viele neurologische Spätschäden. Es gibt viele Ursachen, welche zur Hirnschädigung beitragen, wie beispielsweise die massive Inflammation, bakterielle Faktoren oder das Hirnödem und der Hirndruck. Die intrathekale Entzündung ist bereits gut erforscht. Die Entzündungskaskaden im Gehirn und die Myelinsynthesestörung sind bei der Pneumokokkenmeningits bislang wenig untersucht. In dieser Arbeit wurde der Einfluss des leukozytären Infitrates, von TNF-α und Metallo matrix Proteasen sowie wichtiger bakterieller Virulenzfaktoren (Pneumolysin, Wasserstoffperoxid und aufgereinigte Zellwandfragmente) und stoffwechselinaktiver Pneumokokken auf die Myelinsynthese und die Initiierung einer parenchymatösen Entzündungsreaktion im Gehirn untersucht. Mittels der molekularbiologischen Detektionsmethoden der semiquantitativen Real-Time- PCR sowie der in situ Hybridisierung konnten wir zeigen, dass lebende Pneumokokken zeitabhängig eine starke parenchymatöse Entzündungsreaktion (TNF-α- und IL-1β-mRNA) induzieren. Die genetische Inaktivierung der Pneumokokkentoxine Pneumolysin und Wasserstoffperoxid oder die Inhibition der leukozytären Infiltration des Liquorraums hatten keinen signifikanten Einfluss auf die TNF-α- und IL-1β-mRNA Induktion im Gehirn. Hitzeinaktivierung der Pneumokokken bewirkte jedoch eine massive Reduktion dieser Entzündungsreaktion. Pneumokokkenzellwandfragmente hingegen waren genau so potente Entzündungsinduktoren wie intakte, lebende Pneumokokken, was auf deren wichtige proinflammatorische Wirkung auf das Gehirnparenchym hinweist. Die Infektion mit vitalen Pneumokokken führte zu einer signifikanten Synthesestörung der myelinspezifischen MOG- und PLP-mRNA. Weder die Inihibition der Liquorpleozytose noch die Inaktivierung der bakteriellen Wasserstoffperoxid- und Pneumolysin-Produktion hatten einen protektiven Effekt auf diese Myelin-mRNA-Synthesestörung. Hitzeinaktivierte Pneumokokken bewirkten kaum noch eine Myelin-mRNA-Synthesestörung, während Pneumokokkenzellwandfragmente die MOG- und PLP-mRNA stark reduzierten. Durch Inhibition der TNF-α-Freisetzung und MMPasen konnte die Myelin-mRNA- Synthesestörung jedoch signifikant reduziert werden. Diese Ergebnisse sind von klinischer Relevanz, da es insbesondere bei fortgeschrittenen Stadien der Pneumokokkenmeningitis durch Autolyse von S. pneumoniae und iatrogen induziert durch bakterizide Antibiotika zu einer hohen Konzentration von löslichen Zellwandfragmenten im Liquor cerebrospinalis kommt. Hieraus ergibt sich die Möglichkeit der Entwicklung adjuvanter Therapiestrategien.Bacterial purulent meningitis causes many neurological sequelae despite effective antibiotics and modern intensive care therapy. There are many causes contributing to brain damage, for example massive inflammation, bacterial factors, brain edema and increased intracranial pressure. Cerebrospinal fluid (CSF) inflammation is already well investigated. Inflammatory cascades within the brain and disturbance of myelin synthesis during pneumococcal meningitis are little investigated. In this work, the influence of the leukocytes’ infiltrate, TNF-α, matrix metalloproteinases, essential bacterial virulence factors (pneumolysin, H2O2, purified pneumococcal cell wall fragments) and metabolic inactive pneumococci on the myelin synthesis and parenchymal inflammatory cascades in the brain were investigated. Applying semiquantative real-time PCR and in situ hybridization we have shown that live pneumococci induce time-dependent profound parenchymal inflammation (TNF-α and IL-1β). Genetic inactivation of pneumolysin and H2O2 or inhibition of the leukocytes’ invasion into the CSF did not have a significant influence on the brain parenchymal induction of TNF-α- and IL-1β-mRNA. Infection with heat- inactivated pneumococci caused a significant reduction of TNF-α- and IL-1β- mRNA. Pneumococcal cell wall fragments were as potent as vital pneumococci inducing TNF-α- and IL-1β-mRNA indicating their important pro-inflammatory effect in the brain. Intrathecal infection with live pneumococci caused a time-dependent down-regulation of the myelin-specific MOG- and PLP-mRNA. Neither inhibition of CSF leukocytosis or deletion of pneumolysin and H2O2 production protected from down-regulation of MOG- or PLP-mRNA. Heat-killed pneumococci did almost not trigger down-regulation of MOG or PLP. However, purified pneumococcal cell wall fragments caused a significant down-regulation of MOG- and PLP-mRNA synthesis. Inhibition of TNF-α release and of MMP resulted in a significant reduction of the disturbance of myelin mRNA synthesis. The data of this work are clinically relevant because in advanced pneumococcal meningitis high concentrations of cell wall fragments are released into the CSF during autolysis and during antibiotic-induced lysis of S. pneumoniae. This may open possibilities to develop new adjuvant therapy strategies