Host-dependent factors in the pathogenicity and persistence of Salmonella serovars in animals and man

Salmonella enterica führt deutschlandweit zu den zweithäufigsten lebensmittelbedingten Infektionskrankheiten. Auffällig sind diesbezüglich die Heterogenität des Wirtsspektrums und die Variabilität der Krankheitsverläufe. Zur Aufklärung möglicher Wirts- und Serovar-abhängiger Faktoren, die zur unterschiedlichen Adaptation und Pathogenese von Salmonella beitragen, wurden systematisch vergleichende Infektionsstudien mit Salmonella Serovaren unterschiedlichen Wirtsspektrums in intestinalen Epithel- und Makrophagenzellen porcinen, aviären und humanen Ursprungs als repräsentative Zelltypen der frühen Infektionsphase durchgeführt. Die Wirts-Pathogen- Interaktionen wurden hinsichtlich Invasivität und Persistenz der Serovare, daraus resultierender zytotoxischer und inflammatorischer Effekte sowie der genomweiten Genexpressionsänderung des Wirtes untersucht. Unter Berücksichtigung aller Faktoren ergaben sich Phänotypen, die wichtige Hinweise auf Mechanismen zur Wirtsadaptation und Pathogenese liefern. Die Spezies- und Zelltyp-übergreifend hohen Invasionsraten der Breitspektrum Serovare S. Typhimurium und S. Enteritidis verursachten eine starke proinflammatorische Antwort sowie im verhältnismäßig hohen Maße zytotoxische Effekte, was in vivo zu einer starken Inflammation und örtlichen Begrenzung der Infektion führen würde, wie sie etwa bei der humanen Gastroenteritis durch Breitspektrum- Serovare zu beobachten ist. Dagegen stellte sich S. Choleraesuis insbesondere in den porcinen Zelllinien als schwach invasiv dar, persistierte jedoch in den meisten Zelllinien ähnlich gut wie die Breitspektrum-Serovare und führte dementsprechend zu einer mittleren NF-κB Aktivierung und Zytotoxizität. Diesbezüglich stellten sich die verwendeten porcinen Zelllinien auch bei hohen MOIs als sehr robust heraus, die zudem auf verschiedene synthetische pathogen- associated molecular patterns (PAMPs) wie Flagellin, PGN-Fragmenten und LPS nur schwach bis mäßig reagierten. In vivo würde die beobachtete schwache Invasivität und NF-κB Aktivierung von S. Choleraesuis vor allem in porcinen Zellen und die relativ gute Persistenz, die durch das robuste Verhalten der porcinen Zelllinien jedoch weitestgehend toleriert wird, auf eine „sanfte“ Infektion ohne starke Inflammation hindeuten, die damit eine systemische Ausbreitung ermöglicht, wie sie für S. Choleraesuis im Schwein beschrieben wurde. Die Geflügel-beschränkten Serovare S. Gallinarum und S. Pullorum invadierten und persistierten dagegen insgesamt verhältnismäßig schlecht. Dementsprechend verursachten sie kaum zytotoxische Effekte. Auffällig war diesbezüglich auch die hohe Sensibilität der Hühnermakrophagen, die bereits bei einer moderaten MOI um 5 bei höher invasiven Serovaren abstarben. Demnach begünstigen die Charakterisitka von S. Gallinarum und S. Pullorum trotz eines relativ hohen inflammatorischen Potentials das Überleben in sehr sensibel reagierenden Hühnermakrophagen, die für eine systemische Infektion, wie sie für S. Gallinarum und S. Pullorum im Huhn beschrieben sind, notwendig wären. Untersuchungen mit synthetischen PAMPs sowie entsprechenden Salmonella Deletions-mutanten mit beeinträchtigter Flagellensynthese und Peptidoglycanrecycling deuteten zudem vor allem auf die initiale Interaktion mit Epithelzellen eher als die mit Makrophagen als diskriminierenden Faktor für eine Spezies-spezifische Anpassung und Pathogenität hin. Zusammenfassend verdeutlichen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass die Wirtsadaptation von Salmonella neben einer möglichen bakteriellen Adaptation insbesondere aus immunologischen oder anatomischen Eigenschaften resultiert, die einem Serovar, das im Vergleich zu Breitspektrum-Serovaren Einschränkungen der Virulenz oder des Metabolismus aufweist, in bestimmten Spezies eine erfolgreiche Infektion und Persistenz ermöglichen.Salmonella enterica is the second most prevalent causative agent of foodbourne diseases in Germany. With regard to their host range and pathogenicity, Salmonella is a group of strong heterogenicity. To identify possible host- and serovar-specific determinants involved in adaptation and different pathogenicities of Salmonella, we systematically compared infections with Salmonella serovars of different host-ranges in intestinal epithelial and macrophage-like cells of porcine, avian and human origin as representative of the early affected cell types during infection. Host-pathogen interactions were analyzed with regard to invasiveness and persistence of the serovars, cytotoxic effects and host immune responses as well as whole genome expression patterns of the host. The outcomes of these assays revealed certain phenotypes suggesting possible mechanisms for host adaptation and pathogenicity. The high invasion rates observed for broad host-range serovars S. Typhimurium and S. Enteritidis correlated with a strong proinflammation und resulted in relatively strong cytotoxic effects, which suggest a strong inflammation and a local limitation of the infection in vivo, consistent with observations of human gastroenteritis due to broad host-range serovars. In contrast, S. Choleraesuis strains were weakly invasive, especially in porcine cells, but showed similar levels of persistence in most cell lines as the broad host- range serovars. The resulting innate immune responses were correspondingly intermediate, with average NF-κB activation levels and associated cytotoxicity. The porcine cell lines were found to be even at high infective doses extremely robust and responded to synthetic pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) with only average or weak NF-kB activation. The lower invasiveness and NF-κB activation of the swine-adapted serovar S. Choleraesuis in porcine cells but the fairly high-level persistence which is tolerated by these host cells would result in a “soft” infection without a strong inflammation in vivo that allows this serovar to spread systemically as has been described for S. Choleraesuis infections in pigs. The poultry- restricted Salmonella serovars Gallinarum and Pullorum showed the lowest invasion rates and persisted poorly, independent of the cell type or species. This correlated with no or only very weak cytotoxic effects. In this context we observed a strong sensitivity of chicken macrophages with early onset of cell cytoxicity at even moderate MOI of 5 with the more highly invasive serovars. These observations suggest the characteristics for Salmonella serovars Gallinarum and Pullorum enabling them to survive despite a relatively high inflammatory potential. This conclusion would also be consistent with the patterns of systemic infections reported for S. Gallinarum / S. Pullorum infections in chickens. In addition, screening of the cell lines of different species with synthetic PAMPs like flagellin, PGN-fragments or LPS as well as Salmonella mutants with disrupted synthesis of flagella and recycling of peptidogylcan indicate the epithelial cell layer rather than interactions with macrophages as discriminating factor enabling a species-specific host adaptation and pathogenicity. Rather than an adaptation to a particular host, this study suggests host adaptation is the result of a particular host providing the necessary prerequisites, anatomical or immunological, which permit successful infection and persistence of serovars which may have virulence or metabolic disadvantages compared to broad host-range serovars