Stenotrophomonas maltophilia in cystic fibrosis

Die Cystische Fibrose (CF) ist eine autosomal-rezessive vererbare Erkrankung, die vorwiegendden kaukasischen Teil der Bevölkerung betrifft. CF-Patienten leiden häufig an chronisch-bakteriellen Infektionen der Atemwege, die als wichtigster Grund für die hohe Morbiditäts- und Mortalitätsrate bei diesen Patienten angesehen werden. Neben Pseudomonas aeruginosarückte in diesem Zusammenhang auch Stenotrophomonas maltophila, ein gramnegatives Stäbchenbakterium und Umweltkeim, in den wissenschaftlichen Fokus. Momentan ist noch unklar, ob S.maltophilia grundsätzlich mit dem Fortschreiten der pulmonalen Krankheitssymptome in Verbindung gebracht werden kann,oder ob dieser Keim eher ein Marker für den Schweregrad der Erkrankung ist. In der vorliegenden Arbeit wurde die Relevanz von S.maltophiliabei CF-Patienten untersucht. Die wichtigsten Erkenntnisse waren: Die Anzucht auf einem Selektivmedium für S.maltophilia erhöhte die Nachweisrate um 64% im Vergleich zu einem konventionellen Medium. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass Tigecyclin, Trimethoprim-Sulfamethoxazol, Fosfomycin und Levofloxacin eine gute in vitro Wirksamkeit gegen S.maltophilia aufwiesen, während Ceftazidim, Colistin und Ticarcillin-Clavulansäuredeutlich höhere Resistenzraten aufwiesen. Verschiedene Fingerprinting Methoden -Enterobacterial Repetitive Intergenic Consensus - polymerase chain reaction (ERIC-PCR) und diehalbautomatische Repetitive Sequence-Based-polymerase chain reaction (rep-PCR, DiversiLab® System) - zeigten einen hohen Grad von genetischer Heterogenität sowohl bei klinischen Stämmen (von CF-und Intensivpatienten), als auch bei Umweltisolaten. Gaschromatographischerhobenen Daten ergaben, dass S.maltophilia-Isolate von CF-Patienteneinen signifikant höheren Anteil von Fettsäuren produzierten alsS.maltophilia-Isolatevon Intensivpatienten oder Umweltisolate. Basierend auf MALDI-TOF MS Spektren (Matrix-Assisted Laser Desorption Ionisation-Time of Flight Mass Spectrometry) ergab die Hauptkomponentenanalyse,dass S. maltophilia-Isolate von CF-Patienten in einer Gruppe zusammenclusterten, während sich Intensivpatienten- und Umweltisolatenicht eindeutig voneinander abgrenzen ließen. Dies deutetmöglicherweise auf eine Anpassung der Erreger an die speziellen Bedingungen in der Lunge von CF-Patienten hin. Die Ergebnisse eines selbst entwickelten quantitativen Immunofluoreszenz- Assays (IFA) zeigten, dass CF-Patienten mit einer chronischen S.maltophilia-Besiedlung/Infektion im Vergleich zu gesunden Individuen, CF-Patienten mit einem intermittierendem Nachweis oder CF-Patienten, die keine Besiedlung/Infektion mit S. maltophilia/Pseudomonas aeruginosahatten, signifikant höhere Antikörpertiter gegen S.maltophiliaaufwiesen. Ein Titer von >1:120 unterschied eindeutig CF- Zusammenfassung Patienten mit chronischer S.maltophilia-Besieldung/Infektion von den anderen Gruppen. Dieser Assay könnte für ein Screening von CF-Patienten, die sich in einem Frühstadium der Erkrankung befinden, von Nutzen sein. Der Assay könnte auch bei der Entscheidung für den Beginn einer zielgerichteten Therapie Einsatz finden. S.maltophilia-Populationen, die von CF-Patienten gewonnen wurden, zeigten eine hohe Diversität und das Vorhandensein von mutagenen Stämmen. Allerdings zeigten diese mutagenen Isolate keine erhöhte Resistenz gegen Antibiotika im Vergleich zu nicht-mutagenen Isolaten. Diese Ergebnisse könnten dahingehend interpretiert werden, dass S.maltophilia bestrebt ist, seine biologische Fitness als Mechanismus für eine Langzeit-Persistenz in der CF-Lunge zu erhalten. EGCg, ein natürlicher Bestandteil von grünem Tee, zeigte in vitroAnti-Biofilm-AktivitätbeiS.maltophilia-Isolaten von CF-Patienten. In Experimenten mit Mäusenkonnten antimikrobielle Effekte beieiner akuten, pulmonalen Infektionen durchS. maltophiliagezeigt werden.Diese Befunde sprechen dafür, dass EGCg eine neue, vielversprechende Option für die Inhalationstherapie von Kolonisationen oder Infektionen durch S. maltophilia bei CF-Patienten sein könnte.Cystic fibrosis (CF) is an autosomal recessive disorder that affects mainly the Caucasian population. CF patients frequently suffer from chronic bacterial airway infections, which are progressively described as an important cause of high morbidity and mortality rates among these individuals. In this scenario, Stenotrophomonas maltophilia, an environmental Gram-negative rod, has been lately reported as a global emerging bacterium by CF centres worldwide. At the moment, it is still unclear whether S. maltophilia is causally related to disease progression or if this pathogen is real a marker of the CF disease’s severity. In the present study, the relevance and importance of S. maltophilia was investigated. The major findings were: The use of selective medium for S. maltophilia supported the growth of the S. maltophilia 64.0 % more than the conventional media. It was also verified that tigecycline, trimethoprim-sulfamethoxazole, fosfomycin and levofloxacin exhibited good in vitro activity against S. maltophilia, while ceftazidime, colistin and ticarcillin-clavulanate acid had low activity against this bacterium. Different fingerprinting methods, Enterobacterial Repetitive Intergenic Consensus - polymerase chain reaction (ERIC-PCR) and semi-automated Repetitive Sequence-Based-polymerase chain reaction (rep-PCR) DiversiLab® system, demonstrated high degree of genetic heterogeneity among both clinical (CF and ICU) and environmental S. maltophilia isolates. Further, gas chromatography data revealed that S. maltophilia samples from CF individuals produced a significant higher amount of fatty acids in comparison to samples obtained from ICU patients and environment. Interestingly, principal component analysis based on Matrix-Assisted Laser Desorption Ionisation-Time of Flight Mass Spectrometry (MALDI-TOF MS) spectra revealed that S. maltophilia isolates from CF patients are clustered together in a separated group, whereas ICU and environmental samples grouped in a mixed manner indicating adaptation or strains that show different disease specific characteristics. Development of a quantitative immunofluorescence assay (IFA) showed that CF patients with “chronic S. maltophilia” had a specific immune response and had a significantly higher S. maltophilia antibody levels compared with healthy individuals, CF patients with “intermittent” or “never S. maltophilia/Pseudomonas Summary aeruginosa”. A discriminant cut-off value of >1:120 titre was established to differentiate “CF chronic S. maltophilia” from the other groups. This assay could be useful to screen S. maltophilia colonisation status of CF patients at an early stage of disease and it may also assist on the decision of whether initiation of targeted therapy should be made or not. S. maltophilia bacterial population recovered from chronically colonised CF patients was highly diverse and revealed the presence of mutator strains. However, these mutator isolates did not show increased resistance to antibiotics in comparison to non-mutator isolates. This kind of adaptation mechanism cost fitness. These results suggest that S. maltophilia attempts to sustain its biological fitness as mechanism for long-term persistence in the CF lung. EGCg, a natural compound from green tea, displayed in vivo antimicrobial effects against S. maltophilia acute pulmonary infection and in vitro anti-biofilms properties against S. maltophilia isolates recovered from CF individuals. This compound might be a promising novel therapeutic inhaling agent against S. maltophilia colonisation and infection in patients with CF