Interaction of Legionella with host cells and analysis of novel metabolites and drug carrier systems

Legionella pneumophila ist laut CAPNETZ-Studie jährlich für das Auftreten von ca. 15.000 Pneumonien in Deutschland verantwortlich. Im natürlichen Lebensraum vermehren sich Legionellen in verschiedenen Protozoa. Über Aerosole können Legionellen auch in die menschliche Lunge gelangen, wo sie sich hauptsächlich in den alveolaren Makrophagen vermehren. Trotz vorhandener Therapiemöglichkeiten über membrangängige Antibiotika liegt die Letalität bei 7-10 %. Themenschwerpunkte dieser Arbeit waren die Interaktion von Legionellen mit humanen Wirtszellen sowie die Charakterisierung einzelner Wirtszellfaktoren anhand des Modellsystems D. discoideum. Auf der Suche nach neuen Therapiestrategien wurden anti-Legionella Wirkstoffe aus Bacillus pumilus isoliert und der Einsatz von Liposomen als Wirkstoffträgersystem zur Behandlung intrazellulärer Legionella-Infektionen untersucht. Ein bemerkenswertes Ergebnis war die Beobachtung, dass L. pneumophila Corby weder die Bildung von neutrophil extracellular traps (NETs) induziert, noch in der Lage ist bereits vorhandene NETs zu degradieren. Deletionen in Genen des Phosphatidylinositol- (rpkA-) und des Autophagy-Metabolismus (atg9-) von D. discoideum beeinflussten die Infektion mit Legionella. Die Deletion von rpkA resultierte in einer besseren Vermehrung von L. pneumophila JR32 zu späten Infektionszeitpunkten sowie einem verzögertem Abbau avirulenter Legionellen. Die Überexpression von atg9 wirkte protektiv auf die Wirtszelle. Aus B. pumilus wurden Pumilacidin A, C, E, ein neues Peptidlacton und ein neues Glycerolipid isoliert. Konzentrationen von 2-6 µM der Peptidlactone wirkten bakterizid auf Legionella spp. sowie Streptococcus pneumoniae. Der Einsatz von Gentamicin-beladenen Liposomen, die über das dual asymmetric centrifugation-Verfahren hergestellt wurden (Rodos BioTarget GmbH), konnte die Replikation von L. pneumophila in Makrophagen erfolgreich reduzieren.The CAPNETZ-study estimates that L. pneumophila is responsible for 15,000-20,000 cases of pneumonia per year in Germany. In their natural habitat, Legionellae replicate within various freshwater protozoa. Through inhalation of Legionella-containing aerosols, the bacteria can be taken up into the human lung and replicate mainly inside alveolar macrophages. Despite the availability of membrane permeable antibiotics, the lethality is about 7-10 %. The main topics of this work deal with the interaction of L. pneumophila and human host cells, and with the characterization of single host cell factors using the model system Dictyostelium discoideum. Searching for new strategies to combat Legionnaires' disease, metabolites toxic to Legionella were isolated from Bacillus pumilus. Furthermore, the use of liposomes as drug carriers to treat intracellular Legionella-infections was investigated. Two striking results were the discovery that L. pneumophila Corby does not induce the formation of neutrophil extracellular traps (NETs), and it is not able to degrade existing NET-structures. Compared to wild type D. discoideum, the gene deletion of rpkA leads to better bacterial replication at late infection stages and a slower degradation of avirulent Legionella. Furthermore, overexpression of D. discoideum atg9 had a protective effect on the host cell and inhibited L. pneumophila replication. Pumilacidin A, C, E, novel peptide lactone and a novel glycerolipid were isolated from B. pumilus. The peptide lactones showed a narrow inhibitory spectrum, which was restricted to Legionella spp. and Streptococcus pneumoniae, with concentrations of 2-6 µM being bactericidal for the tested strains. Furthermore we demonstrated that gentamicin containing DAC-liposomes (supplied by Rodos BioTarget GmbH) that are synthesized by dual asymmetric centrifugation are taken up by human macrophages and reduce the intracellular replication of L. pneumophila