Phänotypische in vitro-Charakterisierung von nasalen und klinischen Gesellschafts-assoziierten Staphylococcus aureus-Isolaten

Abstract

Staphylococcus aureus ist ein weltweit verbreiteter, opportunistischer Krankheitserreger, der als nasopharyngealer Kommensale in Industrieländern bis zu 30% der Bevölkerung besiedelt. Isolate dieser Bakterienart lassen sich aufgrund ihrer genetischen Linien in verschiedene klonale Komplexe (CC) unterscheiden. Sein reichhaltiges Arsenal an Wirtsfaktoren wie Adhäsions-, Toxin- oder Leukocidin-Genprodukte sind die Ursache dafür, dass S. aureus verschiedenste Erkrankungen, von oberflächlichen bis hin zu lebensbedrohlichen Infektionen, induzieren kann. In mehreren Studien wurde bereits das zytotoxische und adhäsive Potential Krankenhaus-assoziierter MRSA-Isolate (HA-MRSA), nicht jedoch Gesellschafts-assoziierter S. aureus-Isolate, sogenannter CA-SA (community acquired S. aureus), untersucht. Diese Studien zeigen, dass bei HA-MRSA Isolaten kein signifikanter Unterschied zwischen nasalen (aus dem Nasenvorhof isolierte asymptomatische Isolate) und klinischen (aus Infektionsherden gewonnene Stämme) Isolaten in Bezug auf ihre Zytotoxizität oder ihre Adhäsionsfähigkeit hin besteht. In dieser Arbeit wurde das phänotypische Virulenz- und Adhäsionsverhalten nasaler und klinischer CA-SA Isolate unterschiedlicher klonaler Komplexe an humane Keratinozyten untersucht. Die Stämme wurden im Rahmen des `Afrikanisch-Deutschen Netzwerkes zur Forschung an Staphylokokken` (StaphNet) in verschiedenen geographischen Regionen Afrikas und Deutschlands gesammelt und genotypisch mit einem DNA-Microarray (Alere Technologies) charakterisiert. Ziel war es, Faktoren zu identifizieren, die die Entstehung einer invasiven Infektion begünstigen. Die Zytotoxizitätsanalyse, ebenso wie die Bestimmung der Adhäsion an humane Keratinozyten, zeigten keine signifikanten Unterschiede zwischen diesen zwei Isolatgruppen. Jedoch fielen zum Teil große Unterschiede im phänotypischen Verhalten zwischen den einzelnen klonalen Komplexen auf. So wiesen Isolate des klonalen Komplexes 152 (CC152), der Zytotoxizitäts-stärkste klonale Komplex, im Durchschnitt eine relative Zytotoxizität von 93 ± 1% auf, während Isolate der Zytotoxizitäts-schwächsten klonalen Komplexe, CC30 und CC5, im Durchschnitt nur eine relative Zytotoxizitätsrate von 34 ± 33% bzw. 42 ± 15% aufwiesen. Zudem ließ sich für einzelne klonale Komplexe eine positive Korrelation zwischen dem zytotoxischen Potential und der Anwesenheit PVL-kodierender Gene eines CC aufzeigen. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass in Bezug auf Zytotoxizität und Adhäsion keine signifikanten Unterschiede zwischen Isolaten nasaler bzw. klinischer Herkunft bestehen. Vielmehr basieren solche Unterschiede auf der unterschiedlichen Genausstattung und -expression verschiedener S. aureus-Isolate.

Staphylococcus aureus is a worldwide endemic opportunistic pathogen colonizing up to 30% of the population of industrialised countries as a nasopharyngal commensal. Isolates of this bacterial species display a certain genetic heterogeneity, and can be differentiated into various clonal complexes (CC). The genetic repertoire, in particular differences in adhesion-, toxin- or leukocidin genes, is the reason why S. aureus is able to induce various diseases ranging from superficial up to life threatening infections. Previous studies examined already the cytotoxic and adhesive potentials of hospital-associated Methicillin-resistant S. aureus (HA-MRSA) isolates obtained from the nasal epithelium (nasal isolates) and isolates obtained from an infection side (clinical isolates). These studies failed to reveal significant differences between nasal isolates and clinical isolates with respect to their cytotoxicity or adhesion behaviour. However, for S. aureus-isolates circulating in the community (the so-called community-associated S. aureus [CA-SA]) it is currently unknown, whether nasal- and clinical isolates of a given CC display a similar cytotoxicity and/or adhesion behaviour. Here, the cytotoxic- and adhesive behaviour of a set of representative nasal and clinical CA-SA isolates of various CCs to human keratinocytes was studied in order to identify putative factors favouring the development of invasive infections. The examined isolates were collected by the `African-German Network on Staphylococci` (StaphNet) in different geographic areas of Africa and Germany, respectively, and characterized genetically with a DNA-Microarray (Alere Technologies) and by spa typing. When comparing the cytotoxic- and adhesion potential of nasal- and clinical CA-SA isolates to human keratinocytes, no clear differences between both groups were observed. However, significant differences in the phenotypic behaviour were identifiable between specific clonal complexes. While isolates of the clonal complex 152 (CC152), the most cytotoxic clonal complex identified in this study, displayed a relative cytotoxicity of 93 ± 1% against keratinocytes, only small cytotoxic potentials were observed for CC30 (34 ± 33%) and CC5 (42 ± 15%) isolates, respectively, which were the weakest cytotoxic clonal complexes of the strain panel tested here. In addition, for several clonal complexes there was a positive correlation between the cytotoxic potential and the presence of PVL-encoding genes for some of the CCs. Taken together there is no significant difference between nasal and clinical isolates regarding cytotoxicity or adhesion. Possession and Expression of various genes appear to make the difference in cytotoxicity and adhesion auf S. aureus.