Untersuchung neuer Therapieoptionen und Wirkstoffoptimierung für S. aureus-induzierte Infektionen in murinen in vivo Modellen

Abstract

Nosokomiale Infektionen stellen weltweit eine große Herausforderung für das Gesundheitssystem dar und resultieren, neben steigenden Kosten im Gesundheitswesen und verlängerten Aufenthalten der Patienten in der Klinik, in jährlich mehreren zehntausend Todesopfern. Ein prominenter Verursacher nosokomialer Infektionen ist das Gram-positive Bakterium Staphylococcus aureus (S. aureus). Auf Grund diverser Strategien zur Umgehung der Wirtsimmunantwort und des Antibiotikadrucks, gestaltet sich eine Behandlung dieses Pathogens als besonders kompliziert. Krankheitsbilder wie Wundinfektionen, Sepsis und Fremdkörper-assoziierte Infektionen in Zusammenhang mit Biofilmbildung machen S. aureus zu einem gefürchteten Pathogen in Krankenhäusern und Pflegeheimen. Durch die Akkumulation von Resistenzmechanismen gegen gängige Antibiotika in den letzten Jahrzehnten wird eine antimikrobielle Behandlung zunehmend erschwert. Die zunehmende Anzahl Antibiotika-resistenter Bakterien macht eine Entwicklung neuer Behandlungsmethoden und Substanzen, sowie die Optimierung bisheriger Behandlungsoptionen dringend erforderlich. Der Einsatz von Tiermodellen zur Testung vielversprechender Substanzen und Behandlungsschemata unter in vivo Bedingungen in einem dem Menschen nahekommenden Wirtssystem ist dabei unerlässlich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden diverse neue und optimierte Behandlungsoptionen in verschiedenen murinen Infektionsmodellen untersucht, um die Wirkstoffentwicklung voranzutreiben. Dabei wurden sowohl das Pathogen S. aureus, als auch der Wirt und die Wirkstoffe selbst in die Betrachtungen einbezogen. Auf Seiten des Pathogens S. aureus wurden neue Zielstrukturen für Wirkstoffe näher beleuchtet. So konnte das, mit dem Kohlenstoffmetabolismus des Bakteriums in Verbindung stehende, Histidin-haltige Phosphatträgerprotein HPr als neue vielversprechende Zielstruktur identifiziert werden. Eine Deletion des für HPr codierenden Gens ptsH resultierte in einer verringerten Biofilmbildung und Infektiosität in vivo (Publikation A). Aus dem Reservoir der Proteinphosphorylierung-vermittelnden Enzyme von S. aureus konnten die beiden niedermolekularen Protein-Phosphatasen PtpA und PtpB als vielversprechende neue Zielstrukturen identifiziert werden. Das Fehlen bereits einer der Phosphatasen resultierte in einer drastischen Reduktion der Infektiosität des Bakteriums in vivo (Publikationen B und C). Im Bereich der Wirkstoffoptimierung wurde zum einen ein neues Rifampicin-Derivat als Inhibitor der bakteriellen RNA-Polymerase untersucht. Auf Grund der enormen Bedeutung von Rifampicin für die Behandlung vieler Infektionskrankheiten und der zunehmenden Resistenzentwicklung ist eine Optimierung des Wirkstoffs dringend notwendig.Zwar konnte im Rahmen der durchgeführten in vivo Experimente kein positiver Behandlungserfolg mit dem in vitro sehr potenten Wirkstoffkandidaten verzeichnet werden, doch es war möglich, ein neues, einfaches murines Wundmodell in haarlosen SKH1 Mäusen zu etablieren und die Grundlage für weiterführende Strukturanalysen zur Wirkstoffoptimierung zu schaffen (Publikation D). Zum anderen wurde die Behandlungsoptimierung des schlecht wasserlöslichen, starke Nebenwirkungen verursachenden und nur schwer zellgängigen Antibiotikums Clarithromycin angestrebt. Durch den Einschluss des Wirkstoffes in Polymer-Nanokapseln wurde die intrazelluläre Bioverfügbarkeit des Stoffes und die Abtötungskinetik intrazellulär persistierender Bakterien enorm gesteigert (Publikation E). Auf Seiten des Wirtes wurde der Einfluss des Interleukins 17C (IL-17C) auf die Heilung und Bakterienbeseitigung in S. aureus-infizierten Wunden untersucht. Das Peptidhormon gilt als ein wichtiger Mediator der Immunantwort im Wirt und kann bei einer Dysfunktion Hauterkrankungen wie Psoriasis verursachen. Eine Behandlung mit Anti-IL-17C Antikörpern könnte dieses Krankheitsbild zwar lindern, gleichzeitig aber auch einen negativen Einfluss auf die Wundheilung haben. Die Untersuchungen zeigten, dass die Expression von IL-17C in S. aureus infiziertem Wundgewebe in Menschen deutlich erhöht ist. In IL-17C defiziente Mäuse konnte eine deutlich verlangsamte Heilungskinetik der infizierten Wunden festgestellt werden, es zeigten sich jedoch keinerlei Unterschiede in der Bakterienlast in den Wunden. Der zu Grunde liegende Mechanismus für die verminderte Wundheilung konnte nicht identifiziert werden (Publikation F). Im Rahmen dieser Arbeit konnten durch den Einsatz muriner Infektionsmodelle neue Angriffspunkte für die antimikrobielle Substanzentwicklung identifiziert und auf ihre Eignung zur Therapie von S. aureus untersucht werden. Zudem konnten bestehende Therapieansätze optimiert werden. Die Untersuchungen liefern somit eine Reihe neuer Ansatzpunkte für die zukünftige Entwicklung antimikrobieller Substanzen gegen das Humanpathogen S. aureus.

Nosocomial infections are a major burden on the health care system worldwide and result in tens of thousands of deaths each year in addition to rising costs and extended hospitalization. A prominent cause of nosocomial infections is the gram-positive bacterium Staphylococcus aureus (S. aureus). Due to its various strategies to hide from the host immune response and antibiotic pressure, treatment of this pathogen is complicated. Diseases such as wound infections, sepsis, and foreign body infections, associated with biofilm formation, make S. aureus a challanging pathogen in hospitals and nursing homes. The development of resistance mechanisms against common antibiotics in recent decades has made antimicrobial treatment increasingly difficult. The growing number of antibiotic-resistant bacteria necessitates the development of new treatment methods and substances, as well as the optimization of existing treatment options. The use of animal models to test in vitro promising substances and procedures under realistic and complex conditions is essential. This work investigated new and optimized treatment options in different S. aureus based murine infection models to advance drug development, and included pathogen-, host- and substance-specific traits. On the side of the pathogen, S. aureus, new target structures for drug development were investigated. In connection with the carbon metabolism of the bacterium, the histidine-containing protein HPr (encoded by ptsH) has been identified as a new promising target structure. Deletion of ptsH resulted in reduced biofilm formation and infectivity in vivo (publication A). From the range of protein phosphorylation mediating enzymes of S. aureus, the phosphatases PtpA and PtpB were identified as new promising target structures. The absence of even one of the phosphatases resulted in a drastic reduction of bacterial infectivity in vivo (publications B and C). In the field of drug optimization, a new rifampicin derivative was investigated as an inhibitor of bacterial RNA polymerase. Rifampicin is an important antibiotic in tuberculosis treatment, and it serves as a reserve antibiotic for various bacterial infections. However, because of the increasing development of antibiotic resistance, optimization of this substance is urgently required. Although no positive treatment success was achived with the in vitro highly potent substance under in vivo conditions, it was possible to establish a murine wound healing model in hairless SKH1 mice, and further structure analyses may help to develop a more functional derivate (publication D). In addition, an optimization of the treatment procedure for the antibiotic clarithromycin, which is poorly soluble in water, causes strong side effects, and is barely cell permeable, was sought. The inclusion of the active substance into polymer nano capsules greatly increased the bioavailability of the substance and the elimination of intracellularly surviving bacteria (publication E). On the host side, the influence of interleukin 17C (IL-17C) on wound healing and elimination of bacteria in S. aureus-infected wounds was investigated. The peptide hormone mediates the immune response in the host and may cause skin diseases such as psoriasis in the event of dysfunction. Treatment with anti- IL-17C antibodies may cure this condition but is also considered to have an impact on wound healing and bacterial clearance. This study revealed that the expression of IL-17C in S. aureus infected wound tissue is significantly increased in humans. Although IL-17C-deficient mice had a significant delay in wound healing, a change in bacterial load in the wound could not be detected. The underlying mechanism for the delayed wound healing remained unclear (publication F). In the scope of this work, murine infection models were used to identify new potential targets for antimicrobial substance development and to investigate their suitability. Existing therapeutic approaches were optimized, as well. The findings provide new approaches for the development of antimicrobial substances against the human pathogen S. aureus.