Untersuchungen zum Wechselspiel von multi-resistenten Pseudomonas aeruginosa, kommensaler Darmmikrobiota und Immunantworten bei muriner Darmentzündung

Abstract

Die weltweite Zunahme von nosokomialen Infektionen mit multiresistenten (multidrug resistant; MDR) Gram-negativen Bakterien wie Pseudomonas (P.) aeruginosa ist eine Bedrohung vor allem für immunsupprimierte, hospitalisierte und chronisch pulmonal erkrankte Patienten. Obwohl der Gastrointestinaltrakt (GIT) eine mögliche Infektionsquelle darstellt, ist wenig darüber bekannt unter welchen Bedingungen es zu einer Kolonisierung des Darms mit MDR P. aeruginosa kommt, wie sich diese auf die intestinale, extra-intestinale und systemische Immunantwort des Wirtes auswirkt und welche Rolle eine Darmentzündung dabei spielt. In der vorliegenden Arbeit führten wir Kolonisationsversuche an konventionell kolonisierten sowie sekundär abiotischen Mäusen durch, die zeigten, dass durch die Eliminierung der konventionellen Darmmikrobiota mittels oraler Breitspektrumantibiose, die natürliche Kolonisationsresistenz gegenüber P. aeruginosa aufgehoben wird. Die Rekonstitution sekundär abiotischer Mäuse mit humaner oder muriner Darmmikrobiota mittels fäkaler Mikrobiota-Transplantation (FMT) führte nur zu einem partiellen Schutz vor Kolonisierung. Die orale Gabe von P. aeruginosa führte sowohl in sekundär abiotischen als auch in mit humaner oder muriner Darmmikrobiota rekonstituierten Mäusen zu intestinalen Immunantworten, die sich in einem Einstrom von Immunzellen wie Makrophagen und Monozyten in die Darmmukosa sowie erhöhten Konzentrationen pro-inflammatorischer Zytokine, wie dem Tumornekrosefaktor (TNF) äußerten. Die gesteigerte Zytokinausschüttung war jedoch nicht nur begrenzt auf den GIT, sondern konnte auch auf systemischer Ebene in der Milz beobachtet werden. Weiterhin konnten wir in Mäusen mit akuter Toxoplasma (T.) gondii induzierter Ileitis sowie IL-10 Knockout (IL-10-/-) Mäusen mit chronischer Kolitis zeigen, dass eine Darmentzündung Mäuse empfänglich für eine P. aeruginosa Kolonisierung macht. Während wir im akuten Inflammationsmodell keine Verschlimmerung der Darmentzündung nach T. gondii Infektion nachweisen konnten, führte die mehrwöchige Darmkolonisierung mit P. aeruginosa im chronischen Inflammationsmodell zu einer Exazerbation der chronischen Kolitis, die sich durch einen gesteigerten Einstrom intestinaler Immunzellen und erhöhte Konzentrationen pro-inflammatorischer Zytokine wie TNF und Interferon-γ (IFN-γ) in den mesenterischen Lymphknoten (MLN) und im Serum äußerte. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass die Darmmikrobiota maßgeblich zur Kolonisationsresistenz gegenüber P. aeruginosa beiträgt und dass deren Störung zu einer intestinalen Kolonisierung mit dem opportunistischen Pathogen führen kann. Weiterhin wurde deutlich, dass eine reine intestinale Kolonisierung mit P. aeruginosa zu einer pro-inflammatorischen Immunantwort im Wirtsorganismus führt. Darüber hinaus fördert eine Darmentzündung die Kolonisierung mit P. aeruginosa, welche wiederum zu einer Verschlechterung des zugrundeliegenden Krankheitsbildes führt.

The worldwide growing incidence of nosocomial infections with multidrug resistant (MDR) Gram-negative bacteria such as Pseudomonas (P.) aeruginosa is a threat especially to immunocompromised or hospitalized patients and patients suffering from chronic pulmonary diseases. Although the gastrointestinal tract (GIT) is a potential source for infections, only little is known about conditions leading to intestinal colonization with MDR P. aeruginosa, how the latter affects the intestinal, extra-intestinal and systemic immune response of the host and the impact intestinal inflammation has hereon. In the present work colonization experiments in conventionally colonized as well as secondary abiotic mice revealed that elimination of the conventional microbiota through oral treatment with broad-spectrum antibiotics abrogates the natural colonization resistance directed against P. aeruginosa. Reconstitution of secondary abiotic mice with either human or murine microbiota through fecal microbiota-transplantation (FMT) only partially protected from colonization. Intestinal carriage of P. aeruginosa led to intestinal immune responses not only in secondary abiotic mice but also in mice reconstituted with human or murine microbiota, as indicated by increased numbers of intestinal immune cells such as macrophages and monocytes as well as elevated concentrations of pro-inflammatory cytokines such as tumor necrosis factor (TNF). Pro-inflammatory cytokine responses were not limited to the GIT, but could also be observed systemically (i. e. in the spleen). Furthermore, experiments in mice with acute Toxoplasma (T.) gondii induced ileitis and IL-10 Knockout (IL-10-/-) mice with chronic colitis revealed that intestinal inflammation renders mice more susceptible for P. aeruginosa carriage. No aggravation of the pronounced immune response could be observed in mice with acute T. gondii induced ileitis. Conversely, the intestinal colonization with P. aeruginosa in the chronic inflammation model resulted in a distinct exacerbation of chronic colitis, as indicated by an increased influx of intestinal immune cells and elevated concentrations of pro-inflammatory cytokines such as TNF and interferon-γ (IFN-γ) in the mesenteric lymph nodes (MLN) and serum. Taken together, our studies underline the important impact of the intestinal microbiota on the colonization resistance against P. aeruginosa and that the perturbation of the complex intestinal ecosystem may lead to intestinal colonization with the opportunistic pathogen. Furthermore, it became clear that mere intestinal carriage of P. aeruginosa results in pro-inflammatory immune responses of the host. Moreover, intestinal inflammation renders mice more susceptible to intestinal P. aeruginosa colonization which deteriorates chronic colitis.