Characterization of the virulence potential of Arcobacter butzleri

Abstract

Arcobacter (A.) spp. is a gram-negative, motile and spiral-shaped bacterium belonging together with Campylobacter (C.) and Sulfurospirillum to the family of Campylobacteraceae. At present, 18 Arcobacter species have been characterized with A. butzleri as the most important and predominant species associated with human diseases, such as gastroenteritis, bacteremia or septicaemia. A. butzleri have been rated a serious hazard to human health by the International Commission on Microbiological Specifications for Foods in 2002. The bacteria have become more important in public health due to their presence in different sources such as animals including various food products of animal origin and water. However, the most frequent source of human A. butzleri infection is contaminated undercooked poultry meat and water. In few studies several authors demonstrated that A. butzleri is the fourth most common Campylobacterales species recovered from patients suffering from. Reported clinical signs of an A. butzleri infection are diarrhea associated with abdominal pain, nausea and vomiting or more rarely fever. Compared to C. jejuni, A. butzleri caused more watery and persistent, but less acute and bloody diarrhea. As human infections with A. butzleri are not routinely investigated, the relevance of this pathogen could not be determined so far. However, a few case reports and some outbreak data on human infection with A. butzleri are available indicating that A. butzleri is a truly human pathogen. Although some progress has been made over the past decade, the knowledge about the pathogenic mechanisms and immune host responses of A. butzleri is still scarce. Several putative virulence determinants homologous to C. jejuni, were identified in the genome sequence of A. butzleri RM4018, while other virulence-associated genes of C. jejuni are missing. Results from phenotypic assays revealed adhesive, invasive and cytotoxic capabilities of A. butzleri on several cell lines in vitro. The barrier dysfunction caused by A. butzleri infection in monolayers of the human colon cell line HT-29/B6 highlights potential mechanisms by which diarrhea can be induced in human. This work focused on the investigation of virulence mechanisms of A. butzleri including its interactions with intestinal epithelial cells in vitro. Chapter 1 provides a literature review that emphasises the relevance of A. butzleri in human and veterinary public health. In the first study (Chapter 2), the presence of virulence genes homologous to those of C. jejuni and other enteric pathogens was investigated in several A. butzleri strains. Further the adhesive and invasive abilities of several A. butzleri strains on two different human intestinal epithelial cell lines (HT-29 and Caco-2) were demonstrated. No correlation was observed between putative virulence gene patterns and adhesive or invasive phenotypes with the tested cell lines; also the putative functional domains of CiaB, CadF and Cj1349 in the amino acid sequences showed no correlation with the different adhesive and invasive phenotypes. The aim of the second study (Chapter 3) was to obtain additional information on the pathogenicity and the pathomechanisms of A. butzleri strains. A. butzleri was investigated on two further epithelial cell lines to characterize different epithelial cell interactions and strain-specific pathomechanisms. The ability of A. butzleri strains for adhesion, invasion and cytotoxicity in human (HT-29/B6) and porcine (IPEC-J2) intestinal epithelial cell lines could be demonstrated. These A. butzleri strains were able to influence the transepithelial electrical resistance. The A. butzleri strain specific pathomechanisms has been observed with the human colon cell line HT-29/B6. Furthermore, A. butzleri induced systemic immune response in gnotobiotic IL-10 deficient mice in a strain-dependent manner (Chapter 4). Taken all data together, these findings emphasize the enteric pathogenic potential and strain-specific pathomechanisms of A. butzleri.

Arcobacter (A.) sind gram-negative, bewegliche und spiralförmige Bakterien, die zusammen mit Campylobacter und Sulfurospirillum der Familie Campylobacteraceae angehören. Die Gattung umfasst 18 Spezies, wobei A. butzleri die wichtigste bzw. am häufigsten vorkommende Spezies darstellt, die mit Erkrankungen des Menschen wie Gastroenteritis, Bakteriämie oder Septikämie assoziiert wird. A. butzleri wurde bereits 2002 von der ICMSF zur erheblichen Gefahr für die menschliche Gesundheit eingestuft. Dieses Bakterium hat auf Grund seines Vorkommens in verschiedenen Quellen wie im Tier einschließlich zahlreicher Nahrungsmittel tierischen Ursprungs und Wasser erheblich an Bedeutung gewonnen. Die Hauptquelle für humane A. butzleri- Infektionen sind nicht ausreichend gegartes Geflügelfleisch und Wasser. Einige Studien zeigten, dass A. butzleri der vierthäufigste Campylobacterales-Erreger ist, der aus Fäzes von Patienten mit Durchfall isoliert wurde. Die Symptome einer A. butzleri-Infektion sind Durchfälle mit begleitenden Bauchkrämpfen, Übelkeit und Erbrechen oder seltener Fieber. Im Vergleich zu C. jejuni verursacht A. butzleri eher wässrigen und bis zu zwei Monaten anhaltenden, aber weniger akuten und blutigen Durchfall. Da A. butzleri-Infektionen nicht routinemäßig untersucht werden, kann die Relevanz dieses Erregers noch nicht eingeschätzt werden. Einige Fallberichte und A. butzleri-Ausbrüche belegen, dass A. butzleri ein echter Krankheitserreger des Menschen ist. Trotz gewisser Fortschritte im letzten Jahrzehnt existiert nur geringes Wissen über Pathogenitätsmechanismen von A. butzleri und die Immunantwort des Wirts. Miller et al. (2007) identifizierten in der Genomsequenz von A. butzleri RM 4018 mehrere putative Virulenzdeterminanten, die homolog zu C. jejuni sind, während andere Virulenz-assoziierten Gene von C. jejuni nicht existieren. Ergebnisse aus phänotypischen Untersuchungen zeigen adhäsive, invasive und zytotoxische Eigenschaften von A. butzleri auf mehreren Zelllinien in vitro. A. butzleri ist in der Lage Barriere-Funktionsstörungen in HT-29/B6 Monolayern hervorzurufen, welche potentielle Mechanismen sind, durch die Durchfall bei Menschen induziert werden könnte. Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung einzelner Virulenzmechanismen von A. butzleri, einschließlich ihrer Interaktion mit intestinalen Epithelzellen in vitro. Kapitel 1 gibt eine Literaturübersicht, die die Relevanz von A. butzleri in der Human- und Veterinärmedizin unterstreicht. In der ersten Studie (Kapitel 2) wird die Verbreitung der 10 putativen Virulenzgene in A. butzleri-Stämmen beschrieben. Weiterhin werden die adhäsiven und invasiven Fähigkeiten ausgewählter A. butzleri-Stämme auf die zwei verschiedenen humanen Darmepithel-Zelllinien (HT-29 und Caco-2) gezeigt. Es wurde keine Korrelation zwischen dem putativen Virulenzgenmuster und den adhäsiven und invasiven Eigenschaften auf den getesteten Zelllinien beobachtet; auch die Aminosäuresequenzen der putativen funktionellen Domänen von CiaB, CadF und Cj1349 zeigten keine Korrelation zu den unterschiedlichen adhäsiven und invasiven Eigenschaften der untersuchten Stämme. Das Ziel der zweiten Studie (Kapitel 3) war es, zusätzliche Informationen zur Virulenz und Pathogenitätsmechanismen der A. butzleri-Stämme zu erhalten. A. butzleri wurde auf zwei weiteren Epithel-Zelllinien getestet, um verschiedenen epitheliale Zell-Interaktionen und stammspezifische Pathogenitätsmechanismen zu charakterisieren. Die Adhäsion, Invasion und Zytotoxizität von A. butzleri wurde bei humanen (HT-29/B6) und porzinen (IPEC-J2) Darmepithelzelllinien untersucht. Weiterhin waren diese A. butzleri- Stämme fähig, den transepithelialen elektrischen Widerstand zu beeinflussen. Eine stamm-abhängige Immunantwort konnte nach einer A. butzleri-Infektion in gnotobiotisch IL-10 defizienten Mäusen festgestellt werden (Kapitel 4). Zusammengefasst unterstreichen diese Daten das pathogene Potential und die stamm-spezifischen Pathogenitätsmechanismen von A. butzleri.