Differentielle Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms durch Pneumolysin

Abstract

Pneumokokken-Infektionen, wie z.B. Pneumonien, stellen weltweit eine häufige Todesursache dar. Die Interaktion der Pneumokokken mit den Wirtszellen und insbesondere die Mechanismen der Erkennung durch das angeborene Immunsystem sind immer noch nur unvollständig aufge-klärt. Vor dem Hintergrund der weiterhin relativ hohen Mortalität der Pneumokokkeninfektionen sowie der zunehmenden Antibiotika-Resistenz ist ein grundlegendes Verständnis dieser Mecha-nismen von essentieller Bedeutung. Am Anfang der Immunantwort gegen Bakterien einschließlich von Pneumokokken steht die Er-kennung dieser Bakterien. Erste Zielzellen, die im Rahmen der Pneumokokkeninfektion betrof- fen sind und für eine frühe Verteidigung des Organismus sorgen, sind Makrophagen. Nachfol-gend spielt die Produktion von Zytokinen, unter ihnen IL-1eine wichtige Rolle. IL-1 ist Schlüsselzytokin der frühen Immunantwort, verantwortlich für die Aktivierung und Regulation weitere Wirtszellen und Abwehrmechanismen. In der vorliegenden Arbeit sollte untersucht werden, über welche Mechanismen Makrophagen welche Pneumokokkenbestandteile erkennen, um die wichtige IL-1-Produktion zu aktivieren. Es konnte gezeigt werden, dass ausschließlich vollständiges, Poren-bildendes Zytotoxin Pneumolysin zu einer Ausschüttung von reifem IL-1β führt. Dabei war unerheblich, ob lebende Bakterien oder aufgereinigtes Pneumolysin verwendet wurden. Wichtig hierbei war außerdem, dass unterschiedliche Ply-Varianten dargebracht wurden, die nach derzeitigem Kenntnisstand eine Besonderheit der Pneumokokken innerhalb der Gruppe der Gram-positiven Bakterien (sehr unterschiedliche immunologische Reaktionen, je nach Ausprägung des Virulenzfaktors Ply) auf-zeigt. Auf Seiten des Wirts war für die Prozessierung und Ausschüttung von IL-1β das Vorhan-densein des NLRP3-Inflammasoms essentiell. Sowohl die Entstehung radikaler Sauerstoffspe- zies, als auch Kalium-Efflux aus dem Intrazellularraum, sind mögliche Mechanismen, die für die Ply-abhängige Aktivierung des NLRP3-Inflammasoms ursächlich sein können. Es konnte gezeigt werden, dass die Inhibierung des Proteinkomplexes NLRP3 eine stark verminderte IL-1β-Produktion zur Folge hat, ebenso führt eine Aufhebung des Kaliumgradienten sowie der Inhibie-rung von ROS-Bildung zu einer Inhibierung der IL-1β-Produktion. Insgesamt zeigt die Studie, dass dem NLRP3-Inflammasom eine kritische Rolle in der Bildung des pro-inflammatorischen Zytokins IL-1β bei einer Infektion mit S. pneumoniae zukommt und dass die Expression von hämolytischen Pneumolysins auf Seiten des Bakteriums hierfür notwen-dig ist. Es wird darüber hinaus die Besonderheit in der Pneumokokkeninfektion gezeigt, dass ein bakterieller Virulenzfaktor- Polymorphismus zu einer veränderten Bakterien-Erkennung durch das angeborene Immunsystem führt.

Globaly infections with Streptococcus pneumonia account for a high mortality and morbidity rate through infectious diseases. Mechanisms of host-pathogen interaction especially routes of pneumococcal recognition via the host’s innate immune system are not well understood. Alt-hough different vaccinations against pneumococci are available a general protection against all different pneumococcal serotypes is not given. Furthermore increasing resistency of pneumococci towards antibiotic therapy reveals the urgency of a more complete understanding of the patho-gen’s virulence mechanisms and the host’s defense strategy. For the initiation of the host’s immune response a reliable recognition of pathogens is key. Mac-rophages play a major role in early recognition of pneumococcal infection and thereby provide a first line of defense. Cytokines, notably IL-1 are produced and secreted subsequently to patho-gen recognition. IL-1is an important cytokine of the early innate immune system. It both in-duces the activation of the host’s cellular immune response and orchestrates defense mechanisms. The present dissertation identifies and discusses the key factors of pneumococcal recognition that are used by macrophages in order to activate the production of IL-1β. Important results pre-sented here are the following: The release of mature IL-1β is only stimulated by the complete, pore-forming cytotoxine pneumolysine. In this context, it is irrelevant whether living bacteria or cleaned-up pneumolysin are the triggering factor. Furthermore it has to be noted that different ply variants were used as stimuli. By doing so, it could be demonstrated that pneumococci have a special status within the group of Gram-positive bacteria, with different immunological reactions depending on the polymorphism of the virulence factor ply. For the host, the presence of NLRP3-inflammasome was a necessary factor for the processing and release of IL-1β. The ply-dependent activation of NLRP3 inflammasome turns out to be triggered by the emergence of radical oxygen species, as well as by an efflux of potassium from the intracellular compartment. As a further result, it was demonstrated that the inhibition of the NLRP3 proteine complex pro-voked a stronly decreased production of IL-1β. Furthermore, the production of IL-1β diminished when the protein complex NLRP3 was inhibited. Upon elimination of the potassium gradient or inhibition of ROS production after pneumococcal stimulation of macrophages IL-1β production was strongly decreased. As a general result, the dissertation demonstrates that the NLRP3 inflammasome plays an im-portant role for the production of the pro inflammatory cytokine IL-1β in the context of an infec-tion with S. pneumonia that expresses hemolytic full length pneumolysin. Furthermore, it is demonstrated that in the context of an infection with pneumococci, a bacterial virulence factor polymorphism causes a modified identification of bacteria by the innate immune system.