Persistente Staphylococcus aureus chronische bovine Mastitis

Staphylococcus aureus ist ein opportunistischer bakterieller Krankheitserreger, der den Menschen und verschiedene Tierarten infizieren kann. S. aureus bedient sich dabei eines umfangreichen Repertoires an Virulenzfaktoren, um sich an verschiedene Wirtsorganismen anzupassen und ist zudem in der Lage diverse Gewebe und Organe zu kolonisieren bzw. akut oder chronisch zu infizieren. Diese spezifische Wirtsanpassung führt oft zu sehr hartnäckigen, schwer zu eliminierenden Phänotypen, wie zum Beispiel bei der chronischen Osteomyelitis, cystischen Fibrose und chronisch bovinen Euterentzündung (Mastitis). Über die speziellen Eigenschaften dieser persistierenden S. aureus Stämme ist bisher allerdings nur wenig bekannt. In dieser Studie sollen die für eine persistente Infektion notwendigen, von S. aureus exponierten Oberflächen- und sekretierten Proteine/ Gene identifiziert werden. Das Projekt basiert auf der Verfügbarkeit eines einzigartigen Sets von speziell wirtsangepassten S. aureus Isolaten gleicher klonalen Abstammung, die im Zuge des Monitoring einer natürlich chronisch infizierten Milchkuh, isoliert wurden. Diese gewonnenen Isolate sind enorm hilfreich um erste Einblicke über oberflächenexponierte und sezerniert Faktoren zu erhalten, da sich die Veränderungen ausschließlich auf den Einfluss des Wirts, zurückführen lassen. Zu diesem Zweck werden die wirtsangepassten Stämme in einem ex vivo bovinen Euterdrüsen Explantat-Modell kultiviert und die Zusammensetzung der bakteriellen Zelloberfläche mittels Transkriptome-, Metabolom- und Proteom - basierender Methoden untersucht. In weiterer Folge werden loss (gain)-of- function-Mutationen gefundener Kandidatengene generiert und deren Eigenschaft Biofilm zu produzieren und in Euterzellen einzudringen bzw. zu überleben, untersucht. Die neu gefundenen Erkenntnisse können dazu genutzt werden, um Tests zu entwickeln, die das chronische Potential eines Keimes vorhersagen können und um neue Therapieansätze zu finden und verbesserte Behandlungsschemata zu entwickeln, die vor allem gegen chronische - persistierende und schwer zu behandelnde Infektionen gerichtet sind. 1

Wir untersuchten im Projekt, wie sich der bakterielle Erreger Staphylococcus aureus (S. aureus) an seinen Wirt anpassen kann. Dieses Bakterium ist bekanntlich ein Meister der Anpassung und kann zum einen verschiedene Wirte als auch verschiedene Körperstellen des Wirts besiedeln bzw. infizieren. Wir konnten zeigen, dass die bakterielle Evolution innerhalb des Wirts einen neuen, alternativen Weg zur Persistenz des Bakteriums ermöglicht, welcher weg von der intrazellulären hin zu extrazellulären Persistenz führt. Von Relevanz ist diese grundlegende Erkenntnis, da S. aureus zu den sechs sogenannten ESKAPE-Erregern gehört, einer Gruppe von hochvirulenten und antibiotikaresistenten bakteriellen Krankheitserregern. Erforscht wurde dieser neue bakterielle Weg der Persistenz innerhalb einer Milchkuh - womit die Forschungsergebnisse auch für Tierwohl, Lebensmittelsicherheit und Milchproduktion bedeutsam sind. S. aureus ist ein häufiger Besiedler der menschlichen und tierischen Haut, aber die Wirtsanpassung führt oft zur Entstehung sogenannter persistenter Subtypen, die schwer zu behandeln sind, wie z.B. bei chronischen Infektionen des Euters bei Milchkühen (bovine Mastitis). Wir untersuchten die Anpassung von S. aureus innerhalb des Wirtstieres über den Verlauf von drei Monaten bei einer natürlich infizierten Milchkuh mit chronischer, subklinischer Mastitis. Die Analyse des bakteriellen Genoms ergab eine vollständige Verdrängung des ursprünglichen Bakterienstamms durch eine genetische Variante - also eine Anpassung durch Mutation und Selektion. Diese Studie war die erste, die eine genetische und phänotypische Anpassung von S. aureus in einem tierischen Wirt beobachtet hat. Wir konnten zeigen, dass die Mutation im bakteriellen Genom insbesondere nur einen einzigen Basenaustausch in einem Gen beinhaltet. Die neu entstandene Variante zeigte starke Veränderungen in infektionsrelevanten Phänotypen, wie z.B. erhöhten Proteinabbau, Biofilmbildung und bakterielles Wachstum. Das Projekt hat unser Gesamtverständnis über das dynamische, adaptiven Verhaltens dieses Erregers während chronischer, persistierender Infektionen deutlich verbessert und könnte genutzt werden, um gezielte Interventionsstrategien gegen bovinen S. aureus oder andere Mastitiserreger zu entwickeln.