Einfluss von LPS-Modifikationen bei Pseudomonas aeruginosa auf die Phagozytose und das intrazelluläre Abtöten durch polymorphkernige neutrophile Granulozyten

Abstract

CF-Patienten leiden gehäuft an chronischen P. aeruginosa-Infektionen der Atemwege, welche unterschiedlich schwere Krankheitsbilder nach sich ziehen. Diese werden mit unter veränderten Umweltbedingungen auftretenden Modifikationen im LPS-Molekül von P. aeruginosa korreliert. In vitro Untersuchungen von Ernst et al. legen nahe, dass durch Addition von Palmitat und Aminoarabinose modifiziertes LPS bei der nicht-oxidativen Immunabwehr durch kationische Peptide Pseudomonas-Stämme resistent machen und schwere Krankheitsverläufe zur Folge haben kann (Ernst et al, 1999). Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, diese These zu untersuchen. Dafür wurden unterschiedliche von CF-Patienten isolierte modifizierte LPS-Stämme der oxidativen und nicht-oxidativen Phagozytose durch humane polymorphkernige neutrophile Granulozyten (PMN) ausgesetzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass LPS-Modifikationen bei P. aeruginosa unter keiner der gewählten experimentellen Bedingungen Einfluss auf die Phagozytose und das intrazelluläre Abtöten durch PMN hatten. Alle Bakterien-Stämme wurden nach erfolgreicher Phagozytose zu über 90% intrazellulär abgetötet. In viskösem Mukus, der in der CF-Lunge auf deren Epithel zu finden ist, treten lokal anaerobe Umgebungsbedingungen auf. Unter diesen Bedingungen bildet P. aeruginosa verstärkt Alginat, ein Makropolysaccharid, das in der Literatur ebenfalls als Schutz gegenüber der Phagozytose durch PMN angesehen wird. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Alginat auf die Phagozytose und das intrazelluläre Abtöten durch PMN zu den selben experimentellen Bedingungen untersucht wie für die LPS-Modifikationen. Dabei konnte nur für einen Alginat-positiven Stamm eine signifikante Veränderung der Phagozytose gezeigt werden. Alle anderen Alginat-positiven Pseudomonaden wurden zu über 70% phagozytiert und anschließend intrazellulär zu über 90% abgetötet. Während LPS-Modifikationen nach Ergebnis dieser Studie keine hinreichende Erklärung für die chronische Persistenz von P. aeruginosa bei CF-Patienten bieten, bleibt der Einfluss von Alginat weiter ungeklärt. Es gilt nun zu untersuchen, ob nicht vielmehr die Interaktion zwischen modifiziertem LPS und dem Toll-like-Rezeptor 4 auf verschiedenen Immunabwehrzellen durch gesteigerte inflammatorische Reaktion für die Schwere des Krankheitsbildes bei Infektion von CF-Patienten mit P. aeruginosa verantwortlich sein könnte. Ebenso gilt es, die Bedeutung anderer pulmonaler Umgebungsbedingungen wie Viskosität oder Makrokoloniebildung näher zu betrachten.

In cystic fibrosis (CF) chronic infection of the respiratory tract with Pseudomonas aeruginosa (P. aeruginosa) leads to severe lung disease. This pathogenesis is associated to environmental changing within CF airways inducing modifications in the LPS molecule of P. aeruginosa. Preliminary studies indicate that the addition of palmitate and aminoarabinose to LPS induces resistance of P. aeruginosa towards cationic peptides being an important component of non-oxygen immune response (Ernst et al., 1999). To investigate this hypothesis, from CF patients isolated LPS modified P. aeruginosa strains were exposed to human neutrophil cell mediated oxygen-dependent and non-oxygen phagocytosis. As all bacterial strains were phagocyted and afterwards intracellulary killed at 90% it can be concluded that LPS modifications have no influence on the phagocytosis and the intracellular killing of P. aeruginosa by human neutrophils. Local hypoxic zones can be found in mucus on the surfaces of CF airway epithelial cells. To this hypoxia P. aeruginosa responds with increased production of alginate, a makropolysaccharide suggested to induce resistance towards phagocytosis as well. In this work the influence of alginate on phagocytosis and intracellular killing by human neutrophils was analysed under same experimental conditions as for LPS modifications. Significant reduction of phagocytosis was demonstrated for only one alginate positive P. aeruginosa strain whereas for the rest of the bacterial strains succesful phagocytosis and intracellular killing of 90% were shown. Consistent with the results of this work LPS modifications don’t seem to contribute to the persistence of chronic CF airway infection whereas the influence of alginate remains to be analysed furthermore. As for the meaning of modified LPS its recognition by the toll-like receptor 4 complex followed by increased inflammatory reaction could support the severity of chronic CF airway infection as well. Besides, the influence of local conditions within CF airways such as macrocolony formation or thickened mucus on epithelial surface need to be considered in detail.