Interactions between staphylococci, heparin, heparin dependent growth factors and biomaterials

Abstract

Resident skin micro-organisms such as S. epidermidis and other coagulase-negative staphylococci (CoNS), are by far the most common causes of biomaterial-associated infections. These micro-organisms often exhibit surface adhesins that specifically bind serum and tissue proteins adsorbed to implanted biomaterials. The aim of this study was to extend our knowledge about such adhesins produced by CoNS. This thesis focuses on defining staphylococcal components interacting with sulphated glycosaminoglycans (GAGs) or heparin-binding growth factors. It was found that different CoNS strains (similar to S. aureus) interact with immobilised heparin, chondroitin and dextran sulphate. Moreover binding of the soluble heparin dependent growth factors, basic fibroblast growth factor (bFGF) and platelet derived growth factor (PDGF) was demonstrated and proposed to impair wound healing. Novel 17-kDa heparin binding proteins were isolated from both S. epidermidis strain RP 12 and S. haemolyticus strain SM131, and partially characterised. These proteins showed binding not only to heparin but also to bFGF and thrombospondin. As tested in several human cell lines, the heparin binding ligands appeared to be involved in the adherence of staphylococci to eucaryotic host cells. Finally, a new method, using collagen for immobilising antibiotics to heparinised biomaterials was developed, and the coating was found effective in reducing colonisation of staphylococci to biomaterials. It was concluded that improved combatment of biomaterial-associated infections will require detailed knowledge of the molecular events of colonisation, as well as effective antibiotic bonding of certain materials.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Användningen av konstgjorda material för temporärt och permanent bruk, t.ex katetrar, skruvar, ledproteser är numera väl etablerad inom human- medicinen. Dessa sk biomaterial kan emellertid predisponera till proppbildning, inflammatoriska vävnadsreaktioner och infektioner i omgivande vävnad, ledande till svåra komplikationer, såsom blod- förgiftning, passagestopp samt proteslossning. Infektioner i biomaterial, särskilt hudpenetrerande, utgör ett väsentligt kliniskt problem. Mikrober tillhörande den normala hudfloran, såsom koagulasnegativa stafylokocker (KoNS) orsakar de flesta biomaterial-associerade infektionerna, men även sårbakterier, t.ex. S. aureus, är vanliga. Om implantatsåret infekterats med bakterier, med varbildning som följd, innebär detta att läkningensprocessen förlängs. I sårområdet omkring biomaterialet induceras bl.a. heparinberoende tillväxtfaktorer, vilka är essentiella för den normala sårläkningsprocessen. Det är känt att bakterierna före kolonisationen häftar vid den aktuella ytan (tex biomaterial yta eller cellyta). För att kunna förankras och så småningom infektera värden utnyttjar bakterien ofta särskilda ytfaktorer kallde adhesiner. Kunskapen om sådana adhesiner hos KoNS stammar är emellertid tämligen begränsad.



I denna avhandling har vi studerat, hur KoNS binder till vissa kolhydrat-molekyler (glykosaminoglykaner), såsom heparin och heparan sulfat (delarbete I). Dessa molekyler förekommer normalt på ytan av eukaryotaceller, t.ex. endotelceller och på biomaterial som är utklädda med heparin för att förebygga proppbildning. Vi har studerat bindning av stafylococker till heparin och två heparinberoende tillväxtfaktorer och fann att sådana interaktioner är förekommande hos KoNS (delarbete II). Interaktionen mellan KoNS och heparin har karakteriserats, och ett nytt adhesin, som binder heparin kunde härvid identifieras från två arter, S. epidermidis och S. haemolyticus (delarbete III). Detta heparinbindande protein visade sig även binda den s.k. basiska fibroblast tillväxtfaktorn, bFGF och trombospondin. Stafylokockers vidhäfning till olika eukaryota celler kunde delvis blockeras med heparinliknande molekyler, vilket innebär, att heparinbindande egenskaper hos dessa mikrober kan spela roll för stafylokockers förankring till cellytor (delarbete IV). Det har visat sig, att flera olika bakteriearter kan binda heparin och heparan sulfat och en hypotes har lagts fram att bakterierbundet heparansulfat i sin tur kan binda andra viktiga plasmaproteiner (t.ex fibronektin eller vitronektin), vilket skulle kunna underlätta för stafylokockerna och andra bakterier att undkomma immunförsvaret. Interaktioner med de heparin beroende tillväxtfaktorerna skulle därutöver kunna vara en bakomliggande orsak till försämrad sårläkning. Med syftet att på lång sikt utveckla “bakterieovänliga” ytor, har vi med framgång börjat behandla experimentella biomaterial med heparin, kollagen och lämpligt antibiotikum för att kunna avdöda bakterier och därmed förhindra biomaterial-associerade infektioner (delarbete V).

• author: Fallgren, Corina
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Herrmann, Mathias, University of Munster, Germany
• organization: Division of Medical Microbiology
• publishing date: 2000
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: Microbiology, and biomaterials bonded with antibiotics, heparin-binding growth factors, staphylococci, heparin, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 128 pages
• defense location: Fernströmssalen BMC
• defense date: 2000-05-19 13:15:00
• ISBN: 91-628-4135-1
• language: English
• LU publication?: yes
• id: ebe87d5f-d8ae-46e8-be69-740734ae29f3 (old id 40749)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:27:36
• date last changed: 2018-11-21 20:58:53