Binding of plasma proteins by Staphylococcus epidermidis: characterisation of protein-protein interactions

Abstract

Coagulase-negative staphylococci (CoNS), in particular, Staphylococcus epidermidis, have emerged as major nosocomial pathogens associated with infections of implanted medical devices. These organisms, which are among the most prevalent bacteria of the human skin and mucous membrane microflora, gain access to the surface of the implant at the insertion. However, the subsequent infection may erupt up to a year later or more. It is currently believed that two steps are involved in the infections: 1) primary bacterial adhesion to the biomaterial surface, which has been covered by host factors; 2) bacterial cell accumulation and biofilm formation. Specific interaction between bacteria and host factors, e.g. adsorbed plasma proteins on a biomaterial surface, has long been regarded as a key step in the pathogenesis of S. epidermidis infections. Our studies deal with the binding of vitronectin (Vn), clusterin (Clu), recombinant von Willebrand factor (rvWF) and thrombospondin (TSP) by S. epidermidis. S. epidermidis binds soluble forms of Clu, rvWF and TSP specifically. Bacterial binding to immobilised Vn, rvWF and TSP was higher than the positive control Staphylococcus aureus strains. Although S. epidermidis might not utilise immobilised Clu as an attachment site on biomaterial, Clu binding by S. epidermidis can abate the inhibitory effects of Clu on membrane attack complex (MAC) formation. Therefore, the binding may contribute to endothelial cell injury and inflammation developing around colonised implants. In addition, two Vn-binding proteins (21 and 52 kDa) of S. epidermidis strain BD5703, isolated from cerebrospinal fluid (CSF) shunt infection, were purified and identified. Glucosaminidase (the 52 kDa protein) is the major Vn-binding protein of BD5703. Extracellular cysteine protease (the 21 kDa protein) may also be important in the pathogenesis of CSF shunt infections. With increased bacterial resistance to traditional antibiotics, vaccination is likely to become more important to combat staphylococcal infections. In a mouse sepsis model, immunisation with cell surface extract of S. aureus strain Phillips stimulated the host to produce protective antibodies. This is promising for further investigations.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Sammanfattning på svenska Stafylokocker ingår i vår normala bakterieflora på hud och slemhinnor, men kan också ge upphov till infektioner. Staphylococcus aureus, den gula stafylokocken, är den vanligaste orsaken till sårinfektioner och "sjukhussjuka", och orsakar allvarliga djupa infektioner i ben, hjärta och andra inre organ, samt blodförgiftning. S. epidermidis, den vita stafylokocken, har mycket lägre sjukdomsframkallande förmåga och orsakade tidigare främst infektioner hos patienter med nedsatt infektionsförsvar. Nu är S. epidermidis och närbesläktade, s.k. koagulasnegativa stafylokocker, KNS, den viktigaste orsaken till infektioner i anslutning till främmande kroppar, biomaterial, som satts in för temporärt eller permanent bruk. Användningsområden för biomaterial är t.ex. katetrar i kärl för tillförsel av näring och medicin, bukkatetrar för dialys hos patienter med njursvikt, shunt och kateter i hjärnan för att avleda ryggmärgsvätska ("vattenskalle"), ögonlinser, ledproteser, hjärtklaffar och ersättning av kärldelar vid grav åderförkalkning. Infektioner med KNS har ett smygande förlopp och kan ge kliniska symptom upp till år efter insättandet. De är i princip omöjliga att behandla med antibiotika, utan leder till att materialet måste bytas ut. I anslutning till penicillinets upptäckt på 1940-talet trodde vi, att alla bakteriella infektioner kunde behandlas framgångsrikt med antibiotika. S. aureus utvecklade emellertid relativt snabbt motståndskraft (resistens) mot penicillin genom produktion av ett inaktiverande enzym. Numera sprids stammar, som är resistenta även mot enzymstabilt penicillin, s.k. methicillinresistenta S. aureus, MRSA, över stora delar av världen. Sverige är hitintills relativt förskonat, eftersom vi undersöker alla patienter och all personal, som har varit i kontakt med sjukvård utomlands för bärarskåp av MRSA, innan de läggs in på en allmän avdelning. Det senaste decenniet har även methicillinresistenta S. epidermidis , MRSE, spridits inom sjukvården. Detta har aktiverat forskning för att framställa ett stafylokockvaccin. För att göra detta måste de sjukdomsframkallande egenskaperna kartläggas. Hos S. aureus känner vi till ett 30-tal toxiner, t.ex. tampongsjuketoxin, enzymer och proteinbindande strukturer, som kan vara vidhäftningsfaktorer. Dessa binder kroppsproteiner i serum och vävnad under hud och slemhinnor, vilka exponeras vid skador på de senare, t.ex. brännskada. Tre proteiner, som binder fibrinogen, två, som binder fibronektin, och andra, som binder kollagen, vitronektin, trombospondin m.fl. har beskrivits. S. epidermidis producerar långt färre toxiner, enzymer och proteinbindande strukturer. Ett vitronektinbindande och ett fibrinogenbindande protein, samt en kolhydratstruktur har karakteriserats. Den allmänna uppfattningen är, att bindande strukturer, som uttrycks på bakteriens yta, kan vara viktiga som vaccinkandidater. I denna avhandling beskrivs vitronektinbindning närmare. Det viktigaste proteinet för vitronektinbindning är ett enzym, glucosaminidase (52 kDa), men även ett cysteine proteas, som utsöndras från bakterien (21 kDa), kan vara av klinisk betydelse. Vitronektinbindning hos KNS skiljer sig helt från den tidigare beskrivna hos S. aureus. Ett tidigare inte känt trombospondinbindande protein karakteriseras, och visas binda till en annan del av molekylen än den, som S. aureus binder till (en heparinbindande domän). Flera icke tidigare kända proteiner, som binder von Willebrand faktor, ett serumprotein, beskrivs. En del av dessa kunde också binda trombospondin. Bindning av clusterin, ett serumprotein med egenskaper liknande vitronektin, har karakteriserats. Proteiner kan exponera olika potentiellt bindande domäner, om de befinner sig i löslig form, t.ex. i serum, eller är immobiliserade på en fast yta, t.ex. ett biomaterial. S. epidermidis kunde binda clusterin endast i löslig form. Clusterinbindning av stafylokocker visades ge ökad komplementaktivering, så även om clusterinbindning inte är sannolik som vidhäftnings-mekanism, så kan den bidra till den inflammatoriska reaktionen och slemhinneskada, just genom att öka komplementaktiveringen. I en musmodell för blodförgiftning vaccinerades mössen med extrakt av ytskalet av S. aureus respektive S. epidermidis. Djuren bildade antikroppar mot identifierade strukturer hos båda bakterierna. När djuren sedan fick injektion av levande bakterier, var djuren som vaccinerats med ytextrakt av S. aureus skyddade mot allvarlig form av infektionen, medan de, som vaccinerats med S. epidermidis uppvisade visst skydd, men denna nådde ej statistisk signifikans. Slutsatsen är, att för S. aureus infektioner är identifiering av ytstrukturer, som ger skydd mot infektion en framkomlig väg för ett framtida stafylokockvaccin. För S. epidermidis och andra KNS är bilden inte lika klar. Här kan tillförsel av färdigframställda antikroppar, s.k. passiv immunisering, vara en framkomlig väg.

• author: Li, Dai-Qing
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Assistant Professor Söderquist, Bo, Dept. Infectious Diseases, University Hospital Örebro.
• organization: Diabetes - Islet Patophysiology (research group)
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: Microbiology, mice and immunisation, biomaterial-associated infections, von Willebrand factor, thrombospondin, clusterin, Staphylococcal receptins, vitronectin, bacteriology, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 128 pages
• defense location: Rune Grubb salen
• defense date: 2002-04-11 10:15:00
• ISBN: 91-628-5147-0
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: 1. Li DQ, Lundberg F, Ljungh Å. Characterization of vitronectin-binding proteins of Staphylococcus epidermidis. Current Microbiol 2001; 42: 361-367. Article: 2. Li DQ and Ljungh Å. Binding of human clusterin by Staphylococcus epidermidis. FEMS Immunol Med Microbiol 2001; 31: 197-202. Article: 3. Li DQ, Lundberg F, Ljungh Å. Binding of von Willebrand factor by coagulase-negative staphylococci. J Med Micobiol 2000; 49: 217-225. Article: 4. Yanagisawa N, Li DQ, Ljungh Å. The N-terminal of thrombospondin-1 is essential for coagulase-negative staphylococcal binding. J Med Micobiol 2001; 50: 712-719. Article: 5. Li DQ, Yanagisawa N, Ljungh Å. Immunization with lithium chloride extract of Staphylococcus aureus protects mice from experimental sepsis. Submitted.
• id: 96817e18-a992-4149-967c-c3d817585b3c (old id 464447)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:56:08
• date last changed: 2018-11-21 21:08:03