The role of P fimbriae for Escherichia coli establishment and mucosal inflammation in the human urinary tract

Abstract

Bacterial adhesion to the bladder mucosa is a critical step for the establishment of Escherichia coli bacteriuria. The P-fimbriae, encoded by the pap gene cluster, are considered as virulence factors but the mechanisms have been debated. This study defined the roles for P fimbriation during the early colonization of the human urinary tract.



Patients with recurrent UTI were first subjected to deliberate colonization with the non-fimbriated ABU strain E. coli 83972. Bacteriuria was established long term (1-4 years) in patients with dysfunctional bladders, but not in the patients with normal bladder function. Super-infections were transient and asymptomatic (Paper 1).



P fimbriae enhanced the establishment of bacteria in the human urinary tract. P fimbriated transformants of the ABU strain (E. coli 83972pap+/prs+) reached 105 CFU/ml more rapidly than E. coli 83972 and the vector control. This was demonstrated by group wise and intra-individual analysis, in patients colonized on different occasions with E. coli 83972 or the P fimbriated transformants (Paper 2).



P fimbriated E. coli triggered the host response more efficiently than the ABU strain. Higher neutrophil numbers and IL-8 and IL-6 concentrations in urine were obtained after colonization with the P fimbriated transformants. These results demonstrated that transformation of E. coli 83972 with the pap sequences is sufficient to convert it to a more potent host response inducer (Paper 3).



The P fimbriae were shown to lower the significant bacteriuria threshold. The P fimbriated transformants needed lower bacterial numbers (103-4 CFU/ml) to predict a positive second urine culture with a > 80% accuracy and to trigger a significant host response (Paper 4).



The expression of P fimbriae in vivo was monitored using a gfp reporter gene construct. Following inoculation, E. coli 83972pap+ gfp+ adhered to the uroepithelial cells. A host response was triggered, and the cells were cleared from adherent bacteria. In parallell, neutrophils containing GFP protein were detected. The results demonstrated that P fimbriae mediate adherence in the human urinary tract, and illustrate the complex interaction with the host response exemplified by neutrophils (Paper 5).



These studies show that P fimbriae fulfil the Koch Henles molecular postulates for bacterial establishment and host response induction in the human urinary tract.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Infektioner i urinvägar, tarm och luftvägar orsakas av bakterier som speciellt anpassats till respektive vävnad. Infektionen börjar med att bakterien binder till slemhinneytan, och därmed sätter igång inflammation och försvar. Urinvägsinfektioner (UVI) är en värdefull modell för att förstå de molekylära detaljerna som avgör balansen mellan värd och bakterie.



UVI orsakas vanligen av Escherichia coli, som förekommer i många olika skepnader. En viktig egenskap är förmågan att binda till blåsans slemhinna, och E. coli bakterien bildar hårliknande utskott, eller fimbrier, med vilka den binder in till slemhinnan. P fimbrien uttrycks särskilt av de mest virulenta bakterierna och har föreslagits bidraga till bakteriens förmåga att både kolonisera urinvägarna och att orsaka symptom, men effekten hos människa har tidigare ej undersökts. Denna studie avser P fimbriens samspel med blåsslemhinnan i de mänskliga urinvägarna, och effekter på bakteriuri och inflammation.



Asymptomatisk bakteriuri (ABU) är ofta skyddande mot infektioner med mer sjukdomsframkallande bakterier. I ett försök att behandla patienter med svåra UVI problem, har vi utarbetat ett protokoll för att etablera ABU med en icke sjukdomsframkallande E. coli stam (E. coli 83972).



Patienter med upprepad, svår UVI inbjöds att deltaga i studien. Koloniseringen utfördes genom att installera E. coli 83972 i urinblåsan, och sedan följdes förloppet med odling och andra analyser. E. coli 83972 stannade kvar i urinvägarna hos de flesta av patienterna med försämrad blåstömning, men patienter med normal blåstömning behöll bakterien enbart några dagar, eller veckor. Även om ingen utvärdering av behandlingsvärdet gjordes, kan vi konstatera att patienterna var symptomfria, och att de upplevde sin livskvalitet förbättrad under pågående kolonisering med E. coli 83972 .



För att förbättra koloniseringsförmågan hos patienter med normala urinvägar användes en variant av E. coli 83972 som uttryckte P fimbrier. Denna P fimbrierade E. coli 83972 koloniserade urinvägarna snabbare och effektivare, och ökade inflammationen i urinvägarna, men inte tillräckligt för att orsaka patienten symptom. Detta visar P fimbrien förbättrar koloniseringsförmågan hos E. coli 83972.



För att noggrannt studera samspelet mellan blåslemhinna och den P fimbrierade bakterien, användes ett fluoroscerande grönt protein (GFP), som gör det möjligt att se bakterien genom belysning med ultraviolett ljus. Med denna teknik kunde vi följa bakteriens, och P fimbriens, samspel med den mänskliga värden. Vi fann att bakterien fäste vid slemhinnans celler, och att ett inflammatoriskt svar uppstod. Vita blodkroppar "tog upp" och oskadliggjorde bakterierna, som till följd av detta försvann från blåsans slemhinna. Denna "inblick" i mötet mellan bakterier och kroppens försvar ökar våra möjligheter att hitta avgörande, kritiska steg i infektionsprocessen, som skulle kunna påverkas med framtida, nya behandlingar.



Sammanfattningsvis har vi visat att urinvägskolonisering med E. coli 83972 är symptomfri, och att P fimbrien effektiviserar denna koloniseringsprocess. Vi har dessutom utarbetat en modell där vi detaljerat kan följa P fimbriens samspel med värdslemhinnan. Dessa studier definierar P fimbriens roll vid UVI, och ökar därmed våra möjligheter att utarbeta nya strategier för diagnostik och behandling.

• author: Wullt, Björn
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Stamm, Walter, Seattle, USA
• organization: Division of Microbiology, Immunology and Glycobiology - MIG
• publishing date: 2001
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area; Immunology in the medical area
• keywords: bacteriology, Microbiology, asymptomatic bacteriuria, urinary tract infections, deliberate colonization, E. coli 83972, P-fimbriae, Mucosal host response, IL-6, IL-8, neutrophils, regulation., GFP, virology, mycology, Mikrobiologi, bakteriologi, virologi, mykologi
• pages: 169 pages
• defense location: Rune Grubbs Sal, Sölvegatan 23, 223 62 Lund
• defense date: 2001-02-28 10:15:00
• ISBN: 91-628-4696-5
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 018f41fe-a750-419e-bd84-cba1da880153 (old id 41355)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:14:12
• date last changed: 2018-11-21 21:03:32