Advanced

Studies of EHEC and the complement system in renal diseases

Békassy, Zivile LU (2013) In Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series 2013:134.
Abstract
This thesis addressed the diagnosis, pathogenesis and clinical course of specific renal diseases hemolytic uremic syndrome (HUS) and dense deposit disease (DDD). HUS may be associated with infection caused by Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) or with complement dysfunction due to complement mutations or auto-antibodies (atypical HUS, aHUS).



EHEC is a non-invasive highly virulent bacterium. In order to gain access to the circulation it first damages the intestinal mucosa. The mechanism of damage and the bacterial factors involved were addressed. Abundant cell death by apoptosis was demonstrated in HUS patients. EHEC virulence factors were correlated to the intestinal damage and symptoms in a mouse model using... (More)
This thesis addressed the diagnosis, pathogenesis and clinical course of specific renal diseases hemolytic uremic syndrome (HUS) and dense deposit disease (DDD). HUS may be associated with infection caused by Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) or with complement dysfunction due to complement mutations or auto-antibodies (atypical HUS, aHUS).



EHEC is a non-invasive highly virulent bacterium. In order to gain access to the circulation it first damages the intestinal mucosa. The mechanism of damage and the bacterial factors involved were addressed. Abundant cell death by apoptosis was demonstrated in HUS patients. EHEC virulence factors were correlated to the intestinal damage and symptoms in a mouse model using mutant strains. Intimin and the presence of the type III secretion system effectors were necessary for intestinal colonization and virulence in mice. The presence of Shiga toxin induced intestinal mucosal cell death by apoptosis, which could thus allow EHEC virulence factors to gain access to the circulation and reach target organs. A serotype-independent serodiagnostic assay for detection of EHEC was developed. Patients developed an antibody response to intimin, E. coli secreted protein A (EspA) and EspB. Antibodies to EspB were the most specific for detection of recent EHEC infection.



The second part of the thesis addressed complement-mediated kidney disease. We found that renin, a kidney-specific enzyme, activated the alternative pathway of complement by cleaving C3 into C3a and C3b in a manner identical to the C3 convertase. Cleavage was inhibited by the renin inhibitor aliskiren. Aliskiren treatment reduced complement activation and stabilized the clinical course in two DDD patients. Renin cleavage of C3 is a novel kidney-specific mechanism of complement activation, which may explain the renal specificity of complement-mediated renal diseases.



Patients with aHUS develop recurrences as long as there is viable renal tissue that triggers disease activity. We described a patient with multiple complement mutations who developed severe systemic vascular complications in the absence of kidneys and aHUS recurrences. To our knowledge this is the first patient treated with eculizumab, an anti-C5 antibody blocking the terminal complement cascade, in the absence of kidney tissue.



In summary this thesis defined novel mechanisms of pathogenesis and treatment of severe renal conditions. (Less)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Hemolytiskt uremiskt syndrom (HUS) är den vanligaste orsaken till njursvikt bland barn i västvärlden. HUS kännetecknas av hemolytisk anemi (sönderfall av och brist på röda blodkroppar), trombocytopeni (brist på blodplättar) och akut njursvikt.



Den vanligaste formen av sjukdomen, typisk HUS orsakas av Shigatoxinproducerande bakterier, främst olika stammar av Escherichia coli (E. coli) som kallas enterohemorrhagiska E. coli (EHEC). Över hundra olika varianter (serotyper) av EHEC har isolerats från patienter med HUS, men den vanligast förekommande serotypen är E. coli O157:H7. EHEC-infektioner kan förekomma sporadiskt eller i utbrott. När någon smittas av EHEC-bakterien... (More)
Popular Abstract in Swedish

Hemolytiskt uremiskt syndrom (HUS) är den vanligaste orsaken till njursvikt bland barn i västvärlden. HUS kännetecknas av hemolytisk anemi (sönderfall av och brist på röda blodkroppar), trombocytopeni (brist på blodplättar) och akut njursvikt.



Den vanligaste formen av sjukdomen, typisk HUS orsakas av Shigatoxinproducerande bakterier, främst olika stammar av Escherichia coli (E. coli) som kallas enterohemorrhagiska E. coli (EHEC). Över hundra olika varianter (serotyper) av EHEC har isolerats från patienter med HUS, men den vanligast förekommande serotypen är E. coli O157:H7. EHEC-infektioner kan förekomma sporadiskt eller i utbrott. När någon smittas av EHEC-bakterien ”bosätter” den sig i tarmslemhinnan. För att binda till celler i tarmen producerar bakterien olika bindningsstrukturer (adhesiner) som t.ex. intimin och så kallade E. coli secreted proteins (Esp). EHEC invaderar inte tarmcellerna, utan binder endast till dem. När bakterien har koloniserat tarmen frisätter den ett gift som kallas Shiga-toxin. Shigatoxinet är den viktigaste faktorn som skadar tarmcellerna och orsakar blodig diarré vilket ger toxinet tillträde till blodbanan. Bundet till blodceller når Shigatoxinet sina målorgan. Cellreceptorn för toxinet hos människor finns i de små blodkärlen (kapillärer), i framför allt i njuren och i hjärnan. Shigatoxinet kan aktivera blodplättar som då har lättare att klumpa sig. Tillsammans med skadan i kapillärväggen leder processen till bildning av små blodproppar. Minskat eller blockerat blodflöde resulterar i organsvikt.



En mindre vanlig form av HUS kallas atypiskt HUS (aHUS). Den är förknippad med gendefekter (mutationer) i speciella äggviteämnen (proteiner) i den del av vårt immunförsvar som kallas komplementsystemet. Komplementsystemet är en grupp av proteiner som aktiveras via klassika vägen, lektinvägen eller alternativa vägen i en kaskadliknande reaktion med olika biologiska effekter som bidrar till immunförsvaret och avdödning av bakterier. Vid aHUS är komplementsystemets alternativa väg aktiverad. Överdriven komplementaktivering kan leda till skador på celler/vävnader p.g.a. ökad inflammation. Normalt regleras komplementsystemet av kontrollproteiner som kallas komplementhämmare som finns bundna till cellytor eller cirkulerar lösliga i blodet. Genförändringar i dessa proteiner eller förvärvade antikroppar kan leda till ohämmad komplementaktivering och aHUS.



Mitt intresse fokuseras på: hur uppstår tarmskadan vid EHEC-infektion och hur leder den till njurskador? Varför drabbas just njuren vid komplementförmedlade njursjukdomar? Vid avsaknad av njuren vilka systemiska skador uppkommer då? Ökad förståelse och kartläggning av dessa skeenden kan i bästa fall medföra nya behandlingsmöjligheter för patienterna.



I den första studien undersökte vi olika virulensfaktorer från EHEC-bakterien som kan orsaka tarmskada. Vi påvisade utbredd celldöd i tarmen i prov från två barn med HUS. För att undersöka vilka bakteriella virulensfaktorer som bidrog mest till tarmskadan användes en musmodell. Mössen infekterades med EHEC (vildtyp) samt mutanter som saknar Shigatoxin, typ III sekretionssystem (som inte kan producera Esp A, B, D) eller intimin. Stammar som saknade förmågan att binda till celler i tarmen gav betydligt mindre symptom och tarmskada. Shigatoxin var det viktigaste virulensfaktor för uppkomst av fullständig sjukdomsbild och celldöd i tarmen.



I den andra studien undersökte vi antikroppsvar hos patienter med blodig diarré och HUS. Diagnostik av EHEC infektioner baseras på isolering av stammen från avföringsprov. Hos vissa patienter är detta emellertid inte möjligt, antigen för att det har gått för lång tid sedan insjuknandet eller på grund av antibiotikabehandling. Serologisk diagnostik är i så fall en möjlighet, riktad mot lipopolysackarider (LPS) på ytan av bakteriestammen. Denna analys är serotypspecifik. En serologisk diagnostisk metod som inte är serotypspecifik har utvecklats i detta delarbete.



I den tredje studien har vi undersökt om ett njurspecifikt ämne kan aktivera komplementsystemet. Resultaten är under publicering.



I den fjärde studien beskrev vi en flicka med aHUS och genförändringar i flera komplementfaktorer. Genförändringen i faktor B var tidigare okänd. Vi genomförde funktionsstudier, men någon defekt funktion kunde inte påvisas. Patientens njurar var bortopererade och under dessa betingelser anses det att sjukdomsaktiviteten borde vara latent. Vi visade att patienten utvecklade, under lång tid, uttalade kärlskador i stora kärl som ledde till neurologiska symtom. Behandling med eculizumab, en antikropp som blockerar den terminala komplementvägen, stabiliserade patientens tillstånd inför njurtransplantation. Detta är den första beskrivningen av behandling med eculizumab på en patient som saknar njurar. Vi föreslår att man följer patienter med aHUS i avseende på kärlskador och behandlar mot komplementaktivering även i avsaknad av njurar. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • professor Loirat, Chantal, Department of Pediatric Nephrology, University Hospital Robert Debré, Paris, France
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
EHEC, hemolytic uremic syndrome, thrombotic microangiopathy, atypical hemolytic uremic syndrome, alternative pathway of complement, dense deposit disease, eculizumab
in
Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
volume
2013:134
pages
176 pages
publisher
Lund University, Paediatrics
defense location
Belfragesalen, D15, Biomedicinskt centrum (BMC), Lund
defense date
2013-12-11 09:00:00
ISSN
1652-8220
ISBN
978-91-87651-09-0
language
English
LU publication?
yes
id
3327fc28-2b07-498a-a28c-94fe15d057ac (old id 4172958)
date added to LUP
2016-04-01 13:59:15
date last changed
2019-05-22 04:20:33
@phdthesis{3327fc28-2b07-498a-a28c-94fe15d057ac,
  abstract     = {This thesis addressed the diagnosis, pathogenesis and clinical course of specific renal diseases hemolytic uremic syndrome (HUS) and dense deposit disease (DDD). HUS may be associated with infection caused by Enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) or with complement dysfunction due to complement mutations or auto-antibodies (atypical HUS, aHUS).<br/><br>
<br/><br>
EHEC is a non-invasive highly virulent bacterium. In order to gain access to the circulation it first damages the intestinal mucosa. The mechanism of damage and the bacterial factors involved were addressed. Abundant cell death by apoptosis was demonstrated in HUS patients. EHEC virulence factors were correlated to the intestinal damage and symptoms in a mouse model using mutant strains. Intimin and the presence of the type III secretion system effectors were necessary for intestinal colonization and virulence in mice. The presence of Shiga toxin induced intestinal mucosal cell death by apoptosis, which could thus allow EHEC virulence factors to gain access to the circulation and reach target organs. A serotype-independent serodiagnostic assay for detection of EHEC was developed. Patients developed an antibody response to intimin, E. coli secreted protein A (EspA) and EspB. Antibodies to EspB were the most specific for detection of recent EHEC infection. <br/><br>
<br/><br>
The second part of the thesis addressed complement-mediated kidney disease. We found that renin, a kidney-specific enzyme, activated the alternative pathway of complement by cleaving C3 into C3a and C3b in a manner identical to the C3 convertase. Cleavage was inhibited by the renin inhibitor aliskiren. Aliskiren treatment reduced complement activation and stabilized the clinical course in two DDD patients. Renin cleavage of C3 is a novel kidney-specific mechanism of complement activation, which may explain the renal specificity of complement-mediated renal diseases. <br/><br>
<br/><br>
Patients with aHUS develop recurrences as long as there is viable renal tissue that triggers disease activity. We described a patient with multiple complement mutations who developed severe systemic vascular complications in the absence of kidneys and aHUS recurrences. To our knowledge this is the first patient treated with eculizumab, an anti-C5 antibody blocking the terminal complement cascade, in the absence of kidney tissue. <br/><br>
<br/><br>
In summary this thesis defined novel mechanisms of pathogenesis and treatment of severe renal conditions.},
  author       = {Békassy, Zivile},
  isbn         = {978-91-87651-09-0},
  issn         = {1652-8220},
  language     = {eng},
  publisher    = {Lund University, Paediatrics},
  school       = {Lund University},
  series       = {Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series },
  title        = {Studies of EHEC and the complement system in renal diseases},
  url          = {https://lup.lub.lu.se/search/ws/files/3709750/4172975.pdf},
  volume       = {2013:134},
  year         = {2013},
}