Targeting bacterial infections by using immunomodulatory host defence peptides and proteins

Abstract

Bacterial infections and sepsis are amongst the leading causes of death worldwide. Sepsis is caused by an uncontrolled systemic host response towards an invading pathogen. Due to the engagement of various systems including cellmediated responses, the coagulation and complement cascades, treatment of sepsis remains challenging. This is reflected in mortality rates of about 50 % for patients with septic shock, despite improved health care and antibiotic usage.

Endogenous host defence peptides (HDPs) are essential components of the innate defence against invading pathogens. They exert multiple biological functions, and apart from their antimicrobial effects they may modulate inflammation, coagulation, and chemotaxis. Due to increasing bacterial resistance and due to the complex nature of severe bacterial infections, HDPs are today considered valuable candidates in the development of novel treatments for infections.

In papers I-III the ability of HDPs, derived either from the C-terminus of human thrombin (HVF18, GKY25) or human tissue factor pathway inhibitor 2 (EDC34), to modulate innate immune responses caused by bacteria or lipopolysaccharide (LPS), were investigated. Thrombin-derived peptides significantly blocked LPS-induced responses including tissue-factor driven coagulation in vitro and in vivo and thereby improved survival in experimental animal models of LPS-induced shock and Pseudomonas aeruginosa sepsis (Paper I). The data in Paper II, demonstrate that the inhibition of these pro-inflammatory responses by GKY25, is not solely dependent on extracellular LPS-scavenging, but involves interactions with macrophages and monocytes. The TFPI-2 peptide (EDC34) also significantly modulated the coagulation cascade in vitro and in vivo and efficiently killed bacteria by enhancing complementmediated killing. The combination of these functions lead to improved survival in experimental models of E. coli or

Pseudomonas sepsis (Paper III). In conclusion, the discovered immunomodulatory properties of these HDPs clearly indicate their potential for the development of new treatments for bacterial infections.

Finally, a novel role of the abundant plasma protein heparin cofactor II (HCII) in host defence was discovered. HCII belongs to the class of serine proteinase inhibitors (serpins) and specifically inhibits human thrombin. However, its precise physiological role remained enigmatic. Paper IV shows that cleavage of HCII by human neutrophil elastase induces a conformational change in the HCII molecule, thereby uncovering a previously unknown antibacterial function of HCII.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in German

Bakterielle Infektionen gehören zu den häufigsten Todesursachen weltweit. Sepsis ist definiert durch das Vorhandesein einer Infektion, sowie der Erfüllung von 2 der 4 Kriterien eines systemischen Entzündungssyndroms. Die durch die Bakterien ausgelöste Immunantwort umfasst die Aktivierung der

zellulären Immmunität, der Gerinnerungs- und Komplementsysteme, sowie die Produktion körpereigener antimikrobieller Peptide. Bei Sepsis mit zusätzlichem Organausfall und kontinuierlich niedrigem Blutdruck spricht man von septischem Schock. Im Fall eines septischen Schocks liegt die Sterblichkeitsrate

bei mehr als 50 %, trotz verbesserter medizinischer Versorung und Benutzung von Antibiotika. Ursächlich dafür sind zum einen die Komplexität der Krankheit, sowie das verhäufte Auftreten von antibiotikaresistenten BakterienAntimikrobielle Peptide (APs) sind ein essentieller Bestandteil des angeborenen Immunsystems. Sie haben die Fähigkeit Bakterien direkt zu töten, und Reaktionen

des Immunsystems zu beeinflussen. Diese Eigenschaften machen APs zu einem wichtigen und interessanten Ausgangspunkt für die Entwicklung neuer Medikamente zur Behandlung von schweren backteriellen Infektionen. Antimikrobielle Peptide werden von Immun-zellen produziert oder durch das

enzymatische Zerschneiden von Proteinen freigesetzt. Die in dieser Arbeit untersuchten APs enstehen durch das Zerschneiden des Gerinnungsproteins Thrombin bzw. eines weiteren Proteins namens Tissue Factor Pathway Inhibior 2 (TFPI-2). Der Hauptschwerpunkt der Arbeiten I-III lag auf der Charakterisierung dieser

neu entdeckten Peptide im Bezug auf ihre Fähigkeit, die durch Bakterien induzierte Immunantwort zu modulieren. Die Daten der Arbeit I zeigen, dass Thrombinpeptide die Zytokin-freisetzung aktivierter Immunzellen reduzieren. Darüber hinaus können diese Peptide die Aktivierung der Gerinnungskaskade minimieren und Bakterien direkt abtöten.Durch das Zusammenspiel der oben beschriebenen Eigenschaften konnten Thrombinpeptide die Sterblichkeitstsrate in bakteriellen Infektionen im Tiermodell drastisch senken.Arbeit II beschäftigte sich mit der Frage, wie genau Thrombinpeptide die Immunantwort von Monozyten und Macrophagen beeinflussen. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Peptide direkt an Bakterien und deren Bestandteile, aber auch an die Immunzellen binden. Damit können sie die Erkennung der

Bakterien durch die Immunzelle unterbinden und somit auch die Immunzellaktivierung.Das in Arbeit III charakterisierte TFPI-2 Peptid EDC34 inhibierte die Aktivierung des Gerinnungssytems. Darüber hinaus stimulierte es die Abtötung der Bakterien durch das Komplementsystem. Auch EDC34 konnte die Sterblichkeitstsrate in Tiermodellen mit Escherichia coli bzw. Pseudomonas aeruginosa induzierter Sepsis signifikant reduzieren. Zusammenfassend konnten wir zeigen, dass beide Peptidgruppen signifikante

antibakterielle und antikoagulante Funktionen aufweisen und sie sich deshalb für die Entwicklung neuer, Peptid-basierter Therapien eignen könnten.Die Experimente der Arbeit IV konzentrierten sich auf die Erforschung neuer Eigenschaften des Proteins Heparin Cofactor II (HCII). HCII reguliert die Aktivierung von Thrombin und trägt damit zur Modulierung der Gerinnungskaskade bei. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Konzentration von HCII im Blut, während bakterieller Infektionen abnimmt, allerdings war eine

Funktion von HCII in Infektionen bisher noch nicht bekannt. Die Daten in dieser Studie demonstrieren eine bislang nicht bekannte antibakterielle Aktivität des Proteins, die erst nach Abschneiden, bestimmter Proteinteile aktiviert wird. Mit Hilfe von Experimenten im Tiermodell und der Analyse von Patientenproben

konnten wir bestätigen, dass HCII tatsächlich an der Bekämpfung bakterieller Infektionen beteiligt ist.

• author: Kalle, Martina
• supervisor: Artur Schmidtchen
• opponent: Dr van´t Veer, Cornelis, Center for Experimental and Molecular Medicine, University of Amsterdam, Amsterdam, Netherlands
• organization: Dermatology and Venereology (Lund)
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Other Clinical Medicine
• keywords: Host dfence peptides, Sepsis, Immunomodulation, Heparin cofactor II
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:45
• pages: 204 pages
• defense location: Segerfalk lecture hall, Wallenberg Neuroscience Center, Lund, Sweden
• defense date: 2013-05-03 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-15-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 3857204d-03eb-411e-b1bc-82c3ae326bae (old id 3633119)
• date added to LUP: 2016-04-01 15:05:17
• date last changed: 2019-05-22 00:38:33