Mechanisms of microbial-host interaction during asymptomatic bacteriuria

Abstract

Urinary tract infections (UTIs) present an interesting and relevant model for studying microbial adaptation. After establishing significant numbers, the bacteria either cause severe disease, or an asymptomatic carrier state resembling the normal flora at other mucosal sites. Patients with asymptomatic bacteriuria (ABU) are protected from re-infection if the strain that they carry outcompetes more pathogenic strains. Deliberate inoculation with the prototypic ABU strain Escherichia coli 83972 has therefore been developed and clinically proven to protect against recurrent UTI.

To define the host influence on bacterial adaptation during long term E. coli 83972 ABU, we collected sequential isolates from patients that had been inoculated with E. coli 83972 and established stable bacteriuria. The isolates acquired several host-specific mutations, demonstrating that E. coli 83972 adapts to the individual host. Each host provided a unique niche, which was demonstrated by significant variations of mucosal host response parameters between patients. Variation in the host response to ABU has lead to uncertainty about the use of host response parameters as a basis for diagnostic and therapeutic decisions. In 23 patients, the host response to E. coli 83972 was accompanied by a low but host-specific increase in neutrophil chemotaxis but IL-6 levels did not increase. To define the effects of genetic variation on the urine proteomic host response, patients were genotyped for polymorphisms that have been linked to susceptibility to ABU and urine samples from the patients were screened for 31 immune markers. The genetic polymorphisms in the interferon regulatory factor 3 (IRF3) and Toll-like receptor 4 (TLR4) promoter had a significant impact on the magnitude of the host response during E. coli 83972 ABU, which consisted of mainly innate immune mediators. The transcriptional host response to ABU has not been examined in humans. To examine if ABU strains affect uroepithelial and leukocyte human host gene expression, we analyzed peripheral blood leukocytes from patients colonized by E. coli 83972 and uroepithelial cells stimulated with the same strain. E. coli 83972 inhibited RNA Polymerase II phosphorylation and suppressed pathogen-specific pathways in both systemic leukocytes and uroepithelial. We show that ABU is an active rather than passive process, and present a theory that basal transcriptional suppression may be a general mechanism used by commensal strains to modulate host gene expression. We further examined the kinetics of the local and systemic host response during ABU and the effect of type 1 and P fimbrial adhesion on the transcriptional signature. All patients inoculated with E. coli 83972pap activated the Interferon signaling pathway. Two patients inoculated with E. coli 83972fim downregulated Natural Killer cell signaling. Our results provide direct molecular evidence of host specific evolution of bacterial genomes as well as transcriptomic alterations in the host during ABU.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Mer än hälften av alla kvinnor har haft en urinvägsinfektion. Infektionen uppkommer när bakterier når urinblåsan och börjar växa. Immunförsvaret känner igen bakterierna, reagerar med en inflammation och symptom som sveda, trängningar och smärtor i nedre magtrakten uppstår. Om bakterierna klättrar upp till njurarna sprider sig inflammationen dit och orsakar ryggsmärtor och feber.

Återkommande UVI är ett stort problem. Den enda fungerande behandlingen mot UVI är antibiotika och dessa patienter utvecklar ofta allergier mot vissa sorter. Samtidigt ökar antibiotikaresistensen snabbt bland bakterier som orsakar UVI. Många experter varnar för att vi inom snar framtid måste anpassa oss till att antibiotika helt enkelt inte går att använda vid många och vanliga infektioner, däribland urinvägsinfektioner. Det finns således ett stort och brådskande behov av att utveckla och forska kring alternativ till antibiotika. För att kunna göra detta måste vi förstå infektionernas sjukdomsmekanismer in i minsta detalj.

Redan på 1950-talet fann man att individer kunde bära på stora mängder bakterier i urinblåsan utan att märka av det, så kallad Asymptomatisk bakterieuri (ABU). Senare studier visade att ABU är vanligt, ofarligt och till och med skyddar mot urinvägsinfektioner. Bakterier som orsakar ABU skiljer sig från de som orsakar sjukdom, och saknar många av de gener som vi vet är grundläggande för att orsaka inflammationer i urinvägarna. På grund av den skyddande effekten av ABU utvecklades ett protokoll för kolonisering av urinblåsan med en viss ABU-bakterie som döpts till Escherichia coli 83972. Denna har identifierats som en icke sjukdomsframkallande (”snäll”) E. coli bakterie, och har burits av patienter i mer än tre år utan att orsaka symtom. Kliniska studier i Sverige och USA har visat att kolonisering med E. coli 83972 skyddar patienter mot urinvägsinfektioner. Tyvärr begränsas behandlingen av att E. coli 83972 endast kan orsaka långtidskolonisering hos patienter med störd blåsfunktion som lämnar kvar resturin efter blåstömning. För att lösa detta problem krävs ytterligare forskning som kartlägger hur E. coli 83972 samspelar med värden och hur den skulle kunna förbättras i sin förmåga att kolonisera urinvägarna även hos patienter med normal blåsfunktion.

I vår studie har vi att kartlagt bakteriens DNA efter att den levt i olika patienter, och sett att den anpassar sig till den individ som bär den. Många av förändringarna i bakterien var av den typen att de gjorde den mindre benägen att orsaka en inflammation. Detta stödjer vår hypotes om att vid ABU blir bakterien allt mer harmlös för den mänskliga värden.

Bakterien anpassar sig till sin miljö och därför undersökte vi vad immunförsvaret skickar ut i urinblåsan när det kommer i kontakt med E. coli 83972. Vi analyserade urinprover från 23 patienter under tiden de bar på bakterien. Vi fann 13 av de 31 protein vår utrustning kunde detektera, varav de flesta var associerade till det medfödda immunförsvaret. Vår grupp har tidigare definierat två gener, TLR4 och IRF3, som har en speciell sekvens i patienter med ABU. Elva av våra patienter undersöktes för dessa sekvenser och vi fann att den sekvensen resulterade i betydligt lägre koncentrationer av protein samt antal vita blodkroppar i urinen.

För att avgöra hur immunförsvaret reagerar när en bär på E. coli 83972 undersökte vi blodprover från tre av våra patienter. Vi fann att de hade nedreglerat produktionen av mRNA som är ett förstadium till färdiga proteiner. Nedregleringen påverkade kända signalvägar som används av sjukdomsframkallande bakterier och även gener som är förknippade med generell mRNA- produktion. Vi såg liknande resultat när vi stimulerade E. coli 83972 på njurceller i labbet. Njurcellerna stoppade även aktiveringen av RNA Polymeras II som ansvarar för produktionen av mRNA. Detta visade för första gången att vi kan detektera symptomfri bakterieuri (ABU) med ett enkelt blodprov.

Vi gick vidare med kartläggningen av immunförsvaret genom att följa fem patienter som bar på E. coli 83972 med urinprover och blodprover. Patienterna fick även två modifierade E. coli 83972 bakterier, som tidigare studier visat är bättre på att hålla sig kvar i urinblåsan. Urinproven visade att de första två dagarna efter inokuleringen så aktiveras ett lågt immunförsvar som attraherar vita blodkroppar, men detta nedregleras efter en vecka. Den ena modifierade bakterien gav en oväntad förhöjning av immunsvaret. För att förstå varför den orsakade symptom så analyserade vi den totala mängden mRNA i blodproven. I alla fyra patienterna, oavsett förekomsten av symptom, så hade den bakterie som bar på P fimbrien uppreglerat en signalväg som vi tidigare kopplat till sjukdomsframkallande bakterier. Här föreslår vi att framtida analyser kanske kan detektera vilken typ av gener en bakterie bär på och hur länge den har varit närvarande i individen, genom analys av ett blodprov.

Sammanfattningsvis har vi funnit tre skäl till att bakterier som orsakar ABU inte orsakar inflammation och symptom. Bakterien anpassar sig för att inte orsaka inflammationen, individen som har ABU har genotyper som gör minskar deras immunsvar mot bakterien och att bakterien aktivt stänger ner immunförsvaret hos patienten. Dessa resultat är viktiga för att bättre förstå ABU och för att kunna utveckla nya alternativa behandlingar mot UVI. Resultaten pekar mot ett för varje patient unikt samspel mellan värd och bakterie. Förhoppningsvis ska vi genom dessa insikter i framtiden kunna erbjuda fler patientgrupper E. coli 83972 inokulering, kanske genom att molekylärt ”skräddarsy” E. coli 83972 till att exakt passa patientens unika egenskaper.

• author: Grönberg Hernandez, Jenny
• supervisor: Björn Wullt; Catharina Svanborg
• opponent: Professor Mobley, Harry, University of Michigan, USA
• organization: Division of Microbiology, Immunology and Glycobiology - MIG
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area; Immunology in the medical area
• keywords: Asymptomatic bacteriuria, Urinary tract infection, Escherichia coli 83972, IRF3, TLR4, Evolution, host response, promoter polymorphisms, transcription, P fimbriae, Type 1 fimbriae
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:103
• pages: 57 pages
• defense location: Rune Grubb-salen, BMC, Lund University
• defense date: 2013-09-21 09:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-75-8
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 3ada00bc-e119-4e16-aeeb-6c2434777f5c (old id 4004480)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:29:50
• date last changed: 2019-05-22 04:07:16