Bacterial Outer Membrane Vesicles. Mediators of virulence and antibiotic resistance.

Abstract

Outer membrane vesicles (OMV) have the size of nanoparticles and are released from the outer membrane of most Gram-negative bacteria. The OMV reflect the composition of the bacterial outer membrane, including lipids and virulence factors specific for the pathogen, and are involved in pathogenesis and bacterial survival. Moraxella catarrhalis and Haemophilus influenzae are Gram-negative bacterial species that cause respiratory tract infections such as acute otitis media and exacerbations in chronic obstructive pulmonary disease (COPD). The aim of this thesis was to investigate what role OMV derived from respiratory pathogens such as M. catarrhalis and H. influenzae plays in immune activation and evasion, as well as how the OMV interact with other pathogens of the same colonization niche.

In our first study, we determined the protemoic composition of M. catarrhalis OMV, and found them to be composed of mainly outer membrane and periplasmic proteins. We also established that OMV bind to and activate respiratory epithelial cells and cause a pro-inflammatory response both in vitro and in vivo.

Considering that more than 97% of all M. catarrhalis strains are positive for β-lactamase, we determined in our second study that OMV from this pathogen contain β-lactamase. We further showed that OMV rescued other amoxicillin susceptible co-pathogens such as non-typeable H. influenzae (NTHi) and Streptococcus pneumoniae from killing. Thereafter, we established in our third study that serum from healthy adults contain anti-Moraxella β-lactamase antibodies. We showed that these antibodies bind to and neutralize β-lactamase in OMV to a certain degree, whereas OMV also act as protective vesicles, shielding the enzyme in the extracellular space.

Finally, in the last study we investigated the role of OMV in co-infections with other species dwelling in the respiratory tract. Previous studies have shown treatment failures of group A streptococci (GAS) in pharyngotonsillits even though the GAS are completely susceptible to β-lactams, and that NTHi and M. catarrhalis are often found associated with GAS during treatment failures. We found that OMV from β-lactamase positive NTHi and M. catarrhalis protect GAS from amoxicillin-induced killing, and we suggest OMV secretion to be a mechanism for bacteria in polymicrobial infections to interact and protect each other.

In summary, we determined that OMV secreted from Gram-negative bacteria of the upper respiratory tract are mediators of virulence and antibiotic resistance, interacting with host cells as well as other bacterial species found in polymicrobial infections.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Luftvägsinfektioner som orsakas av bakterier och virus är en av de ledande orsakerna till sjukdom i världen. De kännetecknas av inflammation i svalg, hals, näsa, öron eller i lungorna. I näsa och hals finns en normalflora av bakterier som lever i samspel med sin värd och som normalt sett inte orsakar infektioner. Ibland kan dessa bakterier ändå orsaka sjukdom, som då immunsystemet är försvagat eller då de skyddande ytskikt som finns hos kroppens egna celler förstörts. Moraxella catarrhalis är en sådan bakterie som främst orsakar öroninflammation hos små barn samt andra infektioner hos vuxna, bland annat är de med KOL, kronisk obstruktiv lungsjukdom, mer utsatta.



För att kunna kolonisera oss människor och orsaka infektion har bakterier utvecklat imponerande mekanismer för att kunna fästa och överleva inuti sin värd. Bakterier har t ex specifika molekyler på ytan som gör att de kan fästa vid kroppens celler, samma molekyler som känns igen av kroppens celler som främmande och sätter igång immunförsvaret. Bakterierna har därför utvecklat mekanismer för att undvika att bli upptäckta. De kan t ex ”gömma” sig inuti kroppens egna celler, eller locka cellerna att skicka ut ett immunsvar som är ospecifikt för bakterien i fråga. Dessutom kan vissa bakterier skicka ut små blåsor, eller vesikler, från sin yta med bakteriens egen kroppsfrämmande ytstruktur. Vesiklerna är mycket små och kan färdas långt bort ifrån området där bakterien koloniserat och därmed lura kroppen att skapa inflammation på ett annat ställe än där bakterien befinner sig. Moraxella catarrhalis är en av många bakterier som bildar dessa vesikler.



I detta arbete har vi undersökt sammansättningen av vesikler från Moraxella catarrhalis, och hur de kan interagera med kroppens celler. Vi har funnit att de binder till kroppens celler och därmed skapar inflammation, samt att de faktiskt kan reglera inflammationen genom molekyler som finns på dess yta. Vi har observerat samma fenomen i experiment med möss och kan därmed bekräfta att det inte bara är ett fenomen som sker i provröret.



Vi har även funnit en molekyl i vesiklerna, β-laktamas, som bryter ned vanlig antibiotika, t ex penicillin. När vi odlar andra antbiotika-känsliga bakterier från luftvägarna tillsammans med dessa vesikler så överlever bakterierna antibiotika-behandlingen. På det här sättet tror vi att bakterier som lever i symbios tätt inpå varandra i kroppen inte bara kan hjälpa varandra att orsaka infektion, men också

skydda varandra från kroppens försvar. Vi fann också att vesiklerna skyddade β-laktamaset från inaktiverande antikroppar som finns i blodet hos vissa vuxna.



Vi undersökte slutligen vesikler som härstammar från en annan luftvägsbakterie, Haemophilus influenzae, och fann att även de bär på β-laktamas, och kan skydda normalt känsliga Streptokocker från antibiotika. I kliniska studier har man sett att dessa bakterier ibland är svårbehandlade hos patienter med infekterade halsmandlar. Vi föreslår att en bidragande orsak till att dessa bakterier överlever kan vara de små vesikler som frisätts från antibiotika-resistenta bakterier i omgivningen, som t ex Haemophilus influenzae och Moraxella catarrhalis.

• author: Schaar, Viveka
• supervisor: Kristian Riesbeck; Arne Forsgren
• opponent: Assistant Professor Håkansson, Anders, University at Buffalo
• organization: Clinical Microbiology, Malmö (research group); Institution of Laboratory Medicine, Medical Microbiolgy, Respiratory Pathogen Group-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: Antibiotic resistance, Moraxella catarrhalis, epithelial cells, beta-lactamase, non-typeable Haemophilus influenzae, outer membrane vesicles, polymicrobial infections, UspA1
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2013:111
• defense location: Main lecture hall, Pathology building, SUS Malmö
• defense date: 2013-10-18 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-87449-83-3
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 3d74be95-6310-4740-82c3-918a90a6f7df (old id 4058346)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:37:46
• date last changed: 2019-05-22 06:34:38