The Colonization Strategies of Nontypeable Haemophilus influenzae - Bacterial Colonization Factors and Vaccine Development

Abstract

Nontypeable Haemophilus influenzae (NTHi) is a remarkably proficient colonizer of the human respiratory tract. The aim of this thesis has been to characterize currently known, and identify novel, bacterial factors involved in the key processes of colonization and pathogenesis, namely adherence to host tissue and evasion of the host innate immunity.



We have shown that the NTHi virulence factor Protein E mediates innate immune evasion by interacting with the C-terminus of host complement down-regulatory protein vitronectin. This interaction delayed the formation of the membrane attack complex on the bacterial surface and increased the bacterial serum-resistance. Furthermore, we identified a novel surface-exposed virulence factor designated Haemophilus Protein F that also sequesters vitronectin on the surface of the bacteria, thus rendering the pathogen more serum-resistant. Moreover, we have revealed that Protein F mediates bacterial adherence to primary human bronchial cells and to the extracellular matrix protein laminin. Isogenic mutants devoid of Protein F were observed to adhere significantly less to vitronectin, epithelial cells and laminin. These interactions were characterized at the molecular level, and the N-terminus of Protein F was shown to contain the host-interacting region. Finally, we showed that immunization with Protein F conferred increased pulmonary clearance of NTHi in vivo.



In summary, we have identified, and at the molecular level characterized, novel virulence factors that may be suitable for future vaccine development.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Bakterier är små encelliga organismer som lever i nästan varje tänkbar miljö på jorden, inklusive i och på människor. Vi är kontinuerligt koloniserade av bakterier i bland annat våra luftvägar, munhålor och mag-tarmkanaler. Denna samexistens är oftast ömsesidigt fördelaktig, eller åtminstone ofarlig för oss människor, och det är känt att bakterier hjälper oss bryta ner dietära ämnen samt förser oss med vitaminer. Men mikrober som tillhör normalfloran kan under vissa omständigheter orsaka infektioner av varierande allvarlighetsgrad.



Att kolonisera människans övre luftvägar, d.v.s. näsa, svalg och de övre delarna av broncherna, är ingen lätt uppgift för bakterier. Vi har flera skyddsmekanismer på plats för att försvara oss mot invaderande mikrober. Luftvägarna är klädda med ett slemproducerande cellhinna som kallas det mukosala epitelet. Epitelet i luftvägarna har dessutom ett ytterligare vapen till sitt förfogande; mikroborstar eller så kallade cilier. När partiklar eller mikrober andas in i luftvägarna fastnar de oftast i epitelets slemhinna och transporteras bort av cilierna till svalget för att sväljas ner till magsäcken för destruktion eller spottas ut. Utöver detta mekaniska skydd, finns människans medfödda immunförsvar på plats för att bekämpa bakteriella inkräktare. Fördelen med det medfödda immunförsvaret är att den till skillnad från det adaptiva antikroppsgenererande immunförsvaret inte behöver en uppstartstid utan är ständigt igång. Avhandlingens mål har varit att kartlägga hur den övre luftvägskoloniserande bakterien Haemophilus influenzae kringgår dessa antimikrobiella mekanismer för att orsaka infektioner såsom öroninflammation och perioder av försämring i KOL-patienter.



Vi har här kunnat visa att två molekyler som finns på bakteriens yta, kallade Haemophilus Protein F och Protein E, kamouflerar H. influenzae genom att binda det mänskliga proteinet vitronektin. Vitronektin är vanligtvis involverat i skyddet av kroppens egna celler från det medfödda immunförsvaret, d.v.s. den skyddar oss mot autoimmunitet. Genom att klä sig i detta protein, lurar bakterier vårt immunförsvar att de är kroppsegna celler och undgår dödande av det medfödda immunförsvaret.



Utöver det har vi visat hur Protein F fungerar som ett slags kardborre i luftvägarna. Den vidhäftar till både epitelceller samt epitelets underliggande vävnad, det så kallade basalmembranet. Genom att klistra sig på dessa vävnader undgår bakterien att transporteras bort av cilierna. Dessa två mekanismer, vidhäftning till epitelet och resistens mot det medfödda immunförsvaret, understödjer därmed H. influenzaes kolonisering av människans luftvägar.



Slutligen undersökte vi ifall Protein F kan användas som ett vaccin mot H. influenzae. Vi kunde visa att möss som immuniserades med Protein F rensade ut bakterierna mycket mer effektivt än möss som immuniserades med ett negativ kontrollprotein. Vår slutsats är att Protein F är en möjlig vaccinkandidat mot H. influenzae och bör utredas närmare.



Sammanfattningsvis har vi identifierat nya bakteriella koloniseringsfaktorer som hjälper H. influenzae överleva i människans luftvägar, samt visat att ett av dessa proteiner kan potentiellt utnyttjas i ett vaccin mot patogenen.

• author: Jalalvand, Farshid
• supervisor: Kristian Riesbeck; Arne Forsgren
• opponent: Professor Reidl, Joachim, University of Graz
• organization: Clinical Microbiology, Malmö (research group)
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Microbiology in the medical area
• keywords: ABC-transporter, bacterial colonization, Haemophilus influenzae, Haemophilus Protein F, laminin, NTHi, pathogenesis, vaccine, virulence, vitronectin.
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2015:13
• pages: 68 pages
• defense location: Main lecture hall of the Pathology building, Jan Waldenströms gata 59, Malmö
• defense date: 2015-01-30 13:00:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-093-7
• language: English
• LU publication?: yes
• id: c6849216-876a-41fa-826c-0c6b9d292590 (old id 4926879)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:32:03
• date last changed: 2019-05-22 01:10:48