Studies of the pathogenesis of Shiga toxin-producing Escherichia coli-induced hemolytic uremic syndrome

Abstract

Hemolytic uremic syndrome (HUS) is characterized by non-immune hemolytic anemia, thrombocytopenia and acute kidney failure. The most common form of HUS is associated with gastrointestinal Shiga toxin-producing enterohemorrhagic Escherichia coli (EHEC) infection. EHEC are non-invasive strains with Shiga toxin as the unique virulence factor. The aim of this study was to describe host-pathogen interactions during EHEC infection using patient samples, an established mouse model and blood cells in vitro.

In the first study the mechanism by which hemolysis is induced was investigated. Red blood cells from HUS patients and from controls were utilized to demonstrate complement activation on red blood cells in patients and show that Shiga toxin could induce hemolysis mediated by complement activation. Shiga toxin also induced the release of complement-coated red blood cell-derived microvesicles. The toxin may thus contribute to the induction of hemolysis.

After intestinal colonization Shiga toxin is released into the circulation but does not circulate in free form. In the second study the means by which toxin reaches the kidney was investigated showing that the toxin circulated within blood cell-derived microvesicles (in patients and in the mouse model). These toxin-containing microvesicles were internalized in renal endothelial and epithelial cells where they emptied their cargo. The study thereby identified a novel mechanism of bacterial virulence by which virulence factors evade the host response.

In the third study the importance of the antimicrobial peptide cathelicidin in EHEC infection was investigated using cathelicidin-deficient mice. These mice exhibited a thinner colonic mucosa layer, increased intestinal colonization, severe symptoms accompanied by intestinal and renal damage, in comparison to the wild-type cathelicidin-producing mice, which remained asymptomatic. Thus cathelicidin was found to be protective in murine EHEC infection.

In the fourth study the protective effect of complement blockade during murine EHEC infection was determined, showing that early blockade, or inherent deficiency, of the terminal complement complex was protective whereas late blockade was not.

In summary, this thesis unraveled mechanisms of induction of hemolysis and of toxin transfer and as well as the protective role of the anti-microbial cathelicidin and the terminal complement cascade in EHEC-HUS.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Enterohemorragisk Escherichia coli (EHEC) EHEC är mycket virulent för människor, det räcker med så få som 50-100 bakterier för att man ska bli infekterad och utveckla symtom. Varje år rapporteras ca 300-500 fall av EHEC smitta i Sverige. Den stam som oftast isoleras från patienter är E. coli O157:H7.



Reservoarer för EHEC är idisslare och framförallt kor. Kor är nämligen inte känsliga för EHEC och kan därför bära på EHEC som en del av sin normalflora. Människor infekteras av EHEC främst via kontaminerad mat eller dryck, smitta mellan människor är inte vanligt men har dokumenterats. EHEC intagen via mat eller dryck koloniserar tarmen, fäster sig till tarmväggens celler och orsakar skada. Har man blivit infekterad utav EHEC uttrycker det sig ofta som krampaktiga buksmärtor med diarré som kan vara blodig, i vissa fall kan även illamående och kräkningar förekomma. Patienterna med EHEC infektion kan utveckla hemolytiskt uremiskt syndrom (HUS) efter 2-14 dagar. HUS är en svår komplikation som kännetecknas av blodbrist, låga blodplättar (trombocyter) och akut njursvikt.



EHEC stannar i tarmen där den producerar ett gift, Shigatoxin, som kan ta sig in i blodcirkulationen. I blodbanan binder Shigatoxinet till en receptor på blodceller och når målorgan såsom njuren och det centrala nervsystemet. Shigatoxinet tas upp utav celler, modifierar cellens produktion utav proteiner vilket leder till stress och celldöd. I njuren skadar Shigatoxinet cellerna vilket leder till att trombocyterna och andra faktorer i blodet samlas vid skadan och blodet levrar sig (koagulerar). Det koagulerade blodet i de små kärlen i njuren gör att kärlen kan sättas igen vilket kan resultera i nersatt njurfunktion och njursvikt kan uppstå.



EHEC infektion med spridning utav Shigatoxin i blodbanan går inte obemärkt förbi. Både det medfödda och det adaptiva immunförsvaret blir aktiverat. Det medfödda immunförsvaret består bland annat utav barriärer såsom slem längs med tarmväggarna och små proteindelar som kan skada bakterier som inte hör hemma i tarmen. Det medfödda immunförsvaret består också utav ett system av proteiner som kallas komplementsystemet. Detta system binder in till främmande ytor så som ytan på bakterier och markerar eller dödar dem genom att göra hål i bakteriens membran. Komplementsystemet blir aktivt då det sker en infektion med bakterier eller virus. Det är också involverat i att märka kroppens egna celler som har blivit för gamla eller är skadade så att de sorteras bort och bryts ner på ett kontrollerat sätt.



I det första delarbetet studerades röda blodkroppar. De röda blodkropparna går sönder vid EHEC-orsakad HUS och orsaken till detta är inte känt. Vi studerade en mekanism som involverar komplementsystemet för att veta om kroppens egna försvar kunde vara en bidragande orsak till att de röda blodkropparna går sönder. De röda blodkropparna har receptorn för Shigatoxin på sin yta. Vi såg att röda blodkroppar kunde binda Shigatoxin och att toxinet aktiverade komplementsystemet som då attackerade de röda blodkropparna och tog sönder dem. Röda blodkroppar i närvaro av Shigatoxin frisatte även små membran partikler, s.k. mikrovesikler med komplementproteiner på sin yta. I denna studie presenterar vi resultat som tyder på att komplementsystemet kan ha en bidragande roll till det låga antalet röda blodkroppar vid HUS.



I det andra delarbetet studerade vi ett nytt sätt för Shigatoxinet att ta sig till njure. Man vet inte riktigt hur Shigatoxinet tar sig från blodet till njuren. Man har sett att toxinet finns bundet till blodceller i blodbanan hos patienter med EHEC-infektion. Vi studerade mikrovesikler, små runda membrandelar från kroppens celler. Dessa membrandelar frisätts från celler då de åldras, blir stressade eller skadade. Vi såg att mikrovesikler från patienters blod innehöll Shigatoxin. Vi kunde också detektera mikrovesikler med Shigatoxin inuti som togs upp av celler i njuren. I detta delarbete presenterar vi ett nytt sätt för Shigatoxin att ta sig till njuren och överhuvudtaget för bakterier att transportera sina proteiner till värdceller utan att attackeras av värdsvar.



I det tredje delarbetet studerades en liten molekyl, katelicidin, som är involverad i kroppen medfödda immunförsvar. Katelicidin finns i tarmen men även i blodbanan. I tarmen finns den i slemhinnan där den kan döda bakterier genom att göra hål i dem. Vi studerade katelicidins roll under EHEC infektioner. Vi såg att katelicidin påverkade tarmens slemhinna som var tunnare i avsaknad av katelicidin. Vi såg också att katelicidin skyddade mot EHEC orsakad sjukdom och skada. Vi föreslår att katelicidin eventuellt skulle kunna användas för att skydda mot EHEC infektioner.



I det fjärde delarbetet studerade vi komplementsystemets roll under EHEC infektion. Vi såg att komplement var aktiverad på celler i njuren vi EHEC infektion. Vi såg också att om vi blockerade komplementsystemet tidigt men inte sent under förloppet av EHEC infektionen gav det en skyddande effekt.

• author: Arvidsson, Ida
• supervisor: Diana Karpman; Milan Chromek
• opponent: Professor Pickering, Matthew, Centre for Complement and Inflammation Research, Department of Medicine, Imperial College, London, United Kingdom
• organization: Paediatrics (Lund)
• publishing date: 2015
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Pediatrics
• keywords: EHEC, hemolytic uremic syndrome, Shiga toxin, complement, hemolysis, microvesicles, cathelicidin
• in: Lund University Faculty of Medicine Doctoral Dissertation Series
• volume: 2015:69
• pages: 96 pages
• defense location: Belfragesalen, BMC D15, Klinikgatan 32, Lund
• defense date: 2015-06-05 09:15:00
• ISSN: 1652-8220
• ISBN: 978-91-7619-148-4
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 459b26a0-a17b-4ce3-b220-8f091d4aa15b (old id 5384820)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:36:21
• date last changed: 2019-05-22 05:40:44