Afilieri Interfaculty Institute of Microbiology and Infection Medicine, Cellular and Molecular Microbiology, Eberhard-Karls-University Tübingen, Tübingen, Germany, German Centre for Infection Research (DZIF), site partner Tübingen, Tübingen, Germany

auriu

Adresa actuală: Medicină biomoleculară, Departamentul de Chirurgie și Cancer, Facultatea de Medicină, Imperial College London, Londra, Regatul Unit.

Institutul de afiliere pentru farmacie, Universitatea Ernst-Moritz-Arndt din Greifswald, Greifswald, Germania

Afilieri Interfaculty Institute of Microbiology and Infection Medicine, Cellular and Molecular Microbiology, Eberhard-Karls-University Tübingen, Tübingen, Germany, German Centre for Infection Research (DZIF), site partner Tübingen, Tübingen, Germany

Interfacultate de afiliere Institutul de Microbiologie și Medicină Infecțioasă, Genetică Microbiană, Universitatea Eberhard-Karls Tübingen, Tübingen, Germania

Afilieri Interfaculty Institute of Microbiology and Infection Medicine, Cellular and Molecular Microbiology, Eberhard-Karls-University Tübingen, Tübingen, Germany, German Centre for Infection Research (DZIF), site partner Tübingen, Tübingen, Germany

Afilieri Interfaculty Institute of Microbiology and Infection Medicine, Cellular and Molecular Microbiology, Eberhard-Karls-University Tübingen, Tübingen, Germany, German Centre for Infection Research (DZIF), site partner Tübingen, Tübingen, Germany

Institutul de afiliere pentru medicina tropicală, Universitatea din Tübingen, Tübingen, Germania

Afilieri Interfaculty Institute of Microbiology and Infection Medicine, Cellular and Molecular Microbiology, Eberhard-Karls-University Tübingen, Tübingen, Germany, German Centre for Infection Research (DZIF), site partner Tübingen, Tübingen, Germany

Adresa actuală: Institutul de Biochimie, Universitatea Ernst-Moritz-Arndt din Greifswald, Greifswald, Germania.

Institutul de afiliere pentru farmacie, Universitatea Ernst-Moritz-Arndt din Greifswald, Greifswald, Germania

Afilieri Interfaculty Institute of Microbiology and Infection Medicine, Cellular and Molecular Microbiology, Eberhard-Karls-University Tübingen, Tübingen, Germany, German Centre for Infection Research (DZIF), site partner Tübingen, Tübingen, Germany

  • Bernhard Krismer,
  • Manuel Liebeke,
  • Daniela Janek,
  • Mulugeta Nega,
  • Maren Rautenberg,
  • Gabriele Hornig,
  • Clemens Unger,
  • Christopher Weidenmaier,
  • Michael Lalk,
  • Andreas Peschel

Cifre

Abstract

Rezumatul autorului

Citare: Krismer B, Liebeke M, Janek D, Nega M, Rautenberg M, Hornig G și colab. (2014) Limitarea nutrienților guvernează Staphylococcus aureus Metabolismul și adaptarea la nișă în nasul uman. PLoS Pathog 10 (1): e1003862. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1003862

Editor: Michael S. Gilmore, Harvard Medical School, Statele Unite ale Americii

Primit: 17 octombrie 2013; Admis: 18 noiembrie 2013; Publicat: 16 ianuarie 2014

Finanțarea: Această lucrare a fost finanțată de granturile Fundației Germane de Cercetare (DFG) TRR34 către AP, CW și MLa; Ministerul German al Educației și Cercetării (SkinStaph, Menage) către AP; o bursă de la Alfried Krupp von Bohlen Halbach-Stiftung: „O abordare genomică funcțională în biologia infecției” la MLi; și subvenții de la Centrul German pentru Cercetarea Infecțiilor către CW și AP. Autorii recunosc sprijinul acordat de Deutsche Forschungsgemeinschaft și Open Access Publishing Fund din cadrul Universității din Tübingen. Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Staphylococcus aureus este o cauză majoră a infecțiilor invazive la om, variind de la infecții superficiale ale pielii și ale țesuturilor moi până la boli diseminate severe, cum ar fi sepsis și endocardită [1]. S. aureus este, de asemenea, un comensal uman și o parte a microbiotei la persoanele sănătoase, care facilitează accesul acestuia la țesuturile sterile prin plăgi deschise și locuri de intrare a cateterului. S. aureus poate fi izolat de diferite suprafețe ale corpului uman, cum ar fi faringele, axilele și perineul, dar nișa și rezervorul ecologic principal sunt cunoscute de mult timp pentru a fi nasul uman [2] - [4]. În schimb, stafilococii coagulaz-negativi (CoNS), cum ar fi Staphylococcus epidermidis, au un potențial de virulență mult mai mic și utilizează diferite zone ale pielii ca habitate majore [5]. Baza gazdei stafilococice și a specificității nișei a rămas necunoscută.

Analiza transportului nazal pe perioade lungi de timp a identificat trei tipuri de purtători de S. aureus [6]. Aproximativ 20% din populația umană poate fi privită ca nepurtătoare, care nu sunt niciodată sau numai în cazuri foarte rare colonizate cu un număr mic de bacterii. În contrast, purtătorii intermitenți prezintă perioade alternative de stare non-purtător și colonizare de către diferite tulpini de S. aureus. Numărul de bacterii per izolare poate fi foarte variabil. Al treilea grup de aproximativ 20% purtători persistenți se caracterizează prin prezența S. aureus în aproape toate tampoanele nazale, de obicei la un număr mare de bacterii și cu o tulpină specifică per persoană în timp. Recent, s-a sugerat să se facă distincția numai între purtători și non-purtători datorită cineticii similare de eliminare nazală a S. aureus și profilurilor de anticorpi anti-stafilococici la intermitenți și non-purtători [7].

Rezultate

Secrețiile nazale umane au o compoziție similară la purtătorii și non-purtătorii S. aureus

(A, B) Cuantificarea metabolitului prin GC-MS de la opt donatori de probă, concentrațiile micromolare sunt date pentru compușii cu diluții standard măsurate (A), pentru alte substanțe abundențe relative sunt date în raport cu standardele interne (B). Limitele superioare și inferioare ale casetelor și liniile orizontale din cadrul casetelor reprezintă 25 și, respectiv, 75% percentile și medianele. Mustățile parcelelor indică intervalul minim și maxim, afișând suplimentar punctele de date. (C) Diferențe în profilurile de metaboliți în secrețiile nazale de la șase purtători (încrucișări) și șapte non-purtători (cercuri) analizați prin analiza componentelor principale a tuturor nivelurilor de metaboliți. Componenta principală 1 vs. 2 este prezentat, explicând în total 67,9% din modelul PCA. Valorile metabolitului au fost transformate în log și scalate în funcție de varianța unității.

Pentru a confirma rezultatele observate și pentru a investiga diferențele potențiale între purtătorii S. aureus și cei care nu au purtat, compoziția metabolitului din secrețiile nazale de la șase non-purtători S. aureus a fost comparată cu cele de la șapte purtători S. aureus. Modelele de metaboliți ai purtătorilor au prezentat un grad similar de variație ca la non-purtători, dar nu există nicio diferență semnificativă între cele două grupuri de donatori pentru oricare dintre compușii detectați (Fig. 1C). Astfel, statutul de purtător de S. aureus uman nu este asociat cu o diferență notabilă în aportul de nutrienți nazali, iar activitățile metabolice ale S. aureus nu par să aibă un impact major asupra concentrațiilor globale de metaboliți din nas.

Mediul nazal sintetic (SNM) permite creșterea constantă a S. aureus

(A), creșterea S. aureus USA300 LAC și S. aureus Newman în SNM cu concentrații crescânde (de ori) de aminoacizi, acizi organici și glucoză după 90 de ore de creștere. Sunt prezentate valorile medii și SEM pentru trei culturi independente ale fiecărei concentrații. (B) Creșterea izolatelor nazale de S. aureus (cercuri umplute), S. epidermidis (triunghiuri) și alți stafilococi negativi coagulazici (CoNS) (cercuri deschise) în SNM3 lichid după timpul de incubație indicat. Mijloacele din fiecare punct de timp sunt prezentate ca linii orizontale pentru fiecare grup. Diferențe semnificative statistic vs. S. aureus calculat prin testul ANOVA Kruskal-Wallis cu Dunns post-test și intervale de încredere de 95% sunt indicate: *, p≤0,05; **, p≤0,01. Culturile au fost agitate energic la 37 ° C în A și B.

S. aureus este mai bine adaptat la creșterea în SNM3 decât CoNS

Pentru a valida capacitatea SNM3 de a simula condițiile de viață pentru stafilococi în nasul uman, au fost izolate 87 de tulpini stafilococice diferite din narele anterioare a 37 de voluntari umani, iar creșterea corespunzătoare a 18 S. aureus, 57 S. epidermidis și Alte 12 tulpini CoNS (Staphylococcus capitis, Staphylococcus lugdunensis, Staphylococcus warneri, Staphylococcus hominis) în SNM3 au fost comparate.

(A) Diluțiile seriale ale tuturor izolatelor nazale crescute în BM peste noapte au fost observate pe agar BM sau 3 × SNM (SNM3). Axa y arată procentul de celule care formează colonii pe SNM3 comparativ cu BM. Influența concentrațiilor crescute de nutrienți în 5 ×, 10 × și 20 × SNM (B) sau a metioninei 10–100 µM în SNM3 (C) asupra capacității de formare a coloniilor a fost analizată cu un subset de tulpini prezentat în Figura 3A. S. aureus este prezentat ca cercuri umplute, S. epidermidis ca triunghiuri și alți stafilococi negativi coagulazici (CoNS) ca cercuri deschise. Bara orizontală indică mediana fiecărui grup de tulpini. Sunt indicate diferențe semnificative statistic calculate prin testul ANOVA Kruskal-Wallis cu Dunns post-test și intervale de încredere de 95%: *, p≤0,05; **, p≤0,01; ***, p≤0.001.

Pentru a investiga dacă S. aureus este pur și simplu mai bine adaptat pentru a dilua concentrațiile de nutrienți decât CoNS, o selecție de tulpini, a căror capacitate de a forma colonii pe SNM3 era în intervalul mediu, a fost testată pentru formarea coloniilor pe agar SNM cu trei, cinci, zece, și substanțe nutritive concentrate de douăzeci de ori. Așa cum se arată în Figura 3B, concentrarea nutrienților în plăcile de agar SNM de zece până la douăzeci de ori a îmbunătățit creșterea majorității S. epidermidis testate și a altor tulpini CoNS, dar numai unele tulpini au atins capacități de creștere similare cu S. aureus, în timp ce cele mai formate colonii cu mai multe magnitudini mai mici decât S. aureus chiar și la cele mai mari concentrații de nutrienți. Astfel, CoNS par a fi mult mai puțin capabili să se adapteze la concentrațiile de nutrienți diluați decât S. aureus și prezintă variații enorme între specii în capacitățile lor de a crește pe agar SNM3, chiar și atunci când concentrațiile de nutrienți au fost mult crescute.

Exprimarea genelor marker S. aureus în SNM3 este similară cu cea din nas

Expresia genică a fost testată prin qRT-PCR pentru cel puțin 6 culturi independente care cresc în BM sau SNM3 sau în faze staționare culturi BM (BM stat) fiecare. Transcrierile analizate reprezintă ARNIII, moduline fenol solubile β1 și β2 (psm), factor de aglomerare B (clfB), determinant de suprafață A (isdA) reglat cu fier și o transglicozilază litică (sceD). Limitele superioare și inferioare ale liniilor și liniile orizontale din interiorul liniilor reprezintă 25 și 75% percentile și, respectiv, mijloacele. Mustățile parcelelor indică valori minime și maxime. Diferențe semnificative statistic vs. BM-ul calculat prin testul t Student cu două cozi nepereche cu corecția lui Welch sunt indicați: *, p≤0,05; **, p≤0,01; ***, p≤0.001; ****, p≤0.0001.

Expresia globală a genei S. aureus în SNM3 relevă un rol important al anabolismului aminoacizilor în timpul colonizării nazale

Culturile de S. aureus cultivate cu SNM3 ne-au permis să monitorizăm expresia globală a genelor în condiții care reflectă colonizarea nazală și să le comparăm cu profilurile de expresie din studii anterioare, care au folosit de obicei S. aureus crescut în medii complexe. ARN de la S. aureus USA300, în creștere activă fie în SNM3, fie în BM, a fost hibridizat cu microarrays Affymetrix și analizat în ceea ce privește căile celulare și metabolice de bază (date depuse sub numărul de acces GSE43712 din seria GEO). Analiza datelor multivariate a fost utilizată pentru a arăta diferențe sau similitudini între datele transcriptomice. Analiza componentelor principale (PCA) a confirmat că cele trei replici biologice efectuate pentru fiecare dintre cele două condiții au condus la rezultate foarte reproductibile, cu diferențe substanțiale în profilurile de transcripție derivate din SNM3 sau BM și o valoare de cartografiere PCA de 77,7% (Fig. 5A).