Studium interakce hostitel - patogen na modelu prase - salmonela

Mgr. Kamila Kýrová, Ph.D.

Doctoral thesis

Study of host-pathogen interactions on the pig-Salmonella model

Abstract:

Infekce netyfoidními kmeny Salmonella probíhá u prasat často bezpříznakově, což zvyšuje riziko šíření nákazy potravním řetězcem. Salmonella enterica subsp. Typhimurium (STM) patří mezi časté izoláty pocházející z vepřového masa či masných výrobků, a z toho důvodu prasata představují významný rezervoár STM pro lidi. Po aktivní invazi STM do epiteliálních buněk střevní sliznice dochází ke kontaktu s buňkami imunitního systému (makrofágy, dendritickými buňkami). Tyto buňky rozpoznávají molekulární vzorce na povrchu bakterií a následně dochází k jejich aktivaci a polarizaci. Obecně lze aktivaci makrofágů rozdělit na klasickou (M1) polarizaci související s prozánětlivou odpovědí a vysokou mikrobicidní aktivitou a alternativní (M2) polarizaci. Přestože M1 aktivaci lze považovat za víceméně univerzální reakci na setkání s bakteriálními produkty, v poslední době se objevují studie, jež popisují schopnost některých bakterií, včetně Salmonella, zvrátit imunitní odpověď hostitele ve svůj prospěch. Pokud jde o prasečí model, množství poznatků z této oblasti je velmi omezené. První část této práce je zaměřena na možný vliv dvou sekrečních systémů salmonel lokalizovaných na ostrovech patogenity (SPI) 1 a 2 na polarizaci makrofágů. Plicní alveolární makrofágy (PAM) byly infikovány divokým kmenem STM a delečními mutanty ΔSPI-1 a ΔSPI- 2. Pomocí qPCR byla stanovena exprese vybraných prozánětlivých (M1) a protizánětlivých (M2) genů 24 hodin po infekci. Bylo zjištěno, že mutant ΔSPI-1 indukoval vyšší zánětlivou odpověď v porovnání s divokým kmenem a mutantem ΔSPI-2. Naopak exprese protizánětlivých genů byla indukována pouze po infekci kmeny s nedotčeným SPI-1. SPI-1 je tedy zřejmě nezbytný nejen pro potlačení prozánětlivé M1 odpovědi makrofágů, ale zároveň je zřejmě schopný aktivně stimulovat jejich M2 polarizaci. Geny, jejichž exprese se zvyšovala pouze po infekci divokým kmenem STM a ΔSPI-2 (CD163, TfR1, TIMP-1, IL-4R, ManR a MMP12) by tedy mohly sloužit jako markery M2 polarizace prasečích PAM. Jelikož makrofágy a dendritické buňky představují důležitou složku imunitního systému v obraně proti Salmonella, druhá část této práce byla zaměřena na porovnání odpovědi makrofágů a dendritických buněk na infekci. Ačkoli se makrofágy a dendritické buňky mohou vyvinout ze společného prekurzoru, jejich role v obraně proti patogenům je odlišná. Naším cílem bylo charakterizovat změny v genové expresi makrofágů a dendritických buněk derivovaných z monocytů po kontaktu s divokým kmenem STM či LPS. Z monocytů periferní krve byly diferencovány po 4 dnech kultivace dvě morfologicky odlišné populace buněk – makrofágy a dendritické buňky. Proteinová hmotnostní spektrometrie byla provedena 24 h po stimulaci STM/LPS. U proteinů, jejichž exprese byla nejméně dvacetkrát vyšší po stimulaci STM/LPS v porovnání s nestimulovanou kontrolou (celkový počet 46), byla provedena také analýza genové exprese na úrovni transkripce pomocí qPCR. Změny genové exprese byly potvrzeny u 22 genů. Sedmnáct z nich bylo indukováno u makrofágů i dendritických buněk, 3 geny byly specificky indukovány pouze v makrofázích a 2 geny byly indukovány pouze v dendritických buňkách. Rozdíly v odpovědi makrofágů a dendritických buněk na stimulaci STM/LPS byly proto spíše kvantitativní než kvalitativní a makrofágy ve srovnání s dendritickými buňkami vykazovaly výraznější prozánětlivou aktivaci.

Abstract:

Clinical signs are usually absent in pigs infected by non-typhoidal Salmonella and thus pigs may serve as the source of contamination in the food chain. Since Salmonella enterica subsp. Typhimurium (STM) is mostly associated with the consumption of contaminated pork foodstuffs, it may pose a contamination risk to humans. Following STM invasion of intestinal epithelial cells, STM comes into contact with cells of the host immune system (macrophages, dendritic cells) and activates them. In general, there are two main types of macrophage activation/polarization, classically activated (M1) macrophages with high pro-inflammatory and bactericidal potential and alternatively activated (M2) macrophages. Recent studies described the capacity of some pathogens including Salmonella to manipulate the host immune response to their own benefit. However, only limited information about polarization of porcine macrophages is available at present. The first part of dissertation was focused on the role of type three secretion systems encoded by Salmonella pathogenicity island (SPI) 1 or 2 in macrophage polarization. Pulmonary alveolar macrophages (PAM) were infected either with wild type STM or its isogenic mutants with completely removed SPI-1 or SPI-2. The expression of proinflammatory (M1-related) and anti-inflammatory (M2-related) genes was determined by qPCR. The ΔSPI-1 mutant induced a higher inflammatory response in comparison to wild type STM and ΔSPI-2. On the other hand, higher expression of anti-inflammatory genes was observed after infection with STM strains with intact SPI-1. The presence of SPI-1 is therefore essential for suppression of pro-inflammatory response and for M2 macrophage polarization. As the transcription of M2 related genes increased after infection with wild type STM or ΔSPI-2, but did not change after infection with ΔSPI-1, these genes (CD163, TfR1, TIMP-1, IL-4R, ManR a MMP12) may be used as markers for M2 polarization in porcine PAM. Macrophages and dendritic cells are of key importance in host immune system for outcome of Salmonella infection. Although macrophages and dendritic cells may differentiate from a common precursor, their roles in immune defence differ significantly. The second part of thesis was therefore focused on differences between macrophage and dendritic cell response to STM infection with the aim to determine changes in gene expression. The two morphologically distinct porcine cell populations (macrophages and dendritic cells) were differentiated from peripheral blood monocytes within 4 days of culture. Protein mass spectrometry of cell cultures was performed 24 hours after stimulation with STM/LPS. The expression of the most abundant proteins (total number 46) was verified at the level of transcription by qPCR. The differential expression was confirmed in 22 of them. Seventeen proteins were induced after stimulation in both cell populations. Three proteins were specifically induced in macrophages and only 2 proteins were unique for dendritic cells. The difference in the response of monocyte derived macrophages and DC to STM/LPS was therefore quantitative rather than qualitative and macrophages responded in more pro-inflammatory fashion compared to dendritic cells.

Keywords

Makrofágy, dendritické buňky, salmonela, sekreční systém typu III, polarizace makrofágů, prase, interakce patogen-hostitel Macrophages, dendritic cells, Salmonella, type three secretion systems, macrophage polarization, pig, host-pathogen interaction

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 10. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 12. 12. 2014
• Supervisor: doc. RNDr. Ivan Rychlík, Ph.D.
• Reader: prof. MVDr. Jiří Smola, CSc., prof. MUDr. Jiří Stulík, CSc., doc. Ing. Igor Šplíchal, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology (4-years) / Microbiology