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Chronische pulmonale Infektionen mit Pseudomonas aeruginosa (PA) betreffen die überwiegende Mehrheit der erwachsenen Mukoviszidose (Cystische Fibrose, CF) Patienten.
Diese Infektionen führen gesichert zu einer Abnahme der Lungenfunktion und Zunahme der Mortalität der Patienten. Atemwegsviren stehen im Verdacht pulmonale Exazerbationen bei CF-Patienten auszulösen. Unklar ist jedoch, welchen Einfluss eine chronische Infektion mit PA auf die Anfälligkeit und Reaktion des Atemwegsepithels auf virale Infektionen hat.
Das Ziel dieser Arbeit war es daher, die Interaktionen zwischen PA, humanen Rhinoviren (HRV) und primären bronchialen Epithelzellen zu untersuchen. Hierfür wurden Zellen von jeweils drei Patienten mit CF und mit Lungenemphysem aus Lungenexplantaten isoliert und in einem speziellen Air- Liquid-Interface Zellkulturmodell zu einem mukoziliär differenzierten mehrreihigen Flimmerepithel kultiviert. Chronische Infektionen wurden mit klinischen PA Isolaten für einen Gesamtzeitraum von 16 Tagen durchgeführt. Anschließend wurden die Zellen mit HRV infiziert. Schlüsselzytokine, Interferone und virale RNA wurden mittels Cytometric bead array, ELISA und qPCR bestimmt.
Rein virale Infektionen mit HRV führten zu einem Anstieg von IL-1, -6, -8, TNF- α, IP10 und IFN-b, IFN-l1 sowie ISGs und in ähnlichem Ausmaß konnte dies auch bei Coinfektionen mit einem mukoiden PA-Isolat beobachtet werden. Coinfektionen mit einem nicht-mukoiden PA-Isolat führten im Vergleich zu rein viralen Infektionen zu vermehrter Expression von IL-1β und IL-6 mRNA. Während es unter diesen Bedingungen auch auf Proteinebene zu einem Anstieg der IL-1β Konzentration kam, lag die Konzentration von freiem IL-6 Protein in nahezu allen Proben unter der Nachweisgrenze. Zellkulturmedium aus Coinfektionen mit diesem nicht-mukoiden PA-Isolat führten zudem zu einem Abbau oder einer Bindung von extern zugegebenen rekombinantem IL-6.
IL-8, IP-10, TNF-α Protein und mRNA von IFN-β, -λ1 und ISGs, sowie die Viruslast waren vergleichbar zwischen rein viralen Infektionen und bakteriell- viralen Coinfektionen. Ebenfalls keine Unterschiede wurden zwischen Zellen von Emphysem und CF-Spendern gefunden. Insgesamt zeigen diese Daten, dass eine PA-Infektion die Antwort differenzierter bronchialer Epithelzellen auf eine Virusinfektion verändern kann. Die hierdurch veränderte Immunantwort und möglicherweise eingeschränkten epithelialen Reparaturmechanismen könnten eine Ursache aggravierter viraler Infektionen in P. aeruginosa-infizierten Atemwegen darstellen.
Ein besseres Verständnis der Interaktionen zwischen chronisch-bakteriellen und viralen Atemwegsinfektionen könnte potenziell die Behandlung virus-induzierter Exazerbationen bei PA-infizierten CF-Patienten verbessern.
Cystic fibrosis (CF) lung disease is aggravated by recurrent and ultimately chronic bacterial infections. One of the key pathogens in adult CF lung disease is P. aeruginosa (PA). In addition to bacteria, respiratory viral infections are suggested to trigger pulmonary exacerbations in CF. To date, little is known on how chronic infections with PA influence susceptibility and response to viral infection. We investigated the interactions between PA, human rhinovirus (HRV) and the airway epithelium in a model of chronic PA infection using differentiated primary bronchial epithelial cells (pBECs) and clinical PA isolates obtained from the respiratory sample of a CF patient. Cells were repeatedly infected with either a mucoid or a non-mucoid PA isolate for 16 days to simulate chronic infection, and subsequently co-infected with HRV. Key cytokines and viral RNA were quantified by cytometric bead array, ELISA and qPCR. Proteolytic degradation of IL-6 was analyzed by Western Blots. Barrier function was assessed by permeability tests and transepithelial electric resistance measurements. Virus infection stimulated the production of inflammatory and antiviral mediators, including interleukin (IL)-6, CXCL-8, tumor necrosis factor (TNF)-α, and type I/III interferons. Co-infection with a non-mucoid PA isolate increased IL-1β protein concentrations (28.88 pg/ml vs. 6.10 pg/ml), but in contrast drastically diminished levels of IL-6 protein (53.17 pg/ml vs. 2301.33 pg/ml) compared to virus infection alone. Conditioned medium obtained from co-infections with a non-mucoid PA isolate and HRV was able to rapidly degrade recombinant IL-6 in a serine protease-dependent manner, whereas medium from individual infections or co-infections with a mucoid isolate had no such effect. After co-infection with HRV and the non-mucoid PA isolate, we detected lower mRNA levels of Forkhead box J1 (FOXJ1) and Cilia Apical Structure Protein (SNTN), markers of epithelial cell differentiation to ciliated cells. Moreover, epithelial permeability was increased and barrier function compromised compared to single infections. These data show that PA infection can influence the response of bronchial epithelial cells to viral infection. Altered innate immune responses and compromised epithelial barrier function may contribute to an aggravated course of viral infection in PA-infected airways.