Informatie

6.1B: Gram-negatieve bacteriële PAMP's - Biologie


leerdoelen

  1. Geef aan wat wordt bedoeld met endotoxine en geef aan waar het normaal wordt aangetroffen.
  2. Noem 3 Gram-negatieve PAMPS en beschrijf kort hoe ze SIRS initiëren.
  3. Definieer zorggerelateerde infectie en noem 3 veel voorkomende Gram-negatieve bacteriën die HAI's veroorzaken.

Gemarkeerde bacterie

  1. Lees de beschrijving van Pseudomonas aeruginosa en match de bacterie met de beschrijving van het organisme en de infectie die het veroorzaakt.

Om zich tegen infectie te beschermen, moet het lichaam in eerste instantie de aanwezigheid van micro-organismen detecteren. Het lichaam doet dit door het herkennen van moleculen die uniek zijn voor micro-organismen die niet geassocieerd zijn met menselijke cellen. Deze unieke moleculen worden pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMP's). (Omdat alle microben, niet alleen pathogene microben, PAMPs bezitten, pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen worden soms microbe-geassocieerde moleculaire patronen of MAMP's genoemd.)

Moleculen die uniek zijn voor bacteriën, zoals peptidoglycaanmonomeren, teichoïnezuren, LPS, porines, mycolzuur, mannoserijke glycanen en flagelline, zijn PAMP's die binden aan patroonherkenningsreceptoren (PRR's) op verschillende verdedigingscellen van het lichaam waardoor ze een verscheidenheid aan eiwitten, cytokinen genaamd, synthetiseren en afscheiden (def). Deze cytokinen kunnen op hun beurt aangeboren immuunafweer bevorderen zoals ontsteking, koorts en fagocytose. Dit wordt voornamelijk bereikt door een inflammatoire geprogrammeerde celdood genaamd pyroptose met betrekking tot eiwit cellulaire complexen genaamd inflammasomen.

Pyroptose (def), is een geprogrammeerde inflammatoire dood van gastheercellen dat wordt gemedieerd door een enzym genaamd caspase 1 en kan worden geactiveerd door een verscheidenheid aan stimuli, waaronder pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMP's) van microbiële infecties, evenals gevaar-geassocieerde moleculaire patronen (DAMP's) geproduceerd als gevolg van weefselbeschadiging tijdens kanker, hartaanval en beroerte. Pyroptose resulteert in de productie van pro-inflammatoire cytokines, breuk van het plasmamembraan van de cel en daaropvolgende afgifte van pro-inflammatoire intracellulaire inhoud. Het speelt een essentiële rol in aangeboren immuniteit door ontstekingen te bevorderen om microbiële infecties onder controle te houden. Bij zeer hoge niveaus kan het echter aanzienlijke schade veroorzaken naar het lichaam en zelfs de dood. De binding van PAMP's aan PRR's leidt ook tot activering van de complementroutes (def) en activering van de stollingsroute (def).

Cytokinen zoals tumornecrosefactor-alfa (TNF-alfa), interleukine-1 (IL-1) en interleukine-8 (IL-8) staan ​​bekend als inflammatoire cytokines (def) omdat ze ontsteking bevorderen. Sommige cytokinen, zoals IL-8, zijn ook bekend als: chemokinen (def). Chemokines bevorderen een ontstekingsreactie doordat witte bloedcellen de bloedvaten kunnen verlaten en het omliggende weefsel kunnen binnendringen, door deze witte bloedcellen chemotactisch naar de infectieplaats te trekken en door aanzetten tot neutrofielen (def) om dodingsmiddelen vrij te maken voor extracellulaire doding.

Zoals vermeld in Unit 1, de lipopolysacharide (LPS) in het buitenmembraan van de Gram-negatieve celwand (zie figuur (PageIndex{1})) is ook bekend als endotoxine (def). Terwijl porines, mannoserijke glycanen, peptidoglycaanfragmenten en flagelline fungeren ook als PAMP's, is de meest significante Gram-negatieve-geassocieerde PAMP LPS. Gram-negatieve bacteriën geven wat endotoxine af tijdens hun normale replicatie, maar endotoxine komt in hoeveelheid vrij bij dood en afbraak van de bacterie. De mate van schade door endotoxine is gerelateerd aan de mate van afgifte van het LPS uit de celwand van de bacterie.

1. De LPS vrijkomt uit het buitenmembraan van de Gram-negatieve celwand, typisch bindt eerst aan een LPS-bindend eiwit circuleren in het bloed en dit complex, op zijn beurt, bindt aan een receptormolecuul genaamd CD14 dat wordt aangetroffen op het oppervlak van afweercellen zoals macrofagen (def) en dendritische cellen (def) (zie figuur (PageIndex{2})) die zich in de meeste weefsels en organen van het lichaam bevindt.

2. Aangenomen wordt dat de interactie van het LPS-bindende eiwit met CD14 het vermogen van de toll-like receptor bevorderen (def) TLR-4 (def) om te reageren op de LPS.

3. De interactie tussen LPS en zijn TLR's triggert de macrofaag om verschillende afweerregulerende chemicaliën af te geven, cytokines genaamd, inclusief tumornecrosefactor-alfa (TNF-alfa), interleukine-1 (IL-1), interleukine-6 ​​(IL-6) en interleukine-8 (IL-8) en bloedplaatjesactiverende factor (PAF) (zie afbeelding (PageIndex{2})). De cytokinen binden zich vervolgens aan cytokinereceptoren op doelcellen en initiëren een ontstekingsreactie (def). Ze activeren ook beide complementroutes (def) en de stollingsroute (def) (zie afbeelding (PageIndex{2})).

4. De binding van LPS-moleculen aan hun TLR's op de oppervlakken van fagocytische witte bloedcellen genaamd neutrofielen (def) zorgt ervoor dat ze laat proteasen vrij (def) en giftige zuurstofradicalen (def) voor extracellulair doden. Chemokines (def) zoals interleukine-8 (IL-8) stimuleren ook extracellulaire doding. Bovendien stimuleren LPS en cytokinen de synthese van een vasodilatator genaamd stikstofoxide.

Gedurende kleine lokale infecties met weinig bacteriën aanwezig, lage niveaus van Gram-negatieve PAMP's worden vrijgegeven leiden naar matige cytokineproductie door afweercellen zoals monocyten (def), macrofagen (def)en dendritische cellen (def) en, in het algemeen, lichaamsverdediging bevorderen door ontsteking en matige koorts te stimuleren, energiereserves af te breken om energie voor verdediging te leveren, en de complementroute te activeren (def) en de stollingsroute (def), en in het algemeen het stimuleren van immuunreacties (zie figuur (PageIndex{2})). Ook als gevolg van deze cytokinen, circulerende fagocytische witte bloedcellen zoals neutrofielen (def) en monocyten (def) vasthouden aan de wanden van haarvaten, uitknijpen en het weefsel binnendringen, een proces genaamd diapedese (def). De fagocytische witte bloedcellen zoals neutrofielen doden vervolgens de binnendringende microben met hun proteasen en giftige zuurstofradicalen. Deze verdedigingen zullen in meer detail worden behandeld in eenheden 5 en 6.

Echter, tijdens ernstige systemische infecties met grote aantallen bacteriën aanwezig, hoge niveaus van Gram-negatieve PAMP's worden vrijgegeven resulterend in overmatige productie van cytokines door de afweercellen en dit kan het lichaam schaden (zie figuur (PageIndex{3})). Bovendien, neutrofielen (def) beginnen hun proteasen en giftige zuurstofradicalen vrij te geven die niet alleen de bacteriën doden, maar ook het omringende weefsel.

Schadelijke gevolgen omvatten hoge koorts, hypotensie (def), weefselvernietiging, verspilling, acuut respiratoir distress syndroom (ARDS) (def), gedissemineerde intravasculaire coagulatie (DIC) (def)en schade aan het vasculaire endotheel. Dit kan resulteren in shock (def), meervoudig systeemorgaanfalen (MSOF) en vaak de dood.

Oefening: Think-Pair-Share vragen

  1. Beschrijf het mechanisme waarmee gramnegatieve bacteriën de ontstekingsreactie initiëren en de stollingsroute en de complementroute activeren.
  2. Geef aan hoe dit zowel gunstig als schadelijk kan zijn voor het lichaam.

Zoals eerder in deze unit is gezien, is het vrijkomen van overmatige niveaus van inflammatoire cytokines als reactie op een systemische infectie resulteert in:

1. Een daling van het bloedvolume of hypovolemie (def). Dit wordt veroorzaakt door de volgende gebeurtenissen:

A. Extracellulair doden door neutrofielen beschadigt de capillaire wanden resulteert in bloed en plasma dat de bloedbaan verlaat en het omliggende weefsel binnendringt.

B. Uitputting van stollingsfactoren tijdens gedissemineerde intravasculaire coagulatie (DIC) kan leiden tot bloedingen als de haarvaten beschadigd zijn.

C. Langdurige vaatverwijding resulteert in plasma dat de bloedbaan verlaat en het omliggende weefsel binnendringt.

2. Een daling van de bloeddruk of hypotensie (def). Dit is het gevolg van de volgende gebeurtenissen:

A. Langdurige vasodilatatie veroorzaakt verminderde vasculaire weerstand in bloedvaten verlaagt de bloeddruk.

B. Hoge niveaus van TNF, remmen vasculaire gladde spiertonus en myocardiale contractiliteit vermindering van het vermogen van het hart om bloed door het lichaam te pompen.

C. Hypovolemie van capillaire schade, plasmalekkage en bloedingen.

3. Het onvermogen om voedingsstoffen en zuurstof aan lichaamscellen af ​​te geven of hypoperfusie (def). Dit is het gevolg van de volgende gebeurtenissen:

A. Activering van de bloedstollingsroute kan stolsels veroorzaken genaamd microtrombi gevormd in de bloedvaten door het hele lichaam veroorzaakt gedissemineerde intravasculaire coagulatie (DIC) die blokkeert de bloedstroom door de haarvaten en, zoals hierboven vermeld, kan uitputting van stollingsfactoren leiden tot bloedingen in veel delen van het lichaam.

B. Verhoogde capillaire permeabiliteit als gevolg van vasodilatatie in de longen, evenals neutrofiel-geïnduceerde schade aan haarvaten in de longblaasjes leidt tot acute ontsteking, longoedeem en verlies van gasuitwisseling in de longen (acute respiratory distress syndrome of ARDS). Hierdoor is de bloed wordt niet zuurstofrijk.

C. Hypovolemie vermindert het volume van circulerend bloed en leidt tot hypotensie.

NS. Hypotensie verlaagt de druk die nodig is om bloed door het lichaam te transporteren.

6. Hypoperfusie in de lever kan leiden tot een daling van de bloedglucosespiegel van leverfunctiestoornissen. Glucose is nodig voor ATP-productie tijdens glycolyse en aerobe ademhaling. EEN daling van de glucosespiegels kan leiden tot verminderde ATP-productie en onvoldoende energie voor cellulair metabolisme.

7. De te kort aan zuurstof levering als gevolg van hypoperfusie zorgt ervoor dat cellen overschakelen naar fermentatie voor energieproductie. De zure eindproducten van fermentatie leiden tot acidose en de verkeerde pH voor de werking van de enzymen betrokken bij het celmetabolisme. Dit kan leiden tot onomkeerbare celdood.

Gezamenlijk kan dit resulteren in :

  • Eindorgaan ischemie (def) Ischemie is een beperking van de bloedtoevoer die leidt tot beschadiging of disfunctie van weefsels of organen.
  • Meervoudig systeemorgaanfalen (MSOF) (def). Meerdere organen beginnen te falen als gevolg van hypoperfusie.
  • Dood.

bloedvergiftiging (def) is een aandoening waarbij bacteriën in het bloed komen en schade veroorzaken. Volgens de NIH Sepsis-informatieblad, “Elk jaar treft ernstige sepsis ongeveer 750.000 Amerikanen. Er wordt geschat dat tussen de 28 en 50 procent van deze mensen sterft - veel meer dan het aantal Amerikaanse sterfgevallen door prostaatkanker, borstkanker en aids samen.” Factoren die bijdragen aan dit hoge aantal sepsis zijn onder meer:

1. Een vergrijzende Amerikaanse bevolking.
2. Verhoogde levensduur van mensen met chronische ziekten.
3. Een toename van het aantal uitgevoerde invasieve medische procedures.
4. Toegenomen gebruik van immunosuppressieve en chemotherapeutische middelen.
5. De verspreiding van antibioticaresistente micro-organismen.

Mensen die ernstige sepsis overleven, kunnen blijvende schade aan de longen of andere organen hebben. Ongeveer 45% van de gevallen van bloedvergiftiging is te wijten aan Gram-positieve bacteriën, 45% is het gevolg van Gram-negatieve bacteriën en 10% is te wijten aan schimmels (voornamelijk de gist candida). Veel van deze gevallen van bloedvergiftiging zijn: zorggerelateerde infecties (HAI's) (def).

Andere voorbeelden van schade door Gram-negatieve PAMP's zijn Gram-negatief bacteriële meningitis (def) en longontsteking. Dezelfde ontstekingsgebeurtenissen leiden tot identieke effecten in de hersenen en de verminderde afgifte van zuurstof en glucose aan de hersencellen leidt tot beschadiging en dood van hersenweefsel. Wanneer gramnegatieve bacteriën de longblaasjes binnenkomen (def) van de longen en worden gelyseerd door antibiotica of lichaamsafweer, binden Gram-negatieve bacteriële PAMP's aan receptoren op endotheelcellen, het alveolaire epitheel en leukocyten en veroorzaken de afgifte van TNF-alfa, Il-1 en chemokinen. Dit leidt tot verhoogde vasculaire permeabiliteit waardoor sereuze vloeistoffen, rode bloedcellen en leukocyten de luchtruimten van de long kunnen binnendringen waar gasuitwisseling plaatsvindt. Dit voorkomt normale gasuitwisseling en de persoon verdrinkt op zijn of haar eigen sereuze vloeistoffen (def).

Medisch belangrijke Gram-negatieve bacteriën omvatten klassieke pathogenen zoals: Neisseria meningitidis (inf), Salmonella (inf), Neisseria gonorrhoeae (zie microfoto) (inf), en Hemophilus influenzae typ b (inf).

Bovendien zijn veel normale Gram-negatieve darmmicrobiota zoals Escherichia coli, Proteus, Klebsiella, Enterobacter, Serratia en Pseudomonas aeruginosa zijn verantwoordelijk voor verschillende opportunistische infecties (inf) waaronder urineweginfecties, wondinfecties, longontsteking en bloedvergiftiging. Deze bacteriën hebben veel van hun schade te danken aan LPS.

Deze normale flora Gram-negatieve bacillen (samen met Gram-positieve bacteriën zoals Staphylococcus aureus en Enterococcus faecalis) behoren tot de meest voorkomende oorzaken van zorggerelateerde infecties (HAI's) (def). De vier meest voorkomende Gram-negatieve bacteriën die HCI's veroorzaken, zijn: Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter soorten, en Klebsiella pneumoniae. Samen waren deze vier bacteriën goed voor 32% van alle HAI's in de VS tussen 1990 en 1996. Er zijn meer dan twee miljoen nosocomiale infecties per jaar in de VS.

Volgens de website van de Centers for Disease Control and Prevention (CDC) Gezondheidszorggerelateerde infectie: "Alleen al in Amerikaanse ziekenhuizen zijn zorggerelateerde infecties verantwoordelijk voor naar schatting 1,7 miljoen infecties en 99.000 bijbehorende sterfgevallen per jaar. Van deze infecties:

  • 32 procent van alle zorggerelateerde infecties zijn urineweginfecties
  • 22 procent zijn wondinfecties
  • 15 procent is longontsteking (longinfecties)
  • 14 procent zijn bloedbaaninfecties"

Medscape-artikel over infecties die verband houden met organismen die in dit leerobject worden genoemd. Registratie om toegang te krijgen tot deze website is gratis.

  • Neisseria gonorrhoeae
  • Neisseria meningitidis
  • Salmonella soort
  • Escherichia coli
  • Proteus soort
  • Klebsiella soort
  • Enterobacter soort
  • Serratia soort
  • Pseudomonas aeruginosa

Samenvatting

  1. PAMP's geassocieerd met Gram-negatieve bacteriën omvatten LPS (endotoxine) en porines in het buitenmembraan, peptidoglycaanfragmenten, mannoserijke suikers en flagelline.
  2. Ongeveer 45% van de gevallen van bloedvergiftiging is te wijten aan Gram-negatieve bacteriën.
  3. Medisch belangrijke Gram-negatieve bacteriën omvatten klassieke pathogenen zoals Neisseria meningitidis, Salmonella, Neisseria gonorrhoeae en Hemophilus influenzae type b.
  4. Veel normale Gram-negatieve darmmicrobiota zoals Escherichia coli, Proteus, Klebsiella, Enterobacter, Serratia en Pseudomonas aeruginosa zijn verantwoordelijk voor een verscheidenheid aan opportunistische infecties, waaronder urineweginfecties, wondinfecties, longontsteking en bloedvergiftiging.
  5. De vier meest voorkomende Gram-negatieve bacteriën die zorggerelateerde infecties (HAI's) veroorzaken, zijn Escherichia coli, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter-soorten en Klebsiella pneumoniae. Samen waren deze vier bacteriën verantwoordelijk voor 32% van alle nosocomiale infecties in de VS. Er zijn meer dan twee miljoen HAI's per jaar in de VS.

Vragen

Studie het materiaal in deze sectie en dan uitschrijven de antwoorden op deze vragen. Niet doen klik gewoon op de antwoorden en schrijf ze op. Dit zal uw begrip van deze tutorial niet testen.

  1. Geef aan wat wordt bedoeld met endotoxine en waar het normaal wordt aangetroffen. (Antwoord)
  2. Definieer zorggerelateerde infectie en noem 3 veel voorkomende Gram-negatieve bacteriën die HAI's veroorzaken. (Antwoord)
  3. We hebben net vernomen dat tijdens een ernstige Gram-negatieve infectie LPS van de gram-negatieve celwand kan binden aan macrofagen, waardoor chemokinen en cytokinen vrijkomen en dit kan leiden tot de vaak dodelijke schokcascade. Waarom zou het menselijk lichaam een ​​mechanisme ontwikkelen voor LPS-binding aan macrofagen als het potentieel schadelijk is? (Antwoord)
  4. Meerkeuze (Antwoord)

Deze moleculen kunnen worden aangeduid als kleine moleculaire motieven die geconserveerd zijn binnen een klasse van microben. Ze worden herkend door toll-like receptoren (TLR's) en andere patroonherkenningsreceptoren (PRR's) in zowel planten als dieren. Een breed scala aan verschillende soorten moleculen kunnen dienen als PAMP's, waaronder glycanen en glycoconjugaten. PAMP's activeren aangeboren immuunreacties en beschermen de gastheer tegen infectie door enkele geconserveerde niet-zelf-moleculen te identificeren. Bacteriële lipopolysachariden (LPS's), endotoxinen die op de celmembranen van gramnegatieve bacteriën worden aangetroffen, worden beschouwd als de prototypische klasse van PAMP's. LPS's worden specifiek herkend door TLR4, een herkenningsreceptor van het aangeboren immuunsysteem.

Blijf biologie-uitleg leren

Wat is koorts?

Koorts is een lichaamstemperatuur die hoger is dan normaal. Een normale temperatuur kan van persoon tot persoon verschillen.

Wat is karyotype?

Een karyotype is het aantal en het uiterlijk van chromosomen in de kern van een eukaryote cel. Wanneer de chromosomen .

Wat is Etiolatie?

Etiolatie is een proces in bloeiende planten die worden gekweekt in gedeeltelijke of volledige afwezigheid van licht. Het wordt gekenmerkt door lange, .

Wat is een Okazaki-fragment?

DNA-replicatie vindt plaats op beide strengen, wat betekent dat beide strengen dienen als sjablonen voor de synthese als de nieuwe.

Wat is abscisinezuur?

ABA heeft verschillende functies. Het remt de groei, bevordert de sluiting van huidmondjes tijdens droogtestress, bevordert de kiemrust van het zaad en remt vroege kieming, bevordert .

Wat is analogie?

In de biologie worden gelijkenis van functie en oppervlakkige gelijkenis van structuren met verschillende oorsprong analogieën genoemd. Bijvoorbeeld de .


Detectie van afgifte van bacterieel dsDNA in het gastheercytosol met behulp van fluorescentiemicroscopie

De herkenning van pathogenen door het aangeboren immuunsysteem is afhankelijk van kiembaangecodeerde patroonherkenningsreceptoren (PRR's) die unieke microbiële moleculen herkennen, de zogenaamde pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMP's). Nucleïnezuren en hun derivaten zijn een van de belangrijkste groepen van PAMP's en worden herkend door een aantal oppervlakte-geassocieerde en cytosolische PRR's. Cyclisch GMP-AMP-synthase (cGAS) herkent de aanwezigheid van pathogeen- of gastheer-afgeleid dsDNA in het cytosol en initieert type-I-IFN-productie. Hier beschrijven we een methodologie die het mogelijk maakt om de associatie van cGAS met vrijgegeven bacterieel dsDNA tijdens Francisella novicida-infectie van macrofagen te evalueren, door middel van confocale fluorescentiemicroscopie. Deze methode kan worden aangepast aan de studie van cGAS-afhankelijke reacties die worden opgewekt door andere intracellulaire bacteriële pathogenen en in andere celtypen.

trefwoorden: F. novicida Fluorescentie confocale microscopie Aangeboren immuniteit cGAS dsDNA.


DE PATHOGEN-GEASSOCIEERDE MOLECULAIRE PATRONEN (PAMP's) EN PATROONHERKENNINGSMOLECULEN (PRM's) BEGRIJPEN

Pathogeen-geassocieerde moleculaire patronen (PAMP's) zijn structurele componenten die gemeenschappelijk zijn voor een bepaalde groep pathogenen of infectieziekteverwekkers. PAMP's zijn vaak macromoleculen en omvatten polysachariden, eiwitten, nucleïnezuren of zelfs lipiden. Het lipopolysacharide (LPS) van de Gram-negatieve bacteriële celwand is een uitstekend voorbeeld van PAMP. Interactie tussen PAMP's en PRM's van de gastheer zijn integrale componenten van de aangeboren immuunrespons. PRM's interageren met PAMP's die door verschillende pathogenen worden gedeeld, waarbij complement en fagocyten worden geactiveerd om pathogenen te targeten en te vernietigen. Deze interacties initiëren signaaltransductiecascades die effectorcellen in de gastheer activeren.

KLIK HIER OM ALGEMEEN MICROBIOLOGIE HANDBOEK TE KOPEN

Patroonherkenningsmoleculen (PRM's) zijn een groep oplosbare en membraangebonden gastheereiwitten die een interactie aangaan met PAMP's. De PAMP die wordt herkend door mannan-bindend lectine is de suiker mannose, die wordt aangetroffen als een herhalende subeenheid in bacteriële polysachariden (mannose op zoogdiercellen is ontoegankelijk voor mannan-bindend lectine). Complementen binden aan een verscheidenheid aan pathogene celoppervlaktecomponenten. C-reactief eiwit, een ander PRM, is een acutefase-eiwit dat door de lever wordt geproduceerd als reactie op een ontsteking. C-reactief proteïne interageert met de fosforylcholine-macromoleculen van Gram-positieve bacteriële celwanden. Deze PRM's zijn allemaal gericht op PAMP's op het oppervlak van pathogenen, wat leidt tot lysis van de beoogde cel of opsonisatie.

Evolutionair geconserveerde, membraangebonden PRM's worden gevonden op de oppervlakken van macrofagen, monocyten, dendritische cellen en neutrofielen. Deze cellen initiëren fagocytose (de verzwelging en vernietiging van de ziekteverwekker). PRM's werden voor het eerst erkend in Drosophila (de fruitvlieg), waar ze tolreceptoren werden genoemd. Structurele, functionele en evolutionaire homologen van de Toll-receptoren, genaamd Toll-like receptoren (TLR's), worden op grote schaal tot expressie gebracht in fagocyten van zoogdieren. .ten minste negen (9) TLR's bij mensen interageren met een verscheidenheid aan celoppervlakte en oplosbare PAMP's van virussen, bacteriën en schimmels.

Verschillende TLR's werken samen met meer dan één PAMP. TLR-4 maakt bijvoorbeeld deel uit van de aangeboren immuunrespons op Gram-negatieve LPS en reageert ook op een gastheerresponsmolecuul dat heat shock-eiwit wordt genoemd. Noch LPS, noch heat shock-eiwit interageert direct met TLR-4, maar interageert eerder via een receptoreiwit dat op zijn beurt interageert met TLR-4. In andere gevallen bindt de TLR direct aan de PAMP, zoals het geval is voor TLR-5 en zijn doelwit, flagelline. Interactie van een PAMP met de TLR triggert een transmembraan signaaltransductiegebeurtenis, waardoor transcriptie van DNA wordt geïnitieerd die leidt tot de synthese van specifieke eiwitten en activering van de fagocyten. Activering kan leiden tot verhoogde fagocytose en het doden van pathogenen of bijdragen aan ontsteking.

Drosophila Tolreceptoren - een eeuwenoude reactie op infecties

Meercellige organismen zoals ongewervelde dieren en planten hebben geen adaptieve immuniteit, maar hebben een goed ontwikkelde aangeboren reactie op een grote verscheidenheid aan pathogenen. Reactie op ziekteverwekkers door de fruitvlieg, Drosophila melanogaster (Figuur 1) hebben inzicht gegeven in aangeboren immuunmechanismen in veel andere groepen organismen. Verschillende eiwitten die nodig zijn voor de ontwikkeling van fruitvliegen zijn ook belangrijke receptoren voor het herkennen van binnendringende bacteriën, die functioneren als PRM's die interageren met PAMP's op de macromoleculen die door de ziekteverwekker worden geproduceerd. Het beste voorbeeld van een PBM is: Drosophila Toll, een transmembraaneiwit dat betrokken is bij de vorming van de dorso-ventrale as en bij de aangeboren immuunrespons van de vlieg.

Figuur 1. Drosophila melanogaster, de gewone fruitvlieg.

Toll-immuunsignalering wordt geïnitieerd door de interactie van een pathogeen of zijn componenten met het Toll-eiwit dat op het oppervlak van fagocyten wordt weergegeven. Drosophila Toll heeft echter geen directe interactie met de ziekteverwekker. Signaaltransductiegebeurtenissen beginnen met de binding van een PAMP zoals het lipopolysaccharide (LPS) van Gram-negatieve bacteriën door een of meer accessoire-eiwitten. Het LPS-accessoire eiwitcomplex bindt dan aan Toll. Het membraangeïntegreerde Toll-eiwit initieert een signaaltransductiecascade, activeert een nucleaire transcriptiefactor en induceert transcriptie van verschillende genen die coderen voor antimicrobieel peptide. Toll-geassocieerde transcriptiefactoren omvatten expressie van antimicrobiële peptiden, waaronder drosomycine, een antischimmelpeptide, diptericine, actief tegen Gram-negatieve bacteriën, en defensine, actief tegen Gram-positieve bacteriën.

De peptiden, geproduceerd in het leverachtige vetlichaam van Drosophila, komen vrij in de bloedsomloop van de vlieg, waar ze een interactie aangaan met het doelorganisme en cellysis veroorzaken. Structureel zijn de Toll-eiwitten verwant aan lectines, een groep eiwitten die voorkomt in vrijwel alle meercellige organismen, inclusief gewervelde dieren en planten. Lectines interageren specifiek met bepaalde oligosacharidemonomeren. Bij mensen reageren Toll-like receptoren (TLR's) met een grote verscheidenheid aan PAMP's. zoals bij drosophila Toll, humaan TLR-4 biedt aangeboren immuniteit tegen de Gram-negatieve bacteriën door indirecte interacties met LPS, het initiëren van een kinasesignaalcascade en het activeren van de nucleaire transcriptiefactor NFƙB. NFƙB activeert transcriptie van cytokinen en andere fagocyteiwitten die betrokken zijn bij de gastheerrespons.

Drosophila Toll is een functionele, evolutionaire en structurele voorouder van de Toll-achtige receptoren bij hogere gewervelde dieren, waaronder de mens. Toll en zijn homologen zijn evolutionair oude, sterk geconserveerde componenten van het aangeboren immuunsysteem bij dieren en zijn gevonden in planten.


ERKENNING VAN PATHOGENEN IN AANGENAME IMMUNITEIT

Het repertoire van PRR's is zeer uitgebreid en evenzo zijn de klassen van pathogenen die door PRR's worden herkend, zeer divers. Een centraal kenmerk van de herkenning van aangeboren pathogenen is dat microben met een heel verschillende biochemische samenstelling en met totaal verschillende levenscycli door de gastheer-PRR's worden herkend door relatief vergelijkbare mechanismen (7). Bovendien is een belangrijke eigenschap van dit systeem dat geen enkele klasse van pathogenen door slechts één type PRR wordt waargenomen. In plaats daarvan worden een aantal verschillende PRR's door een bepaald pathogeen via verschillende PAMP's ingeschakeld, waardoor een snelle en krachtige ontstekingsreactie wordt verzekerd en ook enige specificiteit van de reactie mogelijk is.

Virussen

Het resultaat van door virus gemedieerde PRR-activering kan variëren van een antivirale respons die de infectie efficiënt opruimt tot de vestiging van een cellulaire omgeving die virale replicatie en verspreiding bevordert (261). Virussen bezitten verschillende structureel diverse PAMP's, waaronder oppervlakteglycoproteïnen, DNA- en RNA-soorten (261). Deze immunostimulerende nucleotiden kunnen aanwezig zijn in het infecterende virion of kunnen worden geproduceerd tijdens virale replicatie, en de gastheer is in het bezit van een breed scala aan virale nucleotidesensoren. Terwijl viraal DNA wordt herkend door TLR9 en DAI, wordt ssRNA gedetecteerd door TLR7 en TLR8, en ten slotte activeren dsRNA en 5′-trifosfaat-RNA RLR's, TLR3 en PKR (261). Verder worden verschillende virale glycoproteïnen herkend door TLR2 en TLR4 (7, 261). Het fusie-eiwit van RSV activeert bijvoorbeeld TLR4 (199), terwijl TLR2 wordt geactiveerd door verschillende virussen of virale componenten, waaronder hemagglutinine van het mazelenvirus, cytomegalovirus en herpes simplex-virus (HSV) (35, 60, 198). Prominente voorbeelden van virale PAMP's en hun herkenning door PRR's staan ​​vermeld in Tabel 1 Tabel 1 en een meer gedetailleerde beschrijving van HSV-herkenning wordt hieronder gegeven.

HSV is een omhuld DNA-virus met de twee nauw verwante subtypen HSV-1 en HSV-2. Deze belangrijke menselijke ziekteverwekker kan verschillende ziekten veroorzaken, variërend van een relatief milde ziekte, zoals in het geval van gingivostomatitis, herpes labialis en herpes genitalis, tot ernstige en mogelijk dodelijke infecties, waaronder encefalitis, meningitis en neonatale herpesinfectie (305). Tijdens een HSV-infectie werken meerdere mechanismen van pathogeenherkenning, afhankelijk van het celtype en het stadium van de virale replicatiecyclus (301). Ten eerste interageren HSV-virions of virion-oppervlakte-glycoproteïnen met TLR2 op het celoppervlak (198). Hoewel de moleculaire aard van de TLR2-agonist nog moet worden gedefinieerd, is aangetoond dat TLR2-activering door HSV resulteert in cytokineproductie (19) en een prominente rol speelt in HSV-1-geassocieerde immunopathologie door bij te dragen aan letale encefalitis bij muizen (198 ). Een andere vroege respons die wordt opgewekt door het binnenkomende virusdeeltje is een krachtige type I IFN-respons, die wordt geïnduceerd door viraal DNA en wordt gemedieerd door TLR9 (194, 220, 301). Deze respons is onafhankelijk van virale replicatie, maar is specifiek voor het celtype en beperkt tot plasmacytoïde DC's (pDC's) (127, 301). Het is interessant dat de herkenning van viraal DNA afhankelijk is van de endosomale locatie van TLR9, wat suggereert dat virionafbraak in dit compartiment nodig kan zijn om DNA toegankelijk te maken voor TLR9 (30).

De betrokkenheid van TLR-onafhankelijke herkenningssystemen bij de vroege respons op HSV-infectie is sterk gesuggereerd door verschillende individuele rapporten (127, 223, 301) en wordt verder ondersteund door in vivo gegevens die aantonen dat muizen zonder TLR9 of myeloïde differentiatie primaire-responsgen 88 (MyD88) kan HSV-infectie nog steeds onder controle houden (194). Andere celtypen dan pDC's kunnen daarom TLR-onafhankelijke receptoren hebben die later tijdens infectie effectieve antivirale reacties uitoefenen (127, 259, 301). Een recente studie heeft inderdaad de betrokkenheid van RLR's bij HSV-geïnduceerde type I IFN-productie aangetoond, die werd afgeschaft in fibroblasten die niet in staat waren om via deze route te signaleren (301). Dit is in overeenstemming met de recente bevinding dat dsRNA zich ophoopt in het cytoplasma tijdens infectie van permissieve cellen met DNA-virussen, waaronder HSV, en dus een potentieel ligand voor cytosolische dsRNA-receptoren vertegenwoordigt (380). Een alternatief dsRNA-detecterend molecuul tijdens HSV-infectie is PKR, dat in verschillende onderzoeken is geïmpliceerd bij HSV-geïnduceerde NF-㮫-activering en IFN-productie, hoewel voornamelijk in niet-pDC's. (223, 353). Ten slotte is een rol voor DNA-gevoelige eiwitten zoals DAI gesuggereerd door gegevens die aantonen dat ingangsafhankelijke IFN-productie de aanwezigheid van viraal genomisch DNA vereist en verloopt via een mechanisme dat onafhankelijk is van TLR's en virale replicatie (301). Gezamenlijk wordt HSV gedetecteerd door meerdere cellulaire herkenningssystemen, die op celtype- en tijdafhankelijke manieren werken om een ​​antivirale respons teweeg te brengen.

Gram-positieve bacteriën

De celwanden van grampositieve bacteriën bestaan ​​voornamelijk uit peptidoglycaan, samengesteld uit lineaire suikerketens van afwisselende N-acetylglucosamine en N-acetylmuraminezuur, verknoopt door peptidebruggen om een ​​grote macromoleculaire structuur te vormen die het cytoplasmatische membraan omringt (9). Andere belangrijke componenten zijn onder meer het glycolipide lipoteichoïnezuur verankerd in het cytoplasmatische membraan en lipoproteïnen ingebed in de bacteriële celwand (9). Zoals eerder beschreven, speelt TLR2 een belangrijke rol bij de detectie van grampositieve bacteriën via herkenning van celwand-PAMP's, waaronder lipoteichoïnezuur, lipoproteïnen en peptidoglycaan (328, 395), hoewel de herkenning van peptidoglycaan door TLR2 controversieel blijft vanwege de mogelijkheid van endotoxinebesmetting (366). Het belang van TLR2 in de afweer van de gastheer tegen gram-positieve bacteriën wordt bewezen door studies bij muizen met TLR2-deficiëntie, die een verhoogde gevoeligheid vertonen voor challenge met Streptococcus pneumoniae en Staphylococcus aureus vergeleken met wildtype muizen (80, 224, 359). Bovendien vertegenwoordigt bacterieel CpG-DNA een belangrijk PAMP van grampositieve bacteriën en wordt het herkend door TLR9 (121). Om een ​​krachtige ontstekingsreactie te bereiken, zijn grampositieve bacteriën ook in staat om cytosolische PRR's te activeren, waaronder NOD2 en het NALP1-inflammasoom, beide geactiveerd door het peptidoglycaan-derivaat MDP (102) (85). Verder bewijs over de rol van PRR's bij de bescherming tegen grampositieve bacteriële infectie is weergegeven in tabel 1 en hieronder weergegeven in een beschrijving van PRR-gemedieerde herkenning van S. pneumoniae.

Het spectrum van ziekten veroorzaakt door: S. pneumoniae is divers, met invasieve pneumokokkenziekten zoals longontsteking, sepsis en meningitis die een aanzienlijke ziektelast vertegenwoordigen in zowel ontwikkelingslanden als ontwikkelde landen (192). S. pneumoniae is begiftigd met verschillende PAMP's en, misschien vanwege de hoge incidentie, mortaliteit en morbiditeit die gepaard gaat met pneumokokkenziekten, is de herkenning van dit pathogeen uitgebreid bestudeerd (192). Zoals kenmerkend is voor grampositieve bacteriën, wordt TLR2 geactiveerd door de celwandcomponenten peptidoglycaan en lipoteichoïnezuur (262, 327, 395). Bovendien suggereren sommige gegevens dat de belangrijke virulentiefactor pneumolysine TLR4 kan stimuleren, maar er bestaat controverse over het belang van TLR4 in de immuunrespons op pneumokokken (40, 222, 262). Studies met preparaten van levende pneumokokken hebben activering van zowel TLR2 als TLR9 in vitro aangetoond, terwijl TLR4 niet significant bijdroeg aan de productie van pro-inflammatoire cytokines (262). Dergelijke bevindingen onderstrepen de kracht van het gebruik van preparaten van hele levende organismen, die in veel contexten fysiologisch relevanter lijken (258, 262, 263), hoewel dit ten koste gaat van de specificiteit in de moleculaire karakterisering van PAMP-TLR-interacties. Het belang van TLR9 bij het genereren van een ontstekingsreactie op pneumokokken wordt ondersteund door detectie van resterende immuunactivatie die aanwezig is in TLR2/TLR4-muizen met dubbele knock-out (123). Verder bewijs van de betrokkenheid van TLR9 is verkregen uit onderzoeken met TLR9-deficiënte muizen die een verhoogde gevoeligheid vertoonden voor luchtweginfecties door pneumokokken, wat te wijten was aan een verminderde opname en dood door pneumokokken door macrofagen (10). Finally, NOD proteins have been demonstrated to recognize intracellular S. pneumoniae and thus to represent cytosolic innate immune receptors for this organism (281).

Gram-Negative Bacteria

The gram-negative bacterial cell wall contains a thin layer of peptidoglycan adjacent to the cytoplasmic membrane and an outer membrane consisting of LPS, phospholipids, and proteins. LPS, which is also termed endotoxin, is composed of an O-linked polysaccharide attached to the lipid A moiety via the core polysaccharide and for most bacteria is crucial for viability (11). LPS, and in particular the lipid A portion, is a prominent feature of gram-negative bacteria, being one of the most potent PAMPs known and responsible for the inflammatory response observed during endotoxic shock (7, 367). Lipid A has a mono- or biphosphorylated disaccharide backbone acetylated with fatty acids, and the levels of both phosphorylation and acylation determine the immunostimulatory potency of lipid A and LPS (9). Different bacteria produce structurally different lipid A and LPS molecules with various phosphorylations, numbers of acyl chains, and fatty acid compositions, which can profoundly affect bacterial virulence and immunogenicity and thus constitute one of the determinants of whether a bacterial strain is pathogenic or nonpathogenic (24). LPS liberated from gram-negative bacteria associates with the extracellular acute-phase protein LPS-binding protein and then binds to the coreceptor CD14 expressed at the cell surface. This event allows transfer of LPS to the accessory molecule MD2, which is associated with the extracellular domain of TLR4, and is followed by TLR4 oligomerization and signaling (7). Accordingly, C3H/HeJ mice with nonfunctional TLR4 display impaired LPS responses and are highly susceptible to infection with gram-negative bacteria, such as Neisseria meningitidis en Salmonella enterica serotype Typhimurium (296).

Furthermore, many gram-negative bacteria are simultaneously recognized by several PRRs in addition to TLR4 for instance, peptidoglycan and bacterial membrane proteins also stimulate TLR2 (88, 234, 328). Flagellin, being part of some gram-negative bacteria, is a strong activator of TLR5 (118) as demonstrated in experimental models of infection with Salmonella soort, Legionella pneumophila, en Escherichia coli (15, 115, 335), and this potent PAMP also activates the Ipaf inflammasome (249). Increasing evidence suggests that TLR9 activation by unmethylated CpG DNA derived from bacterial genomes also plays an important role during infection with gram-negative bacteria, frequently in cooperation with other PRRs (26, 262). Finally, peptidoglycan derivatives of gram-negative bacteria are recognized in the cytosol by NOD1 and NOD2 (53, 102).

A complex pattern of TLR activation by a single microbe is illustrated by the gram-negative bacterium N. meningitidis, which is recognized by three different TLRs, namely, TLR2, -4, and -9 (262). N. meningitidis is responsible for conditions ranging from colonization of the nasopharynx to chronic meningococcemia or severe acute diseases, including fulminant meningococcal meningitis and sepsis (82, 307). During initial studies involving purified bacterial components from N. meningitidis, the activation of TLR2 by the outer membrane protein porin (234) as well as recognition of meningococcal lipooligosaccharide (LOS) by TLR4 was established (403). Different strains of N. meningitidis produce structurally different LOSs exhibiting varied biological activity (297), and this may be reflected in differences in the ability to induce TLR4-mediated inflammatory signaling and hence in bacterial pathogenicity (7, 263). Studies using preparations of live N. meningitidis have confirmed the involvement of TLR2 and TLR4 and additionally have established a role for TLR9 in the proinflammatory response induced by N. meningitidis (262). Moreover, it was demonstrated that only live as opposed to heat-inactivated meningococci are able to activate TLR9 (262). Meningococci have mechanisms to enter into cellular endocytic vacuoles (343), where TLR9 is also located, and this mechanism may be dependent on bacterial viability, thus possibly explaining why TLR9 activation by meningococcal DNA was observed only when cells were infected with live bacteria (262). An important role of TLR9 in vivo was recently described in a murine model of meningococcal sepsis, in which TLR9-deficient mice displayed reduced survival and elevated levels of bacteremia (336a). At the cellular level, reduced signaling to NF-㮫 and diminished expression of cytokines was observed in pDCs but not macrophages and bone marrow-derived DCs (336a). Collectively, these studies analyzing immune recognition of N. meningitidis demonstrate the utilization of several TLRs to recognize a pathogen and initiate an inflammatory response. Theoretically, such a strategy may enhance the immune response by engaging TLRs on multiple cell types and in a sequential manner, thus inducing a synergistic response and possibly avoiding immune evasion by the pathogen (26, 262).

Schimmels

The original observation of Toll-deficient Drosophila being highly susceptible to fungal infection indicated that mammalian TLRs may also play a role in antifungal immunity (211). In addition to innate receptors such as dectin-1, pentraxin, mannose receptors, and scavenger receptors, TLR2 and TLR4 have been implicated in innate immune responses toward important fungal pathogens, such as Candida albicans, Aspergillus fumigatus, Cryptococcus neoformans, en Pneumocystis jirovecii (304), and several PAMPs located in the cell wall or at the cell surface of these fungi have been defined (Fig. ​ (Fig.3.) 3 .) First, the yeast cell wall particle zymosan activates TLR2/6 heterodimers (287), whereas C. albicans-derived mannan is detected by TLR4 (271, 352). TLR2 is also activated by phospholipomannan from C. albicans (161) and by β-glycan, the latter of which is a component of many fungal pathogens, including C. albicans en P. jirovecii (97, 210). In contrast, TLR4 is the receptor for glucuronoxylomannan, the major capsular polysaccharide from C. neoformans (333). An important contribution to the understanding of antifungal immunity was provided by Underhill et al., by their observation that TLR2 is specifically recruited to phagosomes containing fungi (371). Thus, two different classes of innate immune receptors cooperate in a process whereby phagocytic receptors, such as the mannose receptor, mediate particle internalization, after which TLRs trigger an inflammatory response (371). Subsequent studies by the same group demonstrated enhancement of TLR2-mediated NF-㮫 activation by dectin-1, a lectin receptor on macrophages responsible for phagocytosis of various fungi (42, 96). More recent evidence support a central role of dectin-1 in recognition of β-glycan-containing structures, including zymosan, A. fumigatus, en C. albicans (104, 248). Thus, close cooperation between TLRs and other innate immune receptors seems to be a very elaborate theme in antifungal immunity.

Protozoa

The role of PRRs during infection with protozoan pathogens is less well described than in the case of viruses and bacteria, although evidence is now accumulating, and the general principles appear to be similar to the ones described for other classes of pathogens (98). Major PAMPs identified in protozoa include glycosylphosphatidylinositol (GPI) anchors (14), which activate TLR2 and TLR4, as well as unmethylated DNA activating TLR9 (69, 98). In addition, it was originally suggested that the malaria pigment hemozoin, which represents a heme degradation product, stimulates TLR9 (58). However, a subsequent study demonstrated that hemozoin per se is immunologically inert but is coated with malarial DNA and enhances innate recognition through TLR9 by targeting DNA to the endosome (288). The intracellular protozoan Toxoplasma gondii causes asymptomatic infection in normal hosts but can be fatal in immunocompromised individuals, particularly in the absence of IL-12 production (73). Als reactie op T. gondii infection, IL-12 is produced through a mechanism dependent on MyD88 (188, 319), hence suggesting the involvement of TLRs in recognition of this parasite. Studies further addressing this issue have now confirmed that this is indeed the case, since TLR2 and TLR4 are activated by GPIs derived from T. gondii (70). Finally, the potent IL-12 inducer profilin-like protein from T. gondii tachyzoites is recognized by murine TLR11 (390), a nonfunctional TLR in humans (7).


6.1B: Gram-Negative Bacterial PAMPs - Biology

Innate sensing of vita-PAMPs, signatures of microbial viability

What are vita-PAMPs?

We discovered that the innate immune system can detect and respond to microbial viability, the quintessential basis of infectivity. Vita-PAMPs is a term we coined to refer to microbial structures that signify microbial viability. Pathogen-associated molecular patterns (PAMPs) are present in microbes and absent from host tissues. They alert the innate immune system. Examples of PAMPs include lipopolysaccharide (LPS), a major cell wall component of Gram-negative bacteria, lipoteichoic acid present in Gram-positive bacterial cell walls, or DNA from viruses. On the other hand, bacterial messenger RNA (mRNA) and c-di-adenosine mono-phosphate (c-di-AMP) are vita-PAMPs uniquely associated with live microorganisms. A question that we get asked is why rely on vita-PAMPs when live pathogens announce their presence by expressing virulence factors that facilitate invasion and damage their hosts. Virulence factor expression is transient serving a specific purpose such as breaching an epithelial barrier. Once microbes gain access to sterile tissues, relying on vita-PAMPs is a fail-safe strategy for eliminating the threat. The ability to discriminate between live and dead microbes also tailors the immune response to the threat level it encounters. It avoids collateral damage to the host from an overly exuberant response (See Sander L.E. et al. Nature 2011 Moretti, J. et al. Cell 2017 Blander and Sander, Nat Rev Immunol 2012).

A distinct innate immune response to vita-PAMPs

A comparison of the phagocyte response to live versus dead bacteria revealed distinct responses only to live bacteria and irrespective of their expression of virulence factors. For example, we found that various Gram-negative bacteria can elicit the activation of the NOD, LRR and pyrin domain containing 3 (NLRP3) inflammasome. Inflammasomes are multiprotein complexes that assemble upon detection of danger signals to activate the inflammatory enzyme caspase-1, trigger secretion of the highly proinflammatory cytokine interleukin (IL)-1beta, and induce an inflammatory cell death called pyroptosis. Only live but not killed forms of avirulent bacteria triggered NLRP3 inflammasome activation with consequent caspase 1 activation, IL-1beta production and pyroptosis (See Sander L.E. et al. Nature 2011 Blander and Sander, Nat Rev Immunol 2012). These responses were dependent on the vita-PAMP bacterial mRNA.

On the other hand, c-di-AMP from phagocytosed live Gram-positive bacteria, engages an intracellular protein called STING, which is expressed on the endoplasmic reticulum (ER). We found that STING engagement by c-di-AMP triggers a form of ER stress that kills the phagocytes if not resolved. Phagocytes exposed to live Gram-positive bacteria mobilize autophagy to resolve the ER stress. This autophagy of the ER is called ER-phagy and it serves two functions. First, it enables the cells to survive and second, it delivers STING from ER membranes to autophagosomes enabling STING signaling and type-I interferon production (See Moretti, J. et al. Cell 2017 Moretti and Blander, Autophagy 2018). None of these elaborate phagocyte responses are mobilized to killed bacteria.

Ongoing work: How vita-PAMPs impact NLRP3 inflammasome activation

Of all inflammasomes, the NLRP3 inflammasome is arguably the most complex and its biology the most extensively studied. The NLRP3 inflammasome promotes host defense against infectious microbes. Yet, dysregulation or hyperactivation of the NLRP3 inflammasome results in hyperinflammation and causation of several inherited and acquired inflammatory diseases and under sterile conditions. These include autoinflammatory diseases such as Muckle-Wells syndrome, cryopyrin-associated periodic fever syndrome, gout and pseudogout, Alzheimer’s disease, heart disease, and lung inflammatory diseases such as silicosis and asbestosis. It is important to understand the mechanisms that regulate NLRP3 inflammasome activation.

Distinctiveness of the NLRP3 inflammasome resides in the diversity of molecules that induce its activation. Besides the canonical activation of NLRP3 in response to various stimuli, including the vita-PAMP bacterial mRNA, caspase-11-dependent detection of intracellular LPS activates NLRP3 through a non-canonical pathway. Pro-caspase-11 acts as a pattern recognition receptor for intracellular LPS, of which the most conserved Lipid A moiety binds to the CARD domain of pro-caspase-11, initiates its oligomerization and promotes proximity-induced activation of caspase-11 catalytic activity. Numerous important advances have been made in the past decade in understanding non-canonical NLRP3 inflammasome activation, yet several aspects of NLRP3 inflammasome biology are not characterized and remain unclear (See Moretti and Blander, J Leukoc Biol 2020).


Bacteremia is a leading cause of death for children in sub-Saharan Africa where childhood mortality rates are the highest in the world, and its early diagnosis and treatment can save many lives. However, diagnosing bacteremia is challenging, especially when there is co-infection with diseases such as malaria and HIV. The good news is that research from Los Alamos published in the April 19 edition of Nature Scientific Reports indicates that there may be a way to greatly speed up diagnosis. In the paper, the scientists report on a method for the rapid and accurate detection of bacteremia using a technique that works by mimicking the way the human immune system recognizes pathogens.

Bacteremia is the presence of bacteria in the bloodstream and it can be either asymptomatic or result in a life-threatening infection that includes sepsis. Sepsis, which is when the body’s response to infection causes damage to its own tissues and organs, is the most common cause of global childhood mortality.  Microbial culture, which requires bacterial growth in a petri dish, is the current clinical standard for sepsis diagnosis and it is both slow, insensitive, and not practical for field diagnostics. Because of these limitations there is a pressing need for a rapid and accurate method that can direct therapeutic intervention at the point of need. The work presented by the Los Alamos authors is the first step towards developing such a capability and is inspired by the ability of the human immune system to sensitively detect bacteremia in blood very early in the course of infection by its reaction to pathogen biomarkers.

The researchers developed and clinically validated a novel method for the direct detection of the same pathogen biomarkers that the immune system uses to recognize bacteremia associated with both Gram-negative bacteria and Gram-positive bacteria. The Gram test is a method to broadly categorize bacteria based on their cell wall properties, and it is important to be able to detect bacteremia in all classes of bacteria. These biomarkers interact with host lipoprotein carriers in blood, which allows for their direct detection using two tailored assays developed at Los Alamos called membrane insertion and lipoprotein capture (see figure 1). The detection occurs in a waveguide-based optical biosensor platform that was also developed at Los Alamos. The team also demonstrated the application of these methods for the detection of Salmonella Typhimurium bacteremia and Stafylokokken bacteremia in clinical samples from children in rural Africa, in collaboration with the University of New Mexico. Taken together, these results demonstrate the significance of biochemistry in both understanding of host-pathogen biology, and the development of assay methodology, as well as demonstrating a method for the rapid, sensitive and accurate diagnosis of bacteremia at the point of need.

Caption for image below: Figure 1. Overview of bacterial pathogen associated molecular patterns (PAMP) detection strategies. (a) Schematic representation of amphiphilic bacterial biomarkers in association with biochemically similar molecules either by forming micelles or interacting with host lipoprotein carriers. Black arrows indicate physiological associations, while orange arrows indicate experimental processes. In the absence of sequestration by a host lipoprotein carrier, bacterial PAMPs can be detected by (b) membrane insertion, which requires only one antibody. When associated with a host lipoprotein carrier, detection can be performed using (c) lipoprotein capture, which requires two antibodies, as well as prior knowledge of PAMP-lipoprotein carrier associations. Dimensions of the various layers are included in order to present the biophysical dimensions of assay performance within the evanescent field of the waveguide. Graphic representations are not drawn to scale.


Discussie

PPROM and subsequent preterm birth have been strongly associated with bacterial infection and inflammation [ 1, 2, 9– 11]. Although FMs express PRRs such as TLRs and Nod proteins [ 42, 46– 49] and the ability of FMs to generate an inflammatory response toward bacteria or bacterial components is known [ 39– 45], the precise role of innate immune PRRs is not fully appreciated. Furthermore, previous studies in which the function of PRRs has been investigated in the FMs have been limited by their focus on a small panel of factors and/or by studying isolated cells rather than intact tissue [ 42, 48, 57– 60]. Because the chorion and amnion are normally in direct contact with each other and act as a physiologic unit, such communication may be an important factor governing the specific type of response generated. In the current study, we have demonstrated the basal expression of TLR1–10 and NLRs and their associated signaling proteins by normal human term FMs. Moreover, using an in vitro FM explant system, we established a broad cytokine profile secreted by the FMs in response to bacterial PAMPs that specifically activate TLR2, TLR4, TLR5, TLR9, Nod1, and Nod2. All six PRRs are functional in human FMs and trigger distinct cytokine profiles. Furthermore, we have demonstrated a role for the inflammasome component caspase 1 in mediating FM IL1B production in response to TLR but not Nod protein activation.

TLR2 senses Gram-positive bacterial PDG in cooperation with its coreceptors TLR1, TLR6, and TLR10 [ 25, 50]. In this study, we demonstrated that TLR2 and its coreceptors are expressed under basal conditions by normal human term FMs. In cases of chorioamnionitis, FM TLR2 expression is elevated [ 47], and, in women with microbial invasion of the amniotic cavity, soluble TLR2 levels in the amniotic fluid are increased [ 70]. Treatment of FM with PDG resulted in a significant increase in the secretion of the proinflammatory cytokines IL1B, IL6, and G-CSF the inflammatory chemokines IL8, MIP1A, and RANTES and the anti-inflammatory cytokine IL10. The production of IL10 suggests, in addition to an inflammatory profile, the initiation of a regulatory anti-inflammatory response. Whereas most of the factors identified as being induced by PDG have not previously been assessed, our findings that PDG induces IL6 and IL8 secretion are in keeping with those of studies by Fortunato et al. [ 44] and Gillaux et al. [ 59], the latter of which reported that the TLR2/TLR6 agonist MALP2 induces IL6 and IL8 production by isolated amniotic epithelial cells.

Similar to TLR2, the expression of the sensor for Gram-negative bacterial LPS, TLR4, is upregulated in the FMs in patients with chorioamnionitis [ 47] and becomes located to the amniotic epithelial basal membrane [ 46]. Also similar to TLR2, activation of TLR4 by LPS induced the secretion of the inflammatory cytokines IL1B and IL6, the inflammatory chemokine RANTES, and the anti-inflammatory cytokine IL10. However, unlike the response to PDG, there was no significant elevation in IL6, G-CSF, or MIP1A secretion. Instead, we observed the upregulation of IL2, GROA, and TNFA after FM treatment with LPS. Thus, TLR2 and TLR4 activation by their respective bacterial agonists trigger distinct FM cytokine profiles, yet both responses are a combination of pro- and anti-inflammatory cytokines and chemokines. In support of our findings, previous studies using separated human chorion and amnion explants and isolated chorionic cells have reported that LPS induces TNFA [ 48, 58] and that intact FM explants treated with LPS secreted IL1B, TNFA, IL8, and IL10 [ 43]. However, in contrast to our findings, a study using chorionic cells showed that LPS induced MCP1 production [ 58], and a study using intact FM explants showed that LPS induced elevated levels of IFNG and IL6 [ 43]. These differences in the intact FM explant cytokine profiles may be a reflection of different LPS strains used. In our current study, we used E coli LPS strain O111:B4, whereas 2 other studies showing LPS-induced IL6 production by FMs used E coli LPS strain O55:B5 and LPS from Salmonella typhimurium [ 71, 72]. Moreover, a study in non-human primates reported differential cytokine responses from chorioamnion exposed to different LPS structural variants [ 60].

To our knowledge, only 1 study has evaluated the function of TLR5 and TLR9 in FMs by using isolated amniotic epithelial cells rather than intact tissue [ 59]. Gillaux et al. [ 59] reported that, whereas flagellin induced the secretion of IL6 and IL8, TLR9 had no such effect, and it was therefore suggested to be nonfunctional. In our studies using intact FM explants, we also found flagellin to increase the secretion of IL-6 and IL-8, as well as IL1B, TNFA, G-CSF, MIP1A, MIP1B, RANTES, and GROA, indicating an overall proinflammatory response. However, we found that TLR9 did generate an FM response, albeit atypical. Treatment with unmethylated CpG induced a mild stimulatory effect on MCP1 secretion and, in parallel, downregulated the basal secretion of G-CSF, IFNG, MIP1A, MIP1B, RANTES, and VEGF. This suggests that FM TLR9 activation may generate more of a regulatory response associated with tissue repair, rather than an inflammatory one [ 73, 74]. While it is possible that a longer treatment time could yield a more robust TLR9 response in FM [ 75], CpG motifs can promote protective innate immune responses and suppress inflammatory cytokine production [ 75, 76].

Together our studies show that in FMs, TLRs in response to different bacterial PAMPs can trigger varied cytokine/chemokine responses. Indeed, while the 4 TLRs examined in this study can all signal through the common adapter protein MyD88, the reality is that these TLRs have distinct signaling capacities. As already discussed, TLR2 functions by dimerizing either with itself or its coreceptors TLR1, TLR6, or TLR10 [ 25, 50]. TLR2 and TLR4 signal through MyD88 in cooperation with TIR-associated protein (TIRAP/Mal), and TLR4 can also signal through the other bridging adapter proteins TRIF and TRIF-related adapter protein (TRAM) [ 29, 77]. While TLR5 and TLR9 both signal through MyD88 alone to activate IRAK and subsequently NFκB [ 78, 79], TLR9 also triggers activation of IRF7 [ 80]. Thus, these divergences in signaling may explain the differences in cytokine profiles and in the magnitudes of responses generated by the FM explants after treatment with the specific TLR2, TLR4, TLR5, and TLR9 agonists.

Although Nod1 and Nod2 activation by iE-DAP and MDP, respectively, also induced cytokine production by the FMs, the number of factors upregulated by these NLRs was greater than after TLR2, TLR4, TLR5, or TLR9 activation. Furthermore, and similar to TLR stimulation, there were differences in the cytokine profiles generated by iE-DAP and MDP. Both Nod1 and Nod2 activation upregulated the secretion of IL1B, IL2, IL6, G-CSF, IFNG, MIP1A, MIP1B, and RANTES. However, Nod1, but not Nod2, activation also upregulated IL8 and MCP1 secretion, whereas Nod2, but not Nod1 activation, upregulated TNFA and GROA. These findings further underscore the fact that even though a common adapter protein might be involved in the signaling cascade, in this case RICK [ 38], the downstream responses may still differ. Although our findings support a recent study by Lappas [ 42] showing iE-DAP induces IL6 and IL8 secretion by FM explants, unlike this report, in our study we observed elevated IL6, but not IL8 production, in response to MDP.

Although PDG, LPS, flagellin, iE-DAP, and MDP all triggered FMs to generate a strong inflammatory cytokine response, only 2 factors were commonly upregulated, IL1B and RANTES. IL1B is a potent proinflammatory cytokine associated with mediators of membrane weakening [ 4, 14, 15, 17, 18, 22], PPROM, and preterm birth [ 81– 85]. It is also a cytokine that is under tight regulation. Prior to being secreted, IL1B must first be processed from its pro form into its cleaved, active form, and this process is mediated primarily by the inflammasome component caspase 1 [ 69]. Indeed, elevated caspase 1 is detected in the amniotic fluid from patients with preterm labor in the presence and absence of infection, compared with those delivering at term [ 86]. In the current study, we demonstrated that FM tissue expresses little, if any, active IL1B under basal conditions, but when treated with the bacterial components PDG, LPS, flagellin, iE-DAP, or MDP, active IL1B expression is induced, suggesting that TLR and Nod protein activation results in IL1B processing. However, whereas TLR-induced IL1B production was reduced by the presence of a caspase 1 inhibitor, Nod1- and Nod2-induced IL1B production appeared to be independent of caspase 1. How Nod1 and Nod2 trigger IL1B processing might involve other nonapoptotic caspases such as caspase-4 or caspase-5 [ 34, 87]. This observation highlights why clinically the field of PPROM and preterm birth is so challenging and that different bacterial components can induce a common proinflammatory cytokine, IL1B, to trigger PPROM and preterm birth, yet the mechanisms involved are distinct.

In summary, we have demonstrated that human FMs express TLRs, NLRs, and their associated adapter signaling proteins. In response to specific bacterial PAMPs, human FMs generate specific and distinct inflammatory and regulatory cytokine profiles through distinct mechanisms that are dependent upon the type of innate immune PRR involved. The true in vivo scenario, however, represents a polymicrobial state where multiple bacterial components are present [ 88], and subsequently, multiple pattern recognition receptors may be simultaneously engaged. Moreover, within a single bacterium there is more than 1 TLR or NLR agonist expressed. Thus, activation of more than 1 TLR/NLR in the fetal membranes by a combination of bacterial components of varying levels may give rise to further differential cytokine profiles. Together, these findings suggest that infection-associated PPROM and subsequent preterm birth may arise through a number of different signaling pathways.


Bekijk de video: Biologie in detail - stamcellen (Januari- 2022).