Adaptive immune response to lipoproteins of Staphylococcus aureus in healthy subjects

Staphylococcus aureus is a frequent commensal but also a dangerous pathogen, causing many forms of infection ranging from mild to life-threatening conditions. Among its virulence factors are lipoproteins, which are anchored in the bacterial cell membrane. Lipoproteins perform various functions in colonization, immune evasion, and immunomodulation. These proteins are potent activators of innate immune receptors termed Toll-like receptors 2 and 6. This study addressed the specific B-cell and T-cell responses directed to lipoproteins in human S. aureus carriers and non-carriers. 2D immune proteomics and ELISA approaches revealed that titers of antibodies (IgG) binding to S. aureus lipoproteins were very low. Proliferation assays and cytokine profiling data showed only subtle responses of T cells; some lipoproteins did not elicit proliferation. Hence, the robust activation of the innate immune system by S. aureus lipoproteins does not translate into a strong adaptive immune response. Reasons for this may include inaccessibility of lipoproteins for B cells as well as ineffective processing and presentation of the antigens to T cells.</p

Die adaptive Immunantwort gegen Staphylococcus aureus – zwischen Protektion und Allergie

Staphylococcus (S.) aureus kann viele unterschiedliche Infektionstypen verursachen. Infektionen mit S. aureus können sowohl lokal, als auch systemisch auftreten, und dann zu Bakteriämien oder sogar Sepsis führen. S. aureus ist ein prominentes Beispiel für die aktuelle Antibiotika-Krise. Resistenzen gegenüber zahlreichen Antibiotika erfordern neue Präventions- und Therapieansätze gegen S. aureus-Infektionen. Ideal wäre eine Antikörper-induzierende anti-S. aureus-Vakzine. Bisher sind jedoch alle Vakzinekandidaten in der klinischen Prüfung gescheitert. Aktuell wird daher von einigen Experten bezweifelt, dass S. aureus-spezifische Antikörper überhaupt protektiv wirken können. Dagegen werden nun Th17-Zellen als entscheidende Komponente des Immunsystems bei der Abwehr von S. aureus angesehen. Um die Rolle von Antikörpern bei S. aureus-Infektionen zu untersuchen, wurde in dieser Arbeit ein Verfahren entwickelt, um die IgG-Bindung an S. aureus-Proteine zu quantifizieren. Eigens für diesen Zweck wurde eine Protein A-negative Mutante des S. aureus-Stamms USA300 hergestellt. Die Bakterien wurden unter Eisenlimitation kultiviert, da sich herausgestellt hat, dass sich dadurch mehr Informationen über die IgG-Bindung an S. aureus-Proteine erhalten ließen. Es wurden Seren von gesunden Probanden und von verschiedenen Patientenkohorten getestet. Die Daten zeigen, dass Erreger-spezifische Antikörper bei S. aureus-Bakteriämie und Zystischer Fibrose zumindest als Marker für die Protektion vor einem schweren Verlauf angesehen werden können. Die Information über die IgG-Bindung an acht S. aureus-Proteine erlaubte die Stratifizierung von Patienten, die während der Bakteriämie eine Sepsis entwickelten von solchen, die keine Sepsis entwickelten. Hinweise, dass die spezifischen Antikörper sogar protektiv wirken, zeigten Untersuchungen der Seren von Hyper-IgE-Syndrom-Patienten. Diese Patienten leiden häufig unter schweren S. aureus-Infektionen. Neben ihrem angeborenen Th17-Zelldefekt mangelte es ihnen auch an S. aureus-spezifischen IgG-Antikörpern. Es konnte gezeigt werden, dass die Substitution spezifischer IgG-Antikörper bei diesen immunkompromittierten Patienten vor neuen S. aureus-Infektionen schützt. Das heißt, dass diese Patienten trotz ihres Th17-Zelldefekts S. aureus besser abwehren können. Diese Daten verdeutlichen das mögliche Potenzial von IgG bei der Protektion vor S. aureus-Infektionen. Neben den beiden Rollen als Kommensale und als Pathogen, wird über eine dritte Rolle von S. aureus diskutiert: S. aureus als Allergen. Die Empfänglichkeit für eine S. aureus-Besiedlung ist bei Th2-dominierten Erkrankungen erhöht. Jedoch ist unbekannt, ob S. aureus aufgrund von Überlebensvorteilen so häufig bei diesen Erkrankungen vorkommt, oder ob das Bakterium sogar selbst diese Th2-dominierte Ausrichtung der Immunantwort durch Allergene induzieren kann. Deshalb sollte in dieser Arbeit nach S. aureus-Allergenen gesucht werden, die diese Qualität der Immunantwort induzieren können. IgG4 diente dabei als Surrogatmarker für eine Th2-Immunantwort. Die IgG4-Bindung aus Seren gesunder Spender an S. aureus-Proteine wurde untersucht. S. aureus-Serinproteasen (SplA bis SplF) stellten sich dabei als die dominanten IgG4-bindenden Proteine heraus. Deshalb wurde die adaptive Immunantwort auf die Spls genauer untersucht. Die IgG-Antwort auf Spls ist in Richtung IgG4 verschoben und Spl-spezifische T-Zellen sezernierten Zytokine, die typisch für eine Th2-Immunantwort sind. Insgesamt zeigen die Daten, dass bereits bei gesunden Probanden die Immunantwort gegenüber Spls in Richtung einer Typ 2 Inflammation verschoben ist. Spls scheinen in der Lage zu sein, durch die Induktion eines entsprechenden Zytokinprofils die Qualität der Immunantwort auf S. aureus zu modulieren. Bei entsprechend prädisponierten Menschen könnte die Immunantwort durch Spls in Richtung Th2 entgleisen. Dann würde allergenspezifisches IgE synthetisiert und eine Allergie ausgelöst werden. Patienten, deren Lunge mit S. aureus besiedelt/infiziert war, besaßen besonders viel Spl-spezifisches IgE. Eine adäquate Immunreaktion gegen S. aureus ist essentiell für die Abwehr des Mikroorganismus. Die Ergebnisse dieser Arbeit stellen heraus, dass S. aureus-spezifische Antikörper – entgegen der Meinung einiger Experten – einen positiven Beitrag leisten können, indem sie vor schweren Infektionsverläufen schützen. Es werden Vorschläge für die Zusammensetzung einer auf Antikörpern basierenden anti-S. aureus-Vakzine aufgezeigt. Aber die Immunreaktion gegen S. aureus kann auch pathologische Folgen haben. Die Ergebnisse dieser Arbeit stützen die Hypothese, dass S. aureus Allergien verursachen kann. Sie liefern außerdem starke Hinweise darauf, dass Spls dabei als Allergene eine Schlüsselrolle einnehmen. Diese Erkenntnis ist neu und unerwartet. Angesichts der weltweiten Bedeutung von Allergien, besonders von Asthma, muss die mögliche Rolle der Spls bei deren Pathogenese mit hoher Priorität weiter aufgeklärt werden.Staphylococcus (S.) aureus causes a broad range of local and systemic infections. The appearance of antibiotic resistant S. aureus strains and the lack of new therapeutic agents point out that alternative therapeutic or preventive strategies are urgently required. One such approach is an anti-S. aureus vaccine. But, so far, all tested vaccines failed in clinical trials and especially patients with Th17 defects show high susceptibility to S. aureus infections. Hence, Th17 cells are now thought to play a major role in clearing S. aureus infections and the question remains whether specific antibodies are able to protect from S. aureus infections. To elucidate the role of antibodies in S. aureus infections, an assay for quantification of IgG binding to S. aureus proteins was established. For this purpose, a protein A-negative USA300 strain was generated. S. aureus was cultured under iron-restricted growth conditions to mimic the in vivo condition during infection. It turned out that iron restriction induced expression of new and immunogenic S. aureus proteins. IgG binding to S. aureus proteins was quantified in sera of different patient cohorts. High amounts of S. aureus-specific IgG were correlated with disease outcome. S. aureus bacteremia patients that developed no sepsis during disease progression showed higher amounts of specific antibodies than patients that developed sepsis. Information of IgG binding to eight S. aureus proteins enabled stratification of sepsis from non-sepsis patients. Hints for the capacity of specific antibodies to protect from S. aureus infections could be achieved by data from hyper-IgE syndrome patients that frequently suffer from severe S. aureus infections: In addition to their Th17 defect they showed only low amounts of S. aureus-specific IgG. Substitution with specific IgG could protect them from new S. aureus infections, even in the absence of functional Th17 cells. Beside its role as pathogen and commensal, S. aureus is being discussed to play a role as an allergen in type 2 immune response dominated diseases. For example, patients suffering from atopic dermatitis or asthma are more frequently colonized with S. aureus than healthy people. However, it is not known if S. aureus is a frequent colonizer of these patients due to survival advantages in type 2 immune responses, or if S. aureus is even able to induce this favorable quality of immune response. Hence, S. aureus proteins should be identified that are able to induce type 2 immune responses in humans. IgG4 was used as a surrogate marker for a type 2 immune response. IgG4 binding to S. aureus proteins revealed S. aureus serine proteases (SplA - SplF) as dominant IgG4 binding S. aureus proteins. The IgG response to Spls was shifted towards IgG4 and Spl-specific T cells secreted characteristic cytokines of a type 2 immune response. Spls appear to be able to shift the immune response towards type 2, even in healthy people. In predisposed individuals the immune response to Spls could be turned into allergic reactions, followed by the production of specific IgE. Indeed, patients which are infected by S. aureus in the lung had high amounts of Spl-specific IgE. An appropriate immune reaction to S. aureus is essential for the clearance of this microorganism. The results of this work point out that S. aureus-specific antibodies can mediate protection against S. aureus infections. Eight vaccine candidates for an anti-S. aureus vaccine were identified. However, the quality of the immune response against S. aureus could have pathological consequences. The results of this work support the hypothesis that S. aureus is able to induce allergies. Spls were identified as allergens of S. aureus

Omics Approaches for the Study of Adaptive Immunity to Staphylococcus aureus and the Selection of Vaccine Candidates

Staphylococcus aureus is a dangerous pathogen both in hospitals and in the community. Due to the crisis of antibiotic resistance, there is an urgent need for new strategies to combat S. aureus infections, such as vaccination. Increasing our knowledge about the mechanisms of protection will be key for the successful prevention or treatment of S. aureus invasion. Omics technologies generate a comprehensive picture of the physiological and pathophysiological processes within cells, tissues, organs, organisms and even populations. This review provides an overview of the contribution of genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics and immunoproteomics to the current understanding of S. aureus‑host interaction, with a focus on the adaptive immune response to the microorganism. While antibody responses during colonization and infection have been analyzed in detail using immunoproteomics, the full potential of omics technologies has not been tapped yet in terms of T-cells. Omics technologies promise to speed up vaccine development by enabling reverse vaccinology approaches. In consequence, omics technologies are powerful tools for deepening our understanding of the “superbug” S. aureus and for improving its control

Reduced immunoglobulin (Ig) G response to Staphylococcus aureus in STAT3 Hyper-IgE Syndrome

STAT3 hyper-IgE syndrome (STAT3-HIES) patients presented with significantly lower Staphylococcus aureus-specific serum IgG compared to cystic fibrosis patients despite recurrent S. aureus infections. Immunoglobulin replacement therapy increased S. aureus-specific IgG in STAT3-HIES patients and attenuated the clinical course of disease suggesting a role of humoral immunity in S. aureus clearance

Global antibody response to Staphylococcus aureus live-cell vaccination

The pathogen Staphylococcus aureus causes a broad range of severe diseases and is feared for its ability to rapidly develop resistance to antibiotic substances. The increasing number of highly resistant S. aureus infections has accelerated the search for alternative treatment options to close the widening gap in anti-S. aureus therapy. This study analyses the humoral immune response to vaccination of Balb/c mice with sublethal doses of live S. aureus. The elicited antibody pattern in the sera of intravenously and intramuscularly vaccinated mice was determined using of a recently developed protein array. We observed a specific antibody response against a broad set of S. aureus antigens which was stronger following i.v. than i.m. vaccination. Intravenous but not intramuscular vaccination protected mice against an intramuscular challenge infection with a high bacterial dose. Vaccine protection was correlated with the strength of the anti-S. aureus antibody response. This study identified novel vaccine candidates by using protein microarrays as an effective tool and showed that successful vaccination against S. aureus relies on the optimal route of administration

Staphylococcal serine protease-like proteins are pacemakers of allergic airway reactions to Staphylococcus aureus.

A substantial subgroup of asthmatic patients have "nonallergic" or idiopathic asthma, which often takes a severe course and is difficult to treat. The cause might be allergic reactions to the gram-positive pathogen Staphylococcus aureus, a frequent colonizer of the upper airways. However, the driving allergens of S aureus have remained elusive

Specific serum IgG at diagnosis of Staphylococcus aureus bloodstream invasion is correlated with disease progression.

Although Staphylococcus aureus is a prominent cause of infections, no vaccine is currently available. Active vaccination relies on immune memory, a core competence of the adaptive immune system. To elucidate whether adaptive immunity can provide protection from serious complications of S. aureus infection, a prospective observational study of 44 patients with S. aureus infection complicated by bacteremia was conducted. At diagnosis, serum IgG binding to S. aureus extracellular proteins was quantified on immunoblots and with Luminex-based FLEXMAP 3D™ assays comprising 64 recombinant S. aureus proteins. Results were correlated with the course of the infection with sepsis as the main outcome variable. S. aureus-specific serum IgG levels at diagnosis of S. aureus infection were lower in patients developing sepsis than in patients without sepsis (P<0.05). The pattern of IgG binding to eight selected S. aureus proteins correctly predicted the disease course in 75% of patients. Robust immune memory of S. aureus was associated with protection from serious complications of bacterial invasion. Serum IgG binding to eight conserved S. aureus proteins enabled stratification of patients with high and low risk of sepsis early in the course of S. aureus infections complicated by bacteremia