Characterization of the molecular interactions between Staphylococcus epidermidis biofilm infections and the host immune system

Abstract

Staphylococcus epidermidis ranks first among the causative agents of nosocomial infections associated with indwelling medical devices. This association is due to the microorganism’s ability to colonize the surface of these devices and form biofilms. The biofilm lifecycle is divided into initial adhesion, accumulation and maturation, and biofilm disassembly. The major clinical complications of biofilm formation is their high resistance to antimicrobials and to the host immune system, resulting in the development of chronic infections. To uncover the mechanisms by which biofilms evade the host immune system and cause chronic infections, a transcriptomic analysis of S. epidermidis biofilms exposed to human blood was performed. Our results revealed extensive changes in the transcriptome, suggesting that a quick adaptation to the new environment was made. Genes involved in amino acids biosynthesis and iron utilization were strongly affected, indicating that these mechanisms are important factors in S. epidermidis biofilm survival in human blood. The biofilm disassembly stage has been associated with the development of acute infections, however, despite its importance in the clinical setting, it is the less studied of the biofilm lifecycle stages. Hence, to comprehend the interactions between biofilm disassembly and the host immune system, biofilm-released cells were characterized with reference to several virulence parameters. Our results revealed that S. epidermidis biofilm-released cells are unique in their phenotype and virulence potential, sharing some features with planktonic cells, but simultaneously displaying features similar to biofilm cells. The phenotypic differences were also manifested as differences in the S. epidermidis transcriptome in response to immune cells. Thus, targeting the particular properties of biofilm-released cells could be important to prevent the serious acute infections associated with biofilm dissemination. As a preventive measure, the ability of a monoclonal antibody raised against PNAG to inhibit S. epidermidis biofilm accumulation was tested. Interestingly, it was observed that depending on the strain, the antibody present variable effect resulting, in some cases, in the enhancement of biofilm accumulation in vitro. In conclusion, the work described throughout this thesis has given an important contribution to the knowledge of biofilmsrelated infections, what will open new opportunities to effectively prevent the pathologic events associated with these serious and prevalent infections.

A espécie Staphylococcus epidermidis é atualmente considerada uma das principais causas do desenvolvimento de infeções nosocomiais, com particular associação a pacientes com dispositivos médicos invasivos. Esta associação é devida à capacidade desta bactéria aderir e formar biofilmes na superfície desses dispositivos. A formação do biofilme é classicamente dividida em adesão inicial, acumulação e maturação e, finalmente, a libertação de células do biofilme para o meio envolvente, num processo designado por dispersão. As grandes implicações clinicas da formação de biofilmes são a sua elevada tolerância aos agentes antimicrobianos e à resposta do sistema imunitário do hospedeiro, o que leva ao desenvolvimento de infeções crónicas. De forma a desvendar quais os mecanismos usados pela bactéria para escapar à resposta do sistema imunitário e causar infeções crónicas, foi caracterizado o transcriptoma de biofilmes de S. epidermidis cultivados na presença de sangue humano. Os resultados revelaram que a presença de sangue humano estimula uma extensa e rápida remodelação do transcriptome da bactéria, provavelmente para promover a adaptação ao novo e complexo ambiente envolvente. Os genes envolvidos na síntese de aminoácidos e na utilização de ferro sofreram as alterações mais pronunciadas, sugerindo que estes dois mecanismos são importantes fatores na sobrevivência da bactéria no sangue humano. Outra das etapas com grandes implicações clinicas é a dispersão de células do biofilme para o meio envolvente, uma vez que está diretamente associada ao desenvolvimento de infeções agudas importantes no hospedeiro. No entanto, esta é a etapa do ciclo de vida dos biofilmes de S. epidermidis menos bem compreendida. Assim, de forma a explorar as interações que ocorrem entre o sistema imunitário do hospedeiro e as células libertadas dos biofilmes de S. epidermidis, estas foram caracterizadas em diversos e importantes parâmetros envolvidos na sua virulência. Os nossos resultados revelaram que as células libertadas pelos biofilmes apresentam um fenótipo único, exibindo características particulares das células planctónicas, bem como das células derivadas do biofilme resultando também num estímulo particular do sistema imunitário do hospedeiro. Assim, estes resultados demonstram que um estudo mais aprofundado destas células poderá revelar novas oportunidades no desenvolvimento de estratégias preventivas contra as consequências patológicas associados à dispersão de células do biofilme. Numa perspetiva mais preventiva, a capacidade de um anticorpo monoclonal, específico para a PNAG, de inibir a acumulação dos biofilmes foi testada num sistema in vitro. Curiosamente, dependendo da estirpe testada, o anticorpo apresentou eficácia variável resultando, em alguns casos particulares, no aumento da capacidade da estirpe de formar biofilme. O trabalho descrito nesta tese contribuiu, significativamente, para aumentar o conhecimento sobre as infeções-associadas à formação de biofilmes e a interação destes com o sistema imunitário do hospedeiro. Este conhecimento irá, seguramente, abrir novas oportunidades para prevenir os eventos patológicos associados com estas infeções, por vezes severas, altamente prevalentes na sociedade.