The role of iron uptake in Staphylococcus epidermidis biofilm formation and virulence

Abstract

Staphylococcus epidermidis é um importante microrganismo comensal da pele e mucosas em humanos, sendo também uma causa frequente de infeções potencialmente fatais em pacientes imunocomprometidos. A sua capacidade assinalável de formar biofilmes é amplamente apontada como o seu principal determinante patogénico. Apesar de se terem alcançado significativos avanços no entendimento dos seus mecanismos de formação de biofilme, esta espécie bacteriana continua a ser responsável por uma proporção significativa de infeções associadas aos cuidados de saúde, particularmente aquelas relacionadas com o uso de dispositivos médicos implantáveis. Este facto enfatiza a importância de um melhor entendimento do processo de formação de biofilme em S. epidermidis e dos fatores que o modulam. Tendo em conta que S. epidermidis enfrenta uma severa privação de ferro assim que entra na corrente sanguínea, testou-se a hipótese de que a aquisição de ferro desempenha um papel importante na formação de biofilme por S. epidermidis e na sua evasão ao sistema imune inato do hospedeiro. Os primeiros dados experimentais revelaram uma capacidade comprometida de S. epidermidis em formar biofilmes sob condições de restrição de ferro, principalmente atribuíveis a uma redução da taxa de crescimento, da viabilidade celular e da produção de adesina polissacarídica intercelular (PIA/PNAG). No entanto, e não obstante as condições desfavoráveis, S. epidermidis apresenta capacidade de proliferar neste cenário, implicando que esta espécie tem mecanismos dedicados à aquisição de ferro. Uma inspeção dos genomas de S. epidermidis disponíveis, juntamente com experiências de transcrição, levou à identificação de um grupo de genes putativamente envolvidos na aquisição de ferro. Seguindo uma abordagem mutagénica, foi demonstrado que uma dessas regiões genéticas (subsequentemente denominada sfaABCD) codifica a única via biossintética de sideróforos em S. epidermidis. Surpreendentemente, a eliminação de sfaABCD ou de dois outros loci que codificam um putativo transportador ABC de complexos ferro-sideróforo (htsABC e fhuA) resultou em estirpes mutantes seriamente incapacitadas de formar biofilme em condições de restrição de ferro. A eliminação de sfaABCD foi igualmente associada a uma replicação bacteriana mais baixa ou nula em macrófagos humanos e de ratinho, a uma inibição da produção de espécies reativas de oxigénio por neutrófilos e uma maior suscetibilidade à morte mediada por peróxido de hidrogénio. Os dados deste estudo mostram que a aquisição de ferro mediada por sideróforo é um importante processo para a formação de biofilmes por S. epidermidis sob condições de deficiência de ferro, mas também para a modulação da interação desta bactéria com o sistema imune inato do hospedeiro. Em última instância, estes resultados sugerem que a inibição deste processo de aquisição de ferro pode ser eficaz no tratamento de infeções por S. epidermidis associadas à formação de biofilme.

Staphylococcus epidermidis is one of the most important commensal microorganisms of human skin and mucosae, but additionally it is often the cause of potential life-threatening infections in immunocompromised patients. A remarkable ability to form biofilms is widely regarded as its major known pathogenic determinant. Although a significant amount of knowledge on its biofilm formation mechanisms has been achieved, this bacterial species still accounts for a significant proportion of hospital-acquired infections, particularly those related with the use of implantable biomedical devices. This emphasizes the importance of a better understanding of biofilm formation in S. epidermidis and of the factors that modulate this process. Given that S. epidermidis faces severe deprivation of iron after entering the bloodstream, it was tested the hypothesis that iron acquisition plays an important role in S. epidermidis biofilm development and escape from the host innate immune system. The first experimental data revealed a compromised ability of S. epidermidis to form biofilms under ironrestricted conditions, mainly attributable to a reduced growth rate, cell viability, and production of polysaccharide intercellular adhesin (PIA/PNAG). However, and despite the unfavorable conditions, S. epidermidis is still able to proliferate in this scenario, implying that this species has dedicated mechanisms to acquire iron. An inspection of available S. epidermidis genomes along with transcriptional experiments has led to the identification of a group of genes putatively involved in iron acquisition, such as siderophore biosynthesis and uptake of iron-siderophore complexes. By following a mutagenesis approach, it was demonstrated that one of those genetic regions (subsequently termed sfaABCD) encodes the sole siderophore biosynthetic pathway in S. epidermidis. Strikingly, deletion of sfaABCD or two other loci putatively encoding an iron-siderophore ABC transporter (htsABC and fhuA) resulted in mutant strains severely incapacitated for biofilm formation in iron-restricted conditions. Deletion of sfaABCD was also associated with lower to null bacterial replication within murine and human macrophages, inhibition of reactive oxygen species generation by neutrophils, and higher susceptibility to hydrogen peroxidemediated killing. The data collected in this study show that siderophore-mediated iron acquisition is an important process for S. epidermidis to form biofilms under conditions of iron starvation, but also for the modulation of the interaction of this bacterium with the host innate immune system. Ultimately, these results suggest that inhibiting this iron acquisition process may be effective in the treatment of biofilm-associated S. epidermidis infections.