Einfluss der Biofilmbildung von Staphylokokken auf die Makrophagenfunktion.

Fragestellung Bakterielle Biofilme auf orthopädischen Implantaten erschweren die Behandlung von Implantat-assoziierten Knocheninfektionen und werden mit einem chronischen Infektionsverlauf verbunden. Makrophagen als Zellen des angeborenen Immunsystems spielen eine wichtige Rolle in der frühen Bekämpfung dieser Infektionen. Weiterhin sind sie als Vorläuferzellen für Osteoklasten (OC) an dem entzündungsbedingten Knochenabbau beteiligt.

Ziel des Projekts ist es zu untersuchen, ob die Biofilmbildung von Staphylokokkus aureus (SA) und epidermidis (SE) die Immunfunktion von Makrophagen sowie deren Differenzierungsfähigkeit in OC beeinflusst.

Methodik SA und SE wurden in Schüttelkulturen (planktonisch) und statisch in Zellkulturplatten zur Bildung von Biofilmen in Zellkulturmedium kultiviert. Zur Herstellung der konditionierten Medien (KM) wurden diese jeweils für 24 Stunden mit den Bakterienkulturen inkubiert (planktonisch bzw. Tag 3 oder 6 Biofilme), sterilfiltriert und pH eingestellt. Murine RAW 264.7 Makrophagen wurden mit den KM (1:2 eingesetzt mit frischem Zellkulturmedium) mit und ohne Zugabe des OC-induzierenden Zytokins RANKL stimuliert. Die Analyse der Makrophagenaktivität und -differenzierung erfolgte mittels FACS, qPCR und Western Blot. Die Bildung von Osteoklasten wurde nach OC-spezifischer TRAP-Färbung mikroskopisch nachgewiesen. Weiterhin wurde die Aktivierung möglicher Signalwege untersucht. Die statistische Auswertung der Ergebnisse erfolgte mittels Mann-Whitney U Test.

Ergebnisse und Schlussfolgerung Die Stimulierung mit den KM führte zu einer Hochregulation der Aktivierungsmarker CD80/86 und TLR-2, wobei deren Anstieg in den planktonischen Medien stärker ausgeprägt war. Alle KM induzierten die Expression pro- und anti-inflammatorischer Zytokine, die IL-10 mRNA Spiegel waren im planktonischen SE Medium am höchsten. Die KM unterdrückten die RANKL-induzierte Osteoklastenbildung. Passend hierzu waren auch die Expressionsspiegel der Osteoklastengene NFATc1, ATP6Vod2 und Acp5 (TRAP) deutlich verringert. Auf Proteinebene war NFATc1 weiterhin induziert, was darauf hindeutet, dass die KM erst auf Transkriptionsfaktorebene mit dem NFAT Signalweg interferieren. In den KM-stimulierten Makrophagenkulturen bildeten sich vermehrt multinukleäre Riesenzellen (MGC). Diese traten vor allem im planktonischen SE Medium auf. Die Differenzierung zu MGC scheint dabei unabhängig von dem IL-4/Phospho-Stat6 Signalweg zu sein, der bei der Bildung von Fremdkörperriesenzellen eine Rolle spielt. Die KM führten dagegen zu einer Aktivierung des Phospho-Stat3 Signalwegs, welche in den planktonischen Medien stärker ausgeprägt war.

Unsere Daten zeigen, dass die Biofilmbildung die Makrophagenfunktion beeinflusst und mit multinukleären Riesenzellen verbunden werden kann. Unsere Ergebnisse können helfen, Ansatzpunkte für eine immunmodulatorische Stärkung der körpereigenen Abwehr zu identifizieren, um die Bildung von Biofilmen zu verhindern und damit die Behandlung von Implantat-assoziierten Knocheninfektionen zu unterstützen.

Stichwörter Implantat-assoziierte Knocheninfektionen, Staphylokokken, Biofilmbildung, Makrophagen, Osteoklasten, Multinukleäre Riesenzellen, Immunantwort

Publication History

Article published online:
15 October 2020