(3) jatkuu...Stafylokokki ja ihmisen immuunijärjestelmä (Luonnollinen ja adaptoitunut hankittu immuniteetti)

LÄHDE:   Väitöskirja vuodelta 2007: hdl.handle.net/2077/2584 LÄHDE: Ann-Marie Calander. Proteases in Staphylococcal Arthritis. Dep. of Rheumatology and inflammation Research. Sahlgrenska Academy, Göteborg university. ISBN 978-91-628-7040-9

(I) Luonnollinen immuunijärjestelmä

Komplementin osuus, neutrofiilit, fagosytointi, happilajit, NADH, defensiinit, koagulaatiojärjestelmä

Infektiokaskadin tapahtumissa on ensimmäisiä vaiheita komplementtijärjestelmän aktivoituminen, mikä johtaa komplementtitekijän C3-konvertaasin sitoutumiseen bakteerin pinnalle asettuneisiin komplekseihin C4b2a ja C3Bb. C3- konvertaasi pilkkoo esiin C3- tekijää ja täten aloittaa bakteerin opsonisaation C3B:n avulla ja samalla vapautuu kemoattraktanttia C3a (anafylatoksiinia). 
C3-konvertaasi osallistuu myös aktivoimaan C5-konvertaasia, joka kehkeyttää C5b ja C5a tekijät. (Jälkimmäinen on anafylatoksiini.)
 Nämä pienet kemoattraktantit C3a ja C5a ja bakteeriperäiset formyloituneet peptidit liipaisevat esiin neutrofiilien (jyväisten granulosyyttien, valkosolujen) paikalle saapumista verisuoniston seinämistä päin ja kemotaktisesti ohjaavat niiden kulkua kohti kudoksessa olevaa infektiokohtaa.
Komplementtisysteemin suojaava rooli S. aureusta vastaan on katsottu johtuvan sen kombinoidusta vaikutuksesta neutrofiilien migroitumiseen ja fagosytoosiin.
 
Fagosytoosissa neutrofiilit ottavat sisäänsä stafylokokkeja ja tämä sisäänotto välittyy lähinnä neutrofiilireseptorien (komplementtireseptorien1,3 (CR1, CR3) ja Fc reseptorin) sitoutumisella opsoniinimolekyyleihin, jotka peittävät bakteeripintaa (C3b, sen inaktivoitu muoto iC3b ja vasta-aineet). 
Neutrofiilien kriittisen tärkeä osuus S. aureusinfektiossa osoitettiin siitä löydöstä, että neutrofiilien poistaminen hiiriltä johti 100%:sti verenmyrkytyskuolemaan, kun taas kontrollihiiret pysyivät elossa. Lisäksi havaittiin, että neutropeniset hiiret näyttivät omaavan merkitsevsti suurempaa taipumusta niveltulehdukseen.

Stafylokokki tuhoutuu lopullisesti fagolysosomissa antimikrobiaalisten peptidien avulla ja niillä happiradikaaleilla, joita neutrofiilien hengitysketjusta purkaantuu. Siinä prosessissa vapahtuu myeloperoksidaasia (MPO) azurofiilisistä jyväsistä fagosomiin ja siinä onkin neutrofiilin, jyväisen granulosyytin vahva antimikrobiase- ja jos se puuttuu koehiirestä, alenee hiiren neutrofiilien (jyväisten valkosolujen)  sytotoksinen bakteereita ja sieniä tappava kyky.
 MPO toimii yhteistyössä NADPH-oksidaasin kanssa ja muodostaa hyvin bakterisidistä hypokloriittia, mikä tappaa S, aureuksen. NADPH-oksidaasin roolia kuvaa hyvin granulomatoositaudissa esiintyvä tilanne. Siinä yksilöltä puuttuu funktionaalista NADPH-oksidaasia ja hän on hyvin altis saamaan stafylokokki-infektioita. 
Oksidatiivisen purkauksen aikana nimittäin vapautuu typpioksidia (NO), vetyperoksidia (H2O2) ja superoksidianionia (O2-) ja ne ovat suoraan bakteeritoksisia.

Tämän hapesta johtuvan bakteerien tuhoamisen lisäksi luonnollinen immuunijärjestelmä välittää hapesta riippumatonta bakterisidisyyttä defensiineillään ( antimikrobisilla peptideillään) ja entsyymeillään, joita on neutrofiilin fagolysosomissa.
 Defensiinit ovat kationisia peptideitä, jotka tekevät interaktiota bakteerisoluseinämän anionisten komponenttien kanssa johtaen bakteerisoluseinämän depolarisoitumiseen.

Luonnollisen immuniteetin järjestelmän solut ilmentävät itusolulinjan koodaamia reseptoreita, jotka tunnistavat patogeeniin liittyvää molekulaarista mallia (PAMP), esimerkiksi lipopolysakkaridia (LPS) ja peptidoglykaania(PG). Makrofagin mannoosi-endosyyttireseptori tunnistaa bakteerissa olevaa PAMP-tyyppiä , välittää bakteerin sisäänoton makrofagiin ja edelleen toimituksen lysosomiin: bakteeri hajoitetaan, prosessoidaan ja sitten esitetään pieninä oligopeptideinä MHCII-molekyylien avulla.ja täten ne ovat linkkinä luonnollisen immuniteetin ja hankitun, spesifisen immuniteetin välillä. ( jonka reseptorit ottavat vastaan MHCII modulin  esittämää antigeeni-informaatiota).(Kts. Keskimmäinen kuva:MHCII molekyyli makrofagin pinnalla ja siinä tarjoutuu bakteerista jokin kehovieras peptidiosa,fragmentti. Ja Th1 auttajasolu solu tunnistaa  vierasta pala palalta  TCR ja CD modulilla ja alkaa aktivoida  muita soluja ja  myös immunoglobuliinituotantoa B-solutietä, humoraalista immuunivastetta)

Koagulaatiojärjestelmä

Toinen tärkeä osatekijä luonnollisessa puolustuksessa on koagulaatiojärjestelmä

Bakteeri-infektio aktivoi hyytymisjärjestelmän (koagulaatiokaskadin) ulkoista ( extrinsic pathway) tietä, jossa TF( kudostekijä) ja fVII (koagulaatiotekijä) tekevät kompleksin, joka aktivoi veressä kiertäviä fIX ja fX-tekijöitä ja niitten välityksellä trombiinin (fII). Sitten aktivoitu trombiini (fIIa) konvertoi veressä kiertävän fibrinogeenin fibriiniksi.

 Fibriinin muodostus bakteeritulehduksessa katsotaan isäntäkehon keinoksi koettaa rajoittaa bakteereitten leviämista, mutta tilanteen ollessa paha reaktio saattaa johtaakin hengenvaaralliseen yleistyneeseen verisuoniston sisäiseen hyytymiseen ( disseminated intravascular coagulation, DIC).

Infektio saattaa liipaista hyytymisjärjestelmän ( koagulaatiokaskadin) käyntiin myös sisäistä tietä ( intrinsic pathway). Kontaktisysteemi käsittää koagulaatiotekijät fXI, fXII, plasman kallikreiinin (PKK) ja kofaktorin, raskaspainoisen kininogeenin (HK). HK:n prosessoinnissa vapautuu bradykiniiniä (BK), joka on vahvasti verisuonia laajentava peptidi ja avainmolekyyli siinä hypovolemisessa shokissa, mikä sepsistilassa (verenmyrkytyksessä) kehittyy. 

Kun kontaktijärjestelmää aktivoituu S.aureuksen kaltaisen bakteeripatogeenin pinnalla, HK:n pilkkoutumisesta seuraa edelleen sellaistakin  peptidiä, joka pystyy tappamaan bakteeria, mikä viittaa koagulaatiojärjestelmän ja immuunipuolustuksen läheiseen suhteeseen.

Innate immunity

One of the very first steps in the infection cascade of events is the activation of the complement system, which leads to the binding of C3 convertase (complexes C4b2a and C3bBb) to the bacterial surface

[21]. The C3 convertase cleaves C3 and thereby initiates the opsonization of the bacteria with C3b and the release of the chemo-attractant C3a [22]. C3 convertase also takes part in activating C5 convertase to generate C5b and C5a [23]. The small chemo-attractants C3a, C5a and bacterial formylated peptides trigger neutrophil diapedesis, migration through the blood vessel wall, but also exert chemotaxis that is direct the movement of neutrophils to the site of infection in the tissue [24].

The protective role of the complement system against S. aureushas been attributed to its combined action on neutrophil migration and phagocytosis [25]. Phagocytosis, the uptake of staphylococci by neutrophils, is largely mediated by the binding of neutrophil receptors, i.e. complement receptor 1, 3, and the Fc receptor to opsonic molecules covering the bacterium (C3b, inactivated C3b and antibodies) [26].

The crucial role of neutrophils in S. aureus infection was demonstrated by the finding that eradicating neutrophils resulted in 100% septic mortality whereas all the control mice survived.

Furthermore, neutropenic mice also showed a significantly increased arthritis frequency [27]. Staphylococci are finally killed in the phagolysosome by antimicrobial peptides and by oxygen radicals generated during the neutrophil respiratory burst [28]. During this process myeloperoxidase (MPO) released from azurophilic granules into the phagosome forms a powerful antimicrobial tool, shown by the fact that MPO-deficient mice display a severely reduced cytotoxic capacity towards bacteria and fungi [29]. MPO works in concert with NADPH oxidase to form the highly bactericidal hypochlorous acid which kills S. aureus

The role of NADPH oxidase is further illustrated by the high susceptibility to staphylococcal infections among individuals suffering from chronic granulomatous disease (CGD) lacking functional NADPH oxidase [31]. During the oxidative burst, nitric oxide (NO), hydrogen peroxide (H2O2 ) and superoxide anion (O2-) are formed, which are directly toxic to bacteria.

In addition to this oxygen-dependent killing of bacteria, the innate immune system mediates oxygen-independent killing exerted both by anti-microbial peptides, so called defensins, and enzymes within the neutrophil phagolysosome. Defensins are cationic peptides that interact with the anionic components of bacterial cell membrane leading to depolarization, permeabilization, leakage of bacterial cell content and finally to bacterial death [32, 33].

The cells of the innate immune system express germ-line encoded receptors that recognize pathogen associated molecular patterns (PAMPs), for example lipopolysaccharides (LPS) and peptidoglycans (PG). The macrophage mannose endocytic receptor recognizes PAMPs on the bacteria, mediates their uptake and delivery to lysosomes where they will be degraded, processed and presented be MHC molecules on the cell surface thereby constituting an important link between innate and acquired immunity.

Another important player in innate immunity is the coagulation system. Bacterial infection activates the coagulation cascade through the extrinsic pathway in which tissue factor and coagulation factor VII form a complex that through activation off actor IX and X activates thrombin which in turn converts fibrinogen to fibrin [34].

The formation of fibrin is considered as an attempt from the host to limit the spread of bacteria but in severe cases it may give rise to a fatal syndrome called disseminated intravascular coagulation (DIC).

Infection can also trigger the coagulation cascade via the intrinsic pathway i.e. via the contact system. The contact system is composed of coagulation factor XI, XII,plasma kallikrein and the co-factor high molecular weight kininogen (HK). Processing of HK releases bradykinin (BK) which as a potent vasodilatator is a key molecule in the development of sepsis induced hypovolemic shock [35]. Activation of the contact system at the surface of bacterial pathogens like S. aureus was recently found to result in further cleavage of HK resulting in a peptide with high capacity for bacterial killing [36], additionally pointing to the close relationship between coagulation and immune defence.

(II) Adaptoitunut, sopeutettu  immuniteetti, immuunipuolustuksen hankittu osa

Kun ihminen on käynyt läpi stafylokokki-infektion, hän ei saa kuitenkaan mitään immuniteettia uutta infektiota kohtaan. Noin 25% terveisestä aikuisista on oireettomia S-aureuksen kantajia ja jos he joutuvat sairaalaan jostain muusta syystä, lisäntyy nosokomiaalisen S-aureus-verenmyrkytyksen riski. Mutta mielenkiintoista kyllä heillä näyttää ennuste olevan kuitenkin parempi kuin niillä, jotka eivät kanna S..aureusta. 
Verrataessa kantajien ja ei-kantajien vasta-ainekirjoja S.aureus superantigeenin suhteen, kantajilla näytti olevan kolonisoiduissa kannoissaan ilmentyviä superantigeenejä kohtaan spesifiset korkeat neutraloivat vasta-ainetiitterit . Tulokset osoittavat,että kantajuus voi merkitä kantaspesifistä humoraalista immuniteettia, jolla saattaa olla osansa S.aureusverenmyrkytyksen aikaisessa suojaavuudessa. 
Hiirikokeissa kuitenkaan ei ole voitu osoittaa edullisia vaikutuksia kokeellista septistä endokardiittia vastaan niistä vasta-aineista, joita kehkeytettiin S.aureus -bakteerikapselin polysakkaridilla tai koko bakteerisolulla. Kuitenkin jos annettiin stafylokokin ilmentämiä pintaproteiineja kuten kollageeniadhesiinia,ClfA tai typistettyä fibronektiiniadhesiinia rekombinoituina proteiineina, ne nostattivat esiin suojaavaa immuniteettia sekä systeemi-infektiota että artriittia vastaan.
Jo muutaman päivän kuluttua auttaja-T-solut,  (CD4+)T-solut invasoituvat S-aureuksen infektoimaan niveleeseen ja useimmilla niistä soluista ilmenee Vbeeta11 TCR.
Sellaiset  solut vastaavat stafylokokkiperäisiin superantigeeneihin, TSST-1. 
 Tehtiin kokeita poistamalla hiiriltä joko koko T-auttajasolu CD4+ aitio tai vain CD4+ Vbeeta11+ solut ja tällainen poisto lievensi sepsiksen indusoimaa kuolleisuutta ja niveltulehdusta, mitä johtuu TSST-1 -positiivisista S-aureus kannoista.

Acquired immunity

Having gone through a staphylococcal infection does not usually render the patient any protection against reinfection. Approximately 25% of all healthy persons are symptom free S. aureuscarriers, and when hospitalized for any other reason they have an increased risk of developing nosocomial S. aureus septicaemia. Interestingly, their prognosis was found to be better than that of noncarriers. When comparing the antibody profiles for carriers and noncarriers toward S. aureus superantigens (se page 15), carriers were found to have high titers of neutralizing antibodies specific for those superantigens that were expressed by their colonizing strain. These results show that carriage status can confer strain-specific humoral immunity, which may contribute to protection during S. aureussepticaemia [37].

Studies in mice have failed to show beneficial effects of antibodies to capsular polysaccharide (CP) or whole cells of S. aureusfor the protection against experimental septic endocarditis [38, 39].

However, if surface proteins expressed by staphylococci, like collagen adhesin, ClfA or truncated fibronectin adhesin are administered as recombinant proteins they will give rise to protective immunity in both systemic infection and arthritis [40-42].

CD4+T cells invade the S. Aureus infected joint after a few days, a majority expressing the Vβ11 TCR. These T cells respond to the staphylococcal superantigen TSST-1. Depletion experiments in mice of either the whole CD4+ cell compartment or just CD4+Vβ11+cells clearly ameliorates both sepsis induced mortality and arthritis provoked by a TSST-1 positive S. aureus strain [43-45].