バイオフィルム形成における上皮細胞と病原性因子の役割

A role of epithelial cells and virulence factors in biofilm formation by .

• Feiruz Alamiri
• Yashuan Chao
• Maria Baumgarten
• Kristian Riesbeck
• Anders P Hakansson

抄録

呼吸器系を模倣したモデル系における（GAS）によるバイオフィルム形成については、十分な報告がなされていない。ほとんどの研究は、人間の組織を表すには不十分な生物学的表面で行われてきた。我々は以前に、GASが生理学的に関連する上皮細胞上に成熟した抗生物質耐性バイオフィルムを形成することを示した。しかし、バイオフィルムの形成と構造における基質、細胞外マトリックス（ECM）成分、またはGASの病原性因子の役割は不明である。本研究では、バイオマスおよび抗生物質耐性を決定することにより、呼吸器上皮細胞およびケラチノサイト上でのバイオフィルム形成を測定し、走査型電子顕微鏡を用いてバイオフィルム形態を可視化した。試験したすべてのGAS分離株は、バイオマスと抗生物質耐性が同じではないものの、両細胞型ともに類似したバイオフィルムを形成していた。興味深いことに，機能的に成熟したバイオフィルムは，ケラチノサイトではより急速に形成されたが，呼吸器上皮細胞では構造的に密度が高く，ECMでより多く被覆されていた。ECMは、タンパク質およびDNA分解酵素がバイオフィルムからの細菌の放出を誘導するため、バイオフィルムの完全性に不可欠であった。バイオフィルムの形成には生体表面が関与していたが、これらのバイオフィルムは構造的に密度が低く、組織化されていなかった。上皮細胞のバイオフィルム形成には、形態学的な違いは認められたが、Mタンパク質、カプセル、ストレプトリジンOの大きな役割は認められなかった。NAD-グリコヒドロラーゼは最適なバイオフィルム形成に必要であったが、ストレプトリシンSやシステインプロテアーゼSpeBはこのプロセスを阻害していた。最後に、細胞接着性または自己凝集とGASバイオフィルム形成との間には相関関係は認められなかった。これらの結果を組み合わせることで、GASの病態形成におけるバイオフィルム形成の役割をよりよく理解することができ、GAS感染症に対する将来の治療法の新たなターゲットを提供できる可能性がある。

Biofilm formation by (GAS) in model systems mimicking the respiratory tract is poorly documented. Most studies have been conducted on abiotic surfaces, which poorly represent human tissues. We have previously shown that GAS forms mature and antibiotic-resistant biofilms on physiologically relevant epithelial cells. However, the role of the substratum, extracellular matrix (ECM) components, or GAS virulence factors for biofilm formation and structure is unclear. In this study, biofilm formation was measured on respiratory epithelial cells and keratinocytes by determining biomass and antibiotic resistance, and biofilm morphology was visualized using scanning electron microscopy. All GAS isolates tested formed biofilms that had similar, albeit not identical, biomass and antibiotic resistance for both cell types. Interestingly, functionally mature biofilms formed more rapidly on keratinocytes but were structurally denser and coated with more ECM on respiratory epithelial cells. The ECM was crucial for biofilm integrity, as protein- and DNA-degrading enzymes induced bacterial release from biofilms. Abiotic surfaces supported biofilm formation, but these biofilms were structurally less dense and organized. No major role of M protein, capsule, or Streptolysin O was observed in biofilm formation on epithelial cells, although some morphological differences were detected. NAD-glycohydrolase was required for optimal biofilm formation, whereas Streptolysin S or cysteine protease SpeB impaired this process. Finally, no correlation was found between cell adherence or auto-aggregation and GAS biofilm formation. Combined, these results provide a better understanding of the role of biofilm formation in GAS pathogenesis and can potentially provide novel targets for future treatments against GAS infections.

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