Molekulare Pathogenese der Staphylococcus aureus-Infektion

Saureus verfügt über ein außergewöhnliches Repertoire an Virulenzfaktoren, die es ihm ermöglichen, unter extremen Bedingungen im menschlichen Wirt zu überleben. Ein solch ausgeklügeltes Arsenal könnte zu der Vermutung führen, dass der Mensch diesem Erreger nicht gewachsen ist und für eine schwere S. aureus-Infektion sehr anfällig sein könnte. Überraschenderweise kann S. aureus die Ausprägung seiner Virulenz sehr gut kontrollieren und verursacht in den meisten Fällen nur selten schwere Infektionen bei zuvor gesunden Menschen.

In den letzten zehn Jahren sind jedoch neue MRSA-Klone aufgetreten, die sich rasch über die Kontinente ausgebreitet haben und grassierende Haut- und Weichteilinfektionen sowie einige ungewöhnlich schwere Erkrankungen verursachen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen MRSA-Klonen, die weitgehend auf das Gesundheitswesen beschränkt sind und immungeschwächte Wirte oder Wirte mit prädisponierenden Faktoren befallen, infizieren diese gemeindeassoziierten Methicillin-resistenten S. aureus-Klone (CA-MRSA) zuvor gesunde Wirte, insbesondere Kinder sowie junge und mittelalte Erwachsene.

Diese Übersichtsarbeit richtet sich an klinisch tätige Wissenschaftler als Zielgruppe. Um ein besseres Verständnis der MRSA-Pathogenese zu vermitteln, beschreibe ich zunächst die Hindernisse, die S. aureus überwinden muss, um eine Infektion zu etablieren, und hebe dann die Aspekte der Pathogenese hervor, die für MRSA im Zusammenhang mit dem Gesundheitswesen (HA-MRSA) und CA-MRSA einzigartig sind. Der Leser wird auf viele ausgezeichnete Übersichtsarbeiten über die Kolonisierung und Pathogenese von S. aureus verwiesen (1-6), in denen die Mechanismen der Virulenz ausführlicher beschrieben werden.

Kolonisierung.

S. aureus, der von einer externen Quelle erworben wurde, kann die Ursache einer Infektion sein, wenn er in eine offene Wunde beimpft wird. Häufiger wird der menschliche Wirt durch Bakterien infiziert, die seine Haut oder Schleimhautoberfläche besiedeln (7,8). Zu den Schleimhautoberflächen, die S. aureus beherbergen, gehören die Nase, der Rachen, die Vaginalwand und der Magen-Darm-Trakt. Die Ansteckung über die Nase ist wahrscheinlich am wichtigsten, da das Bakterium durch Stochern in der Nase effektiv auf andere Körperoberflächen und andere Wirte übertragen werden kann (9). Bemerkenswerterweise sind 20 % der Menschen in der Nase persistent und 30 % vorübergehend kolonisiert. Die Definition von persistenter und transienter Besiedlung variiert je nach Studie, wird aber im Allgemeinen als eine einzige positive Kultur in einem Nasenabstrich (transient) gegenüber mindestens zwei aufeinander folgenden positiven Kulturen im Abstand von einer Woche (persistent) beschrieben. Eine Kolonisierung ist auch häufiger bei jüngeren Kindern und Patienten mit HIV und Diabetes zu beobachten (4).

Obwohl eine Kolonisierung eine Person für eine S. aureus-Infektion prädisponiert, zeigt eine Studie, dass nach einer nosokomialen Infektion kolonisierte Personen im Vergleich zu nicht kolonisierten Personen eine weniger schwere S. aureus-Erkrankung aufweisen (7). Dies wirft die Frage auf, ob die Kolonisierung eine adaptive Immunität auf niedrigem Niveau induzieren könnte, so dass nachfolgende Infektionen milder verlaufen. Eine Studie hat gezeigt, dass die Besiedlung mit S. aureus, der das Toxische Schocksyndrom-Toxin (TSST) enthält, mit der Produktion und Aufrechterhaltung von Antikörpern gegen das Toxin einhergeht (10). Umgekehrt haben die meisten Personen, die an einem Staphylococcus-Toxic-Shock-Syndrom erkranken, keine Antikörper gegen TSST.

Für S. aureus stellt die Besiedlung der menschlichen Nase eine große Herausforderung dar, die nicht nur das Anhaften an Nasenepithelzellen erfordert, sondern auch die Fähigkeit, mit der Wirtsabwehr und konkurrierenden ansässigen Mikroorganismen fertig zu werden. S. aureus haftet an den Epithelzellen des Wirts und dringt in diese ein, indem er eine Vielzahl von Molekülen verwendet, die unter dem Begriff mikrobielle Oberflächenkomponenten, die adhäsive Matrixmoleküle erkennen (MSCRAMM), zusammengefasst werden. Eine Reihe von bakteriellen Produkten (einschließlich MSCRAMM) wurde als wichtig für die Adhäsion und Anhaftung an Nasenepithelzellen angesehen, aber zwei Faktoren (Klumpenfaktor B und wandassoziierte Teichoinsäure) haben bisher eine Rolle bei der nasalen Kolonisierung von Menschen und Ratten bewiesen (11,12).

Zu den Abwehrstoffen des Wirtsimmunsystems für die bakterielle nasale Kolonisierung gehören antimikrobielle Peptide, Lysozym, Lactoferrin und IgA (4). Über die entscheidenden Abwehrmechanismen des Wirts gegen die Besiedlung mit S. aureus ist jedoch wenig bekannt. In einer Studie an Mäusen wurden der Mukoviszidose-Transmembranleitfähigkeitsregulator und der Toll-like-Rezeptor 2, nicht aber der Toll-like-Rezeptor 4 als wichtige Faktoren zur Kontrolle der S. aureus-Besiedlung identifiziert (13).

Die residente Nasenflora stellt für S. aureus eine ebenso große Herausforderung dar. Studien mit S. aureus-Trägern und Nicht-Trägern haben gezeigt, dass das Vorhandensein bestimmter Bakterien wie Corynebacterium, S. epidermidis oder S. pneumoniae die Übertragung von S. aureus ausschließen kann (14). Die Einführung des Impfstoffs gegen S. pneumoniae beispielsweise hat in einigen Studien (15), nicht aber in anderen (16), zu einer deutlichen Zunahme der S. aureus-Kolonisierung geführt, was einige zu der Vermutung veranlasst, dass S. pneumoniae und S. aureus um dieselbe Nische konkurrieren könnten. Als allgemeiner Mechanismus der Nischenkonkurrenz wird ein bakterieller Wettbewerb um die Anhaftung an denselben Wirtsrezeptor vorgeschlagen. Darüber hinaus scheiden bestimmte Konkurrenten wie S. pneumoniae Wasserstoffperoxid aus, das in hoher Konzentration das Wachstum von S. aureus unterdrückt (17). S. aureus könnte dem entgegenwirken, indem er Katalase und wahrscheinlich andere Antioxidantien sezerniert, die Wasserstoffperoxid neutralisieren (18).

Ist die Besiedlung erst einmal etabliert, befindet sich S. aureus in unmittelbarer Nähe von Rachen, Ohren, Mund und Nasennebenhöhlen; überraschenderweise führt die nasale Besiedlung jedoch nur selten zu einer offenen Infektion dieser Bereiche. Studien zur Regulierung von S. aureus deuten darauf hin, dass während der Kolonisierung viele S. aureus-Virulenzgene herunterreguliert werden können (19). Unter den Genen, die die Kolonisierung und Virulenz von S. aureus steuern, ist der bekannteste globale Regulator der akzessorische Genregulator agr, der in vielen hervorragenden Übersichtsarbeiten ausführlich beschrieben wurde (19). Kurz gesagt, agr ist ein Quorum-Sensing-Locus, der die Expression einer Reihe von Virulenz- und Kolonisierungsfaktoren direkt steuert. Die Herunterregulierung von agr wird mit der Kolonisierung und die Aktivierung von agr mit der Invasion des Wirts in Verbindung gebracht. Eine entscheidende Frage ist daher, was die Aktivierung der Virulenzgene von S. aureus auslöst, um eine Infektion einzuleiten.

Pathogenese.

Infektionen treten häufig als Folge der Inokulation von S. aureus in eine offene Wunde auf. Alternativ dazu schädigt eine Virusinfektion der oberen Atemwege die Schleimhaut und prädisponiert den Wirt für eine S. aureus-Pneumonie, die in der Regel eine Woche nach Beginn der Influenza-Infektion auftritt.

Es wird angenommen, dass der anfängliche Kontakt von S. aureus mit Wirtsgewebe jenseits der Schleimhautoberfläche oder der Haut die Hochregulierung von Virulenzgenen auslöst (19). Was den Wirt betrifft, so reagieren die in der Haut oder im Schleimhautgewebe ansässigen Phagozyten und Epithelzellen entweder auf bakterielle Produkte oder auf Gewebeverletzungen mit einer Aktivierung des Immunsystems. Peptidoglykan und Lipoprotein von S. aureus werden von Mustererkennungsmolekülen des Wirts erkannt (20,21); Hyaluronan-Abbauprodukte (22) und endogene Toll-like-Rezeptor-Liganden (RNA, DNA, HMGB1), die während der Infektion von nekrotischem Gewebe freigesetzt werden (23,24), verstärken die proinflammatorische Signalgebung, die zu einer lokalen Aktivierung der Immunzellen und der Rekrutierung von Neutrophilen und Makrophagen führt.

S. aureus ist allgemein bekannt, dass er sowohl innerhalb als auch außerhalb von Wirtszellen gut überleben kann. Im extrazellulären Milieu muss S. aureus die Opsonisierung durch Komplement und Antikörper überwinden, was direkt oder indirekt zur Abtötung von S. aureus oder zur Aufnahme durch Phagozyten über Fc- oder Komplementrezeptoren führt. S. aureus vermeidet die Opsonophagozytose, indem er auf seiner Oberfläche eine Kapsel, den Klumpenfaktor A, das Protein A und eine Reihe von Komplementinhibitoren exprimiert, die alle die Wirts-Opsonine inaktivieren oder daran hindern, das Bakterium zu binden oder zur Zerstörung anzusteuern (3,6) (Abb. 1).

S. aureus kann sich in Epithelzellen, Endothelzellen und sogar Makrophagen verstecken (25). Im Gegensatz dazu stellen neutrophile Granulozyten eine größere Herausforderung für S. aureus dar, wie die erhöhte Inzidenz invasiver S. aureus-Infektionen bei Patienten mit neutrophilen Störungen (z. B. chronische granulomatöse Erkrankung und Leukozytenadhäsionsmangel) zeigt. S. aureus wendet eine Reihe von Strategien an, um sich der Abtötung durch Neutrophile zu widersetzen. Zunächst sondert er zwei Moleküle ab, das Chemotaxis-Inhibitorprotein (CHIP) und das extrazelluläre Adhärenzprotein (Eap), die die neutrophile Erkennung chemotaktischer Faktoren (26) bzw. die neutrophile Bindung an das endotheliale Adhäsionsmolekül ICAM-1 (27) blockieren. Die Hemmung der ICAM-1-Bindung verhindert die Adhäsion der Leukozyten, die Diapadesis und die Extravasation aus dem Blutkreislauf zum Infektionsherd.

Nach der Ankunft am Infektionsherd setzen die Neutrophilen eine ganze Reihe antimikrobieller Substanzen frei, darunter antimikrobielle Peptide, reaktive Sauerstoffspezies (ROS), reaktive Stickstoffspezies, Proteasen und Lysozym. Die Abwehr von ROS wird bei S. aureus durch den Einsatz einer großen Anzahl antioxidativer Enzyme (z. B. Katalase, Pigment, Superoxiddismutase) vermittelt, die ROS und reaktive Stickstoffspezies neutralisieren (3). Antimikrobielle Peptide, die teilweise auf negativ geladene Bakterien abzielen, werden von S. aureus durch Strategien abgestoßen, die seine Oberflächenladung verändern (28,29). Darüber hinaus werden antimikrobielle Peptide abgebaut (Aureolysin) (30) und neutralisiert (Staphylokinase) (31).

Als Präventivmaßnahme sezerniert S. aureus spezifische Toxine, die Neutrophile lysieren. S. aureus exprimiert eine große Anzahl von Zweikomponententoxinen (32), von denen viele spezifisch für menschliche, aber nicht für Mäusezellen sind; daher sind viele ihrer Funktionen noch nicht charakterisiert. Das kürzlich identifizierte phenollösliche Modulin (PSM) ist eine Gruppe von bakteriellen Peptiden, die zuvor bei S. epidermidis beschrieben wurden und die Entzündung und neutrophile Zytolyse auslösen. Die virulente Rolle der PSM-Peptide wurde in einem CA-MRSA-Hautinfektionsmodell bestätigt (33).

Abgesehen von der Umgehung der Immunabwehr des Wirts ist das bakterielle Überleben im menschlichen Wirt von der erfolgreichen Aufnahme von Nährstoffen, insbesondere Eisen, abhängig (34). Während der Infektion werden 95 % des Eisens in den Wirtszellen sequestriert, und das Serumeisen ist größtenteils an Wirtsproteine gebunden, die nicht leicht zugänglich sind. S. aureus sondert während des Eisenmangels eisenbindende Verbindungen mit hoher Affinität ab (Aureochelin und Staphyloferrin) (35,36). Darüber hinaus leitet S. aureus bei Eisenmangel die Transkription eines Eisenerwerbsprogramms (isd) ein, das die Aufnahme von Häm und Haptoglobin auf der Zelloberfläche, den Transport des Eisenkomplexes durch die Plasmamembran und den anschließenden oxidativen Abbau des Häm im Zytoplasma ermöglicht (34).

Eine schwere bakterielle Infektion veranlasst den Wirt normalerweise dazu, innerhalb von 7-10 Tagen eine adaptive Immunantwort auszulösen, um die laufende Infektion zu begrenzen und künftige Reinfektionen zu verhindern. Eines der charakteristischen Merkmale der Biologie von S. aureus ist jedoch die Fähigkeit des Erregers, den menschlichen Wirt lebenslang wiederholt zu infizieren. Der Mechanismus, der der Umgehung der adaptiven Immunantwort zugrunde liegt, ist nur unzureichend erforscht; Studien haben jedoch gezeigt, dass Staphylokokken-Enterotoxine, TSST und Eap (ein MHC-Klasse-II-Analogon) die T-Zell-Funktionen verändern können, indem sie auf den T-Zell-Rezeptor-Aktivierungsweg abzielen (37,38). Dies wurde als eine von S. aureus entwickelte Taktik zur Verhinderung der Entwicklung eines Langzeitgedächtnisses interpretiert. Ebenso hat sich gezeigt, dass Protein A die B-Zellen der Randzone der Milz, die Vorläufer der B-Zellen sind, dezimiert (39). Das Ergebnis könnte eine unzureichende Erzeugung einer spezifischen B-Zellen-Reaktion sein. Diese Mechanismen könnten in Verbindung mit den bereits beschriebenen Strategien zur Blockierung einer wirksamen Antikörperbindung an die Bakterienoberfläche wichtige Gründe dafür sein, dass wir unser Leben lang für S. aureus-Infektionen anfällig bleiben.

Zu den weiteren Virulenzmechanismen von klinischer Bedeutung gehören die Biofilmbildung, die es S. aureus ermöglicht, auf Kunststoffen zu überleben und der Wirtsabwehr oder Antibiotika zu widerstehen (3), sowie kleine Kolonievarianten, die S. aureus helfen, unter rauen Bedingungen in einem metabolisch inaktiven Zustand zu überleben. Kleine Kolonievarianten wurden bei chronischen Infektionen wie der chronischen Osteomyelitis (40) nachgewiesen.

MRSA-Pathogenese.

MRSA verdient eine gesonderte Betrachtung der S. aureus-Pathogenese, da sie mit einer anderen Epidemiologie, insbesondere Morbidität und Mortalität, verbunden ist. Bemerkenswert ist, dass die Zahl der invasiven Erkrankungen und Todesfälle, die auf MRSA zurückzuführen sind, im Jahr 2005 in den Vereinigten Staaten auf 94.360 und 18.650 geschätzt wird und damit die auf HIV zurückzuführende Sterblichkeit in den Schatten stellt (41). MRSA lassen sich in HA-MRSA und CA-MRSA unterteilen, zwei genotypisch unähnliche Bakteriengruppen, die auf unterschiedliche, aber sich überschneidende Populationen abzielen und unterschiedliche Krankheiten verursachen.

HA-MRSA.

MRSA tauchten erstmals in den 1960er Jahren auf, wurden aber in den 1990er Jahren zunehmend problematisch, insbesondere auf Intensivstationen, wo sie zu einer Hauptursache für nosokomiale Infektionen wurden (42). HA-MRSA beherbergen große Staphylokokken-Chromosomenkassetten (SCCmec-Typen I-III), die für ein (SCCmec-Typ I) oder mehrere Antibiotikaresistenzgene (SCCmec-Typ II und III) kodieren. Die Antibiotikaresistenz könnte es dem Bakterium ermöglicht haben, in einer Umgebung zu überleben, in der Antibiotika häufig eingesetzt werden.

Interessanterweise verursacht HA-MRSA, wenn es aus dem Umfeld des Gesundheitswesens entfernt wird, nur selten Krankheiten bei Personen ohne prädisponierende Bedingungen. Es wurde daher vermutet, dass es sich bei HA-MRSA um weniger robuste Stämme von S. aureus handelt, die nur in Umgebungen überleben können, in denen die bakterielle Konkurrenz durch den Antibiotikadruck begrenzt ist (43). Zur Untermauerung dieses Standpunkts zeigt HA-MRSA im Vergleich zu Methicillin-empfindlichem S. aureus (MSSA) eine längere Generationszeit (30 Minuten für HA-MRSA gegenüber 23 Minuten für MSSA) (44). In einer kleinen Studie zeigten HA-MRSA-Stämme eine höhere Empfindlichkeit gegenüber der Abtötung durch Neutrophile und waren weniger pathogen, wenn sie Mäusen systemisch verabreicht wurden (45). Darüber hinaus zeigte der direkte Vergleich von CA-MRSA- und HA-MRSA-Stämmen, dass HA-MRSA geringere Mengen an PSM-Peptiden exprimieren (33), was auf einen möglichen Defekt in der HA-MRSA-Virulenzregulation hinweist. Im Einklang mit der letztgenannten Erkenntnis weisen viele klinische HA-MRSA-Isolate einen agr- oder einen gemischten agr+ und agr- Genotyp auf (46). Obwohl diese Genotypen die relative Nichtpathogenität von HA-MRSA gegenüber immunkompetenten Wirten erklären könnten, ist es möglich, dass ein agr- oder ein gemischter agr+ und agr- Genotyp für das Überleben von HA-MRSA im Gesundheitswesen von Vorteil sein könnte; agr- Genotyp könnte zum Beispiel die Biofilmbildung (47) und die Vermehrung auf Kunststoffschläuchen erleichtern.

Während Ärzte versuchen, das Problem der Antibiotikaresistenz von HA-MRSA in den Griff zu bekommen, gibt es zunehmend Berichte über das Eindringen der virulenteren CA-MRSA in das Gesundheitswesen (41,48). Die Auswirkungen dieser Migration müssen sorgfältiger beobachtet werden, da sie möglicherweise aggressivere und andere Kontroll- und Behandlungsstrategien erfordern.

CA-MRSA.

Bis Ende der 1990er Jahre waren MRSA-Infektionen weitgehend auf immungeschwächte Personen oder Personen mit Kontakt zum Gesundheitswesen beschränkt. Im Jahr 1997 kündigte der Tod von vier gesunden Kindern an MRSA-Pneumonie und -Sepsis die Ankunft eines neuen MRSA-Typs an (49). Bald darauf häuften sich die MRSA-Fälle auf allen Kontinenten; die meisten Fälle beschränkten sich auf wenige klonale Linien, die sich deutlich von HA-MRSA unterschieden, eine kleine SCCmec-Kassette vom Typ IV aufwiesen und die Gene für das Panton-Valentine Leukocidin (PVL) kodierten (50).

CA-MRSA-Stämme waren für einen dramatischen Anstieg der Infektionshäufigkeit, insbesondere der Haut und der Weichteile, verantwortlich (51,52) und waren die Ursache für viele ungewöhnlich schwere Infektionen wie nekrotisierende Pneumonie, nekrotisierende Fasziitis und Myositis (53-55). Die Veränderung der klinischen Manifestationen von S. aureus gab Anlass zu Spekulationen, dass CA-MRSA-Infektionen eine Infektion mit virulenteren Stämmen widerspiegeln. Es wurden nur wenige vergleichende Studien zur Virulenz von CA-MRSA gegenüber MSSA durchgeführt, und es ist nicht klar, ob alle CA-MRSA-Klone virulenter sind (56,57). Ein CA-MRSA-Klon, USA300, hat sich jedoch als besonders erfolgreich erwiesen (58). Er breitete sich rasch aus und wurde zum dominierenden Klon in den meisten Regionen der Vereinigten Staaten und tauchte auch in Kanada und Europa auf. In vielen Berichten wurde USA300 mit schwereren Infektionen von Knochen, Haut und Weichteilen in Verbindung gebracht (55,57). Daher könnten Studien zu USA300 wichtige Informationen über die Pathogenese von CA-MRSA liefern.

Die epidemiologischen Ergebnisse deuten zwar auf einen virulenteren Phänotyp hin, müssen aber mit Vorsicht interpretiert werden. Insbesondere könnte die erhöhte CA-MRSA-Krankheitsinzidenz auf 1) ein verbessertes Überleben in der Umwelt (Fomite, Haustiere), 2) eine erhöhte Übertragung, 3) eine robustere Kolonisierung, 4) eine niedrigere bakterielle Schwelle zur Aktivierung von Virulenzgenen und 5) eine erhöhte Pathogenität während der Infektion zurückzuführen sein. Mehrere Analysen von USA300-Ausbrüchen deuten darauf hin, dass der CA-MRSA-Klon die Übertragung durch Haut-Haut-Kontakt oder Haut-Fomiten-Kontakt begünstigt haben könnte (58,59). In einer Studie mit Männern, die Sex mit Männern hatten, deutet die hohe Rate an Damm-, Gesäß- und Genitalinfektionen mit USA300 darauf hin, dass dieser Klon eine höhere Übertragungswirksamkeit aufweist (59). Ein Vergleich der Hautbesiedlungsrate zwischen HA-MRSA-, CA-MRSA- und MSSA-infizierten Patienten zeigte außerdem, dass CA-MRSA-infizierte Personen eine deutlich höhere Hautbesiedlungsrate aufwiesen (58). Epidemiologische Belege für die größere Pathogenität von CA-MRSA im Vergleich zu MSSA stammen aus einer prospektiven Untersuchung von Osteomyelitis bei Kindern (57). In dieser Studie wiesen Kinder, bei denen PVL+ CA-MRSA-Infektionen festgestellt wurden, bei der Aufnahme höhere Werte an Entzündungsmarkern (C-reaktives Protein und Blutsenkungsgeschwindigkeit) auf, wodurch eine mögliche Störung des Krankheitsverlaufs durch die Antibiotikabehandlung ausgeschlossen werden konnte (57). Zusammengenommen deuten diese Studien darauf hin, dass Klone wie USA300 besonders erfolgreich sind, weil sie leichter übertragen werden, besser kolonisieren und pathogener sind.

Unter den mutmaßlichen Virulenzfaktoren, die als Hauptdeterminante der CA-MRSA-Epidemie gelten, wurde PVL am ausführlichsten untersucht (1,2,60). PVL wurde in dem epidemischen S. aureus-Stamm vom Phagentyp 80/81 gefunden, der in den 1950er Jahren eine hohe Zahl von Infektionen verursachte (61), und ist in den meisten CA-MRSA-Klonen zu finden (50). Er wurde in vielen Fallserien mit schwerer nekrotisierender Pneumonie (62), Furunkulose (63) und schwerer Osteomyelitis (57) in Verbindung gebracht. Das Zweikomponententoxin führte bei Injektion in Kaninchen oder Mäuse zu erheblichen Entzündungen und Nekrosen (64, 65), und es hat sich gezeigt, dass es in Abhängigkeit von den Kulturbedingungen die Zytolyse von Neutrophilen (66), Apoptose (67) oder die Sekretion entzündungsfördernder Moleküle auslösen kann (68). Der direkte Nachweis einer virulenten Rolle ist jedoch widersprüchlich (69-71). Labandeira-Rey et al. (65) zeigten, dass PVL in einem Modell der nekrotisierenden Lungenentzündung bei Mäusen eine wichtige Virulenzdeterminante ist, indem sie Laborstämme verwendeten, in die ein PVL-exprimierender Vektor eingeführt wurde. Im Gegensatz dazu verwendeten Voyich et al. (71) und Bubeck Wardenburg et al. (69) PVL-Mutanten auf dem Hintergrund von USA300 und USA400 und fanden entweder keinen Unterschied oder eine schützende Wirkung von PVL. Es ist möglich, dass Mäuse im Vergleich zum menschlichen Wirt ein weniger empfindliches Modell darstellen, da Mausleukozyten, das Ziel der PVL-Aktivität, im Vergleich zu menschlichen Leukozyten eine geringere Empfindlichkeit gegenüber der PVL-Lyse aufweisen (66). Wir haben diese Hypothese kürzlich getestet, indem wir PVL-Mutanten auf dem Hintergrund von zwei USA300-Isolaten der nekrotisierenden Fasziitis erzeugt haben. In einem Modell für schwere Weichteilinfektionen konnten wir zeigen, dass die USA300-Stämme mit PVL+ nekrotisierender Fasziitis im Vergleich zu den isogenen Mutantenstämmen mit PVL- deutlichere Muskelverletzungen verursachten (Tseng und Liu, unveröffentlichte Daten). Wir vermuten, dass die Verwendung höherer Inokula oder empfindlicherer Tiermodelle der Schlüssel zur Aufdeckung eines PVL-Schwelleneffekts sein könnte.

Das mobile Arginin-Katabolismus-Element (ACME) vom Typ I hat viele Eigenschaften, die es zu einem ebenso attraktiven Kandidaten zur Erklärung des Erfolgs von USA300 machen (72). Es wird angenommen, dass ACME horizontal von dem ubiquitären Hautbewohner S. epidermidis übertragen wird (siehe Ref. 1). Es kodiert für mehrere Gene, aber zwei Gencluster, arc (Arginin-Deiminase-System) und opp-3 (ABC-Transporter), sind von besonderem Interesse. Es wurde gezeigt, dass das Arginin-Deiminase-System in bestimmten Bakterien L-Arginin abbaut, um eine ATP-Quelle zu schaffen, und den pH-Wert der sauren menschlichen Haut auf einen Wert anheben könnte, der für die bakterielle Besiedlung besser geeignet ist (1). Opp-3 ist ein Mitglied der ABC-Transporter-Familie, die an mehreren Funktionen beteiligt ist, die das bakterielle Überleben auf der Hautoberfläche begünstigen könnten, darunter die Aufnahme von Peptid-Nährstoffen, die Adhäsion eukaryontischer Zellen und die Resistenz gegen antimikrobielle Peptide. Der Erwerb von ACME durch S. aureus, einem vorübergehenden Besiedler der Haut, könnte es CA-MRSA daher ermöglichen, die Haut dauerhaft zu besiedeln, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer Hautinfektion bei einer Störung der Hautbarriere erhöht wird. Der Nachweis, dass CA-MRSA die Haut besser besiedeln als MSSA und HA-MRSA, wurde von Miller und Mitarbeitern erbracht (58). Bisher gibt es keine direkten Beweise dafür, dass ACME zur Hautbesiedlung beiträgt.

PSM-Peptide wurden bereits beschrieben, um zur CA-MRSA-Hautinfektion bei Mäusen beizutragen (33). Obwohl PSM-Peptide nicht nur bei CA-MRSA vorkommen, werden sie bei CA-MRSA in höherem Maße exprimiert als bei HA-MRSA, was darauf schließen lässt, dass Unterschiede in der globalen Virulenzregulierung ein wichtiger Faktor für die CA-MRSA-Virulenz sein könnten. Montgomery et al. (73) zeigten, dass unter den CA-MRSA die USA300-Stämme pathogener sind als die USA400-Stämme. Der Unterschied in der Virulenz korrelierte mit der stärkeren Expression mehrerer Virulenzgene durch USA300-Stämme im Vergleich zu USA400-Stämmen.

Viele andere mutmaßliche Virulenzfaktoren, die von CA-MRSA-Stämmen in einzigartiger Weise exprimiert werden, müssen noch erforscht werden (50,72). Es ist nicht bekannt, wie jedes Produkt zur Pathogenität des spezifischen Stammes beitragen könnte. Wenn jedoch Occams Rasiermesser, das Prinzip der diagnostischen Parsimonie, das häufig in der klinischen Entscheidungsfindung verwendet wird, die Bewertung der CA-MRSA-Pathogenese leiten soll, ist es wahrscheinlich, dass ein oder sehr wenige Faktoren letztendlich für das gleichzeitige Auftreten mehrerer epidemischer CA-MRSA-Klone verantwortlich sind.

Zukunftsrichtung.

Das Auftreten von CA-MRSA läutete eine Ära der Unsicherheit im öffentlichen Gesundheitswesen und in der Patientenversorgung ein, als Antibiotikaresistenz und Virulenz zusammenkamen und eine große Gesundheitskrise verursachten. Während sich die Epidemie entwickelte und ausbreitete, verfolgte die Forschung die folgenden Ziele: 1) Identifizierung der Ursache und des Mechanismus, der der Epidemie zugrunde liegt; 2) Entwicklung von Antibiotika, die nicht sofort überflüssig werden; 3) Entwicklung eines wirksamen Impfstoffs. Bislang waren diese Ziele unterschiedlich erfolgreich.

Unser Verständnis der CA-MRSA-Epidemie ist trotz einer Fülle von epidemiologischen und grundlegenden Studien immer noch begrenzt. Im Wesentlichen wissen wir nicht, was das Bakterium pathogener macht. Die Erforschung von S. aureus erfordert die Entwicklung von Tiermodellen, die den menschlichen Infektionen näher kommen. S. aureus ist kein natürlicher Besiedler von Mäusen; daher sind viele der Virulenzfaktoren, die S. aureus entwickelt hat, um dem menschlichen Immunsystem zu entgehen, in Mäusen möglicherweise schwieriger zu untersuchen, wobei PVL ein Paradebeispiel ist. Obwohl die traditionelle Mausforschung, die eine Manipulation der Wirtsimmunfaktoren mit Hilfe von bereits erzeugten Knockout-Mäusen ermöglicht, nach wie vor einen wichtigen Platz einnimmt, könnte ein Modell, das die menschliche Krankheit simuliert, durch die Verwendung anderer Tiere oder durch die Entwicklung von teilweise humanisierten Mausmodellen erreicht werden, bei denen das angeborene oder adaptive Immunsystem der Maus durch sein menschliches Gegenstück ersetzt wird (74).

Wie bereits erwähnt, könnten andere Mechanismen als die Virulenz die erhöhte Inzidenz und Schwere der CA-MRSA-Krankheit erklären. Daher muss die Untersuchung bakterieller Faktoren auf Tests ausgedehnt werden, die über die traditionellen Virulenztests hinausgehen, einschließlich der Kolonisierung und der Resistenz gegen Umweltreize, die sich an epidemiologischen Erkenntnissen orientieren. Optimal wäre eine Zusammenarbeit zwischen Epidemiologen und Grundlagenforschern.

In den letzten Jahren hat die Bedrohung durch antibiotikaresistente S. aureus die Forschungsanstrengungen zur Entdeckung neuer Antibiotikaklassen verstärkt. Da sich mit den herkömmlichen Arzneimittelbibliotheken nur langsam neue Antibiotika finden lassen, wurde eine alternative Strategie entwickelt, die auf wichtige Virulenzfaktoren abzielt. So haben wir beispielsweise gezeigt, dass das goldene Pigment von S. aureus ein Virulenzfaktor ist, weil es das Bakterium vor der Abtötung durch Wirtsoxidantien schützt (75). Da das Pigment von S. aureus und das menschliche Cholesterin einen gemeinsamen Vorläufer synthetisieren, konnten wir einen menschlichen Cholesterin-Inhibitor identifizieren, der die Pigmentierung von S. aureus blockiert und die Virulenz von S. aureus in Mäusen reduziert (76). Auch das Alpha-Toxin, das von vielen, aber nicht allen klinischen S. aureus-Stämmen gebildet wird, hat in einem CA-MRSA-Lungeninfektionsmodell eine Virulenzfunktion gezeigt, und die Verabreichung spezifischer Antikörper gegen das Alpha-Toxin hat nachweislich zu einer signifikanten Verbesserung der Lungenschädigung geführt (77). Diese virulenzbasierten Strategien könnten sich als nützliche Ergänzung zu herkömmlichen Therapien erweisen.

Um die MRSA-Gesundheitskrise zu lösen, wird letztlich ein wirksamer Impfstoff benötigt. Auf dem Höhepunkt des Penicillin-resistenten S. pneumoniae-Problems vor acht Jahren konnte durch die Einführung eines wirksamen Impfstoffs die Inzidenz invasiver Krankheiten rasch gesenkt und eine große Gesundheitskrise abgewendet werden. Ein ähnliches Problem der Antibiotikaresistenz wurde durch die Einführung eines wirksamen Impfstoffs gegen H. influenzae gelöst. Die MRSA-Epidemie stellt jedoch eine andere und noch größere Herausforderung dar. Zum einen ist S. aureus ein komplexerer Organismus, der nicht von einem einzigen wichtigen Virulenzfaktor abhängig ist, um Krankheiten zu verursachen. Seine selektive Hochregulierung von Virulenzfaktoren in verschiedenen Phasen der Infektion könnte einen Impfstoff gegen einen einzelnen Faktor relativ unwirksam machen. Der jüngste Misserfolg aktiver oder passiver Immunisierungsversuche gegen Kapselpolysaccharid (StaphVAX), ClfA und SdrG (Veronate) (78) könnte ein Beleg für dieses Prinzip sein. Daher haben Experten vorgeschlagen, dass ein Impfstoff gegen S. aureus wirksamer wäre, wenn er auf mehrere ausgewählte Faktoren abzielt (siehe Ref. 78).

Eine grundlegendere Frage, die sich direkt auf die Entwicklung von Impfstoffen auswirkt, ist, warum der menschliche Wirt lebenslang für eine S. aureus-Infektion empfänglich ist. Die Forschung hat gezeigt, dass bakterielle Produkte wie Protein A und Staphylokokken-Enterotoxine eine Rolle bei der Modulation von T- und B-Zellfunktionen spielen können (38,39); die Mechanismen der adaptiven Immunabwehr nach einer S. aureus-Infektion sind jedoch noch weitgehend unbekannt. Das Verständnis dieser Mechanismen könnte der Schlüssel zu einem erfolgreichen Impfstoff sein.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Pathogenese von S. aureus in den kommenden Jahren ein sehr wichtiges Forschungsgebiet bleiben wird. Die meisten veröffentlichten Studien schätzen die derzeitige nasale Kolonisierungsrate von CA-MRSA auf weniger als 5 % (79,80); wenn also die Kolonisierungsrate weiter steigt, wird sich die Epidemie wahrscheinlich ausweiten. Es ist nicht klar, ob der menschliche Wirt im Laufe der Zeit eine adaptive Immunreaktion auf neue Virulenzfaktoren entwickeln könnte, die von CA-MRSA-Stämmen exprimiert werden. Wenn diese Virulenzfaktoren wesentlich zur Epidemie beitragen, könnte die Neutralisierung dieser Faktoren zum Abklingen der Epidemie führen. Wenn das menschliche Immunsystem nicht in der Lage ist, sich anzupassen, muss der Mensch das Problem durch Forschung angehen, und der Erfolg wird von der Konzentration der Forschungsanstrengungen, der Finanzierung und gut koordinierten multidisziplinären Ansätzen abhängen, die auf die Beantwortung ausgewählter Schlüsselfragen gerichtet sind.