A Zebrafish Model for Host-pathogen Interactions in Streptococcal Infections

Abstract

Streptococcus pneumoniae (pneumokokki) ja Streptococcus agalactiae ovat maailman yleisimpiä keuhkokuumeen, sepsiksen ja aivokalvontulehduksen aiheuttajia erityisesti pienillä lapsilla. S. pneumoniae-bakteerin on arvoitu olevan vastuussa jopa yli puolen miljoonan lapsen kuolemasta vuosittain, kun taas S. agalactiae on merkittävä taudinaiheuttaja vastasyntyneillä sekä altistava tekijä ennenaikaiselle synnytykselle ja raskauden keskeytymiselle. Molemmat patogeenit ovat kehittäneet monipuolisia mekanismeja pystyäkseen oleilemaan isännässään pitkäaikaisina, oireettomina kommensaaleina tai toisaalta taas karatakseen isännän immuunipuolustukselta ja aiheuttamaan vakavia infektioita. Nämä streptokokit ovat myös osoittaneet laajaa kantojenvälistä vaihtelua sekä nopeaa mikroevoluutiota ja siten haastavat nykyisiä hoito- ja ehkäisykeinoja.

Jotta näitä merkittäviä patogeenejä vastaan voitaisiin kehittää tehokkaita hoitokeinoja, niiden taudinaiheuttamismekanismit pitäisi tuntea läpikotaisin. Tällaista tutkimusta varten tarvitaan oikeanlaisia eläinmalleja. Perinteisesti käytetyt nisäkäsmallit ovat auttaneet selvittämään streptokokkien sekä ihmisen välisiä vuorovaikutuksia, mutta ongelmat eettisyydessä sekä korkea hinta vaikeuttavat esimerkiksi hiirten käyttöä kokeissa, jossa tarvitaan suuria yksilömääriä. Sen vuoksi pyrin tässä väitöskirjassa tutkimaan toisen selkärankaisen, seeprakalan (Danio rerio), potentiaalia S. pneumoniae -ja S. agalactiae -bakteerien taudinaiheuttamismekanismien tutkimisessa. Seeprakalat ovat pieniä ja helposti käsiteltäviä, niiden ylläpitoon tarvitaan vain suhteellisen vähän tilaa ja ne omaavat monipuolisia geneettisen manipulaation mahdollisuuksia. Näiden ominaisuuksien lisäksi seeprakalan immuunipuolustus on pitkälle kehittynyt ja hyvin samankaltainen kuin ihmisellä, minkä vuoksi seeprakala onkin houkutteleva malli infektiotutkimuksiin.

Tämä tutkimus osoitti, että S. pneumoniae ja S. agalactiae aiheuttavat seeprakalassa infektion, jossa on samoja piirteitä kuin ihmisen sepsiksessä ja aivokalvontulehduksessa. S. pneumoniae -ja S. agalactiae -mutantit, joilta puuttui tunnettuja virulenssitekijöitä, olivat seeprakalassa taudinaiheuttamiskyvyltään villityypin bakteeria heikompia, josta päättelimme, että nämä bakteerit käyttävät samoja infektiomekanismeja sekä seeprakaloissa että ihmisissä. Tämän lisäksi käytimme seeprakalan poikasia S. pneumoniae-infektion aikaisen synnynnäisen immuunivasteen tarkemmassa tutkimisessa. Tätä varten määritimme infektion aikana ilmentyviä geenejä sekä tutkimme S. pneumoniae -infektion alttiustekijöitä geneettisen seulonnan avulla. Nämä tutkimukset osoittivat, että seeprakalan synnynnäinen immuunivaste S. pneumoniae-infektiossa on hyvin samankaltainen kuin ihmisen vaste, koostuen mm. pro-inflammatoristen sytokiinien, kemokiinien, akuutin vaiheen proteiinien sekä antimikrobiaalisten peptidien tuotannosta. Analyysin mukaan S. pneumoniae aktivoi erityisesti komplementti-välitteiseen immuunivasteeseen liittyviä geenejä, mikä viittaa näiden mekanismien tärkeään rooliin infektion vastustamisessa. Geneettinen seulonta puolestaan paljasti, että kuten ihmisellä, C-reaktiivisen proteiinin (CRP) puutos saattaa altistaa seeprakalat vakavammalle S. pneumoniaeinfektiolle.

Kaiken kaikkiaan, tämä väitöskirja osoittaa, että sekä patogeenien taudinaiheuttamismekanismit että isännän puolustusreaktiot S. pneumoniae -ja S. agalactiae -bakteereita vastaan ovat hyvin samankaltaisia seeprakalla ja ihmisellä. Tämän vuoksi seeprakalaa voidaan luotettavasti käyttää vaihtoehtoisena mallieläimenä tutkittaessa streptokokkien ja ihmisen välisiä vuorovaikutuksia. Mikä tärkeintä, seeprakalan avulla voidaan tulevaisuudessa saada tärkeää tietoa pneumokokin taudinaiheuttamismekanismeista sekä uusia lähtökohtia nykyistä tehokkaampien hoitokeinojen kehittämiseen.