Marcel Münstermann

• The human specific gram-negative bacterium Neisseria meningitidis (Nme, meningococci) is a common colonizer of the upper respiratory tract. Upon becoming invasive, Nme can cause meningitis and life-threatening sepsis. The most important immune defense mechanism in invasive meningococcal disease (IMD) is the complement mediated killing of bacteria. The complement cascade is activated through different pathogen associated patterns and finally leads to the lysis of the bacteria by the membrane attack complex. In addition to the direct bacterialThe human specific gram-negative bacterium Neisseria meningitidis (Nme, meningococci) is a common colonizer of the upper respiratory tract. Upon becoming invasive, Nme can cause meningitis and life-threatening sepsis. The most important immune defense mechanism in invasive meningococcal disease (IMD) is the complement mediated killing of bacteria. The complement cascade is activated through different pathogen associated patterns and finally leads to the lysis of the bacteria by the membrane attack complex. In addition to the direct bacterial killing, the complement system is also an important player in different inflammatory processes. A hallmark of IMD is an overreaction of the immune system and the release of the potent anaphylatoxins C3a and C5a by the complement system is an important factor hereby. There are three anaphylatoxin receptors (ATRs), the C3aR, the C5aR1 and the C5aR2, capable of detecting these anaphylatoxins. It has already been shown that blocking the ATR C5aR1 strongly benefitted the outcome of IMD in a murine sepsis model. However, the roles of ATRs C3aR and C5aR2 in IMD are still unclear. This work aims to analyze the role of these ATRs in meningococcal sepsis and to identify possible underlying mechanisms. Furthermore, a possible involvement of the complement system, the ATRs and the type II CRISPR/Cas system on nasopharyngeal colonization is analyzed. In vivo depletion experiments showed that without neutrophils or monocytes/macrophages the complement system alone was not able to clear a low dose Nme infection, which highlights the importance of cellular components in IMD. Analyzing the role of the ATRs in knock-out mice with high dose Nme infections, revealed that the lack of C5aR2, like the lack of C5aR1, was beneficial for the outcome of meningococcal induced sepsis. In contrast, the lack of C3aR in knock-out mice was detrimental. The positive outcome associated with the C5aRs could be reproduced by using an antagonist against both C5aRs or an antagonist specifically against C5aR1 in WT mice. These findings are giving hope to future therapeutic applications. Next, a possible contribution of neutrophils to this positive outcome was analyzed. Absence of C5aR1 led to a decrease of degranulation by neutrophils in a murine whole blood model, while the other ATRs showed no effect. Neutrophil analysis in human whole blood, on the other hand, revealed a reduced oxidative burst and IL-8 secretion upon inhibition of all three ATRs. A functional difference between the C5aRs and the C3aR in neutrophils was observed in phagocytosis, which was reduced upon C3aR inhibition, but was unaltered with C5aR1 or C5aR2 inhibition. Possible underlying mechanisms in the phosphorylation of ERK1/2 were analyzed in bone marrow derived macrophages isolated from ATR knock-out mice. The later phosphorylation of ERK1/2 in macrophages without C5aR1 or C5aR2 expression might explain, why blocking the C5aRs is beneficial for the outcome of IMD in mice. In contrast to these findings, the colonization of the nasopharynx in huCEACAM 1 expressing mice by Nme did not seem to depend on the Complement system factors C3 and C5 nor the ATRs. Additionally, no difference in the colonization could be observed in this model using Nme mutants lacking different parts of the type 2 CRISPR/Cas system. Conclusively, this work highlights the importance of the complement system, the ATRs and the cellular components in IMD. Contrariwise, these factors did not play a role in the analyzed nasopharyngeal infection model. The beneficial effects of C5aR1 and C5aR2 lack/inhibition in IMD might have medicinal applications, which could support the standard therapies of IMD in the future.…
• Das human spezifische pathogene Gram-negative Bakterium Neisseria meningitidis (Nme, Meningokokken) ist ein Kommensale angesiedelt im Nasopharynx. Bei invasiver Erkrankung können Nme Meningitis oder eine lebensbedrohliche Sepsis verursachen. Die wichtigste Verteidigung des Immunsystems in invasiver Meningokokken-Erkrankung (IMD) ist die Abtötung von Bakterien durch das Komplementsystem. Die Komplementkaskade wird durch verschiedene pathogenassoziierte Muster in Gang gesetzt und resultiert in dem Aufbau des Membranangriffskomplex, welcher dieDas human spezifische pathogene Gram-negative Bakterium Neisseria meningitidis (Nme, Meningokokken) ist ein Kommensale angesiedelt im Nasopharynx. Bei invasiver Erkrankung können Nme Meningitis oder eine lebensbedrohliche Sepsis verursachen. Die wichtigste Verteidigung des Immunsystems in invasiver Meningokokken-Erkrankung (IMD) ist die Abtötung von Bakterien durch das Komplementsystem. Die Komplementkaskade wird durch verschiedene pathogenassoziierte Muster in Gang gesetzt und resultiert in dem Aufbau des Membranangriffskomplex, welcher die Bakterien schließlich lysiert. Darüber hinaus spielt das Komplementsystem auch eine wichtige Rolle in verschiedenen inflammatorischen Prozessen im Körper. Ein charakteristisches Merkmal von IMD ist eine übermäßige Reaktion des Immunsystems und dabei ist die Freisetzung der Anaphylatoxine C3a und C5a, durch das Komplementsystem, ein wichtiger Faktor. Es gibt drei Anaphylatoxin Rezeptoren (ATR), den C3aR, den C5aR1 und den C5aR2, welche die jeweiligen Anaphylatoxine erkennen. In murinen Modellen wurde bereits gezeigt, dass die Inhibition des C5aR1 einen positiven Einfluss auf den Verlauf von IMD hat. Im Kontrast dazu sind die Rollen der ATRs C3aR und C5aR2 in IMD weiter unklar. Diese Arbeit hat als Ziel, die Rolle der ATRs in Meningokokken induzierter Sepsis zu untersuchen und mögliche zugrundeliegende Mechanismen zu finden. Des Weiteren soll ein möglicher Einfluss des Komplementsystems, der ATRs und des Typ II CRISPR/Cas Systems auf die Kolonisation durch Nme im Nasopharynx untersuchen werden. In vivo Depletions-Versuche zeigten, dass ohne Neutrophile oder Monozyten/Makrophagen das Komplementsystem allein nicht in der Lage war eine Nme-Infektion mit einer niedrigen Infektionsdosis zu beseitigen. Dies zeigt die Wichtigkeit von Immunzellen neben dem Komplementsystem in IMD. Experimente mit hohen Nme-Dosen in ATR knock-out Mäusen zeigten, dass die fehlende Expression von C5aR2, wie die von C5aR1, sich positiv auf den Ausgang von IMD auswirkte. Im Gegensatz dazu, verschlimmerte das Fehlen des C3aR Rezeptors den Ausgang der IMD. Die positive Wirkung in den C5aR knock-out Mäusen, konnte auch mit der Gabe von einem gegen beide C5aRs oder einem spezifisch gegen C5aR1 gerichteten Antagonisten in WT Mäusen beobachtet werden. Diese Ergebnisse geben Hoffnung auf eine mögliche zukünftige therapeutische Applikation. Als nächstes wurde eine mögliche Beteiligung von Neutrophilen an dem positiven Ausgang von IMD in Abhängigkeit von den ATRs untersucht. Eine fehlende C5aR1 Expression führte zu einer verminderten Degranulation durch Neutrophile in dem verwendeten murinen Vollblutmodel, wohingegen die fehlende Expression der anderen ATRs keinen Effekt zeigte. Im Gegensatz dazu, zeigten Versuche mit humanem Vollblut einen verminderten Oxidativen Burst sowie eine verminderte Ausschüttung von IL-8 bei der Blockade von allen drei ATRs. Ein Unterschied zwischen den C5aRs und dem C3aR zeigte sich hingegen in der Phagozytose, welche mit C3aR Inhibierung reduziert war, aber unverändert nach der Inhibierung von C5aR1 oder C5aR2 blieb. Mögliche zugrundeliegende Mechanismen in der Phosphorylation von ERK1/2 wurden anschließend in Knochenmark-gereiften Makrophagen von ATR knock-out Mäusen untersucht. Ohne C5aR1 oder C5aR2 Expression wurde eine verzögerte Phosphorylierung von ERK1/2 in den Makrophagen beobachtet, was erklären könnte warum die Blockade von C5aRs den Ausgang von Meningokokken induzierter Sepsis in Mäusen positiv beeinflusst. Im Gegensatz zu diesen Ergebnissen wurde die Kolonisation des Nasopharynx durch Nme in huCEACAM-1 exprimierenden Mäusen, weder durch die Komplementfaktoren C3 und C5 noch durch die ATRs beeinflusst. Zusätzlich konnte auch kein Unterschied in der Besiedelung des Nasopharynx durch Nme-Mutanten, die verschiedene Mutationen des Typ 2 CRISPR/Cas Systems besaßen, beobachtet werden. Diese Arbeit zeigt die Wichtigkeit des Komplementsystems, der ATRs und der Immunzellen in IMD. Zusätzlich zeigt diese Arbeit, dass das Komplementsystem und die ATRs jedoch keine Auswirkungen auf die Kolonisation des Nasopharynx in Mäusen haben. Die äußerst positive Auswirkung auf IMD, wenn C5aR1 und C5aR2 nicht gebildet oder blockiert werden, könnte medizinisch von Bedeutung sein und eventuell in der Zukunft die Standarttherapie bei IMD unterstützen.…