Bunikowski, Rita: Die Bedeutung von S. aureus als Pathogenitätsfaktor bei der atopischen Dermatitis (AD)

Aus der Klinik für Pädiatrie mit Schwerpunkt
Pneumologie und Immunologie
der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin


Habilitationsschrift
Die Bedeutung von S. aureus als Pathogenitätsfaktor bei der atopischen Dermatitis (AD)

Zur Erlangung der Venia legendi für das Fach Kinderheilkunde

vorgelegt der Medizinischen Fakultät Charité
der Humboldt-Universität zu Berlin

von Dr. med. Rita Bunikowski,

aus
Ochsendorf

Dekan: Prof. Dr. J.W. Dudenhausen

Gutachter:
1. Prof. Dr. R. Urbanek, Wien
2. Prof. Dr. T. L. Diepgen, Heidelberg

eingereicht: 23.02.2001

Datum der Habilitation: 04.12.2001

Zusammenfassung

Ziel der hier vorgelegten Untersuchung war es, die Bedeutung von S. aureus-Exotoxinen/Superantigenen als Pathogenitätsfaktor bei der AD zu analysieren, da kausalpathogenetisch ausgerichtete Experimentalansätze sowie systematische klinische Untersuchungen zu dieser Thematik bei Patienten mit AD ausstanden.

In einer Querschnittsstudie war eine Assoziation zwischen dem Grad der S. aureus-Besiedlung und dem Schweregrad der AD nachzuweisen. Von 74 Kindern mit AD waren 60 (81%) mit S. aureus kolonisiert. S. aureus Exotoxin-sezernie-rende Stämme wurden bei 40 Patienten (53%) von der Haut isoliert. Am häufigsten wurden SEA- und SEC-sezernierende Stämme nachgewiesen, gefolgt von SEB, TSST-1 und SED. Der ausgeprägteste Schweregrad der AD wurde in der mit Exotoxin-sezernierenden S. aureus-kolonisierten Gruppe beobachtet. Für die Schwere der Erkrankung, gemessen am SCORAD-Score wurde eine Varianzaufklärung von 30% für die Exotoxine und 50% für die S. aureus-Infektion errechnet.

In einer Subgruppe von Patienten wurde der Einfluß von S. aureus-Exotoxinen auf intradermale T-Zell-Rezeptor-Vß-Repertoir-Veränderungen untersucht. Bei den Patienten mit chronischer AD, die mit SEB-sezernierendem S. aureus besiedelt waren, war mittels immunhistologischer Untersuchung in der Haut nachzuweisen, dass zwischen 25% und 65% der intradermalen T-Zellen das zugehörige Superantigen-reaktive Vß-T-Zell-Repertoire gegenüber 5% bis 17% der T-Zellen im Blut exprimieren. Weder in der Haut noch im Blut war eine Akkumulation nicht-superantigenreaktiver T-Zell-Subpopulationen nachzuweisen. Auch fand sich keine selektive Akkumulation von Vß-T-Zell-Subpopulationen bei Kindern mit S. aureus-Kolonisierung ohne Exotoxinnachweis. Die Ergebnisse belegen, dass bei Kindern mit AD und positivem S. aureus-Exotoxinnachweis auf ekzematöser Haut ein Grossteil der dermal akkumulierten T-Zellen auf diese S. aureus-Exotoxine/Superantigene reagieren können und wesentlich an der Pathogenese der AD beteiligt sind.

In einer Teilpopulation bei 58 Kindern mit AD wurden Prävalenz und Rolle von Serum-IgE-Antikörpern gegen die S. aureus-Exotoxine SEA und SEB untersucht. Bei 34% der Kinder mit AD (20/58) konnten wir spezifische IgE-Antikörper gegen SEA und/oder SEB nachweisen (45% zu SEB, 10% zu SEA und 45% zu SEA und SEB). Alle gegen SEA und SEB sensibilisierten Kindern waren mit S. aureus kolonisiert gegenüber 71% (27/38) der nicht-sensibilisierten Kinder. Der Grad der S. aureus-Besiedlung, die Prävalenz von SEB-sezernierendem S. aureus auf der Haut, sowie die Prävalenz von S. aureus-Hautinfektionen war in der sensibilisierten Gruppe höher. Die höchste Varianzaufklärung von 37% wurde zwischen dem Vorliegen von S. aureus-Hautinfektionen und dem Nachweis spezifischer SEA/SEB-IgE-Antikörper ermittelt; diese stellen somit einen Risikofaktor für eine Sensibilisierung gegen S. aureus-Exotoxine dar. Die SEA/SEB-sensibilisierte Gruppe zeigte einen höheren Schweregrad der AD, höhere Serum-Gesamt-Spiegel und eine polyvalente Sensibilisierung gegen Inhalations- und Nahrungsmittelallergene. Insgesamt belegen unsere klinischen, immunologischen und statistischen Ergebnisse, dass die S. aureus-Exotoxine einen wesentlichen Einfluss auf die Immunpathogenese der AD haben.

Eine orale Therapie mit CyA kann bei S. aureus-kolonisierten Kindern die S. aureus-Besiedlungsdichte reduzieren. In der S. aureus-infizierten Gruppe war die Prävalenz von Exotoxin-produzierendem S. aureus und die Krankheitsaktivität höher, wobei eine Verminderung der Besiedlung nicht beobachtet wurde.

Die Ergebnisse dieser Arbeit erlauben den Schluss, dass S. aureus-Exotoxine als Triggerfaktor die Exazerbation der AD im Kindesalter wesentlich unterstützen. Deswegen sollte in ein therapeutisches Konzept eine konsequente Prävention bzw. eine Behandlung von S. aureus-Infektionen einbezogen werden. Kinder mit bereits schwerer AD profitieren von einer immunmodulatorischen Therapie.

Schlagwörter:
Atopische Dermatitis, Staphylokokkus aureus, Staphylokokkus-aureus-Exotoxine, T-Zell-Rezeptor-Vß-Repertoire

Abstract

Background: The skin of patients suffering from atopic dermatitis (AD) exhibits a striking susceptibility to colonization with S. aureus. Some strains of S. aureus secrete exotoxins with T cell superantigen activity (toxigenic strains) and abnormal T cell functions are known to play a critical role in AD.

Objective: The aim of this study was to determine the impact of exotoxin production by skin-colonizing S. aureus on disease severity and the presence of T-cell subsets in lesional skin. Furthermore, we investigated the effect of oral cyclosporin A in severe pediatric atopic dermatitis on disease severity and S. aureus colonization density.

Methods: In a cross sectional study of 74 children with atopic dermatitis, the presence and density of toxigenic and non-toxigenic strains of S. aureus was correlated with disease severity. In a subgroup of patients the T cell receptor (TCR) Vß repertoire of peripheral blood and lesional T cells was investigated and correlated with individual superantigen activity of skin colonizing S. aureus.

Furthermore, in a subgroup of patients, the presence of IgE antibodies to SEA and SEB was correlated with severity of the disease and the total and other unrelated allergen-specific IgE titers and density of colonization with S. aureus strains on atopic skin and episodes of superficial S. aureus skin infections.

Eleven children with severe AD (SCORAD score > 50) were treated for eight weeks with 2.5 to 5 mg/kg CyA. In five children the skin was only colonized with S. aureus whereas the remaining six patients had clinically relevant skin infections with requirement for systemic antibiotic therapy. The isolates from the latter patients were sensitive for the selected antibiotics. Clinical and microbiological investigations were performed before and after CyA therapy.

Results: 53% of children with AD were colonized with toxigenic strains of S. aureus producing SEC, SEA, TSST-1, SEB and SED in decreasing frequency. Children colonized with toxigenic S. aureus strains presented with higher disease severity as compared to the non-toxigenic and S. aureus negative groups. The influence of exotoxin production on the SCORAD score was determined as R2 = 0.3 (ie, 30% of the SCORAD score is explained by exotoxin production), whereas infection with S. aureus revealed R2 = 0.5.

Patients colonized with toxigenic S. aureus exhibited shifts in the intradermal TCR Vß repertoire which correspond to the respective superantigen-responsive T cell subsets.

In a subgroup of patients, twenty of 58 children (34%) were sensitized to superantigens (45% to SEB, 10% to SEA, 45% to SEA and SEB). In this group, severity of AD and levels of specific IgE to food and air allergens were higher. The degree of disease severity correlated to a higher extent with the presence of SEA/SEB-specific antibodies than with total serum IgE levels. Density of colonization with superantigen-secreting S. aureus strains was higher in the superantigen IgE-positive group. Sixty-three of these children experienced repeated episodes of superficial S aureus skin infections. The influence of S. aureus skin infection on the presence of SEA/SEB-specific antibodies was determined as R2 = 0.37 (ie, 37% of the the presence of SEA/SEB-specific antibodies is explained by S. aureus superficial skin infection).

In the group of patients, who were treated with CyA, clinical signs and symptoms of AD improved in all patients (mean SCORAD score reduction from 74 to 29). However, disease severity was more supressed by CyA in the „colonized“ patients compared with the patients with clinical S. aureus infections. Furthermore, there was a significant decrease in S. aureus density on atopic skin after CyA treatment in „colonized“ patients but not in „infected“ patients. The prevalence of exotoxin producing strains was higher in the „infected“ group.

Conclusion: The data demonstrate that S. aureus released exotoxins can modulate disease severity and dermal T cell infiltration. Patients, suffering from AD may take profit from both consequent prevention or treatment of S. aureus skin infection as well as immunmodulating approaches.

Keywords:
atopic dermatitis, staphylococcus aureus, staphylococcal, T-cell receptor Vß repertoire


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Inhaltsverzeichnis

TitelseiteDie Bedeutung von S. aureus als Pathogenitätsfaktor bei der atopischen Dermatitis (AD)
Widmung
Vorwort Vorwort
1 Einleitung
1.1Epidemiologie
1.2Genetischer Hintergrund
1.3Multiple Triggerfaktoren
1.4Immunpathogenese
1.4.1Dysregulation von T-Zellen
1.4.2Zellinfiltration und Zytokinprofil in atopischer Haut
1.5Therapie-Konzepte
1.5.1Glukokortikoide
1.5.2Calcineurin-Antagonisten
1.5.3Th1-/Th2-Zytokinänderung durch Interferon-alpha und -gamma
1.5.4Inhibierung der cAMP-Phosphodiesterase-Enzymaktivität
1.5.5Sonstiges
1.5.6Antibiotische Therapie
1.6Einfluss der AD auf das soziale Umfeld der Kinder
1.7Konzepte zur potentiellen Bedeutung von S. aureus und S. aureus-Exo-toxine/Superantigene im Krankheitsgeschehen der AD
2 Ziele und Fragestellung
3 Patienten und Methoden
3.1Studienpopulation
3.2Mikrobiologische Diagnostik
3.3Zusammenhang zwischer lokaler T-Zell-Rekrutierung und S. aureus-Exotoxin-Produktion
3.4Analysen des T-Zellrezeptor-Vß-Repertoires mittels Durchflusszytometrie
3.5Hautbiopsie
3.6Nachweis von Serum-Gesamt-IgE und spezifischen IgE-Anti-körpern
3.7Cyclosporin A-Therapie und S. aureus-Besiedlung
3.8Untersuchungen zur Lebensqualität der Eltern von Kindern mit schwerer AD
3.9Statistische Auswertung
4 Ergebnisse
4.1Einfluss von S. aureus-Besiedlung und S. aureus-Exotoxine
4.2T-zellvermittelte Hautreaktionen auf S. aureus-Exotoxine
4.3Spezifische Immunantwort gegen S. aureus-Exotoxine (SEA/SEB)
4.4Effekt von Cyclosporin A-Therapie auf die S. aureus Besiedlung
4.5Lebensqualität von Müttern mit Kindern schwerer AD
5 Diskussion
Abkürzungsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis
Bibliographie Literaturverzeichnis
Danksagung
Lebenslauf
Selbständigkeitserklärung

Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Ergebnisse epidemiologischer Studien, die eine Th1/Th2-Hypothese stützen
Tabelle 2: Immunologische Besonderheiten bei der atopischen Dermatitis
Tabelle 3: Zellinfiltration und Zytokinprofil in atopischer läsionaler Haut
Tabelle 4: Therapeutische Strategien bei der Behandlung der atopischen Dermatitis
Tabelle 5: Einfluß von S. aureus bei atopischer Dermatitis
Tabelle 6: In-vitro-Einfluss von bakteriellen Superantigenen bei atopischer Dermatitis
Tabelle 7: Prävalenz von S. aureus-Hautinfektionen und invasiven S. aureus-Infektionen.
Tabelle 8: Entwicklung der mütterlichen Lebensqualität in Assoziation zur Behandlung ihrer erkrankten Kinder mit Cyclosporin A

Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Verteilungsmuster des atopischen Ekzems. Die Schraffierung zeigt die besondere Lokalisation im Kindesalter an.
Abb. 2: Immunologische Veränderungen in nicht-entzündeter, akuter und chronisch läsionaler atopischer Haut (modifiziert nach Leung).
Abb. 3: Wichtige immunologische Veränderungen in atopischer Haut, ausgelöst durch den Einfluss von S. aureus Superantigene (modifiziert nach Leung).
Abb. 4: Grad der S. aureus-Kolonisierungen bei Patienten mit leichter und mittlerer Dermatitis (SCORAD-Score < 50 Punkte) gegenüber Patienten mit schwerer Dermatits (SCORAD-Score ge 50 Punkte).
Abb. 5A: Überblick über die Prävalenz von S. aureus-Besiedlung mit Exotoxin-sezernierenden Stämmen bei Kindern mit atopischer Dermatitis und gesunden nicht-atopischen Kontrollkindern.
Abb. 5B: Grad der S. aureus-Kolonisierungen bei Patienten mit non-toxigenic- und für Patienten mit toxigenic S. aureus-Nachweis auf der ekzematösen Haut.
Abb. 6: Darstellung des Schweregrades der atopischen Dermatitis bei drei Patientengruppen, der mittels SCORAD-Score festgelegt wurde. Die Linien präsentieren jeweils den medianen SCORAD-Score für Patienten ohne S. aureus-Kolonisierung, für Patienten mit non-toxigenic S. aureus und für Patienten mit toxigenic S. aureus-Kolonisierung.
Abb. 7: Darstellung des Serum-Gesamt-IgE bei drei Patientengruppen. Die Linien präsentieren jeweils den medianen Wert für Patienten ohne S. aureus-Nachweis auf der Haut, für Patienten mit non-toxigenic S. aureus und für Patienten mit toxigenic S. aureus-Kolonisierung.
Abb. 8: Gegenüberstellung der Frequenz des T-Zell-Rezeptor-Vß-Repertoires in den nativen CD3+-PBMCs zur Frequenz des T-Zell-Rezeptor-Vß-Repertoires der intradermalen T-Zellen von läsionaler Haut.
Abb. 9: Kolonisierung mit SEB-sezernierendem S. aureus (> 100 cfu/cm2 Haut) bei schwerer chronischer atopischer Dermatitis. (SCORAD-Score 87 Punkte)
Abb. 10: Kolonisierung mit non-toxigenic S. aureus (> 100 cfu/cm2 Haut) bei schwerer chronischer atopischer Dermatitis. (SCORAD-Score 76 Punkte)
Abb. 11: Messung der spezifischen IgE-Antikörper gegen S. aureus-Exotoxine SEA und SEB bei 22 gesunden nicht-atopischen Kontrollkindern und 58 Kindern mit AD.
Abb. 12: S. aureus-Kolonisierungsdichte auf ekzematöser läsionaler Haut bei SEA/SEB-sensibilisierten und nicht-sensibilisierten Kindern. Die Balken präsentieren den medianen Besiedlungsgrad der untersuchten Kinder bezogen auf cm2 getesteter Haut.
Abb. 13: Evaluierung des Schweregrades der atopischen Dermatitis mittels SCORAD-Score. Die Linien präsentieren jeweils den medianen Wert für die einzelnen Gruppen.
Abb. 14: Gegenüberstellung des Serum-Gesamt-IgE der nicht-sensibilisierten zur SEA/SEB-sensibilisierten Gruppe. Die Linien präsentieren jeweils den medianen Wert für die einzelnen Gruppen.
Abb. 15: Gegenüberstellung des spezifischen IgE gegen Nahrungsmittelallergene der nicht-sensibilisierten zur SEA/SEB-sensibilisierten Gruppe. Die Linien präsentieren jeweils den medianen Wert für die einzelnen Gruppen.
Abb. 16: Gegenüberstellung des spezifischen IgE gegen Inhalationsallergene der nicht-sensibilisierten zur SEA/SEB-sensibilisierten Gruppe. Die Linien präsentieren jeweils den medianen Wert für die einzelnen Gruppen.
Abb. 17: Darstellung des Schweregrades der atopischen Dermatitis bei zwei Patientengruppen, der mittels SCORAD-Score festgelegt wurde. Diese Patienten wurden über einen Zeitraum von acht Wochen mit Cyclosporin-A therapiert (Woche 0 bis 8). Es erfolgte dann eine vierwöchige Nachbeobachtung ohne Therapie mit Cyclosporin A (Woche 8 bis 12). Die Linien präsentieren jeweils den mittleren SCORAD-Score für Patienten mit S. aureus-Kolonisation (keine antibiotische Therapie) und für Patienten mit S. aureus Hautinfektion (antibiotische Therapie).
Abb. 18A: Grad der S. aureus-Kolonisierung für die Ellenbeuge bei Patienten ohne antibiotische Therapie und bei Patienten mit antibiotischer Therapie unter der achtwöchigen Cyclosporin-A-Therapie (Woche 0: vor CyA-, Woche 8: nach CyA-Therapie).
Abb. 18B: Grad der S. aureus-Kolonisierung für ekzematöse-erosive Haut bei Patienten ohne antibiotische Therapie und bei Patienten mit antibiotischer Therapie unter der achtwöchigen Cyclosporin-A-Therapie (Woche 0: vor CyA-, Woche 8: nach CyA-Therapie).
Abb. 19: Entwicklung des objektiven SCORAD-Scores bei Kindern mit schwerem atopischem Ekzem (SCORAD-Score > 50 Punkte) unter der Cyclosporin-A-Therapie, bezogen auf den Therapiezeitraum.
Abb. 20: Entwicklung des Juckreizes bei Kindern mit schwerem atopischem Ekzem (SCORAD-Score > 50 Punkte) unter der Cyclosporin-A-Therapie, bezogen auf den Therapiezeitraum.
Abb. 21: Entwicklung der Schlafstörung bei Kindern mit schwerem atopischem Ekzem (SCORAD-Score > 50 Punkte) unter der Cyclosporin-A-Therapie, bezogen auf den Therapiezeitraum.

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Mon Sep 23 14:10:21 2002