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Zielsetzung und Fragestellung: Die Chronifizierung implantatassoziierter Knocheninfektionen ist eng mit der Bildung von Biofilmen verknüpft. Diese schützen Bakterien vor den meisten Antibiotika sowie der Immunabwehr und begünstigen eine anti-inflammatorische Immunantwort und Immuntoleranz. Eine frühere Studie zeigte, dass die planktonische Umgebung von Staphylococcus aureus den cGAS-STING-Signalweg aktiviert, wohingegen diese Aktivierung in der entsprechenden Biofilmumgebung nicht mehr nachweisbar ist.

Ziel dieses Projekts war es, mögliche Mechanismen zu untersuchen, durch die Biofilme die Erkennung durch den cGAS-STING-Signalweg umgehen. Dazu analysierten wir, wie die Biofilmumgebung die Expression von cGAS, die Verfügbarkeit von cGAS-Liganden sowie die Aktivierbarkeit von STING beeinflusst.

Material und Methoden: RAW 264.7 Makrophagen wurden mit konditionierten Medien von Staphylococcus aureus, die entweder planktonisch oder als Biofilm kultiviert wurden, inkubiert. Zur gezielten Aktivierung des cGAS-STING-Signalwegs wurden die Zellen entweder mit dem cGAS-Agonisten G3-YSD (zur Aktivierung von cGAS) oder mit dem cGAS-Produkt 2’3’-cGAMP (zur Aktivierung der nachgeschalteten Signalübertragung über STING) stimuliert. Die Agonisten wurden sowohl zeitgleich mit der Biofilmumgebung als auch zeitlich versetzt nach einer vorherigen Inkubation mit dieser hinzugegeben. Die Aktivierung des cGAS-STING-Signalwegs wurde mittels RT-qPCR, Western Blot und FACS analysiert. Darüber hinaus wurde das Vorhandensein von Nukleasen in der Biofilmumgebung durch die Zugabe von λ-DNA und anschließender Agarose-Gelelektrophorese überprüft. Alle Experimente wurden in drei unabhängigen Versuchen durchgeführt. Die Statistik erfolgte mittels ANOVA.

Ergebnisse: Die mRNA- und Proteinlevel von cGAS waren nach Inkubation in der Biofilmumgebung im Vergleich zur planktonischen Umgebung nur leicht reduziert. Dennoch führte die Zugabe von G3-YSD in der Biofilmumgebung nicht zur Aktivierung des Signalwegs. Dieser inhibierende Effekt blieb auch im zeitversetzten Ansatz nach Entfernung des Biofilmmediums bestehen. Im Gegensatz dazu konnte 2’3’-cGAMP die Aktivierung des Signalwegs über STING in der Biofilmumgebung wiederherstellen. Sowohl die planktonischen als auch die Biofilmmedien wiesen eine hohe Aktivität thermostabiler Nukleasen auf.

Diskussion und Schlussfolgerung: Unsere Ergebnisse zeigen, dass die Inkubation der RAW 264.7-Zellen mit den Biofilmmedien einen anhaltenden hemmenden Effekt auf cGAS hat – selbst nach Entfernung der Biofilmumgebung. Inwieweit die Nukleaseaktivität in den Medien zur Zersetzung extrazellulärer DNA beiträgt und dadurch potenzielle cGAS-Liganden aus der Umgebung entfernt, konnte mit unseren Versuchen nicht abschließend geklärt werden. Allerdings hatte die Behandlung der planktonischen Medien mit DNase I keinen Einfluss auf die cGAS-Aktivierung.

Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass der hemmende Effekt der Biofilmumgebung auf cGAS nicht allein durch deren Nukleaseaktivität erklärt werden kann. Da der nachgeschaltete Signalweg intakt bleibt, könnte die gezielte Aktivierung von STING eine vielversprechende Strategie zur Wiederherstellung des cGAS-STING-Signalwegs bei implantatassoziierten Knocheninfektionen darstellen.