University of Oulu

Role of pneumococcal virulence genes in the etiology of respiratory tract infection and biofilm formation

Saved in:
Author: Kurola, Paula
Organizations: University of Oulu, Faculty of Medicine, Institute of Diagnostics, Department of Medical Microbiology
National Institute for Health and Welfare, Child and Adolescent Health and Welfare Unit
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.1 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789514294297
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2011
Publish Date: 2011-06-07
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Faculty of Medicine of the University of Oulu for public defence in the Auditorium of Kastelli Research Centre (Aapistie 1), on 17 June 2011, at 12 noon
Tutor: Professor Maija Leinonen
Doctor Annika Saukkoriipi
Reviewer: Docent Risto Vuento
Docent Jari Jalava
Description:

Abstract

Streptococcus pneumoniae, pneumococcus, is a common cause of respiratory tract infections and also a common inhabitant of the upper respiratory tract of healthy people. At present, 93 different polysaccharide types have been identified and in addition to them, unencapsulated pneumococci are found especially in healthy carriers. Pneumococci are usually identified by using a bacterial culture combined with biochemical or immunochemical tests. Recently, new DNA-based methods, such as PCR, have been applied. Many PCR methods that detect pneumococci are targeted at genes which encode virulence factors such as pneumolysin, autolysin and pneumococcal surface antigen A.

S. pneumoniae is a common causative agent of otitis media. In clinical trials, xylitol has been shown to decrease the occurrence of otitis media but the mechanism of action is not known. Xylitol has been shown to reduce pneumococcal growth and adherence to nasopharyngeal cells and its effect on the appearance of the pneumococcal polysaccharide structure has been shown by electron microscopy. Xylitol has also been demonstrated to inhibit biofilm formation of Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa. Biofilms have been associated with otitis media and pneumococci have been shown to form biofilms.

The purpose of this work was to study the role of capsular and other virulence genes in pneumococcal infection and biofilm formation. A new PCR method was developed to detect the pneumococcal capsule and it appeared to have potential when studying the pneumococcal etiology of pneumonia. Widely used PCR methods were used to study pneumococcal isolates, and conflicting results were obtained when the results were compared with conventional immunochemical methods. In addition, xylitol was shown to inhibit capsular gene expression and biofilm formation of pneumococci. Glucose and fructose appeared to enhance biofilm formation.

The conflicting results between PCR and immunochemical methods suggest that further identification methods are needed in the diagnosis of pneumococcal infection. The observed inhibitory effect of xylitol on pneumococcal capsule gene expression and biofilm formation may partly explain the efficacy of xylitol in preventing acute otitis media in previous clinical trials.


Tiivistelmä

Streptococcus pneumoniae, pneumokokki, on yleinen hengitystieinfektioiden aiheuttaja, joka esiintyy myös hengitysteiden normaalifloorassa. Pneumokokilla tunnetaan 93 kapselityyppiä ja näiden lisäksi etenkin oireettomilta nielukantajilta löytyy kapselittomia pneumokokkeja. Pneumokokin tunnistamiseen käytetään yleensä viljelyä sekä bio- ja immunokemiallisia testejä ja sittemmin tunnistuksen tukena on käytetty geeniteknologisia menetelmiä, kuten PCR. Useissa pneumokokin tunnistuksessa käytettävissä PCR-menetelmissä on käytetty kohdegeeninä virulenssitekijöitä, kuten pneumolysiiniä, autolysiinia ja pneumokokin pinta-antigeeni A:ta koodaavia geenejä.

Pneumokokki on yleinen korvatulehdusten aiheuttaja. Kliinisissä tutkimuksissa ksylitolin on havaittu vähentävän korvatulehduksia, mutta vaikutusmekanismi on vielä epäselvä. Ksylitolin on osoitettu vähentävän pneumokokin kasvua ja kiinnittymistä nenänielun soluihin ja sen vaikutus polysakkaridikapselin ulkomuotoon on osoitettu elektronimikroskopialla. Ksylitolin on myös todettu vähentävän biofilminmuodostusta Staphylococcus aureus, ja Pseudomonas aeruginosa –bakteereilla. Biofilmin muodostuksen on ehdotettu liittyvän krooniseen korvatulehdukseen. Aiemmissa tutkimuksissa pneumokokin on osoitettu muodostavan biofilmejä.

Työn tarkoituksena oli tutkia kapseli- ja muiden virulenssigeenien merkitystä pneumokokki-infektion diagnostiikassa ja biofilminmuodostuksessa. Työssä kehitettiin uusi PCR-menetelmä pneumokokin kapselin osoittamiseksi ja sillä todettiin olevan käyttömahdollisuuksia keuhkokuumeen pneumokokkietiologiaa tutkittaessa. Yleisesti käytettyjä PCR-menetelmiä tutkittiin pneumokokki-isolaateilla ja havaittiin vakavia ristiriitoja näiden ja perinteisten, immunokemiallisten tunnistusmenetelmien välillä. Lisäksi tutkimuksessa havaittiin ksylitolin vähentävän pneumokokin kapseligeenien ekspressiota ja biofilmin muodostusta. Sen sijaan glukoosi ja fruktoosi lisäsivät biofilmin muodostusta.

Tutkimustulokset osoittivat ristiriidan perinteisten immunokemiallisten ja PCR-menetelmien välillä ja antavat aihetta uusien, tarkempien menetelmien käyttöönotolle pneumokokki-infektion diagnostiikassa. Tutkimuksen havainnot ksylitolin vaikutuksesta pneumokokin kapseligeeniekspressioon ja biofilmin muodostukseen voivat osittain selittää kliinisissä tutkimuksissa havaittua ksylitolin ehkäisevää vaikutusta korvatulehduksiin.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-951-42-9429-7
ISBN Print: 978-951-42-9428-0
Issue: 1098
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.