Değişik klinik örneklerden izole edilen pseudomonas aeruginosa suşlarında virülans faktörleri ve bu faktörlerin sentezlenmesinde rol oynayan bakteriyel iletişim `Quorum Sensing` sistemindeki sinyal moleküllerinin hastalık patogenezindeki rolü

Abstract

P. aeruginosa, gram negatif fırsatçı bir patojen olup bitki, hayvan ve insanlarda ciddi hastalıklara sebep olmaktadır. Bu organizma nazokomial enfeksiyonların major bir nedenidir ve başta kistik fibrozis olmak üzere kronik akciğer enfeksiyonlarından sorumludur. P. aeruginosa 'nın patojenitesi hücre ile ilişkili alginat, pili ve lipopolisakkarit, proteazlar (elastaz, alkalen proteaz ve LasA proteaz), hemolizinler (rhamnolipid ve fosfolipazlar), toksinler (ekzoenzim S ve ekzotoksin A) ve pyosiyanin gibi hücre dışı virülans faktörlere bağlı olup multifaktöriyeldir. Bu virülans faktörlerin çoğunun ekspresyonu iki N-acyl-L-homoserin lakton (AHL) bağımlı hücreler arası haberleşme sistemi tarafından gerçekleştirilir. Çeşitli virülans faktörlerinin kontrolü QS sistemi ile gerçekleştiğinden, bu sistemlerden biri veya her ikisinin kaybı durumunda P. aeruginosa' nın. insanlarda enfeksiyon oluşturma kabiliyetinde önemli ölçüde azalma mümkün olabilmektedir. Bu çalışma ile insanlarda enfeksiyona neden olan QS-yetersiz sujlar, bu sujların var olup olmadığı ve spesifik infeksiyon tipleri ile virülans faktörleri arasındaki ilişkileri tanımlamak amaçlanmıştır. Çalışmamızda çeşitli klinik örneklerden (idrar (n=30), kan (n=21), yara (n=19), balgam (n=16), kulak akıntısı (n=7), kateter (n=4)) izole edilen 100 P. aeruginosa susu çalışmaya alınmıştır. Bakterinin virülansında önemli rol oynadığı kabul edilen elastaz, alkali proteaz, pyosiyanin ve biofilm oluşumu gibi faktörlerin kantitatif ölçümleri yapılmıştır. P. aeruginosa 'nın virülansında rolü olan determinantların bir çoğunun üretimini kontrol eden QS sisteminde yer alan uzun zincirli ve kısa zincirli sinyal moleküllerini üretebilen suşlar saptanmıştır. Çalışmamızda balgam ve kan örneklerinden elde edilen suşların elastaz aktivitesi (sırasıyla 0.499 ± 0.35, 0.46 ± 0.396) diğer lokalizasyonlara ait suşlara göre daha yüksek düzeyde saptanmıştır. İdrar örneklerinin pyosiyanin değerleri (0,0691 ± 0,0654), kan, yara ve balgam izolatlarına göre ( sırasıyla 0,0656 ± 0,0614, 0,0488 ± 0,0415, 0,0492 ± 0,0363) daha yüksek bulunmuştur. Yine idrar izolatlarının biofilm oluşum düzeyi (0,719 ± 0,441), kan, yara, balgam izolatlarındaki değerlerden (sırasıyla 0,414 ± 0,265, 0,467 ± 0,31, 0,403 ± 0,447) istatistiksel olarak anlamlı derecede yüksek saptanmıştır. Suşların tümü uzun zincirli sinyal molekülünü üretirken, 29 izolatta kısa zincirli sinyal molekülü üretimi gösterilmiştir. Kısa zincirli sinyal molekülü üreten suşlara ait elastaz, alkalen proteaz değerleri üretmeyen veya az seviyede üreten suşlara göre istatistiksel olarak anlamlı derecede yüksek bulundu. Pyosiyanin değerleri de daha yüksek bulundu ancak istatistiksel olarak fark anlamlı değildi. Biofilm değerlerinde ise kısa zincirli sinyal molekülü üretimi arasında pozitif bir bağıntı gözlenmedi. Bu durum idrar, katater gibi daha fazla biofilm oluşumunun sözkonusu olduğu örnek sayışırım azlığından kaynaklanabileceği gibi, QS sistemi dışmda daha etkin başka mekanizmaları düşündürebilir. QS sistemi, bakterilerin çevrelerindeki kendi türlerine ait bakteri topluluğunun yoğunluğunu saptamasına yarayan ve bunun sonucunda özellikle virülans faktörlerini kodlayan genlerin ekspresyonuna neden olması nedeniyle, özellikle invazyon kabiliyeti olan patojenlerin virülans ve patojenitesinde önemli rol oynamaktadır. QS sisteminin bakteri virülansı üzerinde önemli etkileri olup P. aeruginosa da multipl regülasyonunda rolü büyüktür. QS sisteminin halen çözümlenmemiş olmasına rağmen, QS sistemini hedef alan terapötik ajanlar, gelecekte enfeksiyonların tedavisinde ve proflaksisinde alternatif bir seçenek olabileceğini göstermektedir. Bizim çalışmamızda uzun zincirli sinyal moleküllerinin tüm suşlarda üretilmiş olması QS sisteminin bakteri virülansı ve patojenitesindeki rolünü göstermektedir. Kısa zincir ürettiği saptanan suşlarda elastaz, alkalen proteaz ve pyosiyanin üretimlerinin üretmeyen suşlara göre daha yüksek bulunmuş olması QS sisteminin suşları daha virülan hale getirebildiğini ve patojenitede önemli rol oynadığım göstermektedir.

The gram-negative bacterium Pseudomonas aeruginosa is an opportunistic pathogen. This organism is a major cause of nosocomial infections and it is especially responsible for chronic lung infections that plague most cystic fibrosis patients. The pathogenicity of P. aeruginosa depends on multiple cell-associated factors such as alginate, pili, and lipopolysaccharide, and on extracellular virulence factors including proteases (elastase, alkaline protease, and LasA protease), hemolysins (rhamnolipid and phospholipase), and toxins (exoenzyme S and exotoxin A). Expression of many of these virulence factors is controlled by two N-acyl-L-homoserine lactone (AHL)-dependent cell-cell communication systems, which are utilized by P. aeruginosa to monitor its own population density in a process known as quorum sensing. Because of the control of the virulence factors due to QS system; in human infectious capability of P. aeruginosa can be decreased markedly in lack of one or both of these two system component. The aim of this study is to determine whether there are QS insufficient subspecies that are infective for humans, and to identify the relations between specific infection types and virulence factors. 100 P. aeruginosa strains isolated from different clinical specimens including urine (n=30), blood (n=21), wound (n=19), sputum_n=16) ear discharge (n=4) and catheter (n=4) were used in our study. Quantitative measurements (analysis) of elastase, alkaline protease, pyocyanin and biofilm formation were done. Strains were investigated to produce long and short chain signal molecules taken part in QS system. In our study the elastase activities of the subspecies isolated from the sputum and blood specimens (0.499 ± 0.35, 0.46 ± 0.396, respectively) were detected higher than those of the subspecies isolated from other localizations. The pyocyanin values of the urine specimens (0.0691 ± 0.0654) were detected higher than those of blood, wound and sputum isolates (0.0656 ± 0.0614, 0.0488 ± 0.0415, 0.0492 ± 0.0363, respectively). The high biofilm formation level of the urinary isolates (0.719 ± 0.441) were statistically significant when compared to the values of the blood, wound and sputum isolates ( 0.414 + 0.265, 0.467 ±0.31, 0.403 ± 0.447, respectively). All of the subspecies produced long chain signal molecule where as, only 29 isolates were shown to produce short chain signal molecule. The elastase and alkalene protease values of short chain signal molecule producing subspecies were high and the differences were statistically significant. Although pyocyanin values were also found to be higher, the differences were not statistically significant. QS system plays an important role in virulence and pathogenicity of the pathogens especially capable of invasion, since it causes expression of the genes helping the bacterias determine the density of the bacterial community of their own species in their environment and consequently coding especially the virulence factors. QS system has important effects on bacterial virulence and its major role is in multiple regulation of P. aeruginosa. Although the QS system is not clarified since thoroughly, therapeutic agents targeting the QS system seems to be an alternative choice for the treatment and prophylaxis of the infections. In our study the production of long chain signal molecules in all of the strains shows the role of the QS system in bacterial virulence and pathogenicity. The productions of elastase, alkalene protease and pyocyanin in short chain signal molecule producing strains were higher than those in strains which cannot produce short chain signal molecule. These results suggested that QS sistem may be made the strains much virulent and plays an important role in pathogenicity.