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Fragestellung: Knocheninfektionen zeigen einen extremen Hang zum chronischen Verlauf und können selbst Jahre nach einer scheinbar erfolgreichen Behandlung erneut auftreten. Wir haben anhand von pimären Osteoblasten und mesenchymalen Stammzellen in vitro untersucht, ob eine intrazelluläre Persistenz von Staphylococcus aureus und S. epidermidis im Zusammenhang mit der Chronizität von Knocheninfektionen stehen könnte.

Methodik: Primäre humane Osteoblasten und mesenchymale Stammzellen des Knochenmarks wurden unter definierten Bedingungen mit S. aureus und S. epidermidis infiziert. Nicht internalisierte Bakterien wurden mit Lysostaphin abgetötet und die Zellkulturen in Gegenwart von Penicillin weiter kultiviert. Weiterhin wurden andere Antibiotika hinsichtlich ihrer Fähigkeit untersucht, die intrazellulären S. aureus zu eliminieren. Die Zellen wurden täglich lysiert und die CFU (colony forming units) der intrazellulären Staphylokokken bestimmt. Durch Infektion mit einem GFP-exprimierenden S. aureus Stamm war es möglich, die Persistenz auf Einzellebene mikroskopisch zu untersuchen. Die Ansäurung von Lysosomen wurde mittels eines speziellen Farbstoffs sichtbar gemacht.

Ergebnisse: S. aureus und S. epidermidis waren in der Lage, Osteoblasten und mesenchymale Stammzellen zu infizieren und innerhalb eines phagosomalen Kompartiments zu persistieren, in Einzelbeobachtungen bis zu 4 Wochen. S. aureus konnte nur in primären Osteoblasten und mesenchymalen Stammzellen, aber nicht in anderen Wirtszellen Tage bis Wochen intrazellulär persistieren. Die intrazellulären Bakterien befanden sich in Vesikeln, die den lysosomalen Marker Lamp2 trugen. In den ersten Tagen nach der Infektion säuerten die Zellen einen Teil der infizierten Lysosomen an und eliminierten so einen Teil der Bakterien, während andere Lysosomen nicht angesäuert wurden. Ein Teil der infizierten Zellen starb aufgrund intrazellulärer Vermehrung der Bakterien, aber in einigen Zellen kam es zur Bildung einer stabilen Persistenz. Der normale lysosomale Abbau von Proteinen war in uninfizierten Zellen nicht beeinträchtigt. Rein auf den extrazellulären Raum beschränkte Antibiotika wie Penicillin, Gentamicin und Vancomycin waren nicht in der Lage, die intrazellulären S. aureus zu eliminieren. Obwohl Linezolid und Clindamycin in das Zellinnere gelangen können, konnten sie die Persistenz der S. aureus nicht beenden, während sich Rifampicin und Fluorochinolone als besonders effizient bei der Eliminierung erwiesen. Abbildung 1 [Abb. 1].

Schlussfolgerung: Im allgemeinen stellt die Aufnahme und Degradation von Bakterien einen wichtigen Mechanismus der zellautonomen Abwehr dar. Die Infektion der Osteoblasten und mesenchymalen Stammzellen und anschließende intrazelluläre Persistenz von S. aureus und S. epidermidis kann als Nischenbildung angesehen werden, da Bakterien innerhalb von Zellen gegen Effektormechanismen der angeborenen Immunität und Antibiotika geschützt sind und eine chronische Infektionen verursachen könnten.