Streptococcus pneumoniae potently induces cell death in mesothelial cells

• DOI: 10.1371/journal.pone.0201530
• Publication Date: 2018-07-30T17:33:53Z
• Authors: Rabab Rashwan; Julius F. Varano ...; Sally M. Lansley; Hui Min Cheah; Natalia Popowicz; James C. Paton; Grant W. Waterer; Tiffany Townsend; Ian Kay; Jeremy S. Brown; Y. C. Gary Lee
• Keywords: 0301 basic medicine; Epidemiology; Apoptosis; Biochemistry; Epithelium; Antibiotics; Diagnosis and Management of Pleural Diseases; Pathology; Child; Cells, Cultured; Management and Epidemiology of Pneumonia; Programmed cell death; Cultured; Cell Death; Q; apoptosis; R; pneumolysin; 3. Good health; Streptococcus pneumoniae; Streptolysins; Malignant Pleural Mesothelioma; Pleura; Medicine; pneumococcus; Pleural; Research Article; Pulmonary and Respiratory Medicine; mesothelial; Cell Survival; Cells; Science; Microbiology; Pneumococcal Infections; 03 medical and health sciences; Bacterial Proteins; Pneumolysin; pleural; Health Sciences; Humans; Empyema; Biology; Empyema, Pleural; Streptococcus; Epithelial Cells; Malignant Pleural Mesothelioma Research; empyema; FOS: Biological sciences; Mesothelial Cell

Pleural infection/empyema is common and its incidence continues to rise. Streptococcus pneumoniae is the commonest bacterial cause of empyema in children and among the commonest in adults. The mesothelium represents the first line of defense against invading microorganisms, but mesothelial cell responses to common empyema pathogens, including S. pneumoniae, have seldom been studied. We assessed mesothelial cell viability in vitro following exposure to common empyema pathogens. Clinical isolates of S. pneumoniae from 25 patients with invasive pneumococcal disease and three reference strains were tested. All potently induced death of cultured mesothelial cells (MeT-5A) in a dose- and time-dependent manner (>90% at 107 CFU/mL after 24 hours). No significant mesothelial cell killing was observed when cells were co-cultured with Staphylococcus aureus, Streptococcus sanguinis and Streptococcus milleri group bacteria. S. pneumoniae induced mesothelial cell death via secretory product(s) as cytotoxicity could be: i) reproduced using conditioned media derived from S. pneumoniae and ii) in transwell studies when the bacteria and mesothelial cells were separated. No excess cell death was seen when heat-killed S. pneumoniae were used. Pneumolysin, a cytolytic S. pneumoniae toxin, induced cell death in a time- and dose-dependent manner. S. pneumoniae lacking the pneumolysin gene (D39 ΔPLY strain) failed to kill mesothelial cells compared to wild type (D39) controls, confirming the necessity of pneumolysin in D39-induced mesothelial cell death. However, pneumolysin gene mutation in other S. pneumoniae strains (TIGR4, ST3 and ST23F) only partly abolished their cytotoxic effects, suggesting different strains may induce cell death via different mechanisms.<br/>L'infection pleurale/empyème est fréquente et son incidence continue d'augmenter. Streptococcus pneumoniae est la cause bactérienne la plus fréquente d'empyème chez les enfants et parmi les plus courantes chez les adultes. Le mésothélium représente la première ligne de défense contre les micro-organismes envahisseurs, mais les réponses des cellules mésothéliales aux agents pathogènes communs de l'empyème, y compris S. pneumoniae, ont rarement été étudiées. Nous avons évalué la viabilité des cellules mésothéliales in vitro à la suite d'une exposition à des agents pathogènes courants de l'empyème. Des isolats cliniques de S. pneumoniae provenant de 25 patients atteints de pneumococcie invasive et de trois souches de référence ont été testés. Tous ont induit de manière puissante la mort de cellules mésothéliales cultivées (MeT-5A) en fonction de la dose et du temps (>90 % à 107 UFC/mL après 24 heures). Aucune destruction significative des cellules mésothéliales n'a été observée lorsque les cellules ont été co-cultivées avec des bactéries du groupe Staphylococcus aureus, Streptococcus sanguinis et Streptococcus milleri. S. pneumoniae a induit la mort des cellules mésothéliales via le (s) produit(s) sécrétoire (s) car la cytotoxicité pourrait être : i) reproduite en utilisant des milieux conditionnés dérivés de S. pneumoniae et ii) dans des études de transwell lorsque les bactéries et les cellules mésothéliales ont été séparées. Aucun excès de mort cellulaire n'a été observé lorsque S. pneumoniae tué par la chaleur a été utilisé. La pneumolysine, une toxine cytolytique de S. pneumoniae, a induit la mort cellulaire de manière dépendante du temps et de la dose. S. pneumoniae dépourvu du gène de la pneumolysine (souche D39 ΔPLY) n'a pas réussi à tuer les cellules mésothéliales par rapport aux témoins de type sauvage (D39), confirmant la nécessité de la pneumolysine dans la mort des cellules mésothéliales induite par D39. Cependant, la mutation du gène de la pneumolysine dans d'autres souches de S. pneumoniae (TIGR4, ST3 et ST23F) n'a que partiellement aboli leurs effets cytotoxiques, suggérant que différentes souches peuvent induire la mort cellulaire via différents mécanismes.<br/>العدوى الجنبية/الدُبيلة شائعة ويستمر حدوثها في الارتفاع. العقدية الرئوية هي السبب البكتيري الأكثر شيوعًا للتقيؤ لدى الأطفال ومن بين الأسباب الأكثر شيوعًا لدى البالغين. يمثل الظهارة المتوسطة خط الدفاع الأول ضد الكائنات الحية الدقيقة الغازية، ولكن نادراً ما تمت دراسة استجابات الخلايا المتوسطة لمسببات أمراض الدُبَيلَة الشائعة، بما في ذلك S. pneumoniae. قمنا بتقييم صلاحية الخلايا الظهارية المتوسطة في المختبر بعد التعرض لمسببات الأمراض الدمية الشائعة. تم اختبار العزلات السريرية للالتهاب الرئوي الرئوي من 25 مريضًا يعانون من مرض المكورات الرئوية الغازية وثلاث سلالات مرجعية. كل الموت المستحث بقوة للخلايا المتوسطة المستزرعة (MeT -5A) بطريقة تعتمد على الجرعة والزمن (>90 ٪ عند 107 CFU/مل بعد 24 ساعة). لم يلاحظ أي قتل كبير للخلايا المتوسطة عندما تمت زراعة الخلايا بشكل مشترك مع بكتيريا مجموعة المكورات العنقودية الذهبية والمكورات العقدية الدموية والمكورات العقدية الطحينية. تسبب الالتهاب الرئوي موت الخلايا المتوسطة عن طريق المنتج(المنتجات) الإفرازية حيث يمكن أن تكون السمية الخلوية: 1) تتكاثر باستخدام وسائط مشروطة مشتقة من الالتهاب الرئوي و 2) في دراسات ترانسويل عندما تم فصل البكتيريا والخلايا المتوسطة. لم يشاهد أي موت زائد للخلايا عند استخدام S. pneumoniae المميتة للحرارة. الحالة الرئوية، وهو ذيفان S. pneumoniae حال للخلايا، يسبب موت الخلايا بطريقة تعتمد على الوقت والجرعة. فشل التهاب الرئة الرئوي الذي يفتقر إلى جين الحالة الرئوية (سلالة D39 ΔPLY) في قتل الخلايا الظهارية المتوسطة مقارنة بضوابط النوع البري (D39)، مما يؤكد ضرورة وجود الحالة الرئوية في موت الخلايا الظهارية المتوسطة الناجم عن D39. ومع ذلك، فإن طفرة جين الحالة الرئوية في سلالات S. pneumoniae الأخرى (TIGR4 و ST3 و ST23F) ألغت جزئيًا فقط آثارها السامة للخلايا، مما يشير إلى أن السلالات المختلفة قد تحفز موت الخلايا عبر آليات مختلفة.<br/>La infección pleural/empiema es común y su incidencia sigue aumentando. Streptococcus pneumoniae es la causa bacteriana más común de empiema en niños y una de las más comunes en adultos. El mesotelio representa la primera línea de defensa contra los microorganismos invasores, pero rara vez se han estudiado las respuestas de las células mesoteliales a los patógenos comunes del empiema, incluido S. pneumoniae. Evaluamos la viabilidad de las células mesoteliales in vitro después de la exposición a patógenos comunes del empiema. Se probaron aislados clínicos de S. pneumoniae de 25 pacientes con enfermedad neumocócica invasiva y tres cepas de referencia. Toda la muerte inducida potentemente de células mesoteliales cultivadas (MeT-5A) de una manera dependiente de la dosis y el tiempo (>90% a 107 UFC/ml después de 24 horas). No se observó una destrucción significativa de las células mesoteliales cuando las células se cocultivaron con bacterias del grupo Staphylococcus aureus, Streptococcus sanguinis y Streptococcus milleri. S. pneumoniae indujo la muerte de células mesoteliales a través de productos secretores, ya que la citotoxicidad podría: i) reproducirse utilizando medios acondicionados derivados de S. pneumoniae y ii) en estudios transwell cuando se separaron las bacterias y las células mesoteliales. No se observó un exceso de muerte celular cuando se utilizaron S. pneumoniae muertos por calor. La neumolisina, una toxina citolítica de S. pneumoniae, indujo la muerte celular de una manera dependiente del tiempo y la dosis. S. pneumoniae que carece del gen de neumolisina (cepa D39 ΔPLY) no logró matar las células mesoteliales en comparación con los controles de tipo salvaje (D39), lo que confirma la necesidad de neumolisina en la muerte de células mesoteliales inducida por D39. Sin embargo, la mutación del gen de la neumolisina en otras cepas de S. pneumoniae (TIGR4, ST3 y ST23F) solo abolió parcialmente sus efectos citotóxicos, lo que sugiere que diferentes cepas pueden inducir la muerte celular a través de diferentes mecanismos.<br/>