Hoe bacteriële pathogenen trombine-activiteit omzeilen om te ontsnappen aan het afweersysteem.

Een bacteriële hartklepinfectie of endocarditis treft jaarlijks tussen de 2 en 12 per 100 000 individuen en zorgt zo elk jaar voor meer dan 50 000 doden wereldwijd. Opmerkelijk is dat ondanks de recent evolutie in medische technologie de mortaliteit van endocarditis onveranderd is gebleven. Vijftien tot 45% van de patiënten met een hartklepinfectie overleeft de ziekte namelijk niet. Bovendien is er niet alleen weinig evolutie geweest in de behandeling van endocarditis, ook pogingen tot preventie hebben gefaald, inclusief vaccinatie, antibiotica profylaxis en anticoagulantia profylaxis. Er is dus dringend nood aan een nieuwe innovatieve aanpak van deze dodelijk ziekte.

Deze thesis focust zich op twee belangrijke oorzaken van de endocarditis; Staphylococcus aureus (S. aureus) en Staphylococcus lugdunensis (S. lugdunensis). S. aureus is momenteel de meest frequent oorzaak van endocarditis en veroorzaakt een bijzonder agressieve vorm van de ziekte. Coagulase negatieve stafylokokken zijn minder virulent en veroorzaken slechts zelden native klepinfecties. Een belangrijke uitzondering op deze regel is S. lugdunensis Deze coagulase negatieve stafylokok werd nog maar vrij recent ontdekt, maar is een opkomende oorzaak van agressieve hartklepinfecties, die sterk lijken op S. aureus klepinfecties.

Een van de redenen voor het uitblijven van nieuwe therapieën voor endocarditis is het huidig gebrek aan inzicht in de pathogenese van deze eigenaardige ziekte. Vooral de initiële fase van endocarditis blijft een mysterie. Eens bacteriën doorgedrongen zijn tot de bloedstroom worden ze aan een duizelingwekkende snelheid van meer dan 55 km per uur door het hart gepompt. Deze snelheid maakt dat bacteriën ter hoogte van de kleppen een zeer hoge shear stress ondervinden. Shear stress is een tangentiële kracht die veroorzaakt wordt door de verplaatsing van bloed relatief aan het vaatoppervlak en als dusdanig bacteriën van het oppervlak duwt. Toch zijn in endocarditis bacteriën in staat zich vast te hechten en te binden aan een van de hartkleppen. In deze thesis zochten we daarom uit hoe bacteriën shear stress kunnen overwinnen. We toonden aan dat net zoals bloedplaatjes, S. aureus als S. lugdunensis binden aan von Willebrand Factor (VWF). Deze molecule bevindt zich normaal in een opgerolde vorm in het bloed of in endotheelcellen. Bij beschadiging of inflammatie van de vaatwand, zet deze molecule zich echter vast op het endotheel en wordt daardoor blootgesteld aan de shear stress van het bloed. Hierdoor ontrolt VWF zich, waardoor voorheen verborgen bindingsdomeinen vrijkomen, waaraan bloedplaatjes kunnen binden. Zowel S. aureus als S. lugdunensis maken misbruik van dit mechanisme, wat hen in staat stelt om net als bloedplaatjes te binden aan het vaatoppervlak ondanks hoge shear stress.

In het tweede deel nemen we de initiële fase van S. aureus endocarditis onder de loep en exploreren de mechanismen achter vroegtijdige adhesie van S. aureus aan de hartkleppen. Klinische observaties suggereren dat S. aureus zelden aanhecht aan gezonde kleppen, maar vooral beschadigde of ontstoken kleppen infecteert. Het mechanisme hierachter is echter onvoldoende begrepen, mede omdat adequate proefdiermodellen om dit te bestuderen ontbreken. Met behulp van 3D confocale microscopie ontwikkelden we daarom een nieuw muismodel waarmee we de adhesie van fluorescente bacteriën aan beschadigde of ontstoken hartkleppen konden bestuderen. Met dit nieuw model bevestigden we dat inderdaad zowel klepschade als klepontsteking voorbeschikten voor endocarditis, maar dat dit via sterk verschillende onderliggende mechanismen. Zo vonden we dat bij schade van de hartklep het endotheel werd onderbroken, wat leidde tot afzetting van fibrine en VWF in de subendotheliale matrix. Gebruikmakend van zijn gekende adhesines kon S. aureus rechtsreeks binden aan fibrine en VWF, om zo aan de hartkleppen aan te hechten. Bloedplaatjes speelden slechts een kleine rol in dit proces. Bij ontsteking van de hartklep daarentegen werd adhesie vooral gemedieerd door massieve vrijstelling van VWF uit geactiveerde endotheelcellen. Dit zorgde voor de vorming van een grote plaatjesthrombus waarin bacteriën vast kwamen te zitten en zo indirect adhereerden aan het endotheel. Directe binding aan fibrine en VWF was hier minder van tel en ook de gekende S. aureus adhesines speelden slechts een kleine rol.

Samenvattend geeft deze thesis een unieke inkijk in de vroegtijdige fase van bacteriële endocarditis, iets wat onmogelijk bestudeerd kan worden in klinische of epidemiologische studies. Deze bevindingen kunnen dienen als bron van inspiratie voor nieuwe innovatieve behandelingen of preventiestrategieën voor deze dodelijke ziekte.