Interplay of Virulence Factors in Complement Resistance of Streptococcus pneumoniae

Streptococcus pneumoniae (pneumococcus) is a normal inhabitant of the human nasopharynx. Symptoms occur in only a small proportion of those who become carriers, but the ubiquity of the organism in the human population results in a large burden of disease. S. pneumoniae is the leading bacterial cause of pneumonia, sepsis, and meningitis worldwide, causing the death of a million children each year. Middle-ear infection is the most common clinical manifestation of mucosal pneumococcal infections. In invasive disease, S. pneumoniae gains access to the bloodstream and spreads to normally sterile parts of the body. The progression from asymptomatic colonization to disease depends on factors characteristic of specific pneumococcal strains as well as the status of host defenses. The polysaccharide capsule surrounding the bacterium is considered to be the most important factor affecting the virulence of pneumococci. It protects pneumococci from phagocytosis and also may determine its affinity to the respiratory epithelium. S. pneumoniae as a species comprises more than 90 different capsular serotypes, but not all of them are equally prevalent in human diseases. Invasive serotypes are rarely isolated from healthy carriers, but relatively often cause invasive disease. Serotypes that are carried asymptomatically for a long time behave like opportunistic pathogens, causing disease in patients who have impaired immune defenses. The complement system is a collection of blood and cell surface proteins that act as a major primary defense against invading microbes. Phagocytic cells with receptors for complement proteins can engulf and destroy pneumococcal cells opsonized with these proteins. S. pneumoniae has evolved a number of ways to subvert mechanisms of innate immunity, and this is likely to contribute to its pathogenicity. The capsular serotype, proteins essential for virulence, as well the genotype, may all influence the ability of pneumococcus to resist complement and its potential to cause disease. Immunization with conjugate vaccines produces opsonic antibodies, which enhance complement deposition and clearance of the bacteria. The pneumococcal vaccine included in the Finnish national immunization program in 2010 contains the most common serotypes causing invasive disease. Clinical data suggest that protection from middle-ear infection and possibly also from invasive disease depends largely on the capsular serotype, for reasons hitherto unknown. The general aim of this thesis is to assess the relative roles of the pneumococcal capsule and virulence proteins in complement evasion and subsequent opsonophagocytic killing. The main question is whether differences between serotypes to resist complement explain the different abilities of serotypes to cause disease. The importance of particular virulence factors to the complement resistance of a strain may vary depending on its genotype. Prior studies have evaluated the effect of the capsule and virulence proteins on complement resistance of S. pneumoniae by comparing only a few strains. In this thesis, the role of pneumococcal virulence factors in the complement resistance of the bacterium was studied in several genotypically different strains. The ability of pneumococci to inhibit deposition of the complement protein C3 on the bacterial surface was found to depend on the capsular serotype as well as on other features of the bacteria. The results suggest that pneumococcal histidine triad (Pht) proteins may play a role in complement inhibition, but their contribution depends on the bacterial genotype. The capsular serotype was found to influence complement resistance more than the bacterial genotype. A higher concentration of anticapsular antibodies was required for the opsonophagocytic killing of serotypes resistant to C3 deposition. The invasive serotypes were more resistant to C3 deposition than the opportunistic serotypes, suggesting that the former are better adapted to resist immune mechanisms controlling the development of invasive disease. The different susceptibilities of serotypes to complement deposition, opsonophagocytosis, and resultant antibody-mediated protection should be taken into account when guidelines for serological correlates for vaccine efficacy evaluations are made. The results of this thesis suggest that antibodies in higher quantity or quality are needed for efficient protection against the invasive serotypes.

Pneumokokki suojautuu elimistön puolustuskeinoilta kapselinsa avulla Streptococcus pneumoniae (pneumokokki) on bakteeri, jonka luonnollinen elinympäristö on ihmisen nenänielu. Sopivissa olosuhteissa pneumokokki voi aiheuttaa korvatulehdusta ja keuhkokuumetta sekä vakavia tauteja, joissa bakteeri tunkeutuu verenkiertoon. Pneumokokin taudinaiheuttamiskyvylle tärkein tekijä on bakteeria ympäröivä kapseli, josta tunnetaan yli 90 erilaista muotoa. Vain pieni osa kapselityypeistä aiheuttaa valtaosan vakavista pneumokokkitaudeista. Rokottamalla elimistö saadaan tuottamaan vasta-aineita rokotteen sisältämiä kapselityyppejä vastaan, millä kyetään ehkäisemään pneumokokin aiheuttamia tauteja. FM Merit Melin havaitsi väitöskirjatyössään pneumokokin kapselityypin vaikuttavan merkittävästi bakteerin kykyyn vastustaa elimistön puolustuskeinoja. Pneumokokkien herkkyyttä immuunipuolustukselle selvitettiin laboratoriokokein mittaamalla komplementin sitoutumista bakteerien pinnalle ja valkosolujen välittämää bakteerien tappoa. Komplementti koostuu joukosta veressä ja solujen pinnoilla esiintyviä proteiineja. Sillä on keskeinen merkitys elimistön puolustuksessa taudinaiheuttajia vastaan. Valkosolut, jotka ilmentävät pinnallaan erityisiä reseptoreja, tunnistavat ja nielaisevat komplementtiproteiineilla päällystetyt pneumokokkisolut estäen näin bakteerin leviämisen elimistössä. Pneumokokin taudinaiheuttamiskyvyn kannalta on ratkaisevaa, että se kykenee suojautumaan synnynnäiseltä immuunipuolustukselta. Taudinaiheuttajan kohtaamisen tai rokottamisen seurauksena muodostuvat vasta-aineet tehostavat komplementin kertymistä bakteerin pinnalle ja siten edesauttavat solusyöntiä. Melinin väitöskirjatyössä vakavia tauteja aiheuttavat kapselityypit osoittautuivat olevan vastustuskykyisempiä komplementille, mikä merkitsee, että niiltä suojautumiseksi tarvitaan runsaammin vasta-aineita kuin nenänielussa useimmiten oireettomana esiintyviä pneumokokkeja vastaan. Havainto tukee kansainvälisiä tutkimuksia, joiden perusteella rokotteen suoja välikorvatulehdusta ja mahdollisesti myös vakavia tautimuotoja vastaan vaihtelee kapselin tyypistä riippuen. Kansalliseen rokotusohjelmaan 2010 sisällytetty pneumokokkirokote suojaa hyvin Suomessa lapsilla yleisimmin vakavia tauteja aiheuttavilta pneumokokeilta. Tiettyjä kehitysmaissa tärkeitä kapselityyppejä vastaan suoja ei ole täydellinen. Vastustuskykyisiltä pneumokokeilta suojautumiseksi tehokkaan rokotteen tulisi tuottaa korkeampi vasta-aineiden pitoisuus tai laadullisesti tehokkaampia vasta-aineita. Tutkimus tuo uutta tietoa pneumokokin taudinaiheuttamiskyvylle tärkeistä ominaisuuksista ja keinoista, joilla bakteeri suojautuu ihmisen immuunipuolustukselta. Tietoa voidaan hyödyntää nykyisten ja uusien pneumokokkirokotteiden kehitystyössä.