Mechanisms and elimination of Borrelia burgdorferi persistence in vitro

Abstract

Borrelia burgdorferi sensu lato complex are species of pleomorphic spirochete bacteria causing Lyme borreliosis (LB), the most common tick-borne disease in the Northern hemisphere. Although antibiotics usually kill the bacteria, some post-treatment patients suffer from long-term sequalae of LB, the development of which is currently unclear, although immune evasion and persistence of the bacteria are thought to play major roles. This study investigated the long-term infectivity and persistence of B. burgdorferi sensu stricto (henceforth referred to as B. burgdorferi) in human non-phagocytic cells in vitro, as well as, characterised borrelial outer membrane vesicles (BbOMVs), and assessed the cytotoxic effect of BbOMVs on these human cells. In addition, the bactericidal effects of two herbal compounds against B. burgdorferi pleomorphic forms were examined. The aim was to identify the mechanisms associated with B. burgdorferi persistence in human cells in vitro, and to provide future tools for eradicating such persistence. The results demonstrated that B. burgdorferi invaded and persisted in synovial and skin cells for nine days, without killing the host cells. Moreover, B. burgdorferi was observed in a variety of shapes, while simultaneously avoiding lysosomal colocalisation during the nine days of coculture. BbOMVs were on average 33 nm in diameter and contained antigenic proteins OspA, OspC, p39 and peptidoglycan, as well as double stranded DNA. However, the vesicles did not induce cell death after 72-h of coculture with the human cells. The analysis of two herbal compounds demonstrated effective eliminating of B. burgdorferi spirochetes, round bodies, and biofilm-like aggregates. In summary, this study demonstrated that B. burgdorferi can invade human cells with the possibility to evade host immune system, and with the help of different pleomorphic forms, persist inside a host. Furthermore, BbOMVs could be utilised as decoys and repositories for persisting antigens during a borrelial infection, and plant-based antimicrobials may offer a potential for therapeutics against long-term LB.

Borrelia burgdorferi sensu lato -ryhmän bakteerit ovat monimuotoisia spirokeettabakteereja, jotka aiheuttavat pohjoisen pallonpuoliskon yleisintä puutiaisten levittämää tautia, borrelioosia. Vaikka antibiootit yleensä tappavat bakteerin, osa potilaista kärsii hoidon jälkeisestä pitkäkestoisesta borrelioosista, jonka syntyyn johtavia tekijöitä ei vielä tiedetä, mutta immuunipuolustukselta piiloutumisen ja bakteerin pitkäaikaisen säilymisen eli persistenttiyden ajatellaan olevan avainrooleissa. Tässä tutkimuksessa tutkittiin solumaljalla B. burgdorferi sensu stricto -bakteerin (jatkossa B. burgdorferi) pitkäkestoista infektiota ja persistenttiyttä ihmissoluissa, jotka eivät ole syöjäsoluja. Tämän lisäksi bakteerin erittämiä ulommaisen solukalvon vesikkeleitä (USV) karakterisoitiin sekä arvioitiin vesikkelien sytotoksisuus soluille. Lopuksi kahden kasviperäisen yhdisteen antibakteerinen tehokkuus B. burgdorferin eri muotoja vastaan selviteltiin. Tutkimuksen tavoitteena oli tunnistaa B. burgdorferin persistenttiyteen ihmissoluissa liittyvät erilaiset mekanismit, sekä tarjota työkaluja tällaisen persistenttiyden poistamiseen. Tulokset osoittivat, että B. burgdorferi tunkeutui ja säilyi rusto- sekä ihosoluissa yhdeksän päivää tappamatta isäntäsolua. Lisäksi tänä aikana havaittiin bakteerin erilaisia muotoja, sekä bakteerin välttävän lysosomaalisen hajotuksen. USV:t olivat keskimäärin 33 nm halkaisijaltaan ja sisälsivät antigeenisiä proteiineja OspA, OspC, p39 ja peptidoglykaania, sekä kaksijuosteista DNA:ta. USV:t eivät kuitenkaan aiheuttaneet solukuolemaa 72 tunnin yhteiskasvatuksen jälkeen. Molemmat kasviperäiset yhdisteet tuhosivat tehokkaasti B. burgdorferin spirokeetta-, pallo- ja biofilmi muodot. Kaiken kaikkiaan tämä tutkimus osoitti, että B. burgdorferi pystyy tunkeutumaan ihmissoluihin ja näin mahdollisesti pakenemaan immuunivasteelta. Tämän lisäksi eri muotoja hyödyntäen bakteeri pystyy säilymään isännässä. Bakteeri saattaa käyttää USV:eita harhauttamaan immuunijärjestelmää, sekä persistenttien antigeenien säilytyspaikkana infektion aikana. Kasvipohjaiset antimikrobiset yhdisteet saattavat tulevaisuudessa tarjota hoitomuotoja pitkäkestoista borrelioosia vastaan.