The role of yeast and human chitinases in the stability of a mixed biofilm formed with Porphyromonas gingivalis and Candida albicans in a model infection system

Drożdżaki z gatunku Candida albicans naturalnie zasiedlają organizm ludzki. Jednak w określonych warunkach mogą wywoływać infekcje zarówno łagodne, jak i poważne. Posiadają one szeroki arsenał czynników wirulencji, do których należą m. in. zdolność do zmian morfologicznych komórek oraz formowanie biofilmu. Komórki tych drożdżaków występują w postaci dwóch form morfologicznych – blastospor lub strzępek. Obie formy odgrywają istotną rolę podczas tworzenia biofilmu, będącego złożoną, trójwymiarową strukturą związaną z zasiedlaną powierzchnią. Zmiany morfologiczne komórek drożdżaków wymagają reorganizacji ściany komórkowej, której jednym z najważniejszych elementów jest chityna – biopolimer złożony z jednostek N-acetylo-D-glukozaminy. Do przeprowadzenia modyfikacji chityny C. albicans wykorzystuje enzymy chitynolityczne – chitynazy. Enzymy te są jednak produkowane przez szereg innych organizmów, w tym ludzi, i mogą stanowić mechanizm obronny. Badania przedstawione w niniejszej pracy miały na celu sprawdzenie roli chitynaz drożdżowych oraz ludzkich w formowaniu biofilmu C. albicans oraz biofilmów mieszanych z udziałem bakterii Porphyromonas gingivalis. Przeprowadzono badania na czterech szczepach drożdżaków (ATCC10231, SC5314, M134 i M2188) i dwóch szczepach bakterii (W83 i KRAB) – zarówno na poziomie aktywności białka, jak i na poziomie ekspresji genu. Zbadano także ekspresję genu kodującego ludzką chitynazę (chitotriozydazę) w obecności ekstraktów z biofilmów, wykorzystując komórki nabłonka linii A549.Przeprowadzone badania wskazują na powiązanie pomiędzy produkcją chitynaz a inwazyjnością drożdżaków – szczep charakteryzujący się większą inwazyjnością związaną z formowaniem biofilmu (SC5314) wykazał wyższą aktywność badanego białka, a także wyższy poziom jego ekspresji w porównaniu do mniej inwazyjnego szczepu (ATCC10231). Natomiast stymulacja komórek ludzkich nadsączami z biofilmów mieszanych z udziałem C. albicans i P. gingivalis doprowadziła do wzrostu poziomu ekspresji chitotriozydazy, co sugeruje jej rolę w zwalczaniu patogenów.

Yeast of the Candida albicans species naturally inhabit the human body. However, under certain conditions, it can cause infections that are both mild and serious. It has a wide arsenal of virulence factors, which include the ability to morphological switch and biofilm formation. These fungi may occur in two morphological forms – blastospores and hyphae. Both of these forms play an important role during the biofilm development, which is complex, three-dimentional structure bound to the seatled surface. Morphological changes in yeast cells require the cell wall to be reorganized. One of the most important cell wall components is chitin – biopolymer composed of N-acetyl-D-glucosamine units. To modify chitin C. albicans uses chitinolytic enzymes named chitinases. However, these enzymes are produced by a number of other organisms, including humans, and can act as a defense mechanism. The research presented in this paper was aimed at checking the role of yeast and human chitinases in formation of C. albicans biofilm and mixed biofilm with participation of bacteria P. gingivalis. Studies were carried out on four yeast strains (ATCC10231, SC5314, M134 and M2188) an two bacterial strains (W83 and KRAB) – both at the level of protein activity and at the level of gene expression. Changes in expression of the gene encoding human chitinase (chitotriosidase) in the presence of biofilm extracts was also tested using the A549 epithelial cell line. The conducted studies indicate a relationship between the production of chitinases and yeast invasiveness – the strain characterized by greater invasiveness associated with biofilm formation (SC5314) showed higher activity of the studied protein and a higher level of its expression compared to the less invasive strain (ATCC10231). On the other hand, stimulation of human cells with supernatants from C. albicans and P. gingivalis biofilms led to an increase in the expression level of chitotriosidase, which suggests its role in combating pathogens.