Russian Journal of Infection and ImmunityRussian Journal of Infection and ImmunityИнфекция и иммунитет2220-76192313-7398SPb RAACI159410.15789/2220-7619-ARO-1594ORIGINAL ARTICLESОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИA role of streptokinase in experimental post-streptococcal glomerulonephritisРоль стрептокиназы в моделировании постстрептококкового гломерулонефритаBurovaL. A.БуроваЛ. А.
Russian Federation

Larisa A. Burova,  PhD, MD (Medicine), Leading Researcher, Department of Molecular Microbiology 

197376, St. Petersburg, Academic Pavlov str., 12

Phone: +7 (812) 234-05-42 

Бурова Лариса Александровна,  д.м.н., ведущий научный сотрудник отдела молекулярной микробиологии 

197376, Санкт-Петербург, ул. Академика Павлова, 12

Тел.: 8 (812) 234-05-42

lburova@yandex.ruGavrilovE. A.ГавриловаЕ. А.

PhD (Medicine), Head of the Cardiology Department 

St. Petersburg

к.м.н., зав. кардиологическим отделением 

Санкт-Петербург

lburova@yandex.ruPigarevskyP. V.ПигаревскийП. В.

PhD, MD (Biology), Head of the Department of General Morphology 

St. Petersburg

д.б.н., руководитель отдела общей морфологии 

Санкт-Петербург

lburova@yandex.ruTotolianArtem A.ТотолянАртем А.

RAS full member, PhD, MD (Medicine), Head Researcher, Department of Molecular Microbiology 

St. Petersburg

академик РАН, д.м.н., главный научный сотрудник отдела молекулярной микробиологии 

Санкт-Петербург

lburova@yandex.ruInstitute of Experimental MedicineФГБНУ "Институт экспериментальной медицины"Hospital for VeteransГБУЗ Госпиталь для ветеранов войнInstitute of Experimental MedicineФГБНУ Институт экспериментальной медицины211120211158538640509202028032021Copyright ©; 2021, Burova L.A., Gavrilov E.A., Pigarevsky P.V., Totolian A.A.Copyright ©; 2021, Бурова Л.А., Гаврилова Е.А., Пигаревский П.В., Тотолян А.А.2021Burova L.A., Gavrilov E.A., Pigarevsky P.V., Totolian A.A.Бурова Л.А., Гаврилова Е.А., Пигаревский П.В., Тотолян А.А.https://creativecommons.org/licenses/by/4.0https://iimmun.ru/iimm/article/view/1594

Post-streptococcal glomerulonephritis (PSGN) refers to the sequela of the acute infection, caused by Streptococcus pyogenes (group A streptococcus, GAS). This pathology has been studied for a long time, and today attempts are being made to identify the products of their life activity, able to initiate an immunopathological process in kidneys. Most attention has been paid to streptokinase, the enzyme transforming blood plasminogen into plasmin, capable, together with the plasmin receptor (NAPlr), of damaging the glomerular tissue, as well as activating the complement system. The aim of the study was to consider two tasks: to study the ability of the GAS-obtained enzyme to transform plasminogen of different species into plasmin as well as to study its role in the development of PSGN in rabbits having subcutaneously implanted tissue chambers. The animals were infected by inoculating GAS cultures into the chambers. Materials and methods. GAS strains of M types 1, 12, 22 and their ska– isogenic mutants were used in the study. Purified plasminogen preparations were isolated from fresh human, rabbit or mouse plasma by using chromatographic column with Lysine Sepharose 4B. To reveal the ability of streptokinase to activate plasminogen into plasmin, its preparation at a concentration of 1 mg/ml was added to 10 ìg of purified human, rabbit or mouse plasminogen. The concentration of plasmin was defined photometrically using S-2251 (Chromogenix, USA). To reproduce PSGN, four chambers were implanted under the skin in each rabbit; after the complete wound healing animals were infected and observed for three weeks. On day 14, the animals were treated with benzylpenicillin. The kidneys from survived rabbits were subjected to immunohistology analysis. Results. During in vitro experiments, M1, M12 and M22 GAS streptokinase showed distinct functional activity on human plasminogen, transforming it into plasmin: optical density indicators at ë = 405 nm were 0.4–0.7 compared with the negative control (ОD < 0.001). Streptokinase did not activate mouse plasminogen (ОD = 0.001) and exerted quite a weak effect on transformation of the rabbit plasminogen into plasmin (ОD = 0.002). In experiments on PSGN induction in rabbits, we failed to detect streptokinase involvement, because no differences between initiation of glomerulonephritis by wild strains or ska– isogenic mutants were identified. Mutant strains deficient in the gene responsible for streptokinase synthesis but retained ability to bind rabbit and human IgG, caused morphological changes in kidney tissue, specific for PSGN. In addition, a comparative analysis of PSGN “rabbit” and “mouse” models developed by the same technology, was carried out and led to opposing conclusions regarding a role of streptokinase in pathogenesis of experimental glomerulonephritis. The role of IgG Fc-binding activity of GAS in development of experimental PSGN is discussed.

Постстрептококковый гломерулонефрит (PSGN) относится к осложнениям острой инфекции, вызванной Streptococcus pyogenes (стрептококком группы А, СГА). Данная патология изучается давно, но и сегодня предпринимаются попытки идентификации продуктов жизнедеятельности стрептококков, способных инициировать иммунопатологический процесс в почках. Наибольшее внимание уделяется стрептокиназе — ферменту, трансформирующему плазминоген крови в плазмин, способный в комплексе с плазминовым рецептором (NAPlr) повреждать структуру почечных гломерул, а также активировать систему комплемента. Цель исследования состояла в решении двух задач: в изучении способности стрептокиназы СГА трансформировать плазминоген различной видовой принадлежности в плазмин, а также в изучении его роли в развитии PSGN у кроликов с подкожно имплантированными сетчатыми тканевыми камерами. Материалы и методы. В работе использованы СГА типов М1, М12, М22 и их ska– мутанты. Препараты чистого плазминогена получали из свежей плазмы крови человека, кролика или мыши с помощью хроматографии на колонках с лизин-сефарозой 4B. Для выявления способности стрептокиназы активировать плазминоген в плазмин к ее препарату в концентрации 1 мг/мл добавляли по 10 мкг очищенного плазминогена человека, кролика или мыши. Концентрацию плазмина определяли фотометрически с использованием хроматогенного субстрата S-2251 (Chromogenix, США). С целью воспроизведения PSGN на кроликах им под кожу вживляли по четыре камеры; животных заражали путем введения культур СГА в камеры после полного заживления ран и наблюдали в течение трех недель. На 14-й день животных обрабатывали бензилпенициллином. Почки выживших кроликов подвергали иммуногистологическому анализу. Результаты. Стрептокиназа из СГА типа М1, М12 и М22 в опытах in vitro показала выраженную функциональную активность в отношении плазминогена человека, трансформируя его в плазмин: показатели оптической плотности при ë = 405 нм составляли 0,4–0,7 в сравнении с отрицательным контролем (ОП < 0,001). Стрептокиназа не активировала мышиный плазминоген (ОП = 0,001) и крайне слабо влияла на трансформацию кроличьего плазминогена (ОП = 0,002). В опытах на кроликах по индукции PSGN не удалось выявить участие стрептокиназы, поскольку не были обнаружены какие-либо различия в инициации гломерулонефрита как исходными штаммами, так и ska– изогенными мутантами. Мутантные штаммы, дефицитные по гену, ответственному за синтез стрептокиназы, но сохранившие способность связывать IgG кролика и человека, вызывали изменения в ткани почек, характерные для PSGN. Проведен сравнительный анализ кроличьей и мышиной моделей PSGN; выполненные по одной и той же схеме, они допускают противоположные выводы о роли стрептокиназы в развитии экспериментального гломерулонефрита. Обсуждается роль IgG Fc-связывающих белков СГА в генезе экспериментального постстрептококкового гломерулонефрита.

Streptococcus pyogenesstreptokinaseplasminogenplasminstreptococcal IgG Fc-binding proteinsexperimental streptococcal glomerulonephritisStreptococcus pyogenesстрептокиназаплазминогенплазминIgG Fc-связывающая активность стрептококковэкспериментальный стрептококковый гломерулонефритThe study was supported by Grant No. 14-04-00390 of the Russian Foundation for Basic Research.Исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ № 14-04-00390.1. Бурова Л.А., Гаврилова Е.А., Пигаревский П.В., Селиверстова В.Г., Нагорнев В.А., Шален К., Тотолян Артем А. Способность стрептококков группы А типа М12 связывать иммунные комплексы и их роль в патогенезе постстрептококкового гломерулонефрита // Медицинская иммунология. 2006. Т. 8, № 5–6. С. 623–630. [Burova L.A., Gavrilova E.A., Pigarevskay P.V., Seliverstova V.G., Nagornev V.A., Schalen K., Totolian Artem A. Capacity of group A type M12 streptococci to bind immune complexes and their role in pathogenesis of post-streptococcal glomerulonephritis. Meditsinskaya immunologiya = Medical Immunology (Russia), 2006, vol. 8, no. 5–6, pp. 623–630. (In Russ.)] doi: 10.15789/1563-0625-2006-5-6-623-6302. Бурова Л.А., Королева И.В., Тотолян Артем А. Выявление и оценка биологической активности рецепторов у штаммов стрептококков, выделенных от носителей и больных // Вестник Академии медицинских наук СССР. 1989. № 6. С. 30–34. [Burova L.A., Koroleva I.V., Totolian Artem A. Identification and evaluation of the biological activity of receptors in streptococcal strains isolated from carriers and patients. Vestnik Akademii medicinskih nauk SSSR = Bulletin of the Medical Sciences Academy of the USSR, 1989, no. 6, pp. 32–37. (In Russ.)]3. Бурова Л.А., Тотолян А.А. Роль стрептококковых Fc рецепторов для IgG в формировании микробного очага и развитии иммунопатологических состояний // Ревматология. 1988. № 3. С. 9–12. [Burova L.A., Totolian A.A. The role of streptococcal Fc receptors for IgG in the formation of a microbial focus and the development of immunopathological conditions. Revmatologiya = Rheumatology, 1988, no. 3, pp. 9–12. (In Russ.)]4. Гаврилова Е.А. Сравнительная оценка экспериментальных моделей изучения патогенеза острого постстрептококкового гломерулонефрита // Медицинский академический журнал. 2004. Т. 3, № 4. С. 34. [Gavrilova E.A. Comparative evaluation of experimental models for studying the pathogenesis of acute post-streptococcal glomerulonephritis. Meditsinskiy akademicheskiy zhurnal = Medical Academic Journal, 2004, vol. 3, no. 4, p. 34. (In Russ.)]5. Тотолян А.А., Бурова Л.А. Fc-рецепторные белки Streptococcus pyogenes и патогенез постинфекционных осложнений (критический обзор) // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. 2014. № 3. С. 78–90. [Totolian Artem A., Burova L.A. Fc-receptor proteins of Streptococcus pyogenes and pathogenesis of post-infection complications. Zhurnal mikrobiologii, epidemiologii i immunobiologii = Journal of Microbiology, Epidemiology and Immunobiology, 2014, no. 3, pp. 78–90. (In Russ.)]6. Тотолян А.А., Бурова Л.А., Нагорнев В.А., Пигаревский П.В. Анализ механизмов развития иммунопатологичес кого постстрептококкового гломерулонефрита (APSGN) // Терапевтический архив. 2008. Т. 80, № 6. С. 90–95. [Totolian A.A., Burova L.A., Nagornev V.A., Pigarevsky P.V. Analysis of mechanisms of development of immunopathological post-streptococcal glomerulonephritis (APSGN). Terapevticheskiy arkhiv = Therapeutic Archive, 2008, vol. 80, no. 6, pp. 90–95. (In Russ.)]7. Тотолян А.А., Бурова Л.А., Пигаревский П.В. Экспериментальный постстрептококковый гломерулонефрит. СПб.: Издательство «Человек», 2019. 108 с. [Totolian A.A., Burova L.A., Pigarevsky P.V. Experimental post-streptococcal glomerulonephritis. St. Petersburg: “Chelovek” Publishing House, 2019. 108 p. (In Russ.)]8. Тотолян Артем А. Патогенность стрептококков и ее молекулярные и генетические механизмы. Л., Наука, 1988. 18 с. [Totolian Artem A. Pathogenicity of streptococci and its molecular and genetic mechanisms. Leningrad: Nauka, 1988. 18 p. (In Russ.)]9. Тотолян Артем А., Бурова Л.А. Критический анализ предполагаемых механизмов патогенеза постстрептококкового гломерулонефрита // Клиническая микробиология и антимикробная химиотерапия. 2001, Т. 3, № 4. С. 316–323. [Totolian Artem A., Burova L.A. Critical analysis of the proposed mechanisms of pathogenesis of post-streptococcal glomerulonephritis. Klinicheskaya mikrobiologiya i antimikrobnaya khimioterapiya = Clinical Microbiology and Antimicrobial Chemotherapy, 2001, vol. 3, no. 4. p. 316–323. (In Russ.)]10. Bajaj S.P., Castellino F.J. Activation of human plasminogen by equimolar levels of streptokinase. J. Biol. Chem., 1977, vol. 252, pp. 492–498.11. Barabas A.Z., Cole C.D., Lafreniere R., Weir D.M. Immunopathological events initiated and maintained by pathogenic IgG autoantibodies in an experimental autoimmune kidney disease. Autoimmunity, 2012, vol. 45, no. 7, pp. 495–509. doi: 10.3.109/089.934.2012.7028121612. Burova L., Pigarevsky P., Duplik N., Snegova V., Suvorov A., Schalen C., Totolian A. Immune complex binding Streptococcus pyogenes type M12/emm12 in experimental glomerulonephritis. JMM, 2013, vol. 62, pt. 9, pp. 1272–1280. doi: 10.1099/jmm.0.059196-013. Burova L., Thern A., Pigarevsky P., Gladilina M., Seliverstova V., Gavrilova E., Nagornev V., Schalén C., Totolian A. Role of group A streptococcal IgG-binding proteins in triggering experimental glomerulonephritis in the rabbit. APMIS, 2003, vol. 111, pp. 955–962. doi: 10.1034/j.1600-0463.2003.1111007.x.14. Burova L.A., Christencen P., Grubb R., Schalen C., Svensson M.-L., Beltukov P.P., Totolian Artem A. Anti-immunoglobulins in experimental streptococcal immunization: relation to bacterial growth conditions and Fc-receptors. Acta Pathol. Microbiol. Immunol. Scand., 1985, vol. 93, pp. 19–23. doi: 10.1111/j.1699-0463.1985.tb02916.x15. Burova L.A., Pigarevsky P.V., Seliverstova V.G., Gupalova T.V., Schalen C., Totolian A.A. Experimental post-streptococcal glomerulonephritis elicited by IgG Fc-binding M family proteins and blocked by IgG Fc-fragment. APMIS, 2012, vol. 120, pp. 221–230. doi: 10.1111/j.1600-0463.2011.02826.x.16. Cu G.A., Mezzano S., Bannan J.D., Zabriskie J.B. Immunohistochemical and serological evidence for the pole of streptococcal proteinase in acute post-streptococcal glomerulonephritis. Kidney Int., 1998, vol. 54, no. 3, pp. 819–826. doi: 10.1046/j.1523-1755.1998.00052.x17. Cunningham M.W. Pathogenesis of group A streptococcal infections. Clin. Microbiol. Rev., 2000, vol. 13, no. 3, pp. 470–511. doi: 10.1128/cmr.13.3.470-511.200018. Greenwood F.C., Hunter W.M., Glover J.S. The preparation of 125I-labelled human growth hormone of high specific activity. Biochem. J., 1963, vol. 89, no. 1, pp. 114–123. doi: 10.1042/bj089011419. Heat D.G., Cleary P.P. Fc-receptor and M-protein genes of group A streptococci are products of gene duplication. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 1989, vol. 86, no. 12, pp. 4741–4745. doi: 10.1073/pnas.86.12.474120. Holm S.E. Hypothesis on the pathogenesis of post-streptococcal glomerulonephritis based on recent clinical and experimental research. Zbl Bact. Hug., 1990, vol. 274, no. 3, pp. 325–332. doi: 10.1016/s0934-8840(11)80689-421. Huang T.T., Malke H., Ferretti J.J. The streptokinase gene of group A streptococci: cloning, expression in Escherichia coli, and sequence analysis. Mol. Microbiol., 1989, vol. 3, no. 2, pp. 197–205. doi: 10.1111/j.1365-2958.1989.tb01808.x22. Johnston K.H., Chaiban J.I., Wheeler R.C. Analysis of the variable domain of the streptokinase gene from streptococci associated with post-streptococcal glomerulonephritis. Zbl Bact., 1992, vol. 22, pp. 339–342.23. Malke H. Polymorphism of the SK gene: implication for the pathogenesis of post-streptococcal glomerulonephritis. J. Med. Microbiol. Virol. Parasitol. Infect. Dis., 1993, vol. 278, pp. 3686–3693. doi: 10.1016/S0934-8840(11)80842-X24. Myhre E.B., Kronvall G. Binding of murine myeloma proteins of different Ig classes and subclasses to Fc-reactive surface structures in gram-positive cocci. Scand. J. Immunol., 1980, vol. 11, pp. 37–46. doi: 10.1111/j.1365-3083.1980.tb00206.x25. Myhre E.B., Kronvall G. Specific binding of bovine, ovine, caprine and equine IgG subclasses to defined types of immunoglobulin receptors in gram-positive cocci. Comp. Immun. Microb. Infect. Dis., 1981, vol. 4, no. 3–4, pp. 317–328. doi: 10.1016/0147-9571(81)90018-726. Nerville D.M. Jr. Molecular weight determination of protein–dodecyl sulphate complexes by gel electrophoresis in a discontinuous buffer system. J. Biol. Chem., 1971, vol. 246, pp. 6328–6334. doi: 10.1111/j.1365-3083.1980.tb00206.x27. Nordstrand A., McShan W.M., Ferretti J.J., Stig E., Holm S.E., Norgren M. Allele substitution of the streptokinase gene reduces the nephritogenic capacity of group A streptococcal strain NZ131. Infect. Immun., 2000, vol. 68, no. 3, pp. 1019–1025. doi: 10.1128/iai.68.3.1019-1025.2000.28. Nordstrand A., Norgren M., Ferretti J.J., Holm S.E. Pathogenic mechanism of acute poststreptococcal glomerulonephritis. Scand. J. Infect. Dis., 1999, vol. 31, no. 6, pp. 523–537. doi: 10.1080/0036554995016438229. Nordstrand A., Norgren M., Holm S.E. An experimental model for acute glomerulonephritis in mice. APMIS, 1996, vol. 104, pp. 805–816. doi: 10.1111/j.1699-0463.1996.tb04946.x.30. Oda T., Yoshizawa N., Yamakami K., Tamura K., Kuroki A., Sugisaki T., Sawanobori E., Higashida K., Ohtomo Y., Hotta O., Kumagai H. Localization of nephritis-associated plasmin receptor in acute poststreptococcal glomerulonephritis. Hum. Pathol., 2010, vol. 41, no. 9, pp. 1276–1285. doi: 10.1016/j.humpath.2010.02.006.31. Oda T., Yoshizawa N., Yamakami K., Yutaka Sakurai Y., Hanako Takechi H., Yamamoto K., Oshima N., Kumagai H. The role of nephritis-associated plasmin receptor (NAPlr) in glomerulonephritis associated with streptococcal infection. J. Biomed. Biotechnol., vol. 2012, no. 6: 417675. doi: 10.1155/2012/41767532. Okada K., Katano T., Kamogashira T., Zahn R.J., Morimito Y., Kagami S., Yasutomo K., Kuhara T., Kuroda Y. Streptokinase gene variable region classification in streptococci: lack of correlation with post-streptococcal glomerulonephritis. Clin Nephrol., 1995, vol. 44, no. 1, pp. 8–13.33. Rodrigues-Iturbe B., Haas M. Post-streptococcal glomerulonephritis. In: Streptococcus pyogenes: basic biology to clinical manifestations / Ed. by J.J. Ferretti, D.L. Stivens, V.A. Fischetti. Oklahoma City: University of Oklahoma, Health Sciences Center, 2017, pp. 869–892.34. Rodriguez-Iturbe B., Musser J.M. The current state of poststreptococcal glomerulonephritis. J. Am. Soc. Nephrol., 2008, vol. 19, no. 10, pp. 1855–1864. doi: 10.1681/asn.20080100935. Sun H., Ringdahl U., Homeister J.W., Fay W.P., Engleberg N.C., Yang A.Y., Rozek L.S., Wang X., Sjöbring U., Ginsburg D. Plasminogen is a critical host pathogenicity factor for group A streptococcal infection. Science, New Series, vol. 305, no. 5688, pp. 1283–1286. doi: 10.1126/science.110124536. Tombin H., Staehelin T., Gordon J. Electrophoretic transfer of proteins from polyacrylamide gels to nitrocellulose sheets: procedure and some applications. Proc. Natl Acad. Sci. USA, 1979, vol. 76, pp. 4350–4354. doi: 10.1073/pnas.76.9.4350