Анализ инфекции эпителиальных клеток с помощью шигелл

Диарейные заболевания, вызываемые кишечными бактериальными патогенами, представляют собой серьезное глобальное бремя для здравоохранения. В 2016 г. диарейные заболевания стали причиной 1,3 миллиона случаев смерти во всем мире и были четвертой по значимости причиной смерти детей в возрасте до пяти ^лет. Грамотрицательный кишечный бактериальный патоген шигелла является возбудителем шигеллеза, основной причины смерти от диареи во всем мире³. Шигеллез ежегодно вызывает значительную заболеваемость и смертность среди детей из стран с низким и средним уровнем дохода ^4,5, в то время как инфекции в странах с высоким уровнем дохода связаны со вспышками в детских садах, пищевых продуктах и водным путем ^6,7,8,9. Неэффективная разработка^{вакцин10} и растущие показатели устойчивости к противомикробным препаратам (УПП)^11,12 осложняют борьбу с крупномасштабными вспышками шигеллы. Последние данные Центров по контролю и профилактике заболеваний показывают, что почти 46% инфекций шигелл в Соединенных Штатах проявили лекарственную устойчивость в 2020 году^13,14, в то время как Всемирная организация здравоохранения объявила шигеллы приоритетным патогеном УПП, для которого срочно необходимы новые методы^{лечения15}.

Шигелла-инфекции легко передаются фекально-оральным путем при употреблении зараженной пищи или воды или при прямом контакте с человеком. Шигеллы эволюционировали, чтобы стать эффективным, адаптированным к человеку патогеном, с инфекционной дозой 10-100 бактерий, достаточной для того, чтобы вызвать заболевание¹⁶. Во время транзита в тонком кишечнике шигеллы подвергаются воздействию сигналов окружающей среды, таких как повышенная температура и желчь¹⁷. Обнаружение этих сигналов индуцирует транскрипционные изменения для экспрессии факторов вирулентности, которые усиливают способность бактерий инфицировать толстую кишку человека 17,18,19. Шигеллы не проникают в эпителий толстой кишки с апикальной поверхности, а проходят через эпителиальный слой после поглощения в специализированные антигенпрезентирующие микроскладчатые клетки (М-клетки) в фолликул-ассоциированном эпителии 20,21,22. После трансцитоза клетки шигелл фагоцитируются резидентными макрофагами. Шигеллы быстро ускользают из фагосомы и запускают гибель клеток макрофагов, что приводит к высвобождению провоспалительных цитокинов ^5,23,24. Затем шигеллы вторгаются в эпителиальные клетки толстой кишки с базолатеральной стороны, лизируют макропиноцитарную вакуоль и создают репликативную нишу в цитоплазме ^5,25. Провоспалительные цитокины, особенно интерлейкин-8 (IL-8), рекрутируют полиморфноядерные нейтрофильные лейкоциты (ПМН) к месту инфекции, что ослабляет эпителиальные плотные соединения и позволяет бактериальной инфильтрации эпителиальной выстилки усугублять базолатеральную инфекцию⁵. ПМН разрушают инфицированную эпителиальную выстилку, чтобы сдержать инфекцию, что приводит к характерным симптомам бациллярной (кровяной) дизентерии⁵. Несмотря на то, что механизмы инвазии и внутриклеточной репликации были тщательно охарактеризованы, новые исследования демонстрируют важные новые концепции в отношении инфекции шигелл, включая регуляцию вирулентности во время желудочно-кишечного транзита (ЖКТ)¹⁷, приверженность к лечению¹⁹, улучшенный базолатеральный доступ через барьерную проницаемость²⁶ и бессимптомное носительство у детей с недостаточностью питания²⁷.

Способность Shigella spp. вызывать диарейные заболевания ограничена людьми и нечеловекообразными приматами (NHP)²⁸. Были разработаны модели кишечных инфекций шигелл для рыбок данио²⁹, мышей³⁰, морских свинок³¹, кроликов 21,32,33 и свиней^34,35. Однако ни одна из этих модельных систем не может точно воспроизвести характеристики заболевания, наблюдаемые при инфицировании человека³⁶. Несмотря на то, что для изучения патогенеза шигелл были созданы NHP-модели, эти модельные системы являются дорогостоящими в реализации и требуют искусственно высоких инфекционных доз, на девять порядков превышающих инфекционную дозу человека 37,38,39,40,41,42. Таким образом, замечательная адаптация шигелл к инфекции человека-хозяина обусловливает необходимость использования культур клеток человеческого происхождения для воссоздания физиологически релевантных моделей для точного исследования патогенеза шигелл.

Здесь подробно описаны процедуры для измерения скорости адгезии шигелл , инвазии и репликации в эпителиальных клетках толстой кишки HT-29. Используя эти стандартизированные протоколы, можно исследовать молекулярные механизмы, с помощью которых гены вирулентности бактерий и сигналы окружающей среды влияют на каждый этап инфекции шигелл , чтобы лучше понять динамическую взаимосвязь между хозяином и патогеном.