Neisseria meningitidis Infektion von induzierten pluripotenten Stammzell-abgeleiteten Gehirnendothelzellen

Die Blut-Hirn-Schranke (BHS) und die meningeale Blut-Liquor-Schranke (mBCSFB) sind extrem dichte zelluläre Barrieren, die den Kreislauf vom zentralen Nervensystem (ZNS) trennen und hauptsächlich aus hochspezialisierten Gehirnendothelzellen (BECs) ^bestehen1,2. Zusammen sorgen BECs für eine ordnungsgemäße Homöostase des Gehirns, indem sie Nährstoffe und Abfallprodukte in und aus dem Gehirn regulieren und gleichzeitig viele Toxine, Medikamente und Krankheitserreger ausschließen ^1,2. Eine bakterielle Meningitis tritt auf, wenn durch Blut übertragene Bakterien in der Lage sind, mit der von BECs gebildeten Barriere zu interagieren und diese zu durchdringen und Entzündungen zu verursachen. Neisseria meningitidis (Nm, Meningokokken) ist ein gramnegatives Bakterium, das den Nasenraum von 10 bis 40 % der gesunden Menschen besiedelt, aber in einigen Fällen schwere systemische Erkrankungen verursachen kann³. Bei betroffenen Personen kann Nm Zugang zum Blutkreislauf erhalten, wo es Purpura fulminans verursachen und in BECs eindringen kann, um Zugang zum ZNS zu erhalten, was zu Meningitis^{führt 3}. Nm ist weltweit eine der Hauptursachen für bakterielle Meningitis und trotz Impfbemühungen immer noch eine der Hauptursachen für Meningitis⁴. Moderne medizinische Eingriffe, wie z. B. die Behandlung mit Antibiotika, haben diese Erkrankungen überlebensfähig gemacht, aber die Betroffenen mit Meningitis bleiben oft mit bleibenden neurologischen Schäden zurück ^5,6.

Frühere Studien haben bakterielle Faktoren und Wirtssignale identifiziert, die zu Nm-BEC-Interaktionen beitragen 7,8,9,10,11. Die identifizierten Adhäsine und Invasine wie das Opazitätsprotein Opc und Typ-IV-Pili sowie Rezeptoren wie CD147 wurden an verschiedenen BEC-Modellen in vitro durchgeführt, diesen Modellen fehlen jedoch viele definierende BHS-Eigenschaften^7,9,11,12. Ein vollständiges Verständnis der Nm-BEC-Wechselwirkungen ist nach wie vor schwer fassbar, was zum Teil auf die Unfähigkeit, In-vivo-Modelle zu verwenden, den unvollständigen Impfschutz und das Fehlen robuster menschlicher BEC-Modelle in vitro zurückzuführen ist.

Die Modellierung von hBECs in vitro war aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von BECs eine Herausforderung. Im Vergleich zu peripheren Endothelzellen weisen BECs eine Reihe von Phänotypen auf, die ihre Barriereeigenschaften verbessern, wie z. B. einen hohen transendothelialen elektrischen Widerstand (TEER) aufgrund komplexer Tight Junctions¹². Einmal aus der Mikroumgebung des Gehirns entfernt, verlieren BECs schnell ihre Barriereeigenschaften, was die Nützlichkeit von primären oder immortalisierten In-vitro-Modellen, die nur eine schwache Barriere bilden, einschränkt^12,13. Die Kombination aus der menschlichen Spezifität von Nm-Infektionen, dem Mangel an robusten In-vivo-Modellen und den Herausforderungen bei der Modellierung menschlicher BECs in vitro schafft einen Bedarf an besseren Modellen, um die komplexe Wirt-Pathogen-Interaktion zwischen Nm und BECs zu verstehen. In jüngster Zeit wurden BEC-ähnliche Zellen aus iPS-Zellen abgeleitet, die BECs in vivo besser nachahmen ^12,13,14,15. iPSC-BECs sind menschlichen Ursprungs, leicht skalierbar und besitzen im Vergleich zu ihren primären oder immortalisierten Gegenstücken die erwarteten BEC-Phänotypen^12,13,14,15. Darüber hinaus haben wir und andere gezeigt, dass iPSC-BECs nützlich sind, um verschiedene Erkrankungen des ZNS zu modellieren, wie z.B. Wirt-Pathogen-Interaktion, Chorea Huntington und MCT8-Mangel, der das Allan-Hurndon-Dudley-Syndrom verursacht 16,17,18,19,20,21. In dieser Arbeit zeigen wir, wie iPSC-BECs aus erneuerbaren iPSC-Quellen abgeleitet werden können und wie die Infektion von iPSC-BECs mit Nm zur Aktivierung der angeborenen Immunantwort führt. Wir glauben, dass dieses Modell nützlich ist, um Wirt-Pathogen-Interaktionen zu untersuchen, die in anderen In-vitro-Modellen nicht rekapituliert werden können, und besonders nützlich ist, wenn Interaktionen mit humanspezifischen Krankheitserregern wie Nm untersucht werden.