赤痢菌による上皮細胞感染解析

腸内細菌性病原体によって引き起こされる下痢性疾患は、世界的な健康上の重大な負担です。2016年、下痢性疾患は世界で130万人の死亡の原因となり、5歳未満の子供の死因の第4位でした^1,2。グラム陰性腸内細菌性病原体である赤痢菌は、世界中で下痢による死亡の主な原因である赤痢症の原因物質です³。赤痢症は、低・中^{所得国の子ども}に毎年重大な罹患率と死亡率を引き起こし^4,5、高所得国での感染は、保育所、食品媒介、水媒介の発生に関連しています^6,7,8,9。効果のないワクチン開発¹⁰と薬剤耐性(AMR)^11,12の上昇により、大規模な赤痢菌の集団発生の管理が複雑になっています。米国疾病管理予防センター(CDC)の最近のデータによると、2020年には米国における赤痢菌感染症の約46%が薬剤耐性を示しており^13,14、世界保健機関(WHO)は赤痢菌をAMRの優先病原体として宣言しており、新しい治療法が緊急に必要とされています¹⁵。

赤痢菌感染症は、汚染された食品や水を摂取すると、糞便-経口経路を介して、または直接の人間との接触を介して容易に伝染します。赤痢菌は、効率的なヒト適応病原体に進化し、10〜100個の細菌の感染量で病気を引き起こすのに十分です¹⁶。小腸の通過中、赤痢菌は高温や胆汁などの環境信号にさらされます¹⁷。これらのシグナルを検出すると、転写変化が誘発され、細菌がヒト結腸に感染する能力を高める病原性因子が発現します17,18,19。赤痢菌は頂端表面から結腸上皮に侵入するのではなく、卵胞関連上皮内の特殊な抗原提示微小蕾細胞(M細胞)への取り込みに続いて上皮層を横切って通過します20,21,22。トランスサイトーシス後、赤痢菌細胞は常在マクロファージによって貪食されます。赤痢菌は急速にファゴソームから脱出し、マクロファージ細胞死を引き起こし、炎症誘発性サイトカインを放出します^5,23,24。次に、赤痢菌は基底側から結腸上皮細胞に侵入し、マクロピノサイト液胞を溶解し、細胞質に複製ニッチを確立します^5,25。炎症誘発性サイトカイン、特にインターロイキン-8(IL-8)は、多形核好中球白血球(PMN)を感染部位に動員し、上皮のタイトジャンクションを弱め、上皮内膜への細菌浸潤を可能にして基底側感染を悪化させます⁵。PMNは感染を封じ込めるために感染した上皮内膜を破壊し、その結果、細菌性(血性)赤痢の特徴的な症状が^{現れる5。}浸潤と細胞内複製のメカニズムは徹底的に特徴付けられていますが、新しい研究は、消化管(GI)通過中の病原性調節¹⁷、アドヒアランス¹⁹、バリア透過性による基底側アクセスの改善²⁶、栄養失調の小児における無症候性輸送²⁷など、赤痢菌感染における重要な新しい概念を実証しています。

赤痢菌が下痢性疾患を引き起こす能力は、ヒトおよびヒト以外の霊長類(NHP)に限定されています²⁸。赤痢菌の腸管感染モデルは、ゼブラフィッシュ²⁹、マウス³⁰、モルモット³¹、ウサギ^21、32、33、ブタ^34、35について開発されています。しかし、これらのモデルシステムのどれも、ヒト感染中に観察された疾患特性を正確に再現することはできない³⁶。赤痢症のNHPモデルは赤痢菌の病因を研究するために確立されていますが、これらのモデルシステムは実装に費用がかかり、人為的に高い感染線量を必要とし、ヒトの感染線量よりも最大9桁高い^{37、38、39、40、41、42}。したがって、ヒト宿主の感染に対する赤痢菌の顕著な適応は、赤痢菌の病因を正確に調べるための生理学的に適切なモデルを再現するために、ヒト由来の細胞培養の使用を必要とします。

ここでは、HT-29結腸上皮細胞への 赤痢菌 の付着、浸潤、および複製の速度を測定するための詳細な手順について説明します。これらの標準化されたプロトコルを使用して、細菌の病原性遺伝子と環境シグナルが 赤痢菌 感染の各ステップに影響を与える分子メカニズムを調べて、動的な宿主と病原体の相互作用関係をよりよく理解することができます。