A Candida gasztrointesztinális kolonizációjának és terjesztésének egérmodelljei

Absztrakt

A fertőző ágensek 95 százaléka a nyálkahártya felszínén, például a légzőszervi és a gyomor-bél traktuson keresztül jut be. Az emberi gyomor-bél traktust billió kommensális mikroba, köztük számos Candida spp. A gyomor-bél traktusban lévő egyes kommenzális mikrobák bizonyos körülmények között súlyos emberi fertőzéseket okozhatnak, jellemzően a bélkörnyezet és/vagy a gazda immunállapotának változásával. Ezért a gombás GI kolonizáció és disszemináció állatmodelljeinek felhasználása jelentős betekintést nyújthat a kommenzális organizmusból patogénné és a gazda-patogén kölcsönhatásba történő átalakulás komplex patofiziológiájába. Ez a tanulmány áttekinti a GI kolonizáció és a disszemináció modellezéséhez alkalmazott módszertani megközelítéseket, az ezekből a modellekből tanult betekintést, és végül a lehetséges jövőbeni irányokat ezen állatmodellező rendszerek felhasználásával.

BEVEZETÉS

A fertőző betegségek a harmadik leggyakoribb halálok az Egyesült Államokban és a vezető ok az egész világon. Az összes fertőző ágens 95 százaléka a nyálkahártya felszínén keresztül jut be, nevezetesen a légzőszervi, gyomor-bélrendszeri (GI) és genitourináris traktusok bélésén (1). Az emberi testet mikrobiális organizmusok gyarmatosítják, túlnyomó többségük a gyomor-bél traktust. A kommenális mikrobák 10: 1-es tényezővel meghaladják a gazdasejteket, és sok alapvető metabolikus és immungazdagépben segítenek (2). Nem minden gazda-mikrobiota kölcsönhatás segíti elő az egészséget, és a gyomor-bél traktusban vannak olyan szimbiózis mikroorganizmusok, amelyek specifikus bélkörnyezeti és/vagy gazdaimmun körülmények között emberi betegséget okozhatnak. A „pathobiont” kifejezést a patogén potenciállal rendelkező rezidens mikrobák leírására hozták létre (3). Ellentétben a hagyományos kórokozókkal, amelyek normális, egészséges gazdaszervezetben betegséget okozhatnak, a kórokozók normális körülmények között ártalmatlanok a gazda számára. A Candida spp., Beleértve a Candida albicans-t is, kórokozóknak tekinthető.

Gombaféle változatosság az emlősök földrajzi úton

A CANDIDA GI KOLONIZÁLÁS MURIN MODELLJEI

A Candida albicans nem rendelkezik környezeti tározóval (17), és szinte mindig emberhez vagy más emlőshöz kapcsolódik. Az egerekben a Candida GI gyarmatosításának és terjesztésének modellezésénél mindig tudatában kell lenni annak, hogy a C. albicans és néhány más, emberi patogén Candida spp. egerekben és sok más állatban nem természetes kompenzációk vagy akár kórokozók (18). Az immunrendszer (19–21) és a bélben élő mikrobiota (13) egerek és emberek közötti különbségeit jól dokumentálták. Ezért a kutatóknak nagy óvatossággal kell eljárniuk a patogenezis és a mechanisztikus betekintés extrapolálásában az állatmodellektől az emberi betegekig. Ha van valami, akkor az egerek és az emberek közötti különbségeket (például miért ellenállóak a C. egér C. colicicusok a gyarmatosítással szemben?) A GI komenzalizmus és a patogenezis alapvető mechanizmusainak megértésében, abban a reményben, hogy a mechanisztikus belátás végső soron újdonságokat találhat módszerek az invazív gombás fertőzések megelőzésére és/vagy kezelésére emberben.

Mikrobiális verseny a GI traktusban.

Egyre több bizonyíték áll rendelkezésre arról, hogy az egészséges mikrobiom közösség zavarai súlyos immunrendszeri egyensúlyhiányokat eredményezhetnek, amelyek kóros állapotokat eredményezhetnek, nevezetesen gyulladásos bélbetegség (IBD). Ezért nagyon fontos egyidejűleg megvizsgálni a baktérium- és gombaközösségeket annak eldöntésére, hogy a normál (baktériumok túlsúlyában lévő) mikrobiota elmozdulása összefügg-e az opportunista gombák növekedésével. Ezt a koncepciót legkönnyebben az egér GI gombás kommenzális populációinak vizsgálata során lehet megvilágítani. Az emberekhez és más emlősökhöz hasonlóan, úgy tűnik, az egerek is túlnyomórészt Ascomycota-tal, különösen Candida spp-vel kolonizálódtak, de a C. albicans jelentős hiányával és gyakran a Candida tropicalis túlsúlyával (13). Valójában a C. albicans nem természetes kommensális vagy kórokozó az egereknél (18), és a felnőtt egerek természetesen ellenállnak a C. albicans GI gyarmatosításának (5, 22). Az újszülött egerek (23, 24), az antibiotikummal kezelt felnőtt egerek (22, 25–28) és a csíra nélküli egerek (29) GI-traktusai azonban fenntarthatóan kolonizálhatók C. albicans-szal, ami arra utal, hogy a bakteriális bél összetétele a mikrobiom fontos meghatározója a C. albicans kolonizációnak.

Antibiotikummal kezelt felnőtt egér modellek.

Újszülött modellek.

Csíra nélküli és immunhiányos gazda modellek.

El kell ismerni, hogy a Candida GI kolonizációjának és disszeminációjának korábban leírt „hagyományos” modelljei nagy kihívást jelentenek a széles spektrumú antibiotikumok és az immunszuppresszív szerek beadásának követelménye miatt. Így alternatív megközelítésként csíra nélküli (GF) vagy gnotobiotikus egereket használunk, amelyek nem igényelnek antibiotikumokat és bizonyos esetekben immunszuppressziót. A GF egerekben nincs Candida-gátló mikrobiota. Továbbá rendelkezésre állnak meghatározott, veleszületett és/vagy megszerzett immunrendszeri hiányokkal rendelkező GF egerek (azaz egerek hiányosak NK-ban, T-sejtek működésében, mintázatfelismerő receptorok kiütésében stb.), És ezekről a modellekről kimutatták, hogy hajlamosak a endogén eredetű nyálkahártya és szisztémás candidiasis (52–57). Ezeknek a modelleknek a legfőbb korlátja a magasan specializált, csíramentes állattartó létesítmények követelménye, amelyek nem állnak rendelkezésre minden kutató számára. Ezért a GF modellek alkalmazásának további részleteit nem tárgyaljuk ebben a minikérdésben.

A CANDIDA GI KOLONIZÁCIÓS ÉS TERJESZTÉSI MODELLEKBŐL SZÁRMAZÓ TUDNIVALÓK

Bél mikrobiota.

A gazda immunfaktorai. (i) Veleszületett sejtes immunitás.

A limfocita hiány, különösen a CD4 + Th1 hiány, szájüregi és nyelőcső kandidózist eredményez (68, 69) - ezt legjobban az mutatja, hogy az atmiás diszpláziában szenvedő gyermekek (70), valamint a HIV és AIDS betegek (71, 72) hajlamosabbak a szájüregi candidiasis. Ezzel szemben a limfociták nem tűnnek fontosnak a disztális GI Candida-kolonizációs szintek modulálásában, amint azt régebbi, atymás egerekkel végzett tanulmányok (73), valamint újabb, rekombináz-aktiváló génhiányos egerek alkalmazásával végzett tanulmányok mutatják be (22). Míg a neutrofilek kritikusnak bizonyultak a disszeminált gombabetegség (22, 74–76) szabályozásában, szerepük a GI kolonizációs szintek szabályozásában elhanyagolhatónak tűnik (22). Hasonlóképpen, úgy tűnik, hogy a makrofágok nem befolyásolják a Candida GI kolonizációt (22), és a mai napig nem voltak olyan tanulmányok, amelyek megvizsgálták volna az egyedüli NK sejtek szerepét a GI kolonizációban. A hibás T-sejt-közvetített immunitás és a fagocita sejtdefektusok kombinációja (neutrofilekben, makrofágokban és NK-sejtekben) azonban hajlamosított egerekre (bg/bg nu/nu egerek) endogén eredetű súlyos nyálkahártya és szisztémás candidiasisra előzetes antibiotikum nélkül. terápia vagy további immunszuppresszió (55).

A disszeminált betegség szempontjából a neutrofilek, a makrofágok vagy az érett limfociták izolált kimerülése nem vezet C. albicans transzlokációjához az egér béléből (22). Valójában csak a bélnyálkahártya károsodásának és a neutropenia kombinációja volt elegendő a C. albicans egér bélből történő elterjedéséhez (22).

(ii) Mintafelismerő receptorok.

Végül a dektin-1 hiányú egerek (Clec7a -/- egerek) fokozott érzékenységet mutattak a dextrán-nátrium-szulfát (DSS) által kiváltott vastagbélgyulladásra, a gyulladásos bélbetegség legmegalapozottabb egérmodelljére, és ennek eredményét végül a megváltozott gazdaszervezetnek tulajdonították. válaszok az őshonos gombákra (13). A vad típusú (C57BL/6J) és a Clec7a -/- bélgomba mikrobiómák elemzéséből kiderült, hogy az összes azonosított gomba szekvencia 97,3% -a 10 gombafajhoz tartozott, a szekvenciák 65,2% -a egyetlen gombához, a Candida tropicalis egerekhez A Candida tropicalis-t, majd DSS-nek vetették alá, szignifikánsan súlyosabb vastagbélgyulladást mutatott, mint az egerek, amelyek Saccharomycopsis fibuligerát kaptak, egy nem patogén gomba. Ezekben az egerekben a flukonazol-kezelés az IBD tüneteinek javulásához vezetett: csökkent fogyás és enyhébb szövettani betegségjellemzők. A kutatók az emberekben a dektin-1 (CLEC7A) génjében polimorfizmust is azonosítottak, amely szorosan kapcsolódik a fekélyes vastagbélgyulladás súlyos formájához.

(iii) Citokinek.

Érdekes, hogy a bakteriális kórokozók, mint például a Salmonella enterica Typhimurium szerotípus, kimutatták, hogy gyulladást váltanak ki, és ezután változásokat idéznek elő a rezidens mikrobiota populációkban, ami fokozott S. Typhimurium GI kolonizációt eredményez (95). Egy S. typhimirium mutáns törzs, amely nem képes gyulladást kiváltani, szintén hibás a gyomor-bél traktus gyarmatosításában. Hasonlóképpen van néhány bizonyíték arra, hogy önmagában a gyulladás elősegítheti a C. albicans GI gyarmatosítását. Jawhara és mtsai. kimutatta, hogy a C. albicans orális beoltása korábban dextrán-szulfát-nátriummal (hámsejteket károsító és gyulladást okozó vegyi anyag) kezelt egereknél tartós Candida GI kolonizációt eredményezhet, míg a DSS-sel nem kezelt egerek nem kolonizálhatók Candida-val (95 ).

Gomba virulencia determinánsok.

A fenotípusos variáció jól ismert a C. albicans-ban (azaz a fehér versus átlátszatlan, az élesztő vagy a fonalas forma), és kimutatták, hogy hatással van a virulenciára intravénásan disszeminált candidiasis modellekben. A GI-kolonizációt befolyásoló gombás tényezőkről azonban nagyon keveset tudni. In vivo C. albicans transzkripciós profilkísérletek mind a malac, mind az egér GI kolonizációs modelljében azt mutatták, hogy az EFH1 gén nagymértékben expresszálódott az emlős GI traktusban való növekedés során; mégis, az efh1 nullmutánsok valójában fokozott kolonizációt mutattak ki az egér GI traktusában, az EFH1-túlexpresszáló törzsek pedig konkordánsan csökkent kolonizációs szinteket mutattak (28). Az EFH1 nem tűnik fontosnak a szisztémás fertőzés szempontjából. Ezzel szemben az invazív fertőzés szempontjából fontos génekre (azaz RBT1 és RBT4) nem volt szükség a bél kolonizációjához. Az EFH1 kifejezés állítólagos szerepe lehet a populáció önszabályozásában, ezáltal elősegítve a komenzalizmust és elhagyva egy kórokozó állapotot.

Az egér GI traktusát kolonizáló C. albicans sejtekben a génexpressziót elemző utóvizsgálatokban ezek a kutatók megjegyezték, hogy a GI traktust kolonizáló sejtek sok olyan gént expresszáltak, amelyek jellemzőek voltak az in vitro exponenciális fázisban növekvő sejtekre (növekedési gének) és a postexponenciális fázis (stressz okozta gének) (96). Meglepő módon a kolonizáló sejtekben és az invazív sejtekben a génexpresszió gyakran nagyon hasonló volt. Ezek az eredmények fontosak annak a meggyőződésnek az eloszlatásában, hogy bizonyos gének csak bizonyos állapotokban vannak „bekapcsolva” (kommenzalizmus versus patogén).

A gombás és rágcsáló törzsek megválasztása.

Abszolút kritikus hangsúlyozni, hogy a C. albicans törzsek jelentősen eltérnek a nyálkahártya felületek megtelepedésére (97, 98) és a terjesztés képességében (22, 23). Míg számos tanulmányban szokásos „laboratóriumi” törzseket, például SC5314-et használtak, körültekintő lehet több Candida törzset használni, ideális esetben klinikai izolátumot is beleértve. Az általánosítható következtetések meghozatala előtt mindig a legjobb, ha további Candida törzsekkel erősítjük meg a megállapításokat a törzsspecifikus fenotípusok lehetőségének kiküszöbölése érdekében (99).

Hasonlóképpen, amint azt korábban említettük, a rágcsáló törzs megválasztása ugyanolyan fontos. Kimutatták, hogy a különböző gyártóktól kapott ugyanazon beltenyésztett egértörzs (C57BL/6) (Jackson kontra Taconic) teljesen eltérő bélbaktériumos mikrobiotával rendelkezik (szegmentált-fonalas baktériumok hiánya vagy jelenléte), ami végül meghatározza, hogy a gazdaszervezet rendelkezik-e egy adott immunológiai fenotípus (CD4 + T segítő sejtek, amelyek IL-17 és IL-22 [Th17 sejteket] termelnek a bélsejtek lamina propriájában) (88). Hasonlóképpen, ugyanazon beltenyésztett egér törzsnél, amelyet különböző gyártóktól vásároltak, nagymértékben eltérő Candida GI kolonizációs fenotípusok is lehetnek (publikálatlan megfigyelés). Végül a lakhatási körülmények (86) és az étrend szintén mélyreható hatást gyakorolhatnak a bél mikrobiota populációira.

JÖVŐBELI IRÁNYOK

Mivel az emberi sejtek száma 10: 1-rel meghaladja a mikrobákat, és a mikrobiális genetikai repertoár körülbelül 100-szor nagyobb, mint az emberi gazdaszervezet esetében, az embert magában foglaló emlős- és mikrobiális sejtek konglomerátumát jelentő szuperorganizmus kifejezés jelentős tapadást kapott a tudományos és laikus sajtó. A kommenzális mikrobiota hozzájárul az emlős gazdaszervezet metabolikus, táplálkozási és immunológiai állapotához. A kommensális baktériumok a bél mikrobiota legelterjedtebb tagjai, és a legnagyobb mértékű tudományos vizsgálatot kapták, de más domének, beleértve a gombákat is, az emlős gazdaszervezet normális lakói. Az emberi gomba mikrobiomját vizsgáló vizsgálatok száma meglehetősen korlátozott, de mind a szájüregi, mind a disztális GI traktus vizsgálata kimutatta, hogy a Candida spp. a legelterjedtebbek. Érdekes módon más emlősök hasonló gombás populációval rendelkeznek, de fajonként jelentősen eltérhetnek - a legemlékezetesebb példák az egerek, amelyek a bélben Candida faj dominanciát mutatnak, de a bélben nincsenek C. albicans baktériumok, és valójában természetesen ellenállnak C. albicans GI gyarmatosításra.

Az invazív gombabetegségek emberben történő növekvő megjelenése a 20. és 21. században az orvosi ellátás fejlődésének közvetlen következménye. Az antibiotikumok, a rák kemoterápiája, az invazív sebészeti beavatkozások és a fejlett életfenntartó eszközök mind az emberi gazdaszervezet egyensúlyhiányát eredményezik (legyen az immunrendszer hiánya, integumentális határok megszakadása vagy a normál kommensális mikrobiota zavarai), amelyek gombás betegséghez vezetnek . Az immunkompetens humán gazdaszervezet rezidens mikrobiotájával kiemelkedően jó az egészséges szimbiotikus kapcsolat fenntartásában, ezért annak a mechanizmusnak az ugratása és megértése, amellyel a gazda homeosztázisának megzavarása a gombák GI-kolonizációjának fokozását és/vagy az invazív betegség kialakulását eredményezheti, újszerű lehet módszerek a gombás megbetegedések megelőzésére és leküzdésére a jövőben.

Elképzelhető, hogy a betegek bél bakteriális és gombás mikrobiómáit valós időben, prospektív módon figyelemmel kísérjük, és beavatkozunk, ha rendellenességeket észlelünk. Például, ha egy orvos észreveszi egy adott Candida faj gyors terjeszkedését és dominanciáját a csontvelő-átültetésen átesett beteg bélében, szelektív gombaellenes antibiotikumokat adhat be a kolonizációs szint csökkentése érdekében. Adható olyan prebiotikus kezelések, mint például a kis láncú zsírsavak, amelyekről kimutatták, hogy elősegítik a jótékony, gyulladáscsökkentő kommenszálak növekedését és csillapítják a gyulladásos proinzisztensek növekedését. Végül a távoli jövőben elképzelhető lenne a bél mikrobiota populációinak rendszeres ütemezett ellenőrzése a rutinszerű orvosi ellátás és olyan beavatkozások részeként, mint az étrend módosítása annak érdekében, hogy megelőzzék a krónikus egészségi állapotokat, például gyulladásos bélbetegség, autoimmun rendellenességek, elhízás és cukorbetegség. (mindezek már összefüggenek a bél mikrobiota populációjának zavarával)

Összefoglalva, ezek a tanulmányok azt mutatják, hogy a gomba GI kolonizációjának és elterjedésének szabályozása dinamikus és összetett folyamat, amely magában foglalja a gazdaszervezet immunhatásait, a gazda mikrobiotáját és a mikrobiális kommenzált/kórokozót. Az emberi gazdaszervezet bonyolult fiziológiájának közelítését megkísérlő állatmodellek alkalmazásával jobb betekintést nyerhetünk ezekbe a rendkívül bonyolult kapcsolatokba, azzal a végső céllal, hogy új terápiákat vagy megelőző intézkedéseket dolgozzunk ki az invazív gombás fertőzések megelőzésére az emberi gazdaszervezetben.

Lábjegyzetek

Megjelent a nyomtatás előtt 2013. szeptember 13