致肠病的感染:细菌瀑样去

文摘

肠道感染代表一个重大医疗保健挑战特别流行的国家限制获得干净的水和卫生设施,缺乏个人卫生预防措施,完全促进异构的致肠病的微生物的接触传染。其中,细菌物种负责相当比例的疾病,住院和死亡病例,所有,不断导致点燃研究者的兴趣进一步探索个人的致病性。除了公认的动物模型,肠道瀑样越来越重视模仿的能力关键架构和本机肠道黏膜的生理特征。因此,他们被认为是最多才多艺的和自然的在体外肠道模型,允许监测依从性,入侵,胞内贩卖、传播以及宿主细胞的再利用组件设备。同时,感染肠道瀑样允许关闭表征enteropathogens宿主上皮细胞的免疫反应。综述,(我),我们提供一个深刻的更新肠道organoid-based组织工程,(2)我们报告最新的病理生理研究定义感染肠道瀑样,和(3)我们讨论的优势和局限性在体外模型。

1。介绍

人类的肠道传染病可以通过无数的影响最终损害肠道粘膜的调节网络吸水能力,电解质,和营养,同时保留其功能作为物理屏障。特别是,感染的细菌、病毒或原生动物起源率最常见的腹泻疾病的原因,在资源丰富和——可怜的国家。这种感染通常与低卫生标准和处理不当的食物和饮料,以及职业接触家畜(1]。通常,腹泻病人经验作为唯一或主要症状不同程度的严重程度,可伴有便血,腹部绞痛,呕吐,或发热温度(2]。大多数肠道传染病的情况下通常解决自发或可使用专门支持治疗措施如补液和血清电解质的校正。然而,卫生保健系统在全球范围内继续面对复发性传染病疫情,巧合的几所引起的主要贡献因素:增加传输速率由于生活条件拥挤,缺乏卫生,公共卫生机构的短缺将有效的预防和控制措施(3]。特别是在发展中国家,贫困的计划和/或贫穷实现健康政策和项目负面影响的可用性、可访问性、支付能力和医疗服务的可持续性。在这些国家,据估计,大约10%的住院病人获得感染期间。这是加剧了不准确的诊断、用药错误,不恰当的或不必要的治疗、临床设施或不充分或不安全的做法。例如,抗生素的不恰当的政府在过去的几十年中已经导致高度耐药和难治性细菌病原体的积累4]。这令人担忧的发展促使增加设计替代治疗策略和努力不断深化当前pathogen-specific知识传播途径,细胞内的复制和传播的模式,以及反应性感染宿主细胞的防御机制。在过去,肠细胞系被广泛用于构造在体外模型的人类传染病和分子pathomechanisms来洞察他们的。然而,相比是非肠道上皮细胞,建立细胞系通常来自与异常生长和分化癌克隆行为以及改变生理功能,这大大限制其潜在的重建在活的有机体内条件。

近年来,肠道瀑样已成为一种很有前途的工具,允许研究人员建立长期致力于肠上皮干细胞文化没有馈线的细胞。细胞增殖和瀑样培养系统的发展从而持续通过添加合适的干细胞利基因素培养基。肠道瀑样可以散发多能干细胞的胚胎起源(ESC)或由多能性基因的超表达重组(原癌基因、OCT3/4 KLF4, SOX2)体细胞(iPSC)。或者,他们可能来自多功能organ-committed富亮氨酸repeat-containing g蛋白耦合受体5 + (+)Lgr5就地下室柱状基地肠道干细胞(ISC)(图1)。对于后者,可以获得合适的组织材料从人类捐赠者进行endoscopy-guided活检或手术切除或可以从整个牺牲动物的小鼠肠。这迷人的组织工程技术的基础是由汉斯聪明和他的研究小组首次允许的实现一个健壮的肠上皮细胞的三维培养系统源自一个ISC (5]。可再生的培养方法、顺从实验遗传操纵和守恒的基本细胞生物学都导致注定肠道瀑样作为一种非常有用的工具在human-relevant疾病宿主-病原体相互作用模型。嵌入在一个细胞外矩阵像脚手架和补充必要的利基因素,表皮生长因子(EGF)、‘诺金’,R-Spondin 1, Wnt3a驱动扩散和不对称分裂的ISC产量快速骑自行车交通放大隔间。接下来,已经lineage-committed后代开始形成不成熟的球状体,随后变成了成熟的肠道瀑样有明显crypt-villus划分(5,6]。面临的支架表面内部的极化的单层柱状上皮细胞,概括高度分化的多样性在整个肠道肠道细胞类型通常遇到的。吸收肠上皮细胞占最常见的细胞类型,主要从事水和电解质平衡的规定以及营养物质的吸收7]。作为电荷的先决条件——size-selective渗透率、paracellular扩散限制的细胞间的紧密连接网络。除了吸收肠上皮细胞,肠道上皮细胞是点缀着以下高度专业化的细胞类型。(我)杯状细胞产生富含复杂的半流体的粘液糖蛋白(黏蛋白)作为物理屏障和宿主上皮细胞之间的细胞腔的微生物群。杯状细胞被认为是先天免疫的兼职,因为他们生产各种抗菌蛋白质如血管生成素4 (8)、趋化因子和细胞因子(9- - - - - -12]。(2)Paneth细胞起源于并保持关闭附近的isc,其自我更新的能力很大程度上取决于juxtacrine分泌的促生长利基因素,即转化生长因子、表皮生长因子,并从Paneth Wnt3a细胞。此外,他们支持地方排泄抗菌肽,如溶菌酶和免疫防御的α-defensins / cryptdins [13,14]。(3)Microfold (M)细胞是一种特殊细胞类型的follicle-associated上皮(工程师)负责腔的抗原抽样和贩卖到底层的淋巴组织,从而导致粘膜免疫监视(15]。在稳态条件下,这种罕见的发生细胞类型仅限于仙灵,其区别主要取决于核转录因子的受体激活κB (NF -κB)配体完全由底层牙龈基质细胞(分泌16,17]。(iv)簇细胞代表另一种罕见的上皮细胞谱系,它已经涉及协助先天淋巴细胞(ILC)对抗蠕虫感染通过提供白介素(IL) 25。相反,接触IL 13来自激活ILC已被证明诱导丛细胞增生(18,19]。(iv)另一个是上皮细胞群所代表的数值小的实体enteroendocrine细胞,其中肠嗜铬细胞的细胞构成最丰富的细胞类型(20.]。主要分泌的产品,5 -羟色胺、功能的监管机构协调推进肠道蠕动和肠道液体分泌21,22]。

相当贡献早期免疫反应是由异构的肠上皮细胞群的争论有利于肠道瀑样的使用作为一个独立的在体外系统建模(图肠道感染2)。宿主免疫反应进一步受到各种局部免疫效应细胞可以被集成到瀑样达到更真实的适应在活的有机体内条件。在最近几年,瀑样的主要细胞起源及其多功能性在许多领域的应用促使一系列感染模型的建立共同的病理生理的理解人类enteropathogens临床相关。的方法解决综述说明生成的最新成就pathogen-specific肠道培养先进的疾病模型和药物筛选和大纲特定结果已确定(表1)。

2。细菌Enteropathogens及其在体外副本

2.1。霍乱弧菌

霍乱是一种腹泻病影响主要营养不良患者在资源贫乏的国家减少获得干净的水和卫生设施不足。大多数流行疫情的血清型O1和O139所致霍乱弧菌(霍乱弧菌)细菌的致病性依赖AB5霍乱毒素(CT)的生产。亚基本地化的毒素由在其核心,周围环绕着pentameric B亚基(23]。B亚基包含一个锚定元素具有高亲和力的GM1神经节苷脂分子。尽管其稀疏表达宿主肠上皮细胞表面,GM1被认为是一个关键受体CT (24]。它已被证明能够促进内部吸收holo-complex毒素进入宿主细胞的亚基触发腺苷酸环化酶的活动。这导致增强细胞内的第二信使分子水平环腺苷酸(营)和环鸟苷酸(cGMP)。随后激活主要离子选择性传输通道,如囊性纤维化跨膜电导调节(雌性生殖道),导致一个戏剧性的腔内分泌物增加氯紧随其后的是一个被动的流出的水(25]。细胞毒性效应可以可靠地重现在体外肠道瀑样CT造成的曝光剂量依赖性可量化的瀑样体积的增大。首次肠道organoid-based肿胀试验是验证临床筛查工具有多种意义的CT Zomer-van抑制剂的研究等。26]。采用人体直肠瀑样,Haksar等人不仅确定了一系列有效的同时有效的化合物metanitrophenylα半乳糖苷,著名的配位CT (27),但不同聚合物有机支架来源于线性聚丙烯酰胺,右旋糖酐和超支化聚甘油。所有化合物测试证明抑制CT依恋和进入肠道细胞以均等的方式相比,综合生产GM1低聚糖(28]。模仿的粪口传染途径霍乱弧菌并创建一个生理模型的肠道疾病,凯恩等人完整的细菌用于显微镜下注射的流明iPSC-derived小肠瀑样(29日]。

2.2。产肠毒素的大肠杆菌

产肠毒素的大肠杆菌(ETEC)的一个主要原因是一种自限性旅行者的腹泻和突发性腹泻疾病卫生状况较低的地区。主要由heat-labile和热稳定的分泌毒素(LT和圣),CT显示结构相似(30.,31日]。有效的粘膜的殖民,允许立即毒素交付肠道上皮细胞,优化plasmid-encoded胶粘剂菌毛和丰富。在后者,EtpA,高分子量adhesin,被分配一个关键的角色在促进殖民宿主上皮细胞(32,33]。adhesin分子吸引了注意力,很明显,人类志愿者挑战口服摄入ETEC应变H10407遭受显著不同程度的腹泻,建议至少一个宿主因素对疾病的影响表现(34,35]。大规模多糖分析;探讨了重组EtpA显示优惠N-acetylgalactosamine绑定,一个终端糖残基与血型a .创建一个模式类似在活的有机体内条件下,小肠瀑样从人类每个主要的捐助者AB0血型与纯化EtpA孵化和EtpA-expressing野生型(WT) H10407 ETEC,分别。在这两种情况下,上皮细胞轴承血型糖蛋白是公认的高亲和力与小肠瀑样来自血液B组或0捐助者,建议作为pathovar-specific EtpA凝集素的作用。根据这一发现,粘附EtpA-mutant ETEC血型小肠瀑样发生更迟疑地相比EtpA-expressing WT H10407 ETEC。细胞内水平的营地,反映toxin-dependent腺苷酸环化酶的活动,在EtpA-mutant-infected小肠瀑样水平显著降低,而圣两组之间没有差别。这些发现表明,EtpA pathovar-specific凝集素的能力确保稳定优先绑定到血型A-glycosylated上皮表面,从而使毒素交付更有效(36]。

一个复杂的在体外培养涉及ETEC应变H10407和外周血monocyte-derived巨噬细胞是针对建模肠道感染宿主先天免疫反应(图2)。人类小肠瀑样转化为汇合的单层注射细菌在顶端表面模仿腔的门户的条目。它可以指出,巨噬细胞的吞噬活动导致的有效内化细菌,感染相关性障碍的同时,上皮屏障功能部分恢复的巨噬细胞(37]。这个星座符合先前的调查结果,在迁移到肠道固有层组织,外周血单核细胞分化成巨噬细胞居民与无活动力的表型,但保留transepithelial antigen-scavenging和杀菌性能(38]。

2.3。弗氏志贺菌

志贺氏杆菌sp.跻身最常见的感染性腹泻的原因,尤其是在疲惫不堪的和免疫力低下的人在发展中国家。的基因组志贺氏杆菌,革兰氏阴性需氧enterobacterium,是包含一组毒性等因素志贺氏杆菌肠毒素1和2 (ShET 1和2)和志贺毒素(Stx)编码的染色体DNA和毒力质粒,分别。ShET 1最终导致腔的分泌增加离子和水的肠上皮细胞(39),而ShET 2是参与调节分泌促炎细胞因子IL 8的肠道上皮细胞(40]。相比之下,痢疾,独家Stx介导细菌的附件肠道血管的内皮细胞。这导致咬合的缺血,这进一步加剧了激活的血小板不足41,42]。实际的入侵事件之前,志贺氏杆菌sp.发起胶粘剂的生产生物膜引起的长时间暴露于胆汁盐和葡萄糖在小肠。依从性分析在人类colon-derived瀑样感染弗氏志贺菌(美国flexneri)透露的出现胶结构接触宿主上皮细胞(43]。宿主细胞感染的基本特征美国flexneri被抓获的organoid-derived单层模型源自人类肠道的不同部分(44]。进入基底外侧上皮车厢,美国flexneri执行自己的transcytosis通过M细胞的回肠,colon-associated技术工程师。与NF -人类回肠瀑样进行预处理κB-inducing配体肿瘤坏死因子(TNF)α特别是扩大感染前M细胞群美国flexneri2血清型菌株2457 t,产生胞内细菌数量显著高于常规种植瀑样(44]。接种的顶端或基底上皮表面与致病性美国flexneri菌株2457 t或者减轻plasmid-cured无创性导数菌株4243确认优先访问基底外侧膜上皮。这入侵路线被证明是更经常光顾的毒性美国flexneri菌株2457 t [44]。相同的机制的条目在一个类似的实验设计与人类colon-derived瀑样使用相同的美国flexneri应变(45]。此外,细胞内的流动美国flexneri劫持宿主细胞的细胞骨架形成长肌动蛋白聚合物(39]。这个过程已经被报道为进一步胞质传播至关重要美国flexneri相邻的上皮细胞(46]。上皮细胞免疫反应的评估美国flexneri来华的肠道瀑样显示转录upregulation IL 8、TNFα干扰素(IFN)β,肿瘤坏死因子α全身的蛋白3 (TNFAIP3),这在很大程度上与NF -κB-mediated炎症信号通路(44,45]。此外,感染上皮细胞表达高水平的intestine-specific粘蛋白(中央)2 (44,45]。研究者称,这一发现迄今为止仍然是模棱两可的,因为它可以意味着保护主机响应加强粘液的障碍函数或镜子一个颠覆性的效果来修改粘液成分以适应病原体的要求(44]。

肠道瀑样的另一个应用领域发展与实验使用噬菌体特别战斗志贺氏杆菌感染。引发了频繁使用抗生素耐药性质粒的出现,要求另一种治疗方法。噬菌体是指病毒只感染和细菌细胞的复制。一个显著特征是指他们的财产到目标不同的细菌种类甚至一个物种内的特定菌株,即噬菌体追求一个裂解(主机开发翻译机械与随后的细胞死亡和释放新的噬菌体)或溶原性复制策略(仅噬菌体DNA整合到宿主基因组中,宿主细胞仍然毫发无伤地)。与噬菌体治疗试验,战斗志贺氏杆菌感染是由Llanos-Chea等人在人结直肠癌细胞系HT-29和肠道瀑样47]。人类肠道瀑样注射几志贺氏杆菌sp.包括美国flexneri血清型2 2457 t。随后co-incubation噬菌体φ2457 t展示一个有效清除感染美国flexneri2血清型菌株2457 t,反映在减少细菌回收率粘附和入侵检测(47]。

2.4。肠出血性大肠杆菌

肠出血性大肠杆菌(肠出血性大肠杆菌),革兰氏阴性、杆状enterobacterium是人类致病菌株与食源性结肠炎腹泻带血(偶有发生48]。肠出血性大肠杆菌O157: H7通常负责一个特别激进的疾病包括溶血性尿毒症。它是由类志贺毒素沉淀(Sltx) 1和2,特点是无免疫力溶血性血栓性微血管病的肾脏,最终导致急性肾功能损害(49]。调查的初始步骤上皮入侵,人类colon-derived瀑样转化为一个上皮单层水感染Sltx-negative肠出血性大肠杆菌O157: H7应变EDL933和毒性突变体缺陷因素StcE或EspP [50]。StcE指锌metalloprotease从事裂开黏液糖蛋白的保护层,促进肠道上皮细胞(细菌的附件51]。然而,感染StcE-deficient肠出血性大肠杆菌菌株没有导致受损的肠出血性大肠杆菌感染黏液层的破坏之前报道,表明另一种mucus-depleting pathomechanism。EspP是高分子量的家庭成员丝氨酸蛋白酶autotransporters几间共享肠杆菌科物种和发挥了至关重要的作用actin-bound细胞骨架蛋白的破坏宿主细胞(52]。这项研究的作者证明EspP促进蛋白水解减少刷状缘的居民蛋白质protocadherin 24,导致后续抹杀的microvillar桥梁被认为是肠出血性大肠杆菌感染的一个特征(53]。有趣的是,人类colon-derived organoid-based在体外研究表明,EspP功能还可以充当肠毒素通过触发异常的离子电流独立于雌性生殖道的活动,可能导致腹泻症状(54]。

人类肠道瀑样在体外从H1分化人类胚胎干细胞线Karve等人用来模拟一个肠出血性大肠杆菌感染Sltx-producing应变O157: H7 (STEC) [55]。按照先前的研究中,逐渐破坏上皮衬里与摄动肌动蛋白细胞骨架发生后腔的显微镜下注射STEC伴随着亲密并列的病原体并最终破坏的肠上皮屏障。一致的自然感染,培养条件允许检测宿主细胞来源的活性氧和活性由产志贺毒素大肠杆菌诱导Sltx。宿主的免疫反应是具有趋化因子的调节上皮细胞表达IL 1β和IL 18和招聘的多形核细胞培养从外围到瀑样55]。

2.5。沙门氏菌血清

沙门氏菌血清,杆状革兰氏阴性兼性厌氧菌,能动的芽孢杆菌,这是排名在最常见的食源性腹泻疾病的病原体,配备充足的军械库的毒性因素促进附件、入侵、复制和逃避宿主的免疫检测(56]。初步数据公布的偏爱π海尔集团性病菌毛编码的Std操纵子沙门氏菌血清血清型沙门氏菌感染(美国沙门氏菌感染)绑定的终端α1,2-fucose残留物(57]。这种酶催化添加海藻糖糖主机膜结合聚糖关键ABH和刘易斯histo-blood组抗原的表达在粘膜膜和体液(58]。进一步证实了这种依从性策略在体外研究肠道瀑样生长α1,2-fucosyl转移酶2 WT老鼠。回肠和colon-derived瀑样被接种性病fimbriae-expressing apathogenic大肠杆菌应变最好绑定到fucosylated细胞(59]。此外,最后Rouch等人证明了人类小肠瀑样,美国沙门氏菌感染选择M细胞作为他们的首选门户入口(60]。此外,如果应用在高度传染性的剂量,它引起一个额外的肠上皮细胞分化转化成M细胞(60]。进入宿主细胞内和旅游,沙门氏菌sp.已被证明运动控制细胞内信号通路参与细胞骨架重排过程。部署了一个这样的机制沙门氏菌sp.旨在操纵主机GTP-ases Cdc42, Rac1, RhoG通过分泌效应蛋白进入宿主细胞,激活Arp2/3-complex。这个核心转向所需的肌动蛋白丝大会是板状伪足的形成和膜褶边,提供细胞内移动和允许病原体进入细胞的入口61年- - - - - -63年]。入侵宿主细胞的沙门氏菌sp.似乎通过顶端传播路线。这一发现被证实在人类小肠瀑样的细胞极性逆转了剥夺了他们成熟后矩阵的脚手架。美国沙门氏菌感染添加到瀑样与反极性(“apical-out”)和常规种植瀑样(“basal-out”)以及瀑样与混合表型优先渗透顶端的宿主细胞表面。在细胞内的复制美国沙门氏菌感染,受感染的宿主细胞通常是因到腔的空间,之前已经报道过在人结肠癌细胞株Caco-2和小鼠原发性肠道细胞(64年]。这个退出战略是复制“apical-out”小肠瀑样被感染美国沙门氏菌感染。特此,细菌检测内部积极挤压上皮细胞和完全挤压上皮细胞(65年]。进一步的调查集中在宿主细胞细胞骨架的重要角色的入侵和胞内流动沙门氏菌sp.进行人类ileum-derived瀑样接种沙门氏菌血清血清型伤寒应变Ty2 (伤寒杆菌)。透射电子显微镜图像证实存在的细胞骨架的微绒毛突起暗示解散和细胞质改组中观察到整个组织活检样本。它可以证明,在pre-incubation瀑样的肌动蛋白和微管抑制剂,cytoskeleton-dependent机制的入侵伤寒杆菌是有效的禁用66年]。符合,肠道瀑样来自小鼠空肠和回肠显示显著的差别分解和对这些紧junction-defining蛋白质Zonula occludens蛋白质1后殖民美国沙门氏菌感染菌株14028年代(67年]。此外,在这项研究中,特别感兴趣是属于研究上皮细胞免疫反应的特点是增加了NF -κB信号和连续upregulation下游促炎细胞因子IL 2、IL - 4、IL - 6、TNFα,干扰素γ(67年]。类似的结果从一个iPSC-based肠道感染瀑样模型美国沙门氏菌感染应变SL1344 [68年]。宿主上皮细胞的基因表达分析显示的促炎细胞因子IL 8、IL 1β,23,TNFα,CXCL 2还的杯状细胞相关基因编码glucosaminyl-N-acetyl-transferase 3和MUC 2,表明反应杯状细胞增殖的人口(68年]。相比之下,共生的细菌殖民肠道流明已经被分配一个整体保护作用降低粘膜炎症和恢复肠道内稳态侵入肠道感染。小肠瀑样的完整性与挑战美国沙门氏菌感染应变SL1344迅速恶化,除非使用益生菌嗜酸乳杆菌ATCC4356 (l .嗜酸的)。此外,添加l .嗜酸的瀑样造成Wnt3的逆转和toll样受体2和4 upregulation,沉淀了美国沙门氏菌感染感染(69年]。根据作者的观点,这些结果暗示一个l .嗜酸的全身的修正地下室对生理水平和敏感性降低炎性增生刺激(69年]。

2.6。单核细胞增多性李斯特氏菌

单核细胞增多性李斯特氏菌(l . monocytogenes)是一种革兰氏阳性,运动型,杆状细菌引起食源性腹泻疾病免疫活性的人但引发败血症和脑膜炎在免疫功能低下的患者和新生儿(70年]。先前的报道表明,l . monocytogenes最好是遍历肠道上皮细胞通过杯状细胞和M细胞在淋巴集结级别(71年,72年]。最近引入的Roodsant等人作为等效小说瀑样文化模型,人类胎儿tissue-derived肠道瀑样镀单层和水接种l . monocytogenes这主要与民大两正杯状细胞(73年]。此外,它是指出,荧光染色信号肌动蛋白在感染细胞的顶端地区成为弱(73年]。这一发现可能的性质有关l . monocytogenes重新排列宿主细胞的肌动蛋白成所谓的“彗星尾巴”促进胞内流动,之前报道的公司等人在人类小肠瀑样(65年]。l . monocytogenes的偏好网站进入肠上皮细胞并不局限于特定的细胞类型还包括地区广泛表达粘附蛋白钙粘蛋白和肝细胞生长因子receptor-associated酪氨酸激酶。都是利用两个主要的入侵目标受体的蛋白质In1A In1B,分别启动内部吸收l . monocytogenes进入宿主上皮细胞(74年- - - - - -76年]。在相同的实验条件下如前所述,公司et al .,“apical-out”,“basal-out”和mixed-polarity人类小肠瀑样注射l . monocytogenes。这是证明l . monocytogenes更频繁地坚持“basal-out”小肠瀑样和基底的暴露空间”apical-out“肠道瀑样65年]。这样的不均匀分布模式是由于上皮的基底外侧定位的重要性,特别是收益的绒毛,上皮衬里的偶尔打断了驱逐凋亡肠上皮细胞腔。肠道感染的早期阶段l . monocytogenes,上皮段相邻集合淋巴结补丁已经建议占据中心位置开始有效的宿主免疫反应(77年]。此外,它已经涉及到调节肠上皮内稳态诱导加速肠道绒毛上皮细胞更新和杯状细胞数量下降,锁定一个潜在的门户的条目l . monocytogenes。在肠道organoid-based模型,证明了感应的上皮细胞增殖,磷酸化信号传感器和激活转录(STAT)蛋白质STAT1和STAT3是强制性的78年]。有趣的是,STAT1和STAT3似乎发挥反对细胞功能对细胞周期调控,生存信号,和肿瘤免疫(79年]。在体外激活各自STAT蛋白可以引起的孵化与IL 22日或11,最初源自pericryptal gp38 +基质细胞和干扰素的子集γ由自然杀伤细胞(78年]。

2.7。艰难梭状芽胞杆菌

类似于沙门氏菌血清sp。艰难梭状芽胞杆菌(梭状芽孢杆菌),革兰氏阳性,厌氧,形成孢子菌占很大一部分的antibiotics-associated腹泻病例和pseudomembranous结肠炎,引起细胞骨架紊乱有针对性的失活的宿主细胞通过其单链ρ/ Ras GTP-ases毒素梭状芽孢杆菌毒素(Cdt) A和b两种毒素配备有氨基葡糖基转移酶和autoprotease域,内化和endosomal酸化后,扩散到细胞溶质。葡糖基转移酶autoproteolytic乳沟和释放后,ρ/ Ras GTP-ase家庭成员RhoA Rac, Cdc42成为mono-O-glycosylated从而灭活,阻止他们与他们互动效应物可能通过位阻(80年]。由于广泛的参与ρ/ Ras GTP-ases在大多数actin-dependent过程,包括信息的稳定联系和纤维细胞形状保持压力,这种微妙的开关元件的任何扰动导致细胞收缩,离解,因此故障的肠道屏障功能。此外,这两种毒素能够诱导细胞凋亡和pyrin inflammasome-induced pyroptosis [81年- - - - - -84年]。一个基本的在体外模型梭状芽孢杆菌使用诱导人类肠道感染成立瀑样(iHIO) microinjected产毒素的梭状芽孢杆菌分别应变新品10463或艾临床孤立F200 [85年]。正如预期的那样,而后者没有感染导致明显的妥协的上皮屏障功能,与产毒菌株接种引起的上皮细胞凋亡和严重的破坏。引人注目的是,分离纯化Cdt的显微镜下注射adherens iHIOs导致深刻的再分配的和紧密连接蛋白的分解肌动蛋白丝,超过Cdt B显微镜下注射的影响(85年]。这个观察与前在体外研究肠细胞系,报告一个完全更高的效力Cdt B (86年- - - - - -88年]。然而,在一个小鼠模型梭状芽孢杆菌结肠炎、直肠滴注法的Cdt单独引发严重的粘膜组织损伤和增加粒细胞浸润独自Cdt B[相比89年]。可以说,这些差异与实验条件有关,肠道瀑样更可能生物像原位组织。

发生率而言,梭状芽孢杆菌感染的临床严重程度和死亡率似乎反向关联程度的人血清白蛋白(HSA),这被认为是一个潜在的保护性因素。从力学上看,HSA被认为绑定Cdt和Cdt B,因此提高auto-proteolytic乳沟,防止毒素进入肠道上皮细胞。Di马西等人进行的初步研究导致了快速减少串行transepithelial电阻测量和细胞生存能力的Caco-2单层培养暴露于Cdt Cdt B混合和CdtB,分别为(90年]。相比之下,与HSA能部分逆转上述预处理效果和减少的细胞吸收Cdt B (90年]。同一组能够证实这些发现使用iPSC-derived人类肠道瀑样角化细胞的细胞重新编程生成的摘头发健康的捐赠者。暴露在相同的实验条件后,肠道瀑样被评估为宏观结构混乱的迹象。这些都是反映完整的隐窝的数量以及分布的模式,粘合连接处并且完全指向一个显著减少毒性作用与HSA [90年]。使用相同的在体外模型基于iPSC-derived肠道瀑样,朱镕基等人表明,抗生素杆菌肽具有TcdB-neutralizing属性转化为减少TcdB-related glucosylation Rac1以及减少破坏的丝状肌动蛋白细胞骨架91年]。

2.8。空肠弯曲杆菌

肠道微生物病原体不仅可能导致肠道传染病,但也与增加患结直肠癌的风险。恶性转变可以通过促进炎症环境,生产影响DNA分子的稳定性,改变增生性反应(92年]。其中,弯曲杆菌sp,常见的食源性病原体感染肠炎在工业国家,能够合成genotoxin称为cytolethal向外毒素(CDT)。这种毒素是一种三元三个亚基组成的蛋白质复合体CDT a, B和C, B, CDT充当DNase,诱导宿主DNA链断裂。这表明CDT B的关键作用在体外暴露小鼠小肠细菌溶菌产物从瀑样空肠弯曲杆菌(c .空肠)WT应变或c .空肠包含一个突变CDT B等位基因(93年]。与以前的结果来源于肠细胞系,孵化的肠道瀑样的溶解产物c .空肠WT应变导致增加组蛋白的磷酸化H2AX, DNA损伤的标志,从而表明高浓度的DNA链断裂(93年]。

3所示。机会,肠道瀑样的缺点

随着瀑样技术,肠道瀑样得到了广泛接受作为一个验证和强大的平台,忠实地反映了环境条件在肠道上皮细胞。各种来源的材料适用于有效地生成肠道瀑样,从成人多能胚胎或多能干细胞重新编程,所有这些分享自我更新的能力,定向扩张,与血统的承诺的主要细胞类型分化成肠道上皮细胞。除此之外,多能干细胞有能力发展成任何三个胚芽层(即。,endoderm, mesoderm, and ectoderm) after exposure to spatially and temporally varying combinations and concentrations of growth factors. Therefore, intestinal organoids originating from pluripotent stem cells may additionally include mesodermal residues providing fibroblasts and smooth muscle cells, which have been shown to encase the organoids and support their morphogenesis via intimate epithelial-mesenchymal interactions [94年,95年]。毫无疑问,瀑样生成这样会有更大的潜力像原始组织的复杂的细胞组成,允许牙龈基质的作用研究中肠侵袭性感染。一般来说,使用肠道瀑样而不是克隆细胞系的上下文中可能有利审查传播途径中一个特定的细胞类型作为首选的网站入侵或为个人提供了一个潜在的目标结构的病原体和毒素,分别。在这方面,肠道瀑样也是肠道的诱人选择调查epithelium-owned防御系统主要由Paneth细胞群。Paneth细胞不仅为瞬时提供抗菌物质中和病原体,还动态回应感染性或炎性刺激发生增生或de-differentiation干细胞补充Lgr5就+干细胞舱和保持上皮完整性96年,97年]。我们认为,由于其独特的基因签名,肠道瀑样理论上可以使用个性化的研究来确定个体易感性某些毒素或产毒的病原体。在一些研究中,个人与non-blood集团0一直在预测感染引起的腹泻疾病的风险较高,ETEC LT和CT,两者都依赖于稳定的基本糖渣N-acetylgalactosamine绑定到宿主细胞膜(98年,99年]。此外,病原体——或者toxin-treated肠道瀑样可用于直接探索抗毒素制剂的疗效评估和量化的残余细胞毒性影响自然行为的人口主要肠道细胞。平面阵列的人类colon-derived瀑样融合与自动成像和分析工具已经取得了有前景的结果,可能在未来使大规模筛选的有毒化合物和药物,分别为(One hundred.]。

然而,肠道瀑样不没有缺点。宿主的防御能力并不仅限于肠道上皮细胞本身,而是同样依赖于居民肠道的微生物群落。自我平衡的生态系统,高度多元化共生的微生物树篱致肠病的殖民的粘膜表面通过一种称为“殖民抵抗的机制。”主要是由于有限的养分供应,居民与入侵的病原体微生物群不断竞争,战胜可用营养领域的职业,从而防止其不受控制的蔓延。不仅通过肠道流明本身的居住也排泄代谢废物的共生的微生物高效为包含enteropathogens同时强化肠道上皮屏障。的影响下双歧杆菌,乳酸杆菌,厚壁菌门sp,复杂的碳水化合物分解成短链脂肪酸(SFA)已报告促进殖民电阻(101年,102年]。暴露的肠道瀑样SFA丁酸盐、丙酸、乙酸和能显著促进上皮细胞增殖和细胞营业额为每个单代理,具有累加效应被观察到所有这三个国家林业局的混合物(103年]。到目前为止,微生物作为至关重要的保护性因素只有被organoid-based不足反映肠道感染模型的原因。考虑到肠内腔的内容包括数万亿共生的微生物占估计有500 - 1000种细菌(104年),选择可控的数量(通常是根据文献1 - 2)的微生物物种纳入瀑样相当不足。另一个障碍是由瀑样的标准需氧培养条件阻碍了专性厌氧的传播共生的微生物群。因此,只有oxygen-tolerant共生的细菌物种等Akkermansia muciniphila,Faecalibacterium prausnitzii(105年),大肠杆菌(55),而叫多形拟杆菌(106年)已经成功地用于殖民肠道瀑样。这基本的限制已经被修改微流体识别和解决gut-on-a-chip技术来创建一个anoxic-oxic接口类似于结肠粘膜。这允许一个稳定的培养专性厌氧细菌共生体双歧杆菌adolescentis和真细菌hallii分别在直接接触肠上皮细胞单层(107年]。而不是建立最佳生长条件厌氧菌,接种肠道内细菌生长瀑样是被限制在腔的空间利用率的antibiotic-containing媒体和微生物菌株的选择根据他们的个人反抗。除了微生物群,肠内腔的内容提供的充足的营养膳食成分和内源性代谢物,粘液,胆汁酸,所有这些已经被证明能够影响宿主防御反应变量范围但只差重现肠道瀑样。

肠道瀑样有令人印象深刻的展示了他们作为先进的资源的能力在体外肠道感染的建模。尽管本文主要致力于概述当前细菌从感染肠道瀑样获得的知识,值得注意的是类似的疾病模型存在于各种寄生(108年,109年)和病毒病原体(110年,111年胃肠道的]。事实上,在光的COVID-19大流行,注意力已经转向使用瀑样技术帮助揭示病毒进入细胞内复制的基本机制。特别是人类肠道瀑样发挥关键作用在支持一个健壮的复制以前unculturable病毒制剂如人类诺瓦克病毒(111年),扩展他们的效用为未来SARS-CoV-2-related发病的研究和高通量药物筛选治疗。考虑到可能有的人畜共患SARS-CoV-2背景,研究人员首次建立了肠道瀑样从中国马蹄蝙蝠怀疑是一个天然水库(112年]。与肠道瀑样培养协议也适用于其他非人类哺乳动物如牛(113年,猪113年,114年,狗115年),和猫116年),已经取得了重要的成就,巩固现有的人畜共患疾病的病理生理的理解。结合研究结果来自肠道瀑样跨越不同物种肯定会增值的描述广泛的常见人畜共患影响肠道致病菌。前瞻性,在众多优势与肠道瀑样,早产识别潜在的人类有关微生物和迅速在体外承诺的筛选药物可能成为一个关键应用在反对人畜共患细菌性疾病有危及生命的潜力。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

作者的贡献

v . h和m . m .构思的主题重点审查。诉h .写的文本的手稿。专业监督内容建议由K。,M . M。:一个。,F. A. Accompanying graphics were drafted by F. A. All authors contributed to the final manuscript.

确认

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