Eine neue Studie zeigt, dass analoge Mikrogravitationskulturen den mikrobiellen Infektionsprozess in menschlichen 3-D-Gewebemodellen stark beeinflussen

Infektiöse Mikroben haben ausgeklügelte Mittel entwickelt, um in Wirtszellen einzudringen, die Abwehrkräfte des Körpers zu überlisten und Krankheiten zu verursachen. Während Forscher versucht haben, die komplizierten Wechselwirkungen zwischen Mikroorganismen und den von ihnen infizierten Wirtszellen zu enträtseln, wurde eine Facette des Krankheitsprozesses oft übersehen – die physikalischen Kräfte, die die Wirt-Pathogen-Wechselwirkungen und den Krankheitsverlauf beeinflussen.

In einer neuen Studie zeigen die korrespondierenden Autoren Cheryl Nickerson, Jennifer Barrila und ihre Kollegen, dass der lebensmittelbedingte Krankheitserreger Salmonella 3D-Modelle von menschlichem Darmgewebe unter Bedingungen mit geringer Scherkraft, die denen simulieren, die in Mikrogravitationskulturen während des Weltraumflugs gefunden werden, in viel höheren Konzentrationen infiziert induziert einzigartige Veränderungen in der Genexpression.

Diese Studie bringt frühere Arbeiten desselben Teams voran und zeigt, dass physikalische Kräfte der Flüssigkeitsscherung, die sowohl auf den Erreger als auch auf den Wirt wirken, die Infektionslandschaft verändern können.

Das Verständnis dieses subtilen Zusammenspiels von Wirt und Pathogen während der Infektion ist entscheidend für die Gewährleistung der Gesundheit von Astronauten, insbesondere bei ausgedehnten Weltraummissionen. Solche Forschungen werfen auch ein neues Licht auf die immer noch weitgehend mysteriösen Infektionsprozesse auf der Erde, da auch in bestimmten Geweben unseres Körpers, die von Krankheitserregern befallen werden, geringe Scherkräfte der Flüssigkeit zu finden sind, darunter der Darmtrakt.

Während das Team die Wechselwirkung zwischen konventionell gezüchteten Schüttelkolbenkulturen von Salmonella Typhimurium und 3D-Darmmodellen umfassend charakterisiert hat, ist diese Studie das erste Mal, dass S. Typhimurium unter den Bedingungen mit geringer Flüssigkeitsscherung in simulierter Mikrogravitation gezüchtet und dann zur Infektion von a 3D-Modell des menschlichen Darmepithels, kokultiviert mit Makrophagen-Immunzellen, Schlüsselzelltypen, auf die Salmonellen während der Infektion abzielen.

Das in dieser Studie verwendete 3D-Kokultur-Darmmodell repliziert die Struktur und das Verhalten desselben Gewebes im menschlichen Körper genauer und ist im Vergleich zu herkömmlichen Laborzellkulturen besser vorhersagbar für Reaktionen auf Infektionen.

Die Ergebnisse zeigten dramatische Veränderungen in der Genexpression von 3D-Darmzellen nach einer Infektion mit sowohl Wildtyp- als auch mutierten S. Typhimurium-Stämmen, die unter simulierten Mikrogravitationsbedingungen gezüchtet wurden. Viele dieser Veränderungen traten in Genen auf, von denen bekannt ist, dass sie eng mit der erstaunlichen Fähigkeit von S. Typhimurium verbunden sind, in Wirtszellen einzudringen und sie zu kolonisieren und der Überwachung und Zerstörung durch das Immunsystem des Wirts zu entgehen.

„Eine große Herausforderung, die die Erforschung des Weltraums durch den Menschen einschränkt, ist das Fehlen eines umfassenden Verständnisses der Auswirkungen der Raumfahrt auf die Gesundheit der Besatzung“, sagt Nickerson. „Diese Herausforderung wird sich sowohl auf die Erforschung des Weltraums durch professionelle Astronauten als auch auf Zivilisten negativ auswirken, die am schnell wachsenden kommerziellen Weltraummarkt im erdnahen Orbit teilnehmen. Da Mikroben den Menschen überall hin begleiten und für die Kontrolle des Gleichgewichts zwischen Gesundheit und Krankheit unerlässlich sind, Das Verständnis der Beziehung zwischen Raumfahrt, Funktion von Immunzellen und Mikroorganismen wird wesentlich sein, um das Risiko von Infektionskrankheiten für den Menschen zu verstehen.“

Nickerson, der zusammen mit Jennifer Barrila die neue Studie leitete, ist Forscherin am Biodesign Center for Fundamental and Applied Microbiomics und außerdem Professor an der School of Life Sciences der ASU. Die Forschung erscheint in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Grenzen in der Zell- und Infektionsmikrobiologie

Lebensverändernde Kraft

Das Leben auf der Erde hat sich in eine fast unfassbar große Vielfalt von Formen diversifiziert, die sich unter völlig unterschiedlichen Umweltbedingungen entwickelt haben. Ein Parameter ist jedoch konstant geblieben. Während der 3,7 Milliarden Jahre langen Geschichte des Lebens auf der Erde haben sich alle lebenden Organismen unter der Schwerkraft der Erde entwickelt und reagieren darauf.

Seit mehr als 20 Jahren ist Nickerson ein Pionier bei der Erforschung der Auswirkungen der reduzierten Mikrogravitationsumgebung der Raumfahrt auf eine Reihe pathogener Mikroben und der Auswirkungen auf die Wechselwirkungen mit menschlichen Zellen und Tieren, die sie infizieren. Sie und ihre Kollegen haben diese Forschung sowohl an Land als auch in der Raumfahrt hartnäckig fortgesetzt, deren Ergebnisse dazu beigetragen haben, den Grundstein für das schnell wachsende Forschungsgebiet der Mechanobiologie von Infektionskrankheiten zu legen, der Untersuchung, wie sich physikalische Kräfte auf Infektionen und Krankheitsergebnisse auswirken.

Zu ihren wichtigen Erkenntnissen gehört, dass die Bedingungen mit geringer Flüssigkeitsscherung, die mit der Umgebung mit reduzierter Schwerkraft der Raumfahrt und der analogen Kultur der Raumfahrt verbunden sind, denen ähneln, denen Krankheitserreger im infizierten Wirt begegnen, und dass diese Bedingungen einzigartige Veränderungen in der Fähigkeit pathogener Mikroben hervorrufen können wie z Salmonellen können Wirtszellen aggressiv infizieren und Krankheiten verschlimmern, eine Eigenschaft, die als Virulenz bekannt ist.

Der in der neuen Studie untersuchte Infektionserreger Salmonella Typhimurium ist ein bakterieller Erreger, der für Magen-Darm-Erkrankungen bei Menschen und Tieren verantwortlich ist. Salmonellen sind die häufigste Todesursache durch lebensmittelbedingte Krankheiten in den Vereinigten Staaten. gemäß CDC, verursachen Salmonella-Bakterien jedes Jahr etwa 1,35 Millionen Infektionen, 26.500 Krankenhauseinweisungen und 420 Todesfälle in den Vereinigten Staaten. Lebensmittel, die mit Bakterien kontaminiert sind, sind die Hauptquelle für die meisten dieser Krankheiten.

Eine Salmonelleninfektion verursacht typischerweise Durchfall, Fieber und Magenkrämpfe, beginnend 6 Stunden bis 6 Tage nach der Infektion. Krankheit von der Krankheit dauert in der Regel 4 bis 7 Tage. In schweren Fällen kann ein Krankenhausaufenthalt erforderlich sein.

Scherwahrscheinlichkeit?

Zellen in Säugetierorganismen, einschließlich Menschen, sowie die Bakterienzellen, die sie infizieren, sind extrazellulärer Flüssigkeit ausgesetzt, die über ihre äußeren Oberflächen fließt. So wie eine sanfte Stromabwärtsströmung die Kieselsteine ​​im darunter liegenden Flussbett anders beeinflusst als ein reißender Strom, so kann die Kraft der Flüssigkeit, die über Zelloberflächen gleitet, Veränderungen an den betroffenen Zellen verursachen. Dieser Flüssigkeitsabrieb von Zelloberflächen ist als Flüssigkeitsscherung bekannt.

Da Raumfahrtexperimente selten sind und der Zugang zur Weltraumforschungsplattform derzeit begrenzt ist, simulieren Forscher häufig die Bedingungen mit geringer Flüssigkeitsscherung, denen Mikroben während der Kultivierung im Weltraum begegnen, indem sie Zellen in flüssigen Wachstumsmedien in einem Gerät züchten, das als Bioreaktor mit rotierender Wand oder RWV bekannt ist . Während sich der zylindrische Reaktor dreht, werden die Zellen in Suspension gehalten und taumeln sanft und kontinuierlich in ihrem umgebenden Kulturmedium. Dieser Prozess ahmt die Bedingungen der Mikrogravitation mit niedriger Flüssigkeitsscherung nach, die Zellen während der Kultivierung im Weltraum erfahren.

Das Team hat auch gezeigt, dass diese Flüssigkeitsscherung für Bedingungen relevant ist, denen mikrobielle Zellen im menschlichen Darm und anderen Geweben während einer Infektion begegnen, und Veränderungen in der Genexpression auslöst, die einigen Krankheitserregern helfen können, Wirtszellen besser zu kolonisieren und den Zerstörungsbemühungen des Immunsystems zu entgehen Sie.

Porträt eines Eindringlings

Die Studie fand signifikante Veränderungen sowohl in der Genexpression als auch in der Fähigkeit, 3D-Darmmodelle durch im RWV-Bioreaktor kultivierte Salmonella-Bakterien zu infizieren. Diese Experimente umfassten zwei S. Typhimurium-Stämme, einen unveränderten oder Wildtyp-Stamm und einen Mutantenstamm.

Der Mutantenstamm war ansonsten identisch mit dem Wildtyp, ihm fehlte jedoch ein wichtiges Protein, das als Hfq bekannt ist, ein wichtiger Stressreaktionsregulator bei Salmonella. In früheren Forschungen entdeckten Nickerson und ihr Team, dass Hfq als Hauptregulator des Infektionsprozesses von Salmonellen sowohl in der Raumfahrt als auch in der analogen Kultur der Raumfahrt fungiert. Später entdeckten sie weitere Krankheitserreger, die ebenfalls Hfq verwenden, um ihre Reaktionen auf dieselben Bedingungen zu regulieren.

Unerwarteterweise war der hfq-Mutantenstamm in der aktuellen Studie immer noch in der Lage, sich in 3D-Gewebemodellen anzuheften, in sie einzudringen und darin zu überleben, und zwar in einem Ausmaß, das mit dem Wildtypstamm vergleichbar ist. In Übereinstimmung mit diesem Befund waren trotz der Entfernung von Hfq viele Gene, die für die Fähigkeit von Salmonella verantwortlich sind, menschliche Zellen zu kolonisieren, einschließlich derjenigen, die mit Zelladhärenz, -motilität und -invasion verbunden sind, im mutierten Stamm unter simulierten Mikrogravitationsbedingungen immer noch aktiviert.

Aus der Wirtsperspektive reagierte das 3D-Darm-Kokulturmodell auf eine Salmonella-Infektion, indem es Gene, die an Entzündungen, Gewebeumbau und Wundheilung beteiligt sind, auf höherem Niveau hochregulierte, wenn die Bakterien vor der Verwendung in Infektionsstudien unter simulierten Mikrogravitationsbedingungen gezüchtet wurden. Dies wurde sowohl für Wildtyp- als auch hfq-Mutantenstämme des Pathogens beobachtet.

Daten aus dieser neuen analogen Studie zur Raumfahrt bekräftigen frühere Erkenntnisse aus den Space-Shuttle-Experimenten des Teams aus den Jahren 2006, 2008 und 2010. Insbesondere das 2010 an Bord des Space Shuttle Discovery durchgeführte Flugexperiment, genannt STL-IMMUNverwendeten denselben Wildtypstamm von S. Typhimurium, um ein 3D-Modell menschlichen Darmgewebes zu infizieren, das aus denselben Epithelzellen hergestellt wurde, die in der neuen Studie verwendet wurden.

Es wurden mehrere Gemeinsamkeiten zwischen den Reaktionen der Wirtszellen auf Infektionen in der neuen analogen Raumflugstudie und den zuvor berichteten beobachtet, als Infektionen in der echten Raumfahrt während des STL-IMMUNE-Experiments stattfanden. Diese Ergebnisse stärken das RWV weiter als ein prädiktives bodengestütztes analoges Kultursystem für die Raumfahrt, das Schlüsselaspekte der mikrobiellen Reaktionen auf eine echte Raumfahrtkultur nachahmt.

„Während STL-IMMUNE entdeckten wir, dass die Infektion eines menschlichen 3D-Darmepithelmodells durch Salmonellen während des Weltraumflugs wichtige transkriptionale und proteomische Biosignaturen induzierte, die mit einer verstärkten Infektion durch den Erreger vereinbar waren“, sagt Barrila. „Aufgrund der technischen Herausforderungen bei der Durchführung von Infektionen während des Fluges konnten wir jedoch nicht quantifizieren, ob sich die Bakterien tatsächlich anheften und in höheren Konzentrationen in das Gewebe eindringen. Die Verwendung des RWV-Bioreaktors als analoges Kultursystem für die Raumfahrt in unserer aktuellen Studie war ein mächtiges Werkzeug, das es uns ermöglichte, diese experimentelle Frage auf einer tieferen Ebene zu untersuchen.“

Neue Horizonte

Astronauten sind bei ihren Missionen fernab der Erde einem doppelten Risiko durch Infektionskrankheiten ausgesetzt. Die kombinierten Strapazen der Raumfahrt schwächen ihr Immunsystem. Gleichzeitig können einige Krankheitserreger wie Salmonellen durch geringe Flüssigkeitsscherung, die durch Mikrogravitation hervorgerufen wird, zu wirksameren Infektionserregern werden.

Angesichts längerer Raumfahrtmissionen in der fortgeschrittenen Planungsphase und dem Aufkommen der zivilen Raumfahrt, die sich schnell entwickeln, ist der Schutz von Raumfahrern vor Infektionskrankheiten von entscheidender Bedeutung.

Studien wie die aktuelle tragen auch dazu bei, den Infektionsprozess zu enthüllen, indem sie grundlegende Details mit breiter Relevanz für den Kampf gegen Krankheiten auf der Erde und darüber hinaus enthüllen.