Резюме

Деветдесет и пет процента от инфекциозните агенти навлизат през открити лигавични повърхности, като дихателните и стомашно-чревните (GI) пътища. Човешкият стомашно-чревен тракт е колонизиран с трилиони коменсални микроби, включително многобройни Candida spp. Някои коменсални микроби в стомашно-чревния тракт могат да причинят сериозни човешки инфекции при специфични обстоятелства, обикновено включващи промени в чревната среда и/или имунни състояния на гостоприемника. Следователно, използването на животински модели на колонизация и разпространение на гъбични ГИ може да доведе до значителни прозрения в сложната патофизиология на трансформацията от коменсален организъм към взаимодействия между патоген и гостоприемник-патоген. Тази статия ще направи преглед на методологичните подходи, използвани за моделиране на ГИ колонизация срещу разпространение, наученото от тези модели, и накрая, възможни бъдещи насоки, използващи тези системи за моделиране на животни.

разпространение

ВЪВЕДЕНИЕ

Инфекциозните болести са третата причина за смъртност в САЩ и водещата причина в световен мащаб. Деветдесет и пет процента от всички инфекциозни агенти навлизат през лигавичните повърхности, най-вече обвивките на дихателните, стомашно-чревните (GI) и пикочно-половите пътища (1). Човешкото тяло е колонизирано от микробни организми, като огромното мнозинство колонизира стомашно-чревния тракт. Коменсалните микроби превъзхождат броя на гостоприемниците с фактор 10 до 1 и подпомагат много важни метаболитни и имунни функции на гостоприемника (2). Не всички взаимодействия гостоприемник-микробиота обаче насърчават здравето и има някои симбиотични микроорганизми в стомашно-чревния тракт, които могат да причинят човешки заболявания при специфични условия на чревна среда и/или имунни условия на гостоприемника. Терминът „патобионт“ е създаден, за да опише обитаващи микроби с патогенен потенциал (3). За разлика от традиционните патогени, които могат да причинят заболяване при нормален здрав гостоприемник, патобионтите са безвредни за гостоприемника при нормални условия. Candida spp., Включително Candida albicans, се считат за патобионти.

ГЪБИЧНО РАЗНООБРАЗИЕ В ГИ ГРАКТОВИЯТ ТРАКТ НА БОЗЕМИТЕ

МУРИННИ МОДЕЛИ НА КАНДИДА GI КОЛОНИЗАЦИЯ

Candida albicans няма резервоар за околната среда (17) и почти винаги е свързан с хора или други бозайници. Когато се моделира Candida GI колонизация и разпространение при мишки, винаги трябва да се знае, че C. albicans и някои други човешки патогенни Candida spp. не са естествени коменсали или дори патогени при мишки и при много други животни (18). Разликите между имунната система (19–21) и пребиваващата чревна микробиота (13) между мишки и хора са добре документирани. По този начин изследователите трябва да бъдат много внимателни при екстраполиране на патогенезата и механистично прозрение от животински модели към пациенти с хора. Ако не друго, разликите между мишки и хора (напр. Защо възрастните мишки C. albicans са устойчиви на колонизация?) Трябва да бъдат използвани, за да ни помогнат да разберем основните механизми на коменсализма и патогенезата на ГИ, с надеждата, че механистичното прозрение може да ни помогне да намерим нови методи за предотвратяване и/или лечение на инвазивни гъбични инфекции при хора.

Микробна конкуренция в стомашно-чревния тракт.

Има все повече доказателства, че нарушенията в здравата микробиомна общност могат да доведат до сериозни дисбаланси в имунните регулаторни системи, водещи до патологични състояния, най-вече възпалително заболяване на червата (IBD). Поради това е много важно да се разглеждат едновременно бактериалните и гъбични съобщества, за да се определи дали промяната в нормалната (преобладаваща бактерия) микробиота е свързана с нарастването на опортюнистичните гъби. Тази концепция се изяснява най-лесно при изследване на популации от миши GI гъбични коменсали. Както при хората и други бозайници, изглежда, че мишките са колонизирани предимно с Ascomycota, особено Candida spp., Но със значително отсъствие на C. albicans и често преобладаване на Candida tropicalis (13). Всъщност C. albicans не е естествен коменсал или патоген на мишки (18), а възрастните мишки са естествено устойчиви на колонизация на C. albicans GI (5, 22). И все пак, стомашно-чревният тракт на новородени мишки (23, 24), третирани с антибиотици възрастни мишки (22, 25-28) и мишки без микроби (29) могат да бъдат устойчиво колонизирани с C. albicans, което предполага, че съставът на бактериалните черва микробиомът е важен определящ фактор за колонизацията на C. albicans.

Лекувани с антибиотици миши модели за възрастни.

Модели за новородени.

Безгъстови и имунокомпрометирани домакински модели.

Разбира се, описаните по-рано „конвенционални“ модели на колонизация и разпространение на Candida GI са предизвикателство за работа, предвид изискването за широкоспектърни антибиотици и приложение на имуносупресивни агенти. По този начин алтернативен подход е да се използват микробни (GF) или гнотобиотични мишки, които не се нуждаят от антибиотици и в някои случаи имуносупресия. GF мишките нямат Candida-инхибираща микробиота. Освен това са налични GF мишки с дефинирани, вродени и/или придобити дефицити на имунната система (т.е. мишки с дефицит на NK, функция на Т-клетките, нокаут на рецепторите за разпознаване на образци и др.) И тези модели са показали, че са податливи на лигавична и системна кандидоза от ендогенен произход (52–57). Основното ограничение на тези модели е изискването за високоспециализирани съоръжения за животни без микроби, които не са достъпни за всички изследователи. Следователно, допълнителни подробности относно използването на GF модели няма да бъдат обсъждани в този миниревю.

ПОЛУЧЕНИ ПОЗНАНИЯ ОТ МОДЕЛИ ЗА КОЛОНИЗАЦИЯ И РАЗПРОСТРАНЕНИЕ НА CANDIDA GI

Чревна микробиота.

Приемащи имунни фактори. (i) Вроден клетъчен имунитет.

Дефицитът на лимфоцити, по-специално дефицит на CD4 + Th1, води до кандидоза на устната кухина и хранопровода (68, 69) - илюстрирано от факта, че децата с атимна дисплазия (70) и пациенти с ХИВ и СПИН (71, 72) са по-податливи на кандидоза на устната кухина. За разлика от това лимфоцитите не изглеждат важни за модулирането на дисталните нива на колонизация на GI Candida, както е отбелязано от по-стари проучвания с атимни мишки (73) и по-нови проучвания, използващи мишки с дефицит на ген с рекомбиназа-активиращи мишки (22). Докато неутрофилите са показали, че са от решаващо значение за контролиране на дисеминираното гъбично заболяване (22, 74-76), тяхната роля в контрола на нивата на колонизация на стомашно-чревния тракт изглежда незначителна (22). По същия начин изглежда, че макрофагите не влияят върху колонизацията на Candida GI (22) и до момента няма проучвания, които да изследват ролята на NK клетките само върху колонизацията на GI. Комбинация от дефектен Т-клетъчно-медииран имунитет и фагоцитни клетъчни дефекти (в неутрофили, макрофаги и NK клетки), обаче, предразположени мишки (bg/bg nu/nu мишки) към тежка лигавична и системна кандидоза от ендогенен произход без предварително антибиотик терапия или допълнителна имуносупресия (55).

По отношение на разпространената болест, изолираното изчерпване на неутрофили, макрофаги или зрели лимфоцити не води до транслокация на C. albicans от мишите черва (22). Всъщност само комбинация от увреждане на чревната лигавица и неутропения е достатъчна за разпространението на C. albicans от мишите черва (22).

(ii) Рецептори за разпознаване на образци.

И накрая, мишки без дектин-1 (мишки Clec7a -/-) показаха повишена чувствителност към индуциран от декстран натриев сулфат (DSS) колит, най-утвърденият миши модел на възпалително заболяване на червата и резултат, който в крайна сметка се приписва на променен гостоприемник отговори на местни гъби (13). Анализът на дивия тип (C57BL/6J) и Clec7a -/- чревни гъбични микробиоми разкрива, че 97,3% от всички идентифицирани гъбични последователности принадлежат на 10 гъбични вида, като 65,2% от последователностите принадлежат на една гъба, Candida tropicalis Mice Candida tropicalis и след това подложен на DSS показва значително по-тежък колит от мишки, на които е дадена Saccharomycopsis fibuligera, непатогенна гъба. Лечението с флуконазол при тези мишки доведе до подобряване на симптомите на IBD: намалена загуба на тегло и по-леки хистологични характеристики на заболяването. Изследователите също така идентифицират полиморфизъм в гена за дектин-1 (CLEC7A) при хора, който е силно свързан с тежка форма на улцерозен колит.

(iii) Цитокини.

Интересното е, че бактериалните патогени, като Salmonella enterica серотип Typhimurium, са показали, че индуцират възпаление и впоследствие предизвикват промени в резидентните популации на микробиота, което води до засилена колонизация на S. Typhimurium GI (95). Мутантният щам на S. typhimirium, който не успява да предизвика възпаление, също е дефектен при колонизиране на стомашно-чревния тракт. По същия начин има някои доказателства, че само възпалението може да насърчи колонизацията на C. albicans GI. Jawhara и сътр. показа, че оралното инокулиране на C. albicans при мишки, третирани преди това с декстран-сулфатен натрий (химикал, който уврежда епителните клетки и причинява възпаление), може да доведе до трайна колонизация на Candida GI, докато мишките, които не са третирани с DSS, не могат да бъдат колонизирани с Candida (95 ).

Детерминанти на гъбична вирулентност.

Фенотипната вариация е добре известна при C. albicans (т.е. бяла срещу непрозрачна, дрожди срещу нишковидни форми) и е доказано, че влияе върху вирулентността при интравенозни модели на дисеминирана кандидоза. Много малко обаче се знае за гъбични фактори, които влияят на колонизацията на ГИ. In vivo експерименти за профилиране на транскрипция на C. albicans както при прасенце, така и при миши модел на GI колонизация разкриват, че генът EFH1 е силно експресиран по време на растеж в стомашно-чревния тракт на бозайници; все пак, нулевите мутанти efh1 всъщност показват повишена колонизация в миши GI тракт, а свръхекспресиращите EFH1 щамове показват конкордантно намалени нива на колонизация (28). EFH1 не изглежда важен за системната инфекция. За разлика от тях, гени, важни за инвазивната инфекция (т.е. RBT1 и RBT4) не са необходими за чревна колонизация. Предполагаемата роля на експресията на EFH1 може да бъде за саморегулация на популацията, като по този начин благоприятства коменсализма и отказ от патогенно състояние.

В последващи проучвания, анализиращи генната експресия в клетки на C. albicans, колонизиращи миши GI тракт, тези изследователи отбелязват, че клетките, колонизиращи GI тракта, експресират много гени, които са характерни за клетките, растящи in vitro в експоненциална фаза (гени за растеж) и гени, характерни за постекспоненциална фаза (индуцирани от стрес гени) (96). Изненадващо, генната експресия в колонизиращите клетки и инвазивните клетки често бяха много сходни. Тези резултати са важни за разсейване на убеждението, че някои гени са включени „само“ в определени състояния (коменсализъм срещу патогенни).

Избор на гъбични и миши щамове.

Абсолютно важно е да се подчертае, че щамовете C. albicans се различават значително по способността си да колонизират лигавичните повърхности (97, 98) и способността си да разпространяват (22, 23). Докато в много проучвания са използвани често срещани „лабораторни“ щамове, като SC5314, може да е разумно да се използват няколко щама Candida, в идеалния случай включително клиничен изолат. Преди да се направят обобщителни заключения, винаги е най-добре да се потвърдят констатациите с допълнителни щамове Candida, за да се елиминира възможността за специфични за щама фенотипове (99).

По същия начин, както беше споменато по-горе, изборът на миши щам е също толкова важен. Доказано е, че един и същ инбреден щам на мишки (C57BL/6), получен от различни доставчици (Jackson срещу Taconic), има напълно различна чревна бактериална микробиота (отсъствие или наличие на сегментирани нишковидни бактерии), която в крайна сметка определя дали гостоприемникът проявява определен имунологичен фенотип (CD4 + Т помощни клетки, които произвеждат IL-17 и IL-22 [Th17 клетки] в ламина проприа на чревни клетки) (88). По същия начин един и същ инбреден щам на мишки, закупени от различни доставчици, може да има значително различни фенотипи на колонизация Candida GI (непубликувано наблюдение). И накрая, условията на настаняване (86) и диетата също могат да имат дълбоки ефекти върху популациите на чревната микробиота.

БЪДЕЩИ НАСОКИ

Тъй като микробите превъзхождат човешките клетки с 10 на 1 и микробният генетичен репертоар е приблизително 100 пъти по-голям от този на човешкия гостоприемник, терминът суперарганизъм, този конгломерат от клетки на бозайници и микробни клетки, които съставляват човешко същество, придоби значителна сила в научните и лежаща преса. Коменсалната микробиота допринася за метаболитния, хранителния и имунологичния статус на бозайника гостоприемник. Коменсалните бактерии са най-разпространените членове на чревната микробиота и са получили най-голяма степен на научен контрол, но други домейни, включително гъбички, са нормални обитатели на бозайника гостоприемник. Броят на изследванията, изследващи човешкия гъбичен микробиом, е доста ограничен, но проучвания както на оралния, така и на дисталния стомашно-чревен тракт показват, че Candida spp. са най-преобладаващите. Интересното е, че други бозайници имат подобни гъбични популации на микробиота, но могат да варират значително на видово ниво - най-забележителният пример са мишките, които проявяват доминиране на вида Candida в червата, но имат липса на C. albicans в червата и всъщност са естествено устойчиви до C. albicans GI колонизация.

Нарастващата поява на инвазивна гъбична болест при хората през 20 и 21 век е пряк резултат от напредъка в медицинското обслужване. Антибиотиците, химиотерапията на рака, инвазивните хирургични процедури и усъвършенстваните устройства за поддържане на живота водят до неравновесие на човешкия гостоприемник (независимо дали става дума за дефицити на имунната система, пробиви в покривните граници или нарушения в нормалната коменсална микробиота), които водят до гъбични заболявания . Имунокомпетентният човешки гостоприемник с пребиваващата му микробиота е изключително добър в поддържането на здрава симбиотична връзка, така че дразненето и разбирането на механизмите, чрез които нарушенията в хомеостазата на гостоприемника водят както до засилване на колонизацията на гъбични ГИ, така и/или до развитие на инвазивно заболяване, може да доведе до нови методи за предотвратяване и борба с гъбични заболявания в бъдеще.

Човек може да си представи мониторинг на чревните бактериални и гъбични микробиоми на пациентите в реално време и да се намесва, след като се забележат аномалии. Например, ако клиницистът забележи бързо разширяване и доминиране на определен вид Candida в червата на пациент, подложен на трансплантация на костен мозък, той/тя може да администрира селективни противогъбични антибиотици, за да намали нивата на колонизация. Може да се прилагат пребиотични лечения, като например малки верижни мастни киселини, за които е доказано, че насърчават растежа на полезни, противовъзпалителни коменсали и потискат растежа на провъзпалителните коменсали. И накрая, в далечното бъдеще може да се предвиди редовно планирано наблюдение на популациите на чревната микробиота като част от рутинни медицински грижи и интервенции като модификация на диетата, за да се предотвратят хронични заболявания, вариращи като възпалителни заболявания на червата, автоимунни нарушения, затлъстяване и диабет (всички от които вече са свързани с нарушения в популациите на чревната микробиота)

В обобщение, всички тези проучвания показват, че регулирането на гъбичната колонизация и разпространение на ГИ е динамичен и сложен процес, който включва имунни ефектори на гостоприемника, микробиота на гостоприемника и микробен коменсал/патоген. Използвайки животински модели, които се опитват да приближат сложната физиология на човешкия гостоприемник, ние можем да получим по-добра представа за тези изключително сложни взаимоотношения, с крайната цел да измислим нови терапии или превантивни мерки, които да помогнат за предотвратяване на инвазивни гъбични инфекции в човешкия гостоприемник.

Бележки под линия

Публикувано преди печат 13 септември 2013 г.