类器官膀胱揭示尿路感染的秘密

尿路感染是最常见的细菌感染之一。它们通常需要抗生素治疗，几乎四分之一的治疗病例导致复发性感染。绝大多数尿路感染是由细菌的一个亚种引起的大肠杆菌这种细菌会感染膀胱壁的细胞，形成所谓的“细胞内细菌群落”。

“群落”反复破裂，细菌重新进入邻近的细胞，最终杀死排列在膀胱上皮最外层的所谓的“伞状细胞”。伞状细胞的损失使细菌能够侵入膀胱的更深层，在那里它们可以形成“静止的细胞内储存库”，这些储存库对抗生素具有耐药性，并导致尿路感染复发。这些事件的动态很难捕捉在活的有机体内在动物模型中。

这两项研究的主要作者Kunal Sharma说:“很难从连续时间点的组织外植体的静态成像中捕捉到感染动态。”“到目前为止,在体外模型没有足够逼真地再现膀胱结构，无法研究这些事件的时间过程。”

为了解决这个问题，EPFL生命科学学院的John McKinney教授小组开发了两种互补的膀胱模型，以更可控的方式研究尿路感染。第一个模型由膀胱类器官组成，重建了膀胱上皮的三维分层结构。类器官是实验室培养的微小组织和器官，在解剖学上是正确的，在生理上是有功能的。

第二种模型是芯片上的膀胱，它结合了生理刺激，例如膀胱填充和排尿的机械效应，以及与脉管系统的接口，以研究免疫细胞向感染部位的迁移。这些进展发表在期刊上细胞的报道和eLife。

Sharma说:“通过在细胞膜内植入荧光标签的老鼠身上产生类器官，我们可以使用EPFL生物成像和光学核心设施的活细胞共聚焦成像，以高空间分辨率识别类器官内的特定细菌生态位。”“通过对多个类器官进行成像，我们设法确定了宿主-病原体相互作用的异质性和不同结果。这一概念验证系统在后续研究细菌对抗生素的持久性和免疫细胞对感染的反应动力学方面显示出了很大的潜力。”

结合EPFL的生物电子显微镜设备进行的体积电子显微镜，研究人员发现，孤立的细菌迅速侵入膀胱的更深层，独立于细胞内细菌群落的形成，在那里它们受到抗生素和宿主免疫细胞的保护。这些发现可以用来改善尿路感染的治疗策略。

在互补的膀胱芯片模型中，研究人员观察了细胞内细菌群落随时间的生长动态。他们在模拟尿流系统下培养人体保护伞和内皮细胞，并施加机械应力来模拟膀胱的自然扩张和收缩。

这项研究的重点是中性粒细胞募集在应对感染中的作用，揭示中性粒细胞不能消除细胞内的细菌群落。通过在连续的抗生素治疗周期中跟踪细胞内细菌群落，研究人员发现它们是高度动态的，并且对抗生素具有耐药性。

这些研究是nccr资助的“抗抗”联盟的一部分，旨在开发更现实的抗抗药物在体外传染病的模型，并利用这些知识制定最佳治疗策略，这可能对人类健康产生巨大影响，”麦金尼说。

“微生理模型弥补了简单细胞培养系统和动物模型之间的差距，”两项研究的资深作者Vivek V. Thacker说。“这两种模型可以很好地互补，并且可以针对疾病的特定方面进行研究。我们希望它们能成为更广泛的微生物界的资源，并促进组织工程和传染病界之间的协同作用。”