LABORATORIO DE URGENCIAS

Invasión la Vejiga por Bacterias Solitarias protege a las UPEC de Antibióticos y Neutrófilos 

                                                     
                                                                                    Kunai Sharma; Vivek Thacker; Graham Knoll, John McKinney et al
                                                                                                 * School of Life Sciences, Swiss Federal Institute of Technology in Lausanne  Switzerland
                                                                                                 * Oncode Institute, Hubrecht Institute, Royal Netherlands Academy of Arts and Sciences and 
                                                                                                    University Medical Center, Utrecht, the Netherlands

                                                                                                             Cells Reports (2021); vol 36; Issue 3109351

                                                                                                                     Resumido por: Carmen Leitch

Las infecciones del tracto urinario (ITU) se encuentran entre las infecciones bacterianas más comunes y la segunda causa más común de prescripción de antibióticos.
La recurrencia, definida como la reaparición de tres o más episodios de infección en un plazo de 12 meses tras un tratamiento antibiótico aparentemente eficaz, se presenta en una cuarta parte de todas las ITU, y las mujeres presentan un riesgo especialmente alto. La Escherichia coli uropatógena (UPEC) es el agente causal de aproximadamente el 80% de las ITU, que pueden complicarse aún más por la diseminación de UPEC desde la vejiga a los riñones o al torrente sanguíneo.
Gran parte de nuestro conocimiento actual sobre la patogénesis de UPEC se deriva de modelos murinos de infección, que revelan que UPEC puede crecer extracelularmente en la orina o intracelularmente en la pared vesical. La invasión de la pared vesical está mediada por las interacciones del pilus bacteriano tipo I con las proteínas uroplaquinas expresadas en la capa superficial de células paraguas.
Dentro de las células paraguas, un subconjunto de bacterias prolifera para formar comunidades bacterianas intracelulares (IBC) similares a biopelículas que las protegen de la eliminación por antibióticos o la inmunidad innata. En etapas posteriores de la infección, las UPEC penetran en capas más profundas de la vejiga para formar reservorios intracelulares quiescentes (QIR) que también pueden ser responsables de la infección recurrente después del tratamiento con antibióticos.
El número de bacterias en tres subpoblaciones identificables (bacterias extracelulares, IBC y QIR), su dinámica de crecimiento relativa y su supervivencia al ataque de antibióticos o células inmunitarias son difíciles de caracterizar in situ en modelos animales.
Por lo tanto, muchos estudios se han basado en el examen de explantos vesicales en sucesivos momentos tras la infección. Si bien es potente, esta técnica no proporciona información sobre la dinámica subyacente de las interacciones huésped-patógeno, ni permite cuantificar el crecimiento in situ de bacterias extracelulares. Se han desarrollado modelos in vitro para estudiar aspectos específicos de la infección por UPEC, como el papel de la arquitectura estratificada de la vejiga o los efectos de la micción en la formación de IBC. Sin embargo, estos modelos presentan limitaciones en su capacidad para recrear un uroepitelio estratificado con múltiples capas celulares diferenciadas, y la migración tridimensional (3D) de células inmunitarias hacia la vejiga en respuesta a la infección es difícil de modelar en plataformas basadas en insertos Transwell. En muchos sistemas in vitro, la obtención de imágenes de células vivas sigue siendo un desafío técnico.
En la última década, los organoides han surgido como sistemas biomiméticos experimentalmente manejables que recapitulan características fisiológicas y funcionales clave de los órganos afines. Estas complejas estructuras multicelulares tridimensionales se generan a partir de células madre o células progenitoras específicas de cada órgano y ahora se han establecido para varios órganos diferentes, incluida la vejiga.
Recientemente, los organoides también han surgido como sistemas modelo para estudiar las interacciones huésped-patógeno durante infecciones causadas por bacterias o parásitos.
Los organoides vesicales ofrecen varias ventajas distintivas como sistemas modelo para las infecciones urinarias. Recapitulan las capas estratificadas y diferenciadas del uroepitelio, poseen un lumen central que imita el lumen vesical y son más fáciles de manipular que los modelos de infección animal. Cabe destacar que el volumen compacto de un organoide puede visualizarse en su totalidad con alta resolución espacio-temporal mediante microscopía confocal time-lapse. Esto permite seguir la dinámica rápidamente cambiante de las ITU y monitorear las respuestas de las células huésped y las bacterias a perturbaciones externas, como el tratamiento con antibióticos o la adición de células inmunes innatas. En comparación con los modelos de infección in vitro, los organoides vesicales ofrecen una reconstitución más realista de la fisiología vesical, accesible a una gama más amplia de técnicas experimentales para estudios de patogénesis de UPEC que los explantos de tejido ex vivo convencionales.
Establecemos un sistema modelo para estudiar la dinámica temprana de la patogénesis de UPEC basado en organoides vesicales de ratón derivados de células primarias. Utilizamos una combinación de microscopía confocal de barrido láser de lapso de tiempo y microscopía electrónica de barrido de cara de bloque seriado (SBEM) para monitorear la dinámica de la invasión, el crecimiento y la persistencia de UPEC dentro de los organoides vesicales con resolución unicelular y submicrónica. Encontramos que las bacterias solitarias individuales se siembran en capas más profundas del epitelio vesical concomitantemente con, pero independientemente de, la formación de IBC en la capa superficial de células en forma de paraguas. Estas bacterias solitarias son resistentes a la acción de los antibióticos y los neutrófilos, lo que sugiere que la invasión temprana de bacterias en las capas más profundas de la pared de la vejiga puede desempeñar un papel importante en las infecciones recurrentes.
Si las bacterias, generalmente Escherichia coli, penetran en la uretra, pueden causar una infección del tracto urinario (ITU). Estas son algunas de las infecciones bacterianas más comunes. Los antibióticos generalmente pueden eliminar la infección, pero alrededor del 25 % de los pacientes con ITU desarrollarán una infección crónica y recurrente. Las bacterias causantes de ITU, a menudo llamadas Escherichia coli uropatógena (UPEC), pueden flotar libremente en la orina. En las primeras etapas de la infección, pueden formar comunidades dentro de las células, que la vejiga tiene dificultad para eliminar. La UPEC puede incluso coexistir en las células con otras bacterias.
Cuando las comunidades de UPEC han colonizado con éxito la vejiga, comienzan a producirse muchos cambios fisiológicos; las células patógenas penetran más profundamente y se vuelven más difíciles de eliminar, y generalmente se produce una fuerte respuesta inmunitaria.
Lo que sabemos sobre estas etapas de la infección del tracto urinario proviene de un modelo murino. Ahora, investigadores han creado un modelo humano simplificado utilizando organoides para comprender mejor los mecanismos subyacentes a las infecciones urinarias.
La dinámica de la infección es difícil de capturar a partir de imágenes estáticas de explantes de tejido en puntos temporales consecutivos. Hasta el momento, los modelos in vitro no han recapitulado la arquitectura vesical con la suficiente fidelidad para estudiar la evolución temporal de estos eventos.
Se crearon organoides vesicales que imitaban la arquitectura tridimensional del revestimiento de la pared vesical, o epitelio. Los modelos en miniatura presentan una fisiología funcional similar a la observada en humanos.
Los investigadores también crearon una vejiga en un chip para simular las conexiones entre los vasos sanguíneos y el tejido vesical.
Dentro de los organoides, se marcó una proteína en las membranas celulares y se identificaron nichos bacterianos mediante imágenes confocales de células vivas. Al obtener imágenes de múltiples organoides, logramos identificar la heterogeneidad y los diversos resultados de las interacciones huésped-patógeno. Este sistema de prueba de concepto ha mostrado un potencial prometedor para estudios de seguimiento sobre la persistencia bacteriana a los antibióticos y la dinámica de las respuestas de las células inmunitarias a las infecciones.
El modelo de organoides sugirió que las bacterias patógenas solitarias pueden penetrar las capas profundas de la vejiga con gran rapidez, independientemente de cómo se formen las comunidades bacterianas intracelulares. Una vez en las capas celulares profundas, las bacterias invasoras quedan protegidas del sistema inmunitario y de los antibióticos.
Con la vejiga en chip, los científicos pudieron cultivar varios tipos de células humanas en un canal lleno de orina diluida, infectar las células con UPEC y visualizar el movimiento de las bacterias a lo largo del tiempo. También pudieron imitar fuerzas mecánicas como el estiramiento de la vejiga o añadir células inmunitarias para observar cómo cambiaba la dinámica de las bacterias. La investigación indicó que las UPEC son altamente resistentes a los efectos tanto de los antibióticos como de las células inmunitarias. Los antibióticos fueron mucho más eficaces para eliminar las bacterias que flotaban libremente que las que habían infectado las células. Las células inmunitarias a veces liberaban una sustancia similar a una red para atrapar las bacterias, pero solo capturaban las bacterias que se movían.
Esta investigación y los hallazgos adicionales que utilizan estos nuevos modelos podrían ayudar a los científicos a desarrollar mejores tratamientos para las infecciones urinarias.