マウスモデルにおけるUTIとCAUTIの樹立とその性状

Summary

The ability to model urinary tract infections (UTI) is crucial in order to be able to understand bacterial pathogenesis and spawn the development of novel therapeutics. This work’s goal is to demonstrate mouse models of experimental UTI and catheter associated UTI that recapitulate and predict findings seen in humans.

Abstract

尿路感染症（UTI）、罹患率の重要な原因で非常に流行しており、抗生物質による治療に対してますます耐性があります。女性は不釣り合いUTIに罹患している：すべての女性の50％が彼らの一生の間にUTIを持っています。さらに、初期のUTIを持ってこれらの女性の20〜40％は生活、痛みや不快感の質の深刻な悪化といくつかの苦しみ頻繁に再発して再発を被るだろう、毎日の活動、増加医療費、およびその他のいくつかの治療法の選択肢の破壊長期的な抗生物質の予防より。尿路病原性大腸菌 （UPEC）は、UTI取得コミュニティの主な原因物質です。カテーテル関連UTI（CAUTI）は百万年間、米国での発生と劇的な医療費の会計処理の最も一般的な院内感染です。 UPECもCAUTIの主な原因であるが、他の原因物質は、 腸球菌などの増加に重要ですフェカリス。ここでは、これらのヒト疾患の臨床的特徴の多くを再現する2つのよく確立されたマウスモデルを利用しています。 UTIは、C3H / HENモデルは、宿主応答、IBCの形成及びフィラメンテーションを含む、ヒトで観察されたUPEC病原性の機能の多くを再現します。 CAUTI、カテーテル膀胱インプラントを保持C57BL / 6マウスを用いたモデルについて、E.に感受性であることが示されていますフェカリス膀胱感染。これらの代表的なモデルは、新規な治療薬および管理や予防戦略の開発につながっているUTI疾患の病因、に印象的な新しい洞察を得るために使用されています。

Introduction

尿路感染症（UTI）の最も一般的な細菌感染症の一つであり、UTI取得し、取得、コミュニティと院内のメカニズムに基づいて、2つのカテゴリーに分けることができます。市中のUTIは、多くの場合、女性の約50％が一生の¹に少なくとも一つのUTIを有することを示しているそうでなければ健康な女性との研究で発生します。さらに、再発の主要な問題です。初期の急性感染症を持っている女性は、適切な抗生物質治療にもかかわらず、6カ月以内に第二の感染症を有する25〜40％の確率を持っており、多くの女性が頻繁に再発^2を持ち続けます。これらの感染症の原因菌も^3-6ますます抗生物質耐性をさらに交絡治療プロトコルになっています。 UTIは、疾患の影響と有病率を強調し、米国のヘルスケア関連費用が約25億ドルで数百万人を毎年影響を及ぼし1,7 .Nosocomialは主に、留置カテーテルなどの異物の存在に関連しているのUTIを取得しました。カテーテル関連尿路感染症（CAUTI）は、このような感染症の^{8〜70〜80％}を占め、UTI取得し、最も一般的な院内のまま。また、CAUTIを増加罹患率と死亡率に関連付けられている、それが二次血流感染⁹の最も一般的な原因です。

UPEC関連するコミュニティは尿路感染を取得し、性交中に機械的操作を介して消化管における貯留層から膀胱への細菌の導入によって引き起こされることが異なるホスト·ニッチ¹⁰との間に不衛生または他の微生物個体群動態を考えられています。一旦膀胱内部、UPECは、カプセル、鉄獲得システム、毒素、病原性プラスミドのtRNA、病原性島および病因に役割を果たすことが示されているコロニー形成因子を含む多数の病原性因子を使用します<SUP> 11-14。 UPECの定着の確立に重要な、UPECは、接着剤シャペロンアッシャー経路の複数のタイプの立体特異性¹⁵と受容体を認識する（CUP）線毛をコードします。 FimHアドヘシンでチップソー1型線毛は、UPECで表現され、マンノシルウロプラキン¹⁶とα-1、ヒトおよびマウスの膀胱¹⁸の内腔表面上に発現されたβ-3インテグリン^17を結合しています。これらのFimH媒介性の相互作用は、細菌のコロニー形成および表在上皮細胞^19,20の侵入を容易にします。一旦細胞の内部に、UPECは、単一の細菌が急速に成熟すると、〜10 ⁴の細菌^21を含めることができ、細胞内細菌群集（IBC）を形成するために分割することができる細胞質に脱出することができます。 IBCの形成は、少なくとも6つの異なるマウス系統において実証されている、C3H / HEN、C3H / HEJ、C57BL / 6、CBA、FVB / NJおよびBALB / c、および異なるUPEの多種多様なC株および他の腸内細菌科^22-24。しかし、IBC形成の時間的、空間的な違いは、マウスの背景と感染UPEC株に応じて変えることができます。原型UPECはUTI89またはCFT073の株に感染したC3H / HeNマウスでは、IBCの形成は、早ければ3 HPI（時間後の感染症）のような細菌の小さなバイオマスとして可視化することができます。このコミュニティは拡大し続けており、棒状の細菌が、最終分化表面的な傘の細胞の細胞質領域の大きな割合を占めているときに、開発の約6 HPIの「中間点」に達する同様の寸法を表示過半数と比較的同期した方法でこれらの初期のIBCSフォームおよび形態。 〜8 HPI桿菌からのIBCの変更中の細菌は形態を球菌します。 IBCSは、本質的に一時的です。したがって、細菌集団の継続的な拡大で12〜18 HPI結果からIBC成熟、細胞のWiのうち、それらのフィラメント化と分散が続きます隣接セル²³に目以降の広がり。このように、IBCのニッチは、宿主免疫応答および抗生物質²⁵から保護された環境の急速な細菌の増殖を可能にします。マウスで見られるUPEC感染の異なる段階は、ヒト^22,26-28にUTIをモデル化するために使用することができる有益なツールとしてUTIのマウスモデルをサポートする、例えば、IBCSおよびフィラメンテーションのように、ヒトにおいて観察されます。

大多数の女性が一生の間にUTIを経験しているが、これらの感染症の結果は、無再発急性自己限定感染から、頻繁な再発性膀胱炎の範囲とすることができます。また、研究では、遺伝的要素がUTI感受性²⁹に貢献を示唆し、UTIの強い家族発生を示しています。私たちは、診療所で見られる異なるUTIの成果は、近交系マウス系統³⁰のうち、実験UPEC感染の異なる成果によりミラーリングすることができることを見出しました。例えば、C3H / HEN、CBA、DBA、およびC3H / HeOuJマウスは感染用量依存的に、永続的な、高力価の細菌（> 10 ⁴コロニー形成単位（CFU）/ ml）を、高力価の細菌によって特徴付けられる長期的な、慢性膀胱炎に、影響を受けやすいです犠牲に膀胱負担> 4週間後に感染（WPI）、慢性炎症、および尿路上皮壊死。これらのマウスは、慢性膀胱炎の開発のためのバイオマーカーとして働く第24 HPI内のIL-6、G-CSF、KC、およびIL-5の上昇した血清レベルを示します。プラセボ研究は抗生物質治療^31が与えられていない場合はUTIを経験した女性の大部分は、膀胱炎の最初の症状の後に数週間のために彼らの尿中の細菌の高いレベルを保持することが示されているように、これは正確に、何人かの女性にUTIの自然経過を表すことができます^、32。また、C3H / HeNマウスを使用して、我々は慢性膀胱炎の歴史はその後の深刻な再発感染の重要な危険因子であることがわかりました。再発UTIは、最もSiでありますgnificant臨床UTIの症状およびC3H / HENマウスは現在、以前の曝露後に増加した素因を再現するだけで勉強したモデルです。第UTIの結果は、急性UPEC感染はほぼ週間以内に膀胱炎と細菌の解像度で、自己制限であるC57BL / 6マウスに再現されています。興味深いことに、このモデルでは、UPECは、容易に潜在的に人間^33、34で同系統の再発UTIのための1つのメカニズムを説明する、アクティブUTIを再開するために休止状態から出現することが可能であるUPECから膀胱組織内の静止状態の細胞内貯蔵部を形成します。

UTIの感受性に遺伝的影響に加えて、膀胱へのカテーテルの導入は、非常に感染を有するだけでなく、感染症を引き起こすことができる細菌の範囲を増加させる可能性を増大させます。これは、人間の尿カテーテルは、組織学的を引き起こすことが実証されていると堅牢な炎症反応、剥離、粘膜固有層とsubmucusaの浮腫、尿路上皮間伐、および尿路上皮および腎臓^35,36の粘膜病変をもたらす機械的ストレスに起因する膀胱内の免疫学的変化。さらに、カテーテルによりCAUTIを引き起こすために、いくつかの種によって利用環境を作り出す細菌の付着のための表面を提供します。 UPECは依然として主要な原因であるが、 エンテロコッカスフェカリスは、これらのCAUTI ³⁷の15％を占めています。E.フェカリスは、深刻な健康問題^38を装った、バンコマイシン耐性出現と抗生物質に対してますます耐性になってきている。E.フェカリスは、毒素やカテーテルおよび上皮³⁸の両方に取り付けるために必要なアドヘシンを含む多数の病原性因子を有しています。尿カテーテルの間に、ホストは、尿路^39,40における微生物付着性、乗算と普及に対して脆弱である。E. faecaLISは、膀胱に持続し、マウスCAUTIモデル⁴¹で再現された腎臓、に普及するための機構の一部として、カテーテル上のバイオフィルムを形成しています。最近、それは尿カテーテル挿入中に示されており、フィブリノーゲン（FG）は、炎症応答の一部として膀胱内に放出されます。 FGがコートカテーテル、膀胱内に蓄積し、 大腸菌のために不可欠ですフェカリスバイオフィルム形成、取付足場として機能します。 CAUTIのC57BL / 6マウスモデルでは、E.ことを発見しましたフェカリスバイオフィルムカテーテルに形成し、したがって膀胱内の持続性は、EBPの線毛、特にその先端付着EBPAに依存していました。我々はEBPAのN末端ドメインは、特にカテーテルを被覆FGに結合することがわかりました。さらに、それがすることが見出されたE.フェカリスは、このようにバイオフィルムの形成^42を高め、感染の間に代謝物源としてのFgを利用しています。

マウスモデルは、アンダーに重要であることが証明されていますtandingならびにUTIとCAUTI ⁴¹の臨床症状を予測します。この記事では、膀胱炎UPECの接種材料の準備を実証UTI89およびC3H / HeNマウスの経尿道的接種を分離します。さらに、当社は、C57BL / 6マウスおよびEの接種にカテーテル挿入のためのプロトコルを示していますフェカリス OG1RF株。これらの技術の両方が、マウスにおいて一貫性と信頼性UTIやCAUTIにつながります。我々はまた、慢性または再発性膀胱炎の分析のための急性膀胱炎や尿収集中IBCの形成を観察するために使用される技術を表示します。 C3H / HeNマウスは、最初の細菌の侵入、IBCの形成、フィラメンテーションおよび慢性膀胱炎^23,33,43の開発などUPECの病因の側面を研究するために使用されてきました。これらの病原性パラメータは、他のマウスの背景^22,33の様々な研究されています。 CAUTIのために、C57BL / 6モデルは、その後の細菌共同で膀胱内に異物の注入を可能にします7日間維持することができlonizationは、感染^41を投稿してください。これらのモデルは、UTIとメカニズムに対する宿主応答は、宿主応答を破壊するために、細菌の病原性メカニズムを評価するために有用で、その多くは、その後に再現し、または臨床的ヒト集団において観察されたています。

Protocol

倫理文：ワシントン大学動物実験委員会は、2013年1月11日に承認され、2016年1月11日に満了したプロトコル番号20120216の一部としてすべてのマウスの感染と手順を承認しました。動物の全体的なケアが国家研究評議会と米国農務省動物ケアリソースガイドから実験動物の管理と使用に関するガイドと一致しました。安楽死手順はと一致している「安楽死動物の2013年版のAVMAガイドライン」。 <p…

Representative Results

単純およびカテーテル関連UTIの膀胱内のモデルは、これらの共通および高価な感染症を管理するために、細菌の病原性、宿主組織上のこれらの疾患の影響、および開発および新規のアプローチのテストの分子機構を解明するための柔軟なプラットフォームを提供します。マウス系統および病原体に応じて、膀胱内接種（ 図1及び3）、慢性または再発性（ 図2）</…

Discussion

合併症のない社会は、UTIは毎年⁴⁶万人のいくつかのプライマリケアの訪問を占める一般的であり、コストのかかる感染症で取得しました。また、CAUTIsはもはやCAUTI ⁴⁵院内に起因する治療の追加費用のためのプロバイダを払い戻すメディケアおよびメディケイド·サービスのセンターとしての医療サービス提供者に非常に高価ななっていない一般的なヘルスケア取得感染していま…

Materials

Material for catheter and needle preparation:
30ga needles	BD Precision Glide	305106	30Gx ½ (0.3 mm x 13mm)
PE10 polyethylene tubing	BD	427400	Inside diameter -0.011 in (0.28 mm); outside diameter – 0.024 in (0.61 mm)
RenaSIL 025 platinum cured silicon tubing	Braintree Scientific, Inc	SIL 025	inside diameter-0.012 x outside diameter 0.025, 25 ft coil
Material for infections:
Isoflourane – Isothesia	Butler Schein	29405	250 mL
Clear Glass Straight-Sided Jar	Kimble Chase	5413289V 21
Stainless Steel Tea Infuser	Schefs-Amazon		Premium Loose Leaf Tea Infuser By Schefs – Stainless Steel – Large Capacity –
Non-sterile cotton balls	Fisherbrand	22-456-880
50 ml Falcon tubes	VWR	89039-660
Isotec 3 -vaporizer	Ohmeda	1224478
Ear punch	Fisher Scientific	13-812-201	(when necessary)
Betadine solution	Betadine solution		10% Povidie-iodine topical solution
Q-tips	Fisher Scientific	22-037-924	6 in
Diapers for bench	Fisherbrand	14206 63	Absorbent Underpads (20”X36”mats)
Surgical lubricant	Surgilube	0281-0205-36
Dissecting scissor	Fine Science tools, INC	14084-08
Micro-Adson Forceps	Fine Science tools, INC	11018-12
1 ml syringe	BD	309659	Tuberculin slip tip
Parafilm	Bemis	PM996	4 in x 125 FT
Eppendorf rack	Fisherbrand	05-541-1
Eppendorf tubes	MIDSCI	AVX-T-17-C
Harvesting catheters, bladders and kidneys:
Homogenizer	PRO Scientific INC	Bio-Gen Pro 200
5 ml polypropylene round-bottom tube	BD	352063	for organ homogenization
Paper towel	Georgia-Pacific
Ethanol	Pharmco-AAPER	11100020S	200 proof
Costar™ Clear Polystyrene 96-Well Plates	Corning	3788
1X Phosphate sodium saline	Sigma-Aldrich	P3813
BRANSONIC Ultrasonic cleaner 1210	Branson Ultrasonics Corporation	1210
IBC materials:
6-well tissue culture test plate	Techno Plastic Products	92006
Pins	Fine Science Tools	26002-20
Sylgard 184	Dow Corning	3097358-1004	Silicone Elastomer Kit
X-gal (5-bromo-4-chloro-3-indolyl-b-D-galactoside)	Invitrogen	15520-034	Ultrapure
N, N-Dimethylformamide	Sigma Aldrich	D4551
MgCl2 (Magnesium chloride)	Sigma Aldrich	M8266
Sodium deoxycholate	Sigma Aldrich	D6750
Nonidet-P40	Roche	11754599001	Octylphenolpoly(ethyleneglycolether)n
Potassium hexacyanoferrate(II) trihydrate (K-ferrOcyanide)	Sigma Aldrich	P3289
Potassium hexacyanoferrate(III) (K-ferrIcyanide)	Sigma Aldrich	60299