Neisseria meningitidis 是一种特异性感染人类血管的人类病原体。在本方案中,通过将人类皮肤移植到免疫缺陷小鼠体内,从而在小鼠体内引入人类微血管。细菌广泛黏附于人类血管,导致血管损伤,并引发典型的紫癜样皮疹,这与人类病例中通常观察到的表现一致。
Neisseria meningitidis 是一种特异性感染人类血管的人类病原体。在本方案中,通过将人类皮肤移植到免疫缺陷小鼠体内,从而在小鼠体内引入人类微血管。细菌广泛黏附于人类血管,导致血管损伤,并引发典型的紫癜样皮疹,这与人类病例中通常观察到的表现一致。
Neisseria meningitidis 当其进入人体血液后,会引起严重的、常导致死亡的败血症。感染会导致血管广泛受损,进而引发血管渗漏、紫癜样皮疹以及最终的组织坏死。由于该细菌具有高度的人类特异性,此前对这一感染发病机制的研究受到限制, 体内 使模型构建变得困难。在本方案中,我们描述了一种用于该感染的人源化模型,其中包含真皮微血管的人类皮肤被移植到免疫缺陷小鼠体内。这些血管与小鼠的循环系统发生吻合,同时保留其人类特征。一旦引入该模型, N. meningitidis 仅特异性黏附于人源血管,导致广泛的血管损伤、炎症反应,严重时可出现紫癜样皮疹。本方案描述了该模型在以下背景中的移植、感染及评估步骤 N. meningitidis 感染。该技术可应用于多种感染人体血液的人类特异性病原体。
脑膜炎球菌败血症是一种由细菌病原体引起的、常可致命的血液感染 脑膜炎奈瑟菌脑膜炎球菌败血症患者常出现皮肤瘀点或紫癜样皮疹,既往认为这与循环中的细菌及其产物引起的血管破坏有关。1临床患者的皮肤活检显示细菌与微血管相关,常充满血管2除细菌外,紫癜区域还可见广泛的血栓形成、凝固、充血和血管渗漏3-5这种血管损伤可导致皮肤及周围组织广泛坏死,使得脑膜炎球菌感染幸存者需要清创,甚至截肢。了解感染如何引发此类血管损伤,对于优化预防和治疗策略至关重要。目前关于脑膜炎球菌败血症的大多数研究均在 体外 由于对人类的特异性,作用于人类细胞系 N. meningitidis感染的许多方面已被研究 体外 包括细菌黏附、宿主细胞反应以及细胞因子反应6-9IV型菌毛(Tfp)被认为是主要的黏附细胞器 N. meningitidis 在上皮细胞和内皮细胞上10. 还已证明,黏附作用 N. meningitidis 对宿主细胞的黏附依赖于剪切应力,因此被认为与微血管中的血流速率相关11这表明细菌所面临的动态压力 体内 对发病机制至关重要。然而,对小血管的微环境进行建模却非常困难 体外.
Neisseria Tfp 的黏附受体仍不明确,因此目前尚无法设想通过基因敲入策略在动物模型中实现细菌黏附。曾有研究提出 CD46 可能是 Tfp 的受体,并据此构建了转基因动物作为小鼠模型。然而,这些动物感染后并未出现广泛感染或皮疹形成12,13。针对 Neisseria 感染菌血症方面的其他动物模型,则考虑了该细菌对人转铁蛋白作为铁源的偏好性14,15。通过外源补充人转铁蛋白或由转基因表达该蛋白,均可使血液中的细菌载量在较长时间内显著增加,但该模型同样不表现出细菌黏附或皮疹形成16,17。
在本实验方案中,我们描述了一种人源化小鼠模型,该模型将包含真皮微血管系统的人类皮肤移植到免疫缺陷小鼠体内18,19。由此形成的功能性人类血管可与小鼠的循环系统连通并接受灌注。结合人源转铁蛋白的补充,该模型在活体(in vivo)环境中至少再现了脑膜炎奈瑟菌(N. meningitidis)感染的两个人类特异性因素,即人类内皮细胞和人源转铁蛋白。将脑膜炎奈瑟菌(N. meningitidis)通过静脉注射引入该模型后,细菌会特异性地黏附于人类内皮细胞,引发类似于临床患者中所报道的病理变化,包括血管损伤和紫癜样皮疹的形成18。
1. 风险与许可
2. 皮肤移植
3. 感染
4. 处死
5. 器官CFU计数
6. 组织学/免疫组织化学
菌落形成单位计数
的 N. meningitidis 在这些代表性结果中使用的菌株是 N. meningitidis 8013克隆12,一种表达I类SB菌毛蛋白和Opa的C群临床分离株-Opc-PilC1+PilC2+ 20该菌株经基因工程改造,通过染色体插入表达绿色荧光蛋白(GFP)18通过计数琼脂平板上的菌落数量,并根据已知的接种体积计算每毫升血液或每毫克组织中的菌落形成单位(CFU),从而确定细菌菌落形成单位数量。血液计数结果显示,静脉注射后 5 分钟,106 菌落形成单位(CFU)细菌的平均数量为 1.5 x 105 血液中循环的CFU/ml(图1A)。6小时后,计数值平均为4.8 × 104 CFU/ml。至24小时时,平均计数为2.4 × 104 CFU/ml,但在该组10只小鼠中,5只未检测到循环细菌,而其余5只具有相对较高的菌落数图1A). 皮肤样本的菌落形成单位(CFU)计数显示,大多数小鼠在人皮肤上具有较高的定植量,平均达到 2.1 x 104 组织每毫克菌落形成单位在6小时为4.4 × 102 24 小时时每毫克组织的菌落形成单位(CFU/mg)图1B)。对侧小鼠皮肤样本在24小时时未检测到细菌计数,6小时时也仅有极少量,表明了明显的偏好性 N. meningitidis 到移植皮肤中的人类血管(图1B)。通常情况下,其他采集器官中的细菌计数极低或无法检测,尽管有2只动物显示出可能归因于血液污染的细菌计数,因其与较高的循环细菌数量相关。图1C也可用于确定毒力因子的作用 体内,例如 IV 型菌毛。具有特定突变的细菌菌株 pilD 基因21,从而获得一种缺乏Tfp以及其他成分的菌株 pilC1 基因8,缺乏拟议的Tfp“黏附素”的突变株被引入模型。这些突变在人皮肤移植物中未引起任何细菌黏附,证实了Tfp在黏附过程中发挥的关键作用 体内图1D).
免疫组织化学/组织学
在这些实验中,我们使用了 N. meningitidis 表达绿色荧光蛋白(GFP)的菌株,可在无需二次染色的情况下实现荧光检测。人源血管使用人内皮标志物进行染色,标志物为CD31(PECAM-1)或凝集素 荆豆凝集素 (UEA)18,22. UEA 与罗丹明偶联,实现一步染色(图 2A-C)。细胞核可用DAPI染色,以帮助识别组织结构(图2A-B). 组织学采用标准的苏木精/伊红染色进行。皮肤的表皮/真皮交界处清晰可辨。感染后24小时,炎症、血栓形成和血管渗漏主要集中于靠近该交界处的血管图2D)。在多个小型真皮血管中可见血栓形成,常伴有充血和炎症。可观察到红细胞渗出至周围组织,表明血管损伤程度较重。未感染小鼠移植皮肤的组织病理学表现正常,无明显炎症迹象。18在约30%的感染中,细菌在皮肤中的黏附可导致出现肉眼可见的紫癜图2E 和 2F).

图 1. 菌落形成单位(CFU)计数。(A)感染后 5 分钟、6 小时和 24 小时每毫升血液中的细菌 CFU 计数。(B)感染后 6 小时和 24 小时人皮肤(HS)与小鼠皮肤(MS)样本中的细菌 CFU 计数比较。(C)感染后 24 小时取自其他器官的细菌 CFU 计数。(D)比较感染野生型 N. meningitidis 2C43 菌株(WT)、pilD 基因突变菌株(pilD)或 pilC1 基因突变菌株(pilC1)的小鼠在感染后 24 小时所取人皮肤和小鼠皮肤样本中的细菌 CFU 计数。所有图表均以原始数据展示,并标出中位数。该图改编自 Melicanet al.18 点击此处查看高清图像。

图 2. 显微镜观察。(A)共聚焦图像堆栈的投影,显示靠近真皮(d)与表皮(e)交界处的人类微血管,经UEA凝集素染色呈红色,感染N. meningitidis(绿色)2小时后的情况。(B)一个光学切片及(C)切片投影,显示在皮肤移植组织中感染2小时后,N. meningitidis微菌落(绿色)定植于人血管(UEA – 红色)内。(D)感染N. meningitidis 24小时后的人类皮肤移植组织的苏木精/伊红染色图像。表皮(e)与真皮(d)交界清晰可见,真皮层中微血管出现广泛血栓形成和充血(箭头)。还可观察到炎症反应及部分血管渗漏(箭头所示)。(E)感染前的人类皮肤移植组织。(F)与(E)为同一皮肤移植组织,感染N. meningitidis 24小时后,可见紫癜样区域(箭头)。图 2B、2D、2E 和 2F 改编自 Melican et al.18 点击此处查看高清图像。
动物模型对细菌致病机制研究至关重要。完全模拟人体感染过程是不可能的 在体内 细胞培养环境中的各种因素正在逐渐被认识,宿主与病原体之间的相互作用受到多种动态因素的影响。某些临床上重要病原体对人类具有特异性,例如 N. meningitidis,HIV,HCV, 恶性疟原虫, 单核细胞增生李斯特菌, 和 伤寒沙门氏菌 限制了……的使用 体内 这些感染的模型。然而,随着我们对决定特异性的感染步骤的逐步了解,人源化模型正在被开发出来。本文所述方案即为这一方向的示范,通过将人源微血管引入小鼠体内,从而实现广泛的 体内 感染 N. meningitidis,导致血管损伤,偶尔出现紫癜性皮疹。
利用该模型,我们已明确Tfp的黏附特性参与了血管定植过程 体内 通过使用细菌突变体,并且在缺乏黏附的情况下血管损伤减少18此前,循环中的细菌产物被认为与这种损伤有关,但我们的研究结果提示局部黏附和血管定植具有决定性作用。这为开发新的治疗靶点提供了新的可能性。若能通过药物手段阻断致病菌的黏附,或许可预防皮肤病变的发生,从而改善脑膜炎球菌感染幸存者的预后,减少组织坏死、清创和截肢的发生。 这项工作还揭示了感染的复杂性以及免疫反应和凝血级联的参与。尽管感染小鼠体内存在的人源内皮细胞数量相对较少,我们仍在其血清中检测到人源细胞因子信号。18这表明存在显著的细胞因子反应,同时伴有小鼠免疫细胞群体向该区域的浸润。
动物模型当然无法完全复制人类疾病,因此必须始终牢记这一局限性来解读所有由此获得的结果。例如,在本模型中,血液和循环细胞均来源于小鼠,我们不能排除它们的行为可能与人类细胞存在差异。然而,正如我们近期发表的研究18所示,这一特点的一个优势在于能够区分来源于人源内皮细胞的信号与来源于循环小鼠细胞的信号。本模型所使用小鼠的免疫缺陷背景还允许异体移植人类免疫细胞群体,从而进一步增强“人源化”特性。然而,小鼠的免疫缺陷背景可能掩盖自然杀伤细胞(NK细胞)、T细胞或B细胞的作用,因为这些细胞在此模型中均缺失或功能缺陷。本模型采用的相对较短的时间范围(24小时)主要适用于研究先天免疫反应,而对于长期感染及免疫应答的形成,则可能需要探索其他模型。
皮肤是脑膜炎奈瑟菌(N. meningitidis)的重要感染部位,但由于人源血管数量相对较少,将所得数据外推至涉及多个器官的全身性感染仍存在困难。尽管该模型可用于研究皮肤病变的形成过程,但脑膜炎球菌感染的一些关键步骤,如跨越上皮细胞和血脑屏障的过程,并未包含在内。因此,仍需进一步优化这些人源化模型,以涵盖感染的其他方面。然而,该模型为多种人类特异性病原体——尤其是靶向血管的病原体——的研究提供了巨大潜力。
作者声明不存在竞争性财务利益。
作者谨向Dumenil实验室的所有成员致以感谢,特别感谢Silke Silva对本文手稿的审阅。同时感谢欧洲乔治·蓬皮杜医院(Hôpital Européen Georges-Pompidou, HEGP)外科部门及David Maladry博士。 Michael Hivelin 和 HEGP 病理科的 Patrick Bruneval 博士。PARCC 动物实验中心由 Elizabeth Huc 负责。本研究工作得到以下资助机构的支持:Marie Curie IEF 奖学金(编号 273223,KM)、法国国家健康与医学研究院(INSERM)ATIP-Avenir 项目资助、CODDIM 设备资助(法兰西岛大区)、法国医学研究基金会(FRM)设备资助、IBEID 卓越实验室联盟、法国国家科研署(ANR)“Bugs-in-flow”项目资助。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决定或稿件撰写过程中均未发挥任何作用。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| DMEM | Gibco Invitrogen | 31885-023 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Gibco Invitrogen | 10010-056 | |
| 氯胺酮 500 | Virbac France | 批号:VAL4243 | |
| 赛拉嗪 | Bayer Healthcare | AMM N° FR/8146715 2/1980 | 批号:KPO809S |
| Optigel | Europhta | ||
| Lacrigel | Medicament Autorisé | ||
| Tronothane | Lisa Pharma | ||
| GC 琼脂基础培养基 | Conda | 1106 | |
| 人内皮细胞无血清培养基 | Gibco Invitrogen | 11111 | |
| 胎牛血清 | P A A | A15-101 | |
| 人转铁蛋白 | Sigma-Aldrich | T3309 | |
| UEA 凝集素-罗丹明 | Vector Labs | RL-1062 | |
| 苏木精 | Sigma-Aldrich | H9627 | |
| 伊红 | Sigma-Aldrich | E4009 | |
| 二甲苯 | Sigma-Aldrich | 534056 | |
| Sober Hand 皮片机 | Humeca BV, Holland | 4.SB01 | |
| 动物饲养笼具 | Innovive | M-BTM-C8 | |
| 活检打孔器(4 mm) | Dominic Dutscher | 30737 | |
| Fast-Prep 裂解基质 M 管 | MP Bio | 116923050 | |
| MagNA Lyzer Green Beads | Roche | 3358941001 | |
| MagNA Lyzer | Roche | 3358976001 | |
| VECTASHIELD 封片剂 | Vector Labs | H-1000 | |
| Vetbond | 3M | 1469SB | 组织胶 |
| OCT 包埋剂 | Sakura | 4583 |