Aufbau und Charakterisierung von UTI und CAUTI in einem Mausmodell

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

Harnwegsinfektionen (HWI) sind weit verbreitet, eine wesentliche Ursache für Morbidität und werden zunehmend resistent gegen die Behandlung mit Antibiotika. Frauen sind überproportional von UTI betroffen: 50% der Frauen eine UTI in ihrem Leben haben. Zusätzlich 20-40% dieser Frauen, die eine anfängliche UTI wird eine Wiederholung mit einigen Leiden häufigen Rezidiven mit schwerwiegenden Verschlechterung der Lebensqualität, Schmerzen und Beschwerden, Unterbrechung der täglichen Arbeit zu leiden haben, erhöht Kosten für das Gesundheitswesen, und nur wenige Behandlungsmöglichkeiten andere als langfristige Antibiotikaprophylaxe. Uropathogenen Escherichia coli (UPEC) ist der wichtigste Erreger der ambulant erworbenen UTI. Katheter-assoziierten Harnwegsinfektionen (CAUTI) ist die häufigste Krankenhausinfektion Anteil von einer Million Ereignissen in den USA jährlich und dramatischen Kosten für das Gesundheitswesen. Während UPEC ist auch die Hauptursache für CAUTI sind der gestiegenen Bedeutung einschließlich Enterococcus andere Erregerfaecalis. Hier nutzen wir zwei etablierte Mausmodelle, die viele der klinischen Merkmale dieser Krankheiten beim Menschen zu rekapitulieren. Für UTI, rekapituliert ein C3H / HeN Modell viele der Merkmale von UPEC die Virulenz beim Menschen, einschließlich Wirtsreaktionen, IBC Bildung und Filamentierung beobachtet. Für CAUTI ein Modell mit C57BL / 6-Mäuse, die Blasenkatheter Implantate zu erhalten, hat sich gezeigt, anfällig zu sein E. faecalis Blasenentzündung. Diese repräsentative Modelle werden verwendet, um markante neue Einblicke in die Pathogenese der Krankheit UTI, die zur Entwicklung neuer Therapeutika und Management oder Präventionsstrategien führen wird gewinnen.

Introduction

Harnwegsinfektionen (HWI) sind eine der häufigsten bakteriellen Infektionen und kann in zwei Kategorien auf der Basis des Mechanismus der Übernahme, Gemeinschaft und nosokomiale erworben UTI aufgeteilt werden. Ambulant erworbenen Harnwegsinfekte häufig bei ansonsten gesunden Frauen und Studien auftreten, haben gezeigt, dass etwa 50% der Frauen mindestens eine UTI in ihrer Lebenszeit ¹ haben. Zusätzlich ist Rezidiv ein großes Problem. Eine Frau, die einen anfänglichen akuten Infektion hat hat eine 25-40% ige Chance, mit einer zweiten Infektion innerhalb von sechs Monaten trotz entsprechender Behandlung mit Antibiotika und viele Frauen weiterhin häufigen Rezidiven ² haben. Die Bakterien, die diese Infektionen verursachen, sind ebenfalls immer Antibiotika-resistente weitere verwirrende Behandlungsprotokolle ^3-6. UTI betreffen Millionen von Menschen jedes Jahr kostet etwa 2,5 Milliarden US-Dollar in der Gesundheitsversorgung Aufwendungen in den USA und unterstreicht die Wirkung und die Verbreitung der Krankheit1,7 .Nosocomial erworbenen Harnwegsinfekte werden hauptsächlich mit der Anwesenheit von Fremdkörpern wie Dauerkatheter verbunden. Katheter-assoziierten Harnwegsinfektionen (CAUTI) bleiben die häufigste nosokomiale erworben UTI Anteil von ~ 70-80% solcher Infektionen ^8. Darüber hinaus wird CAUTI mit erhöhter Morbidität und Mortalität verbunden und es ist die häufigste Ursache für sekundäre Infektionen Blutkreislauf ⁹ ist.

UPEC assoziiert ambulant erworbenen HWI werden gedacht, um durch die Einführung von Bakterien in die Blase aus Stauseen im Gastrointestinaltrakt durch mechanische Manipulation während des Geschlechtsverkehrs, mangelnde Hygiene oder andere mikrobielle Populationsdynamik zwischen verschiedenen Host verursacht werden Nischen ^10. Einmal in der Blase, UPEC beschäftigen zahlreiche Virulenzfaktoren einschließlich Kapsel, Eisen Erfassungssysteme, Toxine, eine Virulenzplasmid, tRNAs, Pathogenitätsinseln und Kolonisierung Faktoren, die gezeigt haben, um eine Rolle in der Pathogenese spielen <sup> 11-14. Entscheidend für die Einrichtung von UPEC Kolonisation, UPEC auch kodieren mehrere Arten von Klebe Chaperon Platzanweiser Weg (CUP) Pili, die stereochemische Rezeptoren mit Spezifität ¹⁵ zu erkennen. Typ 1-Pili, die FimH Adhäsin gekippt wird, werden durch UPEC exprimiert und BIND mannosylierten uroplakins ¹⁶ und α-1, β-3-Integrine ^17, die auf der luminalen Oberfläche der menschlichen und Maus-Blasen ¹⁸ exprimiert werden. Diese FimH-vermittelte Wechselwirkungen erleichtern die bakterielle Besiedelung und Invasion der oberflächlichen Epithelzellen ^19,20. Einmal in der Zelle, kann UPEC ins Cytoplasma entkommen, wo ein einzelnes Bakterium kann rasch zu teilen, um eine intrazelluläre Bakteriengesellschaft (IBC), die bei der Reifung kann ~ 10 ⁴ Bakterien enthalten ²¹ bilden. IBC Formation in mindestens sechs verschiedenen Mausstämmen nachgewiesen, C3H / Hen C3H / HeJ, C57BL / 6, CBA, FVB / NJ und BALB / c, und mit einer Vielzahl von verschiedenen UPEC-Stämme und andere Enterobacteriaceae ^22-24. Jedoch zeitlichen und räumlichen Differenzen IBC Bildung kann in Abhängigkeit von der Maus Hintergrund und dem infizierenden UPEC Stamm variieren. In C3H / HeN-Mäusen mit dem prototypischen UPEC infiziert Stämme UTI89 oder CFT073, IBC Bildung kann so klein Biomassen von Bakterien so früh wie 3 hpi (h nach Infektion) visualisiert werden. Diese Gemeinschaft expandiert weiter und erreicht einen "Mittelpunkt" der Entwicklung ca. 6 hpi, wenn die stabförmigen Bakterien nehmen einen großen Prozentsatz der Cytoplasmaraum terminal differenzierter oberflächlichen Schirmzellen diese frühen IBCs Form in relativ synchron mit der Mehrheit die ähnliche Abmessungen und Morphologien. ~ 8 hpi die Bakterien in der IBC Wechsel von einem Bazillen zu Morphologie Kokken. IBCs sind vorübergehender Natur. So IBC Reifung von 12 bis 18 hpi Ergebnisse in die weitere Expansion der Bakterienpopulation, die durch ihre Filamentierung und Verbreitung folgte aus der Zelle with anschließende Ausbreitung auf benachbarte Zellen ^23. So erlaubt zum schnellen Bakterienwachstum in einer Umgebung von Wirtsimmunantworten und Antibiotika ²⁵ geschützt IBC Nische. Die unterschiedlichen Stufen der UPEC Infektion, bei Mäusen sind auch beim Menschen, wie beispielsweise IBC und Filamentierung beobachtet, die Unterstützung der Mausmodell der UTI als nützliches Werkzeug, das verwendet werden kann, um UTI bei Menschen ^22,26-28 modellieren.

Während eine Mehrheit der Frauen erleben eine UTI in ihrer Lebenszeit, kann das Ergebnis dieser Infektionen von einer akuten Infektion selbstlimitierend ohne Wiederkehr liegen, häufig wiederkehrenden Blasenentzündungen. Weitere Studien haben eine starke familiäre Auftreten von UTI gezeigt, was auf eine genetische Komponente UTI Anfälligkeit ²⁹ trägt. Wir haben festgestellt, dass die unterschiedlichen Ergebnisse UTI in Kliniken gesehen kann durch die unterschiedlichen Ergebnisse der experimentellen UPEC Infektion unter Inzucht-Mäusestämmen ³⁰ gespiegelt werden. Zum Beispiel C3H / Hen CBASind DBA und C3H / HeOuJ Mäuse anfällig, in einer infektiösen Dosis-abhängigen Weise, lang anhaltende, chronische Zystitis, die durch anhalt, hohe Titer Bakterien (> 10 ⁴ koloniebildenden Einheiten (CFU) / ml), hohe Titer Bakterien Blase Belastungen an Opfer> 4 Wochen nach der Infektion (WPI), chronische Entzündungen und urothelial Nekrose. Diese Mäuse zeigen auch erhöhte Serumspiegel von IL-6, G-CSF, KC, und IL-5 innerhalb der ersten 24 hpi, die als Biomarker für die Entwicklung chronischer Zystitis dienen. Dies kann genau den natürlichen Verlauf der UTI stellen in einigen Frauen, als Placebo-Studien haben gezeigt, dass ein großer Prozentsatz der Frauen mit UTI wird ein hohes Maß an Bakterien im Urin für einige Wochen nach der ersten Symptome der Zystitis zu behalten, wenn keine Behandlung mit Antibiotika ³¹ gegeben ^{, 32.} Ferner wurde unter Verwendung C3H / HeN-Mäusen, fanden wir, dass eine Geschichte der chronischen Zystitis ist ein signifikanter Risikofaktor für die spätere schwere wiederkehrenden Infektionen. Wiederkehrende UTI ist die significant klinische Manifestation der UTI und der C3H / HeN Maus ist derzeit das einzige Modell untersucht, die eine erhöhte Veranlagung nach vorheriger Exposition rekapituliert. Eine zweite UTI Ergebnis ist in C57BL / 6 Mäusen rekapituliert, wo akute UPEC-Infektion ist selbstlimitierend, mit einer Auflösung von Blasenentzündung und Bakteriurie innerhalb von etwa einer Woche. Interessant ist, dass in diesem Modell, UPEC bilden leicht Ruheintrazellulären Lagerstätten innerhalb der Blase Gewebe, aus dem UPEC in der Lage sind, die aus einem Ruhezustand, um eine aktive UTI reinitiate möglicherweise Erläuterung eines Mechanismus für die gleiche Belastung rezidivierenden HWI bei Menschen ^{33, 34.}

Zusätzlich zu genetischen Einflüsse auf UTI Suszeptibilität, die Einführung eines Katheters in die Blase erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass eine Infektion als auch die Erhöhung der Reihe von Bakterien in der Lage, eine Infektion zu verursachen. Es wurde gezeigt, daß menschliche Blasenkatheterisierung bewirkt histologischen undimmunologische Veränderungen in der Blase durch mechanische Beanspruchung, die in einem robusten Entzündungsreaktion führt, Peeling, Ödeme der Lamina propria und submucusa, urothelial Ausdünnung und Schleimhautveränderung des Urothel und Nieren ^35,36. Zusätzlich liefert der Katheter eine Oberfläche für bakterielle Befestigungs wodurch eine von mehreren Arten verwendet werden, um CAUTI verursachen Umgebung schaffen. Während UPEC sind immer noch ein wesentlicher Faktor, Enterococcus faecalis Konten für 15% dieser CAUTI ^37. E. faecalis wird zunehmend resistent gegen Antibiotika mit Vancomycinresistenz Entstehung, die ein ernstes Gesundheitsproblem ^38. E. faecalis besitzen zahlreiche Virulenzfaktoren einschließlich Toxinen und Adhäsine zur Befestigung sowohl des Katheters und des Epithels ³⁸ notwendig. Während Blasenkatheterisierung, ist der Host anfällig für mikrobielle Adhäsion, die Vermehrung und Verbreitung in den Harnwegen ^39,40. E. FAECAlis bildet einen Biofilm auf dem Katheter als Teil eines Mechanismus, der in der Blase bestehen und zu verbreiten, die Nieren, die in einem Maus-Modell CAUTI ⁴¹ wiedergegeben ist. Seit kurzem ist es während Blasenkatheterisierung gezeigt wird Fibrinogen (Fg) in die Blase als Teil der Entzündungsreaktion freigesetzt. FG akkumuliert in der Blase, Mäntel der Katheter und ist essentiell für E. faecalis Biofilmbildung, die als Anhang Schafott. In einer C57BL / 6-Mausmodell CAUTI entdeckten wir, dass E. faecalis Biofilmbildung auf den Katheter und somit die Persistenz in der Blase, war abhängig von der Ebp Pilus, insbesondere seine Spitze Adhäsin EBPA. Wir fanden, dass die N-terminale Domäne von EBPA spezifisch an FG Beschichten des Katheters. Zusätzlich wurde gefunden, dass E. faecalis nutzt Fg als Metabolit Quelle während der Infektion und somit eine Verbesserung der Biofilmbildung ^42.

Mausmodelle kritisch unders bewährttanding sowie die Vorhersage klinischen Manifestationen der UTI und CAUTI ^41. In diesem Artikel zeigen wir, Inokulumzubereitung der Zystitis UPEC isolieren UTI89 und transurethrale Inokulation von C3H / HeN Mäusen. Ein Protokoll für das Einführen des Katheters in C57BL / 6 Mäusen und Inokulation des E. Außerdem zeigen wir, faecalis OG1RF Belastung. Beide Verfahren führen zu einheitlichen und zuverlässigen UTI oder CAUTI bei Mäusen. Wir zeigen Ihnen auch Techniken zur IBC Formation während akute Blasenentzündung und Urinentnahme für die Analyse der chronischen oder rezidivierenden Blasenentzündungen zu beobachten. C3H / HeN Mäuse verwendet worden, um Aspekte der UPEC Pathogenese einschließlich anfängliche bakterielle Invasion, IBC Bildung, Filamentierung und die Entwicklung chronischer Blasenentzündung ^23,33,43 studieren. Diese Parameter wurden auch die Virulenz in einer Vielzahl von anderen Maushinter ^22,33 sucht. Für CAUTI ermöglicht der C57BL / 6-Modell für Fremdkörperimplantation in die Blase und anschließenden bakteriellen CoIonisation, die 7 Tage lang aufrechterhalten werden kann nach der Infektion ^41. Diese Modelle waren nützlich für die Bewertung der bakteriellen Virulenz-Mechanismen, Host antwortet UTI und Mechanismen zur Wirtsreaktionen, von denen viele in der Folge rekapituliert wurden oder in klinischen Humanpopulationen beobachtet zu untergraben.

Protocol

Ethics Statement: Die Washington University Animal Studies Committee genehmigt alle Maus-Infektionen und Verfahren als Teil der Protokollnummer 20120216, die 2013.01.11 genehmigt wurde, und endet 2016.01.11. Insgesamt Pflege der Tiere war konsistent mit dem Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Labortieren von der National Research Council und der USDA Animal Care Resource Guide. Euthanasie-Verfahren sind im Einklang mit den "AVMA Richtlinien für die Euthanasie von Tieren Ausgabe 2013". <p class="j…

Representative Results

Die intravesikale Modelle unkompliziert und Katheter assoziierten UTI bieten flexible Plattformen für die Aufklärung der molekularen Mechanismen der bakteriellen Pathogenese, die Auswirkungen dieser Krankheiten auf Wirtsgewebe, und die Entwicklung und Erprobung neuer Ansätze, um diese gemeinsame und teure Infektionen zu verwalten. In Abhängigkeit von der Mausstamm und Krankheitserreger können intravesical Impfung verwendet werden, um Wirt-Pathogen-Interaktionen zu untersuchen, um Faktoren für die Initiierung oder …

Discussion

Unkompliziert ambulant erworbenen UTI ist eine häufige und teure Infektion entfallen mehrere Millionen Grundversorgung Besucher jedes Jahr ^46. Darüber hinaus sind Cautis eine gemeinsame Gesundheits erworbenen Infektionen gewordenen extrem teuer Gesundheitsdienstleister wie die Centers of Medicare und Medicaid Services nicht mehr erstattet Anbieter für die zusätzlichen Kosten für die Behandlung von im Krankenhaus erworbenen CAUTI ⁴⁵ ergibt. Die Maus-Modellen der UTI, sowohl unkomplizierten Zyst…

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