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Infezione uropatogena da Escherichia coli

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Oct 21, 2023

Infezione uropatogena da Escherichia coli

Nature Microbiology volume 8,

Nature Microbiology volume 8, pagine 875–888 (2023) Citare questo articolo

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388 Altmetrico

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Precedenti infezioni del tratto urinario (UTI) possono predisporre a future infezioni; tuttavia, i meccanismi sottostanti che influenzano la recidiva sono poco conosciuti. Abbiamo precedentemente scoperto che le infezioni del tratto urinario nei topi causano un rimodellamento differenziale dell’epitelio (uroteliale) della vescica, a seconda dell’esito della malattia, che influisce sulla suscettibilità alle infezioni del tratto urinario ricorrenti. Qui abbiamo confrontato linee di cellule staminali uroteliali (USC) isolate da topi con una storia di infezione uropatogena da Escherichia coli (UPEC) risolta o cronica, evidenziando prove di imprinting molecolare che coinvolgeva cambiamenti epigenetici, comprese differenze nell'accessibilità della cromatina, metilazione del DNA e modificazione degli istoni . I segni epigenetici nelle USC di topi cronicamente infetti hanno migliorato la morte cellulare mediata dalla caspasi-1 in seguito all’infezione UPEC, promuovendo la clearance batterica. Si è verificato anche un aumento dell’espressione di Ptgs2os2, che potenzialmente contribuisce all’espressione prolungata della cicloossigenasi-2, all’infiammazione della vescica e alle lesioni della mucosa, risposte associate a grave cistite ricorrente. Pertanto, l'infezione UPEC agisce come un epi-mutageno riprogrammando l'epigenoma uroteliale, portando al rimodellamento intrinseco uroteliale e all'addestramento della risposta innata alla successiva infezione.

Le infezioni del tratto urinario (UTI) sono una delle infezioni batteriche più comuni a livello mondiale e rappresentano una causa sostanziale di morbilità nelle donne altrimenti sane1,2. L’alto tasso di recidiva nei soggetti suscettibili rende il trattamento impegnativo3, essendo uno dei fattori di rischio più forti per lo sviluppo di un’infezione del tratto urinario una precedente UTI2. Le basi biologiche delle IVU ricorrenti (rUTI) sono poco conosciute.

Senza trattamento antibiotico, le IVU acute negli esseri umani si risolvono da sole o si sviluppano in infezioni croniche di lunga durata4. L'infezione di topi C3H/HeN con Escherichia coli uropatogeno (UPEC) riepiloga questi due risultati. La cistite cronica in questi topi è definita come batteriuria persistente ad alto titolo (batteri nelle urine) accompagnata da infiammazione cronica (topi sensibilizzati), mentre la risoluzione dell'infezione definisce topi risolti5. L'analisi delle vesciche di topi risolti e sensibilizzati rivela che l'infezione porta a un rimodellamento differenziale della vescica che influisce sulla suscettibilità alle rUTI. I topi risolti sono resistenti alle rUTI, in parte perché hanno una risposta transitoria e accelerata del TNFα/cicloossigenasi-2 (Cox-2) della vescica, che promuove la rapida eliminazione dell'infezione e la guarigione della mucosa6,7,8. I topi sensibilizzati sono altamente suscettibili alle rUTI dopo infezione, con un'espressione robusta e sostenuta di TNFα e Cox-2 della vescica che causa la trasmigrazione dei neutrofili attraverso l'epitelio della vescica (urotelio) e lesioni della mucosa che promuovono gravi infezioni batteriche ricorrenti6,7,8. Pertanto, a seconda della storia della malattia, il tessuto vescicale viene rimodellato in modo differenziale in modo da aumentare o diminuire la suscettibilità alle rUTI.

Questi fenotipi hanno portato alla nostra ipotesi che il rimodellamento della mucosa vescicale sia mediato in parte da cambiamenti epigenetici nelle cellule staminali uroteliali (USC) che incidono sulla difesa della mucosa vescicale contro le infezioni successive6,7. Pertanto, abbiamo isolato cellule epiteliali dalle vesciche di topi con storie di malattie diverse, stabilito linee USC primarie, propagate in colture cellulari e formato urotelio polarizzato e completamente differenziato in vitro, che mostrava fenotipi morfologici che somigliavano ai fenotipi di rimodellamento uroteliale osservati in vivo6 . Abbiamo identificato differenze nell'accessibilità della cromatina, nella metilazione del DNA e nelle modifiche degli istoni nelle linee USC, che corrispondevano a differenze nelle risposte trascrizionali che influenzavano la morte cellulare programmata e le risposte infiammatorie regolate dalla cicloossigenasi-2 (Cox-2) che incidono sulla suscettibilità alle rUTI. Nel complesso, il nostro studio fornisce prove epigenetiche dell’immunità epiteliale-intrinseca causata da un’infezione batterica della mucosa, che altera la risposta della mucosa vescicale alle infezioni successive, a seconda dell’esito della malattia originale. Questa scoperta potrebbe spiegare l’elevata prevalenza delle rUTI e avere importanti implicazioni terapeutiche per le infezioni batteriche croniche/ricorrenti in generale.

4,000 ohm × cm2 were then analysed (5 transwells cultured from one juvenile C3H/HeN cell line). For consistency, TER was measured 1 d after media change. c,d, Differentiated urothelia on the transwells were fixed and imaged via (c) confocal microscopy and (d) SEM to show a top-down view of the urothelium at magnification 500× (top panel) and 10,000× (bottom panel). In c, samples were stained for F-actin, the terminal differentiation marker K20 and nuclei (DAPI). e–h, The urothelia were also paraffin-embedded, sectioned and stained with hematoxylin and eosin (H&E) (e) and immunostained for K20, Ecad and DAPI (f), Upk3a, p63 and DAPI (g) or K5, K14 and DAPI (h). Representative images are shown. Data are from 2–3 independent experiments using USCs from 5 different juvenile C3H/HeN mice./p>1.5, FDR < 0.05) were analysed using GREAT. Significance was determined using the binomial test. d,e, Differences in chromatin accessibility, DNA methylation and active histone modifications, H3K27Ac and H3K4Me3, in different USCs were assessed by ATAC-seq, whole genome bisulfite sequencing (WGBS) and CUT&RUN. d, Sensitized-specific DMRs (n = 189) among naïve, resolved and sensitized USCs are visualized as a series of heat maps displaying the epigenetic landscape overlapping each DMR for DNA methylation, ATAC and active histone modifications H3K27Ac and H3K4Me3. e, Average signals 5 kb upstream and 5 kb downstream of sensitized-specific hypo-DMRs (n = 183) for WGBS, ATAC, H3K27Ac and H3K4Me3 are visualized for each cell line. Average length of DMRs is 362 base pairs. DMRs are scaled for size with ‘start’ and ‘end’ of DMRs, which are indicated as grey bars. f, Sensitized-specific hypo-DMRs were annotated according to their predicted locations in the genome (n = 183). g, A PCA plot of all DMR comparisons showing clustering of the different cell lines. h, The top 15 enriched GO terms for sensitized hypo-DMRs were analysed using GREAT (n = 183)./p>0.5, Padj <0.05 are indicated as red dots. e, Pathway analysis was used to assess the biological pathways enriched in differentially expressed genes in mock-infected sensitized relative to resolved differentiated urothelia. Significance was determined using a right-tailed Fisher's exact test, with Padj < 0.05 being considered as significantly enriched pathways. Shown are selected pathways with z-score >2 and –log(P value) >4.2 from the specific enriched pathways by IPA. Pathways overlapping between mock-infected and UPEC-infected differentiated urothelia (Extended data Fig. 8d) are underlined. f, A heat map showing programmed cell death associated genes that are differentially expressed in mock-infected naïve, resolved and sensitized differentiated urothelia. Significance of DEGs was determined using Wald test, followed by multiple test correction using Benjamini-Hochberg FDR for adjusted P value./p>104 c.f.u. ml−1 urine) at every timepoint urine was collected (1, 3, 7, 10, 14, 21 and 28 d post-infection), while resolution of cystitis was defined as urine bacterial titre dropping below this cut-off in at least one timepoint./p>4,000 ohm × cm2), cultures were washed 3 times in warm DMEM/F12 media and infected with UPEC strains at multiplicity of infection 10. Transwells were then incubated at 37 °C for 30 min, changed to media containing 100 μg ml−1 gentamicin to clear the extracellular bacteria and cultured for an extended time. After infection, apical and basolateral media were spun down at 2,000 g at 4 °C for 5 min and used for LDH assay (TaKaRa, MK401). Transwells were washed with sterile PBS, then used for various analyses./p> 1.5) and resolved-specific DARs (FC < −1.5) were separately analysed and the top 15 enriched pathways are shown in Fig. 3e–f./p>

2 and –log(p-value) > 2 from the specific enriched pathways by IPA./p>

1.5, FDR < 0.05) used for GREAT GO term analysis. Tab 2 (Fig. 3d–h). List of 189 sensitized-specific differentially methylated regions (DMRs) from naïve vs sensitized and resolved vs sensitized comparisons./p>