Nuovo modello di laboratorio per studiare le infezioni da meningococco

Gli antibiotici sono molto efficaci nel trattare molte infezioni batteriche, ma oggi c'è un grosso problema: alcuni batteri stanno diventando resistenti a questi farmaci. Questa resistenza rappresenta una seria minaccia per la salute globale. Per sviluppare nuovi modi per trattare le infezioni, dobbiamo capire meglio come funzionano queste malattie e creare modelli sperimentali solidi per testare i potenziali trattamenti.

In questo studio, presentiamo un modello tridimensionale basato in laboratorio che simula l'interazione tra i meningococchi, un tipo di batterio, e i vasi sanguigni umani. Questa interazione è cruciale per comprendere malattie come la sepsi e la meningite, che possono essere causate da questo specifico batterio.

#Panoramica della malattia meningococcica

La malattia meningococcica invasiva è una malattia seria che può diffondersi attraverso il sangue, portando a una condizione chiamata batteriemia. Quando i batteri si muovono nel sangue, possono scatenare la sepsi, che è una pericolosa risposta infiammatoria. Trattare infezioni sistemiche come la sepsi è spesso difficile perché non ci sono abbastanza modelli di laboratorio rilevanti che imitano come funzionano effettivamente queste infezioni. Diversi tipi di batteri, tra cui Staphylococcus aureus ed E. coli, possono causare varie forme di sepsi a seconda delle loro proprietà individuali.

Neisseria meningitidis è nota in particolare per causare meningite e una forma grave di sepsi chiamata purpura fulminans, che porta a cambiamenti cutanei e problemi nella funzione dei vasi sanguigni.

#Importanza dei modelli sperimentali

La ricerca clinica ha scoperto informazioni importanti su come N. meningitidis provoca gravi reazioni cutanee che devono essere replicate nei modelli di laboratorio. Studi su tessuti di pazienti deceduti per malattia meningococcica hanno mostrato che i batteri si trovano spesso all'interno dei vasi sanguigni in organi importanti come fegato, cervello, reni e pelle. La presenza di questi batteri è collegata a gravi cambiamenti nella funzione dei vasi, tra cui coaguli di sangue e danni alla parete del vaso. Pertanto, un buon modello di laboratorio dovrebbe rappresentare accuratamente come questo batterio interagisce con le pareti dei vasi sanguigni e le cellule immunitarie, mimando anche i danni causati durante l'infezione.

Le infezioni meningococciche sono per lo più limitate agli esseri umani, motivo per cui era necessario un modello che utilizzasse tessuto umano. Questo modello ha utilizzato innesti di pelle umana su topi per ricreare caratteristiche chiave dell'infezione meningococcica. Si è rivelato utile per dimostrare come alcune strutture batteriche chiamate pili di tipo IV siano essenziali affinché i batteri si attacchino ai vasi sanguigni. Anche se questo modello fornisce l'ambiente tissutale giusto, richiede tessuto umano fresco e tecniche chirurgiche complesse.

Un altro approccio ha coinvolto lo studio di cellule umane infettate in colture piatte e bidimensionali. Anche se questi modelli hanno aiutato gli scienziati a comprendere le interazioni tra batteri e cellule, non riescono a replicare la struttura complessa dei vasi sanguigni trovati negli organismi viventi.

Recenti sforzi si sono concentrati sulla creazione di vasi sanguigni sintetici per esperimenti. I ricercatori hanno incorporato Cellule Endoteliali umane all'interno di idrogeli per formare tubi. Anche se questa tecnica produce vasi sanguigni funzionanti, non consente molto controllo sulle forme create. Altri metodi hanno incluso la modellazione delle cellule in forme, ma spesso non corrispondono alle complesse e tortuose forme dei veri vasi sanguigni.

Tecniche di fotoablazione sono emerse come una soluzione interessante, consentendo agli scienziati di creare forme di vasi sanguigni altamente controllate che riflettono anche come appaiono nel corpo.

#Sviluppo di un nuovo modello

In questo studio, abbiamo utilizzato un sistema laser personalizzato per creare un sistema vascolare su un chip, permettendoci di regolare dimensione e forma dei vasi per adattarli alla complessità dei vasi sanguigni vivi. Abbiamo ottimizzato le condizioni per imitare fattori chiave nelle infezioni meningococciche, inclusi come i batteri si attaccano ai vasi, i cambiamenti nella forma delle cellule, i danni ai vasi sanguigni e le interazioni con le cellule immunitarie.

Abbiamo confrontato il nostro nuovo modello di laboratorio con modelli animali esistenti durante la nostra ricerca. Il nostro approccio offre una valida alternativa ai test sugli animali nello studio di come le infezioni influenzano il corpo e può servire come strumento importante per ulteriori ricerche.

#Creazione del modello Vessel-on-Chip

Per studiare come N. meningitidis infetta i vasi sanguigni, abbiamo progettato un modello Vessel-on-Chip (VoC) basato sulla tecnologia di fotoablazione. Il chip ha un canale centrale riempito con un gel a base di Collagene e connesso a canali più larghi che trasportano mezzi nutrienti e cellule. Il processo di fotoablazione scolpisce con precisione il gel di collagene per creare una struttura vascolare, che viene poi popolata con cellule endoteliali per formare tubi simili a vasi sanguigni.

Il setup consente un flusso costante di nutrienti e una facile introduzione di batteri e cellule immunitarie. Durante questo studio, abbiamo monitorato attentamente come questo modello si confrontava con topi vivi con innesti di pelle umana.

#Importanza della matrice extracellulare

Negli organismi viventi, la matrice extracellulare fornisce stabilità e supporto ai tessuti sanguigni. Nel nostro VoC, il collagene I svolge questo ruolo poiché è il componente principale della matrice extracellulare. Abbiamo esaminato come la concentrazione di collagene influisce sulla forma dei vasi sanguigni in crescita. Dopo due giorni di crescita, le cellule endoteliali si sono distese lungo i bordi dei vasi, rimodellandoli in tubi rotondi.

Abbiamo anche notato che, a concentrazioni più basse di collagene, le cellule formavano più germogli lungo i vasi, mentre concentrazioni più elevate riducevano questa gemmazione. Questo suggerisce che sia la quantità sia il tipo di collagene influenzano come crescono le cellule endoteliali.

Una volta trovata la giusta concentrazione di collagene, abbiamo sviluppato tubi endoteliali, anche se il design iniziale era quadrato. La tecnica di fotoablazione ci ha anche permesso di ricreare forme complesse viste negli organismi viventi.

#Valutazione della permeabilità

Un aspetto critico dell'infezione meningococcica è la perdita di permeabilità dei vasi sanguigni. I nostri modelli sperimentali devono consentire ai ricercatori di vedere e misurare questo cambiamento nell'integrità del vaso. Dopo 48 ore, abbiamo osservato che le cellule endoteliali nel nostro setup formavano forti connessioni, evidenziando la stabilità dei vasi sanguigni costruiti. Abbiamo anche confermato che le cellule stavano producendo collagene IV, un componente importante della membrana basale che supporta la segnalazione cellulare.

Per valutare quanto bene il nostro modello imitasse la permeabilità dei veri vasi sanguigni, abbiamo iniettato un colorante fluorescente per misurare come si muovesse attraverso il nostro VoC e topi vivi. Abbiamo notato che la perdita di permeabilità aumentava significativamente con il numero di vasi germoglianti. I nostri risultati hanno mostrato che il VoC poteva mantenere una barriera forte simile a quella osservata negli animali vivi.

#Osservazione dell'infezione batterica

Con un modello di vaso sanguigno funzionante in atto, abbiamo introdotto i batteri N. meningitidis e abbiamo scoperto che si attaccavano facilmente alle pareti dei vasi, formando microcolonie. Queste colonie variavano in dimensione e forma, rispecchiando ciò che accade nelle vere infezioni. I batteri si adattavano efficacemente alle forme dei vasi, il che ci ha permesso di osservare il loro comportamento in un ambiente tridimensionale.

#Studio delle condizioni di flusso e delle risposte cellulari

Lo stress di taglio mediato dal flusso è un fattore importante nel comportamento delle cellule endoteliali e nell'adesione dei batteri. Per capire come il flusso sanguigno influisse sul nostro setup, abbiamo misurato lo stress di taglio medio nei vasi vivi e impostato il nostro modello per replicare queste condizioni.

Abbiamo scoperto che le cellule endoteliali allineavano i loro nuclei nella direzione del flusso quando sottoposti a condizioni normali, mimando come si comportano nei veri vasi sanguigni. Misurando i cambiamenti nella forma nucleare e nell'orientamento, abbiamo confermato che le condizioni di flusso influenzavano il comportamento cellulare nel nostro modello.

#Esaminare la morfologia delle colonie batteriche

Abbiamo notato che sotto condizioni di flusso, la forma delle colonie di N. meningitidis cambiava significativamente. I batteri formavano colonie allungate che si allineavano con la direzione del flusso, a differenza delle forme circolari tipicamente viste nelle colture piatte. Questo cambiamento probabilmente derivava dalle forze meccaniche in gioco.

Abbiamo seguito la crescita di queste colonie nel tempo e abbiamo scoperto che si espandevano a un ritmo simile a quello osservato nelle vere infezioni. Queste informazioni sono cruciali per capire come i batteri si propagano durante le infezioni.

#Indagare la risposta del citoscheletro dell'actina

Nei modelli bidimensionali, i ricercatori hanno documentato come le colonie batteriche possano cambiare il citoscheletro dell'actina nelle cellule endoteliali. Il nostro studio mirava a determinare se questi effetti fossero presenti anche in un ambiente tridimensionale.

Le cellule endoteliali nel nostro setup mostrano fibre di actina casuali senza flusso, ma diventano allineate in condizioni di flusso. Questa allineamento avviene rapidamente, indicando che le cellule si adattano al loro ambiente in risposta allo stress meccanico del flusso sanguigno.

Inoltre, abbiamo osservato strutture chiamate placche corticali che si formavano sotto le colonie batteriche. Queste riorganizzazioni dell'actina erano evidenti nonostante la presenza di una rete di actina ben organizzata, sottolineando l'impatto di N. meningitidis sulle cellule endoteliali anche in condizioni di stress.

#Reclutamento dei Neutrofili e risposta immunitaria

La presenza di neutrofili, un tipo di cellula immunitaria, è una caratteristica chiave delle infezioni meningococciche. In studi precedenti, i ricercatori hanno notato che i neutrofili vengono reclutati nelle aree infette. Il nostro modello ha replicato con successo questa risposta di reclutamento.

Abbiamo prima stabilito che le cellule endoteliali non esprimevano E-selettina in condizioni normali, ma i livelli di questa importante molecola sono aumentati durante il trattamento con TNFα e l'infezione da N. meningitidis.

Fluendo neutrofili umani purificati attraverso il nostro modello, abbiamo potuto osservare come si attaccano all'endotelio infiammato. Abbiamo misurato il numero di neutrofili che si attaccano alle pareti dei vasi in risposta sia a TNFα che all'infezione batterica, scoprendo che entrambi gli stimoli portavano a livelli di adesione simili.

#Conclusione

Il modello che abbiamo sviluppato offre uno strumento unico e potente per studiare come N. meningitidis interagisce con i vasi sanguigni durante l'infezione. Simula efficacemente le condizioni trovate negli organismi viventi, consentendo un'esplorazione approfondita del comportamento batterico e della risposta immunitaria.

Il nostro approccio affronta anche le carenze dei modelli esistenti fornendo un ambiente complesso per studiare le infezioni batteriche. Questo lavoro apre la strada a future ricerche su vari patogeni responsabili di infezioni sistemiche, consentendo agli scienziati di esaminare come i batteri interagiscono con il sistema vascolare in ambienti dettagliati e realistici.

Attraverso questa ricerca, forniamo una piattaforma versatile che può adattarsi per studiare diversi organismi e condizioni vascolari, favorendo una comprensione più profonda delle infezioni e supportando lo sviluppo di trattamenti innovativi.