髄膜炎菌感染を研究するための新しいラボモデル

抗生物薬は多くの細菌感染の治療にめちゃくちゃ効果的だけど、今の大きな問題は、一部の細菌がこれらの薬に耐性を持つようになってきてることなんだ。この耐性は深刻な世界的な健康の脅威を引き起こしてる。感染症の新しい治療法を開発するためには、これらの病気がどう働くのかをもっとよく理解して、可能な治療法を試すための強力な実験モデルを作る必要があるよ。

この研究では、髄膜菌（細菌の一種）と人間の血管の相互作用をシミュレートする実験室に基づいた三次元モデルを紹介するよ。この相互作用は、髄膜炎や敗血症のような病気を理解するのに重要なんだ。

#髄膜感染症の概要

侵襲性髄膜感染症は深刻な病気で、血流を通じて広がることがあり、バクテリアエミアと呼ばれる状態を引き起こすことがあるんだ。細菌が血液を通じて移動すると、敗血症を引き起こすことがあって、これは危険な炎症反応なんだ。敗血症のような全身性感染症の治療は、実際にこれらの感染がどう働くのかを模倣する関連する実験モデルが不足しているため、しばしば難しいんだ。スタフィロコッカス・アウレウスや大腸菌など、さまざまな細菌がそれぞれの特性に応じてさまざまな形の敗血症を引き起こすことがあるよ。

髄膜炎菌（Neisseria meningitidis）は特に髄膜炎や、紫斑性敗血症と呼ばれる重度の敗血症を引き起こすことで知られている。この病気は皮膚に変化を引き起こしたり、血管の機能に問題を生じることがあるんだ。

#実験モデルの重要性

臨床研究では、N. meningitidisが重度の皮膚反応を引き起こす方法について重要な情報が明らかになってきたけど、これは実験室モデルで再現する必要があるよ。髄膜感染症で亡くなった患者の組織の研究から、細菌が肝臓、脳、腎臓、皮膚などの重要な臓器の血管内にしばしば見つかることが分かっている。この細菌の存在は、血栓や血管壁の損傷を含む血管機能の重度の変化と関連しているから、良い実験室モデルはこの細菌が血管壁や免疫細胞とどのように相互作用するかを正確に表現し、感染中に引き起こされる損傷を模倣する必要があるんだ。

髄膜感染症は主に人間に限られているから、人間の組織を使用したモデルが必要だった。これはマウスに人間の皮膚移植を使って髄膜感染の重要な特徴を再現するモデルなんだ。このモデルは、タイプIVピリ（細菌が血管に付着するために必要な構造）を示すのに役立ってる。だけど、このモデルは新鮮な人間の組織と複雑な外科手術の技術を必要とするんだ。

別のアプローチとして、感染した人間の細胞をフラットで二次元の培養で研究する方法があった。これらのモデルは細菌と細胞の相互作用について科学者が学ぶのに役立ったけど、実際の生きている生物の血管の複雑な構造を再現することができないから、限界があったんだ。

最近の取り組みでは、実験用に合成血管を作ることに焦点を当ててる。研究者たちはヒドロゲルの中に人間の内皮細胞を埋め込んで、チューブを形成してる。これにより、機能する血管が作れるけど、形を作るコントロールがあまり効かないんだ。他の方法には、細胞を形に型取ることが含まれるけど、実際の血管の複雑で曲がりくねった形には合わないことが多い。

光アブレーション技術は、科学者が体内での見た目を反映した高度に制御された血管の形を作るための面白い解決策として登場したよ。

#新しいモデルの開発

この研究では、カスタムレーザーシステムを使って、チップ上に血管系を作成したよ。これにより、血管のサイズや形を生きている血管の複雑さに合わせて調整できるようになった。髄膜感染の重要な要素を模倣する条件を最適化して、細菌が血管に付着する方法、細胞の形状の変化、血管の損傷、免疫細胞との相互作用を再現したよ。

研究を通じて、新しい実験室モデルを既存の動物モデルと比較したんだ。私たちのアプローチは、感染が体に与える影響を研究するための動物テストの強力な代替手段を提供し、さらなる研究のための重要なツールとして役立つと思うよ。

#Vessel-on-Chipモデルの作成

N. meningitidisが血管に感染する方法を研究するために、光アブレーション技術に基づいてVessel-on-Chip（VoC）をデザインしたよ。このチップにはコラーゲンベースのゲルで満たされた中央チャネルがあって、栄養媒体や細胞を運ぶ広いチャネルに接続されている。光アブレーションプロセスは、コラーゲンゲルを正確に彫刻して血管構造を作り、内皮細胞を入れて血管のようなチューブを形成したんだ。

この設定は、栄養素の一定の流れを可能にし、細菌や免疫細胞の導入を簡単にするよ。研究の間ずっと、このモデルが人間の皮膚移植を受けた生きたマウスとどのように比較されるかを注意深く観察したんだ。

#細胞外マトリックスの重要性

生物において、細胞外マトリックスは血管組織に安定性とサポートを提供するんだ。私たちのVoCでは、コラーゲンIがこの役割を果たしていて、細胞外マトリックスの主要な成分なんだよ。コラーゲンの濃度が成長する血管の形にどのように影響するかを調べたんだ。成長が2日間続いた後、内皮細胞が血管のエッジに広がり、丸いチューブに形を変えていったよ。

また、コラーゲン濃度が低いと、細胞が血管に沿って複数の芽を形成して、高い濃度ではこの芽が減少することに気づいた。これから、コラーゲンの量と種類が内皮細胞の成長に影響を与えることが分かるね。

適切なコラーゲンの濃度を見つけた後、内皮チューブを開発できたよ。初期のデザインが四角でも、光アブレーション技術によって生き物で見られる複雑な形を再現することもできたんだ。

#浸透性の評価

髄膜感染症の重要な側面の一つは、血管の浸透性の喪失なんだ。私たちの実験モデルは、研究者が血管の整合性の変化を見て測定できることが必要なんだ。48時間後、私たちの設定内の内皮細胞が強い結合を形成したことが観察され、構築された血管の安定性が強調されたよ。また、細胞が細胞シグナリングをサポートする基底膜の重要な成分であるコラーゲンIVを生成していることも確認したんだ。

私たちのモデルが実際の血管の浸透性をどれだけ模倣しているかを評価するために、蛍光染料を注入して、VoCと生きたマウスの両方でどのように移動するかを測定したよ。芽生えた血管の数とともに浸透性の喪失が著しく増加することが分かった。私たちの結果は、VoCが生きた動物で見られるような強力なバリアを維持できることを示したんだ。

#細菌感染の観察

機能する血管モデルが整ったので、N. meningitidisの細菌を導入したら、血管壁にすぐに付着して微小コロニーを形成するのを見つけたよ。これらのコロニーはサイズや形がさまざまで、実際の感染で起こることを反映している。細菌は血管の形にうまく適応して、三次元環境での行動を観察することができたんだ。

#流れの条件と細胞の反応の研究

流れによるせん断応力は、内皮細胞の振る舞いや細菌の付着に重要な要素なんだ。私たちの設置が血流の影響を受ける方法を理解するために、生きた血管での平均せん断応力を測定して、モデルをこれらの条件を再現するように設定したよ。

通常の条件下で内皮細胞が流れの方向に沿って核を整列させることを確認した。これは実際の血管での振る舞いを模倣しているよ。核の形や向きの変化を測定することで、流れの条件が私たちのモデル内の細胞の振る舞いに影響を与えることを確認したんだ。

#細菌コロニー形態の検討

流れの条件下では、N. meningitidisのコロニーの形が大きく変わることに気づいたよ。細菌は流れの方向に沿った伸びたコロニーを形成したけど、フラットな培養で一般的に見られる円形とは異なっていた。この変化は、働いている機械的な力から生じたものだと思われるよ。

時間の経過とともにこれらのコロニーの成長を追った結果、実際の感染で見られる成長速度と同様の速さで拡大することが分かった。この情報は、細菌が感染中にどのように広がるかを理解するのに重要なんだ。

#アクチン細胞骨格反応の調査

二次元モデルでは、研究者たちが細菌コロニーが内皮細胞のアクチン細胞骨格を変える様子を文書化してきたよ。私たちの研究では、これらの効果が三次元環境にも存在するかどうかを確認することを目指したんだ。

私たちの設定内の内皮細胞は、流れがなければランダムなアクチンフィバーを示したけど、流れる条件下では整列した。この整列は素早く起こり、血流からの機械的ストレスに応じて細胞が環境に適応することを示しているんだ。

さらに、細菌コロニーの下にコルテックスプラークと呼ばれる構造が形成されるのを観察したよ。これらのアクチン再編成は、整理されたアクチンネットワークが存在するにもかかわらず明らかだったから、ストレスの多い条件でもN. meningitidisが内皮細胞に影響を与えることを強調してるね。

#好中球の動員と免疫反応

好中球という免疫細胞の存在は、髄膜感染症の重要な特徴なんだ。以前の研究では、研究者たちが好中球が感染した部位に動員されることを指摘していたよ。私たちのモデルは、この動員反応をうまく再現したんだ。

まず、内皮細胞が通常の条件下でE-セレクチンを発現しないことを確認したけど、TNFα処理やN. meningitidis感染の際にはこの重要な分子のレベルが急増したんだ。

純粋な人間の好中球を私たちのモデルに流すことで、炎症を受けた内皮にどのように付着するかを観察できたよ。TNFαと細菌感染の両方に対する血管壁に付着する好中球の数を測定したら、両方の刺激が同様の付着レベルを引き起こすことが分かったんだ。

#結論

私たちが開発したモデルは、N. meningitidisが感染中に血管とどのように相互作用するかを研究するためのユニークで強力なツールを提供するよ。生物に見られる条件を効果的にシミュレートして、細菌の行動や免疫応答の詳細な探求ができるんだ。

私たちのアプローチは、既存のモデルの短所に対処し、細菌感染を研究するための複雑な環境を提供することにもなるよ。この研究は、全身性感染症の原因となるさまざまな病原体についての未来の研究の扉を開き、科学者が血管系との相互作用を詳細でリアルな条件下で調べることを可能にするだろう。

この研究を通じて、さまざまな生物や血管の状態を研究するために適応できる多目的プラットフォームを提供して、感染症についての理解を深め、革新的な治療法の開発を支援することを目指しているんだ。