According to the WHO, foodborne derived enteric infections are a global disease burden and often manifest in diseases that can potentially reach life threatening levels, especially in developing countries. These diseases are caused by a variety of enteric pathogens and affect the gastrointestinal tract, from the gastric to the intestinal to the rectal tissue. Although the complex mucosal structure of these organs is usually well prepared to defend the body against harmful agents, specialised pathogens such as Salmonella enterica can overcome the intestinal defence mechanism. After ingestion, Salmonella are capable of colonising the gut and establishing their proliferative niche, thereby leading to inflammatory processes and tissue damage of the host epithelium. In order to understand these processes, the scientific community in the last decades mostly used cell line based in vitro approaches or in vivo animal studies. Although these approaches provide fundamental insights into the interactions between bacteria and host cells, they have limited applicability to human pathology. Therefore, tissue engineered primary based approaches are important for modern infection research. They exhibit the human complexity better than traditional cell lines and can mimic human-obligate processes in contrast to animal studies.
Therefore, in this study a tissue engineered human primary model of the small intestinal epithelium was established for the application of enteric infection research with the exemplary pathogen Salmonella Typhimurium.
To this purpose, adult stem cell derived intestinal organoids were used as a primary human cell source to generate monolayers on biological or synthetic scaffolds in a Transwell®-like setting. These tissue models of the intestinal epithelium were examined for their comparability to the native tissue in terms of morphology, morphometry and barrier function. Further, the gene expression profiles of organotypical mucins, tight junction-associated proteins and claudins were investigated. Overall, the biological scaffold-based tissue models showed higher similarity to the native tissue - among others in morphometry and polarisation. Therefore, these models were further characterised on cellular and structural level. Ultrastructural analysis demonstrated the establishment of characteristic microvilli and tight-junction connections between individual epithelial cells. Furthermore, the expression pattern of typical intestinal epithelial protein was addressed and showed in vivo-like localisation. Interested in the cell type composition, single cell transcriptomic profiling revealed distinct cell types including proliferative cells and stem cells, progenitors, cellular entities of the absorptive lineage, Enterocytes and Microfold-like cells. Cells of the secretory lineage were also annotated, but without distinct canonical gene expression patterns. With the organotypical polarisation, protein expression, structural features and the heterogeneous cell composition including the rare Microfold-like cells, the biological scaffold-based tissue model of the intestinal epithelium demonstrates key requisites needed for infection studies with Salmonella.
In a second part of this study, a suitable infection protocol of the epithelial tissue model with Salmonella Typhimurium was established, followed by the examination of key features of the infection process. Salmonella adhered to the epithelial microvilli and induced typical membrane ruffling during invasion; interestingly the individual steps of invasion could be observed. After invasion, time course analysis showed that Salmonella resided and proliferated intracellularly, while simultaneously migrating from the apical to the basolateral side of the infected cell. Furthermore, the bacterial morphology changed to a filamentous phenotype; especially when the models have been analysed at late time points after infection. The epithelial cells on the other side released the cytokines Interleukin 8 and Tumour Necrosis Factor α upon bacterial infection in a time-dependent manner. Taken together, Salmonella infection of the intestinal epithelial tissue model recapitulates important steps of the infection process as described in the literature, and hence demonstrates a valid in vitro platform for the investigation of the Salmonella infection process in the human context.
During the infection process, intracellular Salmonella populations varied in their bacterial number, which could be attributed to increased intracellular proliferation and demonstrated thereby a heterogeneous behaviour of Salmonella in individual cells. Furthermore, by the application of single cell transcriptomic profiling, the upregulation of Olfactomedin-4 (OLFM4) gene expression was detected; OLFM4 is a protein involved in various functions including cell immunity as well as proliferating signalling pathways and is often used as intestinal stem cell marker. This OLFM4 upregulation was time-dependent, restricted to Salmonella infected cells and seemed to increase with bacterial mass. Investigating the OLFM4 regulatory mechanism, nuclear factor κB induced upregulation could be excluded, whereas inhibition of the Notch signalling led to a decrease of OLFM4 gene and protein expression. Furthermore, Notch inhibition resulted in decreased filamentous Salmonella formation. Taken together, by the use of the introduced primary epithelial tissue model, a heterogeneous intracellular bacterial behaviour was observed and a so far overlooked host cell response – the expression of OLFM4 by individual infected cells – could be identified; although Salmonella Typhimurium is one of the best-studied enteric pathogenic bacteria. This proves the applicability of the introduced tissue model in enteric infection research as well as the importance of new approaches in order to decipher host-pathogen interactions with higher relevance to the host. / Nach Angaben der WHO stellen lebensmittelbedingte Darminfektionen eine globale Krankheitslast dar und äußern sich häufig in Krankheiten, die potenziell lebensbedrohliche Ausmaße annehmen können, insbesondere in Entwicklungsländern. Diese Krankheiten werden durch eine Vielzahl von enterischen Erregern verursacht und betreffen den Magen-Darm-Trakt, vom Magen über den Darm bis zum Enddarm. Obwohl die komplexe Schleimhautstruktur dieser Organe in der Regel gut darauf vorbereitet ist, den Körper vor schädlichen Reagenzien zu schützen, können spezialisierte Erreger wie Salmonella enterica den Abwehrmechanismus des Darms überwinden. Nach der Nahrungsaufnahme sind Salmonellen in der Lage, den Darm zu kolonisieren und ihre proliferative Nische zu etablieren, was letztlich zu entzündlichen Prozessen und Gewebeschäden des Wirtsepithels führt. Um diese Prozesse zu verstehen, hat die Wissenschaft in den letzten Jahrzehnten hauptsächlich auf Krebslinien basierende in vitro-Ansätze oder in vivo-Tierstudien verwendet. Obwohl diese Ansätze grundlegende Erkenntnisse über die Wechselwirkungen zwischen Bakterien und Wirtszellen lieferten, sind sie nur begrenzt auf die Pathologie des Menschen übertragbar. Daher sind Tissue engineering und primärzellbasierte Ansätze für die moderne Infektionsforschung wichtig. Sie spiegeln die menschliche Komplexität besser wider als Ansätze mit Krebszellen und können im Gegensatz zu Tierversuchen human-obligate Prozesse nachbilden.
Daher wurde in dieser Studie ein tissue engineered humanes Primärmodell des Dünndarmepithels für die Anwendung in der enterischen Infektionsforschung am Beispiel des Erregers Salmonella Typhimurium etabliert.
Zu diesem Zweck wurden aus adulten Stammzellen gewonnene Darmorganoide als primäre humane Zellquelle verwendet, um 2D-Monolayer auf biologischen oder synthetischen Trägestrukturen in einer Transwell®-ähnlichen Umgebung zu erzeugen. Die so erzeugten Gewebemodelle des Darmepithels wurden auf ihre Vergleichbarkeit mit dem nativen Gewebe in Bezug auf Morphologie, Morphometrie und Barrierefunktion untersucht. Weiterhin wurde die Genexpression von organtypischen Muzinen, Tight Junction-assoziierten Proteinen und Claudinen sowie das Expressionsmuster der Tight Junction-Proteine untersucht. Insgesamt wiesen die auf biologischen Matrizes basierenden Gewebemodelle eine größere Ähnlichkeit mit dem nativen Gewebe auf - unter anderem in Bezug auf Morphometrie und Polarisation -, weshalb diese Modelle auf zellulärer und struktureller Ebene tiefgehender charakterisiert wurden. Die ultrastrukturelle Analyse zeigte die Ausbildung charakteristischer Mikrovilli und Tight-Junction-Verbindungen zwischen einzelnen Epithelzellen. Darüber hinaus wurden die Expressionsmuster typischer Darmepithelproteine untersucht, die eine in vivo ähnliche Lokalisation aufwiesen. Im Hinblick auf die Zelltypenzusammensetzung ergab die Analyse des Transkriptoms auf Einzel-Zell-Ebene definierte Zelltypen. Dies waren Zellen mit proliferativem Profil, Stammzellen und Vorläuferzellen, und Zellen der absorptiven Linie, Enterozyten und Microfold-Zellen. Zellen der sekretorischen Linie wurden ebenfalls annotiert, jedoch ohne eindeutige kanonische Genexpression. Mit der organotypischen Polarisierung, der Proteinexpression, den strukturellen Merkmalen und der heterogenen Zellzusammensetzung, einschließlich der seltenen Microfold-Zellen, weist das auf einer biologischen Matrix basierende Gewebemodell des Darmepithels die wichtigsten Voraussetzungen für Infektionsstudien mit Salmonellen auf.
Im zweiten Teil dieser Studie wurde ein geeignetes Infektionsprotokoll für das Epithelgewebemodell mit Salmonella Typhimurium erstellt, gefolgt von der Untersuchung der wichtigsten Merkmale des Infektionsprozesses. Salmonella hafteten an den epithelialen Mikrovilli und verursachten während der Invasion das typische Membran-Kräuseln; interessanterweise konnten die Schritte der Invasion einzeln beobachtet werden. Nach der Invasion zeigte die Zeitverlaufsanalyse der Infektion, dass die Salmonellen intrazellulär lokalisierten und replizierten, während sie gleichzeitig von der apikalen zur basolateralen Seite der infizierten Zelle migrierten. Darüber hinaus veränderte sich die Morphologie der Bakterien in der Spätphase der Infektion zu einem filamentösen Phänotyp. Die Epithelzellen auf der anderen Seite setzten nach der bakteriellen Infektion zeitabhängig die Zytokine Interleukin 8 und Tumor-Nekrose-Faktor-α frei. Insgesamt rekapituliert die Salmonelleninfektion des intestinalen Epithelgewebemodells wichtige Schritte des Infektionsprozesses, wie sie in der Literatur beschrieben sind und stellt somit eine valide in vitro Plattform für die Untersuchung des Salmonelleninfektionsprozesses in einem menschlichen Kontext dar.
Interessanterweise variierten die intrazellulären Salmonellenpopulationen während des Infektionsprozesses in ihrer Bakterienzahl, was auf eine erhöhte intrazelluläre Proliferation zurückgeführt werden konnte und somit ein heterogenes Verhalten der Salmonellen in einzelnen Zellen demonstriert. Darüber hinaus wurde durch die Anwendung von Einzel-Zell-Transkriptom-Analysen die Hochregulierung der Genexpression von Olfactomedin-4 (OLFM4) nachgewiesen; OLFM4 ist ein Protein mit verschiedenen Funktionen, darunter Prozesse der Zellimmunität sowie proliferierende Signalwege, und es wird häufig als Darmstammzellmarker verwendet. Diese OLFM4-Hochregulierung war zeitabhängig, auf mit Salmonella infizierten Zellen beschränkt und schien mit der intrazellulären Bakterienmasse zuzunehmen. Bei der Untersuchung der OLFM4-Regulationsmechanismen konnte eine nuclear factor κB-induzierte Hochregulierung ausgeschlossen werden, während die Hemmung der Notch-Signalübertragung zu einem Rückgang der OLFM4-Gen- und Proteinexpression führte. Darüber hinaus führte die Hemmung von Notch zu einer verminderten Bildung von filamentösen Salmonella. Insgesamt konnte durch die Verwendung des hier eingeführten primären Epithelgewebemodells ein heterogenes intrazelluläres bakterielles Verhalten beobachtet und eine bisher übersehene Wirtszellantwort - die Expression von OLFM4 durch einzelne infizierte Zellen - bei einem der am besten untersuchten enterischen Pathogene identifiziert werden. Dies beweist die Anwendbarkeit des vorgestellten Gewebemodells in der enterischen Infektionsforschung sowie die Bedeutung neuer Ansätze zur Entschlüsselung von Wirt-Pathogen-Interaktionen mit höherer Relevanz für den Wirt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:31154 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Däullary, Thomas |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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