バイオミメティックヒト組織モデルを用いた感染症の長期研究

Biomimetic Human Tissue Model for Long-Term Study of Infection.

• Motaharehsadat Heydarian
• Tao Yang
• Matthias Schweinlin
• Maria Steinke
• Heike Walles
• Thomas Rudel
• Vera Kozjak-Pavlovic

抄録

淋病は世界で2番目に多い性感染症であり、グラム陰性二葉球菌によって引き起こされます。淋病はヒトに特異的な病原体であるため、動物を用いた感染モデルは限られた用途しかありません。そのため、接着、移行、深層組織への輸送を含めた完全な感染を研究するためには、適切な細胞培養モデルが必要である。本研究では、ヒト真皮線維芽細胞とヒト大腸癌細胞、子宮内膜上皮細胞、男性尿路上皮細胞を共培養し、ブタ小腸粘膜下層（SIS）足場をベースとした3つの独立した3次元組織モデルを作成した。培養した単分子膜は、経上皮電気抵抗（TEER）やFITC-デキストランアッセイなどの機能解析により、高いバリア性を有していることが示された。また、組織学的、免疫組織化学的、超構造解析の結果、3次元SIS足場モデルは、上皮単分子膜、基礎となる結合組織、粘液産生、タイトジャンクション、微小絨毛形成など、ヒト宿主における淋菌感染部位の主な特徴を忠実に再現していることが示された。その結果、ヒトの上皮単分子膜が破壊された場合には、上皮単分子膜が破壊され、その下にある結合組織が破壊されることが明らかになった。その結果、感染に伴うタイトジャンクションの破壊とインターロイキン産生の増加は、菌株および細胞型依存性であることが示された。さらに、このモデルは細菌の生存をサポートし、一般的に使用されているTranswell®モデルと比較して、数日間にわたる感染の研究に適していることが証明されました。これは主に、透過性の変化、細胞破壊、細菌のトランスミグレーションの点で、SIS足場モデルが感染に対する回復力を高めたことによるものです。要約すると、ヒト粘膜組織のSISスキャフォールドベースの3D組織モデルは、自然に近い条件下での感染症を調査するための有望なツールであることがわかります。

Gonorrhea is the second most common sexually transmitted infection in the world and is caused by Gram-negative diplococcus . Since is a human-specific pathogen, animal infection models are only of limited use. Therefore, a suitable cell culture model for studying the complete infection including adhesion, transmigration and transport to deeper tissue layers is required. In the present study, we generated three independent 3D tissue models based on porcine small intestinal submucosa (SIS) scaffold by co-culturing human dermal fibroblasts with human colorectal carcinoma, endometrial epithelial, and male uroepithelial cells. Functional analyses such as transepithelial electrical resistance (TEER) and FITC-dextran assay indicated the high barrier integrity of the created monolayer. The histological, immunohistochemical, and ultra-structural analyses showed that the 3D SIS scaffold-based models closely mimic the main characteristics of the site of gonococcal infection in human host including the epithelial monolayer, the underlying connective tissue, mucus production, tight junction, and microvilli formation. We infected the established 3D tissue models with different strains and derivatives presenting various phenotypes regarding adhesion and invasion. The results indicated that the disruption of tight junctions and increase in interleukin production in response to the infection is strain and cell type-dependent. In addition, the models supported bacterial survival and proved to be better suitable for studying infection over the course of several days in comparison to commonly used Transwell® models. This was primarily due to increased resilience of the SIS scaffold models to infection in terms of changes in permeability, cell destruction and bacterial transmigration. In summary, the SIS scaffold-based 3D tissue models of human mucosal tissues represent promising tools for investigating infections under close-to-natural conditions.