Interakcija uropatogenih bakterija i urinarnog epitela

Tokom poslednjih nekoliko decenija ustanovljeno je da mnoge bakterijske vrste, ranije konvencionalno smatrane strogo vanćelijskim patogenima, poseduju alternativan, unutarćelijski način života. U fakultativne unutarćelijske patogene spadaju sojevi uropatogene E. coli (UPEC), kao i brojne druge bakterije koje prouzrokuju infekcije urinarnog trakta (UTI). Ulaskom u urotel domaćina i izbegavanjem degradacije unutar lizozomskog sistema, uropatogene bakterije dobijaju bolji pristup resursima, ali i zaštitu od dejstva imunog sistema i antibiotika. Ovakva specifična interakcija bakterija sa urinarnim epitelom može uticati na ponovnu manifestaciju urinarne infekcije, čak i nakon primene odgovarajuće terapije. Intracelularnom invazijom ćelija domaćina, bakterije se olakšano šire unutar tkiva, ali i preko tkivnih barijera.

Interakcija uropatogene E. coli (UPEC) sa ćelijama mokraćne bešike; izvor fotografije: https://www.researchgate.net/profile/David-Rosen-27/publication/5755954/figure/fig5/AS:668670573432842@1536434896678/UPEC-IBC-Pathogenic-Pathway-Observed-in-the-Murine-Cystitis-Model-The-bladder-urothelium.png

Kada uropatogene E. coli dospeju u unutrašnjost mokraćne bešike miša, otpočinje proces ulaska bakterija u kišobranaste ćelije urotela, posredstvom specifičnih adhezivnih fimbrija (pili tipa 1). Pili tipa 1 predstavljaju filamentozne proteinske komplekse usidrene u membranu uropatogene E. coli. Svaki pilus tipa 1 predstavlja „štapić“ izgrađen od ponovljenih subjedinica FimA proteina. Na distalnom kraju svake fimbrije nalazi se FimH povezan sa FimA preko adapternih subjedinica. 

FimH igra ključnu ulogu pri ulasku UPEC u ćelije domaćina, te mutirani UPEC sojevi kojima nedostaje FimH nisu u stanju da efikasno napadnu ćelije urinarnog epitela. 

FimH poseduje mogućnost ostvarivanja interakcije sa različitim glikoproteinskim receptorima koji sadrže manozu, uključujući i membranski uroplakin 1a (UP1a). UP1a predstavlja jedan od četiri glavna proteina uroplakina unutar apikalnih membrana terminalno diferenciranih kišobranastih ćelija bešike. Tokom sazrevanja i transporta do apikalnih membrana kišobranastih ćelija, UP1a formira heksagonalne komplekse sa integralnim membranskim uroplakinima UP1b, UPII, i UPIIIa. Ovi kompleksi se dalje organizuju u plake prečnika 0.5 mikrometara. Kako su apikalne membrane kišobranastih ćelija kontinuirano izložene urinu, plake heksagonalnih uroplakina čine rigidnu barijeru koja sprečava difuziju vode i rastvorljivih supstanci. Zrele plake, međutim, locirane su i u membranama citoplazmatskih diskoidalnih (fuzionih) vezikula. Kako se bešika puni urinom, dolazi do rastezanja prelaznog epitela, te se fuzione vezikule transportuju iz citosola do površine lumena. Transportom vezikula bogatih uroplakinom do površine apikalnih membrana površinskih ćelija i njihovim međusobnim fuzionisanjem, urotel prelazi u rastegnuto stanje, čime se menja i njegova visina. Prilikom pražnjenja bešike, višak uroplakina se razgrađuje procesom kompenzatorne endocitoze. Kada se ostvari kontakt između FimH pilusa i UP1a kišobranaste ćelije, upravo je proces kompenzatorne endocitoze put kojim bakterijska ćelija ulazi u ćeliju domaćina. Iako je ovo pasivan vid ulaska u ćeliju domaćina, proces se može ubrzati sposobnošću FimH da izazove konformacione promene unutar uroplakinskih transmembranskih domena.

Pored kišobranastih, FimH mogu ostvariti interakciju i sa drugim tipovima ćelija koje ne moraju nužno posedovati uroplakine. Među brojnim glikoproteinskim receptorima koji sadrže manozu i koji mogu interagovati sa FimH, naročito se izdvajaju α3 i β1 integrini. FimH se pojedinačno vezuje za vanćelijske domene ovih integrinskih subjedinica. Heterodimeri α i β subjedinica imaju važnu ulogu u povezivanju komponenata ekstracelularnog matriksa i aktinskih filamenata ćelija urotela. Mnoge patogene bakterije mogu napasti ćelije domaćina direktnom interakcijom sa integrinima, ili udruživanjem sa proteinima ekstracelularnog matriksa. Signalne kaskade koje se pokreću nakon interakcije FimH sa integrinima modulisane su fosforilacijom serinskih, treoninskih i tirozinskih ostataka intracelularnih domena β subjedinica. Mutacije u genima koji kodiraju ove aminokiselinske ostatke unutar β1 integrina mogu ispoljiti različite efekte, stimulišući ili ometajući ulazak UPEC u ćelije domaćina.

UPEC (žuto) zakačene za kišobranaste ćelije (plavo) urotela mokraćne bešike preko velikog broja pila tipa 1;izvor fotografije: Adam J. Lewis, Amanda C. Richards and Matthew A. Mulvey. Invasion of host cells and tissues by uropathogenic bacteria. doi:10.1128/microbiolspec.UTI- 0026-2016

Elektronskom mikroskopijom mogu se uočiti UPEC koje su uz pomoć kontakta mnogobrojnih fimbrija sa heksagonalnim kompleksom uroplakina zakačene za asimetričnu apikalnu membranu površinskih ćelija mokraćne bešike. Ulazak bakterija u ćelije domaćina iziskuje rearanžman aktinskog citoskeleta kišobranastih ćelija, što dovodi do postepenog obmotavanja plazma membrane kišobranastih ćelija oko samih bakterija. Posle ulaska bakterija, transportom diskoidalnih vezikula do površine ćelije pomoću GTP-spregnutih proteina, omogućava se zatvaranje ćelijske membrane. 

Nakon prodiranja u kišobranaste ćelije urinarnog epitela mokraćne bešike miša, UPEC su upakovane u kompartmente koji podsećaju na kasne endozome. Unutar ovih kompartmenta, razmnožavanje patogena je ograničeno. Povremeno, međutim, UPEC dospevaju u citosol kišobranastih ćelija, gde zahvaljujući obilju hranljivih materija formiraju velike unutarćelijske bakterijske zajednice (IBCs), slične biofilmu. Formiranje IBC-a potpomognuto je citokeratinskim intermedijarnim filamentima kišobranastih ćelija, koji služe kao platforma koja podupire novoformiranu bakterijsku zajednicu. IBCs predstavljaju unutarćelijske bakterijske rezervoare koji u bešici mogu opstati dugo, čak i kada se domaćin leči antibioticima. Što se više unutarćelijskih bakterijskih zajednica formira tokom prva 24 časa od ulaska bakterija u ćelije, veće su šanse da će doći do razvoja hronične infekcije urinarnog trakta. Iako je razvoj IBC karakterističan prvenstveno za kišobranaste ćelije, UPEC mogu da inficiraju i druge tipove ćelija urotela. Nakon intenzivne deobe unutar kišobranastih ćelija, IBC prodiru u okolinu i formiraju filamentozne forme. Usled svoje pokretljivosti, filamentoznog oblika i rezistentnosti, UPEC lako inficiraju susedne ćelije, ali dospevaju i na relativno velike udaljenosti unutar i između ostalih ćelija domaćina.

Konfokalna mikroskopija: IBC – zeleno, UC – kišobranaste ćelije; F-aktin – crveno; izvor fotografije: Adam J. Lewis, Amanda C. Richards and Matthew A. Mulvey. Invasion of host cells and tissues by uropathogenic bacteria. doi:10.1128/microbiolspec.UTI- 0026-2016

 

Bolje razumevanje mehanizama i posledica interakcije uropatogenih bakterija i urotela, može doprineti prevenciji razvoja hroničnih urinarnih infekcija, ali i unapređivanju novih metoda lečenja i tretiranja UTI pacijenata.

Izvori:

• Adam J. Lewis, Amanda C. Richards and Matthew A. Mulvey. Invasion of host cells and tissues by uropathogenic bacteria. doi:10.1128/microbiolspec.UTI- 0026-2016