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胃腺中的微粒体控制幽门螺杆菌在胃部的定植

作者:Amieva

人体内的所有上皮表面都被细菌定殖。这些粘膜社区可能会提供一个健康的微生物群,又或者引发慢性炎症疾病和复发性感染。

了解细菌是如何建立足、在粘膜清除机制下生存、在有限的资源中竞争,来促进慢性定植的,对于加强有益微生物的定植和根除引起慢性感染的病原体都是至关重要的。

世界上一半的人口都是被幽门螺杆菌所感染。感染通常是在儿童时期获得的,并终生存在。虽然大多数人都是无症状的定居,但慢性幽门螺杆菌感染是发展为消化性溃疡和胃癌的最大危险因素。

为了在恶劣的胃部环境中生存,幽门螺杆菌定值在上皮细胞25μm范围内的狭窄解剖区域内,其ph值接近中性,来避开酸性腔。

幽门螺杆菌要么作为保护性粘液层内的自由游动种群生存,要么附着在上皮表面,在那里它们作为细胞相关的微克隆持续存在。附着的细菌从胃细胞中提取营养物质,以促进它们在上皮上的生长。

细胞相关的幽门螺杆菌也能深入粘膜,并在胃腺上皮表面以微克隆的形式存在。腺体的中部和底部是一个特殊的微环境,或“微粒体”,含有上皮前体和干细胞。

腺体相关细菌对宿主生物学有着深远的影响,因为它们会改变胃干细胞的增殖并诱导炎症和增生。

我们提出了新的技术,来观察和量化体内幽门螺杆菌腺体在慢性感染小鼠模型中的定殖动力学,以及这一过程是如何被宿主因子控制的。

我们生产了等基因野生型和突变的幽门螺杆菌菌株,这些菌株用荧光团的进行不同的标记,来研究慢性感染小鼠模型中腺体相关细菌的动力学。

我们在rdxA染色体位点的ureA启动子控制下,表达绿色荧光蛋白GFP,或tdTomato(tdt),分别产生Hp GFP和Hp TDT。

我们进行了全基因组测序,以评估HP gfp和HP tdt基因组之间的差异。我们发现这些基因组高度相似(99.98%的核苷酸序列一致性)。

当分别接种到小鼠体内时,两种菌株的感染水平相似,并在胃腺中定居。

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为了确定这两种菌株是否同样适合竞争,我们用108个菌落形成单位(CFU)口服给小鼠接种等量的HP-GFP和HP-TDT混合物。感染后2周,HP-GFP和HP-TDT均将小鼠定殖至相同数量。

我们发现,细菌在由数百个腺体组成的胃粘膜斑块内建立了不同的种群。这些克隆种群是由少量的创始细菌产生的,随着时间的推移扩展到邻近的腺体,并在整个慢性感染过程中持续存在。

定量分析每个定殖腺体的HP GFP与HP tdt比值表明,含有单一菌株的腺体比具有相同混合物的腺体更为普遍。

一种可能是每个胃腺都是一个离散的生态位,由一种独特的创始细菌混合而成。

为了确定这些异质的腺体群体是如何相对组织的,我们取150μm厚的纵切面(10-15 mm长)穿过合并感染的胃大弯,包括胃窦、过渡区和体区,并将这些样本进行定量共聚焦显微镜检查。我们获得了切片的高分辨率图像,平铺了重叠的扫描区域,并沿着纵向空间绘制了单个腺体内HP gfp和HP tdt的位置和数量。

大多数细菌发现于胃窦和过渡区,在体腺内的细菌很少甚至没有。对窦和过渡区的定位分析显示,单个腺体中的hp-gfp:hp-tdt的不同比率不是随机分布的,而是组织成1-2-mm区域,

其中一个区域可能含有一个独特的菌株,靠近混合比率区域。这种区域分布在多个共感染小鼠之间是正确的,尽管在比较不同小鼠甚至同一小鼠的不同部分时,区域模式是独特的。

研究表明,与腺体相关的种群岛不会在慢性感染过程中混合,这意味着它们作为稳定细菌库的作用。

与腺体相关的幽门螺杆菌是稳定的细菌贮存器,可能在表面粘膜中重新安置更多的短暂种群。

此外,幽门螺杆菌的种群表现出种内殖民抵抗,从微粒体中排除同种竞争对手。

不能定植腺体的突变体不能施加定植抗性,用抗生素清除腺体种群,可以让细菌恢复进入微粒体。

我们发现,少数细菌最初在胃腺深处建立菌落,然后扩展到邻近的腺体,形成克隆种群岛,随着时间的推移持续存在。

与腺体相关的种群不会与表面粘液中的自由游动细菌混合,它们会争夺空间,阻止新来者在胃中立足。

此外,野生型细菌比在腺体定植不足的细菌突变体更具竞争力。最后,我们发现宿主因素,如感染年龄和T细胞反应,控制腺体内的细菌密度。

我们的研究结果表明,胃腺中的微粒体含有一个持久的幽门螺杆菌库,我们建议补充表层粘膜中更多的暂时性细菌种群。

最后,我们对调节幽门螺杆菌腺体定植的宿主因子进行了描述,表明感染时的年龄和T细胞反应都会影响慢性感染期间腺体相关细菌的密度。

总之,我们的研究表明,幽门螺杆菌感染的胃粘膜是不均匀的。相反,在小鱼腺内建立稳定的种群会产生一个长期的持久性和抗定殖能力的储存库。


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参考文献

High-resolution mapping reveals that microniches in the gastric glands control Helicobacter pylori colonization of the stomach

Connie Fung, Shumin Tan, Mifuyu Nakajima, Emma C. Skoog, Luis Fernando Camarillo-Guerrero, Jessica A. Klein, Trevor D. Lawley, Jay V. Solnick, Tadashi Fukami, Manuel R. Amieva


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