Сальмонелла - грамотрицательный патоген пищевого происхождения, способный инфицировать широкий спектр видов.
В зависимости от серовара и инфицированного хозяина, сальмонеллы могут вызывать заболевания с различными клиническими симптомами, начиная от расстройств пищеварительного тракта (гастроэнтерита), вызываемых сероварами, не имеющими ограничений по хозяину, такими как Enteritidis или Typhimurium, до инвазивных тифоподобных заболеваний, вызываемых сероварами, имеющими ограничения по хозяину, такими как Typhi или Gallinarum.
Для успешного развития инфекции энтеральные патогены, такие как Salmonella, должны чувствовать и реагировать на новую среду обитания хозяина, чтобы регулировать экспрессию критических факторов вирулентности, таких как жгутики, фимбрии, инвазины и секреторные системы, присутствующие в островах патогенности Salmonella (SPI), для активного достижения, прикрепления и вторжения в клетки хозяина. Интересно, что аллельные вариации этих факторов вирулентности часто напрямую связаны с явлением специфичности хозяина.
После адгезии к поверхности клетки хозяина сальмонелла активно вторгается и выживает внутриклеточно в фагоцитирующих и нефагоцитирующих клетках. Большинство исследований ранних стадий инфекции Salmonella сосредоточено на прямом взаимодействии с клетками хозяина, такими как энтероциты, М-клетки или макрофаги, во многих случаях с использованием моделей иммортализованных клеточных линий. Однако колонизация желудочно-кишечного тракта энтеральными патогенами всегда происходит в более широком контексте, в значительной степени определяемом специфической для хозяина микробиотой кишечника, которая может сильно влиять на взаимодействие хозяина и патогена. Микробиом кишечника, по-видимому, является одним из критических факторов устойчивости к колонизации энтеральными патогенами, однако точный механизм до конца не выяснен.
В ЖКТ обитают триллионы микробов, включая сложные бактериальные, грибковые и вирусные популяции, поэтому полная модель инфекции должна включать взаимодействие между хозяином, его микробиотой и инфицирующим патогеном, что определяет специфический треугольник взаимодействия. На бактерии приходится около 93% уникального генного репертуара микробиома, на вирусы - менее 6%, а на грибы - около 0,1% (Shkoporov and Hill, 2019). Несмотря на недавние исследования, демонстрирующие важную роль вирусной и грибковой микробиоты, данный обзор посвящен самой большой части микробиома - бактериям.
Bacteroidetes и Firmicutes доминируют в кишечнике человека, составляя до 90% бактерий в кишечнике взрослого человека (Jandhyala et al., 2015), однако их состав меняется в течение жизни. Среди триллионов микроорганизмов, населяющих кишечник человека, насчитывается более 1000 видов, не менее 160 видов бактерий на человека и в 100 раз больше генов, чем в геноме человека. Сложность и разнообразие микробиома определяются множеством факторов, таких как возраст, генетика, диета, фармакологическое воздействие и общий образ жизни.
Существуют две основные характеристики микробных сообществ, которые, как предполагается, опосредуют устойчивость к патогенам: видовое богатство сообщества и состав сообщества. Здоровый и сбалансированный микробиом кишечника обеспечивает множество преимуществ для хозяина, таких как правильное развитие иммунной системы, стимуляция правильного развития клеток кишечного тракта, поглощение питательных веществ, поддержка выработки витаминов и, наконец, защита от патогенных инфекций. Нарушение микробиоты (известное как дисбиоз), вызванное различными факторами, такими как лечение антибиотиками или несбалансированное питание, способствует инфицированию различными патогенами, включая Salmonella. Микроорганизмы кишечника способствуют колонизационной резистентности, конкурируя с патогенами за питательные вещества, праймируя, модулируя иммунную систему хозяина и непосредственно воздействуя на другие микробы с помощью метаболитов. Кроме того, микробиота может действовать как физический барьер против вторжения бактерий, блокируя доступ патогенов к эпителиальному слою и активно стимулирует клетки Панета для производства антимикробных пептидов (AMPs).
Несмотря на многочисленные исследования, до сих пор остается много неизвестного о влиянии нарушений в кишечной микробиоте на восприимчивость хозяина к вторжению патогенов. Энтеральные патогены, такие как Salmonella, могут интенсивно взаимодействовать с кишечной микробиотой, тем самым влияя на состав микробиома, что изменяет исход инфекции. Здоровый и сбалансированный кишечный микробиом приносит пользу человеку, в то время как нарушение микробиоты способствует патогенным инфекциям. Энтеральные патогены также могут конкурировать с микробиомом за питательные вещества и экологические ниши. Это динамичное, сложное и комплексное взаимодействие заставляет переосмыслить традиционный подход к взаимодействию хозяина и патогена.
За прошедшие годы возникло несколько вопросов без ответов о взаимодействии сальмонеллы и хозяина с микробиомом. Для решения этих вопросов и понимания трехсторонней игры между патогеном, хозяином и микробиотой было разработано множество различных моделей инфекции. Эти модели варьируют от простейших экспериментов, имитирующих условия окружающей среды с использованием специальных ростовых сред, до взаимодействия in vitro с клеточными линиями и трехмерными органоидными структурами, сложными системами "кишечник на чипе" и заканчивая различными моделями животных.
В данном обзоре рассматриваются текущие знания, а также достоинства и ограничения моделей in vitro и in vivo, используемых для изучения взаимодействия Salmonella-хозяин-микробиом. Исследования, охватывающие трехсторонний игровой процесс между хозяином, его микробиотой и инфицирующим патогеном, дают уникальную возможность глубоко понять, что на самом деле происходит во время патогенной инфекции.
Многие из различных экспериментальных моделей, упомянутых в этом обзоре, позволили нам исследовать это сложное взаимодействие и в конечном итоге добавить новые данные в область патогенных инфекций. Чтобы соблюсти баланс между затратами и потенциальной выгодой, следует точно определить потребности и ожидания исследователя. Представляется разумным начать с дешевых и относительно простых в использовании моделей, а затем творчески сочетать вышеупомянутые модели in vitro и in vivo. Использование органоидов и кишечника-на-чипе может поднять взаимодействие in vitro в контексте микробиоты на более высокий уровень сложности.
Еще один шаг вперед - генетически модифицированные клеточные линии и животные с усиленной или подавленной экспрессией специфических рецепторов, которые могут влиять как на микробиоту, так и на поведение патогенов. Другой интересной идеей является изучение молекулярных деталей на уровне отдельных клеток с помощью высокопроизводительных методов, которые позволяют проводить скрининг целых популяций микроорганизмов и хозяев. Сравнение различных моделей при решении экспериментального вопроса может принести полный, всесторонний набор информации, начиная с молекулярных событий на уровне конкретной клетки и заканчивая мониторингом инфекции животных с точки зрения популяций. Наконец, объединение сложных методов биоинформатики с традиционной экспериментальной частью может пролить новый свет на этот треугольник взаимодействий хозяин-патоген-микробиота.
