Desenvolupament de models experimentals murins per a l’avaluació de la virulència i patogenicitat de soques d’Escherichia coli

Abstract

Les infeccions urinàries constitueixen una de les infeccions bacterianes més freqüents tant en la comunitat com en l'àmbit hospitalari, que afecten dones sanes i pacients amb factors predisponents. Escherichia coli és sens dubte l'agent causal més freqüent d'aquestes infeccions. El qual també, s'ha constatat com a causant d’altres infeccions extraintestinals com ara colecistitis, peritonitis, meningitis i sèpsia. Paradoxalment, E. coli és el principal component de la flora facultativa comensal de l'intestí humà i altres animals. Basant-se en tècniques moleculars s'ha demostrat que aquesta espècie pot dividir-se principalment en quatre grups filogenètics principals: A, B1, B2 i D. S’ha pogut comprovar que les infeccions extraintestinals estan causades majoritàriament per soques del filogrup B2 i en menor proporció del D. D'altra banda s'ha pogut demostrar en diversos estudis experimentals i de correlació estadística, que les soques d'aquests filogrups associades a infecció porten amb més freqüència un conjunt de factors de virulència als que s’atribueixen les funcions patogèniques; com són les adhesines, els quelants de ferro, les toxines, les càpsules i d’altres. No obstant això, hi ha observacions que posen en qüestió aquestes troballes, com és el fet que amb certa freqüència soques dels filogrups A i B1, portadores d'escassos factors de virulència, causin infeccions urinàries i sèpsia en persones sanes. Això, i estudis específics per a cadascun d’aquest factors han qüestionat el seu valor patogènic; considerats de forma aïllada o col·lectivament. La forta correlació entre el filogrup i l'acció patògena podria indicar la presència de factors de virulència desconeguts i la importància de la seva associació. En aquest context, l’única manera de conèixer si una soca és capaç de fer infeccions extraintestinals i en particular infeccions urinàries, és avaluar-les en models experimentals, amb aquesta finalitat s’han descrit dos models in vivo. El primer d’ells, valora la capacitat de causar infecció generalitzada una vegada s’han sobrepassat les barreres naturals de l’hoste, i de permetre la disseminació del patogen al sistema circulatori i causant bacterièmia o septicèmia. Mentre que el segon model, d’infecció urinària ascendent, avalua el potencial virulent i patogen en el sistema urinari. I la capacitat del bacteri per ascendir des de la bufeta fins als ronyons quan no s’apliquen pautes terapèutiques per a contenir la infecció urinària de les vies baixes. Per tant, els principals objectius d'aquesta tesi doctoral han estat: i) determinar el grup filogenètic, els factors de virulència i altres característiques biològiques d’un grup de soques d’E. coli d’origen urinari i intestinal; amb la finalitat de seleccionar les soques utilitzades per als estudis amb els models experimentals in vivo; ii) estandarditzar dos models murins d’experimentació animal per a l’avaluació d’infeccions extraintestinals causades per E. coli i iii) avaluar el potencial virulent i patogen en els dos models murins de les soques d’E. coli prèviament seleccionades. El treball realitzat han permès incorporar en el grup de Microbiologia de l’Institut de Recerca Vall d’Hebron, dins del Servei de Microbiologia del Hospital Universitari Vall d’Hebron; dos models experimentals murins per a l’avaluació de la virulència i patogenicitat de soques d’E. coli. Així mateix, també ha permès la caracterització in vitro d’un grup de soques heterogènies, aportant les primeres proves de conceptes dels models. Els dos models murins estandarditzats i les dades aportades per aquesta tesi obren futures vies de treball com són: i) estudis de virulència de microorganismes causants de sèpsies o infecció urinària, ii) monitorització d’infeccions extraintestinals per a la determinació de la implicació específica de determinants de virulència mitjançant tecnologies d’expressió in vivo o assajos de competició de mutants, iii) avaluació de la eficàcia, la farmacocinètica i la farmacodinàmica de nous antimicrobianes, entre altres.

Urinary tract infections are one of the most common bacterial infections in the community and in hospitals, affecting healthy women and patients with predisposing factors. Escherichia coli is certainly the most common casual agent of these infections, which also is the cause of other extraintestinal infections such as cholecystitis, peritonitis, meningitis and sepsis. Paradoxically, E. coli is the main component of facultative commensal flora of the human intestine and other animals. Using molecular techniques it has been proven that this specie can be divided into four main phylogenetic groups, named A, B1, B2 and D. The majority of the extraintestinal infections are caused by strains from phylogenetic group B2 and in a less extent by group D strains. Moreover, several experimental studies and statistical correlations have demonstrated that the strains associated to infections, present more often a set of virulence factors attributed to features such as pathogenic adhesins, iron chelates, toxins, and capsules, among others. However, some observations are calling into question these results; such as the fact that frequently strains from phylogenetic groups A and B1 (carriers of fewer virulence factors) cause urinary tract infections and sepsis in healthy people. Because of this result and other studies carried out for each of the virulence factors, the pathogenic value of the factors, singly and collectively, has been questioned. The strong correlation among the pathogenic action of phylogenetic groups may indicate the presence of unknown virulence factors and the importance of their relationship with extraintestinal infections. Taking into account the background, the only way to know if a strain is capable of producing extraintestinal infection and particularly urinary tract infection, is evaluating them using experimental models. For this purpose, two in vivo models were described. The first one recognizes the worth of the ability to cause widespread infection once the natural barriers of the host have been exceeded, allowing the spread of the pathogen into the circulatory system causing bacteremia or septicemia. Meanwhile, the ascending urinary infection model assesses the pathogenicity and the virulent potential of the strains in the urinary system, besides the capability of the bacteria to ascend from the bladder to the kidneys without any treatment to contain the lower urinary tract infection Therefore, the main objectives of this thesis were: i) to determine the phylogenetic group, virulence factors, and other biological characteristics of urinary and intestinal E. coli strains, in order to select the strains to be used for in vivo experimental studies ii) to standardize two murine models for the evaluation of extraintestinal infections caused by E. coli, and iii) to evaluate the pathogenicity and the virulent potential of previously selected E. coli strains in murins models. The work has allowed the incorporation of two experimental murine models for the evaluation of the virulence and the pathogenicity of Escherichia coli strains into the Microbiology group of Vall d’Hebron Institut de Recerca in the Microbiology department of Hospital Universitari Vall d’Hebron. Likewise, it has allowed the in vitro characterization of a heterogeneous group of strains, providing the first evidence of concepts of those models. The two standardized murine models and the data provided by this thesis open several lines for future work, such as: i) studying the virulence of microorganisms causing sepsis or urinary tract infection, ii) monitoring of extraintestinal infections to determine the specific involvement of certain virulence factors by means of in vivo expression technologies or mutants competition assays, and iii) evaluating the efficacy, pharmacokinetics and pharmacodynamics of new antimicrobials, among other studies.