COLONIE INTRACELLULARI, CARATTERISTICHE ED EVOLUZIONE
Le colonie intracellulari di Escherichia coli si sviluppano nelle cellule dell’urotelio, dove i batteri si moltiplicano, formano biofilm, sfuggono alle difese immunitarie e possono generare serbatoi quiescenti. Questa localizzazione li protegge anche dagli antibiotici e offre una spiegazione biologica alla persistenza e alle recidive delle infezioni urinarie.
Nel primo capitolo abbiamo visto come, a partire dalla fine degli anni ’90, si sia compreso che Escherichia coli è in grado di formare nell’urotelio colonie intracellulari e serbatoi quiescenti, e che questi ultimi rappresentano un meccanismo fino ad allora sconosciuto che può essere alla base delle cistiti ricorrenti.
Studi successivi analizzano nei dettagli l’evoluzione delle colonie intracellulari e l’interazione dei batteri con le difese immunitarie dell’ospite [6].
Una volta fagocitato da una cellula ombrello, E. coli può essere subito espulso indietro nel lume vescicale oppure può sfuggire nel citoplasma della cellula, dove comincia a riprodursi [13]. L’evoluzione della comunità intracellulare avviene allora in 4 fasi:
- Riproduzione. I batteri hanno forma di bastoncelli, sono immobili e si riproducono rapidamente. Nel giro di qualche ora ogni batterio che ha invaso la cellula dà origine a 104 “figli” [13].
- Organizzazione. I batteri assumono forma tondeggiante e la comunità si organizza a formare un biofilm che riempie quasi tutto il citoplasma della cellula.
- Maturazione. Alcuni batteri, ripresa forma di bastoncello e recuperata la loro motilità, si staccano dalla colonia.
- Efflusso. I batteri assumono forma filamentosa, diventando anche 50 volte più lunghi del normale, e fluiscono fuori dalla cellula. A questo punto sono in grado di infettare le cellule adiacenti formando nuove colonie intracellulari, ma con una cinetica più lenta; alla fine si formano i serbatoi quiescenti.
NOTA: Quando sono sottoposti a condizioni avverse, come in presenza di anticorpi o di antibiotici, molti batteri che normalmente hanno forma di bastoncelli assumono una forma allungata e filiforme, in conseguenza del fatto che le cellule continuano a crescere ma smettono di dividersi: compaiono così cellule multinucleate e filamentose. Così trasformati, i batteri sono resistenti alla fagocitosi [6].
Un punto importante è che all’interno delle colonie intracellulari i batteri risultano protetti dai neutrofili, che a partire da 6 ore dopo l’infezione accorrono in massa in vescica ed eliminano con efficienza i batteri extracellulari [6]. Oltre che dalle difese immunitarie, colonie intracellulari e serbatoi quiescenti risultano protetti anche dagli antibiotici: nonostante alcuni antibiotici, come nitrofurantoina e ciprofloxacina, siano in grado in vitro di penetrare all’interno delle cellule ombrello ed eliminare i batteri intracellulari, in vivo non riescono ad eradicare completamente i serbatoi quiescenti. Il motivo è probabilmente da cercarsi in quella formidabile barriera impermeabile che è l’urotelio, indispensabile per proteggere i tessuti dai metaboliti tossici presenti nell’urina ma che in questo caso, impedendo il passaggio degli antibiotici, va a tutto vantaggio dei batteri. Inoltre la maggior parte degli antibiotici sono efficaci solo nei confronti dei batteri in fase attiva di replicazione e quindi nulla possono contro i serbatoi quiescenti [7].
L’adesione di E. coli all’urotelio avviene grazie alla presenza di appendici extracellulari specializzate (fimbrie di tipo 1, anche dette “mannosio-sensibili”) che riconoscono e si legano ai residui di d-mannosio presenti sulle uroplachine. Si osserva che le fimbrie di tipo 1 sono necessarie non solo per l’adesione—primo passaggio da cui dipendono tutti quelli successivi—ma anche per l’invasione delle cellule ombrello e per la formazione delle colonie intracellulari [12].
A questo punto (siamo nel 2006) il ruolo delle comunità batteriche intracellulari nello sviluppo della cistite nei topi è ormai assodato; resta da verificare se anche nell’essere umano la patogenesi segua la medesima evoluzione. La prima conferma arriva l’anno successivo [8]: in uno studio pubblicato nel 2007 vengono analizzate le urine di 80 donne con cistite acuta e, nel 18% dei casi, all’interno delle cellule ombrello esfoliate sono presenti colonie batteriche. Non solo, ma le colonie hanno la stessa morfologia di quelle già descritte nei topi: grandi aggregati simili a biofilm, in cui i batteri hanno una forma più rotondeggiante del normale; in alcuni casi si notano anche lunghi filamenti che protrudono dalle cellule. Si tratta sempre di infezioni dovute ad Escherichia coli. Successivamente con la stessa metodologia viene riscontrata la presenza di colonie intracellulari anche in bambini con infezioni urinarie ricorrenti [9,10].
Allo stato attuale (luglio 2019) i serbatoi quiescenti invece non sono ancora stati osservati in maniera diretta nell’essere umano, anche perché per individuarli occorrerebbe campionare larghe porzioni di tessuto vescicale, il che non è di banale esecuzione. Tramite biopsie è stata però osservata la presenza di batteri nel tessuto vescicale anche in assenza di batteriuria: la possibilità che i batteri possano sopravvivere nella mucosa vescicale nel contesto di urine sterili è stata quindi dimostrata anche nell’essere umano [14]. Inoltre l’esistenza dei serbatoi quiescenti è fortemente supportata dall’osservazione che molte cistiti recidive (almeno la metà, secondo dati recenti [11]) sono causate dallo stesso ceppo di E. coli che ha causato l’infezione precedente.
Bibliografia dei 3 capitoli
1: Fukushi, Y., S. Orikasa, and M. Kagayama. “An electron microscopic study of the interaction between vesical epitherlium and E. Coli.” Investigative urology 17.1 (1979): 61-68. https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/376485/
2: Mulvey, Matthew A., et al. “Induction and evasion of host defenses by type 1-piliated uropathogenic Escherichia coli.” Science 282.5393 (1998): 1494-1497. https://doi.org/10.1126/science.282.5393.1494
3: Mulvey, Matthew A., Joel D. Schilling, and Scott J. Hultgren. “Establishment of a persistent Escherichia coli reservoir during the acute phase of a bladder infection.” Infection and immunity 69.7 (2001): 4572-4579. https://doi.org/10.1128/iai.69.7.4572-4579.2001
4: Anderson, Gregory G., et al. “Intracellular bacterial biofilm-like pods in urinary tract infections.” Science301.5629 (2003): 105-107. https://doi.org/10.1126/science.1084550
5: Mysorekar, Indira U., and Scott J. Hultgren. “Mechanisms of uropathogenic Escherichia coli persistence and eradication from the urinary tract.” Proceedings of the National Academy of Sciences103.38 (2006): 14170-14175. https://doi.org/10.1073/pnas.0602136103
6: Justice, Sheryl S., et al. “Differentiation and developmental pathways of uropathogenic Escherichia coli in urinary tract pathogenesis.” Proceedings of the National Academy of Sciences101.5 (2004): 1333-1338. https://doi.org/10.1073/pnas.0308125100
7: Blango, Matthew G., and Matthew A. Mulvey. “Persistence of uropathogenic Escherichia coli in the face of multiple antibiotics.” Antimicrobial agents and chemotherapy 54.5 (2010): 1855-1863. https://doi.org/10.1128/aac.00014-10
8: Rosen, David A., et al. “Detection of intracellular bacterial communities in human urinary tract infection.” PLoS medicine 4.12 (2007): e329. https://doi.org/10.1371/journal.pmed.0040329
9: Robino, Luciana, et al. “Detection of intracellular bacterial communities in a child with Escherichia coli recurrent urinary tract infections.” Pathogens and disease 68.3 (2013): 78-81. https://doi.org/10.1111/2049-632X.12047
10: Robino, Luciana, et al. “Intracellular bacteria in the pathogenesis of Escherichia coli urinary tract infection in children.” Clinical Infectious Diseases 59.11 (2014): e158-e164. https://doi.org/10.1093/cid/ciu634
11: Gilbert, Nicole M., Valerie P. O’Brien, and Amanda L. Lewis. “Transient microbiota exposures activate dormant Escherichia coli infection in the bladder and drive severe outcomes of recurrent disease.” PLoS pathogens 13.3 (2017): e1006238. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1006238
12: Wright, Kelly J., Patrick C. Seed, and Scott J. Hultgren. “Development of intracellular bacterial communities of uropathogenic Escherichia coli depends on type 1 pili.” Cellular microbiology 9.9 (2007): 2230-2241. https://doi.org/10.1111/j.1462-5822.2007.00952.x
13: Silverman, Jennifer A., et al. “From physiology to pharmacy: developments in the pathogenesis and treatment of recurrent urinary tract infections.” Current urology reports 14.5 (2013): 448-456. https://doi.org/10.1007/s11934-013-0354-5
14: Schilling, Joel D., and Scott J. Hultgren. “Recent advances into the pathogenesis of recurrent urinary tract infections: the bladder as a reservoir for uropathogenic Escherichia coli.” International journal of antimicrobial agents 19.6 (2002): 457-460. https://doi.org/10.1016/S0924-8579(02)00098-5
15: Pearce, Meghan M., et al. “The female urinary microbiome: a comparison of women with and without urgency urinary incontinence.” MBio 5.4 (2014): e01283-14. https://doi.org/10.1128/mbio.01283-14

