Мочевыводящие пути у женщин строение: Анатомия мочевыделительной системы. — МЦВТ

Содержание

Цистит. Полное описание: причины, симптомы, диагностика, лечение

Клинико-диагностические центры «Клиника Здоровья» специализируются на успешном лечении урологических заболеваний. Используя современные методы лечения, мы помогаем пациентам быстро и эффективно избавиться от проблем со здоровьем.

Цистит – неприятное заболевание, возникающее в результате общего переохлаждения организма или попадания и размножения (на фоне ослабленного иммунитета) болезнетворных бактерий в мочевыводящие пути. Из бактерий, которые наиболее часто становятся причиной воспалительного процесса, можно выделить наиболее распространенные:

кишечная палочка,
стафилококк,
стрептококк и т.п.

Симптомы. 

Цистит у женщин сопровождается болями внизу живота, жжением при мочеиспускании, ощущением неполноты опорожнения мочевого пузыря, постоянными позывами в туалет и помутнением мочи (иногда с примесями крови).

О запущенных стадиях болезни и тяжелом состоянии больного, которое требует безотлагательного лечения в стационаре, сигнализирует повышение температуры тела, общее недомогание т.п.

Лечение цистита – задача не сложная, но эффективность ее решения зависит от многих факторов, учесть которые может только квалифицированный специалист. Зачастую, пациенты, страдающие циститом, занимаются самолечением, что приводит к переходу заболевания в хроническую форму. 


Важно понимать, что без правильной диагностики и подбора индивидуального лечения, симптомы, снятые самолечением снизятся, а болезнь останется, перейдя в сложную, запущенную форму. От хронического заболевания излечиться гораздо сложнее и дольше, чем при обращении к врачу при первых симптомах. 


Для правильной диагностики особенностей воспалительного заболевания мочевого пузыря нужно провести комплексное обследование, которое позволит выявить истинные причины возникновения недуга и определить наиболее эффективные пути их устранения.

К сожалению, 

Наиболее часто возникает цистит у женщин. Связано это явление с тем, что строение женских мочевыводящих путей делает всю мочевыводящую систему женщин более уязвимой и незащищенной перед агрессивным воздействием возбудителей болезни. Зато лечение цистита у женщин – процесс, занимающий 3-5 дней, для мужчин этот период немного длиннее – 5-7 дней.


Консультацию специалиста можно получить по телефону: +7(495) 961-27-67


Цистит у мужчин и женщин: профессиональный подход – залог быстрого выздоровления

Чтобы точно диагностировать цистит у мужчин и женщин, а также исключить наличие более серьезных заболеваний со схожей симптоматикой (опухоли различной природы мочевого пузыря, предстательной железы и прочих близлежащих органов и тканей), наши специалисты проводят ряд исследований. Главная их цель – составить точную картину заболевания и его масштабов, а также определить наиболее подходящий в каждом конкретном случае путь лечения.

Для точной диагностики в нашем центре используются современные методики, состоящие из различного набора тестов (в зависимости от симптоматики заболевания и состояния больного):


общий анализ мочи, анализ мочи по Нечипоренко,
бактериологический посев,
ПЦР диагностика,
исследование микрофлоры,
УЗИ,
цистоскопия,
биопсия и т.п.

При остром течении заболевания для облегчения состояния больного на период до составления точной картины недуга наши специалисты назначают общее антибактериальное лечение. Его результат – улучшение состояния или отсутствие какой-либо реакции организма – также способствует точному определению возбудителя и динамики течения заболевания.

Лечение цистита у мужчин и женщин под наблюдением наших специалистов предполагает не только прием лекарственных препаратов. Для максимально быстрого выздоровления прием антибактериальных препаратов рекомендуется совмещать со специальной диетой, обильным питьем, фитотерапией и прочими мероприятиями в зависимости от особенностей состояния больного, весь спектр физиотерапевтического лечения.


Консультацию специалиста можно получить по телефону: +7(495) 961-27-67


Посткоитальный цистит или цистит медового месяца, симптомы и лечение

О заболевании

Следить за здоровьем органов малого таза важно с самого рождения девочки. Но когда она достигает зрелости и начинает вести половую жизнь, внимание нужно усилить. Нередко у молодых женщин после секса появляется очень неприятное состояние — воспаление мочевого пузыря. Часто первый эпизод цистита совпадает с началом половой жизни. К 25 годам каждая третья из десяти женщин уже столкнулась с хотя бы одним приступом цистита. На 1000 женщин приходится 700 случаев этой болезни [1].

Важно, чтобы молодая женщина понимала причины возникающего дискомфорта и вовремя обращалась к специалистам за помощью. Тем более, что сегодняшняя медицина может предложить много путей решения проблемы

Посткоитальный цистит обусловлен анатомическим строением женских мочеполовых органов. Длина уретры обычно меньше 5 см, и она находится в непосредственной близости от влагалища. Механическим путем бактерии партнёра, с которыми организм женщины ещё не знаком, оказываются не только в вагине, но и в мочевой системе. Необходимо время, чтобы выработать эффективную и адекватную защиту против «пришельцев». А пока это не произошло, они могут спровоцировать воспаление мочевого пузыря [2-4].

Симптомы

Через несколько часов или даже спустя 1-2 суток после полового акта женщина может ощутить, что позывы к мочеиспусканию стали чаще. Возникает потребность посетить туалет даже при минимальном количестве выделяемой мочи. При этом само мочеиспускание сопровождается резкой болью. Она может присутствовать на протяжении всего процесса или только в самом его конце [4].

У некоторых женщин неприятности на этом не заканчиваются. Может возникнуть боль в области лобковой кости и повыситься температура, а моча приобрести красноватый оттенок из-за наличия крови. Причиной всего этого дискомфорта скорее всего является острый цистит [3,4].

Причины возникновения цистита медового месяца

Чужеродным бактериям, попавшим в мочеиспускательный канал во время секса, необходимо достигнуть мочевого пузыря и настолько увеличить своё количество, чтобы вызвать воспаление тканей. На это требуется время. Поэтому появление симптомов отсрочено по времени от момента близости.

Обычно причиной болезни является один из следующих видов патогенной микрофлоры: E. coli, Klebsiella spp., Enterobacter spp., Acynetobacter.

Даже защищенный презервативом половой акт не исключает появления посткоитального цистита, так как заброс нетипичной для мочевыводящей системы микрофлоры может происходить и из вагины самой женщины. Ситуация усугубляется при определённых физиологических особенностях — например, если мочеиспускательный канал короткий и широкий и близко расположен к влагалищу [1].

Цистит медового месяца может иметь и ещё одну причину — сращение остатков девственной плевы с уретральным отверстием.

При таком дефекте возникает гипермобильность дистального отдела мочеиспускательного канала. При половом акте происходит его естественное натяжение, которое способствует тому, что секрет из цервикального канала забрасывается в уретру, провоцируя воспаление. Наличие такой проблемы поможет установить опытный гинеколог. Она решается путём несложного хирургического вмешательства [5,6].

В случае, если специалист обнаружит эктопию уретры — её близкое расположение или нахождение на передней стенке влагалища — потребуется более серьёзное оперативное вмешательство. Но и оно значительно снизит риски возникновения хронического цистита, так как прекратится постоянный рефлюкс вагинальной микрофлоры в мочевыводящие пути [5].

Синдром сухого влагалища, гормональные перестройки тоже могут послужить триггерами начала болезни. Как и гинекологические воспалительные процессы, которые увеличивают риски воспаления мочевого пузыря после половых актов. Частая смена партнёров и низкий уровень иммунитета также могут играть свою негативную роль при возникновении очередных симптомов [2,3,6,7].

Постановка диагноза

При диагностике врачу потребуются результаты анализов:

  • общего анализа крови;
  • общего анализа мочи;
  • бактериологического посева мочи, который поможет выявить возбудителя воспаления среди бактерий;
  • УЗИ мочевыделительной системы;
  • мазка на флору;
  • ПЦР-теста на ИППП;
  • цитоскопии;
  • проверки резистентности к антибиотикам [2,3].

Чтобы исключить гипермобильность уретры, проводят пробу О’Доннелл-Хиршхорн. Скорее всего урологу может потребоваться заключение гинеколога.

Лечение

Лечение посткоитального цистита назначает специалист. Обычно оно заключается в соблюдении в период обострения бессолевой диеты, исключающей также всё острое и жаренное. В период воспаления мочевого пузыря важно пить достаточно жидкости и часто посещать туалет.

Нельзя задерживать отток мочи при позывах.

В зависимости от результатов анализов и общего состояния, может быть назначена антибактериальная терапия. В каждом конкретном случае подбираются специальные антибиотики, которые особенно эффективны против инфекций мочеполовой сферы. Ни в коем случае нельзя выбирать эти препараты самостоятельно. Тем более, что в последнее время всё острее встает вопрос о формировании стойкой резистентности бактерий к антибактериальным препаратам из-за их частого и бесконтрольного применения.

В комплексной терапии очень хороший результат дают фитопрепараты [8]. Например, паста для приготовления суспензии для приёма внутрь Фитолизин®. В её составе сгущенный экстракт смеси 9 лечебных растений: травы золотарника, травы хвоща полевого, травы горца птичьего, корневищ пырея, шелухи лука, листьев березы, семян пажитника, корня петрушки, корня любистока, а в качестве вспомогательных компонентов добавлены 4 эфирных масла[9]. Для приёма достаточно растворить необходимое количество препарата в тёплой воде.

В таком виде полезные вещества усваиваются лучше, чем в таблетированной форме[10]. Фитолизин® действует сразу в нескольких направлениях:

  • снимает болевой синдром из-за спазмолитических компонентов;
  • ускоряет отток мочи из-за диуретических свойств;
  • уменьшает кристаллизацию компонентов мочи[9].

Всё это помогает мочевому пузырю работать эффективнее, а пациентке —попрощаться с неприятными симптомами посткоитального цистита.

Параллельно с урологическим лечением важно показаться гинекологу, чтобы исключить заболевания, передающиеся половым путём, а также воспалительные процессы и физиологические патологии в органах малого таза. В некоторых случаях потребуется хирургическое вмешательство. Обычно оно проходит под спинальной анестезией и требует восстановительного периода в условиях стационара. Инъекции гиалуроновой кислоты, создающей своеобразную прослойку между близко расположенными влагалищем и уретрой, могут стать альтернативой оперативному вмешательству.

В качестве профилактики циститов, связанных с близостью, важно:

  • соблюдать половую и личную гигиену обоих партнёров;
  • использовать барьерные методы контрацепции;
  • женщинам опорожнять мочевой пузырь до и после полового акта;
  • стремиться поддерживать иммунитет благодаря сбалансированному питанию и физическим упражнениям, стараться избегать стрессовых ситуаций.
  • исправлять хирургически анатомические дефекты, вызывающие проблему [2,3,6,7].

Желаем, чтобы близкие отношение приносили только радость и удовольствие!

  1. Кульчавеня Е.В. Альтернативное лечение больных острым неосложненным циститом — всегда ли нужен антибиотик?, 2016 г. (дата обращения: 08.04.2021).
  2. Grabe M, Bjerklund-Johansen TE, Botto H, et al. Европейская ассоциация урологов. Руководство по урологическим инфекциям, 2015 г. (дата обращения: 08.04.2021).
  3. Российские клинические рекомендации Урология Под редакцией Ю.Г. Аляева, П.В. Глыбочко, Д.Ю. Пушкаря г. Москва 2016 г. (дата обращения: 08.04.2021).
  4. Зайцев А.В., Касян Г.Р., Спивак Л.Г. Цистит, 2017 г. (дата обращения: 08.04.2021).
  5. Стойко Ю. М., Нестеров С. Н., Кисамеденов Н. Г. и др. Хирургическое лечение рецидивирующих инфекций нижних мочевых путей у женщин, 2017г. (дата обращения: 08.04.2021).
  6. Руководство по урологии / под ред. Н.А. Лопаткина. 1998г.
  7. Халилова У.А. Скворцов В.В. Исмаилов И.Я. Луговкина А.А. Пролейская Н.А. Цистит, 2018г. (дата обращения: 08.04.2021).
  8. Малкоч А.В., Филатова Н.Н. Инфекция мочевых путей и роль фитопрепаратов в ее комплексной терапии. Лечащий врач. 2015;3:1–4. (дата обращения: 08.04.2021).
  9. Инструкция по медицинскому применению препарата Фитолизин® Паста для приготовления суспензии для приема внутрь
  10. «Клиническая фармакология и фармакотерапия» под ред. ак. Г. Кукеса проф. А.К. Стародубцева, ГЭОТАР-Медиа, M.- 2012

Простуда ниже пояса — ЕМЦ

С возрастом женщина претерпевает физиологические изменения половых органов, влекущие за собой ряд интимных проблем: недержание мочи и хронический рецидивирующий цистит. 
Теперь решение этих проблем стало еще доступнее, эффективнее и быстрее!

Недержание мочи

Ослабление мышц тазового дна (по разным причинам) является основной причиной развития стрессового недержания мочи у женщин.
Повышение брюшного давления на нижние мочевыводящие пути происходит при кашле, во время секса, при смехе, изменении положения тела и это сопровождается неконтролируемым выделением небольшого количества мочи, что может вызвать у женщины массу гигиенических и психологических проблем.

Причины недержания мочи у женщин:

  • быстрые многократные тяжелые роды
  • гормональные нарушения во время климакса и менопаузы
  • возрастные изменения наружных половых органов и опущение стенок влагалища
  • операции на органах малого таза и промежности в анамнезе
  • заболевания кишечника
  • чрезмерные тяжелые физические нагрузки
  • низкое содержание коллагена в связках таза может вызывать проблему недержания мочи даже у молодых нерожавших женщин

Чем помогут в ЕМЦ:

Современный и безопасный безоперационный метод лечения заключается в введении в сфинктер мочеиспускательного канала геля гиалуроновой кислоты, способствующего удержанию мочи.

Хронический рецидивирующий цистит

Хронический цистит — заболевание, характеризующееся длительно существующей воспалительной реакцией в ткани мочевого пузыря. Распространенность хронического цистита у женщин составляет до 30% от всех урологических заболеваний. Наличие заболевание обусловлено строением половых органов, а конкретно – длиной мочеиспускательного канала у женщин.  Мочеиспускательный канал у женщин очень короткий, всего несколько сантиметров (у мужчин – целых 25 см). Именно это способствует проникновению инфекции в слизистую оболочку мочевого пузыря.

Чем помогут в ЕМЦ:

В настоящее время в урологической практике широко применяется терапия хронического (рецидивирующего) цистита путем введения препарата гиалуроновой кислоты вокруг мочеиспускательного канала, что создает своеобразный защитный «барьер» и не позволяет инфекции попасть в него.
Очень важно:
  • не требуется госпитализация, процедура проводится в амбулаторных условиях
  • эффект сразу и надолго
  • минимальный период реабилитации(через час пациентка идет домой)
Вас интересует эта проблема?
Запишитесь на прием к врачам ЕМЦ по телефону 379-07-70 , обсудите все детали процедуры, пройдите минимальный обьем обследования и Вам будет назначена удобная дата для проведения процедуры.

Имеются противопоказания. Ознакомьтесь с инструкцией или проконсультируйтесь у специалиста.


Микробиота мочевыводящих | Biocodex Microbiota Institute

Что такое микробиота мочевыводящих путей человека?

Вы, вероятно, мало слышали о микробиоте мочевыводящих путей, но хорошо знакомы с микробиотой кишечника и влагалища. Это неудивительно, поскольку речь идет о менее богатом и разнообразном микробном сообществе, изучение роли которого требует дальнейших исследований.1

Результаты недавних исследований показали, что мочевыводящие пути являются местом обитания уникальной микробиоты.4,5Бактериологический анализ мочи, основанный на выделении чистых культур микроорганизмов, традиционно используют для выявления патогенов (sidenote: Патоген микроорганизм, который вызывает или может вызвать заболевание Pirofski LA, Casadevall A. Q and A: What is a pathogen? A question that begs the point. BMC Biol. 2012 Jan 31;10:6. ) , ответственных за развитие инфекций мочевыводящих путей (ИМП), например, Escherichia coli.

Новые технологии обнаружения микроорганизмов позволили выявить другие виды бактерий в составе микробиоты мочевыводящих путей. Чаще всего обнаруживают представителей рода Lactobacillus и, в меньшей степени, Gardnerella, Streptococcus и Corynebacterium.3 Также выявлены различные сообщества грибков.6

Хотя число исследований в этой области довольно мало, их результаты показали, что состав микробиоты мочевыводящих путей у женщин и мужчин отличается от такового у мужчин,7 что неудивительно, учитывая анатомические и гормональные различия между представителями обоих полов.

Почему микробиота мочевыводящих путей так важна для здоровья?

В мочевыводящих путях человека живет много микроорганизмов (sidenote: Microorganisms Living organisms that are too small to be seen with the naked eye. They include bacteria, viruses, fungi, archaea and protozoa, and are commonly referred to as “microbes”. What is microbiology? Microbiology Society. ) , которые могут играть защитную роль.1 Однако при определенных условиях они также могут противодействовать развитию инфекций мочевыводящих путей.2

Например, Lactobacillus и Streptococcus способны выделять молочную кислоту, которая защищает от патогенов.8 Молочная кислота снижает pH мочи (≈ 4,5), создавая враждебное для большинства патогенных бактерий микроокружение.

Кроме того, Lactobacillus (sidenote: Лактобактерии Палочковидные бактерии, основным свойством которых является производство молочной кислоты, в связи с чем их еще называют «молочнокислые бактерии». Лактобактерии присутствуют в микробиоте полости рта, влагалища и кишечника человека, а также в организме животных и в растениях. Они содержатся в ферментированных продуктах — сырах, йогуртах, соленых огурцах, квашеной капусте и т. д. Лактобактерии также содержатся в пробиотиках, причем своими полезными свойствами пробиотики обязаны именно некоторым видам лактобактерий.   W. H. Holzapfel et B. J. Wood, The Genera of Lactic Acid Bacteria, 2, Springer-Verlag, 1st ed. 1995 (2012), 411 p. « The genus Lactobacillus par W. P. Hammes, R. F. Vogel Tannock GW. A special fondness for lactobacilli. Appl Environ Microbiol. 2004 Jun;70(6):3189-94. Smith TJ, Rigassio-Radler D, Denmark R, et al. Effect of Lactobacillus rhamnosus LGG® and Bifidobacterium animalis ssp. lactis BB-12® on health-related quality of life in college students affected by upper respiratory infections. Br J Nutr. 2013 Jun;109(11):1999-2007. ) производит антибактериальные метаболиты, такие как перекись водорода, которые также защищают от патогенов.9 Как и микробиота кишечника, микробиота мочевыводящих путей действует как барьер против патогенов.1

Какие заболевания связаны с нарушениями баланса микробиоты мочевыводящих путей?

Как и в случае с другими микробными сообществами (микробиота кишечника, легких и т. д.), нарушения состава микробиоты мочевыводящих путей приводят к ее дисбалансу или «дисбиозу (sidenote: Дисбиоз Изменение состава и функции микробиоты, вызванное сочетанием экологических и индивидуальных факторов. Дисбиоз не является четко очерченным состоянием и варьируется в зависимости от состояния здоровья каждого человека. Levy M, Kolodziejczyk AA, Thaiss CA, et al. Dysbiosis and the immune system. Nat Rev Immunol. 2017;17(4):219-232. ) ».9 Результаты исследований сравнения микробиоты мочевыводящих здоровых добровольцев и пациентов с различными заболеваниями органов мочевыделения показали связь между этими заболеваниями и составом микробиоты.

Фактически, опубликованные на сегодняшний день результаты исследований доказывают роль микробиоты мочевыводящих путей при развитии инфекций мочевыводящих путей  (ИМП).8, 10 Например, снижение разнообразия микробиоты может быть фактором риска развития инфекций.10,11

Такие заболевания, как недержание мочи,12,13 интерстициальный цистит и инфекции, передаваемые14 половым путем, также связаны с нарушениями со стороны микробиоты мочевыводящих путей.

Вся информация в этой статье получена из официальных научных источников. Следует учитывать, что представленная информация не является исчерпывающей. Ниже приведен перечень исследований, использованных в качестве источников информации.

7.2. Мочевыводящие пути — Возрастная физиология и анатомия

7.2. Мочевыводящие пути

Непрерывно образующаяся в почках моча поступает по мочеточ­никам в мочевой пузырь, из которого по мочеиспускательному кана­лу выводится из организма.

Мочеточники

Мочеточник представляет собой трубку длиной около 30 см. По выходе из ворот почки мочеточник лежит на задней брюшной стенке и спускается в полость малого таза, где прободает стенку мочевого пузыря и открывается отверстием в его полость. Стенка мочеточника состоит из трех оболочек: слизистой, мышечной и соединительноткан­ной (адвентиции). Слизистая оболочка выстлана многослойным эпи­телием. Мышечная оболочка состоит из кругового и продольного слоя гладкомышечной ткани. Благодаря ее сокращениям мочеточник совершает перистальтическое движение. У новорожденного мочеточ­ник имеет извилистый ход, длина его составляет 5—7 см. К 4 годам она увеличивается до 15 см. В раннем детстве слабо развита мышечная оболочка мочеточников.

Мочевой пузырь

Мочевой пузырь является резервуаром мочи. Он находится в по­лости малого таза позади лонного сращения. Между лонным сраще­нием и мочевым пузырем имеется слой рыхлой клетчатки. Наполнен­ный мочевой пузырь имеет грушевидную форму. Позади мочевого пузыря располагается у мужчин прямая кишка, у женщин — матка. В мочевом пузыре различают верхушку, тело и дно. Стенка мочевого пузыря состоит из трех оболочек: слизистой с подслизистым слоем, мышечной и соединительнотканной. Сверху, сзади и частично с бо­ков мочевой пузырь покрыт брюшиной.

Слизистая оболочка мочевого пузыря образует складки, которые отсутствуют только в области дна мочевого пузыря. Там имеется глад­кий участок треугольной формы — пузырный треугольник. На углах его открываются оба мочеточника и выходит мочеиспускательный канал. При наполнении мочевого пузыря складки слизистой оболоч­ки сглаживаются. Сфинктер пузыря имеет вид полу лунного участка красноватого цвета, а устья мочеточников образуют углубления по бокам треугольника. Периодически (2-3 раза в минуту) отверстия от­крываются, выбрасывая мочу.

Мышечная оболочка состоит из внутреннего и наружного продоль­ных и среднего кругового слоев. Наиболее развит круговой слой, ко­торый в области внутреннего отверстия мочеиспускательного канала образует внутренний сфинктер мочеиспускательного канала. Объем мочевого пузыря в среднем у взрослого человека 350—500 мл. При сильном его наполнении верхушка прилегает к передней брюшной стенке. У новорожденного мочевой пузырь имеет веретенообразную форму, в 3 года — грушевидную, в 8—12 лет — яйцевидную, у подрост­ков и взрослого человека — грушевидную форму. Объем мочевого пу­зыря у новорожденного — 50—80 мл, в 5 лет — 180 мл, к 12 годам — 250 мл. Мышечный слой в стенке пузыря выражен слабо, слизистая оболочка развита хорошо, есть складки. Мочевой пузырь у детей распо­лагается высоко и у девочек не соприкасается с влагалищем, а у маль­чиков — с прямой кишкой. В дальнейшем его дно опускается.

Опорожняется мочевой пузырь рефлекторно. Когда в пузыре на­капливается моча в количестве 250-300 мл, она создает давление 12-15 мм вод. ст. Нервные импульсы от рецепторов стенок пузыря пе­редаются в центр мочеиспускания в крестцовом отделе спинного моз­га. Из него по тазовым нервам сигналы поступают к стенкам мочевого пузыря, вызывая одновременно сокращение стенок и растяжение сфинктера мочеиспускательного канала. Высшие центры мочеиспус­кания находятся в лобной доле полушарий большого мозга. У детей мочи отделяется больше, чем у взрослых, а мочеиспускание происхо­дит чаще за счет интенсивного водного обмена и увеличения содер­жания углеводов в рационе питания. Только в первые 3—4 дня количе­ство отделяющейся мочи невелико. У месячного ребенка в сутки отделяется 350-380 мл мочи, к концу первого года жизни — 750 мл, в 4-5 лет — 1 л, в 10 лет — 1,5 л, в 12—14 лет — 2 л. У новорожденных произвольная задержка мочеиспускания отсутствует. Способность регулировать произвольное мочеиспускание появляется к концу пер­вого года жизни, на втором году она становится устойчивой. Однако в возрасте 5—10 лет у детей встречается ночное непроизвольное моче­испускание — энурез. Способствуют энурезу психические травмы, переутомление, переохлаждение, острая пища, обилие жидкости.

Гуморальная регуляция образования мочи осуществляется вазо- прессином, который вырабатывается в гипоталамусе и поступает в кровь через гипофиз. Этот гормон усиливает реабсорбцию воды из первичной мочи, что увеличивает концентрацию солей во вторичной моче.

Мочеиспускательный канал

Мочеиспускательный канал у мужчин служит для выведения не только мочи из мочевого пузыря наружу, но и семенной жидкости. Это узкая трубка длиной у взрослого человека 16-22 см. В нем разли­чают предстательную, перепончатую и губчатые части. Предстатель­ная часть является самой широкой, а длина ее составляет около 3 см. На задней стенке находится возвышение — семенной бугорок. На нем открываются два семявыбрасывающих протока, по которым выво­дится семенная жидкость из половых желез. Кроме того, в предста­тельную часть открываются протоки предстательной железы. Пере­пончатая часть узкая и короткая, ее длина около 1 см. Она плотно сращена с мочеполовой диафрагмой. Губчатая часть имеет длину 12—18 см, заканчивается наружным отверстием мочеиспускательного канала на головке полового члена и располагается в губчатом теле по­лового члена. Мочеиспускательный канал имеет внутренний (непро­извольный) и наружный (произвольный) сфинктеры. У новорожден­ного канал относительно длиннее (5—6 см), чем в другие возрастные

периоды, из-за высокого его начала. Быстрый его рост характерен для периода полового созревания.

Мочеиспускательный каналу женщин имеет почти прямолинейный ход. Его длина 3-3,5 см, он шире мужского и легче растягивается. Канал выстлан изнутри слизистой оболочкой, в которой находится большое количество желез, выделяющих слизь. Начинается он на дне мочевого пузыря внутренним отверстием, проходит через мочеполо­вую диафрагму впереди влагалища, открывается в преддверие влага­лища наружным отверстием и также имеет два сфинктера. Мочеис­пускательный канал новорожденной девочки имеет длину 2,3-3 см, широкий, в нижней части изогнут, открытый спереди. Мышечная оболочка и наружный сфинктер формируются к 12-13 годам.

 

65

Уретра — Мужчины — Женщины — Анатомический курс

Уретра — это сосуд, ответственный за транспортировку мочи из мочевого пузыря к наружному отверстию в промежности.

Он выстлан многослойным столбчатым эпителием , который защищен от разъедающей мочи железами, секретирующими слизь.

В этой статье мы рассмотрим анатомию мужской и женской уретры — их анатомическое течение , сосудисто-нервное снабжение и любые клинические корреляции.


Мужская уретра

Мужская уретра имеет длину примерно 15-20 см. Помимо мочи мужской мочеиспускательный канал транспортирует сперму – жидкость, содержащую сперматозоиды и выделения половых желез.

Рис. 1. Корональный разрез полового члена, показывающий три части уретры.

В соответствии с последней классификацией мужской мочеиспускательный канал можно разделить анатомически на три части (проксимальная и дистальная):

  • Предстательная уретра:
    • Начинается как продолжение шейки мочевого пузыря и проходит через предстательную железу.
    • Принимает эякуляторные протоки (содержащие сперматозоиды из яичек и семенную жидкость из желез семенных пузырьков) и протоки предстательной железы (содержащие щелочную жидкость).
    • Это самая широкая и расширяемая часть уретры.
  • Мембрана уретры:
    • Проходит через тазовое дно и глубокий промежностный мешок.
    • Окружена наружным уретральным сфинктером, обеспечивающим произвольный контроль мочеиспускания.
    • Это самая узкая и наименее расширяемая часть уретры.
  • Пенильная (луковичная) уретра:
    • Проходит через луковицу и губчатое тело полового члена, заканчиваясь у наружного отверстия уретры (меатуса).
    • Проксимально принимает бульбоуретральные железы.
    • В головке полового члена уретра расширяется, образуя ладьевидную ямку.

Примечание. Часть уретры, которая проходит через шейку мочевого пузыря, некоторыми авторами рассматривается как четвертая анатомическая часть уретры.

Рис. 2. Эндоскопический вид простатической части уретры от входа в семявыбрасывающие протоки (A) по направлению к шейке мочевого пузыря (C).

Нейрососудистое питание

Артериальное кровоснабжение мужской уретры осуществляется через несколько артерий:

  • Простатическая уретра — кровоснабжается нижней пузырной артерией (ветвью внутренней подвздошной артерии, которая также кровоснабжает нижнюю часть мочевого пузыря).
  • Мембранозная уретра — кровоснабжается бульбоуретральной артерией (ветвью внутренней половой артерии)
  • Уретра полового члена — кровоснабжается непосредственно ветвями внутренней половой артерии.

Иннервация мужской уретры происходит из предстательного сплетения , которое содержит смесь симпатических, парасимпатических и висцеральных афферентных волокон.

Лимфодренаж

Лимфодренаж также различается в зависимости от области уретры. Простатическая и перепончатая части впадают в запирательные и внутренние подвздошные узлы , в то время как половой член уретры впадает в глубокие и поверхностные паховые узлы.

[старт-клинический]

Клиническая значимость: Катетеризация мужчин

Катетеризация мочевого пузыря — это процесс введения трубки через уретру в мочевой пузырь.Это обычно выполняется в ситуациях, когда необходимо контролировать диурез (например, при сепсисе) или когда пациент не может мочиться (задержка мочи).

Катетеризация у мужчин более сложна, так как необходимо учитывать два угла: подлобковый и предлобковый углы. Прелобковый угол можно уменьшить, удерживая половой член вверх во время катетеризации мочевого пузыря.

Также важно отметить три сужения мужской уретры — внутренний уретральный сфинктер, наружный уретральный сфинктер и наружное отверстие уретры.

[конечный клинический]


Женская уретра

У женщин уретра относительно короткая (примерно 4 см). Он начинается у шейки мочевого пузыря и проходит книзу через промежностную оболочку и мышцы тазового дна. Уретра открывается непосредственно на промежность, в области между малыми половыми губами, известной как преддверие.

В преддверии отверстие уретры расположено кпереди от входа во влагалище и на 2-3 см кзади от клитора. Дистальный конец уретры отмечен наличием двух слизистых желез, которые лежат по обе стороны от уретры — железы Скена . Они гомологичны мужской простате.

Нейрососудистое питание

Артериальное кровоснабжение женской уретры осуществляется через внутренние половые артерии , вагинальные артерии и нижние пузырные ветви вагинальных артерий. Венозный отток осуществляется по одноименным венам.

Иннервация женской уретры происходит из пузырного сплетения и полового нерва. Висцеральные афференты от уретры проходят в тазовых чревных нервах.

Лимфодренаж

Лимфатический отток проксимального отдела женской уретры осуществляется в внутренние подвздошные узлы , а дистальный отдел уретры — в поверхностные паховые лимфатические узлы.

Рис. 4. Расположение наружного отверстия уретры в преддверии.[/подпись]

[старт-клинический]

Клиническая значимость: инфекции мочевыводящих путей

Из-за короткой длины уретры женщины более восприимчивы к инфекциям мочевыводящих путей. Обычно это проявляется как цистит , инфекция мочевого пузыря.

Общими симптомами цистита являются дизурия (боль при мочеиспускании), учащенное мочеиспускание, императивные позывы и гематурия (кровь в моче). Образец средней порции мочи можно проверить на наличие нитритов и лейкоцитов (оба показателя указывают на инфекцию).

Простые инфекции мочевыводящих путей обычно лечат трехдневным курсом антибиотиков .

[конечный клинический]

Урология Инфекции мочевыводящих путей (ИМП)

Зачем выбирать UCPA при ИМП?

Наши поставщики услуг прошли специальную подготовку и постараются найти корень проблемы. У нас есть дюжина поставщиков, которые помогут вам в разных местах в Центральной Пенсильвании.

Что такое инфекция мочевыводящих путей (ИМП)?

ИМП – это инфекция мочевыводящих путей.Инфекции вызываются микробами — организмами, которые слишком малы, чтобы их можно было увидеть без микроскопа, включая грибы, вирусы и бактерии. Бактерии являются наиболее частой причиной инфекций мочевыводящих путей. Обычно бактерии, которые попадают в мочевыводящие пути, быстро удаляются организмом, прежде чем они вызовут симптомы. Однако иногда бактерии преодолевают естественную защиту организма и вызывают инфекцию. Инфекция в уретре называется уретритом. Инфекция мочевого пузыря называется циститом. Бактерии могут перемещаться вверх по мочеточникам, размножаться и заражать почки.Почечная инфекция называется пиелонефритом.

Что такое мочевыводящие пути?

Мочевыводящие пути представляют собой дренажную систему организма для удаления отходов и лишней воды. Мочевыводящие пути включают две почки, два мочеточника, мочевой пузырь и мочеиспускательный канал. Почки представляют собой пару бобовидных органов, каждый размером с кулак и расположенных ниже ребер, по одной с каждой стороны позвоночника, ближе к середине спины. Каждую минуту почки человека фильтруют около 3 унций крови, удаляя отходы и лишнюю воду.Отходы и лишняя вода составляют от 1 до 2 литров мочи, которую человек производит каждый день. Моча проходит из почек по двум узким трубкам, называемым мочеточниками. Затем моча хранится в подобном баллону органе, называемом мочевым пузырем, и выводится через уретру, трубку на дне мочевого пузыря.

Когда мочевой пузырь опорожняется, мышца, называемая сфинктером, расслабляется, и моча вытекает из тела через мочеиспускательный канал. Отверстие уретры находится на конце полового члена у мужчин и перед влагалищем у женщин.

Что вызывает ИМП?

Большинство инфекций мочевыводящих путей вызывается бактериями, живущими в кишечнике. Бактерия Escherichia coli (E. coli) вызывает подавляющее большинство ИМП. Микробы, называемые хламидиями и микоплазмами, могут инфицировать уретру и репродуктивную систему, но не мочевой пузырь. Хламидийные и микоплазменные инфекции могут передаваться половым путем и требуют лечения половых партнеров.

В мочевыводящих путях есть несколько систем для предотвращения инфекции. Точки, где мочеточники прикрепляются к мочевому пузырю, действуют как односторонние клапаны, предотвращая обратное движение мочи к почкам, а мочеиспускание вымывает микробы из организма.У мужчин предстательная железа вырабатывает секрет, который замедляет рост бактерий. У обоих полов иммунная защита также предотвращает инфекцию. Но, несмотря на эти меры предосторожности, инфекции все же случаются. Некоторые бактерии обладают сильной способностью прикрепляться к слизистой оболочке мочевыводящих путей.

Насколько распространены ИМП у взрослых?

Женщины особенно предрасположены к ИМП по анатомическим причинам. Одним из факторов является то, что уретра женщины короче, что позволяет бактериям быстрее проникать в мочевой пузырь. Кроме того, отверстие мочеиспускательного канала женщины находится вблизи источников бактерий из ануса и влагалища.Для женщин риск развития ИМП в течение жизни превышает 50 процентов. ИМП у мужчин не так распространены, как у женщин, но могут быть серьезными, когда они возникают.

Кто подвержен риску ИМП?

Хотя риск есть у каждого, некоторые люди более склонны к ИМП, чем другие. Люди с травмами спинного мозга или другими повреждениями нервов вокруг мочевого пузыря испытывают трудности с полным опорожнением мочевого пузыря, что позволяет бактериям расти в моче, которая остается в мочевом пузыре. Любой человек с аномалией мочевыводящих путей, препятствующей оттоку мочи, например, камнями в почках или увеличенной простатой, подвержен риску развития ИМП.Люди с диабетом или проблемами с естественной системой защиты организма чаще заболевают ИМП.

Сексуальная активность может привести к перемещению микробов из кишечника или вагинальной полости в отверстие уретры. Если эти микробы обладают особыми характеристиками, которые позволяют им жить в мочевыводящих путях, организму труднее удалить их достаточно быстро, чтобы предотвратить заражение. После полового акта у большинства женщин в моче обнаруживается значительное количество бактерий, но организм обычно выводит их в течение 24 часов.Однако некоторые формы контроля над рождаемостью увеличивают риск ИМП. У некоторых женщин некоторые спермициды могут раздражать кожу, увеличивая риск проникновения бактерий в окружающие ткани. Использование диафрагмы может замедлить отток мочи и способствовать размножению бактерий. Использование презерватива также связано с повышенным риском ИМП, возможно, из-за повышенной травмы влагалища во время половой активности. Использование спермицидов с диафрагмами и презервативами может еще больше увеличить риск.

Другим распространенным источником инфекции являются катетеры или трубки, установленные в уретру и мочевой пузырь.Катетеры мешают организму очищать мочевыводящие пути от микробов. Бактерии перемещаются через катетер или вокруг него и создают в мочевом пузыре место, где они могут размножаться. Человек, который не может нормально мочиться, находится без сознания или находится в критическом состоянии, часто нуждается в катетере более чем на несколько дней.

Рецидивирующие инфекции

Многие женщины страдают частыми инфекциями мочевыводящих путей. Около 20 процентов молодых женщин с первой ИМП будут иметь рецидивирующую инфекцию.С каждой ИМП увеличивается риск того, что женщина будет продолжать иметь рецидивирующие ИМП. У некоторых женщин бывает три или более ИМП в год. Однако очень немногие женщины будут иметь частые инфекции на протяжении всей жизни. Более типично, у женщины будет период 1 или 2 лет с частыми инфекциями, после чего повторяющиеся инфекции прекращаются.

ИМП – это серьезно?

Большинство инфекций мочевыводящих путей не являются серьезными, но некоторые инфекции могут привести к серьезным проблемам, например инфекции почек. Вот почему важно обратиться к урологу, специально обученному лечению этого заболевания.Хронические инфекции почек — инфекции, которые повторяются или длятся длительное время — могут привести к необратимым повреждениям, включая рубцы на почках, плохую функцию почек, высокое кровяное давление и другие проблемы. Некоторые острые почечные инфекции — инфекции, которые развиваются внезапно — могут быть опасными для жизни, особенно если бактерии попадают в кровоток, состояние, называемое септицемией.

Каковы признаки и симптомы ИМП?

Симптомы ИМП зависят от возраста, пола и наличия катетера. Среди молодых женщин симптомы инфекции мочевыводящих путей обычно включают частые и интенсивные позывы к мочеиспусканию и болезненное ощущение жжения в мочевом пузыре или уретре во время мочеиспускания. Количество мочи может быть очень небольшим. Пожилые женщины и мужчины более склонны к усталости, дрожи и слабости, а также к мышечным и абдоминальным болям. Моча может выглядеть мутной, темной, кровянистой или иметь неприятный запах. У человека с катетером единственным симптомом может быть лихорадка, которую невозможно объяснить какой-либо другой причиной. Обычно ИМП не вызывают лихорадки, если они находятся в мочевом пузыре. Лихорадка может означать, что инфекция достигла почек или проникла в простату. Другие симптомы почечной инфекции включают боль в спине или боку под ребрами, тошноту и рвоту.

Как диагностируются ИМП?

Чтобы выяснить, есть ли у человека ИМП, наши урологи спросят о симптомах мочеиспускания, а затем проверят образец мочи на наличие бактерий и лейкоцитов, которые вырабатываются организмом для борьбы с инфекцией. Если у человека рецидивирующие ИМП, уролог может назначить дополнительные анализы, чтобы определить, в норме ли мочевыводящие пути человека.

Существует также много более продвинутых вариантов диагностики ИМП, в том числе:

УЗИ почек и мочевого пузыря. Ультразвук использует устройство, называемое преобразователем, которое безопасно и безболезненно отражает звуковые волны от органов, чтобы создать изображение их структуры. Процедура выполняется в наших кабинетах специально обученным техническим специалистом, а изображения интерпретируются радиологом — врачом, специализирующимся на медицинской визуализации; анестезия не нужна. Изображения могут показать аномалии в почках и мочевом пузыре. Однако этот тест не может выявить все важные нарушения мочеиспускания или измерить, насколько хорошо работают почки.

Мочеиспускательная цистоуретрограмма. Этот тест представляет собой рентгеновское изображение мочевого пузыря и уретры, полученное при наполненном мочевом пузыре и во время мочеиспускания, также называемого мочеиспусканием. Когда пациент лежит на рентгеновском столе, медицинский работник вводит через уретру в мочевой пузырь кончик тонкой гибкой трубки, называемой катетером. Мочевой пузырь и уретра заполняются специальным красителем, называемым контрастным веществом, чтобы структуры были хорошо видны на рентгеновских снимках. Рентгеновские снимки делаются под разными углами, пока мочевой пузырь наполнен контрастным веществом.Затем катетер удаляют и делают рентгеновские снимки во время мочеиспускания. Процедура выполняется в кабинете поставщика медицинских услуг, амбулаторном центре или больнице рентгенологом. Пока делаются снимки, техник находится под наблюдением рентгенолога. Затем рентгенолог интерпретирует изображения. Анестезия не требуется, но для некоторых людей может использоваться легкая седация. Этот тест может показать аномалии внутренней части уретры и мочевого пузыря. Тест также может определить, нормальный ли поток мочи при опорожнении мочевого пузыря.

Компьютерная томография (КТ). Компьютерная томография использует комбинацию рентгеновских лучей и компьютерных технологий для создания трехмерных (3-D) изображений. Компьютерная томография может включать введение контрастного вещества. Компьютерная томография требует, чтобы человек ложился на стол, который скользит в устройство в форме туннеля, где делаются рентгеновские снимки. Процедура выполняется в амбулаторном центре или больнице рентгенологом, а изображения интерпретируются рентгенологом; анестезия не нужна. Компьютерная томография может предоставить более четкие и подробные изображения, которые помогут медицинскому работнику понять проблему.

Магнитно-резонансная томография (МРТ). Аппараты МРТ используют радиоволны и магниты для получения подробных изображений внутренних органов и мягких тканей без использования рентгеновских лучей. МРТ может включать инъекцию контрастного вещества. В большинстве аппаратов МРТ человек лежит на столе, который скользит в устройство в форме туннеля, которое может быть открытым или закрытым с одного конца; некоторые новые машины предназначены для того, чтобы человек мог лежать на более открытом пространстве. Процедура проводится в амбулаторном центре или больнице специально обученным техником, а изображения интерпретируются рентгенологом; анестезия не требуется, хотя людям с боязнью замкнутого пространства можно использовать легкую седацию. Как и компьютерная томография, МРТ может предоставить более четкие и подробные изображения.

Уродинамика. Уродинамическое исследование — это любая процедура, которая оценивает, насколько хорошо мочевой пузырь, сфинктеры и уретра накапливают и выделяют мочу. Большинство уродинамических тестов сосредоточены на способности мочевого пузыря удерживать мочу и полностью опорожняться. Уродинамические тесты также могут показать, есть ли в мочевом пузыре аномальные сокращения, вызывающие утечку.

Цистоскопия. Цистоскопия — это процедура, при которой используется трубчатый инструмент для осмотра уретры и мочевого пузыря.Цистоскопию можно использовать для выявления отека, покраснения и других признаков инфекции.

Врожденные аномалии почек и мочевыводящих путей: MedlinePlus Genetics

Врожденные аномалии почек и мочевыводящих путей (CAKUT) — это группа аномалий, поражающих почки или другие структуры мочевыводящих путей. Дополнительные части мочевыводящих путей, которые могут быть затронуты, включают мочевой пузырь, трубки, по которым моча переносится из каждой почки в мочевой пузырь (мочеточники), и трубку, по которой моча из мочевого пузыря выводится из организма (уретра). CAKUT возникает в результате аномального развития мочевыделительной системы и присутствует с рождения (врожденный), хотя аномалия может проявляться только в более позднем возрасте.

Лица с CAKUT имеют одну или несколько аномалий почек или мочевыводящих путей. Для парных структур, таких как почки и мочеточники, может быть поражена одна или обе. Многие различные аномалии развития классифицируются как CAKUT, в том числе недоразвитие или отсутствие почки (почечная гиподисплазия или агенезия), образование почки из заполненных жидкостью мешочков, называемых кистами (поликистозная диспластическая почка), скопление мочи в почках (гидронефроз), дополнительный мочеточник, ведущий к почке (удвоенная почка или удвоенная собирательная система), закупорка мочеточника в месте его впадения в почку (обструкция лоханочно-мочеточникового соединения), аномально широкий мочеточник (мегауретер), обратный ток мочи из мочевого пузыря в мочеточник (пузырно-мочеточниковый рефлюкс) и аномальная мембрана в уретре, которая блокирует отток мочи из мочевого пузыря (задний уретральный клапан).

CAKUT различается по тяжести. Аномалии могут привести к рецидивирующим инфекциям мочевыводящих путей или скоплению мочи в мочевыводящих путях, что может привести к повреждению почек или других структур. Тяжелая CAKUT может привести к опасной для жизни почечной недостаточности и терминальной стадии почечной недостаточности.

CAKUT часто является одним из нескольких признаков состояния, поражающего несколько систем организма (синдромный CAKUT). Например, синдром почечной колобомы, синдром делеции 17q12, синдром почечных кист и диабета (RCAD), синдром Фрейзера, синдром Таунса-Брокса и бранхио-оторенальный синдром могут вызывать аномалии почек или мочевыводящих путей в дополнение к другим проблемам.Однако аномалии мочевыделительной системы иногда возникают без других признаков и симптомов, что известно как несиндромальное или изолированное CAKUT.

Мочеполовая система – обзор

Морфогенез почек

Мочеполовая система млекопитающих развивается из промежуточной мезодермы. Парные эпителиальные почечные протоки возникают дорсально и удлиняются каудально с правой и левой сторон эмбриона, пока не индуцируют образование пронефральных и мезонефральных протоков из промежуточной мезенхимальной мезодермы.Эти протоки удлиняются, пока не достигают и не сливаются с клоакой, которая является предшественником мочевого пузыря и уретры. Примитивные канальцы, которые развиваются как пронефрос и мезонефрос, являются временными и имеют минимальную функцию, и только часть мезонефрических канальцев остается частью мужской репродуктивной системы (O’Brien and McMahon, 2014).

Метанефрическая почка возникает из заднего почечного протока в результате реципрокной индукции сигналов между метанефральной мезенхимой и почечным протоком, что приводит к формированию зачатка мочеточника.Метанефральная дифференцировка человека начинается примерно на 5-й неделе беременности, а первые функционирующие нефроны формируются примерно на 8-й неделе. Затем зачаток мочеточника внедряется в метанефральную мезенхиму, чтобы инициировать мезенхимально-эпителиальную дифференцировку, давая начало системе клубочек-нефрон-собирательные протоки. зрелой почки. Потребность в промежуточной мезодерме, по-видимому, регулируется передачей сигналов костного морфогенетического белка (BMP), которая также необходима для поддержания экспрессии генов пронефрального протока, чтобы обеспечить выживание и дифференцировку развивающегося почечного протока.

Парные box гены ( PAX2 и PAX8 ), по-видимому, также необходимы для управления развитием, удлинением и поддержанием почечных протоков (Stewart and Bouchard, 2014). Заключительной стадией раннего нефрического развития является отделение половых путей от мочевыводящих путей. Как только зачаток мочеточника выходит из почечного протока, мочевыводящие пути отделяют мочеточник от общего почечного протока посредством апоптоза, чтобы сформировать новое мочеточниково-везикальное соединение с клоакальной структурой, которая будет мочевым пузырем.Этот апоптоз наиболее активен в каудальной области и менее активен в точке разветвления зачатка мочеточника. Апоптоз происходит за счет подавления активности RET (рецепторной тирозинкиназы). RET по-прежнему необходим для ремоделирования мочеточника, но на более низком уровне экспрессии, чем тот, который необходим для образования зачатка мочеточника, отходящего от почечного протока. Соответствующая элиминация общего почечного протока необходима для нормальной функции мочевыводящих путей. Отсутствие или задержка ремоделирования мочеточника может привести к обструкции лоханочно-мочеточникового сегмента.Гиперактивация апоптоза общего почечного протока может привести к пузырно-мочеточниковому рефлюксу (Stewart and Bouchard, 2014; рис. 86.2).

Для развития зачатка мочеточника требуется активный путь RET-GDNF. GDNF, расположенный в метанефральной мезенхиме, прилегающей к почечному протоку, активирует развитие зачатка мочеточника путем активации RET, расположенного вдоль почечного протока. Если RET отсутствует, индукция мочеточника невозможна, но зачаток мочеточника формируется эктопически в исследованиях, где GDNF культивируется рядом с почечным протоком (Blake and Rosenblum, 2014). Факторы пути Wnt, особенно фактор 11, и FGF активируют GDNF, чтобы способствовать ветвлению развивающегося дерева нефронов мочеточника.

После стимуляции зачатка мочеточника, направленного на распространение к развивающейся метанефральной мезенхиме, он начинает ветвиться, формируя дерево мочеточников, которое возникает только на кончиках кончиков мочеточников с реципрокной передачей сигналов RET-GDNF, которая активирует RET-Wnt11, дальнейшее усиление секреции GDNF. Этот сигнал мочеточника к высвобождению RET локализован в мезенхиме колпачка.При продолжающейся пролиферации, удлинении, формировании паттерна и сегментации специфические функционирующие области нефрона образуют узнаваемый взрослый нефрон (гломерулы, проксимальные канальцы, петля Генле, дистальные канальцы), которые все соединяются обратно с собирательными трубочками (рис. 86.3). .

Как только эпителий зачатка мочеточника проникает в метанефральную мезенхиму в области мезенхимы колпачка, эта мезенхима конденсируется вокруг кончиков зачатка мочеточника под влиянием генов Wnt (Dressler, 2009). Почечный пузырек, первая эпителиальная структура, которая станет будущим нефроном, активируется развивающимся зачатком мочеточника.Следующей фазой является развитие запятообразных телец как первого сгущения метанефральной мезенхимы почечных пузырьков. Образование расщелины в запятообразных тельцах означает развитие S-образных тел, которые в конечном итоге инициируют развитие почечного нефрона (рис. 86.4). S-образные тельца образуются из мезенхимы покрышки и становятся гломерулярным пучком, как только эндотелиальные клетки инфильтрируют эту область развивающегося нефрона. Ось развивающегося нефрона определяется S-образным телом после его срастания с кончиком мочеточника.Проксимальный конец S-образного тела будет клубочком, а дистальный конец срастется с системой ветвления зачатка мочеточника в виде собирательного протока. S-образная фаза развития – это когда нефрогенный и васкулогенный процессы соединяются из-за секреции VEGF из подоцитов в S-образном теле и привлекают мигрирующие эндотелиальные клетки сосудов в S-образную щель тела (Schell et al. , 2014; рис. 86.5).

Со временем и при дальнейшем развитии кончик мочеточника и мезенхима крышки уменьшаются в размерах.Ветвление мочеточника прекращается у человека примерно на 14–15 неделе беременности. Почка человека многососочковая, состоит примерно из 8–15 долей, каждая из которых имеет около 15 поколений ветвления собирательных трубочек. Обширное формирование паттерна и сегментация, происходящие при развитии нефрона, управляются якорными генами, обладающими абсолютной специфичностью для каждого клеточного компартмента, в котором они расположены в развивающемся эмбрионе. Одна только почка имеет более 15 различных анатомических компартментов. На сегодняшний день определено 37 якорных генов только для шести субкомпартментов почки.Действие этих генов еще недостаточно известно, но якорные гены могут быть ответственны за инициацию дифференцировки различных компартментов нефрона путем высвобождения промоторов и тканевых факторов в местную мезенхиму, чтобы инициировать формирование функционирующей почечной единицы (Little, 2011). ).

Развитие нефрона человека сравнивают с развитием мыши, чтобы экстраполировать сходные или предполагаемые этапы развития, которые могут быть одинаковыми (см. рис. 86.5). Состав нефрона у человека может различаться примерно в 10 раз у разных людей, с вариабельностью числа в зависимости от возраста, расы и событий беременности, таких как масса тела при рождении, недоношенность и внутриутробное воздействие материнских факторов (курение, недоедание, диабет и другие агенты). ) (Маленький, 2015).

Половые различия нижних мочевыводящих путей — ScienceDaily

Биологические различия между женщинами и мужчинами выходят за рамки базовой анатомии. Исследователи должны рассмотреть половые различия вплоть до клеточного уровня, чтобы получить важную информацию о различном развитии, функциях и биологии между женщинами и мужчинами.

Новый отчет, написанный Междисциплинарной сетью по урологическому здоровью женщин Общества исследований женского здоровья и опубликованный сегодня в журнале Biology of Sex Differences , подчеркивает, как улучшаются наши знания о половых различиях в клеточной биологии нижних мочевыводящих путей женщин и мужчин. может способствовать прорыву в диагностике и лечении дисфункции мочевыводящих путей как у женщин, так и у мужчин.

Например, хотя долгое время считалось, что анатомические различия между полами являются причиной того, что женщины значительно чаще страдают инфекциями мочевыводящих путей (ИМП), чем мужчины, более свежие данные подтверждают существование других, неанатомических факторов, способствующих повышенной уязвимости женщин.

Расположение наружной уретры у женщин и более короткая длина этой уретры обычно называют причинами, по которым женщины заболевают ИМП в 30 раз чаще, чем мужчины, при этом более половины всех женщин переносят хотя бы одну ИМП в течение жизни.Однако недавние исследования, изучающие роль ретикулоэндотелиальной системы, которая обеспечивает иммунитет против микробов, показывают, что дифференциальная экспрессия иммунных клеток в мочевом пузыре может увеличивать частоту ИМП у женщин.

«Помимо нашей базовой анатомии, женщины и мужчины демонстрируют половые различия на клеточном уровне, которые влияют как на форму, так и на функцию нижних мочевыводящих путей», — сказала старший автор Марго С. Дамасер, доктор философии, сотрудник и профессор Кливлендской клиники. и старший научный сотрудник Кливлендского медицинского центра штата Вирджиния.«Эти различия необходимо учитывать при лечении дисфункции мочевыводящих путей, чтобы обеспечить оптимальное лечение как для женщин, так и для мужчин».

Авторы отмечают, что обзорная статья должна служить обзором современных знаний о половых различиях в нижних мочевых путях, а также катализатором для исследователей, стремящихся внести свой вклад в эту область.

Дальнейшее изучение половых различий в типах клеток нижних мочевыводящих путей необходимо для лучшего понимания нормальной и ненормальной функции, и, в частности, в документе говорится, что необходимы дополнительные исследования в отношении:

  • Как половые различия в микробиоме мочи влияют на восприимчивость к ИМП
  • Опосредуют ли половые различия в нативной популяции клеток ретикулоэндотелиальной системы вариабельность восприимчивости к ИМП
  • Роль половых гормонов в развитии нижних мочевыводящих путей, физиологии и восприимчивости к злокачественным новообразованиям, таким как рак

Источник истории:

Материалы предоставлены Обществом исследований женского здоровья . Примечание. Содержимое можно редактировать по стилю и длине.

Инфекции мочевыводящих путей Информация | Гора Синай

Антибиотики являются основным средством лечения ИМП. Доступны различные антибиотики, и выбор зависит от многих факторов, в том числе от того, является ли инфекция осложненной или неосложненной, первичной или рецидивирующей. Решения о лечении также зависят от типа человека (мужчина или женщина, беременная или небеременная женщина, ребенок, госпитализированный или негоспитализированный человек или человек с диабетом).

В связи с недавним увеличением резистентных к лекарственным препаратам бактерий врач может также выбрать антибиотик на основе уровня резистентности в данном географическом районе.

Лечение неосложненных ИМП

ИМП часто можно успешно лечить с помощью антибиотиков, выписываемых по телефону. В таких случаях медицинский работник предоставляет людям 3–5-дневные схемы лечения антибиотиками без необходимости сдачи анализа мочи в офисе. Этот курс рекомендуется только для женщин с типичными симптомами цистита, с низким риском повторной инфекции и без симптомов (таких как вагинит), указывающих на другие проблемы.Всегда лучше сделать посев мочи до начала антибиотиков, если это возможно.

Режим антибиотикотерапии

Пероральное лечение антибиотиками излечивает почти все неосложненные ИМП, хотя частота рецидивов остается высокой. Чтобы назначить наилучшее лечение, врач должен быть осведомлен о любых лекарственных аллергиях человека.

При неосложненных ИМП обычно используются следующие антибиотики:

  • Рекомендуемая схема лечения — 3-дневный курс триметоприм-сульфаметоксазола, обычно называемый TMP-SMX (Бактрим, Септра и дженерик).TMP-SMX сочетает антибиотик триметоприм с сульфаниламидным препаратом. Однократная доза TMP-SMX иногда назначается в легких случаях, но показатели излечения обычно ниже, чем при 3-дневных схемах лечения. Аллергия на сульфаниламидные препараты распространена и может быть серьезной. Поэтому больному, чувствительному к сульфаниламидным препаратам, может быть назначен другой антибиотик.
  • Другим препаратом первого ряда является нитрофурантоин (фурадантин, макробид, макродантин и дженерик). Обычно его принимают ежедневно в течение 5 дней.
  • Фосфомицин (монурол) не так эффективен, как другие антибиотики, но его можно использовать во время беременности.Показатели резистентности к этому препарату очень низкие.
  • Фторхинолоновые антибиотики, также называемые хинолонами, рекомендуются при ИМП только тогда, когда другие антибиотики не могут быть использованы. Ципрофлоксацин (Cipro, дженерик) является наиболее часто назначаемым антибиотиком группы хинолонов. Хинолоны обычно назначают в течение 3 дней. Беременные женщины не должны принимать эти препараты.
  • Также могут использоваться другие антибиотики, в том числе амоксициллин-клавуланат, цефдинир, цефаклор и цефподоксим-проксетил. Эти препараты могут быть назначены, когда другие антибиотики не подходят. Обычно их назначают курсом от 3 до 7 дней.

После соответствующего курса лечения антибиотиками у большинства людей инфекция исчезает. Если симптомы не проходят в течение первых нескольких дней терапии, врачи могут предложить альтернативный курс антибиотиков. Это может зависеть от результата посева мочи. Посев мочи может быть заказан для выявления конкретного организма, вызывающего заболевание, если это не сделано до начала приема антибиотиков.

Следует отметить, что устойчивость ко многим широко используемым антибиотикам растет, поэтому в настоящее время рекомендуется проводить посев мочи перед началом антибиотикотерапии.Это помогает уменьшить чрезмерное использование этих лекарств.

Лечение рецидивирующей инфекции

Рецидивирующая инфекция (вызванная неэффективностью лечения) возникает в течение 3 недель примерно у 10% женщин. Рецидив лечат так же, как и первую инфекцию, но лечение антибиотиками обычно продолжается от 7 до 14 дней. Рецидивирующие инфекции могут быть вызваны структурными аномалиями, абсцессами или другими проблемами, которые могут потребовать хирургического вмешательства. Такие состояния следует исключить.

Лечение рецидивирующих инфекций

Женщинам, имеющим 2 или более симптоматических ИМП в течение 6 месяцев или 3 или более эпизодов в течение года, может потребоваться профилактическое назначение антибиотиков.Все женщины должны соблюдать меры по изменению образа жизни для предотвращения рецидивов.

Периодическое самолечение

Многие, если не большинство, женщины с рецидивирующими ИМП могут эффективно лечить рецидивирующие ИМП самостоятельно, не обращаясь к врачу. Как правило, для этого требуются следующие шаги:

  • Как только у человека появляются симптомы, он принимает антибиотик. Инфекции, возникающие реже двух раз в год, обычно лечат так же, как если бы они были первоначальной атакой, с однократным или трехдневным курсом антибиотиков.
  • В некоторых случаях она также проводит анализ мочи перед началом приема антибиотиков и отправляет его врачу для посева для подтверждения инфекции.

Женщина должна обратиться к врачу в следующих случаях:

  • Если симптомы не исчезли в течение 48 часов после начала лечения антибиотиками
  • Если симптомы изменились
  • Если женщина подозревает, что она беременна
  • Если у человека более 4 инфекций в год

Женщины, которые не являются хорошими кандидатами для самолечения, это женщины с ослабленной иммунной системой, предыдущими инфекциями почек, структурными аномалиями мочевыводящих путей или историей инфекции, вызванной антибиотиками -резистентные бактерии.

Посткоитальные антибиотики

Если рецидивирующие инфекции явно связаны с сексуальной активностью и эпизоды повторяются более двух раз в течение 6-месячного периода, эффективна однократная профилактическая доза, принятая сразу после полового акта. Антибиотики для таких случаев включают TMP-SMX, нитрофурантоин, цефалексин или фторхинолон (например, ципрофлоксацин). Фторхинолоны противопоказаны во время беременности.

Непрерывный профилактический прием антибиотиков (профилактика)

Непрерывный профилактический (профилактический) прием антибиотиков является вариантом для некоторых женщин, которые не реагируют на другие меры.При таком подходе низкие дозы антибиотиков принимают непрерывно в течение 6 месяцев и дольше.

Лечение инфекций почек (пиелонефрита)

Людей с неосложненными инфекциями почек (пиелонефрит) можно лечить пероральными антибиотиками в домашних условиях. Обычно назначают ципрофлоксацин (Cipro, общий) или другой фторхинолон, но могут использоваться и другие антибиотики, такие как триметоприм-сульфаметоксазол (TMP-SMX). Людям с острой почечной инфекцией средней и тяжелой степени, а также лицам с тяжелыми симптомами или другими осложнениями может потребоваться госпитализация. В таких случаях антибиотики обычно вводят внутривенно в течение нескольких дней. Хронический пиелонефрит может потребовать длительного лечения антибиотиками.

Лечение определенных групп населения

Лечение беременных женщин

Беременные женщины должны проходить скрининг на ИМП, поскольку они подвержены высокому риску ИМП и их осложнений. Антибиотики, используемые для лечения беременных женщин с ИМП, включают амоксициллин, ампициллин, нитрофурантоин и цефалоспорины (цефалексин). Фосфомицин (монурол) не так эффективен, как другие антибиотики, но иногда его назначают беременным женщинам.В целом, нет единого мнения о том, какой антибиотик лучше всего подходит для беременных, хотя некоторые виды антибиотиков, такие как фторхинолоны и тетрациклины, не следует принимать, поскольку они могут нанести вред плоду.

Беременные женщины с бессимптомной бактериурией (признаки инфекции, но отсутствие симптомов) имеют повышенный риск развития острого пиелонефрита во втором или третьем триместре беременности. Они нуждаются в обследовании и лечении этого состояния. В таких случаях их следует лечить коротким курсом антибиотиков (от 3 до 5 дней).При неосложненной ИМП беременным женщинам может потребоваться более длительный курс антибиотиков (от 7 до 10 дней).

Лечение детей с ИМП

Детей с ИМП обычно лечат TMP-SMX, цефалексином (Кефлекс, непатентованный) и другими цефалоспоринами или амоксициллином/клавулановой кислотой (Аугментин, непатентованный). Эти препараты обычно принимают внутрь в виде жидкости или таблеток. Врачи иногда делают их в виде укола или внутривенно. Дети обычно реагируют на лечение в течение нескольких дней. Своевременное лечение антибиотиками может помочь предотвратить рубцевание почек.

Пузырно-мочеточниковый рефлюкс (ПМР) вызывает беспокойство у детей с ИМП. (См. раздел «Факторы риска» в этом отчете.) ПМР может привести к инфекции почек (пиелонефриту), которая может привести к повреждению почек. Если рефлюкс мочи нетяжелый, у ребенка есть хорошие шансы справиться с этой проблемой без какого-либо повреждения почек. Два варианта лечения детей с ПМР, которые являются более тяжелыми или вызвали инфекции, — это длительный прием антибиотиков для предотвращения инфекций или хирургическое вмешательство для исправления состояния.Однако ведутся споры о пользе этих подходов. Текущие руководства сообщают, что антибиотики на самом деле не помогают предотвратить рецидивы ИМП у детей и что ПМР сам по себе не может существенно увеличить риск рецидива ИМП.

Детей с острой почечной инфекцией лечат различными антибиотиками, включая пероральный цефиксим (Супракс) или короткий курс (от 2 до 4 дней) внутривенного (в/в) антибиотика (обычно гентамицина, вводимого в одной суточной дозе). Затем следует пероральный антибиотик.

Ведение катетер-индуцированных инфекций мочевыводящих путей

Катетер-индуцированные инфекции мочевыводящих путей очень распространены, и профилактические меры чрезвычайно важны. Постоянные катетеры не следует использовать без крайней необходимости, и их следует удалять как можно скорее. Длительное использование катетера связано с повышенным риском инфекций. Для мужчин наружные катетеры (катетеры презервативов) могут быть альтернативой постоянным катетерам.

Ежедневная гигиена катетера

Типичный катетер поставляется с предварительно соединенным и запечатанным и использует систему дренажного мешка.Для предотвращения инфекции могут быть полезны некоторые из следующих советов:

  • Пейте много жидкости.
  • Убедитесь, что на трубке катетера нет узлов или перегибов.
  • Очищайте катетер и область вокруг уретры водой с мылом ежедневно и после каждой дефекации. (Женщины должны чистить спереди назад.)
  • Вымойте руки, прежде чем прикасаться к катетеру или окружающей области.
  • Никогда не отсоединяйте катетер от дренажного мешка без тщательных инструкций от медицинского работника по строгим методам предотвращения инфекции.
  • Держите дренажный мешок подальше от пола.
  • Прикрепите сумку к ноге с помощью ножного ремня, ленты или какой-либо другой системы.

Антибиотики при катетер-индуцированных инфекциях

Людей, использующих катетеры, у которых развивается ИМП с симптомами, следует лечить антибиотиками при каждом эпизоде, а катетер следует по возможности удалять или заменять. Основная проблема в лечении ИМП, связанных с катетером, заключается в том, что вовлеченные микроорганизмы постоянно меняются.Поскольку, вероятно, существует несколько видов бактерий, врачи обычно рекомендуют антибиотик, который эффективен против широкого спектра микроорганизмов.

Хотя у большинства пациентов с катетеризацией наблюдается высокое количество бактерий в моче (бактериурия), назначение антибиотиков для профилактики ИМП рекомендуется редко. У многих людей с катетеризацией не развивается симптоматическая ИМП даже при высоком содержании бактерий. Если бактериурия протекает бессимптомно, антибиотикотерапия малоэффективна, если катетер должен оставаться на месте в течение длительного периода.

Катетеризация осуществляется путем введения катетера (полой трубки, часто с надувным баллончиком) в мочевой пузырь. Эта процедура проводится при непроходимости мочевыводящих путей, нефункционирующем мочевом пузыре по разным причинам, после хирургических вмешательств на уретре, у людей без сознания (из-за хирургической анестезии или комы) или при любой другой проблеме, при которой мочевой пузырь необходимо сохранить. пустой (декомпрессированный) и поток мочи обеспечен.

Вмешательство при инфекциях мочевыводящих путей с использованием антиадгезивов на основе кристаллической структуры комплекса FimH-олигоманноза-3

Аннотация

Фон

Штаммы Escherichia coli прикрепляются к обычно стерильному уроэпителию человека с помощью пилей типа 1, которые представляют собой длинные волосатые поверхностные органеллы, обнажающие связывающий маннозу адгезин FimH на кончике.Небольшой процент прикрепившихся бактерий может успешно проникать в клетки мочевого пузыря, предположительно посредством путей, опосредованных высокоманнозилированными интегринами уроплакина-Ia и α3β1, обнаруженными по всему уроэпителию. Инвазивные бактерии реплицируются и созревают в плотные, похожие на биопленки включения при подготовке к флюсу и инфицированию соседних клеток, что является основной причиной неприятных рецидивирующих инфекций мочевыводящих путей.

Методология/основные выводы

Мы продемонстрировали, что ингибиторы FimH на основе α-d-маннозы не только блокируют бактериальную адгезию на уроэпителиальных клетках, но также препятствуют инвазии и образованию биопленок.Гептил α-d-манноза предотвращает связывание E. coli с ворсинками типа 1 с клеточной линией мочевого пузыря человека 5637 и снижает как адгезию, так и инвазию изолята цистита UTI89, введенного в мочевой пузырь мыши посредством катетеризации. Гептил α-d-манноза также специфически ингибирует образование биопленки при микромолярных концентрациях. Структурная основа большого ингибирующего потенциала алкил- и арил α-d-маннозидов была выяснена в кристаллической структуре FimH-рецептор-связывающего домена в комплексе с олигоманнозой-3. FimH взаимодействует с Manα1,3Manβ1,4GlcNAcβ1,4GlcNAc в расширенном сайте связывания. Взаимодействия вдоль α1,3-гликозидной связи и первой β1,4-связи с единицей хитобиозы консервативны для FimH с бутил-α-d-маннозой. Прочная компоновка центральной маннозы с ароматическим кольцом Tyr48 согласуется с высоким сродством, обнаруженным для синтетических ингибиторов, в которых эта манноза замещена ароматической группой.

Выводы/значение

Потенциал дизайна антагонистов инфекций мочевыводящих путей на основе лигандов определяется структурной мимикрией природных эпитопов и распространяется на блокирование бактериальной инвазии, внутриклеточного роста и способности к флюсу и рецидивам инфекции.

Образец цитирования: Wellens A, Garofalo C, Nguyen H, Van Gerven N, Slättegård R, Hernalsteens J-P, et al. (2008) Вмешательство при инфекциях мочевыводящих путей с использованием антиадгезивов на основе кристаллической структуры комплекса FimH-олигоманноза-3. ПЛОС ОДИН 3(4): е2040. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002040

Редактор: Shuguang Zhang, Массачусетский технологический институт, Соединенные Штаты Америки

Получено: 13 января 2008 г.; Принято: 17 марта 2008 г .; Опубликовано: 30 апреля 2008 г.

Авторские права: © 2008 Wellens et al.Это статья с открытым доступом, распространяемая в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания оригинального автора и источника.

Финансирование: JB получил постдокторскую стипендию от FWO-Flanders (FWO). NVG является получателем гранта доктора философии Института содействия инновациям посредством науки и технологий во Фландрии (IWT-Vlaanderen). Использование луча X12 на синхротроне DESY в Гамбурге, Германия, для проекта PX-06-92 финансировалось EMBL. Поддерживается грантами DK51406, Scor P50 DK64540 и AI48689.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Пили и фимбрии на бактериальной клетке являются факторами вирулентности, которые опосредуют адгезию патогенных бактерий к рецепторам клетки-хозяина [1]. Инфекции мочевыводящих путей (ИМП) у людей часто вызываются уропатогенными штаммами Escherichia coli (UPEC), экспрессирующими пили типа 1. Адгезин FimH на кончике пилей типа 1 распознает терминальные маннозные единицы уроплакина Ia (UPIa), мембранного гликопротеина, который обильно экспрессируется на поверхностных эпителиальных зонтичных клетках мочевыводящих путей [2].Бактериальное прикрепление стимулирует врожденную иммунную систему хозяина зависимым от Toll-подобного рецептора 4 образом [3]. Это индуцирует секрецию цитокинов уротелиальными клетками и рекрутирование нейтрофилов на поверхности слизистых оболочек для элиминации бактерий [4]. Субпопуляция UPEC избегает этого механизма эрадикации хозяина, вторгаясь в большие поверхностные эпителиальные клетки по типу 1-зависимого механизма [5], [6]. Однако хозяевам с сильным и своевременным врожденным иммунным ответом удается избавиться от этого бактериального внутриклеточного гнездования путем отшелушивания крупных поверхностных зонтичных клеток и выделения этих инфицированных клеток с мочой [7], [8].

Бактерии в цитозоле зонтичных клеток реплицируются и в течение нескольких часов превращаются в плотно упакованные биопленкоподобные внутриклеточные бактериальные сообщества (IBC) [9]. При созревании IBC бактерии рассеиваются из IBC и вновь появляются в просвете мочевого пузыря в виде длинных нитевидных форм, что помогает им избежать фагоцитоза нейтрофилов [10], [11]. Затем они могут повторно вторгнуться в соседние эпителиальные клетки, чтобы восстановить инфекцию. Таким образом, даже после того, как острая инфекция разрешилась, бактерии могут оставаться в мочевом пузыре в течение многих дней или недель, независимо от стандартного лечения антибиотиками, и могут быть связаны с рецидивирующей инфекцией мочевыводящих путей (рИМП) [12]–[14]. Большинство изолятов УПЭК от женщин с острой ИМП, бессимптомной бактериурией и пиелонепритом реплицируются в МКК у мышей C3H/HeN, хотя ИКК из изолятов, связанных с острыми ИМП, оставались значительно меньшими [15]. UPEC, которые не могут экспрессировать пили типа 1, резко снижают свою вирулентность, воздерживаются от внутриклеточной агрегации и созревания в IBC и, следовательно, не могут вытекать обратно из клеток [16].

Другой, внутриклеточный путь бактерий начинается через эндоцитоз в веретенообразных или дискоидальных везикулах поверхностных зонтичных клеток [17].Бактерии используют перемещение везикул в зонтичных клетках, чтобы избежать элиминации во время мочеиспускания. Эндоцитоз в зонтичных клетках сопряжен с экзоцитозом секреторных лизосом [18]. Экзоцитоз способствует увеличению апикальной мембраны при наполнении мочевого пузыря под гидростатическим давлением. Высокие внутриклеточные уровни цАМФ и кальция усиливают экзоцитоз UPEC обратно в просвет мочевого пузыря [17]. Неясно, достаточно ли приспособлены бактерии после своего пребывания в лизосомах зонтичных клеток, чтобы начать новый инвазивный цикл [19]. Слой уроэпителиальных клеток, лежащий в основе зонтичных клеток, также может подвергаться вторжению бактерий, возможно, при неполной элиминации ворсинчатых клеток E. coli типа 1 во время отшелушивания поверхностных высокодифференцированных зонтичных клеток [8]. В этих незрелых клетках бактерии не находятся в цитозоле, а секвестрируются в поздних эндосомах или лизосомах, где они остаются в нереплицирующемся состоянии [20]. Эти покоящиеся внутриклеточные резервуары (QIR) сохраняются в течение нескольких месяцев даже перед лицом антибиотиков и защиты хозяина, которые в основном атакуют растущие бактерии [8], [12], [13].Только при дифференцировке незрелых клеток-хозяев и перестройке цитоскелета, которая имеет тенденцию ингибировать внутриклеточную репликацию, QIR разрешаются с образованием внутриклеточных включений, подобных экспериментальным IBC [20]. Промежуточные филаменты цитокератина хозяина тесно связаны и, вероятно, помогают в формировании биопленки внутри этих стручковидных включений [20].

Прикрепление адгезинов на поверхности бактериальной клетки к определенным углеводам на поверхности ткани хозяина считается начальным и критическим этапом патогенеза.Антитела, которые специфически блокируют связывание FimH с его естественным рецептором, также предотвращают инфицирование [21]. Выявление взаимодействия между FimH и его структурным рецептором позволит разработать антиадгезивы на основе углеводов [22]. Предпочтение фимбриального адгезина структурам, обнаруженным в маннозилированных N -связанных гликановых цепях на гликопротеинах эукариотических клеток, позволяет предположить, что эти структуры будут служить рецепторами для штаммов E. coli с ворсинками типа 1 [23], [24].Группа Sharon описала в начале 80-х сильную ингибирующую активность Manα1,3Manβ1,4GlcNAc в отношении агглютинации эритроцитов и дрожжевых клеток и предположила, что этот трисахарид лучше всего подходит для кармана связывания FimH [25]. Совсем недавно равновесные константы диссоциации (K d ), полученные из измерений сродства к раствору с помощью поверхностного плазмонного резонанса (SPR) или из вытеснения тритиевой маннозы из рецептор-связывающего домена (RBD) FimH, последовательно подтвердили сильное предпочтение FimH для олигоманнозиды, экспонирующие Manα1,3Man на невосстанавливающем конце плеча D1 гликанов с высоким содержанием маннозы [26]. Маннотриоза и маннопентаоза не обладают значительно более высокой аффинностью, чем их линейная часть Manα1,3Man (K d ~200 нМ). Напротив, олигоманноза-3 и олигоманноза-5, несущие β1,4-связанную хитобиозу в качестве якоря к аспарагину в мотиве Asn-X-Ser/Thr N -связанных гликопротеинов, имеют еще 10-кратное увеличение аффинности. для FimH RBD (K d ∼20 нМ) над Manα1,3Man [26].

Несмотря на хорошо охарактеризованную тонкую специфичность FimH, вариантные штаммы FimH также подразделяются на штаммы с высоким сродством к d-маннозе, преимущественно представленные UPEC, против фекальные, комменсальные E.coli , которые проявляли только промежуточное сродство к маннотриозе (Manα1,6(Manα1,3)Man) [27]. Эти различные характеристики бактериального связывания в условиях статического связывания были приписаны вариациям RBD FimH. Тем не менее, изолированные RBD всех вариантов FimH, за исключением энтерогеморагических изолятов, несущих в своем кармане мутацию Asn135Lys, не различаются по своей аффинности к гликанам с высоким содержанием маннозы [26], [28]. Изолированные RBD или адгезин кончика фимбрии, которые находятся вне контекста своих собственных фимбрий, как недавно предположили, всегда встречаются в конформации с высоким сродством [29].С другой стороны, когда адгезин присутствует в их эндогенных ворсинках, он может претерпевать переход в конформацию с высоким сродством под действием силы сдвига, усиленной адгезией, и именно в этом феномене вариации аминокислот в FimH могут привести к десятикратным различиям в бактериальная адгезия. Бактериальная адгезия, усиленная сдвигом, была наиболее выражена к слоям, покрытым слабосвязывающей маннозой, чем к поверхности, покрытой более специфичной маннотриозой, и включала минимальный сдвиг для фекального варианта FimH E.coli F18 [30]. Однако такого порога сдвига не наблюдалось для 1-пилярного штамма E. coli , связывающегося с маннотриозой, или для P-пилярного штамма пиелонефрита, связывающегося с Galα1,4Gal [31]. Таким образом, изменения в структуре рецептора, которые влияют на тонкую специфичность FimH, могут более резко, чем вариации FimH, влиять на поведение колонизации ворсинчатых бактерий типа 1 в условиях потока. В этом контексте релевантность порога сдвига, наблюдаемого для однократного воздействия маннозы, слаба, учитывая, что манноза, распознаваемая FimH на концах встречающихся в природе гликанов, почти всегда вовлечена в гликозидную связь.

Сообщалось, что

FimH связывается с несколькими зависимыми от гликозилирования рецепторами в мочевыводящих путях, среди которых уроплакин Ia (UPIa) [2], гликопротеин Тамма-Хорсфалла (THP) [32] и совсем недавно интегрины β1 и α3 [33]. . Многие патогены проникают в клетки-мишени-хозяева, связывая интегрины прямо или косвенно через распознавание белков внеклеточного матрикса. UPIa представляет собой интегральный мембранный белок крупных поверхностных эпителиальных клеток мочевого пузыря, локализующийся в качестве рецептора FimH на шести внутренних доменах уроэпителиальной бляшки [34].Он принадлежит к надсемейству тетраспанинов [35], у которых часто обнаруживают комплексы с рецепторами интегрина β1 [36]. UPIa4 мыши представляет гликаны с высоким содержанием маннозы на Asn169 с гетерогенностью в диапазоне от Man 6 GlcNAc 2 до Man 9 GlcNAc 2 [37]. Одни и те же гликаны с высоким содержанием маннозы украшают интегрины β1 и α3 [38]. Ни одна из этих структур не экспонирует Manα1,3Manβ1,4GlcNAc, терминально на невосстанавливающем конце гликановой ветви. Возможно, это не столь поразительно, поскольку гликопротеины, несущие гликаны Man 5 GlcNAc 2 , деградируют преимущественно [39].Единственный изомер олигоманнозы-6, встречающийся до сих пор на уроплакинах, охватывает Manα1,3Manβ1,4GlcNAc с дополнительной α1,2-связанной d-маннозой [37], таким образом маскируя эпитоп с высоким сродством к FimH [40]. THP секретируется с мочой как естественный ингибитор бактериальной адгезии, опосредованной 1-м типом, благодаря высокому маннозилированному остатку Asn251 [41].

ИМП являются одной из наиболее распространенных инфекций человека. Почти половина всех женщин хотя бы раз в жизни сталкивалась с ИМП. Более проблематичным является превращение острых ИМП в хронические инфекции с рецидивом симптомов два или более раз в течение нескольких месяцев после первичной инфекции [42]. Модификации гликозилирования белков рецепторов FimH на эукариотических клетках могут изменить чувствительность хозяина к штаммам, вызывающим ИМП. Например, у пациентов с диабетом и пожилых женщин наблюдается повышенное связывание FimH с клетками мочевого пузыря [43], и это дополнительно коррелирует с повышенной частотой бессимптомной бактериурии [44]. Свободный олигосахарид Manα1,3Manβ1,4GlcNAc может быть выделен в аномально высоких количествах из мочи больных маннозидозом [45]. У пациентов с маннозидозом обилие этого высокоаффинного эпитопа FimH в моче может действовать как естественный ингибитор инфекций мочевыводящих путей, хотя снижение риска ИМП у пациентов с дефицитом α-маннозидазы не описано.Высокая частота рецидивирующих инфекций и растущая устойчивость УПЭК к антибиотикам [46] подчеркивают необходимость альтернативных методов лечения с использованием молекул углеводного происхождения в качестве потенциальных антиадгезивов. Их небактерицидный эффект делает выделение штаммов, устойчивых к таким агентам, гораздо более маловероятным, чем штаммов, устойчивых к антибиотикам [22].

Биохимические исследования и исследования докинга показали, что усиленное связывание Manα1,3Manβ1,4GlcNAc достигается за счет взаимодействия центральной маннозы и GlcNAc в тирозиновых воротах, отходящих от маннозосвязывающего кармана FimH [26], [47].Чтобы получить представление о селективности FimH в отношении этого трисахаридного эпитопа, мы совместно кристаллизовали FimH с трисахаридпрезентирующей олигоманнозой-3 и исследовали важность гликозидной связи Manα1,3Man с N -ацетилглюкозамином (GlcNAc) хитобиозная единица N -связанных гликанов. FimH RBD демонстрирует высокое сродство к алкил-α-d-маннозидам со сродством до K d 5 нМ для гептил-α-d-маннозы (HM) [47]. Мы намеревались изучить ингибирующую способность HM в отношении более низких ИМП, вызванных UPEC с ворсинками 1-го типа у мышей.Мы обнаружили, что алкил α-d-маннозиды и другие синтетические ингибиторы FimH подтверждают связывающие свойства эпитопа с высоким содержанием маннозы. Алкильная цепь бутил-α-d-маннозы, связанная с FimH в двух ранее определенных сокристаллических структурах, следует по следу α1,3-связи с центральной маннозой и первой β1,4-гликозидной связи с хитобиозой. Потенциал дизайна антагонистов ИМП на основе лигандов, по-видимому, определяется структурной мимикрией специфических пятен на маннозилированных рецепторах. Эта антиадгезионная способность распространяется на блокирование бактериальной инвазии, внутриклеточного роста и способности к флюсу и рецидивам инфекции.

Результаты

Якорь хитобиозы к Asn-гликозилированным рецепторам FimH важен для специфичности

Предыдущее картирование эпитопов на гликановых рецепторах с высоким содержанием маннозы выявило наивысшую аффинность FimH RBD к олигоманнозе-3 и олигоманнозе-5 [26]. Оба этих олигоманнозида высвобождают Manα1,3Manβ1,4GlcNAc на невосстанавливающем конце ветви D1 и обладают повышенной аффинностью к FimH по сравнению с маннотриозой и маннопентаозой, в которых отсутствует хитобиозная единица (рис. 1). Считалось, что повышенное сродство частично связано с β-аномерной связью с хитобиозой GlcNAcβ1,4GlcNAc.Константы связывания FimH RBD из циститного штамма J96 для Manα1,3ManβOMe и для аномерной смеси Manα1,3Man были определены с использованием SPR для исследования вклада гликозидной связи. Это привело к аффинности K d  = 112 нМ и 281 нМ соответственно, показывая, что FimH выбирает β-аномерную конфигурацию на Man3. Это также указывало на то, что одного наличия β-связи недостаточно для объяснения более значительного увеличения сродства между, с одной стороны, маннотриозой или маннопентаозой, а с другой стороны, олигоманнозой-3 и олигоманнозой-5 [26].Таким образом, хитобиозная единица, которая связывает маннозиды с аспарагином в мотиве Asn-X-Ser/Thr гликопротеинового рецептора, вносит более значительный вклад во взаимодействие с FimH.

Рисунок 1. Олигоманноза-3 как часть гликанов с высоким содержанием маннозы.

Олигоманноза-9 (K d ∼420 нМ) представляет собой полную структуру, показанную здесь. Олигоманноза-3 (синий, K d ~20 нМ) представляет собой субструктуру, которая кристаллизовалась в комплексе с адгезином FimH. Он взаимодействует с FimH как удлиненный тетрасахарид, подчеркнутый красной штриховой линией.Олигоманноза-5 (K d ~12 нМ) включает дополнительное ядро ​​маннотриозы по сравнению с олигоманнозой-3 за счет добавления ManA и ManB (фуксия). Маннопентаоза (K d ∼120 нМ) и маннотриоза (K d ∼200 нМ) заключены в рамки цвета фуксии и синего цвета соответственно.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002040.g001

Кристаллическая структура рецептор-связывающего домена FimH в комплексе с олигоманнозой-3

Олигоманноза-3 кристаллизовалась в комплексе с FimH RBD.Этот олигосахарид обнажает субструктуру Manα1,3Manβ1,4GlcNAc на конце своей ветви D1 (рис. 1). Поэтому он идеально подходит для выявления структурной основы его высокоаффинного взаимодействия с FimH. Исходные кристаллы были выращены путем уравновешивания посредством диффузии пара, а условия кристаллизации были оптимизированы путем добавления 3% глицерина (рис. S1).

Раствор молекулярной замены содержит два RBD FimH на асимметричную единицу в пространственной группе P3 1 21 (рис. 2, таблица S1).После первого атомного уточнения была видна четко интерпретируемая электронная плотность для Manα1,3Manβ1,4GlcNAc, одинаково хорошо в обоих RBD. Уточнение кристаллографических данных с отсечкой высокого разрешения 2,1 Å привело к хорошей геометрии белка и определению конформации олигосахаридов. Среднеквадратичное отклонение между двумя RBD составляет 0,56 Å для всех атомов основной цепи. Торсионные углы гликозидных связей Manβ1,4GlcNAc и Manα1,3Man в олигоманнозе-3 с точностью до нескольких градусов напоминают углы, наблюдаемые в кристаллической структуре трисахарида Manα1,3Manβ1,4GlcNAc [48].Хотя торсионный угол ψ Manα1,3Man отклоняется от средней минимальной энергии, смоделированной для этих гликанов для всех различных конформеров гликозидных связей, обнаруженных либо в N -, либо в O -связанных гликанах [49], он находится в диапазоне разрешенных минимальных энергетических конформаций для φ и ψ гликозидных торсионных углов [50].

Рис. 2. Кристаллическая структура FimH в комплексе с олигоманнозой-3.

Два RBD FimH, связанные некристаллографической симметрией (зеленый и темно-зеленый, Ig-кратная маркировка), оба связывают олигоманнозу-3 (только один показан синим голубым), соединенные через Asp47 с ионом никеля (зеленый голубой) . His45 и Asp47 и четыре воды лигируют ион никеля в октаэдрическую конфигурацию. Ионы сульфата (желтые с красным кислородом) стабилизируют сильно заряженную поверхность раздела кристаллической упаковки, соединяя Val112 и Ser113 с Arg132 из двух кристаллографически независимых RBD с Arg92 и Tyr55 из RBD, связанного с симметрией.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002040.g002

Олигоманноза-3 представляет собой относительно плоскую структуру, которая вставляется почти как лист в тирозиновые ворота (рис. 2 и 3А) под углом к ​​обеим сторонам. заканчивается.Такие же обширные водородные связи, гидрофобные контакты и ван-дер-ваальсовые взаимодействия достигаются за счет связывания олигоманнозы-3 в обоих RBD FimH кристаллической структуры (рис. 2). Доступная для растворителя площадь поверхности, скрытая за счет связывания олигоманнозы-3, приводит к уменьшению доступной для растворителя площади поверхности на 312,1±1,3 Å 2 для олигоманнозы-3 и 462,2±6,6 Å 2 для FimH в обоих случаях при использовании Программа CCP4 NACCESS. Между двумя кристаллографически независимыми RBD FimH 537.5±6,75 Å 2 исключен из растворителя. Это хорошо согласуется со средними площадями, исключенными из растворителя парными взаимодействиями (388,1±3 Å 2 между FimH и олигоманнозой-3 и 534 Å 2 между двумя RBD FimH), рассчитанными с помощью MSDpisa версии v1.14 [51]. .

Рисунок 3. Панель взаимодействий лектиновых доменов FimH вдоль цепи олигоманнозы-3.

A, карта электронной плотности, очерченная на 1 e/Å 3 , для олигоманнозы-3 в сайте связывания рецептора FimH.Поверхность сайта связывания подразделяется на гидрофобную опорную платформу (серый, остатки Phe142, Phe1 и Ile13), полярный карман (красный, остатки Asn46, Asp47, Asp54, Gln133, Asn135, Asn138 и Asp140), тирозиновые ворота ( синий, остатки Tyr137, Ile52 и Tyr48) и остаток Thr51 (зеленый). B, стекинг ароматических соединений в сахариды (зеленые пунктирные линии) боковой цепи Tyr48 на B-грани Man3. C, Ван-дер-Ваальс поддерживает связь β1,4 (желтые пунктирные линии) и гидрофобный контакт C5 GlcNAc2 с помощью Tyr137 (зеленые пунктирные линии). D, Thr51 вершины сайта за счет гидрофильных (красный), гидрофобных и ван-дер-ваальсовых (желтый) взаимодействий с хитобиозой. Аномерный O1 GlcNAc1 будет заменен азотом амида аспаргина на рецепторном гликопротеине для FimH.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002040.g003

Нередуцирующий конец Man4 закрепляется в кармане, связывающем маннозу, тогда как редуцирующий конец GlcNAc1 загибается на Thr51. Очень специфические взаимодействия с тирозиновыми воротами происходят в самом кармане связывания маннозы и на всем протяжении Manα1,3Manβ1,4GlcNAc через α1,3 и первые β1,4 гликозидные связи.FimH не распознает напрямую второй невосстанавливающий конец маннозы, Man4′ (рис. 3). Man4′ и GlcNAc1, два сахарида, которые выходят из сайта связывания рецептора, проявляют большую гибкость в сильно гидратированной среде, что приводит к менее четко определенной электронной плотности и более высоким температурным факторам. Контакты кристаллической упаковки с Phe142 и Ile13 связанного с симметрией RBD с Man4′, связанным со вторым RBD (молекула лесной зелени на рисунке 2), стабилизируют некоторые из этих вод, тогда как Man4′, связанный с первым RBD, полностью подвергается воздействию растворителя.

Впервые в структуре FimH [47], [52], [53] обнаружен ион никеля, связанный с карманом связывания маннозы с помощью Asp47 (рис. 2). Ион никеля лигирован в октаэдрическую структуру карбоксилатной группой Asp47, имидазольной группой His45 и четырьмя молекулами воды. Также невиданные ранее ни в одной структуре FimH два сульфатных иона на сильно заряженной поверхности раздела в кристаллической упаковке (рис. 2).

Невосстанавливающий конец Man4 олигоманнозы-3 (рис. 1) притягивается к глубокому мономаннозо-связывающему полярному карману (рис. 3А, красный) через гидрофобные тирозиновые ворота (рис. 3А, синий) для осуществления ранее четко определенных взаимодействий. [47], [53].Между остатками Man4 и FimH Phe1, Asn46, Asp47, Asp54, Gln133, Asn135 и Asp140 образуются одиннадцать водородных связей (рис. 4). Молекула воды, взаимодействующая с O2 Man4, является строго консервативной особенностью кармана, связывающего маннозу. Аполярная B-грань Man4 обеспечивает взаимодействие с Ile13 и Phe142, а его связь C5-C6 взаимодействует с Ile52. Остатки Tyr48, Ile52 и Tyr137 тирозиновых ворот участвуют в нескольких ароматических/гидрофобных и ван-дер-ваальсовых контактах с олигоманнозой-3, тем самым стабилизируя комплекс гликан-лектин (рис. 3 и 4).Man3 зацепляется за боковую цепь Ile52, накладывая свою неполярную B-грань на ароматическую боковую цепь Tyr48 (Рисунки 3A-C). Тесный аполярный контакт достигается между C5 GlcNAc2 и Tyr137. Связь C6-O6 GlcNAc2 хорошо себя чувствует в гидрофобной среде, созданной Tyr48 и Ile52 (рис. 4). Это может помочь сориентировать сильную (2,7 Å) водородную связь гидроксила O6 на GlcNAc2 непосредственно к гидроксилу боковой цепи Thr51 (рис. 3D). Этот последний треонин гидрофобно взаимодействует со связью С7-С8 ацетильной группы восстанавливающего конца GlcNAc1.GlcNAc1 образует внутримолекулярные водородные связи с GlcNAc2, и его N -ацетильная группа образует ван-дер-ваальсов контакт с метильной группой боковой цепи Thr51 (рис. 3D). Можно видеть, что гликозидная связь GlcNAc1 через O1 с гликопротеином будет притягивать FimH очень близко к его рецептору при связывании (рис. 3D).

Рис. 4. Схема взаимодействий в расширенном кармане, связывающем рецептор FimH.

Сеть водородных связей (зеленые пунктирные линии) окружает Man4. Далее вдоль олигоманнозы-3 только молекулы воды образуют водородные связи вдоль одной стороны олигоманнозы-3, за исключением боковой цепи Thr51.Остатки тирозиновых ворот, Tyr48, Ile52 и Tyr137, взаимодействуют посредством ароматических стэкингов, гидрофобных и ван-дер-ваальсовых контактов (все отмечены красным) в основном с Man3 и GlcNAc2.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002040.g004

Параллели между связыванием олигоманнозы-3 и алкил α-d-маннозидов с FimH

Бутил α-d-манноза является высокоаффинным лигандом для FimH (K d  = 150 нМ), который был случайно обнаружен в двух предыдущих кристаллических структурах FimH [47].Мы сравнили интерфейсы взаимодействия между FimH и олигоманнозой-3 с интерфейсами между FimH и бутил-α-d-маннозой. Наложение маннозы бутил α-d-маннозидов на Man4 олигоманнозы-3 и применение матрицы трансформации ко всем молекулам показало, что бутильная цепь следует по гидрофобному следу через тирозиновые ворота за счет связей Manα1,3Man и Manβ1,4GlcNAc. (Рисунок 5А). В отличие от стабильного положения маннозы, связанной в моносахаридсвязывающем кармане, температурные факторы атомов лиганда постепенно увеличиваются за пределы α1,3 положения как для олигоманнозы-3, так и для бутил α-d-маннозы.

Рисунок 5. Пятна специфичности для взаимодействия с FimH.

A, Наложение RBD FimH с лигандом олигоманноза-3 (желтый, запись PDB 2vco, разрешение 2,1 Å), с бутил-α-d-маннозой (пурпурный, 1uwf, разрешение 1,7 Å) и с бутил-α-d-маннозой (голубой, 1tr7, разрешение 2,1 Å). Tyr48 в структуре 1uwf (пурпурный) принимает другую конформацию боковой цепи, чтобы избежать конфликтов в кристаллической упаковке. Бутиловый хвост принимает конформацию, которая почти точно соответствует жирному следу C3-C2-C1 центрального Man3.B, Положения воды в кристаллических структурах RBD FimH (зеленый) в комплексе с лигандом олигоманнозы-3 (желтый, воды красным цветом и водородные связи синим пунктиром) соответствуют положениям RBD FimH бутилового α-d- структуры с маннозным лигандом (пурпурные воды для 1uwf, голубые воды для 1tr7).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002040.g005

Сторона олигоманнозы-3, которая не охватывается тирозиновыми воротами, демонстрирует гидратацию экзоциклических гликозидных атомов кислорода (рис. 4 и 5А), которая поддерживается между олигоманноза-3 и бутил α-d-манноза.Гидратация α-аномерного кислорода маннозы, связанного с полярным карманом, сохраняется, как и ее сеть водородных связей с Asn138 и Asp140 (рис. 5B), которые являются остатками в петле, соединяющей β-цепи F и G (рис. 3). ). Также сохраняется водородная связь молекулы воды с экзоциклическим гликозидным кислородом, связывающим Man3 с GlcNAc2 (рис. 5 и 6В). Похоже, что синтетические ингибиторы стремятся наилучшим образом имитировать взаимодействие FimH с его природным рецептором. Предыдущие измерения сродства к раствору показали, что гептил α-d-манноза является наиболее связывающим алкил α-d-маннозидом (K d  = 5 нМ) [47].Моделирование, в котором бутильная цепь бутил-α-d-маннозы была удлинена до гептила, позволило получить конформацию, в которой удлиненный хвост следует за GlcNAc2 дальше вдоль C4-C5-C6, ожидая образования важных взаимодействий с Thr51, Ile52 и Tyr48. Антиадгезионное действие гептил-α-d-маннозы впоследствии тестировали как на линии клеток мочевого пузыря человека 5637, так и на мышах C3H/HeN.

Рисунок 6. Ингибирование адгезии бактерий к клеткам мочевого пузыря 5637 маннозой или гептил α-d-маннозой.

Тип 1, экспрессирующий пили E. coli , инкубировали при 10 6 КОЕ/мл (FimH поз. ) с клетками мочевого пузыря или смешивали с серией десятикратных разведений Man или HM до инкубации, чтобы сравнить ингибирование связывания бактерий двумя сахарами. Изогенный fimH -отрицательный штамм служил в качестве отрицательного контроля (FimH neg ).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002040.g006

Манноза и гептил α-d-манноза ингибируют

in vitro адгезию пилообразных E типа 1.кишечная палочка

Тип 1, экспрессирующий пили AAEC185(pUT2002)(pMMB66) Клетки E. coli при 10 6 КОЕ/мл были дополнены серией десятикратных разведений d-маннозы (Man) или гептил α-d-маннозы (HM) и инкубировали для адгезии на линии клеток мочевого пузыря 5637. Повышение концентрации Man или HM вызывало значительное снижение до полного ингибирования связывания бактериальных клеток мочевого пузыря (фиг. 6). Адгезия может быть полностью ингибирована добавлением 100 мМ Man к бактериальному инокуляту или 100-кратно меньшей концентрацией HM.Никакого ингибирования не было получено при использовании 100 мкМ Man, в то время как 1 мкМ HM все еще обладал некоторым ингибирующим эффектом. Аналогичные данные были получены при инокуляте 10 7 КОЕ/мл. Эти результаты свидетельствуют о том, что HM более эффективен в снижении FimH-опосредованной адгезии бактерий в соответствии с его более высоким сродством к FimH.

Гептил α-d-манноза снижает уровень бактерий в модели цистита у мышей

Обширные исследования показали, что пили типа 1 и их адгезин, FimH, необходимы для связывания и инвазии в мышиной модели цистита [6], [33], [53].Было высказано предположение, что блокирование кармана связывания FimH за счет предпочтительного связывания с растворимым остатком маннозы снижает связывание с уроплакинами на поверхности эпителиальных клеток мочевого пузыря. Эта потеря связывания приведет к меньшей инвазии и, в конечном итоге, к уменьшению инфекции. Для проверки этой гипотезы бактерии инкубировали в присутствии производного маннозы перед инокуляцией в мочевой пузырь мышей. В начале этого эксперимента внутреннюю токсичность HM оценивали на самках мышей BALB/c.ТМ вводили в концентрации 50 мМ через катетер (50 мкл), интраназально (20 мкл) и внутривенно (150 мкл) трем мышам каждой, но острой токсичности не наблюдалось. Через 6 часов после инфицирования подсчитывали количество бактерий, присутствующих в мочевом пузыре. ИМП дикого типа89, инкубированные только с PBS, имели средний уровень инфицирования ~3×10 5 КОЕ/мл (рис. 7). Инкубация UTI89 с 0,5 мМ HM не показала значительного снижения инфекции. Однако при концентрации 5 мМ ТМ наблюдалось значительное снижение инфекции через 6 часов после заражения (p≤0.0001). Метил-α-d-манноза (ММ) не вызывала снижения численности бактерий при той же концентрации. Значительное снижение бактериальной нагрузки наблюдалось только при повышении концентрации ММ до 1М (данные не показаны), что в 200 раз выше концентрации, достаточной для ТМ. Это различие можно объяснить более плотным связыванием HM с FimH по сравнению с MM. Эти результаты позволяют предположить, что путем ингибирования способности FimH связываться с маннозилированными уроплакинами можно предотвратить бактериальную инфекцию.

Рис. 7. Бактериальная нагрузка в мочевом пузыре мыши через 6 часов после заражения.

Мышам была привита инфекция мочевыводящих путей89, либо необработанная, либо обработанная MM или HM. Через 6 часов после инфицирования наблюдалось значительное снижение количества бактерий, обработанных 5 мМ ТМ, в мочевом пузыре (p≤0,0001 по критерию Манна-Уитни). Такого же снижения не наблюдалось при обработке бактерий 5 мМ ММ. Бактерии, обработанные 0,5 мМ HM, не были значительно уменьшены по сравнению с необработанной инфекцией.

https://дои.org/10.1371/journal.pone.0002040.g007

Гептил α-d-манноза снижает уровень внутриклеточных бактерий

Поскольку количество бактерий, присутствующих в мочевом пузыре, снижается через 6 часов после инфицирования инкубацией HM (рис. 7), мы хотели оценить количество бактерий, которые перешли внутрь клетки. Мышей инфицировали UTI89 в PBS или в растворе MM или HM. Через 1 час после инфицирования оценивали люминальную и внутриклеточную бактериальную нагрузку. Отмечалось значительное снижение количества люминальных бактерий, связанных с уроэпителием, при обработке 5 мМ и 0.5 мМ ТМ (p≤0,01) (рис. 8). Такого же снижения не наблюдалось при использовании 5 мМ ММ. По сравнению с необработанной ИМП89, ИМП89, инкубированная с 5 мМ HM, имела значительное снижение внутриклеточной популяции (p≤0,01). При обработке 5 мМ ММ или 0,5 мМ НМ значительного снижения количества инвазированных бактерий не наблюдалось. Эти данные указывают на то, что ГМ препятствует не только бактериальному связыванию, опосредованному пилями 1-го типа, но и инвазии UPEC, зависимой от пилей 1-го типа.

Рисунок 8. Анализ защиты гентамицином для определения люминальной и внутриклеточной бактериальной популяции.

Мышам была привита инфекция мочевыводящих путей89, либо необработанная, либо обработанная MM HM. Через 1 час после инфицирования мочевые пузыри собирали и обрабатывали. Люминальные бактерии получали из смывов мочевого пузыря. Оставшиеся внеклеточные бактерии убивали гентамицином и инвазировали, подсчитывали внутриклеточные бактерии.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002040.g008

Гептил α-d-манноза ингибирует образование биопленки

in vitro

Недавно было показано, что развитие и созревание IBCs в сообщества с биопленочными свойствами зависит от пилей типа 1 [16].Мы предположили, что блокирование кармана связывания FimH на пилях типа 1 будет препятствовать образованию биопленки за счет ингибирования адгезивных свойств пилей. Бактериальные биопленки выращивали в присутствии различных концентраций либо HM, либо MM, чтобы выяснить их ингибирующие свойства биопленки (рис. 9). Биопленка UTI89 E. coli значительно уменьшалась (p<0,01) только при самой высокой концентрации ММ, 1 мМ. Однако в присутствии ТМ наблюдалось значительное снижение образования биопленки при 10 мкМ (p<0. 001) и концентрации 1 мМ и 100 мкМ (p<0,0001). Это свидетельствует о том, что блокирование адгезии FimH пилей типа 1 с HM ингибирует образование биопленки. Интересно, что при самой низкой концентрации ТМ (1 мкМ) наблюдалось значительное увеличение образования биопленки (p<0,001). Низкая концентрация слабого ингибитора, по-видимому, позволяет бактериям организоваться в лучший матрикс посредством пилей типа 1 [54].

Рис. 9. Образование биопленки в присутствии метил- или гептил-α-d-маннозы.

Стандартные анализы биопленок показали значительное снижение образования биопленок МТИ89 в присутствии 100 мкМ и 1 мМ ТМ (p<0,0001) и значительное увеличение (p<0,01) в присутствии 1 мМ ММ.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002040.g009

Обсуждение

Адгезия, инвазия и образование внутриклеточных биопленок

УПЭК экспрессируют пили типа 1, которые связываются с маннозилированными остатками на поверхности эпителиальных клеток мочевого пузыря. После связывания некоторые бактерии могут проникать в клетки и быстро размножаться во внутриклеточных бактериальных сообществах, называемых IBC, которые созревают в плотно упакованные сообщества, подобные биопленкам [15], [16]. По мере развития инфекции бактерии филаментируют и вытекают из клеток [7], [11]. Затем они могут повторно вторгнуться в соседние клетки, чтобы восстановить инфекцию [14]. Ингибирование связывания УПЭК с клетками мочевого пузыря потенциально будет ингибировать инвазию и ограничивать способность бактерий накапливать огромные количества в мочевом пузыре.Конкурентный сахар потенциально может нарушить путь IBC.

Блокирование бактериальной инвазии может уменьшить инфекцию и уменьшить рецидивы. Уже очень давно группой Шарона было продемонстрировано, что манноза обладает ингибирующим действием и может ингибировать опосредованную FimH бактериальную адгезию [55]. Мы изучили способность гептил-α-d-маннозы (ГМ) уменьшать инфекцию, поскольку у ГМ оптимальная длина алкила для взаимодействия с FimH [47]. Ингибирование растворимой маннозой (Man) или метил α-d-маннозой (MM) или HM бактериальной адгезии к клеткам мочевого пузыря in vitro или при трансуретральной катетеризации мочевого пузыря мыши указывает на то, что бактерии не могут переключаться между HM и маннозилированными клетками. уроплакины.Как только HM связывается с FimH на пилях типа 1, связывание бактерий с поверхностью мочевого пузыря необратимо подавляется, и инфекция уменьшается. Однако слабый ингибитор ММ имеет относительно высокую эффективность в анализе связывания мочевого пузыря, что не находится в прямой корреляции с его аффинностью по сравнению с НМ. Сродство ММ к FimH в 500 раз меньше, чем у ТМ, но достаточно концентрации ММ в 100 раз выше ингибирующей концентрации ТМ. Объяснение может заключаться в том, что анализ адгезии in vitro проводится в условиях встряхивания.Нильссон изучал ингибирующее действие ММ на связывание пилообразных клеток 1 типа E. coli с маннозилированными поверхностями при различных условиях напряжения сдвига. Во время прокатки молекулы FimH временно связываются и отсоединяются от поверхностных рецепторов, позволяя слаборастворимому ингибитору, такому как MM, в конечном итоге связываться со всеми молекулами FimH, тем самым предотвращая дальнейшую адгезию [54], [56]. Напротив, стационарная адгезия опосредована долгоживущими связями адгезин-рецептор, которые предотвращают связывание ингибитора в ходе экспериментов (примерно 10 мин).HM образует такие высокоаффинные интракции с FimH также в неподвижных условиях. Данные об ингибировании MM или HM адгезии у мышей C3H/HeN действительно свидетельствуют о том, что свободный низкомолекулярный лиганд может быть эффективным антиадгезивным средством FimH даже в условиях потока жидкости, например, в мочевом пузыре. должны связываться значительно сильнее с FimH, чем связывание FimH с молекулами рецепторов на клетках мочевого пузыря, чтобы преодолеть аффинность, усиленную сдвигом. HM соответствует этим требованиям, имея сродство к FimH выше, чем у любого известного природного маннозилированного рецептора. В этом контексте интересно отметить, что в то время как человеческий уроплакин UP1a и интегрины несут только рецепторы маннозы с промежуточным сродством к FimH, обильно секретируемый гликопротеин мочи человека THP содержит 8% высокоаффинных рецепторов олигоманнозы-5 и 75% рецепторов олигоманнозы-5. 6, демонстрирующий Manα1,3Man на ветви D2 (рис. 1) [57].

IBC представляют собой группы бактерий, похожие на биопленки, которые образуются в результате адгезии, инвазии и репликации. Развитие биопленки требует тесного взаимодействия между отдельными клетками в сообществе.Формирование и созревание биопленок в UPEC IBC зависит от пилей 1-го типа [16], а гомотипические взаимодействия между E. coli с помощью пилей 1-го типа зависят от гликанов [58]. Поэтому оценивалась способность разрушать образование биопленки с помощью ММ или ТМ. Значительное снижение образования биопленки наблюдалось уже при 10 мкМ ТМ, что в 100 раз ниже концентрации, необходимой для ММ. Единственными другими имеющимися данными об ингибировании образования биопленок гликаном является ингибирование грамположительных и грамотрицательных биопленок секретируемым капсульным полисахаридом группы II [59]. Зависимое от концентрации ингибирование образования биопленки маннозными гликанами указывает на то, что адгезин FimH участвует в формировании биопленки [58]. Еще одним очень интересным наблюдением является значительное увеличение биопленки при очень низких концентрациях ММ (рис. 9). Присутствие низких концентраций растворимого ингибитора, такого как ММ, в течение более длительного периода времени (часов) в условиях низкого сдвига может иногда способствовать дальнейшему распространению бактерий и, таким образом, колонизации больших поверхностей [54].Отсутствие сдвига и присутствие ММ ослабляют взаимодействие между прикрепленными бактериями и поверхностью, позволяя им (ре)организовать биопленку. Степень, в которой факторы, важные для образования биопленки на абиотических поверхностях (наш анализ), также применимы для образования биопленки на биотических поверхностях (например, в IBC), требует дальнейшего изучения. Однако наблюдение за образованием бактериальной биопленки на абиотических поверхностях имеет большое значение в связи с использованием медицинских имплантатов, таких как мочевые катетеры. Ингибирование биопленок UPEC на основе гликанов представляет интерес с учетом предположения о том, что гликопротеины, обильно секретируемые с мочой, такие как THP, могут покрывать стенки катетера и служить клеем для E. coli с ворсинками типа 1 для инициации биопленки. рост.

IBC или нереплицирующиеся бактерии в покоящихся внутриклеточных резервуарах (QIR) образуют репозиторий, который может стать источником рецидивирующей инфекции [12]. Было исследовано, может ли ингибирование связывания и образования биопленки in vitro также уменьшить эту внутриклеточную популяцию во время ИМП на мышиной модели и, следовательно, вероятность рецидива.В присутствии 5 мМ ТМ происходило значительное снижение числа бактерий в мочевом пузыре. Для получения того же эффекта требовалось в двести раз больше ММ. Результаты ингибирования высокими концентрациями маннозы были менее последовательными, возможно, потому, что FimH все еще может переключаться между маннозой на уроплакинах и маннозой в растворе. Если это переключение происходит вовремя, бактерии не вымываются с мочой. Адгезин более прочно связан с HM, поэтому бактерии вымываются с мочой, прежде чем они смогут связываться с уроплакинами.Более плотное связывание гептилового сахара потенциально снижает количество UPEC, способных связываться и проникать в клетки мочевого пузыря, вызывая сильную инфекцию. Чтобы подтвердить это, был проведен анализ защиты гентамицина ex vivo . Это позволяет подсчитывать как внеклеточно связанные, так и внутриклеточные бактерии. В присутствии 5 мМ HM наблюдалось значительное снижение количества как связанных, так и внедрившихся бактерий. Таким образом, HM препятствует не только связыванию, но и вторжению в UPEC.Концентрация 5 мМ необходима для полного ингибирования бактериальной адгезии in vivo (рис. 7 и 8), по сравнению с 1 мМ концентрации in vitro (рис. 6). В мышиной модели, вероятно, есть некоторая потеря сахара из-за мочеиспускания или, возможно, деградации в мочевом пузыре. Также неясно, как количество и природа рецепторов маннозы в мочевом пузыре мыши соотносятся с таковыми в клеточной линии мочевого пузыря человека 5637. Кроме того, у мышей врожденные иммунные ответы оказывают влияние на бактериальную адгезию и инвазию.

Ясно то, что штамм цистита UTI89 связывает ГМ, что предотвращает связывание с клетками мочевого пузыря, ограничивая инвазию и снижая уровень инфекции. Эти данные подтверждают, что инвазия в клетки мочевого пузыря зависит от типа 1 [6], что было продемонстрировано неинвазивным характером карманных мутантов FimH, связывающих маннозу [53]. Описано несколько возможных путей инвазии УПЭК. Совсем недавно наблюдалось прямое связывание FimH с интегринами α3 и β1, и было показано, что оно зависит от гликозилирования интегринов, поскольку обработка интегринов α3/β1 с помощью PNGaseF или EndoHf отменяет все связывание [33].Бактериальная инвазия посредством гликан-опосредованных взаимодействий FimH с интегринами также может происходить косвенно через клеточные рецепторы дифференцированных клеток мочевого пузыря, такие как CD151, CD46 и UPIa [36].

Структура, специфичность и дизайн лекарственного средства

Фимбриальный адгезин ворсинок типа 1 FimH был сокристаллизован с олигоманнозой-3 для детального изучения взаимодействия с этим наиболее специфичным и естественным гликановым рецептором для FimH. Как и ожидалось, тирозиновые ворота играют доминирующую роль в силе и специфичности этих взаимодействий.Примечательной особенностью при анализе PHI/PSI-хологии основной цепи FimH RBD являются тирозиновые остатки тирозиновых ворот. И Tyr48, и Tyr137, и даже Ile13 находятся на границе разрешенных конформаций основной цепи графика Рамачандрана [60]. Более высокое сродство маннопентаозы по сравнению с маннотриозой не отражается на сродстве олигоманнозы-5 по сравнению с олигоманнозой-3 [26]. Отсутствие повышенной аффинности олигоманнозы-5 по сравнению с олигоманнозой-3 указывает на то, что выбор FimH в обоих случаях направлен прямо к эпитопу Manα1,3Manβ1,4GlcNAcβ1,4GlcNAc на невосстанавливающем конце плеча D1 в обоих олигосахаридах ( Фигура 1). Дальнейшая замена α1,6-связанной маннозы (Man4′) по крайней мере не будет препятствовать связыванию олигоманнозы-5 через тот же эпитоп, поскольку Man4′ не взаимодействует с FimH и проникает в растворитель.

Сходство взаимодействий, обнаруженных в кристаллических структурах FimH с олигоманнозой-3 и бутил α-d-маннозой, удивительно велико. Бутильная цепь следует по гидрофобному следу через тирозиновые ворота вдоль α1,3 и первой β1,4 гликозидной связи к GlcNAc2 (рис. 5А). Тот же след консервативно гидратирован вблизи предполагаемых α1,3 и первых β1,4 экзоциклических гликозидных связей (рис. 5B).Наконец, как и ожидалось, обширная водородная сеть вокруг невосстанавливающего остатка маннозы в маннозо-связывающем кармане FimH полностью сохраняется [45].

Значительный интерес существует к молекулярным основам FimH-опосредованной адгезии, чему способствуют многолетние наблюдения того, что блокирование взаимодействия FimH-рецептор предотвращает бактериальную инфекцию [21], [55]. Структурное понимание основы специфичности расширенного сайта связывания FimH отсутствовало до сих пор, что серьезно затрудняло и делало недействительным структурный дизайн антиадгезивных молекул с использованием органической химии. В связи с большой потребностью в антиадгезивных средствах для лечения и профилактики ИМП поиск, тем не менее, был продолжен. Дендримеры ингибиторов на основе маннозы чаще всего были неспособны поливалентно действовать на E. coli , однако одновалентная часть лучших ингибиторов среди этих дендримеров содержит структуры, взаимодействие которых может близко имитировать взаимодействия олигоманнозы-3, такие как гликокластер 4 в недавнее исследование Touaibia [61]. В этих ингибиторах α-аномерный кислород невосстанавливающей маннозы связан с фенильным кольцом, содержащим этиновую группу в пара-положении и заканчивающуюся гидроксильной или простой эфирной функцией.Сокристаллическая структура такого комплекса, к сожалению, неизвестна, однако легко представить, что манноза заякорена в полярном кармане FimH, α-связь с фенильной группой будет напоминать связь Manα1,3Man, а фенильная группа в идеале стек с ароматической боковой цепью Tyr48. Связывание фенила с этином должно усилить ван-дер-ваальсовые контакты, которые гликозидная связь Manβ1,4GlcNAc образует с Tyr137 (рис. 4). Характер тройной связи этина может заменить стэкинг между связью C4-C5 GlcNAc2 и ароматическим кольцом Tyr137 (рис. 4).Наконец, атом углерода метокси или метанола будет имитировать взаимодействие C6 GlcNAc2 с Tyr48 и Ile52, а концевой гидроксил или кислород простого эфира может образовывать водородную связь с Thr51 (рис. 3D и 4).

В заключение, субнаномолярные ингибиторы точно имитируют взаимодействие FimH с олигоманнозой-3, и делают это усиленным образом, зависящим от химической природы синтетических фрагментов, разработанных для замены всего, кроме маннозида, который входит в карман связывания моносахаридов.Знание всех специфических взаимодействий между FimH и его естественным рецептором с высоким содержанием маннозы, а также возможность связать определяющие специфичность и аффинность пятна на лиганде с эффективностью синтетических ингибиторов могут значительно улучшить структурно-ориентированную разработку лекарств против более низких ИМП.

Материалы и методы

Соединения сахаров

Олигоманноза-3 была синтезирована по заказу в Институте органической химии имени Зелинского (Россия). Метил α-d-манноза и d-манноза были приобретены у Sigma-Aldrich.Были синтезированы Manα1,3ManβOMe (S. Oscarson, будет сообщено) и HM [47]. Измерения аффинности с использованием поверхностного плазмонного резонанса (ППР) проводили, как описано [26]. Вкратце, равновесные константы диссоциации производных маннозы для FimH определяли, используя конкуренцию в растворе для связывания FimH сахаров с иммобилизованным Fab-фрагментом из моноклонального антитела 1C10.

Очистка FimH

Рецептор-связывающий домен (RBD) белка FimH (остатки с 1 по 158 UPEC J96) был экспрессирован из плазмиды pMMB91, трансформированной в E.coli C43 (DE3). C43 (DE3) (pMMB91) Клетки E. coli выращивали в минимальной среде, содержащей 40 мкг/мл всех аминокислот, 0,4% глюкозы, 2 мкг/мл биотина, 2 мкг/мл тиамина, 2 мМ MgCl 2 и 25 мкг/мл канамицина при 37°С. При ОП 600 нм  = 0,6 клетки бактерий индуцировали 1 мМ ИПТГ. После инкубации в течение ночи при 37°С клетки собирали и экстрагировали периплазматическое содержимое. Рецептор-связывающий домен FimH очищали диализом в течение 4 ч при 4°C против 20 мМ формиата Na, pH 4, и загружали его в колонку Mono S HR (Pharmacia Biotech).Белок элюировали 20 мМ формиатом Na, 1 М NaCl, pH 4. Фракции, содержащие домен, связывающий рецептор FimH, объединяли и подвергали диализу в течение ночи при 4°C против 20 мМ Hepes, pH 8, и 150 мМ NaCl перед кристаллизацией.

Сокристаллизация RBD FimH с олигоманнозой-3

Условия кристаллизации были проверены на высокопроизводительной установке кристаллизации EMBL в Гамбурге. Кристаллы выращивали при 292 К с использованием метода диффузии паров с сидячими каплями, состоящими из 300 нл раствора FimH-олигоманнозы-3 FimH при 13.6 мг/мл, смешанные с 2 мМ олигоманнозы-3 в молярном соотношении 2∶1 и 300 нл осадителя (рис. S1), уравновешенные резервуаром объемом 100 мкл с 1,0 М сульфатом лития, 0,1 М Трис-HCl при рН 8,5, 0,01 М хлорид никеля (II). Для оптимизации этих условий были созданы висячие капли, состоящие из 1 мкл FimH в концентрации 13,6 мг/мл, смешанного с 2 мМ олигоманнозы-3 в молярном соотношении 2∶1, и 1 мкл раствора осадителя, уравновешенного 500 мкл того же осадителя. дополнен 3% глицерином. Глицерин благотворно влияет на кристаллизацию, предотвращая высыпание белка до зародышеобразования, позволяя более контролировать процесс зародышеобразования и роста кристаллов.

Определение структуры и уточнение

Было собрано

рентгеновских данных с разрешением 2 Å в Европейской лаборатории молекулярной биологии (EMBL) на линии луча X12 на синхротроне Deutsches Elektronen (DESY, Гамбург, Германия). Кристалл мгновенно охлаждали до 100 К в растворе осадителя с добавлением 30% изопропанола. Все данные были обработаны с помощью DENZO и SCALEPACK из пакета HKL [62]. TRUNCATE из пакета CCP4 использовался для расчета амплитуд структурных факторов по интенсивностям.Структура была решена путем молекулярной замены на MolRep [63] с использованием структуры рецептор-связывающего домена FimH в качестве модели поиска (код входа в PDB 1UWF) [47]. Модель была уточнена с использованием уточнения твердого тела и функции максимального правдоподобия CNS версии 1. 1 [64] и Refmac 5.2.0019 [65], с сохранением 5% данных для целей перекрестной проверки. Исходный молекулярный замещающий раствор был подвергнут имитации отжига. Последовательные уточнения позиционного и индивидуального температурного факторов чередовались с ручной настройкой модели с использованием графиков TURBO-FRODO [66] и COOT [67].

Анализ конструкции

График Рамачандрана был построен с использованием Molprobity [68]. Baverage из набора CCP4 [69] определил средние B-факторы атомов основной цепи белка и молекул воды. Контакты упаковки анализировали с помощью программы CCP4 CONTACT [69] с межмолекулярным расстоянием отсечки 4 Å. Потенциальные водородные связи в комплексе FimH-олигоманноза-3 идентифицировали с помощью HBPLUS [70]. Впоследствии предсказанные взаимодействия были тщательно проверены Кутом [67].Изображения были сгенерированы с использованием Pymol версии 0.99.

Связывание бактерий in vitro с линией уротелиальных клеток человека

Штаммы E. coli AAEC185(pUT2002)(pMMB66) и AAEC185(pUT2002) использовались в экспериментах по связыванию клеток мочевого пузыря. Клетки AAEC185 E. coli являются нулевыми мутантами fim [72]. Плазмида pUT2002 несет полный кластер генов fim с делецией fimH , что приводит к FimH-дефицитным пилям типа 1 [72].Ген fimH J96 E. coli расположен на плазмиде pMMB66 [53]. Штаммы AAEC185(pUT2002) и AAEC185(pUT2002)(pMMB66) выращивали статически в 100 мл LB в течение 48 часов при 37°C, чтобы вызвать образование ворсинок. Бактериальные клетки собирали в стерильных условиях путем центрифугирования при 3500 об/мин в течение 20 мин (Megafuse 1.0R, инструменты Heraeus) и дважды промывали фосфатно-солевым буфером (PBS). Экспрессию пилей 1 типа всегда проверяли с помощью гемагглютинации [26] до инфицирования клеток мочевого пузыря.Эпителиальную клеточную линию мочевого пузыря человека 5637 (Американская коллекция типовых культур HTB-9) высевали в 12-луночные планшеты и культивировали в среде 1640 Roswell Park Memorial Institute (RPMI) с добавлением 10% фетальной телячьей сыворотки (FCS). Клетки выдерживали 2–4 дня при 37°C во влажной атмосфере, содержащей 5% CO 2 , для конфлюэнтного роста. Планшет промывали 5 раз PBS с добавлением 0,5 мМ MgCl 2 и 1 мМ CaCl 2 непосредственно перед использованием. Каждую лунку инкубировали с 0.5 мл от 10 6 до 10 7 колониеобразующих единиц (КОЕ) на мл в PBS. Планшеты медленно встряхивали в течение 15 минут для связывания бактерий с тканевыми клетками. Было проведено пять промывок PBS для удаления несвязавшихся бактерий. Клетки мочевого пузыря лизировали, добавляя 0,4 мл трипсина/ЭДТА в течение 10–15 минут. Наконец, лизис останавливали добавлением 10% FCS, когда все клетки высвобождались из планшета. Входящие колониеобразующие единицы (КОЕ) и выходные КОЕ в каждой лунке определяли путем 10-кратных серийных разведений (1, 10 -2 , 10 -3 , 10 -4 , 10 -5 ). в PBS и нанесение капель 20 мкл на LB-агар с соответствующими антибиотиками.Ингибирование связывания клеток мочевого пузыря проводили одновременно со связыванием на том же 12-луночном планшете, но с бактериальным инокулятом, предварительно инкубированным с различными концентрациями маннозы или ТМ.

Связывание мочевого пузыря in vivo

Все исследования с использованием мышей были одобрены Комитетом по изучению животных Вашингтонского университета. Восьминедельных самок мышей C3H/HeN (NCI) анестезировали и инокулировали 50 мкл суспензии ∼10 7 UTI89 (в PBS или сахарном растворе) посредством трансуретральной катетеризации [12].Перед инокуляцией инокулят инкубировали в течение 20 мин при 37°С с одним из следующих растворов: 1 М метил α-D-манноза, 0,5 мМ гептил α-D-манноза, 5 мМ гептил α-D-манноза. Через шесть часов после инокуляции животных подвергали эвтаназии, а их мочевые пузыри собирали и гомогенизировали в 1 мл 0,025% Triton X-100/PBS. Бактериальные титры определяли путем посева серийных разведений гомогенатов на чашки с агаром LB. Были проведены дублирующие эксперименты на 5 мышах в каждом.

Анализ защиты от гентамицина

UTI89 выращивали в течение ночи в LB и ресуспендировали в PBS до инокулята ~10 7 КОЕ в 50 мкл. Затем инокулят инкубировали в течение 20 мин при 37°C с 5 мМ метил-α-D-маннозой, 0,5 мМ гептил-α-D-маннозой, 5 мМ гептил-α-D-маннозой или PBS. После инкубации 6-7-недельных мышей C3H/HeN инокулировали с помощью трансуретральной катетеризации [12]. Анализ защиты от гентамицина ex vivo проводили, как описано ранее [11]. Вкратце, через 1 час после заражения мышей умерщвляли и мочевые пузыри иссекали в асептических условиях. Каждый пузырь промывали 3 раза стерильным PBS. Смывы собирали и высевали для получения просветной фракции бактерий.Затем мочевые пузыри обрабатывали 100 мкг/мл гентамицина в течение 90 мин при 37°С. После обработки супернатант удаляли и титровали для обеспечения эффективного уничтожения внеклеточных бактерий. Мочевые пузыри еще дважды промывали для удаления остаточного гентамицина и гомогенизировали в 1 мл 0,025% тритона X-100/PBS, и количество бактерий определяли путем посева серийных разведений на чашки с агаром LB.

Анализ биопленки

UTI89 выращивали в течение ночи в бульоне LB при 37°C при встряхивании и разводили 1∶1000 в LB или LB с различными количествами метил-α-D-маннозы или гептил-α-D-маннозы. 96-луночные планшеты из поливинилхлорида с круглым дном (Falcon) стерилизовали в боксе для тканевых культур под УФ-облучением в течение по меньшей мере 30 минут. Затем 100 мкл растворов добавляли в стерильный планшет из ПВХ, по 6 лунок на переменную. LB без бактерий добавляли в 6 лунок в качестве холостой пробы. Планшет инкубировали в течение 48 часов при комнатной температуре, промывали 3 раза в PBS и давали высохнуть. В каждую лунку добавляли по 125 мкл 1% раствора кристаллического фиолетового на 10 минут. После окрашивания планшеты снова промывали в PBS 3 раза и давали высохнуть.Кристаллический фиолетовый солюбилизировали 150 мкл 33% уксусной кислоты, 100 мкл переносили на планшет с плоским дном и измеряли оптическую плотность при 600 нм.

Регистрационный номер банка данных по белкам

Координаты и структурные факторы были отправлены в банк данных белков с кодами доступа 2vco и r2vcosf соответственно.

Дополнительная информация

Рисунок S1.

Кристаллы рецептор-связывающего домена FimH в комплексе с олигоманнозой-3.Кристаллы были выращены методом диффузии паров в 1,0 М Li 2 SO 4 , 0,1 М Трис pH 8,5, 0,01 М NiCl 2 , А, в сидячей капле, с разрешением 2,6 {Ангстрем}, и Б. , в висячей капле, оптимизированный добавлением 3% глицерина к осадителю и дифракцией до максимального разрешения 2,0 {ангстрем}.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0002040.s001

(5,22 МБ TIF)

Благодарности

Благодарим К.Decanniere и L. Buts за критические обсуждения и Chia-Sui Hung и Sheryl Justice за первоначальную постановку экспериментов на мышах.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: SH JB AW CG HD. Выполняли эксперименты: JB AW CG HN NV JH. Проанализированы данные: SH JB AW CG HN NV. Предоставленные реагенты/материалы/инструменты для анализа: SH JB RS JH LW SO HD. Написал статью: SH JB AW CG.

Каталожные номера

  1. 1. De Greve H, Wyns L, Bouckaert J (2007) Объединение участков бактериальных фимбрий.Curr Opin Struct Biol 17: 506–512.
  2. 2. Zhou G, Mo WJ, Sebbel P, Min G, Neubert TA, et al. (2001)Уроплакин Ia является уротелиальным рецептором для уропатогенных Escherichia coli : данные связывания FimH in vitro. J Cell Sci 114: 4095–4103.
  3. 3. Schilling JD, Martin SM, Hung CS, Lorenz RG, Hultgren SJ (2003)Toll-подобный рецептор 4 на стромальных и гемопоэтических клетках опосредует врожденную устойчивость к уропатогенным Escherichia coli .Proc Natl Acad Sci USA 100: 4203–4208.
  4. 4. Сванборг С., Бергстен Г., Фишер Х., Годали Г., Густафссон М. и др. (2006)Уропатогенная Escherichia coli как модель взаимодействия паразит-хозяин. Curr Opin Microbiol 9: 33–39.
  5. 5. Mulvey MA, Lopez-Boado YS, Wilson CL, Roth R, Parks WC, et al. (1998) Индукция и уклонение от защиты хозяина с помощью уропатогенных Escherichia coli с ворсинками 1 типа . Наука 282: 1494–1497.
  6. 6.Martinez JJ, Mulvey MA, Schilling JD, Pinkner JS, Hultgren SJ (2000)Опосредованная ворсинками бактериальная инвазия типа 1 в эпителиальные клетки мочевого пузыря. EMBO J 19: 2803–2812.
  7. 7. Mulvey MA, Schilling JD, Martinez JJ, Hultgren SJ (2000) Плохие жуки и осажденные мочевые пузыри: Взаимодействие между уропатогенными Escherichia coli и врожденными защитными механизмами хозяина. Proc Natl Acad Sci U S A 97: 8829–8835.
  8. 8. Mysorekar IU, Hultgren SJ (2006)Механизмы уропатогенной Escherichia coli персистенции и эрадикации из мочевыводящих путей.Proc Natl Acad Sci U S A 103: 14170–14175.
  9. 9. Андерсон Г.Г., Палермо Дж.Дж., Шиллинг Дж.Д., Рот Р., Хойзер Дж. и др. (2003)Внутриклеточные бактериальные бактериальные биопленки при инфекциях мочевыводящих путей. Наука 301: 105–107.
  10. 10. Джастис С.С., Лауэр С.Р., Халтгрен С.Дж., Хунстад Д.А. (2006) Созревание внутриклеточных сообществ Escherichia coli требует SurA. Infect Immun 74: 4793–4800.
  11. 11. Justice SS, Hunstad DA, Seed PC, Hultgren SJ (2006) Филаментация Escherichia coli подрывает врожденную защиту во время инфекции мочевыводящих путей.Proc Natl Acad Sci U S A 103: 19884–19889.
  12. 12. Mulvey MA, Schilling JD, Hultgren SJ (2001)Создание постоянного резервуара Escherichia coli во время острой фазы инфекции мочевого пузыря. Заразить Иммуна 69: 4572–4579.
  13. 13. Schilling JD, Hultgren SJ (2002)Последние достижения в патогенезе рецидивирующих инфекций мочевыводящих путей: мочевой пузырь как резервуар для уропатогенных Escherichia coli . Internatl J Antimicrob Ag 19: 457–460.
  14. 14. Джастис С.С., Хунг С., Териот Дж.А., Флетчер Д.А., Андерсон Г.Г. и др. (2004) Дифференциация и пути развития уропатогенной Escherichia coli в патогенезе мочевыводящих путей. Proc Natl Acad Sci USA 101: 1333–1338.
  15. 15. Garofalo CK, Hooton TM, Martin SM, Stamm WE, Palermo JJ, et al. (2007) Escherichia coli из мочи пациенток с инфекциями мочевыводящих путей способна формировать внутриклеточное бактериальное сообщество.Заразить Иммуна 75: 52–60.
  16. 16. Wright KJ, Seed PC, Hultgren SJ (2007)Развитие внутриклеточных бактериальных сообществ уропатогенной Escherichia coli зависит от пилей типа 1. Cell Microbiol 9: 2230–2241.
  17. 17. Епископ Б.Л., Дункан М.Дж., Сонг Дж., Ли Г., Заас Д. и др. (2007) Циклический AMP-регулируемый экзоцитоз Escherichia coli из инфицированных эпителиальных клеток мочевого пузыря. Nat Med 13: 625–630.
  18. 18. Apodaca G (2004)Уроэпителий: не просто пассивный барьер.Трафик 5: 117–128.
  19. 19. Eto DS, Mulvey MA (2007)Вымывание бактерий из мочевого пузыря. Nat Med 13: 531–532.
  20. 20. Eto DS, Sundsbak JL, Mulvey MA (2006)Активный внутриклеточный рост и возрождение уропатогенной Escherichia coli . Cell Microbiol 8: 704–717.
  21. 21. Лангерманн С., Моллби Р., Бурлейн Дж. Э., Палашински С. Р., Огюст К. Г. и соавт. (2000) Вакцинация адгезином FimH защищает яванских макаков от колонизации и инфекции уропатогенной Escherichia coli .J Infect Dis 181: 774–78.
  22. 22. Шарон Н. (2006)Углеводы как будущие антиадгезионные препараты при инфекционных заболеваниях. Биохим Биофиз Акта 1760: 527–537.
  23. 23. Фирон Н., Офек И., Шарон Н. (1983)Углеводная специфичность поверхностных лектинов Escherichia coli, Klebsiella pneumoniae и Salmonella typhimurium . Carbohydr Res 120: 235–249.
  24. 24. Neeser JR, Koellreutter B, Wuersch P (1986)Гликопептиды олигоманнозидного типа, ингибирующие адгезию штаммов Escherichia coli , опосредованную пилями типа 1: получение мощных ингибиторов из растительных гликопротеинов.Infect Immun 52: 428–36.
  25. 25. Шарон Н. (1987)Бактериальные лектины, межклеточное распознавание и инфекционное заболевание. Письмо ФЭБС 217: 145–157.
  26. 26. Bouckaert J, Mackenzie J, de Paz JL, Chipwaza B, Choudhury D, et al. (2006) Сродство фимбриального адгезина FimH управляется рецептором и почти не зависит от патотипов Escherichia coli . Мол Микробиол 61: 1556–1568.
  27. 27. Сокуренко Е.В., Чеснокова В., Дойл Р.Дж., Хасти Д.Л. (1997) Разнообразие фимбриального лектина Escherichia coli типа 1.Дифференциальное связывание с маннозидами и уроэпителиальными клетками. J Biol Chem 272: 17880–17886.
  28. 28. Дункан М.Дж., Манн Э.Л., Коэн М.С., Офек И., Шарон Н. и др. (2005) Различная специфичность связывания, проявляемая фимбриями энтеробактерий типа 1, определяется их фимбриальными стержнями. J Biol Chem 280: 37707–37716.
  29. 29. Априкян П., Чеснокова В., Кидд Б., Яковенко О., Яров-Яровой В. и др. (2007) Междоменное взаимодействие в адгезине FimH Escherichia coli регулирует сродство к маннозе.J Biol Chem 282: 23437–23446.
  30. 30. Томас В.Е., Тринчина Е., Фореро М., Фогель В., Сокуренко Е.В. (2002) Бактериальная адгезия к клеткам-мишеням усиливается силой сдвига. Ячейка 109: 913–923.
  31. 31. Нильссон Л.М., Томас В.Е., Тринчина Е., Фогель В., Сокуренко Е.В. (2006) Адгезия, опосредованная зацеплением, без порога сдвига — триманноза по сравнению с взаимодействием мономаннозы с адгезином FimH Escherichia coli . J Biol Chem 281: 16656–16663.
  32. 32.Pak J, Pu Y, Zhang ZT, Hasty DL, Wu XR (2001) Белок Tamm-Horsfall связывается с фибрбриированными Escherichia coli типа 1 и предотвращает связывание Escherichia coli с рецепторами уроплакина Ia и Ib. J Biol Chem 276: 9924–30.
  33. 33. Eto DS, Jones TA, Sundsbak JL, Mulvey MA (2007)Опосредованная интегрином инвазия клеток-хозяев уропатогенными Escherichia coli с ворсинками 1-го типа. PLoS Pathog 3: e100.
  34. 34. Мин Г., Штольц М., Чжоу Г., Лян Ф. , Себбель П. и др.(2002)Локализация уроплакина Ia, уротелиального рецептора бактериального адгезина FimH, на шести внутренних доменах 16-нм частицы уротелиальной бляшки. Дж. Мол Биол 317: 697–706.
  35. 35. Лян Ф.Х., Ридель И., Дэн Ф.М., Чжоу Г., Сюй С. и др. (2001)Организация субъединиц уроплакина: трансмембранная топология, образование пар и состав бляшек. Биохим Дж. 355: 13–18.
  36. 36. Бердичевский Ф., Одинцова Е. (2007)Тетраспанины как регуляторы транспорта белков.Трафик 8: 89–96.
  37. 37. Се Б., Чжоу Г., Чан С.И., Шапиро Э., Конг Х.П. и др. (2006) Различные гликановые структуры уроплакинов Ia и Ib: структурная основа для селективного связывания адгезина FimH с уроплакином Ia4. J Biol Chem 281: 14644–14653.
  38. 38. Литинска А., Почек Э., Хоя-Лукович Д., Кремсер Э., Лейдлер П. и др. (2002)Структура олигосахаридов интегрина альфа3бета1 из клеточной линии эпителия мочеточника человека (HCV29). Acta Biochim Pol 49: 491–500.
  39. 39. Foulquier F, Duvet S, Klein A, Mir AM, Chirat F, et al. (2004)Связанная с эндоплазматическим ретикулумом деградация гликопротеинов, несущих виды Man5GlcNAc2 и Man9GlcNAc2, в клеточной линии MI8-5 CHO. Евр. Дж. Биохим 271: 398–404.
  40. 40. Розенштейн И.Дж., Столл М.С., Мидзуочи Т., Чайлдс Р.А., Хаунселл Э.Ф. и соавт. (1988) Новый тип адгезивной специфичности, обнаруженный с помощью олигосахаридных зондов у Escherichia coli у пациентов с инфекцией мочевыводящих путей.Ланцет 2: 1327–1330.
  41. 41. Serafini-Cessi F, Monti A, Cavallone D (2005) N-гликаны, переносимые гликопротеином Tamm-Horsfall, играют решающую роль в защите от заболеваний мочевыводящих путей. Гликоконъюгат J 22: 383–394.
  42. 42. Foxman B (2003)Эпидемиология инфекций мочевыводящих путей: заболеваемость, заболеваемость и экономические затраты. Дис Пн 49: 53–70.
  43. 43. Geerlings SE, Meiland R, van Lith EC, Brouwer EC, Gaastra W, et al. (2002) Адгезия фимбриированных Escherichia coli типа 1 к уроэпителиальным клеткам — больше у женщин с диабетом, чем у контрольных субъектов.Уход за диабетом 25: 1405–1409.
  44. 44. Geerlings SE, Meiland R, Hoepelman AIM (2002)Патогенез бактериурии у женщин с сахарным диабетом. Internatl J Antimicrob Ag 19: 539–545.
  45. 45. Norden NE, Lundblad A, Svensson S, Ockerman PA, Autio S (1973) Маннозосодержащий трисахарид, выделенный из мочи 3 пациентов с маннозидозом. J Biol Chem 248: 6210–6215.
  46. 46. Rijavec M, Erjavec MS, Augustin JA, Reissbrodt R, Fruth A, et al.(2006) Высокая распространенность множественной лекарственной устойчивости и случайное распределение мобильных генетических элементов среди уропатогенных штаммов Escherichia coli (UPEC) четырех основных филогенетических групп. Curr Microbiol 53: 158–162.
  47. 47. Bouckaert J, Berglund J, Schembri M, De Genst E, Cools L, et al. (2005) Исследования связывания рецепторов раскрывают новый класс высокоаффинных ингибиторов адгезина Escherichia coli FimH. Мол Микробиол 55: 441–455.
  48. 48.Warin V, Baert F, Fouret R (1979) Кристаллическая и молекулярная структура O -α-d-маннопиранозил-(1-3)- O -β-d-маннопиранозил-(1-4)-2 -ацетамидо-2-дезокси-α-d-глюкопираноза. Углеводы рез 76: 11-22.
  49. 49. Wormald MR, Petrescu AJ, Pao YL, Glithero A, Elliott T, et al. (2002)Конформационные исследования олигосахаридов и гликопептидов: комплементарность ЯМР, рентгеновской кристаллографии и молекулярного моделирования. Chem Rev 102: 371–386.
  50. 50.Imberty A, Bourne Y, Cambillau C, Rouge P, Perez S (1993)Конформация олигосахаридов в кристаллических комплексах белок/гликан, Adv Biophys Chem 3: 71–117.
  51. 51. Криссинел Э., Хенрик К. (2007) Вывод макромолекулярных ансамблей из кристаллического состояния. Дж. Мол. Биол. 372: 774–797.
  52. 52. Чоудхури Д., Томпсон А., Стоянофф В., Лангерманн С., Пинкнер Дж. и др. (1999) Рентгеновская структура комплекса шаперон-адгезин FimC-FimH из уропатогенной Escherichia coli . Наука 285: 1061–1066.
  53. 53. Хунг К.С., Букарт Дж., Хунг Д.Л., Пинкнер Дж., Винберг С. и др. (2002)Структурные основы тропизма Escherichia coli к мочевому пузырю при инфекции мочевыводящих путей. Мол Микробиол 44: 903–915.
  54. 54. Андерсон Б.Н., Дин А.М., Нильссон Л.М., Кусума К., Чеснокова В. и соавт. Слабая адгезия при прокатке усиливает колонизацию поверхности бактериями. Дж. Бактериол 189: 1794–1802.
  55. 55. Аронсон М., Медалия О., Шори Л., Мирельман Д., Шэрон Н. и др.(1979) Предотвращение колонизации мочевыводящих путей путем блокирования прикрепления бактерий метил-альфа-D-маннопиранозидом. Israel J Med Sci 15: 88.
  56. 56. Нильссон Л.М., Торнас В.Е., Сокуренко Е.В., Фогель В. (2006) Повышенное напряжение сдвига защищает клетки Escherichia coli , прикрепляющиеся к поверхностям за счет зацепляющих связей, от открепления растворимыми ингибиторами. Appl Environ Microbiol 72: 3005–3010.
  57. 57. Cavallone D, Malagolini N, Monti A, Wu XR, Serafini-Cessi F (2004)Вариация цепей гликопротеина Tamm-Horsfall с высоким содержанием маннозы обеспечивает дифференциальное связывание с фимбриированным типом 1 Escherichia coli .J Biol Chem 279: 216–222.
  58. 58. Orndorff PE, Devapali A, Palestrant S, Wyse A, Everett ML, et al. (2004) Иммуноглобулин-опосредованная агглютинация и образование биопленки Escherichia coli K-12 требуют волокна ворсинок 1 типа. Infect Immun 72: 1929–1938.
  59. 59. Валле Дж., Да Ре С., Генри Н., Фонтейн Т., Балестрино Д. и др. (2006)Ингибирование биопленки широкого спектра секретируемым бактериальным полисахаридом. Proc Natl Acad Sci U S A 103: 12558–12563.
  60. 60. Kleywegt GJ, Jones TA (1996) Phi/psi-chology: Ramachandran revisited. Строение 4: 1395–1400 гг.
  61. 61. Туайбия М., Велленс А., Шиао Т.С., Ван К., Сируа С. и др. (2007) Маннозилированные дендримеры G(0) с наномолярным сродством к Escherichia coli FimH. ХимМедХим 2: 1190–1201.
  62. 62. Отвиновски З., Майнор В. (1997) Обработка данных рентгеновской дифракции, собранных в режиме колебаний. Методы Enzymol 276: 307–326.
  63. 63. Вагин А., Тепляков А. (1997) МОЛРЕП: Автоматизированная программа молекулярной замены. J Appl Crystallogr 1022–1025.
  64. 64. Brunger AT, Adams PD, Clore GM, DeLano WL, Gros P, et al. (1998) Система кристаллографии и ЯМР: новый пакет программного обеспечения для определения макромолекулярной структуры. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 54: 905–921.
  65. 65. Муршудов Г.Н., Вагин А.А., Додсон Э.Дж. (1997) Уточнение макромолекулярных структур методом максимального правдоподобия.Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 53: 240–255.
  66. 66. Cambillau C (1992) TURBO-FRODO: Программа молекулярной графики для кремниевой графики. Серия IRIS 4D, версия Bio-Graphics, Марсель, Франция.
  67. 67. Эмсли П., Коутан К. (2004) Кут: инструменты построения моделей для молекулярной графики. Acta Crystallogr D Biol Crystallogr 60: 2126–2132.
  68. 68. Ловелл С.К., Дэвис И.В., Арендал В.Б., де Баккер П.И., Уорд Дж.М., Присант М.Г., Ричардсон Дж.С., Ричардсон Д.К. (2003) Подтверждение структуры с помощью геометрии Calpha: отклонение phi, psi и Cbeta.Белки 50: 437–450.
  69. 69. Додсон Э.Дж., Винн М., Ральф А. (1997) Совместный вычислительный проект, номер 4: Предоставление программ для кристаллографии белков. Методы Enzymol 277: 620–633.
  70. 70. Макдональд И.К., Торнтон Дж.М. (1994)Удовлетворение потенциала водородных связей в белках. Дж. Мол. Биол. 238: 777–793.
  71. 71. Blomfield IC, McClain MS, Eisenstein BI (1991) Мутанты фимбрий типа 1 Escherichia coli K12: характеристика признанных афибриатных штаммов и создание новых мутантов с делецией fim.Мол микробиол 5: 1439–45.
  72. 72. Minion FC, Abraham SN, Beachey EH, Goguen JD (1989) Генетическая детерминанта адгезивной функции в фимбриях 1 типа Escherichia coli отличается от гена, кодирующего фимбриальную субъединицу.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.