@phdthesis{Daeullary2024,
  author    = {D{\"a}ullary, Thomas},
  title     = {Establishment of an infection model of the human intestinal epithelium to study host and pathogen determinants during the \(Salmonella\) Typhimurium infection process},
  doi       = {10.25972/OPUS-31154},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-311548},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2024},
  abstract  = {According to the WHO, foodborne derived enteric infections are a global disease burden and often manifest in diseases that can potentially reach life threatening levels, especially in developing countries. These diseases are caused by a variety of enteric pathogens and affect the gastrointestinal tract, from the gastric to the intestinal to the rectal tissue. Although the complex mucosal structure of these organs is usually well prepared to defend the body against harmful agents, specialised pathogens such as Salmonella enterica can overcome the intestinal defence mechanism. After ingestion, Salmonella are capable of colonising the gut and establishing their proliferative niche, thereby leading to inflammatory processes and tissue damage of the host epithelium. In order to understand these processes, the scientific community in the last decades mostly used cell line based in vitro approaches or in vivo animal studies. Although these approaches provide fundamental insights into the interactions between bacteria and host cells, they have limited applicability to human pathology. Therefore, tissue engineered primary based approaches are important for modern infection research. They exhibit the human complexity better than traditional cell lines and can mimic human-obligate processes in contrast to animal studies. Therefore, in this study a tissue engineered human primary model of the small intestinal epithelium was established for the application of enteric infection research with the exemplary pathogen Salmonella Typhimurium. To this purpose, adult stem cell derived intestinal organoids were used as a primary human cell source to generate monolayers on biological or synthetic scaffolds in a Transwell®-like setting. These tissue models of the intestinal epithelium were examined for their comparability to the native tissue in terms of morphology, morphometry and barrier function. Further, the gene expression profiles of organotypical mucins, tight junction-associated proteins and claudins were investigated. Overall, the biological scaffold-based tissue models showed higher similarity to the native tissue - among others in morphometry and polarisation. Therefore, these models were further characterised on cellular and structural level. Ultrastructural analysis demonstrated the establishment of characteristic microvilli and tight-junction connections between individual epithelial cells. Furthermore, the expression pattern of typical intestinal epithelial protein was addressed and showed in vivo-like localisation. Interested in the cell type composition, single cell transcriptomic profiling revealed distinct cell types including proliferative cells and stem cells, progenitors, cellular entities of the absorptive lineage, Enterocytes and Microfold-like cells. Cells of the secretory lineage were also annotated, but without distinct canonical gene expression patterns. With the organotypical polarisation, protein expression, structural features and the heterogeneous cell composition including the rare Microfold-like cells, the biological scaffold-based tissue model of the intestinal epithelium demonstrates key requisites needed for infection studies with Salmonella. In a second part of this study, a suitable infection protocol of the epithelial tissue model with Salmonella Typhimurium was established, followed by the examination of key features of the infection process. Salmonella adhered to the epithelial microvilli and induced typical membrane ruffling during invasion; interestingly the individual steps of invasion could be observed. After invasion, time course analysis showed that Salmonella resided and proliferated intracellularly, while simultaneously migrating from the apical to the basolateral side of the infected cell. Furthermore, the bacterial morphology changed to a filamentous phenotype; especially when the models have been analysed at late time points after infection. The epithelial cells on the other side released the cytokines Interleukin 8 and Tumour Necrosis Factor α upon bacterial infection in a time-dependent manner. Taken together, Salmonella infection of the intestinal epithelial tissue model recapitulates important steps of the infection process as described in the literature, and hence demonstrates a valid in vitro platform for the investigation of the Salmonella infection process in the human context. During the infection process, intracellular Salmonella populations varied in their bacterial number, which could be attributed to increased intracellular proliferation and demonstrated thereby a heterogeneous behaviour of Salmonella in individual cells. Furthermore, by the application of single cell transcriptomic profiling, the upregulation of Olfactomedin-4 (OLFM4) gene expression was detected; OLFM4 is a protein involved in various functions including cell immunity as well as proliferating signalling pathways and is often used as intestinal stem cell marker. This OLFM4 upregulation was time-dependent, restricted to Salmonella infected cells and seemed to increase with bacterial mass. Investigating the OLFM4 regulatory mechanism, nuclear factor κB induced upregulation could be excluded, whereas inhibition of the Notch signalling led to a decrease of OLFM4 gene and protein expression. Furthermore, Notch inhibition resulted in decreased filamentous Salmonella formation. Taken together, by the use of the introduced primary epithelial tissue model, a heterogeneous intracellular bacterial behaviour was observed and a so far overlooked host cell response - the expression of OLFM4 by individual infected cells - could be identified; although Salmonella Typhimurium is one of the best-studied enteric pathogenic bacteria. This proves the applicability of the introduced tissue model in enteric infection research as well as the importance of new approaches in order to decipher host-pathogen interactions with higher relevance to the host.},
  subject      = {Salmonella typhimurium},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Goetz2010,
  author    = {G{\"o}tz, Andreas},
  title     = {Replikation von enteroinvasiven Escherichia coli und Salmonella enterica Serovar Typhimurium St{\"a}mmen in Epithelzellen unter besonderer Betrachtung des Kohlenstoffmetabolismus},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-57292},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2010},
  abstract  = {Schlagw{\"o}rter: Salmonella , Salmonella enterica , Salmonella typhimurium , Salmonellose , Escherichia coli , Shigella , Infektion , Bakterielle Infektion , Zellkultur , HeLa-Zelle , Apoptosis , Metabolismus , Stoffwechsel , Glucose , Glucosetransport , Glucosestoffwechsel , Katabolismus , Kohlenstoff , Kohlenstoffbedarf , Kohlenstoffhaushalt , Kohlenstoffstoffwechsel , Kohlenstoff-13 , Kohlenstoffisotop Salmonella Typhimurium und enteroinvasive E. coli (EIEC) sind fakultativ intrazellul{\"a}re Bakterien aus der Familie der Enterobacteriaceae. W{\"a}hrend erstere sich nach der Internalisierung durch eukaryotische Zellen normalerweise in einem spezialisierten Phagosom, der Salmonella-enthaltenden Vakuole (SCV), vermehren, replizieren EIEC im Zytoplasma der Wirtszellen. In der vorliegenden Arbeit wurde zun{\"a}chst durch Mikroinjektion die F{\"a}higkeit von S. Typhimurium 14028s untersucht, ebenfalls im Zytoplasma von Caco-2-Zellen replizieren zu k{\"o}nnen. Dabei wurde festgestellt, daß ein fr{\"u}her als S. Typhimurium 14028s WT bezeichneter Stamm eine Insertion eines Desoxythymidins an Position 76 des offenen Leserasters von rfbP tr{\"a}gt, einem Gen, dessen Protein an der LPS-Synthese beteiligt ist. Weiterhin synthetisierte dieser Stamm ein rauhes LPS. Aufgrund von Agglutination konnte der Rauh-Stamm nur mit geringem Erfolg mikroinjiziert werden. Hingegen lag 5 h nach der Mikroinjektion einer nicht invasiven Mutante von Salmonella mit vollst{\"a}ndigem LPS der Anteil an Caco-2-Zellen, die mehr als 32 Bakterien enthielten, bei etwa 30 \%. Der Anteil war 2-3 mal h{\"o}her als bei fr{\"u}heren Mikroinjektionen in HeLa-Zellen. Daher wurde das Verhalten von HeLa-Zellen nach einer Infektion durch S. Typhimurium ΔsifA - einer Mutante, die aus der SCV ins Zytoplasma entkommt - untersucht. Dabei wurde festgestellt, daß die sifA-Mutante 10 h nach der Infektion die Aktivit{\"a}t der Caspasen 9 und 3 in HeLa-Zellen, aber nicht in Caco-2-Zellen induziert. In weiteren Versuchen wurde die Bedeutung von Glukose, Glukose-6-phosphat und Mannose als Kohlenstoffquellen f{\"u}r die extra- und intrazellul{\"a}re Replikation zweier Isolate enteroinvasiver E. coli und eines S. Typhimurium Stammes analysiert. Zu diesem Zweck wurden zun{\"a}chst definierte Mutanten in den beiden wichtigsten Phosphoenolpyruvat-abh{\"a}ngigen Phosphotransferasesystemen (PTS) f{\"u}r die Aufnahme von Glukose und Mannose, ptsG und manXYZ, sowie im Antiporter f{\"u}r die Aufnahme von Glukose-6-phosphat, uhpT, konstruiert. Bei Wachstum im Minimalmedium mit Glukose als einziger C-Quelle waren die Generationszeiten aller ΔptsG- und ΔptsG, manXYZ-Mutanten im Vergleich zu den Wildst{\"a}mmen deutlich verl{\"a}ngert. Ebenso wuchsen ΔmanXYZ-Mutanten bzw. ΔuhpT-Mutanten deutlich langsamer auf Mannose bzw. Glukose-6-phosphat. Jedoch ergaben sich hierbei Stamm-spezifische Unterschiede. So erreichte EIEC 4608-58 ΔuhpT in der station{\"a}ren Phase eine {\"a}hnliche Zelldichte wie der Wildstamm in Gegenwart von Glukose-6-phosphat und eine ΔptsG, manXYZ-Mutante von S. Typhimurium 14028s konnte immer noch effizient mit Glukose wachsen. Infektionsversuche mit Caco-2-Zellen zeigten weiterhin, daß die Deletion von ptsG zu einer signifikanten Erh{\"o}hung der Adh{\"a}renz und Invasivit{\"a}t von EIEC 4608-58 f{\"u}hrt, w{\"a}hrend sich die intrazellul{\"a}ren Generationszeiten aller hier untersuchten Mutanten kaum ver{\"a}nderten. Selbst die ΔptsG, manXYZ, uhpT-Dreifachmutanten der drei hier verwendeten Enterobakterien und die ΔptsG, manXYZ, glk-Mutante von S. Typhimurium 14028s konnten immer noch in Caco-2-Zellen replizieren, wenn auch mit Stamm-spezifisch verringerten Geschwindigkeiten. 13C-Markierungsexperimente mit [U-13C6]-Glukose als Substrat ergaben jedoch, daß in der Tat alle hier untersuchten enterobakteriellen Wildst{\"a}mme Glukose w{\"a}hrend der Replikation in Caco-2-Zellen unter Zellkulturbedingungen verwerten. Glukose-6-phosphat, Glukonat oder Fetts{\"a}uren konnten dagegen als wichtigste Kohlenstoffquellen f{\"u}r das intrazellul{\"a}re Wachstum ausgeschlossen werden. EIEC 4608-58 metabolisierte Glukose jedoch weniger effizient als EIEC HN280 und schien zudem noch zus{\"a}tzlich C3-Substrate aus der Wirtszelle aufzunehmen. Das Markierungsmuster zeigte einen Stamm-spezifischen Kohlenstofffluß durch Glykolyse und/oder Entner-Doudoroff-Weg, Pentosephosphatzyklus, Citratzyklus und den anaplerotischen Reaktionen zwischen PEP und Oxalacetat. Mutanten mit Deletionen in ptsG und manXYZ konnten auf alternative C3-Substrate wechseln und glichen dies durch eine erh{\"o}hte Aufnahme von Aminos{\"a}uren aus den Wirtszellen aus.},
  subject      = {Escherichia coli},
  language  = {de}
}