Mucociliary Clearance Defects in a Murine In Vitro Model of Pneumococcal Airway Infection

Abstract

Mucociliary airway clearance is an innate defense mechanism that protects the lung from harmful effects of inhaled pathogens. In order to escape mechanical clearance, airway pathogens including Streptococcus pneumoniae (pneumococcus) are thought to inactivate mucociliary clearance by mechanisms such as slowing of ciliary beating and lytic damage of epithelial cells. Pore-forming toxins like pneumolysin, may be instrumental in these processes. In a murine in vitro airway infection model using tracheal epithelial cells grown in air-liquid interface cultures, we investigated the functional consequences on the ciliated respiratory epithelium when the first contact with pneumococci is established. High-speed video microscopy and live-cell imaging showed that the apical infection with both wildtype and pneumolysin-deficient pneumococci caused insufficient fluid flow along the epithelial surface and loss of efficient clearance, whereas ciliary beat frequency remained within the normal range. Three-dimensional confocal microscopy demonstrated that pneumococci caused specific morphologic aberrations of two key elements in the F-actin cytoskeleton: the junctional F-actin at the apical cortex of the lateral cell borders and the apical F-actin, localized within the planes of the apical cell sides at the ciliary bases. The lesions affected the columnar shape of the polarized respiratory epithelial cells. In addition, the planar architecture of the entire ciliated respiratory epithelium was irregularly distorted. Our observations indicate that the mechanical supports essential for both effective cilia strokes and stability of the epithelial barrier were weakened. We provide a new model, where - in pneumococcal infection - persistent ciliary beating generates turbulent fluid flow at non-planar distorted epithelial surface areas, which enables pneumococci to resist mechanical cilia-mediated clearance.

Dynamic Virus-Bacterium Interactions in a Porcine Precision-Cut Lung Slice Coinfection Model: Swine Influenza Virus Paves the Way for Streptococcus suis Infection in a Two-Step Process

“…For instance, pneumolysin, the cytotoxin of S. pneumoniae, was shown to decrease the ciliary beat frequency and damage to the adenoid mucosa (44) and, in another study, to disintegrate the respiratory epithelium, accompanied by a persistent but uncoordinated ciliary beating (45). However, in the present study ciliary activity was unaffected by S. suis (and its cytotoxin, suilysin), as demonstrated in mono-and coinfection experiments.…”

Contributions to Protection from Streptococcus pneumoniae Infection Using the Monovalent Recombinant Protein Vaccine Candidates PcpA, PhtD, and PlyD1 in an Infant Murine Model during Challenge

“…In contrast to another study (21), we did not observe complete protection with PcpA vaccination alone, indicating that a multicomponent vaccine may be necessary. Importantly, however, we contend that prevention of S. pneumoniae binding to epithelial cells may allow greater mucociliary clearance, an important protective response for S. pneumoniae (41), as observed with the reduced attachment and lower lung burdens. We did not observe an increase in macrophages/monocytes or polymorphonuclear cells in PcpA-or PhtD-vaccinated mice over infected controls.…”

Ultrastructural Characteristics of the Mucociliary Barrier in Experimental Hyperglycemia

“…У літературі існують обширні відомості, в яких підкреслюється, що очищення дихальних шляхів від різних інгалірованних частинок залежить від ба-гатьох причин, що визначають морфофункціональ-ний стан цілого ряду окремих структур стінки брон-хів [4,17,19], але основними умовами ефективності МБ служать три фактори: збереження циліарної активності миготливого епітелію, оптимальна якісна і кількісна характеристика бронхіального секрету, а також цілісність морфологічної структури гладких м'язів підслизової оболонки бронхів [8,9,18].…”

“…Існує думка, що захворювання нижніх повітроносних шляхів призводять до порушення неспецифічних механізмів місцевої захисної систе-ми -зміни мукоциліарного бар'єру (МБ) [10], що представляє собою захисний механізм, який обері-гає макроорганизм від патогенного впливу різних екзогенних факторів. Цілком обгрунтованим вигля-дає припущення, що результатом патогенетичних порушень є мукостаз, розвиток хронічного запаль-ного процесу, фіброзних змін в бронхах [16].У літературі існують обширні відомості, в яких підкреслюється, що очищення дихальних шляхів від різних інгалірованних частинок залежить від ба-гатьох причин, що визначають морфофункціональ-ний стан цілого ряду окремих структур стінки брон-хів [4,17,19], але основними умовами ефективності МБ служать три фактори: збереження циліарної активності миготливого епітелію, оптимальна якісна і кількісна характеристика бронхіального секрету, а також цілісність морфологічної структури гладких м'язів підслизової оболонки бронхів [8,9,18].Разом з тим, кількість клінічних досліджень, що характеризують морфофункціональні особливості МБ при цукровому діабеті, досить мало, а в здебі-льшого вони досить фрагментарні. Наприклад, в дослідженнях He M.Y., Hu Y. та соавт., було вста-новлено потовщення товщини базальної мембрани бронхіальних епітеліальних клітин, альвеолярного епітелію [11,14], в роботах Kalicka R. та соавт.…”