建模的垂直传播和巨细胞病毒在妊娠的发病机理:机遇和挑战

介绍

在其众多角色,胎盘是保护发育中的胎儿不受潜在的致畸剂和微生物。先天性感染可能发生胎盘屏障被打破时,允许病原体进入胎儿血液循环和产生有害影响增长,器官发展,甚至生存。先天后天感染的研究都集中在母胎界面,在病原体来自多个来源包括血液和生殖系统造成破坏的胎盘屏障和传输在胎膜,达到发育中的胎儿(1)。

在本文中,我们专注于巨细胞病毒(CMV)的垂直传播,双链DNA疱疹病毒是最常见的先天性感染,发生在估计有6%至0.6的妊娠根据人口(2,3)。病毒可以引起一系列的致畸效应,从无症状感染到神经认知障碍,头小畸型,ventriculomegaly,生长受限,是最常见的感音神经性听力损失的nongenetic原因高收入国家(4,5)。生物学的研究基本胎盘被用来解释如何以及在什么条件下巨细胞病毒跨越从孕产妇、胎儿血液循环,这些影响是如何发生的。

人类胎盘形成的细胞滋养层创建锚定子宫蜕膜绒毛开始在怀孕的第二和第三周(6)。人类有血性绒毛膜型,绒毛状、饼状胎盘,胎儿和产妇发行量由一层滋养层细胞,促进有效的交换氧气和营养物质(7)。事实上,胎盘成为唯一的气体来源,营养物质,抗体,孕产妇和胎儿血液循环之间和废物交换(8)。这也使得胎儿容易受到潜在的有害物质和病原体能够胎盘的路口,特别是通过这样一个薄母胎界面。

当前对巨细胞病毒垂直传播的理解

了解巨细胞病毒破坏胎盘屏障,第一重要的是要了解胎盘免疫学的基础知识。孕产妇白细胞躺在蜕膜内,和在绒毛膜绒毛,fetally-derived巨噬细胞被称为Hofbauer细胞存在(9)。在怀孕的前三个月,大约三分之一的蜕膜细胞是白细胞,可分为子宫自然杀伤(uNK)细胞,巨噬细胞、树突细胞和T淋巴细胞(自然杀伤和监管)9,10)。在人类中,uNK细胞代表最丰富的胎盘白细胞在怀孕早期,由词数量递减,在生理条件下负责螺旋动脉重建通过破坏的血管平滑肌细胞和细胞外基质,关键步骤正确的胎座式(11,12)。人类巨细胞病毒复制在蜕膜,所以这并不令人吃惊,对巨细胞病毒的第一道防线是蜕膜CD8 +效应记忆T细胞和自然杀伤(NK)细胞,与载脂蛋白B mRNA-editing 3酶催化多肽(APOBEC3A)抑制病毒复制服务(1)。设置的孕产妇病毒感染,uNK细胞主要负责限制传入胎儿血液循环,可能解释的巨细胞病毒垂直传播的低妊娠前三个月(图1)(13)。事实上,uNK细胞已被证明在人类CMV-infected自体成纤维细胞共培养实验有效地消除使用免疫突触(13)。另一方面,Hofbauer细胞(CD68 + CD64 + CD32 + CD16 +),在遇到病毒病原体,变得两极化并分泌促炎细胞因子招募外周免疫细胞的感染,胎盘也造成损坏的过程和可能导致胎盘屏障host-inflicted妥协(14)。

正如上面提到的,怀孕早期是一个特别immune-privileged时期在妊娠期间,很大程度上归因于母亲的先天免疫系统。事实上,以下主要感染巨细胞病毒,病毒垂直传播发生在30 - 40%的病例在第一次和第二次三学期制,高达70%的病例被传播在怀孕后期(15,16)。推进怀孕的原因与易感性增加有关垂直传播的巨细胞病毒可能是多因素疾病。减少数量的uNK细胞除了巨细胞病毒逃避NK细胞识别通过downregulation MHC类1复合物和MHC诱饵UL18 upregulation感染NK细胞呈现胎盘更容易致病入侵(17)。

先天性巨细胞病毒垂直传播的实验动物模型

我们理解病毒躲避细胞介导的免疫反应的机制导致垂直传播和人类胎儿感染大大帮助通过模型系统的开发。生物模型而言,三大动物模型出现在这一领域的调查:几内亚猪,老鼠,和非人类的灵长类动物。先天性巨细胞病毒感染的豚鼠模型发现后,康纳和约翰逊在1976年报道,直接豚鼠巨细胞病毒(gpCMV)接种在刚断奶的豚鼠感染导致high-titer唾液腺,胸腺,导致多病灶的包容与颅内接种细胞脑炎(18)。豚鼠像人类一样,也表现出血性绒毛膜型胎座,尽管他们利用一个迷宫,而不是绒毛策略,密集网络的孕产妇和血管通道(7,19)。经胎盘的传播gpCMV在豚鼠随后展示了两年后,与成功的胎儿感染发生在24%的妊娠产妇感染主要发生在什么对应于妊娠中期和人类妊娠期(20.)。因为这些基础研究,调查人员使用了豚鼠模型证明gpCMV进入宿主细胞通过PDGFRA糖蛋白复杂的受体(21,22)。

的gpCMV pentameric复杂(PC)组成的病毒包膜蛋白gH, gL, UL128, UL130, UL131A焦点的发展人类巨细胞病毒()血巨细胞病毒疫苗。具体来说,Schleiss等人使用guniea先天性巨细胞病毒感染的猪模型显示剂治疗疫苗系列生活、减毒gpCMV(转基因缺乏电脑或完整的PC)防止孕产妇病毒血症与安慰剂相比(23)。重要的是,该疫苗窝藏PC导致改进的免疫原性和减少垂直传播的模型(23)。另一种疫苗接种策略使用纯化gpCMV糖蛋白引起宿主抗体反应前概念(24)。尽管有这些进展,我们仍然缺少一个巨细胞病毒疫苗被批准用于人类预防先天性巨细胞病毒感染。

了解先天性巨细胞病毒垂直传播的发病机理进一步在小鼠模型的帮助下,这可能会提高我们的工程师的能力目标和有效的疫苗或治疗人类的疾病。像人类一样和几内亚猪,老鼠也会显示血性绒毛膜型胎座式和豚鼠和其他啮齿动物,老鼠使用一个迷宫,而不是绒毛(7)。小鼠巨细胞病毒垂直传播(mCMV)在1979年首次证明,正如其他疾病的动物模型是进入竞技场。Chantler等人接种年轻人没有怀孕小鼠high-titer mCMV腹腔内,然后等了一年,允许他们怀孕之前研究胚胎(25)。他们发现培养胚胎细胞包含mCMV粒子和mCMV-associated组织病理学变化。

与豚鼠模型,小鼠巨细胞病毒模型是有限的抵抗垂直传播的免疫活性的老鼠。由于这个原因,一个免疫力低下(重度联合免疫缺陷(SCID)小鼠模型已经在小鼠先天性巨细胞病毒的主要调查。例如,伍尔夫et al。(26)执行时间怀孕SCID小鼠接种high-titer mCMV胚胎天0 (E0)或E3-E5和演示都经胎盘的十字架mCMV和胎儿变化特征包括头小畸型和增长的限制以及调节胎儿脑interleukin-1alpha暗示神经炎症(IL-1alpha)表达式。尽管它的好处在帮助阐明先天性巨细胞病毒病的发病机理,SCID小鼠模型的垂直传播的巨细胞病毒宿主的免疫功能不全的性质是有限的。immune-intact条件,母体免疫反应的病毒病原体重要的是依赖外围和蜕膜effector-memory CD8 + T细胞,这可能为重叠和互补函数杀死病毒感染细胞,影响记忆反应,分别为(27,28)。因此,先天性巨细胞病毒疾病的SCID小鼠模型可以作为一个很好的表示感染免疫功能不全的情况下(例如,在孕妇合并感染艾滋病毒/艾滋病或移植受者免疫抑制),但可能并不概括宿主和病原体之间的复杂的相互作用的免疫活性的个人。

更紧密地接近人类的处境可能需要一个非人类的灵长类动物先天性巨细胞病毒感染(额定马力)模型。人类和额定马力相似性对怀孕解剖学和生理学包括依靠血性绒毛膜型,绒毛铁饼状的胎座式,类似的免疫系统(7)。虽然没有额定马力模型先天性巨细胞病毒尚未被描述,我们确实有一个基本的了解巨细胞病毒发病机理在额定马力一般来说,基于一些开创性的研究。

恒河巨细胞病毒(RhCMV)感染恒河mecaques (解剖寄主——病原体相互作用),因此一直利用实验在人类疾病模型。Lockridge et al。(29日)暴露heatlhy幼年恒河mecaques口服或静脉注射RhCMV和观察临床症状,等离子体水平,接种后免疫反应。他们发现,接种动物表现出脾组织,巨细胞病毒DNA聚合酶链反应(PCR)阳性在所有的动物研究,和多个其他组织(胰腺、回肠、肾、肺、胸腺、颌下腺和肠系膜淋巴结的动物。此外,指出了单核细胞增多症4周后注射(wpi)伴随着减少CD4 / CD8 T淋巴细胞比率在2批发价格指数。此外,anti-RhCMV免疫球蛋白抗体2 wpi,首次发现与大多数动物表现出响应由4 wpi和免疫球蛋白的峰值浓度10至25批发价格指数。临床、免疫球蛋白g贪欲测试是用来暂时区分急性原发性感染从遥远的原发感染。低巨细胞病毒免疫球蛋白贪欲表明在过去的3到4个月内原发感染,而高活动性排除近期感染在前3个月(30.)。在恒河猴,活动性增加2 wpi - 25 wpi所指出的,与在人类的发现一致(29日)。调查在恒河RhCMV上皮细胞的病毒复制,Lilja和申克(31日)确定基因位点与病毒进入和高效的病毒复制。这些研究有助于我们理解巨细胞病毒感染和发病机制的免疫活性的产后主机与人类密切相关。

当我们缺乏坚实的证据基础在额定马力先天性巨细胞病毒传播模型,有教训从垂直传播灵长类动物研究相关的其他传染病。例如,Terzian等人发现了自然Zika病毒(ZIKV)感染两种额定马力,Callithrix和Sapajus物种从巴西32)。ZIKV感染诱发体液免疫和细胞免疫反应在额定马力,并经胎盘的传播这种病毒的孕妇额定马力导致胎儿脑白质病变、室周的胶质增生以及轴突和室管膜损伤组织病理学尸检(衡量33,34)。这个基本工作先天性ZIKV感染已经导致了临床前研究恒河猴测试sofosbuvir病毒RNA合成抑制剂(目前食品和药物管理局FDA,批准用于治疗丙型肝炎),为了防止垂直传播。Gardinali et al。(35)接种健康怀孕猕猴的病毒悬ZIKV应变ES 2916/2015 / ID 250在第一次和第二次妊娠的三学期制。然后他们把一半的动物sofosbuvir(或没有治疗控制)和测量产妇体重,肌酸激酶(CK)高程,皮疹,和胎儿死亡。他们观察到相似的临床课程,包括减肥、CK升高,皮疹,和两组胎儿死亡。治疗组表现出胎盘钙化,变量胎儿表现从轻微异常严重的先天性ZIKV-associated(如头骨和胸腔异常)和胎儿死亡。免疫表型出现未经处理大坝包括大量Hofbauer细胞治疗但没有大坝治疗,并降低myeloid-derived抑制细胞的数量(MDSCs)治疗对大坝胎盘样品相比,治疗组表现出ZIKV RNA在胎盘样品,ZIKV RNA和复制检测不到sofosbuvir对待水坝。重要的是,sofosbuvir治疗保护四个胎儿对ZIKV传播,指着这药理剂作为ZIKV先天性感染预防的潜在可行的选择,同样集中抗病毒的干预措施是否会预防巨细胞病毒的传播在灵长类动物的临床前模型还有待确定。这些研究提供机械的见解垂直传播的病毒载体的发病机制等建议如何感染可能是预防,需要更多的工作来验证这些发现在人类的发展和使用这些结果有针对性的治疗。

胎盘瀑样病毒感染模型

我们回顾了巨细胞病毒垂直传播最广泛使用的生物模型和发病机理,强调每个(见的相对优势和局限性图2总结)。任何动物模型的一个批评是它永远无法完全复制人体组织的生理。一个新兴的技术,超越动物建模和可用于研究垂直传播的病毒病原体(以及无数其他哺乳动物的妊娠生理问题)是人类胎盘瀑样。一旦本地microarchitectural人类胎盘的结构特点和技术分离和文化滋养层细胞变得可用,它成为可能的人为组织设计模型在体外胎座。第一个人滋养层瀑样由一个二维层的绒毛细胞滋养层和extravillous滋养层细胞(36)。这在体外系统显示相似的转录组和DNA甲基化资料相比在活的有机体内胎盘、胎盘villi-like结构形式和产生激素和蛋白质一样在活的有机体内胎盘(36)。最近,同一组研究人员建立了一个三维(3 d)人类trophoblast-derived瀑样(37)。使用前三个月派生人类胎盘组织,这些调查人员解剖绒毛膜绒毛,消化消化组织的组织和沉积基底膜基质滴,形成在接下来的天瀑样(37)。

独立,Karvas et al。(38)开发了一种滋养层瀑样模型使用人类的人类胎盘滋养层干细胞(及)。他们发现及播种到3 d基底膜基质液滴形成3 d瀑样类似的组织架构和人体绒毛膜促性腺激素(hCG)生产在活的有机体内人类胎盘。这些研究者最终暴露他们的3 d滋养层瀑样新兴病原体ZIKV和SARS-CoV-2测试胎盘转移。他们发现两种病毒成功能够进入滋养层细胞和产生关键的表面蛋白,展示驯良的建模人类胎盘感染在体外。随后的调查采用人类placenta-derived滋养层瀑样和dedicua瀑样发现两种类型的瀑样分泌细胞因子和趋化因子,而滋养层瀑样持续分泌的抗病毒III型干扰素IFN-λ2 (39)解决的问题是血巨细胞病毒如何传播穿过胎盘,胎盘免疫响应这个入侵者,杨et al。(39与株血巨细胞病毒)感染的滋养层和蜕膜瀑样AD169r (GFP-tagged)和TB40E (mCherry-tagged),和发现,而滋养层瀑样,表示胎儿胎盘贡献,具有高度抗感染,蜕膜瀑样,代表母亲的贡献,容易被感染,量化的GFP高瀑样mCherry表达式。这些结果意味着一个强大的先天免疫反应滋养层瀑样,事实上研究人员识别转录组概要滋养层和蜕膜瀑样之间的差异,包括差异表达基因更多的针对感染血巨细胞病毒在前者相对于后者。特别是,诱导H3Y1血巨细胞病毒(H3。Y组蛋白1),KHDC1L (KH域包含1),PRAME家族的成员,和TRIM49A和B(三方主题包含43)滋养层但不蜕膜瀑样,可能解释的相对抵抗感染在前。

这组认真进行实验演示了如何使用人类胎盘瀑样解剖胎儿和母体的免疫成分的个人贡献防御病毒的病原体,只是这个工具的力量的一个例子。,这些发现开放的可能性,深入人类胎盘对巨细胞病毒的分子特征和其它病毒性病原体以及潜在的高通量药物筛选预防病毒性病原体垂直传播。

而人类胎盘瀑样与许多潜在应用是一项新技术,该技术的局限性必须考虑。一个潜在的缺点是这些瀑样来自怀孕前期样品,如上所述,经胎盘的血巨细胞病毒传播最常发生在怀孕的后两个三学期制。另一个潜在的缺陷是缺乏母性的外围免疫环境,包括循环细胞毒性和调节性T淋巴细胞重要的宿主反应。也不清楚滋养层瀑样保留任何本地的胎儿Hofbaur uNK细胞或细胞在活的有机体内条件,质疑是否该模型可以用于宿主-病原体相互作用研究从免疫学的角度看。第三,胎盘屏障的完整性在母胎界面尚未严格测试在这个模型中,留下的可能性“漏水”或中断屏障功能在体外。因此,精心设计的实验,也许培养胎盘与母体免疫细胞瀑样病毒接种之前,需要使用如果这些瀑样巨细胞病毒或其他微生物模型垂直传播。

结论

总之,我们回顾了当前进展巨细胞病毒垂直传播的模型,已不仅仅用于更好地理解这种疾病,但也为开发治疗提供线索,甚至可能的疫苗。例如,胎盘瀑样可以提供一个高通量药物筛选平台,以确定候选化合物,防止进入血巨细胞病毒细胞,病毒复制,或者病毒蛋白的生产。此外,在活的有机体内动物模型可用于测试安全性和有效性的候选化合物的预防(如疫苗接种或抑制细胞条目)或治疗先天性巨细胞病毒。虽然在这方面还需要更多的工作要做,目前没有食品和药物管理局(FDA)批准的治疗或预防策略,先天性巨细胞病毒感染,我们当前的工具和改进我们的方法的能力在活的有机体内人类可能会让我们达到这些目标。

作者的贡献

门将写了初稿。所有作者的文章和批准提交的版本。

资金

这个工作是通过国家卫生研究院(NIH)资助奖5 r01hd097608-05和内部部门资金g·凯利的社会。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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