Evaluation of 3D cell culture systems for host-pathogen interaction studies

Traditional cell culture models have limitations in extrapolating functional mechanisms that underlie strategies of microbial virulence. Indeed during the infection the pathogens adapt to different tissue-specific environmental factors. The development of in vitro models resembling human tissue physiology might allow the replacement of inaccurate or aberrant animal models. Three-dimensional (3D) cell culture systems are more reliable and more predictive models that can be used for the meaningful dissection of host–pathogen interactions. The lung and gut mucosae often represent the first site of exposure to pathogens and provide a physical barrier against their entry. Within this context, the tracheobronchial and small intestine tract were modelled by tissue engineering approach. The main work was focused on the development and the extensive characterization of a human organotypic airway model, based on a mechanically supported co-culture of normal primary cells. The regained morphological features, the retrieved environmental factors and the presence of specific epithelial subsets resembled the native tissue organization. In addition, the respiratory model enabled the modular insertion of interesting cell types, such as innate immune cells or multipotent stromal cells, showing a functional ability to release pertinent cytokines differentially. Furthermore this model responded imitating known events occurring during the infection by Non-typeable H. influenzae. Epithelial organoid models, mimicking the small intestine tract, were used for a different explorative analysis of tissue-toxicity. Further experiments led to detection of a cell population targeted by C. difficile Toxin A and suggested a role in the impairment of the epithelial homeostasis by the bacterial virulence machinery. The described cell-centered strategy can afford critical insights in the evaluation of the host defence and pathogenic mechanisms. The application of these two models may provide an informing step that more coherently defines relevant molecular interactions happening during the infection.

Caratterizzazione bio-molecolar e ruolo di specie di Fusarium associate alla Fusariosi della spiga su frumento duro

La Fusariosi della spiga (FDS) è una fitopatia diffusa a livello mondiale che colpisce le colture cerealicole, tra cui il frumento duro, ed è in grado di causare gravi danni di tipo qualitativo ed economico. Le specie fungine responsabili appartengono al genere Fusarium, tra cui F. graminearum, F. culmorum e più recentemente F. poae. La conseguenza più rilevante riguarda la contaminazione della granella da micotossine, molecole prodotte dai miceti, considerate dalla comunità scientifica ad alto rischio per la salute dell’uomo e animali. L’eziologia è molto complessa, dal momento che su una stessa spiga di frumento possono coesistere più specie fungine che contribuiscono ad influenzare i quantitativi di micotossine prodotte. Lo scopo della ricerca è incentrato sulla caratterizzazione di ceppi di F. poae, in termini di potenziale patogeno e aggressività. Tramite l’allestimento di un saggio di inoculazione in vitro “Petri-dish” è stato possibile attribuire un indice di aggressività a ciascun isolato fungino, basato su parametri quali AUHPC e AUDPC standard, insieme ad altre variabili come la riduzione della lunghezza del coleottile e del tasso di germinazione. Il saggio è stato esteso anche a F. culmorum, per valutare la riproducibilità del test su altre specie fungine. Il test in vitro offre diversi vantaggi, tra cui affidabilità e rapidità di esecuzione ed è quindi adatto allo screening di ceppi patogeni da utilizzare in successive sperimentazioni. Gli stessi ceppi di F. poae, provenienti da una prova di inoculazione artificiale in serra su piante di frumento duro, sono stati caratterizzati dal punto di vista bio-molecolare. Poichè lo studio della fusariosi della spiga richiede la determinazione quantitativa della biomassa dei patogeni nei tessuti della pianta-ospite, anche in assenza di sintomi, il protocollo di Real-Time PCR con chimica SYBR® Green I qui sviluppato, ha dimostrato essere un buon compromesso tra attendibilità, rapidità e costi complessivi della metodica.