Role of cell monolayer biomechanics in shaping barrier function during bacterial infections

Abstract

Antibiotic-resistant bacteria are a leading cause of mortality worldwide. As a defense mechanism, the human body maintains biophysical barriers to prevent the entry and dissemination of such pathogens. Barrier function relies on force distribution between the cells forming the barrier and their substrate. My PhD thesis focused on understanding how the force exertion of barrier cells is altered during bacterial infection. The outmost skin barrier consists of multi-layered epithelial cells (EPCs) called keratinocytes, which play an important role in detecting the opportunistic pathogen Staphylococcus aureus (SA), and in recruiting immune cells to the infection site. While the role of the N-formylated peptide receptor 2 (FPR2) in the recruitment and activation of neutrophils has been extensively characterized, its function on keratinocytes during SA infection was unclear. We found that activation of FPR2 stimulates IL-8 and IL-1α secretion, keratinocyte proliferation and gap wound closure, as well as SA clearance in the skin of mice. In the intestine, the epithelial barrier must fend off bacterial pathogens like food-borne Listeria monocytogenes (LM). Once individual cells are infected, LM can spread directly from one cell to another to form infection foci comprised of hundreds of infected cells. EPCs are known to collectively migrate towards the center of the infection focus and extrude infected cells from the monolayer, thus limiting bacterial spread. How this migration is coordinated was not well understood. In two studies we demonstrated that extracellular-signal-regulated kinase (ERK) activation waves propagating in EPC monolayers drive collective cell extrusion, a process that is furthermore promoted by increasing extracellular matrix stiffness. LM can also infect macrophages (MΦs) and use them to spread further throughout the body via the vasculature. How infected MΦs manage to overcome the barrier of the endothelial cells (ECs) lining the inner lumen of the blood vessels is still unknown. We found that an increase in barrier permeability and lack of reinforcement of tractional and monolayer stresses in ECs exposed to LMinfected MΦs promote MΦ transmigration, a process that is partly driven by TNF-α secretion. Similar to LM, the tick-borne pathogen Borrelia burgdorferi (BB) can proliferate in and disseminate via the vasculature to distant organs. We found that BB actively modulates the physical forces ECs exert on their substrate and on each other, which is tightly coupled with innate immune signaling. Our work demonstrates that the regulation of forces between neighboring cells and between cells and their substrate directly modulate the barrier function of endothelial and epithelial barriers, limiting or conversely facilitating dissemination of infection, depending on the pathogen or exact mechanism of spread. Insights into the interplay between biochemical and biomechanics signaling in regulating barrier function can open innovative avenues to fight bacterial infections while limiting the use of antibiotics.

Antibiotikaresistente Bakterien sind eine der Hauptursachen für die Sterblichkeit weltweit. Als Abwehrmechanismus bildet der menschliche Körper biophysikalische Barrieren, um das Eindringen und die Verbreitung solcher Pathogene zu verhindern. Die Barrierefunktion hängt von der Kraftverteilung zwischen den Zellen und ihrem Substrat ab. Meine Doktorarbeit handelt davon, wie die Kraftweiterleitung von Barriere bildenden Zellen während einer bakteriellen Infektion verändert wird. Die äußerste Hautbarriere besteht aus mehrschichtigen epithelialen Zellen (EPCs), den sogenannten Keratinozyten, die eine wichtige Rolle bei der Erkennung des opportunistischen Erregers Staphylococcus aureus (SA) und bei der Rekrutierung von Immunzellen an die Infektionsstelle spielen. Während die Rolle des N-formylierten Peptidrezeptors 2 (FPR2) bei der Rekrutierung und Aktivierung von Neutrophilen umfassend charakterisiert wurde, war seine Funktion in Keratinozyten während einer SA-Infektion unklar. Wir fanden heraus, dass die Aktivierung von FPR2 die Sekretion von IL-8 und IL-1α, die Proliferation von Keratinozyten die Wundheilung, sowie die SA-Eliminierung in der Haut von Mäusen stimuliert. Im Darm muss die epitheliale Barriere bakterielle Erreger wie den lebensmittelübertragenen Listeria monocytogenes (LM) abwehren. Sobald einzelne Zellen infiziert sind, kann sich LM direkt von einer Zelle zur nächsten ausbreiten und Infektionsherde aus Hunderten infizierter Zellen bilden. Es ist bekannt, dass EPCs kollektiv in Richtung des Zentrums eines solchen Infektionsherds wandern und infizierte Zellen aus dem Monolayer herausdrängen, wodurch die bakterielle Ausbreitung begrenzt wird. Wie diese Migration koordiniert wird, war jedoch nicht gut verstanden. In zwei Studien zeigen wir, dass sich ausbreitende Aktivierungswellen der extrazellulär signalregulierten Kinase (ERK) in EPC-Monolayern kollektive Zell-Extrusion antreiben, ein Prozess, der zudem durch eine erhöhte Festigkeit der extrazellulären Matrix gefördert wird. LM kann auch Makrophagen (MΦs) infizieren und sie nutzen, um sich über das Blutsystem im Körper weiter auszubreiten. Wie es infizierten MΦs gelingt, die Barriere der Endothelzellen (ECs), die den Innenraum der Blutgefäße auskleiden, zu überwinden, ist noch unbekannt. Wir fanden heraus, dass eine erhöhte Barrierepermeabilität und ein ausbleibendes Steigern von Spannung zwischen ECs und zwischen ECs und ihrem Substrat, die LM-infizierten MΦs ausgesetzt sind, die Transmigration von MΦs fördern, ein Prozess, der teilweise durch die Sekretion von TNF-α gesteuert wird. Ähnlich wie LM kann sich der durch Zecken übertragene Erreger Borrelia burgdorferi (BB) vermehren und über das Gefäßsystem zu entfernten Organen verbreiten. Wir fanden heraus, dass BB aktiv die von ECs aufeinander und auf ihr Substrat ausgeübten physikalischen Kräfte moduliert, was eng mit der Beteiligung der angeborenen Immunantwort verknüpft ist. Unsere Arbeit zeigt, dass die Regulation von Kräften zwischen Zellen und zwischen Zellen und ihrem Substrat ein integraler Bestandteil der Barrierefunktion von endothelialen und epithelialen Barrieren ist. Diese zu überwinden, zu umgehen oder zu modulieren, spielt für verschiedene bakterielle Erreger eine zentrale Rolle bei ihrer Ausbreitung und Immunflucht. Ein tieferes Verständnis des Zusammenspiels von biochemischen und biomechanischen Signalen bei der Regulierung der Barrierefunktion kann innovative Wege eröffnen bakterielle Infektionen zu bekämpfen und dabei den Einsatz von Antibiotika zu begrenzen.