共聚焦光学荧光成像技术用于探究微型膀胱的尿路感染过程
关键词：微型膀胱；尿路感染；细胞壁缺陷型
尿液与尿路上皮的相互作用，是调控膀胱稳态以及尿路感染发生发展的关键因素，但该方向一直缺少合适的体外研究体系。该研究构建了具备排尿生理功能的人类微型膀胱微生理模型，可将分层分化的尿路上皮暴露于成分可控的尿液环境。研究证实高溶质浓度尿液会破坏上皮紧密连接、扰乱局部免疫应答，提升尿路致病性大肠杆菌（UPEC）的定植能力，降低抗生素治疗效果。磷霉素单药治疗下，高溶质尿液环境会诱导产生细胞壁缺陷型（CWD）UPEC，这类变异菌不仅存在于尿液，还可定植于尿路上皮深层组织，直接驱动尿路感染复发，该模型可解析尿液‑尿路上皮微环境动态变化，揭示尿路感染的发病机制。
该研究由 Gauri Paduthol、Mikhail Nikolaev、Kunal Sharma、Jérôme Blanc、Kathrin Tomasek、Léa Ivana Esméralda Schlunke、Valentin Borgeat、Giovanna Ambrosini、Irina Kolotuev、Stéphanie Clerc‑Rosset、Nikolche Gjorevski、Graham W. Knott、Matthias P. Lütolf、Vivek V. Thacker、John D. McKinney 完成，论文标题为《A microphysiological human mini‑bladder reveals urine‑urothelium interplay in tissue resilience and UPEC recurrence in urinary tract infections》，2026年发表于《Nature Communications》。
重要发现
01微型膀胱模型构建与生理特征验证
研究基于水凝胶的可灌注微流控架构搭建人类微型膀胱组织模型。将人原代膀胱上皮细胞接种至器件中心通道，培养15 天形成分层组织后，腔侧施加尿液、基底侧供给营养培养基继续培养 5-7 天获得成熟微型膀胱。该模型形成完整分层尿路上皮，表层伞状细胞表达 CK20、UP3A、UP1A，部分细胞呈现双核结构；靠近水凝胶支架的基底及中间层细胞表达 CK8、CK13，同时存在 KRT14、TP63 阳性的干细胞生态位，满足上皮损伤后更新再生的研究需求。
组织具备完整屏障功能，ZO-1 蛋白沿管腔顶面分布，葡聚糖扩散实验证实分化成熟组织可以显著降低分子跨组织渗透。借助进出口液压差调控，模型可模拟排尿过程的组织拉伸；组织拉伸后，伞状细胞内胞质囊泡数量下降，细胞形态由立方形转变为扁平紧密排布，紧密连接结构维持完整，复现人体膀胱充盈‑排空的机械生理响应。
02高溶质尿液对膀胱组织稳态的损伤效应
研究采用成分明确的合成人尿液，分别配置高溶质、低溶质两种配方开展长期暴露实验。持续暴露于高溶质合成人尿液环境，组织死亡细胞占比逐步升高，细胞增殖水平受到抑制。转录组测序及基因集富集分析显示，高溶质尿液长期处理后，细胞粘附、细胞增殖相关基因集表达下调，尿路上皮分化、细胞间紧密连接相关基因表达降低；同时先天免疫应答通路被广泛抑制，TLR4、CASP1、NF‑κB1、IL‑6、CXCL1、CXCL2 等免疫信号分子表达下调。免疫荧光染色和葡聚糖渗透检测进一步证实，高溶质尿液造成 ZO-1 表达下降，组织屏障通透性上升，组织耐受损伤能力显著减弱。
03细胞壁缺陷型UPEC的组织定植现象与成像解析
磷霉素处理后，高溶质尿液内出现球形的细胞壁缺陷型UPEC。研究结合共聚焦光学成像与容积电子显微技术，对固定后的感染组织开展关联成像。光学成像识别组织内部的绿色荧光阳性球形细菌结构，再通过连续块面扫描电镜获取组织三维超微结构，完成光学信号与电镜结构的位置匹配。三维重建结果证实，细胞壁缺陷型 UPEC 可存在于尿路上皮的细胞间隙，既可以定位于伞状细胞下层，也能够分布在更深的中间层、基底层细胞之间。
体外回补实验显示，仅向空白模型管腔接种尿液来源的细胞壁缺陷型UPEC，高低溶质组停药后复殖水平没有显著差异。只有当细胞壁缺陷型 UPEC 在组织微环境内产生并驻留，才会造成高溶质条件下感染复发加剧，证实组织内的细胞壁缺陷型 UPEC 是尿路感染复发的重要驱动因素。
创新与亮点
该研究突破既往体外膀胱模型无法同时实现分层分化尿路上皮、尿液灌流、排尿机械拉伸的技术瓶颈。研究采用光学共聚焦成像与容积电子显微关联成像方案，在完整组织样本中识别定位细胞壁缺陷型UPEC，解决变异型细菌难以在组织原位被观察的成像难题。
该微型膀胱微生理平台可以复现人体尿液成分波动、机械形变、细菌感染的多维度微环境，无需动物实验即可解析宿主‑病原体互作过程。在生物医疗场景中，可用于复发性尿路感染的致病机制研究，也能够开展不同尿液条件下抗生素药效评估，为筛选新型抗感染干预手段提供体外测试平台。
总结与展望
该研究搭建的人类微型膀胱模型整合组织分化、尿液暴露、排尿机械刺激，证实高溶质尿液会削弱尿路上皮屏障功能与免疫应答，提升UPEC 定植和抗生素耐受风险；磷霉素治疗诱导的细胞壁缺陷型 UPEC 不仅存在尿液，还可驻留尿路上皮深层组织，介导感染复发。后续可进一步完善模型，补充血管、免疫、间充质组分，同时开发更贴合人体生理的合成尿液配方；围绕组织内细胞壁缺陷型 UPEC 的形成、休眠、复苏机制开展深入探究，为复发性尿路感染的临床治疗提供新思路。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Paduthol, G., Nikolaev, M., Sharma, K. et al. A microphysiological human mini-bladder reveals urine-urothelium interplay in tissue resilience and UPEC recurrence in urinary tract infections. Nat Commun 17, 2322 (2026).
doi:https://doi.org/10.1038/s41467-026-68573-3
