Микрогравитация существенно влияет на процесс микробной инфекции в 3-D моделях человеческих тканейМикрогравитация существенно влияет на процесс микробной инфекции в 3-D моделях человеческих тканей
Пока исследователи пытались разгадать сложные взаимодействия между микроорганизмами и клетками хозяина, которые они инфицируют, один аспект процесса заболевания часто упускался из виду - физические силы, которые влияют на взаимодействие хозяина и возбудителя и на исход заболевания.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Cellular and Infection Microbiology ученые демонстрируют, что в условиях низкой силы жидкостного сдвига, которые имитируют условия микрогравитации во время космических полетов, Salmonella инфицирует трехмерные модели тканей кишечника человека на гораздо более высоком уровне и вызывает уникальные изменения в экспрессии генов. Это исследование развивает предыдущую работу той же группы, показывающую, что физические силы жидкостного сдвига, действующие как на патоген, так и на хозяина, могут изменить ландшафт инфекции.
Понимание этого тонкого взаимодействия хозяина и патогена имеет решающее значение для обеспечения здоровья астронавтов, особенно во время длительных космических полетов. Такие исследования также проливают новый свет на все еще во многом загадочные процессы инфицирования, поскольку небольшие силы жидкостного сдвига также присутствуют в тканях нашего организма, которые инфицируются патогенами, включая кишечный тракт.
Хотя исследователи уже подробно описали взаимодействие между обычными лабораторными культурами Salmonella typhimurium и трехмерными моделями кишечника, в данном исследовании впервые S. typhimurium культивировалась в условиях низкого жидкостного сдвига при имитации микрогравитации, а затем использовалась для инфицирования 3-D модели эпителия кишечника человека, совместно с макрофагами - ключевыми типами клеток, вовлеченными в сальмонеллезную инфекцию. 3-D модель кишечника, разработанная в данном исследовании, более точно повторяет структуру и поведение той же ткани в человеческом организме и лучше предсказывает реакцию на инфекцию по сравнению с обычными лабораторными культурами клеток.
Результаты показали значительные изменения в экспрессии генов в 3-D моделях клеток кишечника после инфицирования штаммами S. typhimurium дикого типа и мутантными штаммами, выращенными в условиях имитации микрогравитации. Многие из этих изменений произошли в генах, которые, как известно, тесно связаны с невероятной способностью S. typhimurium вторгаться и колонизировать клетки хозяина, избегая уничтожения иммунной системой.
"Основной проблемой, ограничивающей освоение космоса человеком, является отсутствие всестороннего понимания влияния космических путешествий на здоровье экипажа", - говорит руководитель исследования Шэрил Никерсон. "Эта проблема негативно скажется как на освоении дальнего космоса профессиональными астронавтами, так и на гражданских лицах, участвующих в быстро развивающемся коммерческом космическом рынке полетов на низкой околоземной орбите. Поскольку микроорганизмы сопровождают человека везде, где он путешествует, и необходимы для контроля гомеостаза, понимание взаимосвязи между космическим полетом, функциями иммунных клеток и микроорганизмами будет иметь важное значение для понимания риска инфекционных заболеваний для человека".
Жизнь на Земле представлена почти непостижимо огромным количеством форм, развивающихся в совершенно разных условиях окружающей среды. Однако один параметр остается неизменным. На протяжении 3,7 миллиардов лет истории жизни на Земле все живые организмы развивались под действием земного притяжения и реагировали на него.
Более 20 лет Никерсон является пионером в изучении влияния микрогравитационной среды космического полета на патогенных микробов и его влияния на взаимодействие с клетками человека и животных, которых они инфицируют. Она и ее коллеги настойчиво проводили эти исследования как на земле, так и в условиях космических полетов, результаты которых помогли заложить основу быстро развивающейся области исследований - механобиологии инфекционных заболеваний, изучающей влияние физических сил на инфекцию и исход заболевания.
Одним из важных результатов исследований является то, что условия низкого жидкостного сдвига, связанные с пониженной гравитацией в условиях космического полета, аналогичны тем, с которыми сталкиваются патогены внутри инфицированного хозяина, и что эти условия могут вызывать уникальные изменения в способности патогенных микробов, таких как Salmonella, агрессивно инфицировать клетки хозяина и усиливать свою вирулентность.
Клетки млекопитающих, а также бактериальные клетки, которые их инфицируют, подвержены воздействию внеклеточной жидкости, обтекающей их внешние поверхности. Подобно тому, как мягкое течение влияет на гальку в русле ручья иначе, чем бушующий поток, так и сила жидкости, скользящей по поверхности клеток, может вызывать различные изменения в клетках. Такое воздействие на поверхности клеток известно как жидкостный сдвиг.
Поскольку эксперименты в космических полетах проводятся нечасто, исследователи имитируют условия жидкостного сдвига, с которыми сталкиваются микроорганизмы во время культивирования в космическом полете, выращивая их в биореакторе с вращающейся поверхностью стенки (rotating wall vessel) или RWV. При вращении цилиндрического реактора клетки поддерживаются во взвешенном состоянии, мягко и непрерывно перемещаясь в окружающей их культуральной среде. Этот процесс имитирует условия микрогравитации с низким коэффициентом жидкостного сдвига, которые клетки испытывают в процессе культивирования в условиях космического полета.
Авторы показали, что этот уровень жидкостного сдвига соответствует условиям, с которыми сталкиваются микробные клетки в кишечнике человека и других тканях во время инфекции, вызывая изменения в экспрессии генов, которые могут помочь некоторым патогенам лучше колонизировать клетки хозяина и уклониться от иммунной системы. Исследование выявило значительные изменения как в экспрессии генов, так и в способности сальмонелл, выращенными в биореакторе RWV инфицировать 3-D модели кишечника.
В экспериментах использовались два штамма S. typhimurium, один дикого типа и один мутантный штамм. Мутантный штамм в целом был идентичен дикому типу, но в нем отсутствовал важный белок Hfq, основной регулятор реакции на стресс у сальмонелл. В более ранних исследованиях Никерсон и ее коллеги обнаружили, что Hfq действует как главный регулятор инфекционного процесса Salmonella как в условиях космического полета, так и в аналоговой культуре. Позже они обнаружили другие патогены, которые также используют Hfq для регуляции своих реакций на те же условия.
Неожиданностью стало то, что в данном исследовании мутантный штамм hfq все еще был способен прикрепляться, вторгаться и выживать в 3-D моделях тканей на уровне, сравнимом со штаммом дикого типа. Также, было показано, что гены, ответственные за способность Salmonella колонизировать клетки человека, включая гены, связанные с клеточной адгезией, подвижностью и инвазией, по-прежнему активировались у мутантного штамма в условиях моделируемой микрогравитации, несмотря на удаление Hfq. Аналогично 3-D модель реагировала на инфекцию Salmonella активацией генов, участвующих в воспалении, реконструкции тканей и заживлении ран на более высоких уровнях, когда бактерии выращивались в условиях имитации микрогравитации. Это наблюдалось как для дикого типа, так и для мутантных штаммов hfq.
Данные, полученные в ходе этого исследования, подтверждают предыдущие результаты экспериментов, проведенных исследователями в 2006, 2008 и 2010 годах на шаттлах. В частности, в эксперименте 2010 года STL-IMMUNE, проведенном на борту космического корабля "Дискавери", использовался тот же штамм S. typhimurium дикого типа для инфицирования 3-D модели кишечной ткани человека, изготовленной из тех же эпителиальных клеток, которые использовались в настоящем исследовании.
Было отмечено несколько общих черт между реакциями клеток хозяев на инфекцию в новом исследовании и реакциями, о которых сообщалось ранее при инфицировании в настоящем космическом полете во время эксперимента STL-IMMUNE. Эти результаты еще больше удостоверяют RWV в качестве хорошей наземной системы, имитирующей ключевые аспекты реакции микроорганизмов на культуру в настоящем космическом полете.
"В ходе STL-IMMUNE мы обнаружили, что инфицирование 3-D модели кишечного эпителия человека Salmonella во время космического полета вызвало ключевые транскрипционные и протеомные сигнатуры, которые соответствовали усиленному инфицированию патогеном", - рассказывает Никерсон. "Однако из-за технических сложностей, мы не могли количественно определить, действительно ли бактерии адегизируются и внедряются в ткани на более высоких уровнях. Использование биореактора RWV в качестве аналоговой системы в нашем нынешнем исследовании стало мощным инструментом, который позволил нам изучить этот экспериментальный вопрос на более глубоком уровне".
Во время полетов космонавты подвергаются повышенному риску заражения инфекционными заболеваниями. Тяжелые условия космического полета ослабляют их иммунную систему. В то же время некоторые патогенные микроорганизмы, в условиях низкого жидкостного сдвига, вызванного микрогравитацией, могут стать более эффективными возбудителями инфекций. Сейчас, когда космические путешествия в дальний космос находятся на стадии планирования, а гражданские космические путешествия быстро развиваются, защита космических путешественников от инфекционных заболеваний является жизненно важной. Исследования, подобные данному, помогают приоткрыть завесу над инфекционным процессом, раскрывая основополагающие детали, имеющие широкое значение для борьбы с заболеваниями на Земле и за ее пределами.
